第-章-數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)2優(yōu)秀文檔

第6章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)6.1二進制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理6.2多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)6.3數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較6.4現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)本章學習要求掌握2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK數(shù)字調(diào)制的基本原理和實現(xiàn)方法。了解多進制MASK、MFSK、MPSK的基本原理和特點。了解QAM（正交振幅調(diào)制）、MSK（最小移頻鍵控）和GMSK（高斯最小移頻鍵控）等現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)的基本概念和基本原理。了解數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能。6.1.3二進制數(shù)字相移鍵控(2PSK)常見的相移鍵控方式包括：二進制數(shù)字相移鍵控(2PSK)差分相移鍵控DPSK（1）2PSK和2DPSK調(diào)制的一般原理及實現(xiàn)方法

1）2PSK調(diào)制的原理及波形在二進制相移鍵控(2PSK)中，以二元數(shù)字信號“1”或“0”去控制載波相位改變，通常載波信號用相位0和π分別代表“1”和“0”，而其振幅和頻率保持不變。

10相移鍵控的調(diào)制框圖用0°和180°相位的載波表示信息碼元“1”和“0”1001數(shù)字控制信號（信息碼元）反相器0相載波π相載波2PSK2PSK信號表達式為：設(shè)s(t)為雙極性脈沖信號，則有2PSK信號是以載波的不同相位直接表示相應的數(shù)字碼元，這種調(diào)制方式稱為絕對相移鍵控。e2psk(t)=cosωct（0相）發(fā)“1”時-cosωct（相）發(fā)“0”時=圖6-122PSK與2DPSK示意圖

2）2DPSK基本原理和波形2DPSK調(diào)制規(guī)則：利用前后相鄰碼元的相對相位變化來表示所傳送的數(shù)字信息“0”和“1”的，這種調(diào)制方式稱為相對相移方式。用φ表示載波的初始相位。設(shè)△φ為當前碼元和前一碼元的相位之差：發(fā)送“0”時發(fā)送“1”時則信號碼元可以表示為：絕對碼｛an｝

001110012PSK2DPSK數(shù)字信息絕對碼｛an｝

00111001相對碼相位(0)

00π0πππ0相對碼｛bn｝

00101110載波絕對碼｛an｝

001110012PSK2DPSK數(shù)字信息絕對碼｛an｝

00111001相對碼相位(π)

ππ0π000π相對碼｛bn｝

110100012PSK和DPSK信號的比較

通過比較可以看出，對于2PSK信號來講，只要有一個相位發(fā)生錯誤，隨后的解調(diào)信息將全部倒相；但對于DPSK信號來講，只要其相對相位關(guān)系正確，解調(diào)就不會出錯。因此采用DPSK方式既可以保持2PSK方式下良好的誤碼率性能，又可以克服2PSK的“倒π”現(xiàn)象。

相對移相信號可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對碼）變換成相對碼，然后再根據(jù)相對碼進行絕對移相而形成。絕對碼和相對碼是可以互相轉(zhuǎn)換的，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

（a)編碼器(b)譯碼器相對相移本質(zhì)上就是對差分碼信號的絕對相移。即

實現(xiàn)相對調(diào)相的最常用方法如圖所示。2DPSK的產(chǎn)生過程與基本波形（a)編碼器(b)譯碼器3）2PSK和2DPSK的實現(xiàn)方法（b）鍵控法產(chǎn)生2PSK信號（a）模擬相乘法產(chǎn)生2PSK信號（c）2PSK功率譜2PSK和2DPSK的解調(diào)方式主要包括非相干解調(diào)和相干解調(diào)。（2）2PSK、2DPSK的解調(diào)①極性比較法（相干解調(diào)法）解調(diào)2PSK信號“倒π”現(xiàn)象：這種現(xiàn)象是由于在接收電路中在提取本地載波過程中會出現(xiàn)“0”相位和“π”相位模糊造成的，其結(jié)果就是解調(diào)得到的數(shù)字信號可能與實際的信號的極性恰好相反。2PSK解調(diào)帶通×低通抽樣

判決器碼（反）

變換器DPSK信號abcdef二進制信息碼位定時本地載波極性比較法——解調(diào)輸出是相對碼，必須再進行一次碼變換才能得到輸入的絕對碼序列。②極性比較法（相干解調(diào)）解調(diào)2DPSK信號圖6-16極性比較法（相干解調(diào)）③差分相干解調(diào)法——通過直接比較前后碼元的相位差而實現(xiàn)解調(diào)的，故又稱為相位比較解調(diào)法。圖6-18差分相干解調(diào)2DPSK信號2PSK信號的功率譜密度可以寫成：對于雙極性NRZ碼，由于不存在直流成分，因此，2PSK信號功率譜如下圖所示：2PSK信號功率譜（3）2PSK、2DPSK的頻譜特性

2PSK信號的帶寬、頻帶利用率也與2ASK信號的相同。

①一般情況下2PSK的功率譜和2ASK信號的功率譜相同（僅差系數(shù)），都是由連續(xù)譜和離散譜共同構(gòu)成。②頻帶利用率：η=0.5（B/Hz）③當數(shù)字信息中“0”和“1”等概率出現(xiàn)時，2PSK信號沒有離散譜。④2DPSK的頻譜與2PSK相似。

6．2多進制數(shù)字調(diào)制多進制數(shù)字調(diào)制——指用多進制數(shù)字基帶信號作為調(diào)制信號，去控制載波的各項參數(shù)：振幅、頻率或相位，并由此產(chǎn)生了多進制振幅調(diào)制、多進制頻率調(diào)制和多進制相位調(diào)制等調(diào)制方式。多進制數(shù)字調(diào)制方式是二進制數(shù)字調(diào)制方式的擴展，與二進制數(shù)字調(diào)制方式相比較它有如下特點：（1）在相同的碼元速率下，多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的信息速率高于二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的信息速率。其關(guān)系式為：其中M代表M進制信號。

b/s（2）在相同的信息速率下多進制碼元傳輸速率比二進制的低多進制信號碼元的持續(xù)時間要比二進制的長；增大碼元寬度，就會增加碼元的能量，并能減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響等。（3）在相同的噪聲下，多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能低于二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。6.2.1多進制數(shù)字振幅鍵控(MASK)以多進制信號去調(diào)制載波信號的幅度，就可以產(chǎn)生多進制數(shù)字調(diào)幅信號（MASK），它的數(shù)學表示式為：

其中，A(t)——是單極性的多進制信號：ωc——載波角頻率；θ0——載波初始相位。g(t)是持續(xù)時間為Ts的矩形脈沖MASK調(diào)制方式的特點：

單極性不歸零多進制數(shù)字基帶信號4ASK信號波形各波形在時間上是互不重疊的。M電平調(diào)制信號由時間上不重疊的M個不同振幅值的OOK信號的疊加。M電平調(diào)制信號的帶寬與二電平的相同。信號由波形圖可以看出：一個4ASK信號波形可以分解為3個2ASK信號的疊加。其中：每個2ASK信號的碼元速率相同（等于原4ASK碼元速率）所以這3個2ASK信號具有相同的帶寬因為這3個2ASK信號線性疊加后的頻譜是其3個信號頻譜的線性疊加，所以它們占用的帶寬不變故4ASK信號的帶寬與它分解出的任何一個2ASK信號的帶寬是相等的。在MPSK調(diào)制方式中，M常取2n，即4、8、16等值。常見的相移鍵控方式包括：延時判決法解調(diào)器工作過程：了解數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能。設(shè)s(t)為雙極性脈沖信號，則有③差分相干解調(diào)法——通過直接比較前后碼元的相位差而實現(xiàn)解調(diào)的，故又稱為相位比較解調(diào)法。以多進制數(shù)字信號編碼序列去控制載波的相位，可以產(chǎn)生M個離散相位的已調(diào)波，各編碼的調(diào)相波的相位均相隔2π/M，就形成了多進制數(shù)字相移信號(MPSK)。在MPSK調(diào)制方式中，M常取2n，即4、8、16等值。圖6-214PSK信號的相位矢量圖格雷二進碼：其特點是任何相鄰電平的碼組，只有一位碼位發(fā)生變化。最小頻移鍵控（MSK）當A=0時，C=-1，E點調(diào)制輸出Ccosωct=-cosωct，其相位為π；MQAM信號是一種幅度、相位復合調(diào)制信號6．2多進制數(shù)字調(diào)制在[-T，T]期間對上面的支路進行積分判決。3多進制數(shù)字相移鍵控(MPSK)相對碼｛bn｝11010001在實際應用中常采用格雷碼的編碼方式來對4ASK信號進行編碼，在這種編碼方式下，引入了相移鍵控的特性，通過這種方式，可以減少電平的數(shù)量，同時增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，采用這種方式設(shè)計的多進制數(shù)字振幅鍵控的電路原理框圖如下圖所示。采用格雷碼的4ASK信號波形圖

10010011

MASK的特點（1）功率譜由來與2ASK的相似（2）相同Rb時，帶寬是2ASK的M倍∵缺點:抗干擾，抗衰落能力差！∴少用！6.2.2多進制數(shù)字頻移鍵控(MFSK)多進制數(shù)字頻率鍵控（MFSK），是二進制數(shù)字頻移鍵控方式的推廣。多進制數(shù)字頻率鍵控（MFSK）的基本原理在四進制頻移鍵控方式（4FSK）中采用4個不同的頻率分別表示四進制碼元，每個碼元含有2bit信息。為了便于使用帶通濾波器分離不同頻率碼元的頻譜，要求每個載頻之間的頻率間隔足夠大，或者說要求不同頻率的碼元相互正交。由于MFSK的碼元采用M個不同的載波，所以它占用較大的帶寬。其頻帶寬度為MFSK調(diào)制器解調(diào)器原理電路圖4-24MFSK調(diào)制器的原理電路圖

圖6-19MFSK調(diào)制器的原理電路MFSK的相干解調(diào)較為復雜要求有精確的相位參考，因此較少使用，通常采用的是非相干解調(diào)方式。MFSK解調(diào)器的原理電路如下圖所示。圖6-19MFSK解調(diào)器的原理電路圖

6.2.3多進制數(shù)字相移鍵控(MPSK)

MPSK基本原理以多進制數(shù)字信號編碼序列去控制載波的相位，可以產(chǎn)生M個離散相位的已調(diào)波，各編碼的調(diào)相波的相位均相隔2π/M，就形成了多進制數(shù)字相移信號(MPSK)。在MPSK調(diào)制方式中，M常取2n，即4、8、16等值。4PSK表示四相調(diào)制，它是用載波的四個離散的相位來表示四種信號狀態(tài)（即00、01、10、11），通常它也被稱為正交相移鍵控QPSK，它的每個碼元含有2bit的信息，可以用兩位二進制代碼“a”和“b”的組合來表示，通常使用的編碼方式是格雷碼。無線通信系統(tǒng)中為提高信息傳輸速率，常采用多進制調(diào)相技術(shù)，利用載波的多種不同相位（或相位差）來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式；多進制數(shù)字相位調(diào)制又稱多相制，相數(shù)愈多傳輸速率愈高，但相鄰載波之間的相位差愈小，還將使得接收時的誤碼率增加，且增加了設(shè)備的復雜性。6.2.3多進制數(shù)字相移鍵控(MPSK)

6.2.3多進制數(shù)字相移鍵控(MPSK)

MPSK基本原理以多進制數(shù)字信號編碼序列去控制載波的相位，可以產(chǎn)生M個離散相位的已調(diào)波，各編碼的調(diào)相波的相位均相隔2π/M，就形成了多進制數(shù)字相移信號(MPSK)。在MPSK調(diào)制方式中，M常取2n，即4、8、16等值。4PSK表示四相調(diào)制，它是用載波的四個離散的相位來表示四種信號狀態(tài)（即00、01、10、11），通常它也被稱為正交相移鍵控QPSK，它的每個碼元含有2bit的信息，可以用兩位二進制代碼“a”和“b”的組合來表示，通常使用的編碼方式是格雷碼。格雷碼的優(yōu)點是相鄰相位所代表的兩個比特只有一位不同，由于在噪聲和其他干擾產(chǎn)生相位誤差時，最大的可能性是發(fā)生相鄰相位的錯誤，所以這樣的相鄰相位錯誤只能造成一個比特的錯誤。采用格雷碼編碼方式下，信號相位和碼元之間的對應關(guān)系如下表所示：矢量圖B方式A方式°參考相位QPSK矢量圖及相位選擇01111000參考相位

參考相位11010010450a方式b方式雙比特碼n雙比特碼n00001145001900011350102700002250111800103150多相制中使用最廣泛的是四相制和八相制四相制記為4PSK或QPSKQPSK利用載波的四種不同相位來表征數(shù)字信息,每一載波相位代表2比特信息每個四進制碼元又被稱為雙比特碼元QPSK信號的矢量圖（1）4PSK的調(diào)制與解調(diào)1）4PSK的調(diào)制方法輸入基帶信號A(t)是二進制不歸零雙極性信號碼元，它被“串/并變換”電路變成成對的兩路碼元“A”和“B”。經(jīng)電平變換電路變換成雙極性碼“C”和“D”（雙極性碼），“C”和“D”分別和兩路正交載波相乘，相乘的結(jié)果送入相加器中合成串行信號輸出。

QPSK（4PSK）信號的產(chǎn)生ABABAB1100100110101001+1-1+1-1+1-1-1+1當A=1時，C=+1，E點調(diào)制輸出Ccosωct=cosωct

，其相位為0；當A=0時，C=-1，E點調(diào)制輸出Ccosωct=-cosωct

，其相位為π；當B=1時，D=+1，F(xiàn)點調(diào)制輸出Dsinωct=sinωct

，其相位為+π/2；當B=0時，D=-1，F(xiàn)點調(diào)制輸出Dsinωct=-sinωct

，其相位為-π/2；EF圖6-214PSK信號的相位矢量圖2）4PSK的解調(diào)4PSK信號可用兩個正交的載波信號實現(xiàn)相干解調(diào)。4PSK信號的相干解調(diào)方法：用兩路正交的相干載波，可以很容易的分離出這兩路正交的2PSK信號，解調(diào)后的兩路基帶信號碼元a和b，經(jīng)過并/串轉(zhuǎn)換后，形成串行數(shù)字信號輸出。QPSK（4PSK）信號的相干解調(diào)數(shù)字相位調(diào)制的矢量圖

（4PSK或QPSK）碼變換器的功能：將絕對碼轉(zhuǎn)換成相對碼(設(shè)QDPSK的參考相位為0，采用A方式矢量圖)

舉例：DQPSK信號（差分碼及其相位）輸入序列0111001011011000QPSK90o180o0o270o180o90o270o0oQDPSK90o270o270o180o0o90o0o0o相對序列0110101100010000絕對碼相對碼表QDPSK信號相位編碼邏輯關(guān)系雙比特碼元載波相位變化abA方式000o0190o11180o10270o前一對碼元的相位狀態(tài)：6．3數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較6．3．1二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

1．頻帶寬度

當碼元寬度為Ts時，即碼元速率為fs

二進制振幅鍵控信號帶寬：

二進制頻移鍵控信號帶寬：二進制相移鍵控信號帶寬：從上面公式中可以得出，2FSK系統(tǒng)占用的系統(tǒng)頻帶最寬，其頻帶利用率最低。

2．誤碼性能在實際應用中，二進制數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率與系統(tǒng)的信噪比有關(guān)。信噪比越大誤碼率越小。在相同的信噪比和解調(diào)方式下，三種調(diào)制方式的誤碼率之間的關(guān)系為：2PSK的誤碼率最低，2FSK的誤碼率次之，2ASK的誤碼率最大。在要求相同誤碼率的前提下，三種調(diào)制方式的信噪比關(guān)系為：同時，對于同一數(shù)字調(diào)制方式來講，相干解調(diào)的誤碼率低于非相干解調(diào)。

3．設(shè)備復雜程度

通常相干接收設(shè)備都要比非相干接收設(shè)備復雜。在同樣的接收方式下，2DPSK設(shè)備最復雜，其次是2FSK，2ASK最簡單。

6．3．2多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較（1）頻帶利用率在系統(tǒng)誤碼率相同的前提下，頻帶利用率從高到低依次為MASK、MPSK、MFSK而且M越大，頻帶利用率越高。（2）誤碼率在相同信噪比條件下，誤碼率從好到壞依次為MASK、QPSK、8PSK、16PSK。（3）設(shè)備復雜程度設(shè)備復雜程度從低到高依次為MASK、MFSK、MDPSK、DQPSK。表7-3-3常用二進制碼型

樣值脈沖極性格雷二進制自然二進碼折疊二進碼量化級序號正極性部分10001001101110101110111111011100111111101101110010111010100110001111111011011100101110101001100015141312111098負極性部分01000101011101100010001100010000011101100101010000110010000100000000000100100011010001010110011176543210格雷二進碼：其特點是任何相鄰電平的碼組，只有一位碼位發(fā)生變化。譯碼時，若傳輸或判決有誤，量化電平的誤差小。另外，這種碼除極性碼外，當正、負極性信號的絕對值相等時，其幅度碼相同，故又稱反射二進碼。格雷二進碼不是“可加的”，不能逐比特獨立進行，需先轉(zhuǎn)換為自然二進碼后再譯碼。因此，這種碼在采用編碼管進行編碼時才用，在采用電路進行編碼時，一般均用折疊二進碼和自然二進碼。MSK信號的表示式為：（a)編碼器(b)譯碼器3多進制數(shù)字相移鍵控(MPSK)優(yōu)點:頻帶利用率高(∵RbM=Rb2×log2M)用φ表示載波的初始相位。由于MFSK的碼元采用M個不同的載波，所以它占用較大的帶寬。最小頻移鍵控（MSK）是相位連續(xù)的二進制頻移鍵控（2FSK）的一個改進θ0——載波初始相位。3多進制數(shù)字相移鍵控(MPSK)在相鄰碼元交界處，相位一般為不連續(xù)，此時2FSK信號的帶寬較寬，降低了頻帶利用率以多進制數(shù)字信號編碼序列去控制載波的相位，可以產(chǎn)生M個離散相位的已調(diào)波，各編碼的調(diào)相波的相位均相隔2π/M，就形成了多進制數(shù)字相移信號(MPSK)。碼元周期是四分之一載波周期的整數(shù)倍3數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較6.4現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)6.4.1.正交幅度調(diào)制（QAM）QAM是利用多進制幅度鍵控（MASK）和正交載波調(diào)制相結(jié)合產(chǎn)生的調(diào)制方法QAM由兩路獨立的兩個載波調(diào)制合成得到，即利用同相載波傳送一路ASK信號、利用正交載波傳送另一路ASK信號，然后合成信號，來提高頻帶利用率（如圖）

QAM(正交振幅調(diào)制系統(tǒng))原理方框圖相加器信道××××LPFLPFmI(t)mQ(t)cosωctsinωctcosωctsinωctm’I(t)m’Q(t)eo(t)優(yōu)點:頻帶利用率高(∵RbM=Rb2×log2M)缺點:抗噪聲性能差

MQAM調(diào)制框圖8QAM調(diào)制框圖MQAM信號MQAM解調(diào)框圖MQAM信號二進制信號MQAM信號是一種幅度、相位復合調(diào)制信號M表示已調(diào)波的狀態(tài)數(shù)（是信號電平數(shù)的平方），不同狀態(tài)與不同的幅度和相位相對應。【例】4電平正交幅度調(diào)制(4-QAM或16QAM)、8電平正交幅度調(diào)制（8-QAM或64QAM）16QAM信號的產(chǎn)生：正交調(diào)幅法：用兩路正交的4電平幅度調(diào)制信號疊加復合相移法：用兩路獨立的四相相移調(diào)制信號疊加00000010001116QAM與16PSK星座圖

16QAM星座圖

16PSK星座圖

abcd

1111

1110

1010

1011

ac

-3

-1

1

3

01

00

10

11

-3

-1

1

3

01

00

10

11

bd

Q(t)

Q(t)I(t)

I（t）

A

6.4.2.最小頻移鍵控（MSK）最小頻移鍵控（MSK）是相位連續(xù)的二進制頻移鍵控（2FSK）的一個改進FSK已調(diào)波的頻率隨著二進制碼元極性的改變而相應改變。在相鄰碼元交界處，相位一般為不連續(xù)，此時2FSK信號的帶寬較寬，降低了頻帶利用率若二進制信號的碼元互相正交，其誤碼性能可進一步改善（1）MSK信號的產(chǎn)生原理

MSK信號的表示式為：MSK頻率特點:當ai=+1時，當ai=—1時，頻率差為：調(diào)頻指數(shù)定義為：QAM由兩路獨立的兩個載波調(diào)制合成得到，即利用同相載波傳送一路ASK信號、利用正交載波傳送另一路ASK信號，然后合成信號，來提高頻帶利用率（如圖）一個4ASK信號波形可以分解為3個2ASK信號的疊加。其中M代表M進制信號。2PSK和2DPSK的解調(diào)方式主要包括非相干解調(diào)和相干解調(diào)。圖6-214PSK信號的相位矢量圖第6章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)3多進制數(shù)字相移鍵控(MPSK)第6章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)（a)編碼器(