通信原理多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

通信原理多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第1頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)5.5.1多進制振幅鍵控（MASK）5.5.2多進制頻移鍵控（MFSK）5.5.3多進制相移鍵控（MPSK）5.5.4多進制差分相移鍵控（MDPSK）5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)（APK）第2頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)研究對象：多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)研究目的：在信道頻帶受限時多進制數(shù)字調(diào)制是如何增加信息的傳輸速率（即比特率），提高系統(tǒng)的頻帶利用率從而提高數(shù)字傳輸系統(tǒng)有效性，或者通過犧牲頻帶資源從而提高系統(tǒng)可靠性的。研究方法：原理及抗噪聲性能結(jié)論第3頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)定義：在碼元間隔0≤t≤TS內(nèi)，可能發(fā)送的碼元有M種：si(t)，i=1，2，，M。實際應(yīng)用中，通常取M=2k（k>1為整數(shù)）。每個碼元可以攜帶log2M比特信息，因此在信道頻帶受限時可以增加信息的傳輸速率（即比特率），提高頻帶的利用率。（有例外）第4頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)5.5.1多進制振幅鍵控（MASK）5.5.2多進制頻移鍵控（MFSK）5.5.3多進制相移鍵控（MPSK）5.5.4多進制差分相移鍵控（MDPSK）5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)（APK）第5頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1多進制振幅鍵控定義：M進制幅度鍵控（MASK）是使用M種可能取值的多電平基帶信號對載波幅度進行鍵控而得到的信號。特點：在相同信道傳輸速率下M電平調(diào)制與二電平調(diào)制具有相同的信號帶寬。一、MASK的波形第6頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1多進制振幅鍵控基帶信號波形碼元間隔二、MASK的數(shù)學(xué)表達式第7頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1多進制振幅鍵控三、MASK的能量與抗噪聲性能間的關(guān)系在一個碼元間隔內(nèi)t(0,Tb]，只能發(fā)射某一特定幅度的信號

Ai表示與M=2k個可能的k個比特碼元對應(yīng)的M個可能的離散幅值

如果相鄰幅值之間的差值為h

單個碼元內(nèi)信號的能量

MASK信號的平均能量

認(rèn)為g(t)具有單位能量

第8頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1多進制振幅鍵控結(jié)論在相鄰幅值間距相等的情況下，平均能量隨進制數(shù)的增加而增加在平均能量相等的情況下，進制數(shù)越大，則相鄰幅值的間距越小因此在相同信噪比條件下，進制數(shù)越大，誤碼率也越大M＝2M＝4第9頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月MASK與2ASK比較平均功率相同110100100111010010014ASK2ASK第10頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月MASK與2ASK比較載波振幅間隔相同110100100111010010014ASK2ASK第11頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1多進制振幅鍵控四、MASK信號帶寬M進制振幅調(diào)制信號可以看成由M個時間上不重疊的二進制振幅調(diào)制信號疊加。在符號速率（碼元速率）相等的情況下BMASK＝B2ASK第12頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1多進制振幅鍵控五、MASK信號解調(diào)對于M元確知信號的最佳接收可以描述為，在觀察時間(0，Tb)內(nèi)收到的波形r(t)將包含M個信號si(t)（i=1，2，，M）中的一個碼元信噪比比特信噪比第13頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1多進制振幅鍵控發(fā)送M個電平的可能性相同時，MASK相干解調(diào)時誤碼率為r=Eav/n0為信噪比結(jié)論在相同信噪比條件下，進制數(shù)越大，誤碼率也越大;為得到相同的誤碼率，多電平調(diào)制需要比二進制更高的信噪比；多電平調(diào)制盡管提高了頻帶利用率，但抗噪聲性能卻下降了，尤其抗衰落的能力不強，因而它一般只適宜在恒參信道中采用。M=16M=2M=4M=8第14頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)5.5.1多進制振幅鍵控（MASK）5.5.2多進制頻移鍵控（MFSK）5.5.3多進制相移鍵控（MPSK）5.5.4多進制差分相移鍵控（MDPSK）5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)（APK）第15頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.2多進制頻移鍵控一、信號數(shù)學(xué)表達式假設(shè)M個頻移鍵控信號具有相同的能量、先驗等概；信號間彼此正交，信號之間的頻率間隔為1/(2Ts)HzTs是符號間隔fc=nc/(2Ts)，nc是某個固定的整數(shù)

第16頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.2多進制頻移鍵控r=E/n0為平均接收信號的信噪比

二、信號帶寬三、抗噪聲性能非相干解調(diào)相干解調(diào)第17頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.2多進制頻移鍵控MFSK相干解調(diào)性能第18頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.2多進制頻移鍵控MFSK非相干解調(diào)性能第19頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月MFSK與2FSK的比較功率譜密度fbfS2FSK8FSKf0f1f0f1f0f0f1f1f0f0f0f1f1f0f1f2f4f6f1f50101001100011012FSK8FSK第20頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.2多進制頻移鍵控問題1：MASK和MFSK調(diào)制是如何利用信號波形攜帶信息？問題2：MASK與2ASK在通信系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)方面有什么差別？第21頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)5.5.1多進制振幅鍵控（MASK）5.5.2多進制頻移鍵控（MFSK）5.5.3多進制相移鍵控（MPSK）5.5.4多進制差分相移鍵控（MDPSK）5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)（APK）第22頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3多進制相移鍵控MPSK信號MPSK信號的一般原理QPSK信號的波形

QPSK信號的產(chǎn)生

QPSK信號的功率譜及帶寬

QPSK信號的解調(diào)

QPSK信號的抗噪聲性能第23頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3多進制相移鍵控圖6-28二進制數(shù)字相位調(diào)制信號矢量圖以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6-29四進制數(shù)字相位調(diào)制信號矢量圖一、MPSK信號的一般原理第24頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3多進制相移鍵控圖6-30八進制數(shù)字相位調(diào)制信號矢量圖以載波相位的M種不同取值分別表示數(shù)字信息

信號包絡(luò)波形，通常為矩形波，幅度為1

碼元間隔第n個碼元對應(yīng)的相位，共有M種取值

M進制數(shù)字相位調(diào)制信號的正交形式

第25頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3多進制相移鍵控

MPSK信號串/并變換器電平變換器電平變換器

相移900輸入二進制序列同相支路正交支路接收到兩位信息后，同時送到兩個支路，每個支路各送一位第26頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)數(shù)字基帶信號為11時，載波為：當(dāng)數(shù)字基帶信號為01時，載波為：當(dāng)數(shù)字基帶信號為00時，載波為：當(dāng)數(shù)字基帶信號為10時，載波為：(11)(01)(00)(10)

相位配置XY5.5.3多進制相移鍵控二、QPSK信號的波形第27頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月1111000tt10t參考載波數(shù)字信息QPSK波形QPSK波形特點：（1）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180度，出現(xiàn)在01與10，

00與11的變化時。5.5.3多進制相移鍵控第28頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3多進制相移鍵控三、QPSK信號的產(chǎn)生串/并變換二進制信息QPSK信號同相支路正交支路設(shè)第n個碼元內(nèi)的數(shù)字信息為，QPSK信號的載波相位為。第29頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3多進制相移鍵控輸入信息與同相分量及正交分量之間的關(guān)系

11010010++-+--+-電平變換輸入輸出t1100輸入t輸出第30頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3多進制相移鍵控QPSK調(diào)制器方框圖

QPSK信號串/并變換器電平變換器電平變換器

相移900輸入二進制序列同相支路正交支路接收到兩位信息后，同時送到兩個支路，每個支路各送一位QPSK由兩個2PSK信號相加而成。第31頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月QPSK信號頻帶利用率為2PSK信號頻帶利用率為四、QPSK信號的功率譜及帶寬QPSK信號由兩路2PSK信號相加而成。當(dāng)兩路2PSK信號獨立時，QPSK信號的功率譜等于兩個2PSK信號的功率譜相加。5.5.3多進制相移鍵控第32頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月900相移抽樣判決抽樣判決并/串變換接收QPSK恢復(fù)的二進制序列同相支路正交支路QPSK信號的解調(diào)方框圖位定時5.5.3多進制相移鍵控五、QPSK信號的解調(diào)第33頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月同相支路：正交支路：解調(diào)器各點的數(shù)學(xué)表達式設(shè)接收信號為：5.5.3多進制相移鍵控第34頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

同相、正交支路的判決規(guī)則為：取樣值大于0，判1

取樣值小于0，判011010010++++----5.5.3多進制相移鍵控第35頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3多進制相移鍵控六、抗噪聲性能1、QPSK2、MPSK：對于任意M進制PSK信號，當(dāng)信噪比r足夠大時QPSK的誤比特性能與2PSK相同。第36頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)5.5.1多進制振幅鍵控（MASK）5.5.2多進制頻移鍵控（MFSK）5.5.3多進制相移鍵控（MPSK）5.5.4多進制差分相移鍵控（MDPSK）5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)（APK）第37頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月型取值型取值DQPSK(4DPSK)DQPSK(DQPSK)DifferentialQuadraturePhase-ShiftKeying5.5.4多進制差分相移鍵控(11)(11)(01)(00)(10)(01)(00)(10)第38頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（00）（11）（01）（10）DQPSK信號波形圖參考載波二進制信息101t01010sDQPSK(t)t特點：2、已調(diào)波有4種相位3、相位跳變的絕對值最大為180度1、信息攜帶在相鄰載波的相位差上5.5.4多進制差分相移鍵控一、DQPSK信號的波形第39頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控二、DQPSK信號的產(chǎn)生設(shè)第n個碼元內(nèi)的數(shù)字信息為，DQPSK信號的載波相位為。串/并變換二進制信息DQPSK信號同相支路正交支路信號變換（映射）第40頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控調(diào)制后載波的相位有幾種？

初始相位結(jié)論：對于，無論初始相位是哪個體系，最終載波相位只有四種可能性。第41頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控調(diào)制后載波的相位有幾種？

結(jié)論：對于，無論初始相位是哪個體系，最終載波相位卻有八種可能性，在兩種體系間跳變。初始相位第42頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控前一雙比特碼元的載波相位有四種可能，現(xiàn)設(shè)它為180°（對應(yīng)cndn=00）此時的載波相位應(yīng)為180°+90°=270°cndn應(yīng)為10碼換器應(yīng)將輸入數(shù)據(jù)01（ab）變成10（cd）表

6-7QDPSK信號載波相位編碼邏輯關(guān)系雙比特碼元載波相位ncd110°0190°00180°10270°anbn為01方法：碼變換＋QPSK調(diào)制（/2體系）01111000相位配置關(guān)系圖

/2DQPSK原理框圖與具體實現(xiàn)第43頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控碼變換關(guān)系表（cndn產(chǎn)生）000111100011100110001110cn-1dn-1anbn01111000QDPSK信號載波相位編碼邏輯關(guān)系雙比特碼元載波相位ncd110°0190°00180°10270°相位配置關(guān)系圖

000101110001111001111000n-1180°90°0°270°180°90°0°270°nn第44頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控對應(yīng)關(guān)系an組合邏輯TbTbbncn-1dndn-1cn第45頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月DQPSK信號頻帶利用率為2DPSK信號頻帶利用率為5.5.4多進制差分相移鍵控三、DQPSK信號的功率譜及帶寬特別：/4DQPSK與/2

DQPSK相比，在帶限非線性信道上帶外輻射較小。第46頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月同相支路正交支路并/串變換DQPSK信號輸出信息取樣取樣位定時5.5.4多進制差分相移鍵控四、DQPSK信號的解調(diào)1、相干解調(diào)第47頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

積分器輸出與載波相位的關(guān)系

++++----結(jié)論:由同相支路及正交支路低通濾波器的輸出和的取樣值極性可確定，這是一個QPSK信號的解調(diào)。5.5.4多進制差分相移鍵控第48頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控圖6-354DPSK信號相干解調(diào)加碼反變換器原理圖信號碼元相位上支路輸出下支路輸出判決器輸出cd0°90°180°270°+--+++--10011100表6-9判決規(guī)則第49頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月DQPSK錯誤概率近似為QPSK的兩倍。解調(diào)器中由及計算的過程則是差分譯碼的過程。如：出現(xiàn)反相工作時，確定的，此時前一碼元內(nèi)確定的。計算（2）一個的錯誤，會引起及的錯誤。5.5.4多進制差分相移鍵控差分譯碼的特點：（1）消除了由載波相位模糊引起的反向工作問題。第50頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.5.4多進制差分相移鍵控判決器是按極性來判決的。正取樣值判為1，負(fù)取樣值判為0。

四、DQPSK信號的解調(diào)2、差分相干解調(diào)TsTs第51頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控表6-10差分正交解調(diào)的判決準(zhǔn)則判決器輸出AB０＋＋11/2－＋01－－003/2＋－10同相、正交支路的判決規(guī)則為：取樣值大于0，判1

取樣值小于0，判0抗噪聲性比QPSK差約2.3dB。第52頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控在M值很大時，差分移相和相干移相相比約損失3dB的功率。在四相時，大約損失2.3dB的功率

五、DQPSK信號的抗噪聲性能對于M相絕對移相方式，當(dāng)信噪比r足夠大時，誤碼率可近似為對于M相相對移相方式，當(dāng)信噪比r足夠大時，誤碼率可近似為第53頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控六、π/4DQPSK調(diào)制(11)(01)(00)(10)的四種取值π/4

DQPSK信號波形圖參考載波二進制信息101t01010ts

π/4DQPSK(t)特點：2、已調(diào)波有8種相位3、相位跳變的絕對值最大為135度1、信息攜帶在相鄰載波的位差上第54頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月多進制差分相移鍵控/4

DifferentialQuadraturePhase-ShiftKeying

（/4

DQPSK）

(11)(01)(00)(10)的四種取值特點：2、已調(diào)波有8種相位3、相位跳變的絕對值最大為135度1、信息攜帶在相鄰載波的位差上第55頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控π/4DQPSK信號的星座圖π/2DQPSK信號的星座圖第56頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.4多進制差分相移鍵控串/并變換二進制信息π/4

DQPSK信號同相支路正交支路

設(shè)第n個碼元內(nèi)的數(shù)字信息為，π/4

DQPSK信號的載波相位為。第57頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月/4DQPSK信號的產(chǎn)生迭代法串/并變換二進制信息π/4

DQPSK信號同相支路正交支路第58頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月/4DQPSK信號的解調(diào)1、中頻差分解調(diào)(與DQPSK的差分解調(diào)相同)2、基帶差分解調(diào)

——是π/4DQPSK常采用的解調(diào)方法。

相移900取樣判決取樣判決并/串變換正交支路位定時延遲接收信號恢復(fù)的二進制信號同相支路第59頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月/4DQPSK信號的基帶差分解調(diào)接收信號低通濾波器取樣判決低通濾波器取樣判決串/并信號輸出第60頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月/4DQPSK信號的基帶差分解調(diào)第61頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月/4DQPSK信號的基帶差分解調(diào)

11010010++++----判決規(guī)則：、大于0，判1

、小于0，判0用于判決的樣值與信息的關(guān)系誤比特率：第62頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)5.5.1多進制振幅鍵控（MASK）5.5.2多進制頻移鍵控（MFSK）5.5.3多進制相移鍵控（MPSK）5.5.4多進制差分相移鍵控（MDPSK）5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)（APK）第63頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)（APK）在系統(tǒng)帶寬一定的情況下，多進制調(diào)制（幅移或相移鍵控）的信息傳輸速率比二進制高，也就是說，多進制調(diào)制系統(tǒng)的頻帶利用率高，提高了有效性多進制調(diào)制系統(tǒng)頻帶利用率的提高是通過犧牲功率利用率來換取的，降低了可靠性。解決方法：振幅相位聯(lián)合鍵控（APK）第64頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)（APK）振幅相位聯(lián)合鍵控信號的一般表示式為

基帶信號幅度

寬度為Ts的單個基帶信號波形

APK信號可看作兩個正交調(diào)制信號之和基本原理第65頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月同時向上、下兩支路輸出，與QPSK、DQPSK等相同時，4QAM就是QPSK5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)一、QAM調(diào)制器第66頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月-1-3+1+3101100015.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)16QAM調(diào)制器第67頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系統(tǒng)支路波形11010100001010010111同相支路-1-3+1+310110001同相支路第68頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月-1-3+1+310110001設(shè)信息，5.5.5振幅相位聯(lián)合鍵控系