第七章-數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

第七章數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

1主要內(nèi)容1數(shù)字頻帶調(diào)制概述2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理（ASK、FSK、PSK）3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能分析與比較4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式（QPSK、QDPSK)21數(shù)字頻帶調(diào)制概述

數(shù)字調(diào)制的概念

用二進(jìn)制（多進(jìn)制）數(shù)字信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，去控制載波某些參量的變化，這種把基帶數(shù)字信號(hào)變換成頻帶數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為數(shù)字調(diào)制，反之，稱為數(shù)字解調(diào)。

數(shù)字調(diào)制的分類

在二進(jìn)制時(shí)分為：振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）。其中，ASK屬于線性調(diào)制，F(xiàn)SK、PSK屬于非線性調(diào)制（從頻譜圖上可看出）數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

圖數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)31數(shù)字頻帶調(diào)制概述（續(xù)）

舉例

42二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理（ASK、FSK、PSK）二進(jìn)制幅移鍵控(ASK)二進(jìn)制頻移鍵控(FSK)二進(jìn)制相移鍵控(PSK)二進(jìn)制差分相移鍵控(DPSK)52二進(jìn)制幅移鍵控（ASK）

ASK信號(hào)的產(chǎn)生

一個(gè)二進(jìn)制的ASK信號(hào)可視為一個(gè)單極性脈沖序列與一個(gè)高頻載波的乘積，即ASK的時(shí)域表達(dá)式為：10信息代碼2ASKs(t)tcoscwtcos)t(s)t(ecow=NRZ模擬法鍵控法電子開關(guān)tcoscweo(t)s(t)62二進(jìn)制幅移鍵控（ASK）（續(xù)）

ASK信號(hào)的功率譜特性

ASK信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為：

ASK信號(hào)的功率譜密度為式中，為基帶信號(hào)s(t)的功率譜密度

當(dāng)0、1等概出現(xiàn)時(shí)，單極性基帶信號(hào)功率譜密度為則2ASK信號(hào)的功率譜密度為72二進(jìn)制幅移鍵控（ASK）（續(xù)）PE(f)0fc-fsfc+fsf

ASK信號(hào)譜，形狀為，雙邊帶加載頻譜線

ASK信號(hào)傳輸帶寬（取主瓣寬度）帶寬利用率Ps(f)0fs-fsf082二進(jìn)制幅移鍵控（ASK）（續(xù)）

ASK信號(hào)的解調(diào)方式

解調(diào)也可以分成相干解調(diào)與非相干解調(diào)兩類。簡(jiǎn)單說(shuō)，相干解調(diào)要求接收端提供相干載波。非相干解調(diào)，就是在接收端不需要相干載波，而根據(jù)已調(diào)信號(hào)本身的特點(diǎn)來(lái)解調(diào)

非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）x(t)r(t)cp(t)無(wú)碼間串?dāng)_cp(t)BPF整流LPFx(t)r(t)抽樣判決位同步器已調(diào)ASK信號(hào)92二進(jìn)制幅移鍵控（ASK）（續(xù)）

相干解調(diào)（同步檢測(cè)法）x(t)r(t)cp(t)無(wú)碼間串?dāng)_x(t)r(t)cp(t)BPF載波同步LPF抽樣判決位同步器10

FSK信號(hào)的產(chǎn)生

設(shè)FSK信號(hào)具有正交性，則要求（、分別為傳號(hào)載頻和空號(hào)載頻）

FSK時(shí)域表達(dá)式為：

（注：正交性條件為-兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)）2二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）102FSK信號(hào)

s(t)電子開關(guān)VCOs(t)直接調(diào)頻法

鍵控法（頻率轉(zhuǎn)換法）相位連續(xù)

相位不連續(xù)

11

FSK信號(hào)（相位不連續(xù)）的功率譜特性

2FSK調(diào)制屬于非線性調(diào)制，其頻譜特性的研究常用把2FSK信號(hào)看成是兩個(gè)2ASK信號(hào)相疊加的方法，即

2FSK信號(hào)的功率譜密度為2二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）式中，、分別為基帶信號(hào)、的功率譜密度

分別以，為中心的兩個(gè)抽樣函數(shù)平方頻譜（連續(xù)譜），且含有載頻，的沖激譜（離散譜）

FSK信號(hào)傳輸帶寬其中

相位不連續(xù)的FSK信號(hào)所需傳輸帶寬為12f0f或f00f2二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）13f2二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）

FSK信號(hào)的解調(diào)方式

相干解調(diào)（同步檢測(cè)法）a(t)b(t)BPF1LPF位同步抽樣判決LPF載波同步BPF2載波同步輸出已調(diào)FSK信號(hào)14f2二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）

非相干解調(diào)

1、過(guò)零檢測(cè)法15f2二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）

非相干解調(diào)

2、差分檢波法

差分檢波法，或稱延遲檢波法。輸入調(diào)頻信號(hào)分為兩路，一路直接送到平衡調(diào)制器（乘法器）上，另一路經(jīng)過(guò)延遲后送到乘法器，在平衡調(diào)制器上將這兩個(gè)信號(hào)作乘積處理，輸出經(jīng)低通濾波器除去高頻部分，即可取出基帶信號(hào)。16f2二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）

差分檢波法的數(shù)學(xué)證明：

設(shè)帶通濾波器輸入的2FSK信號(hào)的表示式為它與延時(shí)的波形相乘后，為

低通濾波器濾去高頻分量后，輸出為適當(dāng)選擇，使則有，故此時(shí)有：當(dāng)角頻偏較小，即，則有：說(shuō)明：當(dāng)滿足條件以及時(shí)，輸出電壓與角頻偏成正比，達(dá)到了鑒頻的目的。

17f2二進(jìn)制相移鍵控（PSK）

PSK信號(hào)的產(chǎn)生

一個(gè)二進(jìn)制的PSK信號(hào)可視為一個(gè)雙極性脈沖序列s(t)與一個(gè)載波的乘積，即：

s(t)（BNRZ）2PSK°s(t)（NRZ）180°電子開關(guān)2PSK模擬調(diào)制法鍵控法100110信息代碼cosωct

2PSKcosωct

2PSK18f2二進(jìn)制相移鍵控（PSK）（續(xù)）

PSK信號(hào)的產(chǎn)生

數(shù)字調(diào)相波可以用矢量圖表示其相位變化的規(guī)則，根據(jù)CCITT規(guī)定，存在A、B兩種表示相位變化的矢量圖，如下圖所示。圖中的虛線表示參考矢量，它代表未調(diào)制載波的相位。

0π0參考矢量0參考矢量圖二相移相信號(hào)矢量圖（a）方式A

(b)方式B19f2二進(jìn)制相移鍵控（PSK）（續(xù)）

PSK信號(hào)的功率譜特性

2PSK信號(hào)的功率譜密度采用與求2ASK信號(hào)功率譜密度相同的方法。

PSK信號(hào)的功率譜密度為式中，為基帶信號(hào)s(t)的功率譜密度

當(dāng)0、1等概出現(xiàn)時(shí)，雙極性基帶信號(hào)功率譜密度為則2PSK信號(hào)的功率譜密度為

20f2二進(jìn)制頻移鍵控（PSK）（續(xù)）0fc-fsfc+fsPE(f)ffPs(f)0fs-fs0

PSK信號(hào)譜，形狀為，以為中心的DSB譜

PSK信號(hào)傳輸帶寬(取主瓣寬度）21f二進(jìn)制相移鍵控（PSK）（續(xù)）

PSK信號(hào)的解調(diào)方式一般采用相干解調(diào)，如圖設(shè)收發(fā)濾波器及信道對(duì)2PSK信號(hào)波形無(wú)影響，各點(diǎn)波形如下a(t)cosωctr(t)cp(t)c(t)b(t)a(t)-cosωctb(t)r(t)cp(t)c(t)（a）本地提供的載波和發(fā)送端一致（b）本地提供的載波和發(fā)送端反相BPFLPFa

bccp(t)抽樣判決抽樣判決載波同步已調(diào)PSK信號(hào)

1

0信息代碼

1

0信息代碼22f

DPSK調(diào)制原理差分相移鍵控（DPSK）是利用相鄰二個(gè)碼元的載波信號(hào)初始相位的相對(duì)變化來(lái)表示所傳輸?shù)拇a元。例如，在二進(jìn)制中傳輸“1”碼時(shí)，則與此碼元所對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)初始相位相對(duì)于前一碼所對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)初始相位有或π弧度的變化;，傳輸“0”碼時(shí)，與此碼元所對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)的初始相位相對(duì)于前一碼元所對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)初始相位無(wú)變化（“1變0不變”）；當(dāng)然反過(guò)來(lái)也是可以的。

2二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）23f

2二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）初相為0相初相為π相相位差與初相無(wú)關(guān)表：數(shù)字信息序列與已調(diào)載波相位關(guān)系表4—1數(shù)字碼元1011001012PSK{φ}0π00ππ0π0{φ1}0ππ0πππ00π{φ2}π00π000ππ0已調(diào)載波每個(gè)碼元的相位2DPSK{Δφ}π0ππ00π0π（1）1001000110相對(duì)碼（2）0110111001

舉例若定義Δφ為2DPSK方式下本碼元初相與前一碼元初相之差，并設(shè)Δφ＝π相→“1”、Δφ＝0相→“0”，為了比較，設(shè)2PSK方式下φ＝π相→“0”、φ＝0相→“1”，則數(shù)字信息序列與2PSK、2DPSK信號(hào)的碼元相位關(guān)系如表所示。

初相為0相初相為π相24f2二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）25f2二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）

DPSK調(diào)制原理

2DPSK同樣存在A、B方式矢量圖，圖中虛線表示的參考矢量代表前一個(gè)碼元已調(diào)載波的相位。B方式下，每個(gè)碼元的載波相位相對(duì)于參考相位可取，所以其相鄰碼元之間必然發(fā)生載波相位的跳變，接收端可以據(jù)此確定每個(gè)碼元的起止時(shí)刻（即提供碼元定時(shí)信息），而A方式卻可能存在前后碼元載波相位連續(xù)。0π0參考矢量0參考矢量圖二相移相信號(hào)矢量圖（a）方式A

(b)方式B26f2二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）

2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生

在2PSK方式中，由于解調(diào)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)“倒π”現(xiàn)象，即相位模糊現(xiàn)象（相干接收PSK信號(hào)需要提供穩(wěn)定的本地載波，它的初始相位是0相或是π相，完全是隨機(jī)的，因此很可能使相干載波與接收到的信號(hào)載波反相，于是恢復(fù)出與發(fā)送碼元相反的碼序列），參考p.23。因此，在實(shí)際中經(jīng)常采用2DPSK方式。

用源碼序列對(duì)載波進(jìn)行相對(duì)（差分）相移鍵控，等效于將源碼序列轉(zhuǎn)換為差分碼形式，之后對(duì)載波進(jìn)行絕對(duì)相移鍵控。絕對(duì)碼和相對(duì)碼之間的關(guān)系為

2DPSK信號(hào)的功率譜密度和帶寬相同于2PSK信號(hào)的功率譜密度和帶寬2PSK(bk)2DPSK(ak)2PSK調(diào)制27f2二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）

2DPSK信號(hào)的解調(diào)

相干解調(diào)（同步檢測(cè)法或極性比較法）

bk110010ak001011b(t)c(t)d(t)cp(t)e(t)f(t)a-aa(t)信息代碼（發(fā)ak）011100設(shè)bk-1=1；2PSK方式下：φ＝π相→“0”φ＝0相→“1”cp(t)abcedfakbk-1

2PSK解調(diào)碼反變換bkBPF載波同步LPF抽樣判決位同步TS已調(diào)2DPSK信號(hào)282二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）

差分相干解調(diào)（相位比較法）

acdebcp(t)BPFTsLPF抽樣判決位同步已調(diào)2DPSK信號(hào)001100011a(t)b(t)c(t)d(t)cp(t)e(t)信息代碼（發(fā)ak）設(shè)bk-1=1；則：bk11011φ＝π相→“0”φ＝0相→“1”2PSK方式下:292二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）

舉例：DPSK調(diào)制、解調(diào)過(guò)程

設(shè)源碼序列為=11010001011101

，假設(shè)無(wú)傳輸差錯(cuò)恢復(fù)11010001011101100111100101100100111100101111010001011101303二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能分析與比較調(diào)制方式相關(guān)系數(shù)解調(diào)方式誤比特率帶寬判決門限2ASK0相干解調(diào)

非相干解調(diào)2FSK0相干解調(diào)無(wú)非相干解調(diào)2PSK和2DPSK-1相干2PSK0差分相干2DPSK表中為功率信噪比313二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能分析與比較（續(xù)）

二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

有效性（頻帶寬度）

2ASK、2DPSK為；2FSK為可見,2ASK、2DPSK的有效性相同且優(yōu)于2FSK

可靠性(誤碼率)

對(duì)于三種調(diào)制方式，相干解調(diào)方式都略優(yōu)于非相干解調(diào)在相同性能（誤比特率）時(shí)，ASK、FSK、PSK

依次可節(jié)省3dB信噪比；即相同輸入信噪比時(shí)，從優(yōu)到劣的抗噪聲性能為：PSK、FSK、ASK

對(duì)信道的敏感性

2ASK最佳門限隨信號(hào)功率變化,不方便；2FSK對(duì)兩個(gè)抽樣值比較，不需設(shè)置判決門限；2PSK門限為0,與信號(hào)功率無(wú)關(guān)；2DPSK進(jìn)行差分相干解調(diào)不需要相干載波,比較適用于信道不穩(wěn)定系統(tǒng).

323二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能分析與比較（續(xù)）

結(jié)論

FSK與PSK、DPSK均為恒包絡(luò)，功率譜特性好。目前用得最多的數(shù)字調(diào)制方式是相干2DPSK和非相干2FSK

圖中所示：信號(hào)空間中信號(hào)點(diǎn)（矢端）距離——?dú)W幾里值距離比較明顯不同。從三種調(diào)制系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，三者均滿足正交信號(hào)設(shè)計(jì)目標(biāo)：。并以PSK、DPSK信號(hào)為最優(yōu)，起到增加信噪比，降低誤差率的作用、而ASK信號(hào)FSK又分不連續(xù)與連續(xù)相位，也有少許差別（，）

0a)ASK信號(hào)矢量b)FSK信號(hào)矢量c)DPSK信號(hào)矢量圖6-4

三種信號(hào)的信號(hào)空間334四相相移鍵控（QPSK）

多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的概念、特點(diǎn)

用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)去調(diào)制載波的振幅、頻率和相位，稱為多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。分為多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制、多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制以及多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制三種基本方式。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的特點(diǎn)

在相同的碼元傳輸速率下（此時(shí)多元頻帶調(diào)制信號(hào)占用與二元信號(hào)相等帶寬，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的信息傳輸速率高于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（），因此提高了信道帶寬利用率。

在相同的信息傳輸速率下，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的碼元傳輸速率低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。344四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）

多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制的原理

多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制，它是利用載波的多種不同相位（或相位差）來(lái)表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。用M種相位來(lái)表k比特碼元的種狀態(tài)。假設(shè)相位數(shù)，比特碼元的持續(xù)時(shí)間為。則M相調(diào)制波可以表示為式中，為受調(diào)相位，可有種不同取值；下面主要討論四相絕對(duì)相移調(diào)制，記為4PSK或QPSK和四相相對(duì)相移調(diào)制，記為4DPSK或QDPSK。354四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）

四相絕對(duì)相移鍵控QPSK

四進(jìn)制碼元又稱為雙比特碼元。它的前一信息用a代表，后一信息比特稱用b代表，雙比特碼元中兩個(gè)信息比特ab提出按照格雷碼（即反射碼）排列的。它與載波相位的關(guān)系如下表示。矢量圖如下。雙比特碼元載波相位（kj）abA方式B方式000o45o0190o135o11180o225o10270o315o0011參考相位0110參考相位00011110364四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）

QPSK信號(hào)的產(chǎn)生

調(diào)相法（B方式）

注：串/并輸入信號(hào)碼速率等于,輸出信號(hào)碼速率等于，a支路和b支路信號(hào)的碼元寬度為，為二進(jìn)制信號(hào)碼元寬度。串/并變換平衡調(diào)制器平衡調(diào)制器載波振蕩相加移相2p-輸入同向支路a正交支路btcwcostcwsin輸出(a)(b)b(0)b(1)a(0)a(1)(1,0)(1,1))(0,1)(0,0)

11

01

00

10abcosωct-cosωct-cosωct

cosωctI(t)-sinωct-sinωctsinωctsinωctQ(t)4PSK移相45°135°225°315°表

QPSK信號(hào)相位編碼邏輯關(guān)系a1001b1100a平衡調(diào)制器輸出0o180o180o0ob平衡調(diào)制器輸出270o270o90o90o合成相位315o225o135o45o374四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）

QPSK信號(hào)的產(chǎn)生

相位選擇法

QPSK信號(hào)的特點(diǎn)：在信號(hào)空間（星座圖）有4個(gè)均勻分布在同圓上（恒包絡(luò)）上的信號(hào)點(diǎn)（星點(diǎn)），4個(gè)不同相位載波互為正交。即說(shuō)明：已調(diào)信號(hào)的幅度相等，依靠不同相位來(lái)區(qū)分各信號(hào)串/并變換輸入邏輯選相電路四相載波發(fā)生器帶通濾波器輸出384四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）

QPSK信號(hào)的功率譜特性

串／并變換器將輸入的二進(jìn)制序列依次分為兩個(gè)并行的雙極性序列。a序列和b序列的碼元周期為輸入的二進(jìn)制序列碼元周期的2倍，碼元傳輸速率為輸入的二進(jìn)制序列碼元傳輸速率的1/2。

設(shè)輸入的二進(jìn)制序列的碼元傳輸速率為，則QPSK的第一個(gè)零點(diǎn)以內(nèi)的頻帶寬度為。此時(shí)的頻帶利用率為1B/Hz。394四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）

QPSK信號(hào)的解調(diào)

相干解調(diào)

QPSK可以看作兩個(gè)正交的2PSK的合成，因此QPSK解調(diào)器由兩個(gè)2PSK信號(hào)相干解調(diào)器構(gòu)成平衡調(diào)制器平衡調(diào)制器相干載波移相2p-tcwcostcwsin輸出低通濾波器低通濾波器抽樣判決抽樣判決定時(shí)定時(shí)并/串變換ab已調(diào)QPSK信號(hào)404四相差分相移鍵控（DQPSK）

四相差分相移鍵控DQPSK

相對(duì)移相調(diào)制利用前后碼元之間的相對(duì)相位變化來(lái)表示數(shù)字信息。kjD雙比特碼元載波相位（）abA方式B方式000o45o0190o135o11180o225o10270o315o0011參考相位0110參考相位0001111041

DQPSK信號(hào)的產(chǎn)生

碼變換加調(diào)相法（A方式）

碼變換平衡調(diào)制器平衡調(diào)制器載波振蕩相加移相4p+輸入輸出串/并變換移相4p-絕對(duì)碼相對(duì)碼4四相差分相移鍵控（DQPSK）（續(xù)）42

碼變換器的功能：將絕對(duì)碼轉(zhuǎn)換成相對(duì)碼

(設(shè)QDPSK的參考相位為0，采用A方式矢量圖)

舉例：DQPSK信號(hào)（差分碼及其相位）4四相差分相移鍵控（DQPSK）（續(xù)）輸入序列0111001011011000QPSK90o180o0o270o180o90o270o0oQDPSK90o270o270o180o0o90o0o0o相對(duì)序列0110101100010000絕對(duì)碼相對(duì)碼表QDPSK信號(hào)相位編碼邏輯關(guān)系雙比特碼元載波相位變化abA方式000o0190o11180o10270o前一對(duì)碼元的相位狀態(tài)：43

DQPSK信號(hào)的產(chǎn)生

碼變換加相位選擇法（B方式）DQPSK信號(hào)相位選擇法與產(chǎn)生QPSK信號(hào)的框圖相同。區(qū)別之處在于：這里的邏輯選相電路除了完成選擇載波的相位外，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)將絕對(duì)碼轉(zhuǎn)換成相對(duì)碼的功能。

串/并變換輸入邏輯選相電路四相載波發(fā)生器帶通濾波器輸出4四相差分相移鍵控（DQPSK）（續(xù)）44

DQPSK信號(hào)的解調(diào)

相干解調(diào)（極性比較法）這里碼變換器的功能恰好與發(fā)送端的相反，它需要將判決器輸出的相對(duì)碼恢復(fù)成絕對(duì)碼。

輸出平衡調(diào)制器平衡調(diào)制器載波振蕩移相4p+已調(diào)DQPSK信號(hào)移相4p-并/串變換碼變換低通濾波器抽樣判決碼元形成定時(shí)低通濾波器抽樣判決碼元形成定時(shí)QPSK解調(diào)碼變換4四相差分相移鍵控（DQPSK）（續(xù)）45

差分相干解調(diào)（相位比較法）

相位比較法適用于接收A方式規(guī)定的相位關(guān)系的QDPSK信號(hào)。這