第7章數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸3

第7章數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸7.1二進(jìn)制幅度鍵控(2ASK)7.2二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)7.3二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)7.4二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)7.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制17.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制7.5.1多進(jìn)制幅度鍵控（MASK）7.5.2多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）7.5.3多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）27.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制用多進(jìn)制的數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制載波，就可以得到多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)。通常，取M＝2n。數(shù)字調(diào)制信號(hào)的分類(lèi)M進(jìn)制幅度鍵控（MASK）多電平調(diào)制M進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）多頻制M進(jìn)制相移鍵控（MPSK）多相制3采用M進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可以增大信息傳輸速率，提高頻帶利用率。Rb=RB×lbM47.5.1多進(jìn)制幅度鍵控(MASK)1．MASK信號(hào)的表達(dá)2．MASK信號(hào)調(diào)制3．MASK信號(hào)解調(diào)51．MASK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)在MASK信號(hào)中，載波幅度有M種取值。若基帶信號(hào)的碼元間隔為T(mén)s，則MASK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為式中，g(t)為基帶信號(hào)的波形,ωc為載波的角頻率，an為幅度值，an有M種取值。62．MASK信號(hào)的頻譜MASK信號(hào)相當(dāng)于M電平的基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行雙邊帶調(diào)幅。MASK信號(hào)可以看成是由時(shí)間上互不相容的M-1個(gè)不同振幅值的2ASK信號(hào)的疊加。MASK信號(hào)的功率譜，是M-1個(gè)2ASK信號(hào)的功率譜之和。7MASK信號(hào)的帶寬當(dāng)信息速率Rb相同的情況下，MASK信號(hào)的碼元寬帶增加lbM倍，因而帶寬減少lbM倍。BMASK=B2ASK/lbM。在帶寬相同的情況下，MASK信號(hào)的信息速率是2ASK信號(hào)的lbM倍。RbMASK=Rb2ASK×lbM8MASK的調(diào)制步驟把基帶信號(hào)由二電平變?yōu)镸電平。M電平基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，得MASK信號(hào)。9【例題7-1】對(duì)數(shù)字基帶序列為01111000010010110001進(jìn)行4ASK調(diào)制1011MASK調(diào)制中基帶信號(hào)波形的選擇最簡(jiǎn)單的基帶信號(hào)波形：矩形脈沖限制信號(hào)頻譜的基帶波形：升余弦滾降信號(hào)、部分響應(yīng)信號(hào)等等。其它波形。123．MASK信號(hào)解調(diào)MASK信號(hào)的解調(diào)可以采用包絡(luò)檢波或相干解調(diào)的方法，其原理與2ASK信號(hào)的解調(diào)完全相同。13多進(jìn)制幅度調(diào)制是一種高效的調(diào)制方式，但抗干擾能力較差，因而一般只適宜在恒參信道中使用，如有線(xiàn)信道。147.5.2多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)1．MPSK信號(hào)的表達(dá)2．MPSK信號(hào)調(diào)制151．MPSK信號(hào)的表達(dá)在MPSK中，載波相位有M種取值。φi：有M種取值的相位。16若一個(gè)碼元采用矩形脈沖則：其中φ(n)取上式φi中的一種。1718MPSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)正交載波的MASK信號(hào)的疊加MPSK信號(hào)的帶寬應(yīng)與MASK信號(hào)的帶寬相同。BMPSK=BMASK=2RBRB是M進(jìn)制的碼元速率19A方式B方式MPSK信號(hào)的矢量圖表示202．MPSK信號(hào)調(diào)制正交調(diào)制法相位選擇法插入脈沖法21QPSK正交調(diào)制器22相位選擇法產(chǎn)生QPSK信號(hào)238PSK正交調(diào)制器248PSK正交調(diào)制器1101001100100010010111111010000101001011-1-1001(b)1b1b3b2b3253．MPSK信號(hào)解調(diào)MPSK信號(hào)等效于兩個(gè)正交載波的幅度調(diào)制，所以MPSK信號(hào)可以用兩個(gè)正交的本地載波信號(hào)實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)。26QPSK相干解調(diào)器27MDPSKM進(jìn)制差分相移鍵控產(chǎn)生：絕對(duì)碼→相對(duì)碼→MPSK解調(diào)：MDPSK→相對(duì)碼→絕對(duì)碼28多相制是一種頻帶利用率較高的高效率傳輸方式。再加之有較好的抗噪聲性能，因而得到廣泛的應(yīng)用，而MDPSK比MPSK用得更廣泛一些。297.5.3多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)在MFSK中，載波頻率有M種取值。MFSK信號(hào)的表達(dá)式為Es：?jiǎn)挝环?hào)的信號(hào)能量；ωi：載波角頻率。30MFSK調(diào)制器31MFSK非相干解調(diào)器32MFSK信號(hào)的頻譜與帶寬鍵控法產(chǎn)生的MFSK信號(hào)，可以看作由M個(gè)幅度相同、載頻不同、時(shí)間上互不重疊的2ASK信號(hào)疊加的結(jié)果。設(shè)MFSK信號(hào)碼元的寬度為T(mén)s，即傳輸速率RB＝1/Ts（Baud），則M頻制信號(hào)的帶寬為BMFSK＝fM－f1＋2RB多頻制的主要缺點(diǎn)是信號(hào)頻帶寬，頻帶利用率低。因此，MFSK多用于調(diào)制速率較低及多徑延時(shí)比較嚴(yán)重的信道，如無(wú)線(xiàn)短波信道。33【例題7-2】已知電話(huà)信道的可用傳輸頻帶為600～3000Hz。為了傳輸3000bit/s的數(shù)據(jù)信號(hào)，設(shè)計(jì)物理可實(shí)現(xiàn)的幅度鍵控和相移鍵控的傳輸方案。34【例題7-2】解解由數(shù)據(jù)信號(hào)的速率Rb和信道帶寬Bc，已調(diào)信號(hào)的頻帶利用率ηb應(yīng)為所以必須采用多進(jìn)制調(diào)制。設(shè)傳輸方案所需的帶寬為Bx，當(dāng)Bx≤Bc時(shí)方案才是可行的。35（1）設(shè)基帶信號(hào)是滾降系數(shù)為α(α≠0)的升余弦滾降信號(hào)，二進(jìn)制碼元速率為RB，已調(diào)信號(hào)為4ASK和4PSK信號(hào)，α的取值應(yīng)滿(mǎn)足即已調(diào)信號(hào)的帶寬能滿(mǎn)足信道條件，且α≠0，方案可行。36（2）設(shè)基帶信號(hào)是矩形波。已調(diào)信號(hào)為8ASK和8PSK信號(hào)，已調(diào)信號(hào)的帶寬Bx取譜零點(diǎn)帶寬，即由于2000Hz＜2400Hz，因此方案也是可行的。37【例題7-3】帶通型信道的帶寬為3000Hz，基帶信號(hào)是二元NRZ碼。求2PSK和QPSK信號(hào)的頻帶利用率和最高信息速率。38【例題7-3】當(dāng)2PSK信號(hào)的帶寬取譜零點(diǎn)帶寬時(shí)，頻帶利用率為取信號(hào)的帶寬為信道帶寬，得最高信息速率為Rb=η2PSKB2PSK=0.5×3000=1500(bit/s)39MPSK信號(hào)的頻帶利用率是2PSK信號(hào)的lbM倍，所以QPSK信號(hào)的頻帶利用率為ηQPSK=η2PSKlb4=0.5×2=1(bit/(s.Hz))同樣，取QPSK信號(hào)的帶寬為信道帶寬，得最高信息速率為Rb=ηQPSKBQPSK=1×3000=3000(bit/s)可見(jiàn)，在帶寬不變的前提下，多進(jìn)制調(diào)制信號(hào)提高了信息傳輸速率。40多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用電話(huà)線(xiàn)上網(wǎng)常用的1200b/s調(diào)制解調(diào)器Modem，其內(nèi)部對(duì)數(shù)字信號(hào)采用的就是4進(jìn)制調(diào)相技術(shù)，遵循的標(biāo)準(zhǔn)是Ball212A和CCITTV.22；2400b/s的“貓”采用正交幅度調(diào)制技術(shù)(QAM，QuadratureAmplitudeModulation），其標(biāo)準(zhǔn)為V.22bis；執(zhí)行V.29標(biāo)準(zhǔn)的9600b/s調(diào)制解調(diào)器執(zhí)行V.32標(biāo)準(zhǔn)采用格碼調(diào)制技術(shù)的更高速的調(diào)制解調(diào)器41現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)尋找頻帶利用率高，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。正交振幅調(diào)制（QAM）交錯(cuò)正交相移鍵控（OQPSK）最小頻移鍵控（MSK）正弦頻移鍵控（SFSK）平滑調(diào)頻（TFM）高斯最小頻移鍵控（GMSK）42正交振幅調(diào)制（QAM）在2ASK系統(tǒng)中，其頻帶利用率是（1/2）b/s/Hz。若利用正交載波技術(shù)傳輸ASK信號(hào)，可使頻帶利用率提高一倍。如果再把多進(jìn)制與正交載波技術(shù)結(jié)合起來(lái)，還可進(jìn)一步提高頻帶利用率。能夠完成這種任務(wù)的技術(shù)稱(chēng)為正交振幅調(diào)制（QAM）。43正交振幅調(diào)制（QAM）QAM是用兩路獨(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，利用這種已調(diào)信號(hào)的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。44常用的QAM二進(jìn)制QAM（4QAM）四進(jìn)制QAM（16QAM）八進(jìn)制QAM（64QAM）…45QAM星座圖（a）4QAM、16QAM、64QAM星座圖（b）16QAM信號(hào)電平與信號(hào)狀態(tài)關(guān)系46OQPSK調(diào)制的提出QPSK信號(hào)的頻帶利用率較高，理論值達(dá)1b/s/Hz。但當(dāng)碼組0011或0110時(shí)，產(chǎn)生180°的載波相位跳變。這種相位跳變引起包絡(luò)起伏，當(dāng)通過(guò)非線(xiàn)性部件后，使已經(jīng)濾除的帶外分量又被恢復(fù)出來(lái)，導(dǎo)致頻譜擴(kuò)展，增加對(duì)相鄰波道的干擾。為了消除180°的相位跳變，在QPSK基礎(chǔ)上提出了OQPSK調(diào)制方式。47交錯(cuò)正交相移鍵控（OQPSK）OQPSK也稱(chēng)偏移四相相移鍵控（offset-QPSK），是QPSK的改進(jìn)型。它是一種恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)，其已調(diào)波具有兩個(gè)主要特點(diǎn)：包絡(luò)恒定或起伏很小頻譜具有高頻快速滾降特性，頻譜旁瓣很小。48OQPSK的調(diào)制原理OQPSK也是把輸入碼流分成兩路，然后進(jìn)行正交調(diào)制，但它將同相和正交兩支路的碼流在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)半個(gè)碼元周期。由于兩支路碼元半周期的偏移，每次只有一路可能發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)，不會(huì)發(fā)生兩支路碼元極性同時(shí)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。因此，OQPSK信號(hào)相位只能跳變0°、±90°，不會(huì)出現(xiàn)180°的相位跳變。49OQPSK克