通信原理多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

1、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信教研室張偉明理 工 大 學(xué) 通 信 工 程 學(xué) 院理 工 大 學(xué) 通 信 工 程 學(xué) 院定義：M進(jìn)制幅度鍵控（MASK）是使用M種可能取值的多電平基帶信號(hào)對(duì)載波幅度進(jìn)行鍵控而得到的信號(hào)。特點(diǎn)：在相同信道傳輸速率下M電平調(diào)制與二電平調(diào)制具有相同的信號(hào)帶寬。 tnTtgatecnsnMASKcos基帶信號(hào)波形 碼元間隔 1122,nMMAPAPaAP發(fā)送概率為發(fā)送概率為發(fā)送概率為11MiiP在一個(gè)碼元間隔內(nèi)在一個(gè)碼元間隔內(nèi) t (0,Tb，只能發(fā)射某一特定幅度的信號(hào)，只能發(fā)射某一特定幅度的信號(hào) ( )( )cos 2iics tAg tf tAi表示與表示與M=2k個(gè)可能的個(gè)可能的k個(gè)

2、比特碼元對(duì)應(yīng)的個(gè)比特碼元對(duì)應(yīng)的M個(gè)可能的離散幅值個(gè)可能的離散幅值 如果相鄰幅值之間的差值為如果相鄰幅值之間的差值為h 單個(gè)碼元內(nèi)信號(hào)的能量單個(gè)碼元內(nèi)信號(hào)的能量 22220011( )( )22ssTTiiiigEs t dtAgt dtA EMASK信號(hào)的平均能量信號(hào)的平均能量 認(rèn)為認(rèn)為g(t)具有具有單位能量單位能量 1-M0,1,.,i ihAigEMMhE61322122M2 M4 61322122MMhEgEhE241gEhE247hh711 01 00 10 011 1 0 1 0 0 1 0 0 14ASK2ASK11 01 00 10 011 1 0 1 0 0 1 0 0 14

3、ASK2ASK( )s t( )n t( )r t選擇最大者0( )bTdt0( )bTdt( )Mst1( )s t相關(guān)接收1rMr ka221 20122211122MxyyE nePedxedy 00bkEEnn0bEn碼元信噪比碼元信噪比比特信噪比比特信噪比發(fā)送發(fā)送M個(gè)電平的可能性相同時(shí)，個(gè)電平的可能性相同時(shí)，MASK相干解調(diào)時(shí)誤碼率為相干解調(diào)時(shí)誤碼率為13)1(2MrerfcMMPer=Eav/n0為為信噪比信噪比 051015202530r/dB10-610-510-410-310-2Pe10-11M=16M=2M=4M=8( )cos 2icsis taf ttTTs是符號(hào)間隔是

4、符號(hào)間隔fc=nc/(2Ts)， nc是是某個(gè)固定的整數(shù)某個(gè)固定的整數(shù) sTijijijiEdttsts00)()(12MsBffT212reMPer=E/n0為平均接收為平均接收信號(hào)的信噪比信號(hào)的信噪比 122eMrPerfc122eMrPerfc212reMPefbfS2FSK8FSKf0f1f0f1f0f0f1f1f0f0f0f1f1f0f1f2f4f6f1f50 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 12FSK8FSK圖6-28 二進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號(hào)矢量圖以0載波相位作為參考相位 載波相位只有0和兩種取值 載波相位只有/2兩種取值 載波相位四種取值 圖6-29 四進(jìn)制數(shù)

5、字相位調(diào)制信號(hào)矢量圖 圖6-30 八進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號(hào)矢量圖( )()cos()MPSKscnnetg tnTt以載波相位的以載波相位的M種不同取值分別表示數(shù)字信息種不同取值分別表示數(shù)字信息 信號(hào)包絡(luò)波形，通信號(hào)包絡(luò)波形，通常為矩形波，幅度常為矩形波，幅度為為1 碼元碼元間隔間隔第第n個(gè)碼元個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的相對(duì)應(yīng)的相位，共有位，共有M種取值種取值 ( )()coscos()sinsinMPSKsncsncnnetg tnTtg tnTtM進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號(hào)的正交形式進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號(hào)的正交形式 () cos() sinnscnscnna g tnTtb g tnTt( )cos( )sinc

6、cI ttQ tt( )()nsnI ta g tnT( )()nsnQ tb g tnT( )( )cos( )sinMPSKccetI tt Q tt MPSK信號(hào)信號(hào)串串/并變并變換器換器電平變電平變換器換器電平變電平變換器換器 相移相移 900輸入二進(jìn)輸入二進(jìn)制序列制序列tfc2cos同相支路同相支路正交支路正交支路接收到兩位信息接收到兩位信息后，后，同時(shí)同時(shí)送到兩送到兩個(gè)支路，每個(gè)支個(gè)支路，每個(gè)支路各送一位路各送一位tfc2sin( )Q t( )I t)42cos(tfAc)432cos(tfAc)452cos(tfAc)472cos(tfAc當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為11時(shí)

7、，載波為：時(shí)，載波為：當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為01時(shí)，載波為：時(shí)，載波為：當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為00時(shí)，載波為：時(shí)，載波為：當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為10時(shí)，載波為：時(shí)，載波為：4(11)43(01)45(00)47(10) 相位配置相位配置XY41111000tt10t參考載波參考載波數(shù)字信息數(shù)字信息QPSK波形波形443454743QPSK波形特點(diǎn)：波形特點(diǎn)： （1）相鄰碼元載波相位不連續(xù)）相鄰碼元載波相位不連續(xù)（2）相鄰碼元載波相位最大跳變）相鄰碼元載波相位最大跳變180度，出現(xiàn)在度，出現(xiàn)在01與與10， 00與與11 的變化時(shí)。的變化時(shí)。tfQtfItftftf

8、tscncncncnncQPSK2sin2cos 2sinsin2coscos )2cos()(串串/并并變換變換二進(jìn)制信息二進(jìn)制信息nanbnnnIcosnnQsintfc2costfc2sinnInQQPSK信號(hào)信號(hào)同相支路同相支路正交支路正交支路nnba設(shè)第設(shè)第n個(gè)碼元內(nèi)的數(shù)字信息為個(gè)碼元內(nèi)的數(shù)字信息為 ，QPSK信號(hào)的載信號(hào)的載波相位為波相位為 。 nnanbnnInQ4/4/34/54/71 10 10 01 0+ +- +- -+ -電平電平變換變換輸入輸入輸出輸出t1100輸入輸入t輸出輸出22 QPSK信號(hào)信號(hào)串串/并變并變換器換器電平變電平變換器換器電平變電平變換器換器 相移

9、相移 900輸入二進(jìn)輸入二進(jìn)制序列制序列tfc2cos同相支路同相支路正交支路正交支路接收到兩位信息接收到兩位信息后，后，同時(shí)同時(shí)送到兩送到兩個(gè)支路，每個(gè)支個(gè)支路，每個(gè)支路各送一位路各送一位tfc2sinQPSK由兩個(gè)由兩個(gè)2PSK信號(hào)相加而成。信號(hào)相加而成。nbnanQnIbsQPSKffB 2QPSK信號(hào)頻帶利用率為信號(hào)頻帶利用率為赫茲秒比特帶寬信息速率/ 1bbQPSKbfRBR2PSK信號(hào)頻帶利用率為信號(hào)頻帶利用率為赫茲秒比特帶寬信息速率/ 5 . 022bbPSKbfRBRbsff21)cos()cos(coscos2900相移相移tfc2cos抽樣判決抽樣判決抽樣判決抽樣判決并并/

10、串串變換變換接收接收QPSK恢復(fù)的二恢復(fù)的二進(jìn)制序列進(jìn)制序列同相支路同相支路正交支路正交支路QPSK信號(hào)的解調(diào)方框圖信號(hào)的解調(diào)方框圖)(tzA)(tzB)(txA)(txB位定時(shí)位定時(shí)sTdt0sTdt0)2cos()(nctfatr同相支路：同相支路：tftfatzcncA2cos)2cos()(nncatfacos2)4cos(2nSATatxcos2)(正交支路：正交支路：)22cos()2cos()(tftftzcncBnncatfasin2)24cos(2nSBTatxsin2)(434547同相、正交支路的判決規(guī)則為：同相、正交支路的判決規(guī)則為：取樣值大于取樣值大于0，判，判1 取

11、樣值小于取樣值小于0，判，判04nSAaTtxcos2)(nnSBaTtxsin2)(nanb1 10 10 01 0+-22 201epfd 211122eperfc r 2sinrMePeQPSK的誤比特性能與的誤比特性能與2PSK相同。相同。1nnn02232型取值型取值4434547型取值型取值4DQPSK(4DPSK) DQPSK4(11)(11)(01)(00)(10)(01)(00)(10)0223（00）（11）（01）（10）DQPSK 信號(hào)波形圖信號(hào)波形圖參考載波參考載波二進(jìn)制信息二進(jìn)制信息101t01010sDQPSK(t)t特點(diǎn)：特點(diǎn)：2、已調(diào)波有、已調(diào)波有4種相位種相

12、位3、相位跳變的絕對(duì)值最大為、相位跳變的絕對(duì)值最大為180度度1、信息攜帶在相鄰載波的相位差上、信息攜帶在相鄰載波的相位差上)2cos()(ncDQPSKtfts串串/并并變換變換二進(jìn)制信息二進(jìn)制信息nanbnnn1)cos(nnI)sin(nnQDQPSK信號(hào)信號(hào)tfc2costfc2sinnInQ同相支路同相支路正交支路正交支路tfQtfIcncn2sin2cos tftfcncn2sinsin2coscos 信號(hào)變換（映射）信號(hào)變換（映射）nnnba1nnn4n023223222n2體系024344547454744n2體系032320初始初始相位相位01nnn4nn4體系n4體系434

13、5474345454440340544322542443274初始初始相位相位0前一雙比特碼元的載波相位有四種可能，前一雙比特碼元的載波相位有四種可能，現(xiàn)設(shè)它為現(xiàn)設(shè)它為180（對(duì)應(yīng)（對(duì)應(yīng)cndn=00） 此時(shí)的載波相位應(yīng)為此時(shí)的載波相位應(yīng)為180+90=270cndn應(yīng)為應(yīng)為10 碼換器應(yīng)將輸入數(shù)據(jù)碼換器應(yīng)將輸入數(shù)據(jù)01（ab）變成）變成10（cd） anbn為為01 方法：碼變換方法：碼變換QPSK調(diào)制（調(diào)制（ /2體系體系） 01111000相位配置關(guān)系圖相位配置關(guān)系圖 cn-1dn-1anbn01111000相位配置關(guān)系圖相位配置關(guān)系圖 n-1180900270180900270n nn

14、nnndcbannnnI Qc d當(dāng)前時(shí)刻出現(xiàn)的碼元狀態(tài)nnna b當(dāng)前輸入的碼元an組合邏輯TbTbbncn-1dndn-1cnbsDQPSKffB 2DQPSK信號(hào)頻帶利用率為信號(hào)頻帶利用率為赫茲秒比特帶寬信息速率/ 1bbDQPSKbfRBR2DPSK信號(hào)頻帶利用率為信號(hào)頻帶利用率為赫茲秒比特帶寬信息速率/ 5 . 022bbPSKbfRBRbsff21特別：特別： /4 DQPSK與與 /2 DQPSK相比，在帶限非線性信道上帶外輻射較小。相比，在帶限非線性信道上帶外輻射較小。)45cos(21)454cos(21 )452cos()2cos()(nnccncAatfatftfatZ同

15、相支路同相支路)45cos(21)(nAatx正交支路正交支路)45sin(21)904cos(21 )452cos()2cos()(nnccncBatfatftfatZ)45sin(21)(nBatx)452cos(tfccos(245 )cf t并并/串串變換變換DQPSK信號(hào)信號(hào)輸出信息輸出信息)(tr)(tZA)(tZB)(txA)(txBnanbn1nnn取樣取樣取樣取樣位定時(shí)位定時(shí) 0sTdt 0sTdt2230)4cos(2)(nAatxn)4sin(2)(nBatx+-結(jié)論結(jié)論: 由同相支路及正交支路低通濾波器的輸出由同相支路及正交支路低通濾波器的輸出 和和 的取樣值極性的取樣

16、值極性可確定可確定 ，這是一個(gè)，這是一個(gè)QPSK信號(hào)的解調(diào)。信號(hào)的解調(diào)。)(txA)(txBn圖6-35 4DPSK信號(hào)相干解調(diào)加碼反變換器原理圖表6-9判決規(guī)則DQPSK錯(cuò)誤概率近似為錯(cuò)誤概率近似為QPSK的兩倍。的兩倍。解調(diào)器中由解調(diào)器中由 及及 計(jì)算計(jì)算 的過(guò)程則是差分譯碼的過(guò)程。的過(guò)程則是差分譯碼的過(guò)程。n1nn如：出現(xiàn)反相工作時(shí)，確定的如：出現(xiàn)反相工作時(shí)，確定的 ，此時(shí)前一碼元內(nèi)確定，此時(shí)前一碼元內(nèi)確定的的 。計(jì)算。計(jì)算 180nn18011nn111)180()180(nnnnnnn（2）一個(gè)）一個(gè) 的錯(cuò)誤，會(huì)引起的錯(cuò)誤，會(huì)引起 及及 的錯(cuò)誤。的錯(cuò)誤。 nn1n 1( )cos()

17、()cos()cncnr ttr tTt111111( )cos 2cos242411( )cos 2cos2424AcnnnnBcnnnnzttztt111( )cos241( )cos24AnnBnnXtXt判決器是按極性來(lái)判決判決器是按極性來(lái)判決的。正取樣值判為的。正取樣值判為1，負(fù)，負(fù)取樣值判為取樣值判為0。 TsTs表表6-10差分正交解調(diào)的判決準(zhǔn)則差分正交解調(diào)的判決準(zhǔn)則cos()4nncos()4n同相、正交支路的判決規(guī)則為：同相、正交支路的判決規(guī)則為：取樣值大于取樣值大于0，判，判1 取樣值小于取樣值小于0，判，判0抗噪聲性比抗噪聲性比QPSK差約差約2.3dB。2sinrMeP

18、e22 sin2rMePe22sin2sin2rMrM差分相干5101520r/dB10-510-410-310-210-110302532321616884M= 24M=2差分解調(diào)相干解調(diào)Pe在在M值很大時(shí)，差分移相和相值很大時(shí)，差分移相和相干移相相比約損失干移相相比約損失3dB的功率。的功率。在四相時(shí)，大約損失在四相時(shí)，大約損失2.3dB的功的功率率 4434547(11)(01)(00)(10)的四種取值的四種取值/4/4 DQPSK 信號(hào)波形圖信號(hào)波形圖參考載波參考載波二進(jìn)制信息二進(jìn)制信息101t01010ts /4D/4DQPSK(t)4/32/4/70特點(diǎn)：特點(diǎn)：2、已調(diào)波有、已調(diào)

19、波有8種相位種相位3、相位跳變的絕對(duì)值最大為、相位跳變的絕對(duì)值最大為135度度1、信息攜帶在相鄰載波的、信息攜帶在相鄰載波的 位差上位差上 /4 Differential Quadrature Phase-Shift Keying （ /4 DQPSK） (11)(01)(00)(10)的四種取值443344KUKVABCDEFGH特點(diǎn)：特點(diǎn)：2、已調(diào)波有、已調(diào)波有8種相位種相位3、相位跳變的絕對(duì)值最大為、相位跳變的絕對(duì)值最大為135度度1、信息攜帶在相鄰載波的、信息攜帶在相鄰載波的 位差上位差上)2cos()(4/ncDQPSKtfts串串/并并變換變換二進(jìn)制信息二進(jìn)制信息nanbnnn1)

20、cos(nnI)sin(nnQ/4/4 DQPSK 信號(hào)信號(hào)tfc2costfc2sinnInQ同相支路同相支路正交支路正交支路tfQtfIcncn2sin2cos tftfcncn2sinsin2coscos nnba 設(shè)第設(shè)第n個(gè)碼元內(nèi)的數(shù)字信息為個(gè)碼元內(nèi)的數(shù)字信息為 ，/4/4 DQPSK信號(hào)的載信號(hào)的載波相位為波相位為 。 n/4( )cos2sin2 DQPSKnccnstffQttI1coscos()nnnnI 11coscossinsinnnnn1sinsin()nnnnQ nnnnsincoscossin11nnnnQIsincos11nnnnQIcossin11迭代法nanb

21、n1nI1nQnInQ)cos(n)sin(nnInQ串/并變換二進(jìn)制信息/4 DQPSK 信號(hào)tfc2costfc2sin同相支路正交支路1、中頻差分解調(diào)、中頻差分解調(diào)(與與DQPSK的差分解調(diào)相同的差分解調(diào)相同)2、基帶差分解調(diào)基帶差分解調(diào) 是是/4 DQPSK常采用的解調(diào)方法。常采用的解調(diào)方法。 )(tzA)(txA相移相移 900取樣取樣判決判決取樣取樣判決判決并并/串串變換變換正交支路正交支路)(tzB)(txB位定時(shí)位定時(shí)延遲延遲sT接收信號(hào)接收信號(hào)恢復(fù)的二恢復(fù)的二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)制信號(hào))(sTty )(ty)(tyB同相支路同相支路 0sTdt 0sTdt)2cos()(nctfaty

22、接收信號(hào)接收信號(hào)低通濾低通濾波器波器取取樣樣判判決決低通濾低通濾波器波器取取樣樣判判決決串串/并并)2cos(tfc)2sin(tfcnwnz11nnnnzzww11nnnnzwwznxnynanbDQPSK4信號(hào)信號(hào)輸出輸出)(tZA)(tZB)(txA)(txB)cos(21)4cos(21 )2cos()2cos()(nnccncAatfatftfatZ)cos(21)(nAatx)cos(21nnaw)sin(21nnaz)90cos(21)904cos(21 )902cos()2cos()(nnccncBatfatftfatZ)sin(21)90cos(21)(nnBaatx11nn

23、nnnzzwwx)sin(21).sin(21)cos(21).cos(2111nnnnaaaannnaacos41)cos(4121211nnnnnzwwzy)sin(21).cos(21)cos(21).sin(2111nnnnaaaannnaasin41)sin(412124/34/54/74/)cos(42nnaxn)sin(42nnaynanb1 10 10 01 0+-判決規(guī)則判決規(guī)則： 、 大于大于0，判，判1 、 小于小于0，判，判0nxnynxny02 22bbEPQn誤比特率：誤比特率：振幅相位聯(lián)合鍵控信號(hào)的一般表示式為振幅相位聯(lián)合鍵控信號(hào)的一般表示式為 cosAPKnsc

24、nnstA g tnTt基帶信號(hào)幅度 寬度為Ts的單個(gè)基帶信號(hào)波形 coscossinsinAPKnsncnsncnnstA g tnTtA g tnTtcossinnnnnnnXAYA cossincossinAPKnscnscnnccstX g tnTtY g tnTtX ttY ttAPK信號(hào)可看作兩個(gè)正交調(diào)制信號(hào)之和 同時(shí)向上、下同時(shí)向上、下兩支路輸出，兩支路輸出，與與QPSK、DQPSK等相同等相同LM24M時(shí)，時(shí)，4QAM就是就是QPSK-1-3+1+31011000111 01 01 00 00 10 10 01 01 11同相支路同相支路-1-3+1+310110001同相支路

25、同相支路-1-3+1+3101100011)(tI1)(tQ設(shè)信息設(shè)信息 ， 00nb00nc)1352cos(2 )2252cos(2 2sin2-cos 2sin)(2cos)()(tftftftftftQtftItsccccccQAM-1-3+1+310110001-1-3+1+3101100013)(tI1)(tQ設(shè)信息設(shè)信息 ， 11nb00nc)4 .182cos(10 2sin)(-18.4s2)coscos(-18.410 )2sin1012cos103(10 2sin23cos 2sin)(2cos)()(tftfintftftftftftftQtftItsccccccccc

26、QAM-1-3+1+310110001)(tI)(tQ13133131000000100011000110001010101110011100111011111101010001010110011116QAM波形的特點(diǎn)：波形的特點(diǎn)：1、有三種幅度、有三種幅度、12種相種相 位位2、非恒包絡(luò)調(diào)制，不適、非恒包絡(luò)調(diào)制，不適 合非線性信道合非線性信道10218bsQAMffB2121616QAM16QAM信號(hào)頻帶利用率為信號(hào)頻帶利用率為赫茲秒比特帶寬信息速率/22/bbQAMbfRBRbsff41結(jié)論：結(jié)論：QAM調(diào)制頻帶利用率高調(diào)制頻帶利用率高判決器有三個(gè)門限電平判決器有三個(gè)門限電平-1-3+1+

27、310110001-202判決規(guī)則：判決規(guī)則：1、小于、小于-2，判，判-32、大于、大于-2，小于，小于0，判，判-13、大于、大于0，小于，小于2，判，判+14、大于、大于2，判，判+3結(jié)論：結(jié)論：M越大，頻越大，頻帶利用率越高，但帶利用率越高，但誤碼性能也越差。誤碼性能也越差。tftftQtftItZcccA2cos22sin)(2cos)()(tftQtftItIcc4sin)(4cos)()()()(tItxA16QAM和16PSK的信號(hào)星座圖 ( )cos,1,2,16iicis tAti16QAM信號(hào)表達(dá)式最大功率（或振幅）相等12 sin0.3916dAA16PSK相鄰信號(hào)點(diǎn)的距離 22211AAdLM16QAM相鄰信號(hào)點(diǎn)的距離 L是在兩個(gè)正交方向（x或y）上信號(hào)的電平數(shù)，M為進(jìn)制數(shù) 220.473AdAd2超過(guò)d11.64dB即在最大功率（峰值功率）相等最大功率（峰值功率）相等的情況下，16QAM信號(hào)比16PSK信號(hào)性能好1.64dB在最大功率相等情況下比較是不實(shí)際的，應(yīng)該以信號(hào)的平均功率相等為條在最大功率相等情況下比較是不實(shí)際的，應(yīng)該以信號(hào)的平均功