第7章數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

1、1第7章 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)7.1 引言7.2 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理7.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能7.4 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)27.1 引言l數(shù)字調(diào)制也稱(chēng)鍵控信號(hào),有三種基本的調(diào)制方式：ASK，F(xiàn)SK，PSK可看成是模擬線性調(diào)制和角調(diào)制的特殊情況 載波 正弦波 調(diào)制信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 37.2 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理l7.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法:乘法器)(ts)(0tetccostccos)(ts)(0te模擬幅度調(diào)制方法鍵控法4l = l2ASK信號(hào)有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）、相干解調(diào)（同步檢測(cè)法）框圖見(jiàn)書(shū)nsnnTtgats)()(PPan110

2、以概率以概率)(0te)(tstccos)(ts)(0te5 2ASK的功率譜密度:ls(t)是單極性的隨機(jī)矩形脈沖序列,其功率譜密度為 l根據(jù)矩形波形g（t）的頻譜特點(diǎn)，對(duì)于所有m0的整數(shù)有)()(41)(2cscsASKffpffpfp2)()1(fGppfs)( fps)(smff 222)()1 (mssmfGpf0)(smfG)( fps2)()1(fGppfs222) 0()()1 (Gfpfs)(fPs6當(dāng)P=1/2時(shí))(2fpASK)()(16122ccsffGffGf)()()0(16122ccsffffGf72ASK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成l2ASK信號(hào)帶寬是

3、基帶脈沖波形帶寬的兩倍87.2.2 二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK） Frequency Shift Keying)(ts)(0te1f2f)(ts)(0te9已調(diào)信號(hào))(0te)cos()(1nnsntnTtga)cos()(2nnsntnTtga式中，g（t）為單個(gè)矩形脈沖，脈寬為sTPPan110以概率以概率pPan110以概率 分別是第n個(gè)信號(hào)碼元的初相位與序列n無(wú)關(guān)，反映在 上，表現(xiàn)為 與 改變時(shí)，其相位是不連續(xù)的。 nn)(0te12102FSK產(chǎn)生方法：l模擬調(diào)頻電路法（直接調(diào)頻）l鍵控法如圖11FSK信號(hào)常用解調(diào)方法有非相干檢測(cè)法，相干檢測(cè)法，鑒頻法，過(guò)零檢測(cè)法，差分檢波法等)(2t

4、eFSKtts11cos)(tts22cos)(為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，沒(méi)有考慮相位的影響)()(41)(11112ffpffpfpssFSK)()(412222ffpffpss12FSK功率譜密度同樣由連續(xù)譜和離散譜組成。離散譜出現(xiàn)在兩個(gè)載頻位置)(2fpFSKsf8 .0sf20fsff 0sff 0sff20sff202210fff13若兩載頻之差較小，如 則連續(xù)譜出現(xiàn)單峰。若兩載頻之差逐步增大， ,則連續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰。頻帶：sfsffff212sf147.2.3 2PSK，2DPSKPhase Shift Keying， Differential PSK g(t)是脈寬為T(mén)s的單個(gè)矩形脈沖在某一碼

5、元持續(xù)時(shí)間Ts 內(nèi)觀察)(0tetnTtgacnsncos )(PPan111以概率以概率PtPttecc1coscos)(0概率為概率為15 0相位發(fā)送相位發(fā)送0, 相位發(fā)送相位發(fā)送1.發(fā)送端與接收端必須要有相同的發(fā)送端與接收端必須要有相同的相位參考相位參考. 若參考基準(zhǔn)相位隨機(jī)跳變,就會(huì)在接收端發(fā)生錯(cuò)誤的恢復(fù),“倒”現(xiàn)象。 2DPSK是利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位值去表示數(shù)字信息的一種方式。 相位偏移 = 數(shù)字信息“1” =0 數(shù)字信息“0”16數(shù)字信息絕對(duì)碼 0 0 1 1 1 0 0 1lPSKlDPSK相對(duì)碼 0 0 0 1 0 1 1 1 017相對(duì)移相：絕對(duì)碼相對(duì)碼絕對(duì)移相)(

6、ts)(0te載波移相2PSK調(diào)制方框圖018)(ts)(0te載波移相2DPSK調(diào)制方框圖碼變換0192PSK信號(hào)的功率譜密度l由于 為雙極性矩形基帶 信號(hào)，故：)()(41)(2cscsPSKffpffpfpnsnnTtga)()(fpE)()()1(22ccsffGffGppf)()()0()21(41222ccsffffGpf20當(dāng)雙極性基帶信號(hào)“1” , “0”出現(xiàn)概率相等則： 連續(xù)譜部分與2ASK信號(hào)的連續(xù)譜基本相同(僅相差一個(gè)常數(shù)因子) 因此 2PSK信號(hào)的帶寬與2ASK相同)()(4122ccsffGffGf)(fpE217.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能l7.3.1 2A

7、SK抗噪聲性能 在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi),發(fā)送端:”發(fā)“”發(fā)“）（001)(tutsTTtTttAtuscT其它00cos)(22接收端”發(fā)“）（”發(fā)“）（）（01)(tntntutyiiiitTttatusci其它00cos)(BPF半波或全波整流器LPF抽樣判決器定時(shí)脈沖輸入輸出非相干方式加性高斯白噪聲23接收端帶通濾波器后”發(fā)“”發(fā)“）（0)(1)()(tntntutyittnttntncsccsin)(cos)()(”發(fā)“”發(fā)“0sin)(cos)(1sin)(cos)()(ttnttnttnttnatycscccscc241. 包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能l包絡(luò))()()(22tntnatVsc

8、發(fā)“1” 時(shí), 廣義瑞利分布)()()(22tntntVsc 發(fā)“0” 時(shí), 瑞利分布 V b 判為“1” 門(mén)限電壓b V b 判為“0” 25發(fā)“1” 信噪比 歸一化門(mén)限值發(fā)“0”總誤碼率 Pe=P(1)Pe1 + P(0)Pe2若P(1)=P(0),2(1)()(0011brQdvvfbvppbe222/narnbb/0bbeedvvfbvpp2/0220)()(2/02021),2(1 21beebrQpdtettIQt2/ )(022)(),(26在大信噪比（r1）條件下l最佳門(mén)限 l 下界2/*ab 2/*0rb 4/21)2(41reererfcprepre4/21（歸一化的）（歸

9、一化的）272. 同步檢測(cè)法的系統(tǒng)性能BPF相乘器LPF抽樣判決器定時(shí)脈沖輸入輸出相干方式tccos)(ty)(tx”發(fā)“”發(fā)“0)(1)()(tntnatxcc高斯過(guò)程,0均值28總誤碼率 Pe=P(1)Pe1 + P(0)Pe2 *)(0 xf)(1xf1ep2epab29總誤碼率 Pe=P(1)Pe1 + P(0)Pe2 *)(0 xf)(1xf1ep2epa*b30當(dāng) P(1) = P(0) =1/2 時(shí))2(21rerfcpe當(dāng) r1 時(shí)4/1reerp2/*0rbbn31例 設(shè)某2ASK信號(hào)的碼元速率 波特,接收端輸入信號(hào)的幅度a=1mV,信道中加性噪聲的單邊功率譜密度求 1.包絡(luò)

10、檢波器解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率 2.同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率解 6108 . 4BRHzwn/10250BsRf HzRfBBs6106 . 922wBnn8021092. 11262/22nar32包絡(luò)檢波同步檢測(cè)44/105 . 721reep44/1067.11reerp337.3.2 2FSK抗噪聲性能BPF包絡(luò)檢波器抽樣判決器抽樣脈沖輸入輸出BPF包絡(luò)檢波器12非相干解調(diào))(ty34發(fā)送碼元信號(hào)”發(fā)“）（”發(fā)“）（01)(01tututsTTTtTttAtusT其它00cos)(11tTttAtusT其它00cos)(20帶通濾波器的輸出”發(fā)“）（”發(fā)“）（0)(1)()(01tntu

11、tntutyRR35兩路輸入包絡(luò)（發(fā)送碼元“1”）)()()(221tntnatVsc廣義瑞利分布)()()(222tntntVsc 瑞利分布36012221121112)()()(dvdvvfvfvvppvve2/21re同理2/221reep總誤碼率2/21reep37同步檢測(cè)法 （0，Ts）發(fā)送“1”，送入抽樣判決器比較的兩路波形BPF相乘器LPF抽樣判決器抽樣脈沖輸出t1cosBPF相乘器LPFt2cos輸入12)(2tx)(1tx)()(11tnatxc)()(22tntxc比較大小38)2(21)(211rerfcxxppe同理12eepp總誤碼率)2(21rerfcpe當(dāng)r1 2

12、/21reerp當(dāng)r1時(shí),包絡(luò)檢波與同步檢測(cè)性能相差很小 397.3.3 2PSK和2DPSK系統(tǒng)的 抗噪聲性能l2PSK采用同步檢測(cè)法（極性比較法）系統(tǒng)誤碼率)(21rerfcpe（1）當(dāng)r1時(shí)， reerp21（2）402DPSK差分相干檢測(cè)BPF相乘器LPF抽樣判決器定時(shí)脈沖DPSK輸出延遲Ts參考信號(hào)受到加性噪聲干擾reep21（3）412DPSK極性比較法 碼變換解調(diào)極性比較法即同步檢測(cè)法，碼變換器輸入端的誤碼率可用 表示，碼變換器使誤碼率增加 )(1212rerfpeBPF相乘器LPF抽樣判決器輸入輸出tccos碼(反)變換abcdefep總誤碼率：42 1 1 1 0 0 1 0

13、 0 0 0 1 0 1 1 0abcdef43同步檢測(cè)輸出有一個(gè)碼元錯(cuò)誤，碼變換輸出引起兩個(gè)相鄰碼元錯(cuò)誤l例 0 0 1 0 0 0 1 1 0 同步檢測(cè)輸出有兩個(gè)相繼錯(cuò)碼，碼變換輸出引起兩個(gè)相鄰碼元錯(cuò)誤0 0 1 0 1 10 1 1 1 0 44若輸出中出現(xiàn)一長(zhǎng)串連續(xù)錯(cuò)碼，則在碼變換輸出中仍引起兩個(gè)碼元錯(cuò)誤l0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1令Pn表示一串n個(gè)碼元連續(xù)錯(cuò)誤這一事件出現(xiàn)的概率則 碼變換器輸出的誤碼率為：出現(xiàn)一串n個(gè)碼元連續(xù)錯(cuò)誤等效為“n個(gè)碼元同時(shí)出錯(cuò)與在該一串錯(cuò)碼兩端都有一碼元不錯(cuò)” nepppp222212 , 1,)1 (2npppneen（4）

14、（5）45（5）代入（4）l又 )1 ()1 (222eeeeeppppp11112eeeeppppeeeppp)1 (2)1 (2/ eeepppep很小 2/ eeppep很大（ ） 211/ eepp碼變換總碼變換總是使誤碼是使誤碼率增加率增加（6）46（6）代入（1）得)(1212rerfpe477.4 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 傳碼率相同時(shí)，多進(jìn)制系統(tǒng)的傳信率高于二進(jìn)制系統(tǒng)。傳碼率相同時(shí)，多進(jìn)制系統(tǒng)的傳信率高于二進(jìn)制系統(tǒng)。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 多進(jìn)制信號(hào)占有與二進(jìn)制信號(hào)相同的帶寬。多進(jìn)制信號(hào)占有與二進(jìn)制信號(hào)相同的帶寬。 多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的信道利用率高。多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的信道利用率高。 多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的可靠

15、性低于二進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)。多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的可靠性低于二進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)。 在設(shè)計(jì)時(shí)，要力爭(zhēng)達(dá)到在設(shè)計(jì)時(shí)，要力爭(zhēng)達(dá)到M個(gè)信號(hào)狀態(tài)之間正交。個(gè)信號(hào)狀態(tài)之間正交。 用多進(jìn)制信息編碼序列用多進(jìn)制信息編碼序列mi=m1, m2, , mM的的M個(gè)狀態(tài)來(lái)控制載波的幅度、頻率、相位，從而得到個(gè)狀態(tài)來(lái)控制載波的幅度、頻率、相位，從而得到MASK, MFSK, MPSK, MDPSK。487.4.1 MASKlL電平的調(diào)制信號(hào) 可看成由時(shí)間上不重疊的L個(gè)不同振幅值的OOK信號(hào)的疊加,因而,其功率譜密度便是這L個(gè)信號(hào)的功率譜密度之和,盡管疊加后的譜結(jié)構(gòu)很復(fù)雜.ttAteccos)()(0dLddtA) 1(,3,)()(

16、0te1、表達(dá)式、表達(dá)式49BPFLPF抽樣判決A(t)A(t)tccostccosx(t)ddd3d3d2d2dL) 2( dL) 2( dL)1(dL) 1( )()()(tntVtxck)(tVk 為第K個(gè)電平對(duì)應(yīng)的信號(hào)，K=1，2， L當(dāng) 時(shí)，第K個(gè)電平的碼元將會(huì)錯(cuò)判。dtnc)(門(mén)限電平50當(dāng)發(fā)送L個(gè)電平的可能性相同時(shí)，每一電平的概率為1/L)(212)(2dnpLdnpLLpcce)()11(dnpLcdtndteLn222/21)11(2)2()11(nderfcL51信號(hào)功率1622Lpds2/12)13()11(rLerfcLpe2nspr612/)12(2222/12Ldm

17、dLpLms522、波形、波形 t13212f(t)10310te0(t)(a)多進(jìn)制基帶信號(hào)(b)MASK的已調(diào)波形533、MASK頻率特性頻率特性 （1）帶寬：）帶寬： 碼元間隔仍為碼元間隔仍為T(mén)ssfBB2ASK2MASK（2）傳信率：）傳信率：MMBBbkRMRR2log（3）信道利用率：）信道利用率：ASK2MASK2kfkRBRsBb547.4.2 MFSK信號(hào)信號(hào) MFSK系統(tǒng)是用多個(gè)系統(tǒng)是用多個(gè)(M個(gè)個(gè))頻率的振蕩，分別代表不同的頻率的振蕩，分別代表不同的多進(jìn)制數(shù)字信息，而在某一碼元間隔多進(jìn)制數(shù)字信息，而在某一碼元間隔Ts內(nèi)只發(fā)送一個(gè)頻率。內(nèi)只發(fā)送一個(gè)頻率。 相加路電輯邏門(mén)電路

18、1f2f門(mén)電路Mf門(mén)電路MMMM12k12M)(發(fā)輸入變換并串/信道MMk211變換串并/決判樣抽BPF路電輯邏檢波包絡(luò)1f帶通2f帶通檢波包絡(luò)Mf帶通檢波包絡(luò)122MMMM位定時(shí))(收輸出55sLHMFSKfffB22、波形、波形 (b)MFSK的已調(diào)波形tSMFSK(t)t12f(t)033210(a)多進(jìn)制基帶信號(hào)3、帶寬、帶寬 564 MFSK抗噪聲性能 i=1，2，L非相干接收：是2FSK誤碼率的 L-1 倍.) 1(cos)(0titAtec2/21reeLp222nar577.4.3 MPSK信號(hào)信號(hào) 利用載波的多種相位（或相位差）來(lái)表征數(shù)字信號(hào)的調(diào)制利用載波的多種相位（或相位差

19、）來(lái)表征數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式。各碼元對(duì)應(yīng)的調(diào)相波相位均隔方式。各碼元對(duì)應(yīng)的調(diào)相波相位均隔 。M21、表達(dá)式、表達(dá)式 kcskkcskkncsMPSKtkTtgbtkTtgatkTtgtssincoscos；nknkbasincos其中：其中： n有兩種方式有兩種方式 MnMnMnMnnn, 2, 1) 12(, 2, 12) 1(方式方式A 方式方式B 58 ， ， 均為常數(shù)，均為常數(shù)，nkakb 可看作時(shí)兩個(gè)正交載波進(jìn)行多電平雙邊帶調(diào)幅所得的可看作時(shí)兩個(gè)正交載波進(jìn)行多電平雙邊帶調(diào)幅所得的已調(diào)波之和，因此有：已調(diào)波之和，因此有：)(MPSKte)(2MASKMPSKHzfBBs一般一般 M=4

20、或或 M=8 ， M 再大誤碼率的影響不容忽視。再大誤碼率的影響不容忽視。59 MPSK信號(hào)還可以用矢量圖來(lái)描述，在矢量圖中通常以信號(hào)還可以用矢量圖來(lái)描述，在矢量圖中通常以0弧弧度載波相位作為參考矢量。度載波相位作為參考矢量。 2200220444343(A)2200444343838308887878585(B)60（1）雙比特碼元與相位的關(guān)系）雙比特碼元與相位的關(guān)系2、QPSK (4PSK) 雙比特碼元載波相位ab方式A方式B0001011014/34/4/34/2/2/61t(a)011000101f (t)101雙比特碼元t(b)載波t(c)4PSK/2系統(tǒng)t(d)4PSK/4系統(tǒng)（2）波形）波形9009018027027062（3）產(chǎn)生方法：可采用調(diào)相法和相位選擇法。）產(chǎn)生方法：可采用調(diào)相法和相位選擇法。輸入ABAB1101S4PSK(t)單/雙極性變換sin ctcos ct / 2串/并轉(zhuǎn)換B1,1A1,0單/雙極性變換0 A 1 0/2-/2 1B0B(1)A(1) (1,1) (1,0)B(0)A(0) (0,1) (0,0) 調(diào)相法調(diào)相法1,-11, 163 相位選擇法相位選擇法輸入 輸出邏輯選