通信原理多进制数字调制系统PPT

1、,联合战术通信教研室张伟明,理工大学通信工程学院,第五章 正弦载波数字调制,数字通信原理,5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK） 5.5.2多进制频移键控（MFSK） 5.5.3多进制相移键控（MPSK） 5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK） 5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,5.5多进制数字调制系统,研究对象：多进制数字调制系统 研究目的：在信道频带受限时多进制数字调制是如何增加信息的传输速率（即比特率），提高系统的频带利用率从而提高数字传输系统有效性，或者通过牺牲频带资源从而提高系统可靠性的。 研究方法：原理及抗噪声性能结论,5.5多进制数字调制系统

2、,定义：在码元间隔0tTS内，可能发送的码元有M种：si(t)，i=1，2，M。实际应用中，通常取M=2k（k1为整数）。 每个码元可以携带log2M比特信息，因此在信道频带受限时可以增加信息的传输速率（即比特率），提高频带的利用率。（有例外）,5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK） 5.5.2多进制频移键控（MFSK） 5.5.3多进制相移键控（MPSK） 5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK） 5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,5.5.1多进制振幅键控,定义：M进制幅度键控（MASK）是使用M种可能取值的多电平基带信号对载波幅度进行键控而得到的信号。

3、特点：在相同信道传输速率下M电平调制与二电平调制具有相同的信号带宽。,一、MASK的波形,5.5.1多进制振幅键控,基带信号波形,码元间隔,二、MASK的数学表达式,5.5.1多进制振幅键控,三、MASK的能量与抗噪声性能间的关系,在一个码元间隔内 t(0,Tb，只能发射某一特定幅度的信号,Ai表示与M=2k个可能的k个比特码元对应的M个可能的离散幅值,如果相邻幅值之间的差值为h,单个码元内信号的能量,MASK信号的平均能量,认为g(t)具有单位能量,5.5.1多进制振幅键控,结论 在相邻幅值间距相等的情况下，平均能量随进制数的增加而增加 在平均能量相等的情况下，进制数越大，则相邻幅值的间距越

4、小 因此在相同信噪比条件下，进制数越大，误码率也越大,M2,M4,MASK与2ASK比较,平均功率相同,11 01 00 10 01,1 1 0 1 0 0 1 0 0 1,4ASK,2ASK,MASK与2ASK比较,载波振幅间隔相同,11 01 00 10 01,1 1 0 1 0 0 1 0 0 1,4ASK,2ASK,5.5.1多进制振幅键控,四、MASK信号带宽 M进制振幅调制信号可以看成由M个时间上不重叠的二进制振幅调制信号叠加。 在符号速率（码元速率）相等的情况下 BMASK B2ASK,5.5.1多进制振幅键控,五、MASK信号解调 对于M元确知信号的最佳接收可以描述为，在观察时

5、间(0，Tb)内收到的波形r(t)将包含M个信号si(t)（i=1，2，M）中的一个,码元信噪比,比特信噪比,5.5.1多进制振幅键控,发送M个电平的可能性相同时，MASK相干解调时误码率为,r=Eav/n0为信噪比,结论 在相同信噪比条件下，进制数越大，误码率也越大; 为得到相同的误码率，多电平调制需要比二进制更高的信噪比； 多电平调制尽管提高了频带利用率，但抗噪声性能却下降了，尤其抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道中采用。,M=16,M=2,M=4,M=8,5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK） 5.5.2多进制频移键控（MFSK） 5.5.3多进制相移键

6、控（MPSK） 5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK） 5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,5.5.2多进制频移键控,一、信号数学表达式 假设 M个频移键控信号具有相同的能量、先验等概； 信号间彼此正交，信号之间的频率间隔为1/(2Ts)Hz,Ts是符号间隔,fc=nc/(2Ts)， nc是某个固定的整数,5.5.2多进制频移键控,r=E/n0为平均接收信号的信噪比,二、信号带宽 三、抗噪声性能 非相干解调 相干解调,5.5.2多进制频移键控,MFSK相干解调性能,5.5.2多进制频移键控,MFSK非相干解调性能,MFSK与2FSK的比较,功率谱密度,fb,fS,2FSK,8FSK

7、,f0,f1,f0,f1,f0,f0,f1,f1,f0,f0,f0,f1,f1,f0,f1,f2,f4,f6,f1,f5,0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1,2FSK,8FSK,5.5.2多进制频移键控,问题1：MASK和MFSK调制是如何利用信号波形携带信息？ 问题2：MASK与2ASK在通信系统质量指标方面有什么差别？,5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK） 5.5.2多进制频移键控（MFSK） 5.5.3多进制相移键控（MPSK） 5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK） 5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,5.5.3多进制相移键

8、控,MPSK信号 MPSK信号的一般原理 QPSK信号的波形 QPSK信号的产生 QPSK信号的功率谱及带宽 QPSK信号的解调 QPSK信号的抗噪声性能,5.5.3多进制相移键控,图6-28 二进制数字相位调制信号矢量图,以0载波相位作为参考相位,载波相位只有0和两种取值,载波相位只有/2两种取值,载波相位四种取值,图6-29 四进制数字相位调制信号矢量图,一、MPSK信号的一般原理,5.5.3多进制相移键控,图6-30 八进制数字相位调制信号矢量图,以载波相位的M种不同取值分别表示数字信息,信号包络波形，通常为矩形波，幅度为1,码元间隔,第n个码元对应的相位，共有M种取值,M进制数字相位调

9、制信号的正交形式,5.5.3多进制相移键控,当数字基带信号为11时，载波为： 当数字基带信号为01时，载波为： 当数字基带信号为00时，载波为： 当数字基带信号为10时，载波为：,5.5.3多进制相移键控,二、QPSK信号的波形,1,1,1,1,0,0,0,t,t,1,0,数字信息,QPSK波形,QPSK波形特点：,（1）相邻码元载波相位不连续,（2）相邻码元载波相位最大跳变180度，出现在01与10， 00与11 的变化时。,5.5.3多进制相移键控,5.5.3多进制相移键控,三、QPSK信号的产生,设第n个码元内的数字信息为 ，QPSK信号的载波相位为 。,5.5.3多进制相移键控,输入信

10、息与同相分量及正交分量之间的关系,1 1,0 1,0 0,1 0,+ +,- +,- -,+ -,5.5.3多进制相移键控,QPSK调制器方框图,QPSK由两个2PSK信号相加而成。,QPSK信号频带利用率为,2PSK信号频带利用率为,四、QPSK信号的功率谱及带宽 QPSK信号由两路2PSK信号相加而成。当两路2PSK信号独立时，QPSK信号的功率谱等于两个2PSK信号的功率谱相加。,5.5.3多进制相移键控,5.5.3多进制相移键控,五、QPSK信号的解调,同相支路：,正交支路：,解调器各点的数学表达式 设接收信号为：,5.5.3多进制相移键控,同相、正交支路的判决规则为：取样值大于0，判

11、1 取样值小于0，判0,1 1,0 1,0 0,1 0,+,+,+,+,-,-,-,-,5.5.3多进制相移键控,5.5.3多进制相移键控,六、抗噪声性能 1、QPSK 2、MPSK：对于任意M进制PSK信号，当信噪比r足够大时,QPSK的误比特性能与2PSK相同。,5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK） 5.5.2多进制频移键控（MFSK） 5.5.3多进制相移键控（MPSK） 5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK） 5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,DQPSK(4DPSK),DQPSK,(DQPSK) Differential Quadrature P

12、hase-Shift Keying,5.5.4多进制差分相移键控,(11),(11),(01),(00),(10),(01),(00),(10),DQPSK 信号波形图,参考载波,特点：,2、已调波有4种相位,3、相位跳变的绝对值最大为180度,1、信息携带在相邻载波的相位差上,5.5.4多进制差分相移键控,一、DQPSK信号的波形,5.5.4多进制差分相移键控,二、DQPSK信号的产生 设第n个码元内的数字信息为 ，DQPSK信号的载波相位为 。,信号变换（映射）,5.5.4多进制差分相移键控,调制后载波的相位有几种？,初始 相位,结论：对于，无论初始相位是哪个体系，最终载波相位只有四种可能

13、性。,5.5.4多进制差分相移键控,调制后载波的相位有几种？,结论：对于，无论初始相位是哪个体系，最终载波相位却有八种可能性，在两种体系间跳变。,初始 相位,5.5.4多进制差分相移键控,前一双比特码元的载波相位有四种可能，现设它为180（对应cndn=00）,此时的载波相位应为180+90=270,cndn应为10,码换器应将输入数据01（ab）变成10（cd）,anbn为01,方法：码变换QPSK调制（/2体系）,相位配置关系图,/2 DQPSK原理框图与具体实现,5.5.4多进制差分相移键控,码变换关系表（cndn产生）,cn-1dn-1,anbn,相位配置关系图,n-1,180,90,

14、0,270,180,90,0,270,n,n,5.5.4多进制差分相移键控,对应关系,DQPSK信号频带利用率为,2DPSK信号频带利用率为,5.5.4多进制差分相移键控,三、DQPSK信号的功率谱及带宽,特别：/4 DQPSK与/2 DQPSK相比，在带限非线性信道上带外辐射较小。,同相支路,正交支路,5.5.4多进制差分相移键控,四、DQPSK信号的解调 1、相干解调,积分器输出与载波相位的关系,+,+,+,+,-,-,-,-,结论: 由同相支路及正交支路低通滤波器的输出 和 的取样值极性可确定 ，这是一个QPSK信号的解调。,5.5.4多进制差分相移键控,5.5.4多进制差分相移键控,图

15、6-35 4DPSK信号相干解调加码反变换器原理图,表6-9判决规则,DQPSK错误概率近似为QPSK的两倍。,解调器中由 及 计算 的过程则是差分译码的过程。,如：出现反相工作时，确定的 ，此时前一码元内确定 的 。计算,（2）一个 的错误，会引起 及 的错误。,5.5.4多进制差分相移键控,差分译码的特点： （1）消除了由载波相位模糊引起的反向工作问题。,5.5.4多进制差分相移键控,判决器是按极性来判决的。正取样值判为1，负取样值判为0。,四、DQPSK信号的解调 2、差分相干解调,Ts,Ts,5.5.4多进制差分相移键控,表6-10差分正交解调的判决准则,同相、正交支路的判决规则为：取

16、样值大于0，判1 取样值小于0，判0,抗噪声性比QPSK差约2.3dB。,5.5.4多进制差分相移键控,在M值很大时，差分移相和相干移相相比约损失3dB的功率。在四相时，大约损失2.3dB的功率,五、DQPSK信号的抗噪声性能 对于M相绝对移相方式，当信噪比r足够大时，误码率可近似为 对于M相相对移相方式，当信噪比r足够大时，误码率可近似为,5.5.4多进制差分相移键控,六、/4 DQPSK调制,的四种取值,/4 DQPSK 信号波形图,参考载波,特点：,2、已调波有8种相位,3、相位跳变的绝对值最大为135度,1、信息携带在相邻载波的 位差上,多进制差分相移键控,/4 Differentia

17、l Quadrature Phase-Shift Keying （ /4 DQPSK）,的四种取值,5.5.4多进制差分相移键控,/4 DQPSK信号的星座图,/2 DQPSK信号的星座图,5.5.4多进制差分相移键控,设第n个码元内的数字信息为 ，/4 DQPSK信号的载波相位为 。,/4 DQPSK信号的产生,迭代法,/4 DQPSK信号的解调,1、中频差分解调(与DQPSK的差分解调相同),2、基带差分解调 是/4 DQPSK常采用的解调方法。,/4 DQPSK信号的基带差分解调,/4 DQPSK信号的基带差分解调,/4 DQPSK信号的基带差分解调,1 1,0 1,0 0,1 0,+,

18、+,+,+,-,-,-,-,判决规则： 、 大于0，判1 、 小于0，判0,用于判决的样值与信息的关系,误比特率：,5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK） 5.5.2多进制频移键控（MFSK） 5.5.3多进制相移键控（MPSK） 5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK） 5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,在系统带宽一定的情况下，多进制调制（幅移或相移键控）的信息传输速率比二进制高，也就是说，多进制调制系统的频带利用率高，提高了有效性 多进制调制系统频带利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的 ，降低了可靠性。 解决

19、方法： 振幅相位联合键控（APK）,5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,振幅相位联合键控信号的一般表示式为,基带信号幅度,宽度为Ts的单个基带信号波形,APK信号可看作两个正交调制信号之和,基本原理,同时向上、下两支路输出，与QPSK、DQPSK等相同,时，4QAM就是QPSK,5.5.5振幅相位联合键控系统,一、QAM调制器,5.5.5振幅相位联合键控系统,16QAM调制器,5.5.5振幅相位联合键控系统,支路波形,11 01 01 00 00 10 10 01 01 11,同相支路,同相支路,设信息 ，,5.5.5振幅相位联合键控系统,二、QAM波形的特点,5.5.5振幅相位联合键控

20、系统,设信息 ，,16QAM波形的特点：,1、有三种幅度、12种相 位,2、非恒包络调制，不适 合非线性信道,5.5.5振幅相位联合键控系统,16QAM星座图,16QAM信号频带利用率为,结论：QAM调制频带利用率高,5.5.5振幅相位联合键控系统,三、QAM信号的功率谱及带宽,判决器有三个门限电平,判决规则：,1、小于-2，判-3,2、大于-2，小于0，判-1,3、大于0，小于2，判+1,4、大于2，判+3,结论：M越大，频带利用率越高，但误码性能也越差。,四、QAM信号的解调,5.5.5振幅相位联合键控系统,五、16QAM与16PSK比较,16QAM和16PSK的信号星座图,16QAM信号表达式,最大功率（或振幅）相等,16PSK相邻信号点的距离,16QAM相邻信号点的距离,L是在两个正交方向（x或y）上信号的电平数，M为进制数,d2超过d11.64dB,即在最大功率（峰值功率）相等的情况下，16QAM信号比16PSK信号性能好1.64dB,5.5.5振幅相位联合键控系统,16QAM与16PSK比较