計算機通信-第6章 數(shù)字調(diào)制

1、引言引言1ASK(振幅鍵控振幅鍵控)2FSK (頻率鍵控頻率鍵控) 3PSK(相位鍵控相位鍵控 )4三種二進制數(shù)字調(diào)制比較三種二進制數(shù)字調(diào)制比較 56多進制數(shù)字調(diào)制多進制數(shù)字調(diào)制 現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制 7( )()kBks ta g tnT單極性單極性NRZ碼碼數(shù)字基帶信號對載波的雙邊帶調(diào)制數(shù)字基帶信號對載波的雙邊帶調(diào)制1 1 1100 0ttt載波信號2ASK信號bT( )s t( )( )cos2()cos2( )()11( ),00ASKckBckkBkkStS tf ta g t kTf tS ta g t kTg ta式中：為基帶信號(亦稱調(diào)制信號)“”碼表示基帶信號為不歸零矩形

2、波形“”碼單極性的隨機單極性的隨機矩形脈沖序列矩形脈沖序列 方法一方法一模擬調(diào)制的相乘法，將數(shù)字基帶信號看成是模擬信號的特例模擬調(diào)制的相乘法，將數(shù)字基帶信號看成是模擬信號的特例 方法二方法二數(shù)字鍵控法：利用代表數(shù)字信息（數(shù)字鍵控法：利用代表數(shù)字信息（“0”或或“1”）的基帶矩形）的基帶矩形脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波通斷鍵控（通斷鍵控（OOK）2ASK信號的產(chǎn)生信號的產(chǎn)生22ASKgBBBf( )in t( )( )cos2( )sin2iccscn tn tf tn tf tx帶通濾波器抽樣判決器低通濾波器+( )in t( )x t2cos2cf t( )n t( )A

3、SKSt 1cos2cos2( )cos2( )cos2( )sin2( )cos2( )sin2cos2( )cos2( )sin2cos2ccicccscccsccccsccaf taf tn taf tn tf tn tf tan tf tn tf tf tan tf tn tf tf t(1) 當發(fā)“”碼時，信號為：則帶通濾波器輸出信號與噪聲為：經(jīng)乘法器乘2后為：22201cos(1 cos2 )21sincossin22( )cos2( )sin2cos2( ) ( )cos4( )sin4( )( )0( )( )( )(2ccscccccscccnBccan tf tn tf t

4、f tan tan tf tn tf tn tE n tD n tnx tan tx tf運用三角公式：則乘法器輸出為：2經(jīng)低通后零均低通型高斯噪聲，)a是均值為 的高斯分布( )( )(2)000( )( )ccanx ttn tx t當發(fā)“ ”碼時，“ ”碼的幅度為零，即零均低通型高斯噪聲均值為0的高斯分布112211221(4)012( )12( )02(0)(1/ 0)(1)(0 /1)(0)(1) (0 /1)1222112212122ennneaax tax tPPPPPPPPaerfcSrNaSarerNrPerfc 誤碼率計算：判決電平：“ ”、“ ”碼等概時，判決電平取誤碼率

5、最小判“ ”碼判決準則：判“ ”碼誤碼率計算：令稱“ ”碼信噪比14rfc帶通濾波器抽樣判決器包絡檢波器+( )in t( )x t( )n t( )ASKSt定時脈沖cos2caf t( )1( )0(0) (1/ 0)(1) (0 /1)optoptoptebx tbx tbPPPPP 判決電平：兩曲線交點對應的電壓-判“”碼判決準則：判“ ”碼誤碼率計算：141121rerPe經(jīng) 推 導 計 算式 中為 “ ” 碼 信 噪 比1,cr1,Nr1,1,NcrdBr2 鍵控法鍵控法 由二進制數(shù)字由二進制數(shù)字信號通過電子開關(guān)控制兩信號通過電子開關(guān)控制兩個載波的輸出，產(chǎn)生的個載波的輸出，產(chǎn)生的F

6、SK信號在碼元轉(zhuǎn)換時刻信號在碼元轉(zhuǎn)換時刻相位不連續(xù)。相位不連續(xù)。調(diào)頻法調(diào)頻法 數(shù)字基帶信號數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)頻，產(chǎn)生對載波進行調(diào)頻，產(chǎn)生連續(xù)相位的連續(xù)相位的FSK信號。信號。12( )()cos2()cos21100FSKkBkBkkkSta g tkTf ta g tkTf ta“”碼,對應概率為P“ ”碼,對應概率為(1-P)11222,423BFSKBFSKBFSKBfffBBfffBff當 用 動 態(tài) 濾 波 器 時 ， 最 小取連續(xù)譜：由基帶信連續(xù)譜：由基帶信號波形號波形g(t)確定確定 離散譜離散譜：由載波：由載波分量確定分量確定 若載頻之差大于若載頻之差大于fs，則連，則連

7、續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰 若兩個載波頻差較小，比若兩個載波頻差較小，比如小于如小于fs，則連續(xù)譜在，則連續(xù)譜在fc處出現(xiàn)單峰處出現(xiàn)單峰0.8bf12sffhf122Dfff頻移指數(shù)頻移指數(shù)頻偏頻偏2FSK信號的第一個零點帶寬為信號的第一個零點帶寬為212FSKffB大，大頻帶利用率低，但解調(diào)時容易可用頻帶利用率低，但解調(diào)時容易可用BPFBPF分離兩分離兩個頻率信號。個頻率信號。212FSKffB小，小系統(tǒng)的頻帶利用率高，但解調(diào)復雜。系統(tǒng)的頻帶利用率高，但解調(diào)復雜。212sfff出現(xiàn)主瓣混疊，要用匹配濾波器檢測。出現(xiàn)主瓣混疊，要用匹配濾波器檢測。2FSK212BBfff+帶通帶通2帶通帶通1

8、低通低通比較判決比較判決xx低通低通12cos2f t1( )int22cos2f t2( )int( )n t2x1x1112211222( )( )( )( )ccccxantfxntxntfxant當發(fā)送 時當發(fā)送 時1211220( 1)0( 0)xxfxxf判 輸 入 為信 號“ ” 碼判 輸 入 為信 號“ ” 碼112121221212121211221222( )( )0( )( )01( ) ( )( )( )00( )( )( )(02)0)1cccccccccczznzzfxxantntantntfxxntantantntntntn tn tfxxan tfxx 當發(fā)送時

9、判“”碼當發(fā)送時判“ ”碼令：均值為的正態(tài)分布，方差為：當發(fā)送時判“”碼當發(fā)送時2222()21()22( )001( )(-)21( )( )2zzzz azzz azzaaan tan tf zean tfze 均值判“ ”為 的正態(tài)布均碼分布值為分布的正態(tài)布12121221121221122122( ) (/)() (/)(/)(/) ( )() (/)( )()1(/)1221222122eeznnPP f P ffP f P ffP ffP ffPP fP fP ffP fP fP ffaerfcaaerfcrrerfc因為:因+帶通帶通2帶通帶通1包絡解調(diào)包絡解調(diào)包絡解調(diào)包絡解調(diào)1

10、( )int2( )int( )n t比較判決比較判決2x1x11212212xfxxfxVV 萊斯分布當發(fā) 時正確判決：萊斯瑞利瑞利分布瑞利分布當發(fā) 時正確判決：萊斯瑞利萊斯分布設：為萊斯分布為瑞利分布其概率分布曲線如下圖：1221212221042()()()()1212neeVarPPP VVPf Vf V dV dVee則：萊斯瑞利22212l22n12122CNeCeNxeCrCeCCreNeCeCNCNPPeerfc xPxrPerfcerPerPPrr相干解調(diào)誤碼率記為，非相干解調(diào)誤碼率記為運用近似公式：化簡令：，則 crNrNcrdBr 0002cos(2)1cos(2)011

11、( ) cos(2)( )10( )( )()()( )( )cccCPSKaf taf tS t af tS tS tS tC tSSStCtP Kd“”碼同相如：“ ”碼反相“”碼“ ”碼、及波形如下頁畫波形，必須圖中為雙極性數(shù)字基帶信號，如先畫載波 特別是非整數(shù)倍周圖下圖所示期情況頁CPSKCPSK波形：波形：向量差：本碼元初相與前一碼元終相之差所謂相位的變化相位差：前后兩碼元初相之差222( )( )( )( )( )CPSKDPSKDPSKS tC tStStSt、向量差、相位差、等五種波形如下頁圖所示(以1.5倍。周期作圖)cos4cos(41.2cos(22 )co)sccccf

12、 tf tf tf t從數(shù)學表二分頻存在相位模糊，可從三個方面二分頻后來說明：達式10絕對碼絕對碼/相對碼變換相對碼變換CPSK調(diào)制調(diào)制( )S t( )DPSKSt2DPSK2PSK2BBBfPSK信號功率譜密度信號功率譜密度+帶通帶通低通低通抽樣判決抽樣判決x2cos2cf t( )n t( )x t相對相對/絕對碼變換絕對碼變換1( )cos21( )0( )cos20( )( )1( )( )0CPSKccCPSKccccStaf tASKan tStaf tASKan tan tx tan t 當輸入為“”碼時：與“”碼時完全相同解調(diào)輸出為：當輸入為“ ”碼時：與“ ”碼時不同則解調(diào)

13、輸出為：“”碼“ ”碼22112222/2ennenPSKaaPerfcerfc rrDPSKaPerfcerfc r對C信號解調(diào)：對信號解調(diào)，需增加相對碼 絕對碼變換器，通常誤碼率增大一倍x+帶通帶通( )n t低通低通抽樣判決抽樣判決( )x t相對相對/絕對碼變換絕對碼變換BT22/122/renreDPSKaPerCPSKPe對信號解調(diào)，不需要加相對碼 絕對碼變換器經(jīng)推導誤碼率為：對信號解調(diào)，因需增加相對碼 絕對碼變換器，通常誤碼率增大一倍 crNrNcrdBr/ 41124rrerefcr4411(/2)4212rrerfcree/ 212122rrerrfce212re1212re

14、rfcrerre211reerfcrr re (0) (0/0)(1) (1/1)(2) (2/2)() (/)ePPPPPPPP N P N N型矢量圖4型矢量圖2型星座圖型星座圖42Quatrature Amplitude Modulation(QAM)Quatrature Amplitude Modulation(QAM) 在移動通信中在移動通信中頻譜利用率頻譜利用率一直是人們關(guān)注的一直是人們關(guān)注的焦點之一，隨著微蜂窩（焦點之一，隨著微蜂窩（MicrocellMicrocell）和微微蜂窩）和微微蜂窩（PicocellPicocell）系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得信道的傳輸特性發(fā)）系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得信

15、道的傳輸特性發(fā)生了很大變化，接收機和發(fā)射機之間通常具有很強生了很大變化，接收機和發(fā)射機之間通常具有很強的的直達分量直達分量，以往在蜂窩系統(tǒng)中不能應用的但頻譜，以往在蜂窩系統(tǒng)中不能應用的但頻譜利用率很高的利用率很高的M-QAMM-QAM已引起人們的重視，許多學者已引起人們的重視，許多學者已對已對16QAM16QAM及其它變型的及其它變型的QAMQAM的應用進行了廣泛深入的應用進行了廣泛深入地研究。地研究。 PSKPSK調(diào)制存在的問題：調(diào)制存在的問題： 用兩個獨立的基帶數(shù)字信號對兩個相互正用兩個獨立的基帶數(shù)字信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調(diào)

16、制，利用這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)用這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。 1. MQAM1. MQAM調(diào)制原理調(diào)制原理( )()cos()()sin() nCnCnns ta g tnTtb g tnTt當當a an n和和b bn n是雙極性信號時，表示是雙極性信號時，表示4QAM4QAM。QAMQAM信號調(diào)制原理圖信號調(diào)制原理圖2到 L電 平 變 換2到 L電 平 變 換預 調(diào) 制LPF預 調(diào) 制LPF串 / 并 變 換costsintAmBmy(t)已 調(diào) 信 號 輸 出抑制已調(diào)信號的帶外輻射抑制已調(diào)信號的帶外輻射

17、利用利用AmAm和和BmBm組成信號矢量，該矢量的分布圖稱組成信號矢量，該矢量的分布圖稱為為星座圖星座圖。通常，可以用星座圖來描述。通常，可以用星座圖來描述QAMQAM信號的信信號的信號空間分布狀態(tài)。號空間分布狀態(tài)。4QAM和和16QAM的星座圖的星座圖AmjBm MQAM MQAM信號的星座圖信號的星座圖M4M16M256M128M64M32 (a) 方型16QAM星座； (b) 星型16QAM星座( 2.61,0)( 4.61,0)(2.61,0)(4.61,0)(0,2.61)(0,4.61)(0, 4.61)(0, 2.61)( 3,3)( 3,1)( 3,1)( 3, 3)(3, 3

18、)(3,1)(3,3)( 1, 1)( 1,1)(a)(b) 若已調(diào)信號的最大幅度為若已調(diào)信號的最大幅度為1 1，則，則MPSKMPSK信號星信號星座圖上信號點間的最小距離為座圖上信號點間的最小距離為 d dMPSKMPSK=2 sin =2 sin M 而而MQAMMQAM信號矩形星座圖上信號點間的最小信號矩形星座圖上信號點間的最小距離為距離為dMQAM2211LM當當M=16M=16時，時，d d16QAM16QAM=0.47=0.47，而，而d d16PSK16PSK=0.39=0.39，d d16PSK16PSKd d16QAM16QAM。16QAM16QAM系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于系統(tǒng)的

19、抗干擾能力優(yōu)于16PSK16PSK。性能比較性能比較 MQAMMQAM信號可以采用正交相干解調(diào)方法。信號可以采用正交相干解調(diào)方法。2 2、MQAMMQAM解調(diào)原理解調(diào)原理LPF多電平轉(zhuǎn)換定時恢復多電平判決LPFL到 2電平變換并 / 串變換載波恢復L到 2電平變換 存在噪聲情況下，接存在噪聲情況下，接收端收到的收端收到的QAM信號！信號！M進制方型進制方型QAM的誤碼率曲線的誤碼率曲線 6420246810121416182022PSKM 32QAMM 16QAMPSKM 4PSKM 16QAMM 6410 625510 5210 42510 32510 22510 1PMSNR / bit

20、/ dB小結(jié)：小結(jié)： AB+交錯分配交錯分配cos 2cf移相移相2單單/雙變換雙變換 單單/雙變換雙變換 xxBfBf122BBfffhRR偏移率:()BBfR001210200011000,100012.250,225020.5410000.25442.2500.252.52.2500.252110002.2512250BBBBBBBRBTfkHzTffRfhfRRRfkHzfffkHzfffkHzTNT 若設則;載波則偏移率設:在一個碼元周期內(nèi)載波的周期數(shù):個11122211 0 0 02 .512 5 0 011 0 0 0212 0 0 0BBfTNTfTNT在 一 個 碼 元 周 期 內(nèi)的 周 期 數(shù) :個在 一 個 碼 元 周 期 內(nèi)的 周 期 數(shù) :個 MSK MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點是已調(diào)信號具有恒定包調(diào)制方式的突出優(yōu)點是已調(diào)信號具有恒定包絡，且功率譜在主瓣以外衰減較快。但是，在移動絡，且功率譜在主瓣以外衰減較快。但是，在移動通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴格，一通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴格，一般要求