通信原理第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)課件

通信原理第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

1通信原理第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)1第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)概述數(shù)字調(diào)制：把數(shù)字基帶信號(hào)變換為數(shù)字帶通信號(hào)（已調(diào)信號(hào)）的過(guò)程。數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)：通常包括調(diào)制和解調(diào)過(guò)程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)制技術(shù)有兩種方法：利用模擬調(diào)制的方法去實(shí)現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制；通過(guò)開關(guān)鍵控載波，通常稱為鍵控法。基本鍵控方式：振幅鍵控、頻移鍵控、相移鍵控?cái)?shù)字調(diào)制可分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制。振幅鍵控 頻移鍵控 相移鍵控2第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)概述振幅鍵控 第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理7.1.1二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK）基本原理：“通-斷鍵控(OOK)”信號(hào)表達(dá)式波形3第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理3第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號(hào)產(chǎn)生方法模擬調(diào)制法（相乘器法）鍵控法4第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號(hào)產(chǎn)生方法4第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號(hào)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)5第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號(hào)解調(diào)方法5第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形6第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形6第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度2ASK信號(hào)可以表示成 式中s(t)－二進(jìn)制單極性隨機(jī)矩形脈沖序列設(shè)：Ps(f)－s(t)的功率譜密度

P2ASK(f)－2ASK信號(hào)的功率譜密度則由上式可得 由上式可見(jiàn)，2ASK信號(hào)的功率譜是基帶信號(hào)功率譜Ps(f)的線性搬移（屬線性調(diào)制）。知道了Ps(f)即可確定P2ASK(f)。7第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度7第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號(hào)的功率譜密度示意圖8第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號(hào)的功率譜密度示意圖8第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)從以上分析及上圖可以看出：2ASK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成；連續(xù)譜取決于g(t)經(jīng)線性調(diào)制后的雙邊帶譜，而離散譜由載波分量確定。2ASK信號(hào)的帶寬是基帶信號(hào)帶寬的兩倍，若只計(jì)譜的主瓣（第一個(gè)譜零點(diǎn)位置），則有 式中fs=1/Ts

即，2ASK信號(hào)的傳輸帶寬是碼元速率的兩倍。9第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)從以上分析及上圖可以看出：9第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1.2二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）基本原理表達(dá)式：在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。故其表達(dá)式為10第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1.2二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)典型波形：由圖可見(jiàn)，2FSK信號(hào)的波形(a)可以分解為波形(b)和波形（c），也就是說(shuō)，一個(gè)2FSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載頻的2ASK信號(hào)的疊加。11第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)典型波形：11第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法采用模擬調(diào)頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn)：信號(hào)在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的。采用鍵控法來(lái)實(shí)現(xiàn)：相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。12第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法12第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2FSK信號(hào)的解調(diào)方法非相干解調(diào)13第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2FSK信號(hào)的解調(diào)方法13第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)相干解調(diào)14第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)相干解調(diào)14第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)其他解調(diào)方法：比如鑒頻法、差分檢測(cè)法、過(guò)零檢測(cè)法等。下圖給出了過(guò)零檢測(cè)法的原理方框圖及各點(diǎn)時(shí)間波形。15第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)其他解調(diào)方法：比如鑒頻法、差分檢測(cè)法、第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度 對(duì)相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)，可以看成由兩個(gè)不同載頻的2ASK信號(hào)的疊加，它可以表示為 其中，s1(t)和s2(t)為兩路二進(jìn)制基帶信號(hào)。 據(jù)2ASK信號(hào)功率譜密度的表示式，不難寫出這種2FSK信號(hào)的功率譜密度的表示式： 令概率P=?，只需將2ASK信號(hào)頻譜中的fc分別替換為f1和f2，然后代入上式，即可得到下式：16第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度16第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

其曲線如下：17第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)17第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)由上圖可以看出：相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。其中，連續(xù)譜由兩個(gè)中心位于f1和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個(gè)載頻f1和f2處；連續(xù)譜的形狀隨著兩個(gè)載頻之差的大小而變化，若|f1–f2|<fs，連續(xù)譜在fc處出現(xiàn)單峰；若|f1–f2|>fs，則出現(xiàn)雙峰；若以功率譜第一個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔計(jì)算2FSK信號(hào)的帶寬，則其帶寬近似為 其中，fs=1/Ts為基帶信號(hào)的帶寬。圖中的fc為兩個(gè)載頻的中心頻率。18第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)由上圖可以看出：18第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1.3二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）2PSK信號(hào)的表達(dá)式： 在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。因此，2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 式中，n表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位： 因此，上式可以改寫為19第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1.3二進(jìn)制相移鍵控（2PSK第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號(hào)可以表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的相乘： 式中 這里，g(t)是脈寬為Ts的單個(gè)矩形脈沖，而an的統(tǒng)計(jì)特性為 即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“0”時(shí)（an取+1），e2PSK(t)取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“1”時(shí)（an取-1），e2PSK(t)取相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對(duì)相移方式。20第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)典型波形21第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)典型波形21第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2PSK信號(hào)的調(diào)制器原理方框圖模擬調(diào)制的方法鍵控法22第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2PSK信號(hào)的調(diào)制器原理方框圖22第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2PSK信號(hào)的解調(diào)器原理方框圖和波形圖：23第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2PSK信號(hào)的解調(diào)器原理方框圖和波形圖第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 波形圖中，假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與2PSK信號(hào)的調(diào)制載波的基準(zhǔn)相位一致（通常默認(rèn)為0相位）。但是，由于在2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過(guò)程中存在著的相位模糊，即恢復(fù)的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關(guān)系的不確定性將會(huì)造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象稱為2PSK方式的“倒π”現(xiàn)象或“反相工作”。這也是2PSK方式在實(shí)際中很少采用的主要原因。另外，在隨機(jī)信號(hào)碼元序列中，信號(hào)波形有可能出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無(wú)法辨認(rèn)信號(hào)碼元的起止時(shí)刻。 為了解決上述問(wèn)題，可以采用7.1.4節(jié)中將要討論的差分相移鍵控（DPSK）體制。24第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 波形圖中，假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與2第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度 比較2ASK信號(hào)的表達(dá)式和2PSK信號(hào)的表達(dá)式： 2ASK： 2PSK： 可知，兩者的表示形式完全一樣，區(qū)別僅在于基帶信號(hào)s(t)不同（an不同），前者為單極性，后者為雙極性。因此，我們可以直接引用2ASK信號(hào)功率譜密度的公式來(lái)表述2PSK信號(hào)的功率譜，即應(yīng)當(dāng)注意，這里的Ps(f)是雙極性矩形脈沖序列的功率譜。25第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度25第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度曲線

從以上分析可見(jiàn)，二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的頻譜特性與2ASK的十分相似，帶寬也是基帶信號(hào)帶寬的兩倍。區(qū)別僅在于當(dāng)P=1/2時(shí)，其譜中無(wú)離散譜（即載波分量），此時(shí)2PSK信號(hào)實(shí)際上相當(dāng)于抑制載波的雙邊帶信號(hào)。因此，它可以看作是雙極性基帶信號(hào)作用下的調(diào)幅信號(hào)。26第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度曲線26第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1.4二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK原理2DPSK是利用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化傳遞數(shù)字信息，所以又稱相對(duì)相移鍵控。假設(shè)為當(dāng)前碼元與前一碼元的載波相位差，定義數(shù)字信息與之間的關(guān)系為 于是可以將一組二進(jìn)制數(shù)字信息與其對(duì)應(yīng)的2DPSK信號(hào)的載波相位關(guān)系示例如下：27第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1.4二進(jìn)制差分相移鍵控（2D第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)相應(yīng)的2DPSK信號(hào)的波形如下： 由此例可知，對(duì)于相同的基帶信號(hào)，由于初始相位不同，2DPSK信號(hào)的相位可以不同。即2DPSK信號(hào)的相位并不直接代表基帶信號(hào)，而前后碼元的相對(duì)相位才決定信息符號(hào)。28第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)28第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)數(shù)字信息與之間的關(guān)系也可定義為2DPSK信號(hào)的矢量圖 在B方式中，當(dāng)前碼元的相位相對(duì)于前一碼元的相位改變/2。因此，在相鄰碼元之間必定有相位突跳。在接收端檢測(cè)此相位突跳就能確定每個(gè)碼元的起止時(shí)刻。(a)A方式(b)B方式29第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)數(shù)字信息與之間的關(guān)系也可定義為(a第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法

由上圖可見(jiàn)，先對(duì)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，即把表示數(shù)字信息序列的絕對(duì)碼變換成相對(duì)碼（差分碼），然后再根據(jù)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相，從而產(chǎn)生二進(jìn)制差分相移鍵控信號(hào)。 上圖中使用的是傳號(hào)差分碼，即載波的相位遇到原數(shù)字信息“1”變化，遇到“0”則不變。30第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法30第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)調(diào)制器原理方框圖 差分碼可取傳號(hào)差分碼或空號(hào)差分碼。其中，傳號(hào)差分碼的編碼規(guī)則為 式中，⊕為模2加，bn-1為bn的前一碼元，最初的bn-1可任意設(shè)定。 上式的逆過(guò)程稱為差分譯碼（碼反變換），即31第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)調(diào)制器原理方框圖31第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)的解調(diào)方法之一相干解調(diào)(極性比較法)加碼反變換法原理：先對(duì)2DPSK信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對(duì)碼，再經(jīng)碼反變換器變換為絕對(duì)碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過(guò)程中，由于載波相位模糊性的影響，使得解調(diào)出的相對(duì)碼也可能是“1”和“0”倒置，但經(jīng)差分譯碼（碼反變換）得到的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置的現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊性帶來(lái)的問(wèn)題。32第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)的解調(diào)方法之一32第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK的相干解調(diào)器原理圖和各點(diǎn)波形33第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK的相干解調(diào)器原理圖和各點(diǎn)波形第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)的解調(diào)方法之二：差分相干解調(diào)(相位比較）法34第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)的解調(diào)方法之二：差分相干第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)用這種方法解調(diào)時(shí)不需要專門的相干載波，只需由收到的2DPSK信號(hào)延時(shí)一個(gè)碼元間隔，然后與2DPSK信號(hào)本身相乘。相乘器起著相位比較的作用，相乘結(jié)果反映了前后碼元的相位差，經(jīng)低通濾波后再抽樣判決，即可直接恢復(fù)出原始數(shù)字信息，故解調(diào)器中不需要碼反變換器。2DPSK系統(tǒng)是一種實(shí)用的數(shù)字調(diào)相系統(tǒng)，但其抗加性白噪聲性能比2PSK的要差。35第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)用這種方法解調(diào)時(shí)不需要專門的相干載波，第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度 從前面討論的2DPSK信號(hào)的調(diào)制過(guò)程及其波形可以知道，2DPSK可以與2PSK具有相同形式的表達(dá)式。所不同的是2PSK中的基帶信號(hào)s(t)對(duì)應(yīng)的是絕對(duì)碼序列；而2DPSK中的基帶信號(hào)s(t)對(duì)應(yīng)的是碼變換后的相對(duì)碼序列。因此，2DPSK信號(hào)和2PSK信號(hào)的功率譜密度是完全一樣的。信號(hào)帶寬為 與2ASK的相同，也是碼元速率的兩倍。36第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度367.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較誤碼率2DPSK2PSK2FSK2ASK非相干解調(diào)相干解調(diào)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)377.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較2DPSK2PSK2F第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)誤碼率曲線38第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)誤碼率曲線38第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)頻帶寬度2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度39第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)頻帶寬度39第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)對(duì)信道特性變化的敏感性在2FSK系統(tǒng)中，判決器是根據(jù)上下兩個(gè)支路解調(diào)輸出樣值的大小來(lái)作出判決，不需要人為地設(shè)置判決門限，因而對(duì)信道的變化不敏感。在2PSK系統(tǒng)中，判決器的最佳判決門限為零，與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)。因此，接收機(jī)總能保持工作在最佳判決門限狀態(tài)。對(duì)于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度有關(guān)，對(duì)信道特性變化敏感，性能最差。40第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)對(duì)信道特性變化的敏感性40第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理概述為了提高頻帶利用率，最有效的辦法是使一個(gè)碼元傳輸多個(gè)比特的信息。由7.3節(jié)中的討論得知，各種鍵控體制的誤碼率都決定于信噪比r： 它還可以改寫為碼元能量E和噪聲單邊功率譜密度n0之比：設(shè)多進(jìn)制碼元的進(jìn)制數(shù)為M，碼元能量為E，一個(gè)碼元中包含信息k比特，則有k=log2M

若碼元能量E平均分配給每個(gè)比特，則每比特的能量Eb等于E/k。故有在研究不同M值下的錯(cuò)誤率時(shí)，適合用rb為單位來(lái)比較不同體制的性能優(yōu)略。41第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理41第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.1多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)概述多進(jìn)制振幅鍵控又稱多電平調(diào)制優(yōu)點(diǎn)：MASK信號(hào)的帶寬和2ASK信號(hào)的帶寬相同，故單位頻帶的信息傳輸速率高，即頻帶利用率高。42第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.1多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)舉例基帶信號(hào)是多進(jìn)制單極性不歸零脈沖(b)MASK信號(hào)(a)基帶多電平單極性不歸零信號(hào)0010110101011110000t0t010110101011110043第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)舉例(b)MASK信號(hào)(a)基帶多第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)基帶信號(hào)是多進(jìn)制雙極性不歸零脈沖 二進(jìn)制抑制載波雙邊帶信號(hào)就是2PSK信號(hào)。0101101010111100000t(c)基帶多電平雙極性不歸零信號(hào)00000t01011010101111(d)抑制載波MASK信號(hào)44第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)基帶信號(hào)是多進(jìn)制雙極性不歸零脈沖01第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.2多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)4FSK信號(hào)波形舉例(a)4FSK信號(hào)波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b)4FSK信號(hào)的取值45第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.2多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)MFSK信號(hào)的帶寬： B=fM-f1+f

式中

f1－最低載頻

fM－最高載頻

f－單個(gè)碼元的帶寬46第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)MFSK信號(hào)的帶寬：46第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)MFSK非相干解調(diào)器的原理方框圖V1(t)抽樣判決帶通濾波f1包絡(luò)檢波帶通濾波fM包絡(luò)檢波輸入輸出VM(t)定時(shí)脈沖帶通濾波f2包絡(luò)檢波........47第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)MFSK非相干解調(diào)器的原理方框圖V1第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.3多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)基本原理 一個(gè)MPSK信號(hào)碼元可以表示為 式中，A－常數(shù)，

k

－

一組間隔均勻的受調(diào)制相位 它可以寫為 通常M取2的某次冪：

M=2k，k=正整數(shù)48第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.3多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)在下圖中示出當(dāng)k=3時(shí)，k取值的一例。圖中示出當(dāng)發(fā)送信號(hào)的相位為1=0時(shí)，能夠正確接收的相位范圍在/8內(nèi)。對(duì)于多進(jìn)制PSK信號(hào)，不能簡(jiǎn)單地采用一個(gè)相干載波進(jìn)行相干解調(diào)。例如，若用cos2f0t作為相干載波時(shí)，因?yàn)閏osk=cos(2-k)，使解調(diào)存在模糊。這時(shí)需要用兩個(gè)正交的相干載波解調(diào)。圖7-348PSK信號(hào)相位49第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)在下圖中示出當(dāng)k=3時(shí)，k取值的第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 可以將MPSK信號(hào)碼元表示式展開寫成 式中 上式表明，MPSK信號(hào)碼元sk(t)可以看作是由正弦和余弦兩個(gè)正交分量合成的信號(hào)，并且ak2+bk2

=1。因此，其帶寬和MASK信號(hào)的帶寬相同。 本節(jié)下面主要以M=4為例，對(duì)4PSK作進(jìn)一步的分析。

50第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 可以將MPSK信號(hào)碼元表示式展開寫成第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)正交相移鍵控(QPSK)4PSK常稱為正交相移鍵控(QPSK)格雷(Gray)碼4PSK信號(hào)每個(gè)碼元含有2比特的信息，現(xiàn)用ab代表這兩個(gè)比特。兩個(gè)比特有4種組合，即00、01、10和11。它們和相位k之間的關(guān)系通常都按格雷碼的規(guī)律安排，如下表所示。 QPSK信號(hào)的編碼abk0090010112701018051第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)正交相移鍵控(QPSK)abk009第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)QPSK信號(hào)矢量圖格雷碼的好處在于相鄰相位所代表的兩個(gè)比特只有一位不同。由于因相位誤差造成錯(cuò)判至相鄰相位上的概率最大，故這樣編碼使之僅造成一個(gè)比特誤碼的概率最大。01001011參考相位圖7-35QPSK信號(hào)的矢量圖52第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)QPSK信號(hào)矢量圖01001011參考第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)多位格雷碼的編碼方法： 格雷碼又稱反射碼。序號(hào)格雷碼二進(jìn)碼0 0000 00001 0001 00012 0011 001030010 001140110 010050111 010160101 011070100 011181100 100091101 1001101111 1010111110 1011121010 1100131011 1101141001 1110151000 1111表7.4.2格雷碼編碼規(guī)則53第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)多位格雷碼的編碼方法：序號(hào)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼元相位關(guān)系k稱為初始相位，常簡(jiǎn)稱為相位，而把(0t+k)稱為信號(hào)的瞬時(shí)相位。當(dāng)碼元中包含整數(shù)個(gè)載波周期時(shí)，初始相位相同的相鄰碼元的波形和瞬時(shí)相位才是連續(xù)的，如下圖：(a)波形和相位連續(xù)TT54第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼元相位關(guān)系(a)波形和相位連續(xù)TT第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)若每個(gè)碼元中的載波周期數(shù)不是整數(shù)，則即使初始相位相同，波形和瞬時(shí)相位也可能不連續(xù)，如下圖 或者波形連續(xù)而相位不連續(xù)，如下圖(b)波形和相位不連續(xù)TT(c)波形連續(xù)相位不連續(xù)TT55第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)若每個(gè)碼元中的載波周期數(shù)不是整數(shù)，則即第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)在碼元邊界，當(dāng)相位不連續(xù)時(shí)，信號(hào)的頻譜將展寬，包絡(luò)也將出現(xiàn)起伏。在后面討論各種調(diào)制體制時(shí)，還將遇到這個(gè)問(wèn)題。并且有時(shí)將碼元中包含整數(shù)個(gè)載波周期的假設(shè)隱含不提，認(rèn)為PSK信號(hào)的初始相位相同，則碼元邊界的瞬時(shí)相位一定連續(xù)。56第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)在碼元邊界，當(dāng)相位不連續(xù)時(shí)，信號(hào)的頻譜第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)QPSK調(diào)制兩種產(chǎn)生方法:相乘電路法-sin0t相干載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路/2相移串/并變換相加電路cos0tA(t)s(t)圖7-37第一種QPSK信號(hào)產(chǎn)生方法ab57第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)QPSK調(diào)制-sin0t相干載相乘相第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼元串并變換：012345(a)輸入基帶碼元t024(b)并行支路a碼元t135(c)并行支路b碼元t圖7-38碼元串/并變換58第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼元串并變換：012345(a)輸入第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)矢量圖： 二進(jìn)制信號(hào)碼元“0”和“1在相乘電路中與不歸零雙極性矩形脈沖振幅的關(guān)系如下： 二進(jìn)制碼元“1”雙極性脈沖“+1”； 二進(jìn)制碼元“0”雙極性脈沖“-1”。 符合上述關(guān)系才能得到第6章中的B方式編碼規(guī)則。01110010a(1)a(0)b(1)b(0)圖7-39QPSK矢量的產(chǎn)生59第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)矢量圖：01110010a(1)a(0第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)選擇法串/并變換相位選擇帶通濾波4相載波產(chǎn)生器1432ab圖7-40選擇法產(chǎn)生QPSK信號(hào)60第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)選擇法串/并相位帶通4相載波14第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)QPSK解調(diào)原理方框圖用兩路正交的相干載波去解調(diào)，可以很容易地分離這兩路正交的2PSK信號(hào)。相干解調(diào)后的兩路并行碼元a和b，經(jīng)過(guò)并/串變換后，成為串行數(shù)據(jù)輸出。載波提取相乘低通抽判/2相乘低通抽判并/串A(t)s(t)abcos0t-sin0t定時(shí)提取圖7-41QPSK信號(hào)解調(diào)原理方框圖61第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)QPSK解調(diào)載波相乘低通抽判/2相乘第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)偏置QPSK(OQPSK )QPSK體制的缺點(diǎn)：它的相鄰碼元最大相位差達(dá)到180°，這在頻帶受限的系統(tǒng)中會(huì)引起信號(hào)包絡(luò)的很大起伏。偏置QPSK的改進(jìn)：為了減小此相位突變，將兩個(gè)正交分量的兩個(gè)比特a和b在時(shí)間上錯(cuò)開半個(gè)碼元，使之不可能同時(shí)改變。這樣安排后相鄰碼元相位差的最大值僅為90°（見(jiàn)下表），從而減小了信號(hào)振幅的起伏。OQPSK和QPSK的唯一區(qū)別在于：對(duì)于QPSK，上表中的兩個(gè)比特a和b的持續(xù)時(shí)間原則上可以不同；而對(duì)于OQPSK，a和b的持續(xù)時(shí)間必須相同。abk0090010112701018062第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)偏置QPSK(OQPSK )abk0第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)OQPSK信號(hào)的波形與QPSK信號(hào)波形的比較a1a3a5a7a2a6a4a8a2a4a1a3a5a7a6a863第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)OQPSK信號(hào)的波形與QPSK信號(hào)波形第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)/4相移QPSK4相移QPSK信號(hào)是由兩個(gè)相差4的QPSK星座圖交替產(chǎn)生的，它也是一個(gè)4進(jìn)制信號(hào)：當(dāng)前碼元的相位相對(duì)于前一碼元的相位改變45°或135°。例如，若連續(xù)輸入“11111111…”，則信號(hào)碼元相位為“45904590…”優(yōu)點(diǎn)：這種體制中相鄰碼元間總有相位改變、最大相移為135°，比QPSK的最大相移小。45°1110(a)星座圖之一 (b)星座圖之二01001101001064第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)/4相移QPSK45°1110(a第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.4多進(jìn)制差分相移鍵控(MDPSK)基本原理MDPSK信號(hào)和MPSK信號(hào)類似，只需把MPSK信號(hào)用的參考相位當(dāng)作是前一碼元的相位，把相移k當(dāng)作是相對(duì)于前一碼元相位的相移。這里仍以4進(jìn)制DPSK信號(hào)為例作進(jìn)一步的討論。4進(jìn)制DPSK通常記為QDPSK。QDPSK信號(hào)編碼方式：abkA方式B方式009013501045112703151018022565第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.4多進(jìn)制差分相移鍵控(MDP第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生方法第一種方法 圖中a和b為經(jīng)過(guò)串/并變換后 的一對(duì)碼元，它需要再經(jīng)過(guò) 碼變換器變換成相對(duì)碼c和d

后才與載波相乘。

c和d對(duì)載波的相乘實(shí)際是 完成絕對(duì)相移鍵控。abcd碼變換相加電路s(t)圖7-43第一種QDPSK信號(hào)產(chǎn)生方法A(t)串/并變換-/4載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路/466第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生方法abcd碼相加s(t)圖7-4第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼變換器：輸入ab和輸出cd間的16種可能關(guān)系(A方式)：當(dāng)前輸入的一對(duì)碼元及要求的相對(duì)相移前一時(shí)刻經(jīng)過(guò)碼變換后的一對(duì)碼元及所產(chǎn)生的相位當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)當(dāng)給出的變換后一對(duì)碼元和相位ak

bkkck-1

dk-1k-1ck

dkk0090000111109002701800011110180900270010000111109002701800111100090027018011270000111109002701801110000102701809010180000111109002701801000011127018090067第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼變換器：輸入ab和輸出cd間的16種第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼變換器的電路二進(jìn)制碼元“0”和“1”與相乘電路輸入電壓關(guān)系： 二進(jìn)制碼元“0”“＋1” 二進(jìn)制碼元“1”“－1”第二種方法： 第二種產(chǎn)生方法和QPSK信號(hào)的第二種產(chǎn)生方法（選擇法）原理相同，只是在串/并變換后需要增加一個(gè)“碼變換器”。只讀存儲(chǔ)器TTakbkckdkdk-1ck-1圖7-44碼變換器68第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼變換器的電路只讀TTakbkck第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)解調(diào)方法：有極性比較法和相位比較法兩種。極性比較法：原理方框圖（A方式） 原理和QPSK信號(hào)的一樣，只是多一步逆碼變換。圖7-45A方式QDPSK信號(hào)解調(diào)方法bacdA(t)-/4相乘電路相乘電路/4s(t)低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決并/串變換逆碼變換定時(shí)提取載波提取69第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)解調(diào)方法：有極性比較法和相位比較法兩種第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)相干解調(diào)過(guò)程設(shè)第k個(gè)接收信號(hào)碼元可以表示為相干載波：上支路： 下支路：信號(hào)和載波相乘的結(jié)果： 上支路： 下支路： 低通濾波后：上支路： 下支路：

70第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)相干解調(diào)過(guò)程70第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 低通濾波后：上支路： 下支路：判決規(guī)則 按照k的取值不同，此電壓可能為正，也可能為負(fù)，故是雙極性電壓。在編碼時(shí)曾經(jīng)規(guī)定： 二進(jìn)制碼元“0”“＋1” 二進(jìn)制碼元“1”“－1” 現(xiàn)在進(jìn)行判決時(shí)，也把正電壓判為二進(jìn)制碼元“0”，負(fù)電壓判為“1”，即 “＋”二進(jìn)制碼元“0” “－”二進(jìn)制碼元“1”因此得出判決規(guī)則如下表：71第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 低通濾波后：上支路：71第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)判決規(guī)則信號(hào)碼元相位k上支路輸出下支路輸出判決器輸出cd09018027