《通信原理》第7章数字调制系统(7.45)解析课件

1、通信原理第7章 数字带通传输（7.4-5）主 讲：江金龙E-mail：九江学院电子工程学院第1页，共52页。概要：7.4 多进制数字调制原理 7.4.1 多进制振幅键控（MASK） 7.4.2 多进制频移键控（MFSK） 7.4.3 多进制相移键控（MPSK） 7.4.4 多进制差分相移键控（MDPSK） 7.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能 第2页，共52页。8/4/202227.4 多进制数字调制原理 为了提高频带利用率，最有效的办法是使一个码元传输多个比特的信息。 由7.3节中的讨论得知，各种键控体制的误码率都决定于信噪比r。 它还可以改写为码元能量E和噪声单边功率谱密度n0之比：推理

2、如下：第3页，共52页。8/4/20223 代入：带通系统： （带宽码元速率）基带系统：（带宽1/2码元速率）第4页，共52页。8/4/20224 设多进制码元的进制数为M，码元能量为E，一个码元中包含信息k比特，则有k = log2M 若码元能量E平均分配给每个比特，则每比特的能量Eb等于E / k。故有 在研究不同M值下的错误率时，适合用rb为单位来比较不同体制的性能优劣。比特信噪比第5页，共52页。8/4/202257.4.1 多进制振幅键控(MASK)多进制振幅键控又称多电平调制优点： MASK信号的带宽和2ASK信号的带宽相同，故单位频带的信息传输速率高，即频带利用率高。如：基带信号

3、是多进制单极性不归零脉冲：第6页，共52页。8/4/20226 (b) MASK信号(a) 基带多电平单极性不归零信号0010110101011110000t0t0101101010111100第7页，共52页。8/4/20227基带信号是多进制双极性不归零脉冲：0101101010111100000t(c) 基带多电平双极性不归零信号00000t01011010101111(d) 抑制载波MASK信号第8页，共52页。8/4/202287.4.2 多进制频移键控(MFSK)4FSK信号波形举例(a) 4FSK信号波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b) 4FSK信

4、号的取值第9页，共52页。8/4/20229MFSK信号的带宽式中: f1 最低载频 fM 最高载频 f 单个码元的带宽B = fM - f1 + f第10页，共52页。8/4/202210MFSK非相干解调器的原理方框图V1(t)抽样判决带通滤波f1包络检波带通滤波fM包络检波输入输出VM(t)定时脉冲带通滤波f2包络检波.第11页，共52页。8/4/2022117.4.3 多进制相移键控(MPSK)基本原理一个MPSK信号码元可以表示为式中，A 常数， k 一组间隔均匀的受调制相位它可以写为通常M 取2的整数次幂。第12页，共52页。8/4/202212 在下图中示出当M = 8时，k取值

5、的一例。图中示出当发送信号的相位为1 = 0时，能够正确接收的相位范围在/8内。图7-34 8PSK信号相位第13页，共52页。8/4/202213 对于MPSK信号，不能简单地采用一个相干载波进行相干解调。例如，若用cos2f0t作为相干载波时，因为cosk = cos(2-k)，使解调存在模糊。这时需要用两个正交的相干载波解调.第14页，共52页。8/4/202214可以将MPSK信号码元表示式展开写成式中 上式表明，MPSK信号码元sk(t)可以看作是由正弦和余弦两个正交分量合成的信号，并且ak2 + bk2 = 1 。因此，其带宽和MASK信号的带宽相同。第15页，共52页。8/4/2

6、02215本节下面主要以M = 4为例，对4PSK作进一步的分析.（1）正交相移键控(QPSK) 先介绍格雷(Gray)码 4PSK信号每个码元含有2 比特的信息，现用ab代表这两个比特。两个比特有4种组合，即00、01、10和11。它们和相位k之间的关系通常都按格雷码的规律安排，如下表所示第16页，共52页。8/4/202216 abk0090010112701018001001011参考相位图7-35 QPSK信号的矢量图QPSK信号矢量图QPSK信号的编码 （格雷码）第17页，共52页。8/4/202217 格雷码的好处在于相邻相位所代表的两个比特只有一位不同。由于因相位误差造成错判至相

7、邻相位上的概率最大，故这样编码使之仅造成一个比特误码的概率最大。第18页，共52页。8/4/202218多位格雷码的编码方法：序号 格雷码 二进码00 0 0 0000010 0 0 1000120 0 1 100103 0 0 1 000114 0 1 1 001005 0 1 1 101016 0 1 0 101107 0 1 0 001118 1 1 0 010009 1 1 0 1 100110 1 1 1 1 101011 1 1 1 0101112 1 0 1 0110013 1 0 1 1110114 1 0 0 1111015 1 0 0 01111格雷码又称反射码。第19页，

8、共52页。8/4/202219码元相位关系： k称为初始相位，常简称为相位，而把(0t + k)称为信号的瞬时相位 当码元中包含整数个载波周期时，初始相位相同的相邻码元的波形和瞬时相位才是连续的，如下图：(a) 波形和相位连续TT第20页，共52页。8/4/202220 若每个码元中的载波周期数不是整数，则即使初始相位相同，波形和瞬时相位也可能不连续，如左图：(b) 波形和相位不连续TT或者波形连续而相位不连续，如右图。(c) 波形连续相位不连续TT第21页，共52页。8/4/202221 在码元边界，当相位不连续时，信号的频谱将展宽，包络也将出现起伏。 在后面讨论各种调制体制时，还将遇到这个

9、问题。并且有时将码元中包含整数个载波周期的假设隐含不提，认为PSK信号的初始相位相同，则码元边界的瞬时相位一定连续。即：暂不考虑相位不连续引起的频谱展宽。第22页，共52页。8/4/202222QPSK调制有两种产生方法：（1）相乘法 第23页，共52页。8/4/202223 输入比特流a、b与ak、bk没有直接的对应关系。这种映射关系称为A方式。第24页，共52页。8/4/202224若改为B方式：01110010a(1)a(0)b(1)b(0)图7-39 QPSK矢量图二进制码元“1” 双极性脉冲“+1”；二进制码元“0” 双极性脉冲“-1”。a只与cos支路有关b只与sin支路有关。第2

10、5页，共52页。8/4/202225 -sin0t相干载波产生相乘电路相乘电路/2相移串/并变换相加电路cos0tA(t)s(t)图7-37 第一种QPSK信号产生方法ab第26页，共52页。8/4/202226码元串并变换：012345(a) 输入基带码元t024(b) 并行支路a码元t135(c) 并行支路b码元t图7-38 码元串/并变换第27页，共52页。8/4/202227（2）选择法 串/并变换相位选择带通滤波4相载波产生器1432ab图7-40 选择法产生QPSK信号第28页，共52页。8/4/202228QPSK解调:载波提取相乘低通抽判/2相乘低通抽判并/串A(t)s(t)a

11、bcos0t-sin0t定时提取图7-41 QPSK信号解调原理方框图第29页，共52页。8/4/202229 用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两路正交的2PSK信号。 相干解调后的两路并行码元a和b，经过并/串变换后，成为串行数据输出。第30页，共52页。8/4/202230偏置QPSK(OQPSK) QPSK体制的缺点：它的相邻码元最大相位差达到180，这在频带受限的系统中会引起信号包络的很大起伏。 偏置QPSK的改进：为了减小此相位突变，将两个正交分量的两个比特a和b在时间上错开半个码元，使之不可能同时改变。这样安排后相邻码元相位差的最大值仅为90（见下表），从而减小了信号

12、振幅的起伏。第31页，共52页。8/4/202231 OQPSK和QPSK的唯一区别在于：对于QPSK，上表中的两个比特a和b的持续时间原则上可以不同；而对于OQPSK，a和b的持续时间必须相同。OQPSK与QPSK信号波形的比较如下：第32页，共52页。8/4/202232a1a3a5a7a2a6a4a8a2a4a1a3a5a7a6a811000110 注：图7-42没有按A方式画第33页，共52页。8/4/202233/4相移QPSK 4相移QPSK信号是由两个相差4的QPSK星座图交替产生的，它也是一个4进制信号。451110(a)星座图之一(b)星座图之二010011010010第34

13、页，共52页。8/4/202234 当前码元的相位相对于前一码元的相位改变45或135。例如，若连续输入“11 11 11 11”，则信号码元相位为“45 90 45 90 ”。 优点：这种体制中相邻码元间总有相位改变、最大相移为135，比QPSK的最大相移小。第35页，共52页。8/4/2022357.4.4 多进制差分相移键控(MDPSK) MDPSK信号和MPSK信号类似，只需把MPSK信号用的参考相位当作是前一码元的相位，把相移k当作是相对于前一码元相位的相移。 这里仍以4进制DPSK信号为例作进一步的讨论。4进制DPSK通常记为QDPSK。QDPSK信号编码方式：第36页，共52页。

14、8/4/202236 abkA方式B方式0090135010451127031510180225第37页，共52页。8/4/202237产生方法：abcd码变换相加电路s(t)图7-43 第一种QDPSK信号产生方法A(t)串/并变换-/4载波产生相乘电路相乘电路/4第38页，共52页。8/4/202238 图中a和b为经过串/并变换后的一对码元，它需要再经过码变换器变换成相对码c和d后才与载波相乘。c 和d 对载波的相乘实际是完成绝对相移键控。第39页，共52页。8/4/202239解调方法图7-45 A方式QDPSK信号解调方法bacdA(t)-/4相乘电路相乘电路/4s(t)低通滤波低通

15、滤波抽样判决抽样判决并/串变换逆码变换定时提取载波提取第40页，共52页。8/4/2022407.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能7.5.1 MASK系统的抗噪声性能误码率：设抑制载波MASK信号的基带调制码元可以有M个电平，如右图 t0+d-d+3d-3d+(M-1)d-(M-1)d2d2d第41页，共52页。8/4/202241 对于抑制载波MASK信号，判决电平应该选择在0、2d、(M-2)d。当噪声抽样值|nc|超过d时，会发生错误判决。 但是，也有例外情况发生，这就是对于信号电平等于(M-1)d的情况。当信号电平等于+(M-1)d时，若nc +d，不会发生错判； 同理，当信号电平等

16、于-(M-1)d时，若nc - d，也不会发生错判。第42页，共52页。8/4/202242当M = 2时，上式变为MASK相干解调的误码率：（7.5-11）也即是（ ）调制的误码率。第43页，共52页。8/4/202243误码率曲线Per (dB)第44页，共52页。8/4/2022447.5.2 MFSK系统的抗噪声性能非相干解调时的误码率V1(t)抽样判决带通滤波f1包络检波带通滤波fM包络检波输入输出VM(t)定时脉冲带通滤波f2包络检波.第45页，共52页。8/4/202245 它的上界，即有：（7.5-21）第46页，共52页。8/4/202246误码率曲线(a) 非相干解调rbPe第47页，共52页。8/4/202247相干解调时