通信原理-Ch8-數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)(李2014年版)

通信原理-Ch8-數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)(李2014年版)第一頁(yè)，共94頁(yè)。本章結(jié)構(gòu)§8.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理及頻譜特征§8.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能§8.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第二頁(yè)，共94頁(yè)。復(fù)習(xí)調(diào)制的分類(lèi)調(diào)制正弦波調(diào)制脈沖調(diào)制t模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制t第五章第六章第八章第三頁(yè)，共94頁(yè)。復(fù)習(xí)數(shù)字調(diào)制解調(diào)所在位置信源信源編碼信道編碼數(shù)字調(diào)制信道噪聲源數(shù)字解調(diào)信道譯碼信源譯碼信宿數(shù)字通信系統(tǒng)框圖第四頁(yè)，共94頁(yè)。在無(wú)線信道和光信道中，為了有效地利用頻帶資源，需要把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜調(diào)制到適當(dāng)頻段再送入相應(yīng)的信道中傳輸。數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)又稱(chēng)為頻帶傳輸系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)制的調(diào)制波是二進(jìn)制或Μ進(jìn)制已編碼的數(shù)字基帶脈沖序列。調(diào)制過(guò)程是用數(shù)字信號(hào)的離散值作為“電鍵”去控制載波的幅度、頻率或相位；數(shù)字調(diào)制有三種最基本的調(diào)制方式：幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK。第五頁(yè)，共94頁(yè)?！?.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理及頻譜特征§8.1.1二進(jìn)制幅移鍵控(2ASK/即2進(jìn)制數(shù)字調(diào)幅)（1）2ASK波形（又稱(chēng)為通-斷鍵控，on-offKeying，OOK)單極性不歸零碼t100101tt第六頁(yè)，共94頁(yè)。(2)2ASK表達(dá)式第七頁(yè)，共94頁(yè)。(3)2ASK的功率譜密度因?yàn)?ASK由單極性不歸零波乘以載波而得到由調(diào)制定理功率譜密度“1”和“0”等概率條件下，單極性不歸零波所以其功率譜密度為第八頁(yè)，共94頁(yè)。(3)2ASK的功率譜密度單極性不歸零波功率譜2ASK功率譜第九頁(yè)，共94頁(yè)。(4)2ASK的帶寬和頻帶利用率第十頁(yè)，共94頁(yè)。(5)2ASK的調(diào)制模擬法[把s(t)當(dāng)成模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅處理]×t100101tt第十一頁(yè)，共94頁(yè)。(5)2ASK的調(diào)制鍵控法（用數(shù)字開(kāi)關(guān)控制載波的通斷）第十二頁(yè)，共94頁(yè)。(6)2ASK的解調(diào)2ASK可以采用2種解調(diào)方法相干解調(diào)非相干解調(diào)第十三頁(yè)，共94頁(yè)。2ASK的相干解調(diào)×t低通濾波器抽樣判決tt100101帶通濾波器定時(shí)脈沖輸出同頻同相第十四頁(yè)，共94頁(yè)。2ASK的非相干解調(diào)t100101t包絡(luò)檢波低通濾波器抽樣判決帶通濾波器定時(shí)脈沖輸出全波整流器第十五頁(yè)，共94頁(yè)。§8.1.2二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK/即2進(jìn)制數(shù)字調(diào)頻)（1）2FSK波形原始信息ttt2ASK2FSK100101第十六頁(yè)，共94頁(yè)。(2)2FSK的表達(dá)式t2FSKtt可見(jiàn)2FSK可看作是2個(gè)2ASK信號(hào)之和可分解成第十七頁(yè)，共94頁(yè)。(2)2FSK的表達(dá)式第十八頁(yè)，共94頁(yè)。(3)2FSK的功率譜密度P2FSK(f)=P1(f)+P2(f)

P1(f)=[Ps(f+f1)+Ps(f-f1)]P2(f)=[Ps(f+f2)+Ps(f-f2)]“1”和“0”等概率條件下第十九頁(yè)，共94頁(yè)。(3)2FSK的功率譜密度基帶信號(hào)功率譜密度2FSK信號(hào)功率譜密度第二十頁(yè)，共94頁(yè)。(4)2FSK信號(hào)的帶寬和頻帶利用率第二十一頁(yè)，共94頁(yè)。(5)2FSK的調(diào)制直接調(diào)制法模擬調(diào)頻器第二十二頁(yè)，共94頁(yè)。(5)2FSK的調(diào)制間接實(shí)現(xiàn)ω1振蕩器選通開(kāi)關(guān)ω2振蕩器選通開(kāi)關(guān)反相器相加器基帶信號(hào)第二十三頁(yè)，共94頁(yè)。t100101tttttt第二十四頁(yè)，共94頁(yè)。(6)2FSK的解調(diào)相干解調(diào)非相干解調(diào)包絡(luò)檢波法過(guò)零檢測(cè)法第二十五頁(yè)，共94頁(yè)。2FSK相干解調(diào)法抽樣判決器是一個(gè)比較器，對(duì)上、下兩支路低通濾波器送出的信號(hào)電平進(jìn)行比較，如果上支路輸出的信號(hào)電平大于下支路，則判為“1”碼。輸入帶通濾波器帶通濾波器乘法器乘法器低通濾波器低通濾波器抽樣判決器抽樣脈沖輸出第二十六頁(yè)，共94頁(yè)。2FSK包絡(luò)檢波法(屬于非相干解調(diào))第二十七頁(yè)，共94頁(yè)。2FSK過(guò)零檢測(cè)法(屬于非相干解調(diào))頻率高，則直流分量大。第二十八頁(yè)，共94頁(yè)。§8.1.3二進(jìn)制相移鍵控相位相位相位相位正弦波相位定義趨勢(shì)相位相位相位相位相位第二十九頁(yè)，共94頁(yè)?！?.1.3二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)(1)2PSK波形：以載波的固定相位為參考，通常在碼元周期的起始時(shí)刻用載波的0相位表示“1”碼；π相位表示“0”碼。原始信息tt2PSKt載波100110雙極性不歸零碼1-1第三十頁(yè)，共94頁(yè)。(2)2PSK的表達(dá)式從上圖可以看出2PSK可以看作是雙極性數(shù)字基帶信號(hào)與載波直接相乘的結(jié)果第三十一頁(yè)，共94頁(yè)。(3)2PSK的功率譜由于2PSK看作是“雙極性不歸零碼”與載波相乘的結(jié)果，所以令A(yù)=1第三十二頁(yè)，共94頁(yè)。(3)2PSK的功率譜密度雙極性不歸零波功率譜2PSK功率密度譜第三十三頁(yè)，共94頁(yè)。(4)2PSK的調(diào)制鍵控法模擬法第三十四頁(yè)，共94頁(yè)。(5)2PSK的解調(diào)注意:2PSK只能采用相干解調(diào),因?yàn)榘l(fā)”0”或發(fā)“1”

時(shí)，采用相位變化攜帶信息。具體地說(shuō)：其振幅不變(無(wú)法提取不同的包絡(luò))頻率也不變(無(wú)法用濾波器分開(kāi))此知識(shí)點(diǎn)經(jīng)常在各類(lèi)考試中出現(xiàn)第三十五頁(yè)，共94頁(yè)。與2ASK相干解調(diào)基本一樣，只不過(guò)低通濾波器的輸出是雙極性的解調(diào)器的本地參考載波的相位必須和發(fā)端調(diào)制器的載波同頻同相。若本地參考載波偏移π相位，則解調(diào)得到的數(shù)據(jù)極性完全相反，出現(xiàn)倒π現(xiàn)象。2PSK相干解調(diào)框圖×10111011帶通濾波器低通濾波器抽樣判決定時(shí)脈沖輸出z(t)x(t)1011第三十六頁(yè)，共94頁(yè)。2PSK的“相位模糊”現(xiàn)象（倒π現(xiàn)象）第三十七頁(yè)，共94頁(yè)。§8.1.4二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)為了解決2PSK解調(diào)中的“相位模糊”問(wèn)題，人們發(fā)明了2DPSK2DPSK：以前一個(gè)碼元周期中載波波形的末相為參考，序列中出現(xiàn)“1”碼時(shí)，輸出載波相位變化π；序列中出現(xiàn)“0”碼時(shí)，輸出載波相位不變。（相反定義也可以）第三十八頁(yè)，共94頁(yè)。t2PSKt載波100110t2DPSK初始相位(1)波形第三十九頁(yè)，共94頁(yè)。(2)差分編碼與2DPSK的關(guān)系100110t差分編碼初始電平000110t如果我們對(duì)差分編碼以后的碼進(jìn)行直接2PSK調(diào)制…差分編碼后的2PSK就是原碼的2DPSK“絕對(duì)碼”“相對(duì)碼”t載波第四十頁(yè)，共94頁(yè)。2DPSK解決了倒π現(xiàn)象100110t差分編碼初始電平000110絕對(duì)碼相對(duì)碼1(1)000011110001差分解碼倒π相對(duì)碼(0)111100差分解碼100101第四十一頁(yè)，共94頁(yè)。(3)2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法絕對(duì)碼相對(duì)碼2PSK調(diào)制差分編碼器極性變換器×帶通濾波器輸出延遲Tb第四十二頁(yè)，共94頁(yè)。100110bnbn-1an100011000101(1)差分編碼器延遲Tb二進(jìn)制數(shù)的模2加（“⊕”）運(yùn)算規(guī)則：0⊕0=0；1⊕1=0;0⊕1=1;1⊕0=1第四十三頁(yè)，共94頁(yè)。2PSK與2DPSK的關(guān)系2PSK：2PSK調(diào)制絕對(duì)碼絕對(duì)碼的2PSK波形2DPSK：2PSK調(diào)制絕對(duì)碼相對(duì)碼的2PSK波形差分編碼相對(duì)碼第四十四頁(yè)，共94頁(yè)。(4)2DPSK的功率密度譜與2PSK一樣，由于2DPSK看作是“雙極性不歸零碼”與載波相乘的結(jié)果，所以令A(yù)=1第四十五頁(yè)，共94頁(yè)。(4)2DPSK的功率譜密度雙極性不歸零波功率譜2DPSK功率密度譜第四十六頁(yè)，共94頁(yè)。(5)2PSK和2DPSK的帶寬和頻帶利用率第四十七頁(yè)，共94頁(yè)。(6)2DPSK的解調(diào)相干解調(diào)先對(duì)2DPSK進(jìn)行2PSK解調(diào)，得到相對(duì)碼，再進(jìn)行差分譯碼，得到絕對(duì)碼差分相干解調(diào)只要求載波頻率是碼元速率的整數(shù)倍。采用延時(shí)和乘法器電路，使前后波形相同和不同時(shí)，輸出的結(jié)果不同，從而實(shí)現(xiàn)直接解調(diào)，無(wú)須進(jìn)行差分譯碼第四十八頁(yè)，共94頁(yè)。2DPSK的相干解調(diào)×tt0001101100101100110t帶通濾波器抽樣判決定時(shí)脈沖輸出差分譯碼低通濾波器第四十九頁(yè)，共94頁(yè)。差分譯碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1)000011bnbn-11000110an100110初始值延遲Tb第五十頁(yè)，共94頁(yè)。相位一樣，對(duì)應(yīng)差分譯碼的“0”，相乘后的波形在0伏上面。。。。2DPSK的差分相干解調(diào)×tt100101t100110延遲Tb低通濾波器抽樣判決定時(shí)脈沖帶通濾波器抽樣值大于0時(shí)判“0”實(shí)際上，就是與前一個(gè)碼元周期的波形相乘第五十一頁(yè)，共94頁(yè)。作業(yè)8.1：已知載波頻率為fc，基帶信號(hào)s(t)是碼元周期為T(mén)的單極性不歸零隨機(jī)信號(hào)，若fc=2/T，采用2ASK調(diào)制，求已調(diào)信號(hào)帶寬。8.8(畫(huà)圖題)，考試重點(diǎn)題型。8.8已知數(shù)字信號(hào){an}=1011010，分別以下列兩種情況畫(huà)出二相PSK、DPSK及相對(duì)碼{bn}的波形（假定起始參考碼元為1）：(1)碼元速率為1200波特，載波頻率為1200Hz；(2)碼元速率為1200波特，載波頻率為2400Hz；(3)碼元速率為1200波特，載波頻率為1800Hz。第五十二頁(yè)，共94頁(yè)。§8.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能2ASK的抗噪聲性能非相干解調(diào)的誤碼率相干解調(diào)的誤碼率2FSK的抗噪聲性能非相干解調(diào)的誤碼率相干解調(diào)的誤碼率2PSK相干解調(diào)的誤碼率（也只能相干解調(diào)）2DPSK差分相干解調(diào)的誤碼率第五十三頁(yè)，共94頁(yè)。小結(jié)：2ASK,2FSK,2(D)PSK比較1、誤碼率在相同解調(diào)方式下(例如都用相干解調(diào))，誤碼率由大（壞）到小（好）排列為2ASK誤碼率>2FSK誤碼率>2PSK誤碼率對(duì)于同一系統(tǒng)（例如2ASK），相干和非相干解調(diào)的誤碼率關(guān)系為非相干解調(diào)誤碼率>相干解調(diào)誤碼率第五十四頁(yè)，共94頁(yè)。小結(jié)：2ASK,2FSK,2(D)PSK比較2、判決門(mén)限2FSK采用比較判決，因此不需要判決門(mén)限2PSK與2DPSK由于采用雙極性碼產(chǎn)生，所以判決門(mén)限為02ASK由于在信道中有衰減，而如果衰減程度不可知，則判決門(mén)限也變得不固定第五十五頁(yè)，共94頁(yè)。小結(jié)：2ASK,2FSK,2(D)PSK比較3、頻帶寬度和頻帶利用率由前面的分析可知第五十六頁(yè)，共94頁(yè)。二進(jìn)制頻帶傳輸系統(tǒng)Pe-r曲線Pe是誤碼率r是信噪比第五十七頁(yè)，共94頁(yè)?！?.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)大大提高了傳信率和頻帶利用率在傳信率相同的情況下，與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相比，相當(dāng)與節(jié)省了帶寬缺點(diǎn)降低了噪聲容限，誤碼率高于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，需要更好信道或更高功率設(shè)備復(fù)雜度大大提高第五十八頁(yè)，共94頁(yè)。§8.3.1MASK（多進(jìn)制數(shù)字調(diào)幅）調(diào)制原理（1）波形,以4ASK為例單極性不歸零碼4ASK信號(hào)可見(jiàn)MASK信號(hào)可由單極性多進(jìn)制基帶信號(hào)乘以載波得到tt0111100010110100t載波4進(jìn)制基帶信號(hào)第五十九頁(yè)，共94頁(yè)。（2）MASK波形的分解可見(jiàn)MASK信號(hào)可看作多個(gè)2ASK信號(hào)的疊加，因此功率譜為4ASK信號(hào)tt0111100010110100ttt第六十頁(yè)，共94頁(yè)。（3）MASK的功率譜第六十一頁(yè)，共94頁(yè)。（4）MASK帶寬和頻帶利用率第六十二頁(yè)，共94頁(yè)。[例題]求傳碼率為1000波特的16進(jìn)制ASK系統(tǒng)的帶寬和頻帶利用率；若采用2進(jìn)制ASK，傳碼率不變，帶寬和頻帶利用率又是多少？（考試重點(diǎn)題型）可見(jiàn)2ASK只不過(guò)是MASK的一種特殊情況第六十三頁(yè)，共94頁(yè)。(5)MASK的調(diào)制和解調(diào)調(diào)制與2ASK原理完全相同，只不過(guò)輸入的s(t)是多電平信號(hào)罷了。解調(diào)與2ASK解調(diào)基本一樣，只是最后判決的時(shí)候需要多個(gè)判決門(mén)限由于判決門(mén)限多而且不確定（與信道衰減程度有關(guān)），所以MASK在實(shí)際中很少應(yīng)用第六十四頁(yè)，共94頁(yè)?！?.3.2MFSK（多進(jìn)制數(shù)字調(diào)頻）調(diào)制原理（1）波形，以4FSK為例t4FSK302130注意:在實(shí)際中4個(gè)載波頻率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碼元速率第六十五頁(yè)，共94頁(yè)。(2)MFSK的調(diào)制（以8進(jìn)制為例）111113-8譯碼器10012ASK開(kāi)關(guān)電路無(wú)信號(hào)無(wú)信號(hào)fM信號(hào)fM信號(hào)第六十六頁(yè)，共94頁(yè)。(3)MFSK的解調(diào)濾除帶外噪聲與2FSK原理一樣，只不過(guò)變成多路8-3編碼器fM無(wú)信號(hào)無(wú)信號(hào)fM信號(hào)001111111從整個(gè)調(diào)制解調(diào)過(guò)程可以看到，MFSK基本上繼承了2FSK的思想，把波形分解成M個(gè)ASK來(lái)分別處理第六十七頁(yè)，共94頁(yè)。(4)MFSK的功率譜和帶寬第六十八頁(yè)，共94頁(yè)。(5)MFSK的頻帶利用率所以MFSK在實(shí)際中并不常用第六十九頁(yè)，共94頁(yè)。作業(yè)課后習(xí)題8.3（考試計(jì)算題重點(diǎn)題型）8.3若傳碼率為200波特的八進(jìn)制ASK系統(tǒng)發(fā)生故障，改由二進(jìn)制ASK系統(tǒng)傳輸，欲保持傳信率不變，求2ASK系統(tǒng)的帶寬和傳碼率？第七十頁(yè)，共94頁(yè)?！?.3.3MPSK（多進(jìn)制數(shù)字調(diào)相）調(diào)制原理星座圖的概念和物理意義參考相位（在這里可以認(rèn)為是載波相位）發(fā)“1”時(shí)與載波同相發(fā)“0”時(shí)與載波反相原點(diǎn)可以看出，如果確定了原點(diǎn)和參考方向，這些矢量可以分別用1個(gè)星座點(diǎn)來(lái)表示，如圖10第七十一頁(yè)，共94頁(yè)。4PSK（π/2系統(tǒng)）的星座圖同理，對(duì)2PSK進(jìn)行推廣，當(dāng)采用4PSK時(shí)我們可以令發(fā)“00”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波同相（相位差=0）發(fā)“11”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波反相（相位差=π）發(fā)“10”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=π/2發(fā)“01”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=-π/2參考相位00111001第七十二頁(yè)，共94頁(yè)。4PSK（π/2系統(tǒng)）的波形2302014進(jìn)制數(shù)據(jù)2進(jìn)制數(shù)據(jù)101100100100參考載波tt2進(jìn)制數(shù)據(jù)與載波相位差00010π/211π01-π/2第七十三頁(yè)，共94頁(yè)。4PSK（π/2系統(tǒng)）的調(diào)制屬于模擬選通電路（例如CD4051等）第七十四頁(yè)，共94頁(yè)。4PSK（π/4系統(tǒng)）的星座圖如果令發(fā)“11”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=π/4發(fā)“10”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=-π/4發(fā)“01”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=3π/4發(fā)“00”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=-3π/4參考相位11100100第七十五頁(yè)，共94頁(yè)。4PSK（π/4系統(tǒng)）的波形2302014進(jìn)制數(shù)據(jù)2進(jìn)制數(shù)據(jù)101100100100參考載波t2進(jìn)制數(shù)據(jù)與載波相位差00-3π/410-π/411π/4013π/4t第七十六頁(yè)，共94頁(yè)。各種MPSK星座圖舉例第七十七頁(yè)，共94頁(yè)。4PSK(π/4系統(tǒng))的調(diào)制把星座圖的數(shù)據(jù)改稱(chēng)雙極性就容易理解了例如發(fā)“11”（記為ab）時(shí)，發(fā)送波形應(yīng)為參考相位1，11，-1-1，1-1，-1當(dāng)發(fā)其它數(shù)據(jù)時(shí)同樣有這個(gè)規(guī)律11第七十八頁(yè)，共94頁(yè)。也可以用矢量分解來(lái)理解上述過(guò)程參考相位1，11，-1-1，1-1，-1參考相位（即載波）的同相分量，為+1，即a位{a,b}參考相位（即載波）的正交分量，為+1，即b位{a,b}{a,b}{a,b}可見(jiàn)任意一個(gè)星座點(diǎn)都可以用同相分量+正交分量得到，而這兩個(gè)分量的系數(shù)由{a,b}來(lái)確定第七十九頁(yè)，共94頁(yè)。4PSK(又稱(chēng)QPSK)的調(diào)制框圖第八十頁(yè)，共94頁(yè)。上圖中輸入一串?dāng)?shù)據(jù)時(shí)的波形第八十一頁(yè)，共94頁(yè)。4PSK的解調(diào)（只能采用相干解調(diào)）第八十二頁(yè)，共94頁(yè)。4DPSK的原理與2DPSK類(lèi)似，根據(jù)要發(fā)的數(shù)據(jù)，在前一個(gè)碼元的波形基礎(chǔ)上進(jìn)行相位移動(dòng)而不是與載波比較這時(shí)候相位關(guān)系表格中的相位意義是本碼元周期的起始時(shí)刻的相位與上一個(gè)碼元周期的終止時(shí)刻的相位之差第八十三頁(yè)，共94頁(yè)。4DPSK（π/2系統(tǒng)）的波形2302014進(jìn)制數(shù)據(jù)2進(jìn)制數(shù)據(jù)101100100100t2進(jìn)制數(shù)據(jù)與前1碼元相位差00010π/211π01-π/2初始相位畫(huà)4DPSK波形的方法：“本碼元周期的起始時(shí)刻的相位”=“上一個(gè)碼元周期的終止時(shí)刻的相位”+