《現(xiàn)代通信原理與技術(shù)》課件-第7章

第7

章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)7.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能7.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。

圖7-1數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制原理是相同的,一般可以采用模擬調(diào)制的方法實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制,但是,數(shù)字基帶信號具有與模擬基帶信號不同的特點,其取值是有限的離散狀態(tài)。這樣,可以用載波的某些離散狀態(tài)來表示數(shù)字基帶信號的離散狀態(tài)。采用數(shù)字鍵控來實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制信號的方法稱為鍵控法?；镜娜N數(shù)字調(diào)制方式是:振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK或DPSK)。

7.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理

若調(diào)制信號是二進(jìn)制數(shù)字基帶信號,則這種調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。最常用的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式有二進(jìn)制振幅鍵控、二進(jìn)制移頻鍵控和二進(jìn)制移相鍵控。

7.1.1二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)

振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號變化而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號為二進(jìn)制時,則產(chǎn)生2ASK。設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號序列由0、1序列組成,發(fā)送0符號的概率為P,發(fā)送1符號的概率為1-P,且發(fā)送0符號和發(fā)送1符號相互獨立。該二進(jìn)制基帶信號可表示為

其中

Ts是二進(jìn)制基帶信號的時間間隔;g(t)是持續(xù)時間為Ts的矩形脈沖,且

則2ASK信號可表示為單極性基帶信號與載波相乘,即

2ASK信號時間波形如圖7-2所示。由圖7-2可以看出,2ASK信號的時間波形e2ASK(t)隨二進(jìn)制基帶信號s(t)通斷變化,所以又稱2ASK信號為通斷鍵控信號(OOK信號)。圖7-22ASK信號時間波形

ASK信號的產(chǎn)生方法如圖7-3所示,其中圖(a)是采用模擬相乘的方法實現(xiàn)的,圖(b)是采用數(shù)字鍵控的方法實現(xiàn)的。圖7-32ASK信號的產(chǎn)生方法

由圖7-2可以看出,2ASK信號與模擬調(diào)制中的AM信號類似。所以,對2ASK信號也能夠采用非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)和相干解調(diào)(同步檢測法),相應(yīng)原理框圖如圖7-4所示。2ASK信號非相干解調(diào)過程的時間波形如圖7-5所示。圖7-42ASK信號解調(diào)器原理框圖圖7-52ASK信號非相干解調(diào)過程的時間波形

7.1.2二進(jìn)制移頻鍵控(2FSK)

在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化,則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控(2FSK)信號。2FSK信號的時間波形如圖7-6所示,圖中波形g可分解為波形e和波形f,即2FSK信號可以看成是兩個不同載波的2ASK信號的疊加。圖7-62FSK信號的時間波形

若二進(jìn)制基帶信號的1符號對應(yīng)于載波頻率f1,0符號對應(yīng)于載波頻率f2,則2FSK信號的時域表達(dá)式為圖7-7-數(shù)字鍵控法實現(xiàn)2FSK信號的原理圖

2FSK信號的解調(diào)方法很多,有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測法,有非相干解調(diào)方法和相干解調(diào)方法。采用非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方法的原理圖如圖7-8所示。其解調(diào)原理是將2FSK信號分解為上、下兩路2ASK信號,分別進(jìn)行解調(diào),通過對上、下兩路的抽樣值進(jìn)行比較,最終判決出輸出信號。2FSK信號非相干解調(diào)過程的時間波形如圖7-9所示。過零檢測法解調(diào)器的原理圖和各點時間波形如圖7-10所示。圖7-82FSK信號解調(diào)器原理圖圖7-92FSK信號非相干解調(diào)過程的時間波形圖7-10過零檢測法解調(diào)器的原理圖和各點時間波形

7.1.3二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)

在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號離散變化時,產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號。通常用已調(diào)信號載波的0°和180°分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號的1和0。2PSK信號的時域表達(dá)式為圖7-112PSK信號的典型時間波形圖7-122PSK信號的調(diào)制原理圖

2PSK信號的解調(diào)通常都是采用相干解調(diào),解調(diào)器原理圖如圖7-13所示。圖7-132PSK信號解調(diào)器原理圖

2PSK信號相干解調(diào)各點時間波形如圖7-14所示。當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180°倒相時,解調(diào)出的數(shù)字基帶信號與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好相反,解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號全部出錯。這種現(xiàn)象通常稱為“倒π”現(xiàn)象。由于在2PSK信號的載波恢復(fù)過程中存在著180°的相位模糊,因而2PSK信號的相干解調(diào)存在隨機的“倒π”現(xiàn)象,從而使得2PSK方式在

實際中很少采用。圖7-142PSK信號相干解調(diào)各點時間波形

7.1.4二進(jìn)制差分相位鍵控(2DPSK)

2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對相位變化來表示數(shù)字信息的。假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為Δφ,可定義數(shù)字信息與Δφ之間的關(guān)系為

則一組二進(jìn)制數(shù)字信息與其對應(yīng)的2DPSK信號的載波相位關(guān)系如下所示:

數(shù)字信息與Δφ之間的關(guān)系也可以定義為

2DPSK信號調(diào)制過程波形圖如圖7-15所示?？梢钥闯?2DPSK信號的實現(xiàn)可以采用如下方法:首先按照式(7.115)對二進(jìn)制數(shù)字基帶信號進(jìn)行差分編碼,即把表示二進(jìn)制數(shù)字信息的絕對碼序列{an}變換成相對碼序列{bn},然后進(jìn)行絕對調(diào)相,從而產(chǎn)生二進(jìn)制差分相位鍵控信號。2DPSK信號調(diào)制器原理圖如圖7-16所示。圖7-152DPSK信號調(diào)制過程波形圖圖7-162DPSK信號調(diào)制器原理圖

差分編碼(碼變換)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。

差分編碼的逆過程稱為差分譯碼(碼反變換),即把相對碼變換為絕對碼,規(guī)則為

2DPSK信號可以采用相干解調(diào)方式(極性比較法),解調(diào)器原理圖和解調(diào)過程各點時間波形如圖7-17所示。其解調(diào)原理是:對2DPSK信號進(jìn)行相干解調(diào),恢復(fù)出相對碼,再通過碼反變換器將其變換為絕對碼,從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中,若相干載波產(chǎn)生180°相位模糊,解調(diào)出的相對碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象,但是經(jīng)過碼反變換器后,輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象,從而解決了載波相位模糊度的問題。圖7-17-2DPSK信號相干解調(diào)器原理圖和解調(diào)過程各點時間波形

2DPSK信號也可以采用差分相干解調(diào)方式(相位比較法),解調(diào)器原理圖和解調(diào)過程各點時間波形如圖7-18所示。圖7-182DPSK信號差分相干解調(diào)器原理圖和解調(diào)過程各點時間波形

7.1.5二進(jìn)制數(shù)字已調(diào)信號的功率譜與帶寬

1.2ASK信號的功率譜與帶寬

由式(7.14)可知,2ASK信號表示式與雙邊帶調(diào)幅信號時域表示式類似。因此,2ASK信號的功率譜密度P2ASK(f)可視為單極性基帶信號功率譜密度Ps(f)的線性搬移,即有

參見例51,等概率(P=1/2)發(fā)送的二進(jìn)制單極性不歸零矩形脈沖序列s(t)的功率譜密度Ps(f)如式(5.229)表示,即

將其代入式(7.117),可得2ASK信號的功率譜密度為

其曲線如圖7-19所示。圖7-192ASK信號的功率譜密度曲線

由圖7-19可見,2ASK信號的功率譜密度由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。離散譜由載波分量確定,連續(xù)譜由基帶信號波形g(t)確定。2ASK信號的帶寬是基帶信號帶寬的2倍,即

式中,fs=1/Ts=RB是位定時信號的頻率,在數(shù)值上等于碼元速率?？梢?2ASK信號的傳輸帶寬是碼速率的2倍。

2.2FSK信號的功率譜與帶寬

由式(7.18)可知,相位不連續(xù)的2FSK信號可以看成兩個不同載頻(f1和f2)的2ASK信號的疊加。因此,相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜密度可以近似表示成兩個不同載頻的2ASK信號功率譜密度的疊加,即

將公式(7.118)代入式(7.121),可得

由式(7.122)可得,相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜由離散譜和連續(xù)譜組成,如圖7-20所示。其中,離散譜位于兩個載頻f1和f2處;連續(xù)譜由兩個中心位于f1和f2

處的雙邊譜疊加形成。若載頻差小于fs,則連續(xù)譜在fc處出現(xiàn)單峰;若載頻差大于fs,則連續(xù)譜出現(xiàn)雙峰。若以2FSK信號功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算,則該2FSK信號的帶寬為

其中fs=1/Ts=RB。圖7-20相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜示意圖

3.2PSK及2DPSK信號的功率譜與帶寬

2PSK與2DPSK信號具有相同的功率譜。由式(7.19)可知,2PSK信號可表示為雙極性不歸零二進(jìn)制基帶信號與正弦載波相乘,則2PSK信號的功率譜為

將雙極性不歸零矩形脈沖基帶信號的功率譜密度Ps(f)的表達(dá)式(5.233),即

代入式(7.124),可得

2PSK信號的功率譜密度如圖7-21所示。可以看出,其結(jié)構(gòu)與2ASK信號的功率譜密度相類似,帶寬也是基帶信號帶寬的兩倍。不同的是,當(dāng)二進(jìn)制基帶信號的“1”符號和“0”符號出現(xiàn)概率相等時,不存在離散譜。圖7-212PSK(2DPSK)信號的功率譜密度

7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

在數(shù)字通信系統(tǒng)中,衡量系統(tǒng)抗噪聲性能的重要指標(biāo)是誤碼率,因此,分析二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,也就是分析在信道等效加性高斯白噪聲的干擾下系統(tǒng)的誤碼性能,得出誤碼率與信噪比之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

7.2.12ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能

1.同步檢測法的系統(tǒng)性能

2ASK信號采用同步檢測法解調(diào)的系統(tǒng)性能分析模型如圖7-22所示。在一個碼元的時間間隔Ts

內(nèi),發(fā)送端輸出的信號波形sT(t)為

式中,ωc

為載波角頻率;Ts

為碼元時間間隔。在(0,Ts)內(nèi),接收端帶通濾波器輸入合成波形yi(t)為

式中:

為發(fā)送信號經(jīng)信道傳輸后的輸出;ni(t)為加性高斯白噪聲,其數(shù)學(xué)期望為零、方差為σ2。圖7-222ASK信號采用同步檢測法解調(diào)的系統(tǒng)性能分析模型

當(dāng)r?1,即大信噪比時,式(7.212)可近似表示為

2.包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能

包絡(luò)檢波法解調(diào)過程不需要相干載波,比較簡單。包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能分析模型如圖7-23所示。接收端帶通濾波器的輸出波形與同步檢測法的相同,即

包絡(luò)檢波器能檢測出輸入波形包絡(luò)的變化。包絡(luò)檢波器輸入波形y(t)可進(jìn)一步表示為圖7-23包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能分析模型

比較式(7.212)、式(7.213)和式(7.232)可以看出:在相同的信噪比條件下,同步檢測法的誤碼性能優(yōu)于包絡(luò)檢波法的誤碼性能;在大信噪比條件下,包絡(luò)檢波法的誤碼性能接近同步檢測法的誤碼性能。同時,包絡(luò)檢波不需要相干載波,因而設(shè)備比較簡單。另外,包絡(luò)檢波法存在門限效應(yīng),同步檢測法無門限效應(yīng)。

【例7-1】設(shè)某2ASK系統(tǒng)中二進(jìn)制碼元傳輸速率為9600(Bd),發(fā)送“1”符號和“0”符號的概率相等,接收端分別采用同步檢測法和包絡(luò)檢波法對該2ASK信號進(jìn)行解調(diào)。已知接收端輸入信號幅度a=1mV,信道等效加性高斯白噪聲的雙邊功率譜密度

(1)同步檢測法解調(diào)時系統(tǒng)總的誤碼率;

(2)包絡(luò)檢波法解調(diào)時系統(tǒng)總的誤碼率。

(2)包絡(luò)檢波法解調(diào)時系統(tǒng)總的誤碼率為

比較兩種方法解調(diào)時系統(tǒng)總的誤碼率可以看出,在大信噪比的情況下,包絡(luò)檢波法解調(diào)性能接近同步檢測法解調(diào)性能。

7.2.22FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

1.同步檢測法的系統(tǒng)性能

2FSK信號采用同步檢測法解調(diào)的系統(tǒng)性能分析模型如圖7-24所示。在碼元時間寬度Ts區(qū)間,發(fā)送端產(chǎn)生的2FSK信號可表示為

其中圖7-242FSK信號采用同步檢測法解調(diào)的系統(tǒng)性能分析模型

在圖7-24中,解調(diào)器采用兩個帶通濾波器來區(qū)分中心頻率分別為ω1和ω2的信號。中心頻率為ω1的帶通濾波器只允許中心頻率為ω1的信號頻譜成分通過,而濾除中心頻率為ω2的信號頻譜成分;中心頻率為ω2的帶通濾波器只允許中心頻率為ω2的信號頻譜成分通過,而濾除中心頻率為ω1的信號頻譜成分。

這樣,接收端上下支路兩個帶通濾波器的輸出波形y1(t)和y2(t)分別為

2.包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能

與2ASK信號解調(diào)相似,2FSK信號也可以采用包絡(luò)檢波法解調(diào),其系統(tǒng)性能分析模型如圖7-25所示。圖7-252FSK信號采用包絡(luò)檢波法解調(diào)的系統(tǒng)性能分析模型

由隨機信號分析可知,V1服從廣義瑞利分布,V2服從瑞利分布。V1、V2的一維概率密度函數(shù)分別為

于是,2FSK信號采用包絡(luò)檢波法解調(diào)時系統(tǒng)總的誤碼率Pe

為

7.2.32PSK和2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

1.2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)性能

2PSK信號的解調(diào)通常都是采用相干解調(diào)方式(又稱為極性比較法),其系統(tǒng)性能分析模型與圖7-22所示的2ASK信號采用相干解調(diào)的系統(tǒng)性能分析模型一樣,分析方法也類似。不同的是,當(dāng)接收2PSK信號時,解調(diào)器輸出的是雙極性基帶信號,而不是單極性基帶信號。

也就是說,在碼元時間寬度Ts區(qū)間,發(fā)送端產(chǎn)生的2PSK信號為

其中

則sT(t)經(jīng)過信道、帶通濾波和相干解調(diào)(相乘和低通濾波)器后,輸出的信號x(t)實質(zhì)上是雙極性基帶信號與高斯噪聲的合成波,即

2.2DPSK信號相干解調(diào)系統(tǒng)性能

2DPSK信號有兩種解調(diào)方式:一種是差分相干解調(diào);另一種是相干解調(diào)加碼反變換器。我們首先討論相干解調(diào)加碼反變換器方式,其系統(tǒng)性能分析模型如圖7-26所示。圖7-262DPSK信號相干解調(diào)加碼反變換器系統(tǒng)性能分析模型

如7.1.4節(jié)所述,碼反變換器的功能是將相對碼變換成絕對碼。由式(7.116)表述的碼反變換規(guī)則,即

可以看出,只有當(dāng)碼反變換器的兩個相鄰輸入碼元中有一個且僅有一個出錯時,其輸出碼元才會出錯。

設(shè)碼反變換器輸入信號的誤碼率是Pe,則相鄰兩個碼元中前面碼元出錯而后面碼元不出錯的概率是Pe(1-Pe),后面碼元出錯而前面碼元不出錯的概率是(1-Pe)Pe。因此,碼反變換器的輸出發(fā)生錯碼的誤碼率為

將2PSK信號采用相干解調(diào)時的誤碼率表示式(7.261)代入式(7.264),可得2DPSK信號采用相干解調(diào)加碼反變換器方式解調(diào)時的系統(tǒng)誤碼率為

當(dāng)Pe?1時,式(7.264)可近似表示為

即此時碼反變換器輸出端絕對碼序列的誤碼率是碼反變換器輸入端相對碼序列誤碼率的兩倍?？梢?碼反變換器的影響是使輸出誤碼率增大。

3.2DPSK信號差分相干解調(diào)系統(tǒng)性能

2DPSK信號差分相干解調(diào)方式也稱為相位比較法,是一種非相干解調(diào)方式,其系統(tǒng)性能分析模型如圖7-27所示。圖7-27-2DPSK信號差分相干解調(diào)系統(tǒng)性能分析模型

由解調(diào)器原理圖可以看出,解調(diào)過程中需要對間隔為Ts的前后兩個碼元進(jìn)行比較。假設(shè)當(dāng)前發(fā)送的是“1”符號,并且前一個時刻發(fā)送的也是“1”符號,則帶通濾波器輸出y1(t)和延遲器輸出y2(t)分別為

同理,可以求得將“0”符號判為“1”符號的錯誤概率,即

因此,2DPSK信號差分相干解調(diào)系統(tǒng)的總誤碼率Pe為

【例7-2】若采用2DPSK方式傳送二進(jìn)制數(shù)字信息,已知發(fā)送端發(fā)出的信號振幅為5V,輸入接收端解調(diào)器的高斯噪聲功率σ2n=3×10-12W,要求誤碼率Pe=10-5。試求:

(1)采用差分相干接收時,由發(fā)送端到解調(diào)器輸入端的振幅衰減為多少?

(2)采用相干解調(diào)碼反變換接收時,由發(fā)送端到解調(diào)器輸入端的振幅衰減為多少?

7.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

1.誤碼率二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式有2ASK、2FSK、2PSK及2DPSK,解調(diào)方式有相干解調(diào)方式和非相干解調(diào)方式。表7-1列出了各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率Pe與解調(diào)器輸入信噪比r的數(shù)學(xué)關(guān)系。

由表7-1可以看出,從橫向來比較,對同一種數(shù)字調(diào)制信號,采用相干解調(diào)方式的誤碼率低于采用非相干解調(diào)方式的誤碼率。從縱向來比較,在誤碼率Pe一定的情況下,2PSK、2FSK、2ASK系統(tǒng)所需要的信噪比關(guān)系為

將式(7.31)轉(zhuǎn)換為分貝表示式為

根據(jù)表7-1所畫出的三種數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率Pe與信噪比r的關(guān)系曲線如圖7-28所示。可以看出,在相同的信噪比r下,相干解調(diào)的2PSK系統(tǒng)的誤碼率Pe最小。

例如,在誤碼率Pe=10-5的情況下,相干解調(diào)時三種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)所需要的信噪比如表7-2所示。圖7-28誤碼率Pe與信噪比r的關(guān)系曲線

在信噪比r=10的情況下,三種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)所達(dá)到的誤碼率如表7-3所示。

2.頻帶寬度

若傳輸?shù)拇a元時間寬度為Ts,則2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度近似為2/Ts,即

ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)具有相同的頻帶寬度。2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度近似為

大于2ASK系統(tǒng)或2PSK系統(tǒng)的頻帶寬度。因此,從頻帶利用率上看,2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率最低。

3.對信道特性變化的敏感性

對于2ASK系統(tǒng),判決器的最佳判決門限為a/2(當(dāng)P(1)=P(0)時),它與接收機輸入信號的幅度有關(guān)。當(dāng)信道特性發(fā)生變化時,接收機輸入信號的幅度將隨之發(fā)生變化,從而最佳判決門限也將隨之而變。這時,接收機不容易保持在最佳判決門限狀態(tài),因此,2ASK對信道特性變化敏感,性能最差。

通過從幾個方面對各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行比較可以看出,對調(diào)制和解調(diào)方式的選擇需要考慮的因素較多。通常,只有對系統(tǒng)的要求作全面的考慮,并且抓住其中最主要的要求,才能作出比較恰當(dāng)?shù)倪x擇。在恒參信道傳輸中,如果要求較高的功率利用率,則應(yīng)選擇相干2PSK和2DPSK,而2ASK最不可取;如果要求較高的頻帶利用率,則應(yīng)選擇相干2PSK和

2DPSK,而2FSK最不可取。若傳輸信道是隨參信道,則2FSK具有更好的適應(yīng)能力。

7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)最基本的方式,具有較好的抗干擾能力,但是頻帶利用率較低,使其在實際應(yīng)用中受到一些限制。在信道頻帶受限時,為了提高頻帶利用率,通常采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),代價是增加信號功率和實現(xiàn)上的復(fù)雜性。

由信息傳輸速率Rb、碼元傳輸速率RB和進(jìn)制數(shù)M之間的關(guān)系

可知,在信息傳輸速率不變的情況下,通過增加進(jìn)制數(shù)M,可以降低碼元傳輸速率,從而減小信號帶寬,節(jié)約頻帶資源,提高系統(tǒng)頻帶利用率。由關(guān)系式

7.4.1多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制(MASK)又稱多電平調(diào)制,它是二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控(2ASK)方式的推廣。MASK信號的載波幅度有M種取值,在每個符號時間間隔Ts

內(nèi)發(fā)送M個幅度中的一種幅度的載波信號。MASK信號可表示為M進(jìn)制數(shù)字基帶信號與正弦載波相乘的形式,其時域表達(dá)式為

一種四進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制(4ASK)信號的時間波形如圖7-29所示。圖7-29四進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制(4ASK)信號的時間波形

由式(7.41)可以看出,MASK信號的功率譜與2ASK信號具有相似的形式。它是M進(jìn)制數(shù)字基帶信號對正弦載波進(jìn)行雙邊帶調(diào)幅,已調(diào)信號帶寬是M進(jìn)制數(shù)字基帶信號帶寬的兩倍。MASK信號每個符號可以傳送lbM比特信息。在信息傳輸速率相同時,碼元傳輸速率降低為2ASK信號的1/lbM,因此MASK信號的帶寬是2ASK信號的1/lbM。

假設(shè)發(fā)送端產(chǎn)生的MASK信號的幅度分別為±d,±3d,…,±(M-1)d,則發(fā)送波形可表示為

式中

對該MASK信號進(jìn)行相干解調(diào),得系統(tǒng)總的誤碼率Pe為

式中,為信噪比。當(dāng)M取不同值時,MASK系統(tǒng)總的誤碼率Pe

與信噪比r的關(guān)系曲線如圖7-30所示。由此圖可以看出,為了得到相同的誤碼率Pe

,所需的信噪比隨M增加而增大。例如,四電平系統(tǒng)比二電平系統(tǒng)信噪比需要增加約5倍。圖7-30MASK系統(tǒng)總的誤碼率Pe與信噪比r的關(guān)系曲線

7.4.2多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制(MFSK)簡稱多頻調(diào)制,它是2FSK方式的推廣。MFSK信號可表示為

式中

圖7-31是MFSK系統(tǒng)的組成方框圖。圖7-31MFSK系統(tǒng)的組成方框圖

MFSK信號的帶寬近似為

可見,MFSK信號具有較寬的頻帶,因而它的信道頻帶利用率不高。MFSK一般在調(diào)制速率不高的場合應(yīng)用。圖7-32是無線尋呼系統(tǒng)中四電平調(diào)頻頻率配置方案。圖7-32無線尋呼系統(tǒng)中四電平調(diào)頻頻率配置方案

MFSK信號采用非相干解調(diào)時的誤碼率為

式中,r為平均接收信號的信噪比。

MFSK信號采用相干解調(diào)時的誤碼率為

MFSK系統(tǒng)誤碼率性能曲線如圖7-33所示。圖7-33MFSK系統(tǒng)誤碼率性能曲線

7.4.3多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

1.多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號的表示形式

多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制又稱多相調(diào)制,它是利用載波的多種不同相位來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。與二進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制相同,多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制也有絕對相位調(diào)制(MPSK)和差分相位調(diào)制(MDPSK)兩種。圖7-342PSK信號矢量圖圖7-354PSK信號矢量圖圖7-368PSK信號矢量圖

MPSK信號的功率譜如圖7-37-所示,圖中給出了信息速率相同時,2PSK、4PSK和8PSK信號的單邊功率譜?？梢钥闯?M越大,功率譜主瓣越窄,從而頻帶利用率越高。圖7-37-MPSK信號功率譜

2.4PSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)

在MPSK中,四進(jìn)制絕對移相鍵控(4PSK)和四進(jìn)制差分相位鍵控(4DPSK)兩種調(diào)制方式應(yīng)用最為廣泛。下面分別討論這兩種調(diào)制信號的產(chǎn)生原理。

四進(jìn)制絕對移相鍵控利用載波的四種不同相位來表示數(shù)字信息。由于每一種載波相位代表兩個比特信息,因此每個四進(jìn)制碼元可以用兩個二進(jìn)制碼元的組合來表示。兩個二進(jìn)

制碼元中的前一比特用a表示,后一比特用b表示,則雙比特ab與載波相位的關(guān)系如表7-4所示。

由式(7.410)可以看出,在一個碼元時