多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制

1、數(shù)字與數(shù)據(jù)通信技術(shù)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 在第2章中評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)有效性時(shí)了解到，在不提高波特率的前提下，采用多進(jìn)制信號(hào)可提高比特率log2M倍。因此，當(dāng)信道頻帶受限時(shí)，采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制來(lái)增大信息傳輸速率，提高頻帶利用率，但是是以增加信號(hào)功率和實(shí)現(xiàn)上的復(fù)雜性為代價(jià)，而且其抗噪聲性能低于二進(jìn)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)。當(dāng)已調(diào)信號(hào)攜帶信息的參數(shù)分別為載波的幅度、頻率或相位時(shí)，數(shù)字調(diào)制信號(hào)分別為M進(jìn)制幅度鍵控（MASK）、M進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）或M進(jìn)制相移鍵控（MPSK）。 多進(jìn)制幅移鍵控又稱為多電平調(diào)幅。MASK信號(hào)相當(dāng)于M電平的基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行

2、雙邊帶調(diào)幅。圖5.26畫(huà)出四電平的MASK已調(diào)信號(hào)波形圖。1.1 多進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控(MASK)te(t)01012tS4ASK(t)tS0(t)tS3 (t)tS1(t)tS4 (t)圖5.26 4ASK信號(hào)波形3 從圖5.26可看出，MASK信號(hào)可以看成是由時(shí)間上互不重疊的M個(gè)不同振幅值的2ASK信號(hào)的疊加而形成的。MASK信號(hào)的功率譜，就由M個(gè)2ASK信號(hào)的功率譜之和組成。盡管疊加后功率譜的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，但就信號(hào)的帶寬而言，當(dāng)碼元速率RB相同時(shí)，MASK信號(hào)的帶寬與2ASK信號(hào)的帶寬相同，即B=2RB。但在信息速率相等的情況下，MASK信號(hào)的帶寬僅為2ASK信號(hào)帶寬的1/log2M。 M

3、ASK的調(diào)制與2ASK的調(diào)制方法相同，可由乘法器實(shí)現(xiàn)。 MASK得解調(diào)可采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種形式。 【例5.1】設(shè)傳碼率為200Bd，如采用二進(jìn)制2ASK系統(tǒng)，其帶寬和信息速率為多少？如改為采用八進(jìn)制8ASK系統(tǒng)，其帶寬和信息速率又為多少？解：根據(jù)已知條件知 RB=200Bd 采用二進(jìn)制2ASK系統(tǒng)，帶寬 B=2RB=400Hz 信息速率 Rb=RBlog22=200bit/s采用八進(jìn)制8ASK系統(tǒng)，帶寬 B=2RB=400Hz 信息速率 Rb=RBlog28=600bit/s1.2 多進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控(MFSK) 多進(jìn)制數(shù)字頻率鍵控簡(jiǎn)稱多頻制，是2FSK方式的簡(jiǎn)單推廣。MFSK用多個(gè)

4、頻率不同的正弦波分別代表不同的數(shù)字信息，在某一碼元時(shí)間內(nèi)只發(fā)送其中一個(gè)對(duì)應(yīng)頻率的正弦波。一般的MFSK系統(tǒng)如圖5.27所示。 MFSK的調(diào)制可采用鍵控法產(chǎn)生MFSK信號(hào)，但其相位是不連續(xù)的，如圖5.27(a)所示。MFSK信號(hào)的解調(diào)通常采用非相干解調(diào)，原理框圖如圖5.27(b)所示。因?yàn)橄喔山庹{(diào)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，要求有精確相位的參考信號(hào)，所以很少采用。 MFSK信號(hào)可以看作由M個(gè)振幅相同、載頻不同、時(shí)間上互不重疊的2ASK信號(hào)疊加形成。MFSK信號(hào)的帶寬隨頻率數(shù)M的增大而線性增寬， 頻帶利用率明顯下降。因此，MFSK多用于調(diào)制速率不高的傳輸系統(tǒng)中。12M12M 12M12n并/串轉(zhuǎn)換邏輯電路輸

5、出包絡(luò)檢波帶通f1抽樣判決包絡(luò)檢波帶通f1包絡(luò)檢波帶通f1 串/并轉(zhuǎn)換邏輯電路輸入門(mén)電路1f1門(mén)電路2f2門(mén)電路MfM+接收濾波器信道(a)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)框圖(b)非相干解調(diào)實(shí)現(xiàn)框圖圖5.27MFSK系統(tǒng)原理框圖1.3多進(jìn)制數(shù)字相移鍵控(MPSK) 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)相又稱多相制，它是利用不同的相位來(lái)表征數(shù)字信息的一種調(diào)制方式。如果用載波有M種相位，那么就可以表示n比特碼元的2n組合狀態(tài)，故有M=2n。假若有四種相位，就可以表示二比特的四種組合狀態(tài)。多進(jìn)制相移鍵控分為多進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控和多進(jìn)制相對(duì)相移鍵控兩種。在實(shí)際通信中大多采用相對(duì)相移鍵控。1.多進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的表示對(duì)于MPSK信號(hào)可表示為 SMP

6、SK(t) =Acos (ct+n) (5.12)設(shè)A=1,則有SMPSK(t) = cosncosct - sinnsinct = ancosct -bnsinct (5.13) 式（5.13）中的第一項(xiàng)稱為同相分量，第二項(xiàng)稱為正交分量，因此MPSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)正交載波進(jìn)行多電平雙邊帶調(diào)制后所得兩路MASK信號(hào)的疊加。MPSK信號(hào)可以用正交調(diào)制的方法產(chǎn)生。其帶寬和MASK信號(hào)帶寬相同。 MPSK信號(hào)是相位不同的等幅信號(hào)，所以用矢量圖也可對(duì)MPSK信號(hào)進(jìn)行形象而簡(jiǎn)單的描述。在矢量圖中通常以0相位載波作為參考矢量。圖5.28中畫(huà)出M=2、4、8時(shí)不同初始相位情況下的矢量圖。 從圖5.28的

7、矢量圖看出，相鄰已調(diào)波矢量對(duì)應(yīng)的多比特碼之間僅有1位碼不同。 在多相調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)， 這種碼型有利于減少相鄰相位角誤判而造成的誤碼，可提高數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸?shù)目煽啃浴?圖5.28 MPSK信號(hào)矢量圖參考相位10相 A 0相M=2, =0參考相位10/2相 A 0相M=2, =/2參考相位0011相 0相1001 相 相 M=4, =/2相 相 11000110相 相 參考相位M=4, =/4相 101相 相 110000011相 相 參考相位111001相010100 相 0相M=8, =/8相 相 相 010 相 相 111000011101相 001110100相 參考相位相 M=8,

8、=/4-2.四相絕對(duì)相移鍵控（QPSK） 在多相相移鍵控中常用的是四相相移鍵控和八相相移鍵控。四相相移鍵控即4PSK又稱為QPSK，用四種不同的載波相位攜帶數(shù)字信息，其信號(hào)矢量圖見(jiàn)圖5.28所示。四相相移鍵控具有較高的頻譜利用率和較強(qiáng)的抗干擾性，同時(shí)在電路實(shí)現(xiàn)上比較簡(jiǎn)單，成為某些通信系統(tǒng)的一種主要調(diào)制方式。/4QPSK是目前微波、衛(wèi)星數(shù)字通信和數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中常用的一種載波傳輸方式。以四相相移鍵控（QPSK）為例介紹多相相移鍵控的調(diào)制與解調(diào)。（1）QPSK信號(hào)的調(diào)制 QPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法有正交調(diào)制法、相位選擇法等方法。正交調(diào)制法也稱直接調(diào)相法，如圖5.29所示為M=4，=/4體系的QP

9、SK信號(hào)產(chǎn)生原理框圖。將輸入的串行二進(jìn)制碼經(jīng)串并變換，分為AB兩路速率減半的序列，電平產(chǎn)生器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號(hào)，然后分別對(duì)同相載波cosct和正交載波sinct進(jìn)行調(diào)制, 每一路的工作與2PSK相同，然后兩路調(diào)制后的信號(hào)相加即得到了QPSK信號(hào)。如果產(chǎn)生M=4，=/2體系的QPSK信號(hào)，只需將載波分別移相/4后分別送入A路和B路的相乘器，調(diào)制后合成即可。兩個(gè)調(diào)制系統(tǒng)雙比特碼與已調(diào)波起始相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5.1所示。 cosct圖5.29 QPSK信號(hào)（/4體系）的正交調(diào)制原理框圖10/2 B 0SQPSK(t)輸入串/并變換電平產(chǎn)生電平產(chǎn)生/2相移10 A 011000110ABA路B路

10、表5.1四相調(diào)制已調(diào)波相位表/2體系/4體系雙比特碼元已調(diào)波起始相位雙比特碼元已調(diào)波起始相位ABAB00011/410/2013/411005/4013/2107/4 用相位選擇法也可以產(chǎn)生QPSK，用數(shù)字信號(hào)去選擇所需相位的載波，從而實(shí)現(xiàn)相移鍵控，其原理框圖如圖5.30所示。四相載波發(fā)生器產(chǎn)生QPSK所需的4種相位的載波，輸入的數(shù)字信息經(jīng)串/并變換成為雙比特碼，經(jīng)邏輯選擇電路，每隔Tb時(shí)間選擇其中一種相位的載波作為輸出，然后經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾除高頻分量。這是一種全數(shù)字化的方法，適合于載波頻率較高的場(chǎng)合。450 1350 2250 3150串/并轉(zhuǎn)換邏輯選相電路四相載波產(chǎn)生器帶通濾波器輸入輸出

11、圖5.30 相位選擇法產(chǎn)生QPSK信號(hào)（/4體系）原理框圖（2）QPSK信號(hào)的解調(diào) QPSK信號(hào)的解調(diào)采用正交相干解調(diào)法，又稱極性比較法。因?yàn)镼PSK信號(hào)就是兩個(gè)正交2PSK信號(hào)組合而成，所以QPSK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)。如圖5.31所示為相干解調(diào)器的框圖。QPSK信號(hào)經(jīng)信號(hào)分離器后的同相A路和正交B路信號(hào)同時(shí)送到解調(diào)器的兩個(gè)信道，在相乘器中與對(duì)應(yīng)的載波相乘，并從中取出基帶信號(hào)送到低通濾波器，再經(jīng)抽樣判決后分別得到A路和B路的二進(jìn)制信號(hào)，通過(guò)并/串變換，即可恢復(fù)原始信息。 從2PSK信號(hào)的解調(diào)已知，在解調(diào)過(guò)程中存在相位模糊的問(wèn)題。QPSK也存在此問(wèn)題，因此，在實(shí)際應(yīng)用中

12、大多采用的四相相對(duì)相移鍵控（4DPSK或QDPSK）。QDPSK信號(hào)的產(chǎn)生采取的是碼變換加QPSK的方法，如圖5.32所示。3.四相相對(duì)相移鍵控（QDPSK）圖5.32 QDPSK信號(hào)（/2體系）的調(diào)制原理框圖輸入C路D路SQDPSK(t)C 1000111001電平產(chǎn)生電平產(chǎn)生/4cosctB串/并變換碼變換A-/4D 10并/串轉(zhuǎn)換帶通濾波器信號(hào)分離器載波恢復(fù)/2相移低通濾波器抽樣判決定時(shí)信號(hào)低通濾波器抽樣判決定時(shí)信號(hào)QPSK信號(hào)輸出圖5.31 QPSK信號(hào)（/4體系）相干解調(diào)原理框圖AB 在絕對(duì)調(diào)相中載波起始相位與雙比特碼之間有一種固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系可直接從矢量圖中得知。 但對(duì)

13、于相對(duì)調(diào)相中的載波起始相位，它與雙比特之間沒(méi)有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以由以前一時(shí)刻雙比特碼對(duì)應(yīng)的相對(duì)調(diào)相的載波相位為參考來(lái)確定，其關(guān)系式為 c=c-1+n （5.14） 式中，c為本時(shí)刻相對(duì)調(diào)相已調(diào)波起始相位； c-1為前一時(shí)刻相對(duì)調(diào)相已調(diào)波起始相位； n為本時(shí)刻載波被絕對(duì)調(diào)相的相位。 對(duì)于QDPSK信號(hào)的解調(diào)可仿照2DPSK信號(hào)的解調(diào)，可采用相干解調(diào)和差分相干解調(diào)。采用相干解調(diào)時(shí)，抽樣判決得出的是相對(duì)碼CD， 要經(jīng)過(guò)差分解碼才能獲得絕對(duì)碼AB， 再經(jīng)并/串變換才能得到發(fā)端的基帶碼流。另一種解調(diào)方法是差分相干解調(diào)又稱延遲解調(diào)法， 其方法如圖5.33所示。 這種電路的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單， 但誤碼性能較差。

14、 延遲Tb圖5.33 QDPSK信號(hào)（/2體系）差分相干解調(diào)原理框圖并/串轉(zhuǎn)換-/4/4低通濾波器抽樣判決定時(shí)信號(hào)低通濾波器抽樣判決定時(shí)信號(hào)帶通濾波器QDPSK信號(hào)輸出AB參考相位0011相 0相1001 相 相 /2體系01 10 10 00 11 10 00載波4PSK參考碼元4DPSK圖5.34 例5.1解圖 【例5.2】 設(shè)發(fā)送的數(shù)字信號(hào)序列為01101000111000，試按/2體系的要求，分別畫(huà)出相應(yīng)的4PSK和4DPSK信號(hào)的波形。 解：畫(huà)4PSK信號(hào)波形時(shí)，其碼元的起始相位對(duì)應(yīng)/2體系，如01碼元起始相位為-/2即3/2。而畫(huà)4DPSK信號(hào)波形，需假設(shè)參考碼元，然后按c=c-1+n計(jì)算出每雙比特碼元對(duì)應(yīng)的起始相位，見(jiàn)表5.2。-表5.2 【例5.1】中碼元對(duì)應(yīng)的起始相位數(shù)字信號(hào)序列01101000111000相位(初始為0)-/2-/2+/2=00+/2=/2/2+0=/2/2+=3/23/2+/2=22+0=2矢量 從例題中能夠了解，參考碼元的初始相位不同得到不同的4DPSK信號(hào)波形，矢量圖的體系不同也有不同的QDPSK波形。 八相相移鍵控的調(diào)制及解調(diào)在此不做介紹，可參考有關(guān)方面的書(shū)籍。 MPSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)正交的抑制載波雙邊帶調(diào)幅信