通信系統(tǒng)原理第五章數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸.ppt

第 5 章 數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸,5.1 引言 5.2 數(shù)字振幅調(diào)制 5.3 數(shù)字頻率調(diào)制 5.4 數(shù)字相位調(diào)制 5.5 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較 *5.6 現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù),5.1 引 言,圖 5-1 頻帶傳輸系統(tǒng)的組成方框圖,5.2 數(shù)字振幅調(diào)制,5.2.1 二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控(2ASK),1. 一般原理與實(shí)現(xiàn)方法,二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控是一種古老的調(diào)制方式， 也是各種數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。 振幅鍵控(也稱幅移鍵控)，記作ASK(Amplitude Shift Keying)， 或稱其為開關(guān)鍵控(通斷鍵控)，記作OOK(On Off Keying)。 二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控通常記作2ASK。,對(duì)于振幅鍵控這樣的線性調(diào)制來說，在二進(jìn)制里，2ASK是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波，使載波時(shí)斷時(shí)續(xù)地輸出。 有載波輸出時(shí)表示發(fā)送“1”， 無載波輸出時(shí)表示發(fā)送“0”。根據(jù)線性調(diào)制的原理，一個(gè)二進(jìn)制的振幅鍵控信號(hào)可以表示成一個(gè)單極性矩形脈沖序列與一個(gè)正弦型載波的相乘， 即,式中, g(t)是持續(xù)時(shí)間為Ts的矩形脈沖，c為載波頻率，an為二進(jìn)制數(shù)字。,若令,則,圖 5-2 數(shù)字線性調(diào)制方框圖,圖 5-3 2ASK信號(hào)的產(chǎn)生及波形模型,圖 5-4 橋式調(diào)制器產(chǎn)生2ASK信號(hào),圖 5-5 簡(jiǎn)單的三極管調(diào)幅器,圖 5-6 2ASK信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法,2. 2ASK信號(hào)的功率譜及帶寬 若用G(f)表示二進(jìn)制序列中一個(gè)寬度為Tb、高度為 1 的門函數(shù)g(t)所對(duì)應(yīng)的頻譜函數(shù)，Ps(f)為s(t)的功率譜密度，Pe(f)為已調(diào)信號(hào)e(t)的功率譜密度，則有,圖 5-7 2ASK信號(hào)的功率譜,由圖 5-7 可見： (1) 因?yàn)?ASK信號(hào)的功率譜密度Pe(f)是相應(yīng)的單極性數(shù)字基帶信號(hào)功率譜密度Ps(f)形狀不變地平移至fc處形成的，所以2ASK信號(hào)的功率譜密度由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。它的連續(xù)譜取決于數(shù)字基帶信號(hào)基本脈沖的頻譜G(f)；它的離散譜是位于fc處一對(duì)頻域沖擊函數(shù)，這意味著2ASK信號(hào)中存在著可作載頻同步的載波頻率fc的成分。,(2) 基于同樣的原因，我們可以知道，上面所述的2ASK信號(hào)實(shí)際上相當(dāng)于雙邊帶調(diào)幅(DSB)信號(hào)。因此，由圖 5-7 可以看出， 2ASK信號(hào)的帶寬B2ASK是單極性數(shù)字基帶信號(hào)Bg的兩倍。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)的基本脈沖是矩形不歸零脈沖時(shí)，Bg=1/Tb。于是 2ASK信號(hào)的帶寬為,因?yàn)橄到y(tǒng)的傳碼率RB=1/Tb(Baud)，故2ASK系統(tǒng)的頻帶利用率為,3. 2ASK信號(hào)的解調(diào)及系統(tǒng)誤碼率,圖 5-8 2ASK信號(hào)的包絡(luò)解調(diào),圖 5-9 2ASK信號(hào)的相干解調(diào),相干解調(diào)原理方框圖如圖5-9 所示。相干解調(diào)就是同步解調(diào)，同步解調(diào)時(shí)，接收機(jī)要產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號(hào)，稱其為同步載波或相干載波，利用此載波與收到的已調(diào)波相乘，相乘器輸出為,圖 5-10 2ASK信號(hào)概率分布曲線,若發(fā)“1”的概率為P(1)，發(fā)“0”的概率為P(0)，并且當(dāng)P(0)=P(1)=1/2時(shí)，取樣判決器的判決門限電平取為A/2，當(dāng)包絡(luò)的抽樣值A(chǔ)/2時(shí)，判為“1”；抽樣值A(chǔ)/2時(shí)判為“0”。發(fā)“1”錯(cuò)判為“0”的概率為P(0/1), 發(fā)“0”錯(cuò)判為“1”的概率為P(1/0)， 則系統(tǒng)的總誤碼率為,實(shí)際上，Pe就是圖 5-10 中兩塊陰影面積之和的一半。x=A/2直線左邊的陰影面積等于Pe1，其值的一半表示漏報(bào)概率； x=A/2直線右邊的陰影面積等于Pe0，其值的一半表示虛報(bào)概率。采用包絡(luò)檢波的接收系統(tǒng)，通常是工作在大信噪比的情況下， 這時(shí)可近似地得出系統(tǒng)誤碼率為,式中r=A2/(2 )為輸入信噪比。由此可見，包絡(luò)解調(diào)2ASK系統(tǒng)的誤碼率隨輸入信噪比r的增大，近似地按指數(shù)規(guī)律下降。,相干解調(diào)時(shí)2ASK系統(tǒng)的誤碼率的計(jì)算是考慮經(jīng)過帶通濾波器、乘法器以及低通濾波器以后，信號(hào)和噪聲均已檢出并輸入抽樣判決器， 無論是發(fā)送“1”還是“0”，判決器輸入信號(hào)與噪聲的混合物，其瞬時(shí)值的概率密度都是正態(tài)分布的，只是均值不同而已。當(dāng)P(0)=P(1)=1/2 時(shí)，假設(shè)判決門限電平為A/2, xA/2判為“1”，xA/2判為“0”， 發(fā)“1”判為“0”的概率為P(0/1)， 發(fā)“0”判為“1”的概率為P(1/0)，這時(shí)相干檢測(cè)時(shí)2ASK系統(tǒng)的誤碼率為,當(dāng)信噪比非常大時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率可進(jìn)一步近似為,上式表明， 隨著輸入信噪比的增加， 系統(tǒng)的誤碼率將更迅速地按指數(shù)規(guī)律下降。,將2ASK信號(hào)包絡(luò)非相干解調(diào)與相干解調(diào)相比較: (1) 相干解調(diào)比非相干解調(diào)容易設(shè)置最佳判決門限電平。 因?yàn)橄喔山庹{(diào)時(shí)最佳判決門限僅是信號(hào)幅度的函數(shù)， 而非相干解調(diào)時(shí)最佳判決門限是信號(hào)和噪聲的函數(shù)。 (2) 最佳判決門限時(shí)，r一定，Pe相Pe非，即信噪比一定時(shí)，相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)的誤碼率；Pe一定時(shí)，r相r非，即系統(tǒng)誤碼率一定時(shí)，相干解調(diào)比非相干解調(diào)對(duì)信號(hào)的信噪比要求低。由此可見，相干解調(diào) 2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調(diào)系統(tǒng)。 (3) 相干解調(diào)需要插入相干載波，而非相干解調(diào)不需要?？梢?，相干解調(diào)時(shí)設(shè)備要復(fù)雜一些，而非相干解調(diào)時(shí)設(shè)備要簡(jiǎn)單一些。,5.2.2 多進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控(MASK),在多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，在每個(gè)符號(hào)間隔Tb內(nèi)，可能發(fā)送的符號(hào)有M種，在實(shí)際應(yīng)用中，通常取M=2n，n為大于1的正整數(shù)， 也就是說，M是一個(gè)大于 2 的數(shù)字。這種狀態(tài)數(shù)目大于 2 的調(diào)制信號(hào)稱為多進(jìn)制信號(hào)。將多進(jìn)制數(shù)字信號(hào)(也可由基帶二進(jìn)制信號(hào)變換而成)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，在接收端進(jìn)行相反的變換， 這種過程就叫多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)，或簡(jiǎn)稱為多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。,與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相比，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： (1) 在碼元速率(傳碼率)相同條件下，可以提高信息速率(傳信率)。當(dāng)碼元速率相同時(shí)，M進(jìn)制數(shù)傳系統(tǒng)的信息速率是二進(jìn)制的log2M倍。 (2) 在信息速率相同條件下，可降低碼元速率，以提高傳輸?shù)目煽啃浴?(3) 在接收機(jī)輸入信噪比相同條件下， 多進(jìn)制數(shù)傳系統(tǒng)的誤碼率比相應(yīng)的二進(jìn)制系統(tǒng)要高。 (4) 設(shè)備復(fù)雜。,1. MASK信號(hào)的波形及表示式,圖 5-11(c)的各個(gè)波形可表示為,其中,e1(t)、em-1(t)均為 2ASK信號(hào)，但它們振幅互不相等，時(shí)間上互不重疊，e0(t)=0 可以不考慮。因此，m電平的MASK信號(hào)e(t)可以看作由振幅互不相等、時(shí)間上互不相容的m-1個(gè)2ASK信號(hào)疊加而成。即,概率為1,概率為P1,概率為1-P1,概率為P2,概率為1-P2,概率為Pm-1,概率為1- Pm-1,圖 5-11 多電平調(diào)制波形,2. MASK信號(hào)的帶寬及頻帶利用率,MASK信號(hào)的帶寬可表示為,其中fb=1/Tb是多進(jìn)制碼元速率。,與二進(jìn)制2ASK信號(hào)相比較，二進(jìn)制碼元速率為fb。當(dāng)兩者碼元速率相等時(shí)，即fb=fb，則兩者帶寬相等， 即,當(dāng)兩者的信息速率相等時(shí)，則其碼元速率的關(guān)系為,當(dāng)以碼元速率考慮頻帶利用率r時(shí)， 有,這與2ASK系統(tǒng)相同。 但通常是以信息速率來考慮頻帶利用率的， 因此有,3. MASK信號(hào)的調(diào)制方法,圖 5-12 幾種多電平調(diào)制的方框圖,為了進(jìn)一步說明多電平正交調(diào)幅帶來的好處， 將發(fā)端方框圖再詳細(xì)畫出示于圖 5-12(d)中(設(shè)m=4, 圖右側(cè)為A,B,C,D各點(diǎn)波形圖)。 輸入二進(jìn)制數(shù)碼的碼元寬度為Tb，每 2 比特一組，經(jīng)2/4電平變換器變換成四進(jìn)制數(shù)碼，其碼元寬度為 2Tb，每個(gè)碼元包含 2 比特信息。再經(jīng)串/并變換交叉送入兩個(gè)支路去進(jìn)行正交調(diào)制， 此時(shí)各支路的碼元寬度為 4Tb。 輸出信號(hào)的帶寬為,它是單路2ASK系統(tǒng)帶寬(2fb)的 ，而信息速率并不改變。此時(shí)頻帶利用率為,4. MASK信號(hào)的特點(diǎn) (1) 傳輸效率高。 (2) 抗衰落能力差。 (3) 在接收機(jī)輸入平均信噪比相等的情況下，MASK系統(tǒng)的誤碼率比2ASK系統(tǒng)要高。 (4) 電平數(shù)M越大，設(shè)備越復(fù)雜。,5.3 數(shù)字頻率調(diào)制,5.3.1 二進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控(2FSK),1. 一般原理與實(shí)現(xiàn)的方法,圖 5-13 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生及波形,根據(jù)以上對(duì) 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生原理的分析，已調(diào)信號(hào)的數(shù)字表達(dá)式可以表示為,1) 直接調(diào)頻法(相位連續(xù) 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生),圖 5-14 直接調(diào)頻法產(chǎn)生 2FSK信號(hào),圖 5-15 相位不連續(xù) 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生和各點(diǎn)波形,2) 頻率鍵控法(相位不連續(xù) 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生),圖 5-16 相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的功率譜,2. 2FSK信號(hào)的功率譜及帶寬,1) 相位不連續(xù)的2FSK情況,(1) 相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的功率譜與 2ASK信號(hào)的功率譜相似，同樣由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。其中，連續(xù)譜與2ASK信號(hào)的相同，而離散譜是位于f1, f2處的兩對(duì)沖擊，這表明2FSK信號(hào)中含有載波f1,f2的分量。 (2) 若僅計(jì)算2FSK信號(hào)功率譜第一個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔，該2FSK信號(hào)的頻帶寬度， 則為,式中，R=fb是基帶信號(hào)的帶寬，h=|f2-f1|/R為偏移率(調(diào)制指數(shù))。,為了便于接收端解調(diào)，要求2FSK信號(hào)的兩個(gè)頻率f1, f2間要有足夠的間隔。對(duì)于采用帶通濾波器來分路的解調(diào)方法，通常取|f2-f1|=(35)RB。于是，2FSK信號(hào)的帶寬為,相應(yīng)地，這時(shí) 2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率為,2) 相位連續(xù)的2FSK情況,圖 5-17 相位連續(xù)2FSK信號(hào)的功率譜,表 5-1 幾種調(diào)制信號(hào)帶寬比較,3. 2FSK信號(hào)的解調(diào)及系統(tǒng)誤碼率,圖 5-18 過零檢測(cè)法方框圖及各點(diǎn)波形圖,1) 過零檢測(cè)法,2) 包絡(luò)檢測(cè)法,圖 5-19 2FSK信號(hào)包絡(luò)檢波方框圖及波形圖,設(shè)頻率f1代表數(shù)字信號(hào)“1”；f2代表數(shù)字信號(hào)“0”，則抽樣判決器的判決準(zhǔn)則應(yīng)為,式中, v1,v2分別為抽樣時(shí)刻兩個(gè)包絡(luò)檢波器的輸出值。 這里的抽樣判決器， 要比較v1, v2的大小，或者說把差值v1-v2與零電平比較。因此，有時(shí)稱這種比較判決器的判決門限為零電平。,3) 同步檢波法,圖 5-20 2FSK信號(hào)相干檢測(cè)方框圖,漏報(bào)概率P(0/1)就是發(fā)“1”時(shí)v1v2的概率。,虛報(bào)概率P(1/0)為發(fā)“0”時(shí)v1v2的概率。,系統(tǒng)的誤碼率為,經(jīng)過計(jì)算，其漏報(bào)概率P(0/1)為,將相干解調(diào)與包絡(luò)(非相干)解調(diào)系統(tǒng)誤碼率做以比較， 可以發(fā)現(xiàn)： (1) 兩種解調(diào)方法均可工作在最佳門限電平。 (2) 在輸入信號(hào)信噪比r一定時(shí)，相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)的誤碼率；當(dāng)系統(tǒng)的誤碼率一定時(shí)，相干解調(diào)比非相干解調(diào)對(duì)輸入信號(hào)的信噪比要求低。所以相干解調(diào) 2FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干的包絡(luò)檢測(cè)。但當(dāng)輸入信號(hào)的信噪比r很大時(shí)，兩者的相對(duì)差別不明顯。 (3) 相干解調(diào)時(shí)，需要插入兩個(gè)相干載波，因此電路較為復(fù)雜， 但包絡(luò)檢測(cè)就無需相干載波，因而電路較為簡(jiǎn)單。,5.3.2 多進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控(MFSK),1. MFSK系統(tǒng)方框圖,圖 5-21 多頻制系統(tǒng)的組成方框圖,2. MFSK信號(hào)的帶寬及頻帶利用率 鍵控法產(chǎn)生的MFSK信號(hào)，其相位是不連續(xù)的，可用DPMFSK表示。它可以看作由m個(gè)振幅相同、載頻不同、時(shí)間上互不相容的2ASK信號(hào)疊加的結(jié)果。設(shè)MFSK信號(hào)碼元的寬度為 Tb，即傳輸速率fb=1/Tb (Baud)，則m頻制信號(hào)的帶寬為,設(shè)fD=(fm-f1)/2 為最大頻偏，則上式可表示為,圖 5-22 DPMFSK信號(hào)的功率譜,若相鄰載頻之差等于2fb，即相鄰頻率的功率譜主瓣剛好互不重疊，這時(shí)的MFSK信號(hào)的帶寬及頻帶利用率分別為,此時(shí)兩者帶寬的關(guān)系為,頻帶利用率的關(guān)系為,與MASK的頻帶利用率比較，其關(guān)系為,3. MFSK信號(hào)的特點(diǎn) (1) 在傳輸率一定時(shí)，由于采用多進(jìn)制，每個(gè)碼元包含的信息量增加，碼元寬度加寬，因而在信號(hào)電平一定時(shí)每個(gè)碼元的能量增加。 (2) 一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制碼元組合，因此，總的判決數(shù)可以減少。 (3) 碼元加寬后可有效地減少由于多徑效應(yīng)造成的碼間串?dāng)_的影響，從而提高衰落信道下的抗干擾能力。 MFSK信號(hào)的主要缺點(diǎn)是信號(hào)頻帶寬，頻帶利用率低。 MFSK一般用于調(diào)制速率(載頻變化率)不高的短波、衰落信道上的數(shù)字通信。,5.4 數(shù)字相位調(diào)制,5.4.1 二進(jìn)制數(shù)字相移鍵控(2PSK),1. 絕對(duì)相移和相對(duì)相移 (1) 絕對(duì)碼和相對(duì)碼。絕對(duì)碼和相對(duì)碼是相移鍵控的基礎(chǔ)。 絕對(duì)碼是以基帶信號(hào)碼元的電平直接表示數(shù)字信息。如假設(shè)高電平代表“1”，低電平代表“0”，如圖 5-23 中an所示。,圖 5-23 二相調(diào)相波形,圖 5-24 絕對(duì)碼與相對(duì)碼的互相轉(zhuǎn)換,(2) 絕對(duì)相移。絕對(duì)相移是利用載波的相位偏移(指某一碼元所對(duì)應(yīng)的已調(diào)波與參考載波的初相差)直接表示數(shù)據(jù)信號(hào)的相移方式。假若規(guī)定：已調(diào)載波與未調(diào)載波同相表示數(shù)字信號(hào)“0”，與未調(diào)載波反相表示數(shù)字信號(hào)“1”，見圖 5-23 中 2PSK波形。此時(shí)的 2PSK已調(diào)信號(hào)的表達(dá)式為,其中，s(t)為雙極性數(shù)字基帶信號(hào)， 表達(dá)式為,式中，g(t)是高度為 1，寬度為Tb的門函數(shù)。,圖 5-25 二相調(diào)相信號(hào)的矢量表示,(3) 相對(duì)相移。相對(duì)相移是利用載波的相對(duì)相位變化表示數(shù)字信號(hào)的相移方式。所謂相對(duì)相位是指本碼元初相與前一碼元末相的相位差(即向量偏移)。有時(shí)為了討論問題方便， 也可用相位偏移來描述。在這里，相位偏移指的是本碼元的初相與前一碼元(參考碼元)的初相相位差。當(dāng)載波頻率是碼元速率的整數(shù)倍時(shí)，向量偏移與相位偏移是等效的，否則是不等效的。,2. 2PSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),(1) 直接調(diào)相法。,圖 5-26 直接調(diào)相法產(chǎn)生 2PSK信號(hào),(2) 相位選擇法。,圖 5-27 相位選擇法產(chǎn)生2PSK信號(hào),2) 2PSK信號(hào)的解調(diào)及系統(tǒng)誤碼率,圖 5-28 2PSK信號(hào)的解調(diào) (a) 方框圖；(b) 正常工作波形圖； (c) 反向工作波形圖,不考慮噪聲時(shí)，帶通濾波器輸出可表示為,式中n為2PSK信號(hào)某一碼元的初相。n=0時(shí)，代表數(shù)字“0”; n=時(shí)，代表數(shù)字“1”。 與同步載波cosct相乘后，輸出為,根據(jù)發(fā)端產(chǎn)生 2PSK信號(hào)時(shí)n(0 或)代表數(shù)字信息(0 或 1)的規(guī)定，以及收端x(t)與n關(guān)系的特性，抽樣判決器的判決準(zhǔn)則必須為,其中x為抽樣時(shí)刻的值。,圖 5-28 2PSK信號(hào)的解調(diào) (a) 方框圖； (b) 正常工作波形圖； (c) 反向工作波形圖,圖 5-29 2PSK信號(hào)概率分布曲線,這時(shí)系統(tǒng)誤碼率為,圖 5-30 2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生,3. 2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào) 1) 2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生,2) 2DPSK信號(hào)的解調(diào)及系統(tǒng)誤碼率 (1) 極性比較碼變換法。,圖 5-31 極性比較碼變換法解調(diào)2DPSK信號(hào),設(shè)2DPSK系統(tǒng)的誤碼率為 Pe，經(jīng)過計(jì)算可得,在信噪比很大時(shí)，Pe很小，上式可近似寫為,圖 5-32 相位比較法解調(diào)2DPSK信號(hào) (a) 框圖； (b) 波形圖,圖 5-32 相位比較法解調(diào)2DPSK信號(hào) (a) 框圖； (b) 波形圖,若不考慮噪聲，則帶通濾波器及延時(shí)器輸出分別為,可令n=n-n-1，乘法器輸出為,低通濾波器輸出為,經(jīng)過低通濾波器后可以得到混有窄帶高斯噪聲的有用信號(hào)，判決器對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行抽樣判決，判決準(zhǔn)則為,4. 二進(jìn)制相移信號(hào)的功率譜及帶寬,圖 5-33 2PSK(或2DPSK)信號(hào)的功率譜,可見，二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的頻譜成分與2ASK信號(hào)相同，當(dāng)基帶脈沖幅度相同時(shí)，其連續(xù)譜的幅度是2ASK連續(xù)譜幅度的 4 倍。當(dāng)P=1/2時(shí)，無離散分量，此時(shí)二相相移鍵控信號(hào)實(shí)際上相當(dāng)抑制載波的雙邊帶信號(hào)了。信號(hào)帶寬為,與 2ASK相同，是碼元速率的兩倍。,5. 2PSK與 2DPSK系統(tǒng)的比較 (1) 檢測(cè)這兩種信號(hào)時(shí)判決器均可工作在最佳門限電平(零電平)。 (2) 2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能不及2PSK系統(tǒng)。 (3) 2PSK系統(tǒng)存在“反向工作”問題，而2DPSK系統(tǒng)不存在“反向工作”問題。 在實(shí)際應(yīng)用中，真正作為傳輸用的數(shù)字調(diào)相信號(hào)幾乎都是DPSK信號(hào)。,5.4.2 多進(jìn)制數(shù)字相移鍵控(MPSK),1. 多相制的表達(dá)式及相位配置,相鄰相移的差值為：,圖 5-34 相位配置矢量圖,圖 5-35 四相制信號(hào)波形圖,2. 多相制信號(hào)的產(chǎn)生,1) 直接調(diào)相法 (1)4PSK信號(hào)的產(chǎn)生(/4體系)。,圖 5-36 直接調(diào)相法產(chǎn)生4PSK信號(hào)方框圖,圖 5-36 直接調(diào)相法產(chǎn)生4PSK信號(hào)方框圖,(2) 4DPSK信號(hào)的產(chǎn)生(/2體系)。,圖 5-37 直接調(diào)相碼變換法產(chǎn)生4DPSK信號(hào)方框圖及碼變換波形,(3) 8PSK信號(hào)的產(chǎn)生(/4 體系)。,圖 5-38 8PSK正交調(diào)制器/4體系,2) 相位選擇法,圖 5-39 相位選擇法產(chǎn)生四相制信號(hào)方框圖,3) 脈沖插入法,圖 5-40 脈沖插入法原理方框圖,3. 多相制信號(hào)的解調(diào),1) 相干正交解調(diào)(極性比較法),圖 5-41 QPSK信號(hào)的相干解調(diào),2) 差分正交解調(diào)(相位比較法),圖 5-42 4DPSK信號(hào)的解調(diào)方框圖,3) 8PSK信號(hào)的解調(diào),圖 5-43 8PSK信號(hào)的雙正交相干解調(diào),4) 數(shù)字式四相信號(hào)解調(diào),圖 5-44 數(shù)字式四相信號(hào)解調(diào)方框圖,圖 5-45 模二運(yùn)算中的波形圖及計(jì)數(shù)值舉例,5.5 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較,5.5.1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較,表 5-2 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率公式,以上公式是在下列條件下得到的。 (1) 二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)“1”和“0”是獨(dú)立的且等概率出現(xiàn)的； (2) 信道加性噪聲n(t)是零均值高斯白噪聲，功率譜密度為n0(單邊)； (3) 通過接收濾波器HR()后的噪聲為窄帶高斯噪聲，其均值為零，方差為 ，則,(4) 由接收濾波器引起的碼間串?dāng)_很小， 可以忽略不計(jì)； (5) 接收端產(chǎn)生的相干載波的相位誤差為零。 這樣， 解調(diào)器輸入端的功率信噪比定義為,其中，A為輸入信號(hào)的振幅， 為輸入信號(hào)功率， 為輸入噪聲功率，則r就是輸入功率信噪比。,圖 5-46 二進(jìn)制調(diào)制的誤碼率曲線,總的來說，二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼率與下列因素有關(guān)：信號(hào)形式(調(diào)制方式)、 噪聲的統(tǒng)計(jì)特性、 解調(diào)及譯碼判決方式。 無論采用何種方式、何種檢測(cè)方法，其共同點(diǎn)是輸入信噪比增大時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率就降低； 反之， 誤碼率增大。 由此可得出以下兩點(diǎn)： (1) 對(duì)于同一調(diào)制方式不同檢測(cè)方法，相干檢測(cè)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測(cè)。但是，隨著信噪比r的增大，相干與非相干誤碼性能的相對(duì)差別越不明顯， 誤碼率曲線越靠攏。另外，相干檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備比非相干的要復(fù)雜。,(2) 同一檢測(cè)方法不同調(diào)制方式的比較，有以下幾點(diǎn)： 相干檢測(cè)時(shí)， 在相同誤碼率條件下，信噪比r的要求是：2PSK比 2FSK小 3 dB, 2FSK比 2ASK小 3 dB。非相干檢測(cè)時(shí)， 在相同誤碼率條件下，信噪比r的要求是：2DPSK比 2FSK小 3 dB, 2FSK比 2ASK小 3 dB。 2ASK要嚴(yán)格工作在最佳判決門限電平較為困難， 其抗振幅衰落的性能差。2FSK、2PSK、2DPSK最佳判決門限電平為 0， 容易設(shè)置，均有很強(qiáng)的抗振幅衰落性能。 2FSK的調(diào)制指數(shù)h通常大于 0.9，此時(shí)在相同傳碼率條件下，2FSK的傳輸帶寬比 2PSK, 2DPSK, 2ASK寬, 即 2FSK的頻帶利用率最低。,5.5.2 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較,多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率是平均信噪比及進(jìn)制數(shù)M的函數(shù)。對(duì)移頻、移相制就是r, 對(duì)移幅制是各電平等概率出現(xiàn)時(shí)的信號(hào)平均功率與噪聲平均功率之比。M一定，增大時(shí)，Pe減小，反之增大；一定，M增大時(shí)，Pe增大。可見，隨著進(jìn)制數(shù)的增多，抗干擾性能降低。 (1) 對(duì)多電平振幅調(diào)制系統(tǒng)而言，在要求相同的誤碼率Pe的條件下，多電平振幅調(diào)制的電平數(shù)愈多，則需要信號(hào)的有效信噪比就越高；反之，有效信噪比就可能下降。 在M相同的情況下， 雙極性相干檢測(cè)的抗噪聲性能最好， 單極性相干檢測(cè)次之，單極性非相干檢測(cè)性能最差。雖然MASK系統(tǒng)的抗噪聲性能比 2ASK差，但其頻帶利用率高，是一種高效傳輸方式。,(2) 多頻調(diào)制系統(tǒng)中相干檢測(cè)和非相干檢測(cè)時(shí)的誤碼率Pe均與信噪比及進(jìn)制數(shù)M有關(guān)。在一定的進(jìn)制數(shù)M條件下，信噪比越大，誤碼率愈??；在一定的信噪比條件下，M值越大，誤碼率也愈大。MFSK與MASK、MPSK比較，隨M增大，其誤碼率增大得不多，但其頻帶占用寬度將會(huì)增大，頻帶利用率降低。 另外，相干檢測(cè)與非相干檢測(cè)性能之間相比較，在M相同條件下，相干檢測(cè)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測(cè)。但是，隨著M的增大，兩者之間的差距將會(huì)有所減小，而且在同一M條件下， 隨著信噪比的增加，兩者性能將會(huì)趨于同一極限值。由于非相干檢測(cè)易于實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)際應(yīng)用中非相干MFSK多于相干MFSK。,(3) 在多相調(diào)制系統(tǒng)中，M相同時(shí)，相干檢測(cè)MPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于差分檢測(cè)MDPSK系統(tǒng)。在相同誤碼率條件下，M值越大，差分移相比相干移相在信噪比上損失得越多，M很大時(shí)，這種損失達(dá)到約 3 dB。但是，由于MDSKP系統(tǒng)無反向工作(即相位模糊)問題，收端設(shè)備沒有MPSK復(fù)雜，因而實(shí)際應(yīng)用比MPSK多。多相制的頻帶利用率高，是一種高效傳輸方式。,(4) 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)主要采用非相干檢測(cè)的MFSK, MDPSK和MASK。一般在信號(hào)功率受限， 而帶寬不受限的場(chǎng)合多用MFSK; 而功率不受限制的場(chǎng)合用MDPSK; 在信道帶寬受限， 而功率不受限的恒參信道用MASK。,*5.6 現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù),5.6.1 正交振幅調(diào)制(QAM),正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為,圖 5-47QAM調(diào)制解調(diào)原理方框圖 (a) QAM調(diào)制框圖； (b)QAM解調(diào)框圖,圖 5-48 4QAM調(diào)制解調(diào)過程各點(diǎn)波形,圖 5-49 16PSK, 16QAM和 16APK星座圖 (a) 16PSK; (b)16QAM;(c) 16APK,假設(shè)已調(diào)信號(hào)的最大幅度為 1，不難算出MPSK時(shí)星座圖上信號(hào)點(diǎn)的最小距離為,而MQAM時(shí)，若星座為矩形，則最小距離為,當(dāng)信號(hào)的平均功率受限時(shí)，MQAM的優(yōu)點(diǎn)更為顯著，因?yàn)镸QAM信號(hào)的峰值功率與平均功率之比為,圖 5-50 MQAM星座圖,圖 5-51 MQAM調(diào)制器與解調(diào)器 (a) 調(diào)制器； (b) 解調(diào)器,圖 5-52 8QAM的信號(hào)空間,在所在信號(hào)點(diǎn)等概率出現(xiàn)的情況下，平均發(fā)射信號(hào)功率為,圖 5-53 16QAM的信號(hào)空間 (a) 方型QAM星座圖； (b) 星型QAM星座圖,方型QAM,星型QAM,5.6.2 交錯(cuò)正交相移鍵控(OQPSK),圖 5-54 OQPSK調(diào)制器方框圖,表 5 - 3 同相支路中碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位變化表,圖 5-55 OQPSK解調(diào)器方框圖,圖 5-56 OQPSK波形及矢量圖,圖 5-57 QPSK, OQPSK, MSK的功率譜密度,5.6.3 最小頻移鍵控(MSK),在一個(gè)碼元時(shí)間Tb內(nèi)，CPFSK信號(hào)可表示為,當(dāng)(t)為時(shí)間連續(xù)函數(shù)時(shí)，已調(diào)波在所有時(shí)間上是連續(xù)的， 若傳 0 碼時(shí)載頻為1, 傳 1 碼時(shí)載頻為2，它們相對(duì)于未調(diào)載頻c的偏移為，上式又可寫為,在一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)，相角(t)為時(shí)間的線性函數(shù)，即,對(duì)于FSK信號(hào)，當(dāng)2Tb=n(n為整數(shù))時(shí)，就認(rèn)為它是正交的。為了提高頻帶利用率，要小，當(dāng)n=1 時(shí)，達(dá)最小值有,圖 5-58 MSK的相位網(wǎng)格圖,為了方便，假定(0)=0, 同時(shí)，假定+號(hào)對(duì)應(yīng)于 1 碼，-號(hào)對(duì)應(yīng)于 0 碼。當(dāng)t0時(shí)，在幾個(gè)連續(xù)碼元時(shí)間內(nèi)，(t)的可能值示于圖 5 - 58中。傳 1 碼時(shí)，相位增加/2，傳 0 碼時(shí)，相位減少/2。當(dāng)t=Tb時(shí)，式(5 - 84)可寫為,(5