數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

1、衡量一個數(shù)字通信系統(tǒng)性能優(yōu)劣的最為主要的指標是有效性和可靠性，下面主要針對二進制頻移鍵控(2FSK)、二進制相移鍵控(BPSK)、二進制差分相移鍵控(DBPSK)以及四進制差分相移鍵控（DQPSK）數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，分別從誤碼率、頻帶利用率、對信道的適應(yīng)能力以及設(shè)備的可實現(xiàn)性大小幾個方面討論。1. 誤碼率 通信系統(tǒng)的抗噪聲性能是指系統(tǒng)克服加性噪聲影響的能力。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信道噪聲有可能使傳輸碼元產(chǎn)生錯誤，錯誤程度通常用誤碼率來衡量。在信道高斯白噪聲的干擾下，各種二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率取決于解調(diào)器輸入信噪比，而誤碼率表達式的形式則取決于解調(diào)方式：相干解調(diào)時為互補誤差函數(shù)形式（k只取決于調(diào)制方

2、式），非相干解調(diào)時為指數(shù)函數(shù)形式。圖1和圖2是在下列前提條件下得到：二進制數(shù)字信號“1”和“0”是獨立且等概率出現(xiàn)的；信道加性噪聲n(t)是零均值高斯白噪聲，單邊功率譜密度為，信道參 恒定；通過接受濾波器后的噪聲為窄帶高斯噪聲，其均值為零，方差為；由接收濾波器引起的碼間串擾很小，忽略不計；接收端產(chǎn)生的相干載波的相位差為0。調(diào)制方式解調(diào)方式相干解調(diào)非相干解調(diào)2ASK2FSKBPSKDBPSKDQPSK圖1 各種數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率圖2 二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率曲線 圖3a MDPSK信號誤碼率曲線 圖3b MPSK信號的誤碼率曲線(1) 通過圖1從橫向來看并結(jié)合圖2得到： 對同一調(diào)制方式，采用相

3、干解調(diào)方式的誤碼率低于采用非相干解調(diào)方式的誤碼率，相干解調(diào)方式的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調(diào)方式。但是，隨著信噪比r的增大，相干與非相干誤碼性能的相對差別越不明顯，誤碼率曲線有所靠攏。(2) 通過圖1從縱向來看： 若采用相干解調(diào)，在誤碼率相同的情況下，轉(zhuǎn)化成分貝表示為，即所需要的信噪比的要求為：BPSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB；BPSK和DBPSK相比，信噪比r一定時，若很小，則，若很大，則有，意味著總是大于，誤碼率增加，增加的系數(shù)在12之間變化，說明DBPSK系統(tǒng)抗加性白噪音性能比BPSK的要差；總之，使用相干解調(diào)時，在二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，BPSK的抗噪聲性能最優(yōu)。 若采

4、用非相干解調(diào)，在誤碼率相同的情況下，信噪比的要求為：DBPSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB?？傊?，使用非相干解調(diào)時，在二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，DBPSK的抗噪聲性能最優(yōu)。(3) 通過圖3a和圖3b可得：在多進制相移鍵控調(diào)制系統(tǒng)中，M相同時，相干解調(diào)下MPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于差分相干解調(diào)MDPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能。在相同誤碼率的條件下，M值越大，差分相移比相干相移在信噪比上損失得越多，M很大時，這種損失約為3dB。對比圖3a中的DBPSK(M=2)和DQPSK(M=4)可得，在相同誤碼率的條件下，DBPSK的信噪比要求比DQPSK的低。可見，隨著進制數(shù)的增加，抗干擾性能降低。

5、綜上所述，各信號按抗噪聲性能優(yōu)劣的排列是BPSK相干解調(diào)、DBPSK相干解調(diào)（極性比較法）、DBPSK非相干解調(diào)（相位比較法）、DQPSK相干解調(diào)（極性比較法）、2FSK相干解調(diào)、2FSK非相干解調(diào)、2ASK相干解調(diào)、2ASK非相干解調(diào)。2. 帶寬各種調(diào)制方式的帶寬如下：調(diào)制方式帶寬備注2ASK為二進制碼元時間寬度MASK為M進制碼元時間寬度2FSK為載波頻率，為二進制碼元時間寬度MFSK為載波頻率，為二進制碼元時間寬度BPSK為二進制碼元時間寬度MPSK為M進制碼元時間寬度DBPSK為二進制碼元時間寬度DQPSK為四進制碼元時間寬度圖4 各種調(diào)制方式的帶寬 (1) 二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的傳碼率

6、等于其傳信率，2ASK和BPSK的系統(tǒng)帶寬近似等于兩倍的傳信率，頻帶利用率為1/2 bit/(sHz)；而2FSK系統(tǒng)的帶寬近似為，頻帶利用率小于1/2 bit/(sHz)。 (2) 在多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，由信息傳輸率、碼元傳輸速率和進制數(shù)M之間的關(guān)系知：在信息傳輸速率不變的情況下，通過增加進制數(shù)M，可以降低碼元傳輸速率，從而減小信號帶寬，節(jié)約頻帶資源，提高系統(tǒng)頻帶利用率。當然，采用多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)增加頻帶利用率的代價是增加了信號功率和實現(xiàn)上的復(fù)雜性。綜合以上兩條，所以DQPSK的頻帶利用率最高，2ASK、BPSK、DBPSK的頻帶利用率次之，2FSK最不可取。3. 對信道特性變化的敏感性

7、在選擇數(shù)字調(diào)制方式時，還應(yīng)考慮判決門限對信道特性的敏感性，在隨參信道中，我們希望判決門限不隨信道變化而變。經(jīng)過比較，可以得出以下結(jié)論：(1) 2FSK最優(yōu)，因為不需人為設(shè)置判決門限； (2) BPSK次之，最佳判決門限為0，與接收機輸入信號幅度無關(guān)；(3) 2ASK最差，最佳判決門限位a/2，與接收機輸入信號幅度有關(guān)，因為信 道變化，判決門限隨著信號幅度的變化而變化，不利于電路設(shè)計，此時 需要自適應(yīng)控制電路；(4) 但當信道有嚴重衰落時，通常采用非相干解調(diào)或差分相干解調(diào)，因為在 接收端難以得到與發(fā)送端同頻同相的本地載波。但在遠距離通信中，當 發(fā)射機有著嚴格的功率限制時，如衛(wèi)星通信中，星上轉(zhuǎn)發(fā)器

8、輸出功率受 電能的限制，這時可考慮用相干解調(diào)，因為在傳碼率及誤碼率給定的情 況下，相干解調(diào)所要求的信噪比較非相干解調(diào)的小。4. 設(shè)備復(fù)雜度就二進制調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)備而言，2ASK、BPSK及2FSK發(fā)送端設(shè)備的復(fù)雜度相差不多，而接收端的復(fù)雜程度則和所用的調(diào)制解調(diào)方式有關(guān)。對于同一種調(diào)制方式，相干解調(diào)時的接收設(shè)備比非相干的接受設(shè)備復(fù)雜；同為非相干解調(diào)時，DBPSK的接收設(shè)備最復(fù)雜，2FSK次之，2ASK的設(shè)備最簡單。就多進制而言，不同調(diào)制解調(diào)方式設(shè)備的復(fù)雜程度的關(guān)系與二進制的情況相同。但總體講，多進制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)設(shè)備的復(fù)雜程度要比二進制的復(fù)雜得多。5. 各自優(yōu)缺點及應(yīng)用場合FSK是數(shù)字通信中不可缺

9、少的一種調(diào)制方式。優(yōu)點是抗干擾能力較強，不受信道參數(shù)變化的影響，因此FSK特別適合應(yīng)用于衰落信道；缺點是占用頻帶較寬，尤其是MFSK，頻率利用率低。目前調(diào)頻體制主要應(yīng)用于中、低速數(shù)據(jù)傳輸中。BPSK在解調(diào)時有相位模糊的缺點，因而在實際中很少采用。DBPSK不存在相位模糊的問題，因為它是依靠前后兩個接收碼元信號的相位差來恢復(fù)數(shù)字信號的。BPSK和DBPSK，是一種高傳輸效率的調(diào)制方式，其抗干擾能力比ASK和FSK都強，因此在高、中速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是DBPSK。DQPSK是一種多進制相移鍵控，可以看做是振幅相等而相位不等的振幅調(diào)制，它是一種頻帶利用率高的高效率傳輸方式，其抗噪性能也

10、好。它的發(fā)展趨勢是純數(shù)字化，廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)、寬帶接入與移動通信及有線電視的上行傳輸。在衛(wèi)星數(shù)字電視傳輸中普遍采用的QPSK調(diào)諧器可以說是當今衛(wèi)星數(shù)字電視傳輸中對衛(wèi)星功率、傳輸效率、抗干擾性以及天線尺寸等多種因素綜合考慮的最佳選擇。6. 總結(jié)通過以上幾個方面的比較可以看出，對調(diào)制和解調(diào)方式的選擇需要考慮的因素較多。通常，只有對系統(tǒng)的要求作全面的考慮，并且還要抓住其中最主要的因素，才能作出比較恰當?shù)倪x擇。如果抗噪聲性能是最主要的，則應(yīng)考慮相干2PSK和DBPSK，而2ASK最不可?。蝗绻筝^高的頻帶利用率，則應(yīng)選擇相干2PSK、DBPSK及2ASK，而2FSK最不可

11、取；如果要求較高的功率利用率，則應(yīng)選擇相干2PSK和DBPSK，而2ASK最不可??；若傳輸信道是隨參信道，則2FSK具有更好的適應(yīng)能力；若從設(shè)備復(fù)雜度方面來主要考慮，則非相干方式比相干方式更適宜。DQPSK是一種頻帶利用率高的高效率傳輸方式，其抗噪性能也好，有點較多，有著廣泛的應(yīng)用。參考書目1 樊昌信，曹麗娜. 通信原理M.北京：國防工業(yè)出版社，2006.2 王興亮. 通信系統(tǒng)原理教程M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.3 趙蓉. 現(xiàn)代通信原理教程M.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.4 孫青華. 數(shù)字通信原理M.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.5 黃葆華. 通信原理M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.6 文川.多進制數(shù)字調(diào)制技術(shù)及應(yīng)用J.中國有線電視.2004(23).7 朱錦，范平志.幾種數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式的性能比較與分析J.四川省通信學(xué)會