通信系統(tǒng)綜合設計

多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)二進制數(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。由于二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)頻帶利用率較低，使其在實際應用中受到一些限制。在信道頻帶受限時為了提高頻帶利用率，通常采用多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。其代價是增加信號功率和實現(xiàn)上的復雜性。由信息傳輸速率Rb、碼元傳輸速率RB和進制數(shù)M之間的關系RB=可知，在信息傳輸速率不變的情況下，通過增加進制數(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。在碼元傳輸速率不變的情況下，通過增加進制數(shù)M，可以增大信息傳輸速率，從而在相同的帶寬中傳輸更多的信息量。在多進制數(shù)字調(diào)制中，每個符號時間間隔0≤t≤Ts，可能發(fā)送的符號有M種，分別為s1(t)：s2(t)，…，sM(t)。在實際應用中，通常取M=2N，N為大于1的正整數(shù)。與二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相類似，若用多進制數(shù)字基帶信號去調(diào)制載波的振幅、頻率或相位，則可相應地產(chǎn)生多進制數(shù)字振幅調(diào)制、多進制數(shù)字頻率調(diào)制和多進制數(shù)字相位調(diào)制。下面分別介紹三種多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理。多進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)多進制數(shù)字振幅調(diào)制又稱多電平調(diào)制，它是二進制數(shù)字振幅鍵控方式的推廣。M進制數(shù)字振幅調(diào)制信號的載波幅度有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。M進制數(shù)字振幅調(diào)制信號可表示為M進制數(shù)字基帶信號與正弦載波相乘的形式，其時域表達式為an=0發(fā)送概率為P01,發(fā)送概率為P1M-1,發(fā)送概率為PM-1

……且

M進制數(shù)字振幅調(diào)制信號的功率譜與2ASK信號具有相似的形式式中，g(t)為基帶信號波形，Ts為符號時間間隔，an為幅度值。an共有M種取值，通?？蛇x擇為an∈｛0,1,…,M-1｝，若M種取值的出現(xiàn)概率分別為P0，P1，…，PM-1，則4進制數(shù)字振幅調(diào)制信號的時間波形它是M進制數(shù)字基帶信號對正弦載波進行雙邊帶調(diào)幅，已調(diào)信號帶寬是M進制數(shù)字基帶信號帶寬的兩倍。M進制數(shù)字振幅調(diào)制信號每個符號可以傳送log2M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/log2M倍，因此M進制數(shù)字振幅調(diào)制信號的帶寬是2ASK信號的1/log2M倍。除了雙邊帶調(diào)制外，多進制數(shù)字振幅調(diào)制還有多電平殘留邊帶調(diào)制、多電平相關編碼單邊帶調(diào)制及多電平正交調(diào)幅等方式。在多進制數(shù)字振幅調(diào)制中，基帶信號g(t)可以采用矩形波形，為了限制信號頻譜g(t)也可以采用其他波形，如升余弦滾降波形，部分響應波形等。多進制數(shù)字振幅調(diào)制信號的解調(diào)與2ASK信號解調(diào)相似，可以采用相干解調(diào)方式，也可以采用非相干解調(diào)方式。假設發(fā)送端產(chǎn)生的多進制數(shù)字振幅調(diào)制信號的幅度分別為±d，±3d，…，±(M-1)d，則發(fā)送波形可表示為sT(t)=±u1(t),發(fā)送±d電平時±u2(t),發(fā)送±3d電平時±uM/2(t),發(fā)送±(M-1)d電平時……式中：±u1(t)=±dcosωct,0≤t＜Ts0,其他±u2(t)=±3dcosωct,0≤t＜Ts0,其他±uM/2(t)=±(M-1)dcosωct,0≤t＜Ts0,其他式中,r=為信噪比。當M取不同值時，M進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)總的誤碼率Pe與信噪比r關系曲線如圖7-34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。M進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率Pe性能曲線多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)多進制數(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eMFSK(t)=si(t)cosωit式中:si(t)=

A,當在時間間隔0≤t＜Ts發(fā)送符號為i時0,當在時間間隔0≤t＜Ts發(fā)送符號不為i時ωi為載波角頻率，共有M種取值。通?？蛇x載波頻率fi=，n為正整數(shù)，此時M種發(fā)送信號相互正交。下圖是多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)的組成方框圖。發(fā)送端采用鍵控選頻的方式，在一個碼元期間Ts內(nèi)只有M個頻率中的一個被選通輸出。接收端采用非相干解調(diào)方式，輸入的MFSK信號通過M個中心頻率分別為f1,f2,…,fM的帶通濾波器，分離出發(fā)送的M個頻率。再通過包絡檢波器、抽樣判決器和邏輯電路，從而恢復出二進制信息。多進制數(shù)字頻率調(diào)制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。多進制數(shù)字頻率調(diào)制一般在調(diào)制速率不高的場合應用。多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)的組成方框圖圖7-36FLEX系統(tǒng)4FSK信號頻率關系MFSK信號采用非相干解調(diào)時的誤碼率為Pe=

式中,r為平均接收信號的信噪比。多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)誤碼率性能曲線如圖7-37所示。圖中，實線為采用相干解調(diào)方式，虛線為采用非相干解調(diào)方式?？梢钥闯?，在M一定的情況下，信噪比r越大，誤碼率Pe越??；在r一定的情況下，M越大，誤碼率Pe也越大。另外，相干解調(diào)和非相干解調(diào)的性能差距將隨M的增大而減??；同一M下，隨著信噪比r的增加非相干解調(diào)性能將趨于相干解調(diào)性能。多進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)誤碼率性能曲線多進跡制數(shù)剩字相乏位調(diào)橡制系窯統(tǒng)1.多進冤制數(shù)序字相鞠位調(diào)新制(M罷PS澇K)信號扔的表伴示形幻玉式多進培制數(shù)醒字相畜位調(diào)號制又烤稱多算相調(diào)拾制，渠它是坦利用鞋載波禾的多刪種不盤同相硬位來優(yōu)表征現(xiàn)數(shù)字廉信息汁的調(diào)蚊制方女式。嗽與二啄進制規(guī)數(shù)字之相位濁調(diào)制革相同房誠，招多進管制數(shù)包字相瓜位調(diào)闖制也予有絕攀對相棉位調(diào)疫制和媽差分遇相位傾調(diào)制命兩種抵。為了撈便于蠶說明也概念賴，我難們可悠以將MP職SK信號械用信謝號矢巧量圖精來描另述。緞圖7餓-撥38是二攀進制濾數(shù)字仗相位振調(diào)制彈信號端矢量暖圖，抵以0°載波繁相位執(zhí)作為怨參考鮮相位略。載盤波相彼位只白有0和π或狗兩種驢取值催，它炕們分企別代島表信1和0.二進企制數(shù)升字相牛位調(diào)穴制信奮號矢簡量圖四進輸制數(shù)級字相登位調(diào)響制信恩號矢傲量圖泉如圖7妙-絲式39所示糞，津載波樂相位巡壽有0、、π和(或、頃、和距）朋，落它們壁分別斤代表揀信息11、01、00和10。圖7蔬-4頃0是8P搶SK信號手矢量站圖，8種載裙波相丟位分暫別為、、、、、避和分別娘表示流信息11赤1、11噸0、01殺0、01旨1、00冰1、00索0、10忌0和10脊1。癢在M進制嗚數(shù)字天相位障調(diào)制澆中，兆是威以載覺波相擾位的M種不買同取埋值分歉別表革示數(shù)互字信瞇息，玻因雷此M進制橋數(shù)字史相位潔調(diào)制鴨信號學可以鐘表示孩為eMP帝SK(t)=g(駛t-徒nT車s)co蠟s(騎ωc漿t+值φn)聞(種7.矮4恒-們10煤)式中,蝴g(銀t)男——信號滴包絡冠波形球，判通常粒為矩衫形波拜，音幅度奧為1；Ts橋——碼元以時間防寬度踩；ωc取——載波爺角頻故率；四進顆制數(shù)府字相錯位調(diào)狀制信尸號矢葛量圖φn——第n個碼伙元對探應的乖相位組，共速有M種取片值。鞭對扔于二生相調(diào)棒制，φn可取0和π；對于該四相寸調(diào)制兼，φn可取0、、籃和宴；柴對于色八相借調(diào)制啞，φn可取尋、紛、染、惑、、餃、嘉。M進制乞數(shù)字衫相位扇調(diào)制荒信號榴也可阻以表鹽示為柔正交朵形式:eMP夾SK(t)=g(積t-陽nTs)c聞os犬φn］co藝sωct-g(紋t-疑nTs)s套in焰φn］si魂nωct=an秀g(吳t-艇nTs)］co縮慧sωct-bng(賊t-汗nTs)］si益nωct=I(醉t)辭co藏sωct-油Q(球t)享si種nω式中:I(辜t)少=ang(盆t-撿nTs)Q(盤t)董=bng(掙t-菠nTs)此時燃，疤對于忙四相養(yǎng)調(diào)制:an取0，±1bn取0,唯±起1an取±1bn取±1或M進制梅數(shù)字詢相位粱調(diào)制咐信號域的功調(diào)率譜滑如圖迫所示庭，阿圖中蛇給出薦了信斜息速托率相池同時排，2P旗SK、4P嶄SK和8P級SK信號運的單壁邊功漁率譜央?？蓾嵰钥幢愠?，M越大錘，功資率譜撓主瓣畝越窄汗，從而載頻帶貓利用禾率越隔高。8P鏈SK信號鹿矢量辰圖2.集4暈PS舅K信號予的產(chǎn)賓生與礦解調(diào)在M進制騙數(shù)字營相位朗調(diào)制撞中，抄四進虎制絕稼對移潛相鍵欺控(4露PS慮K)和四薪進制革差分棋相位堵鍵控(4趙DP家SK望)兩種營調(diào)制扔方式科應用布最為禽廣泛遵。下啦面分愿別討原論這尊兩種樓調(diào)制芝信號妄的產(chǎn)煮生原癥理。四進音制絕偏對移恐相鍵階控利悅用載責波的品四種摩不同價相位宏來表理示數(shù)盒字信具息。叨由避于每段一種灰載波西相位葬代表獵兩個育比特欄信息豈，因誦此每盜個四麥進制然碼元氣可以匪用兩膠個二芳進制襯碼元嶄的組樹合來淚表示慈。兩后個二私進制園碼元查中的滲前一問比特而用a表示員，后伸一比蒸特用b表示愚，則姑雙比退特ab與載笑波相尾位的山關系越如表所示菌。進值鋪數(shù)字顛相位魚調(diào)制固信號南功率次譜雙比慰特ab與載戲波相晴位的羅關系雙比特碼元載波下相位(φn)abA方式B方式011000110°90°80°70°225°315°45°135°在一自個碼技元時腹間間介隔Ts，4P釀SK信號渴為載戀波四憲個相聽位中允的某襖一個休。因準此，發(fā)可以感用相肅位選辛擇法熊產(chǎn)生4P追SK信號嫂，其販原理賠圖如腔圖芽所示此。圖窗中，有四相肢載波皺產(chǎn)生朱器輸收出4P屯SK信號潛所需申的四蹦種不匆同相處位的漆載波捎。輸邪入二紗進制嫁數(shù)據(jù)恩流經(jīng)芽串/并變廁換器亞輸出蛙雙比忍特碼這元，顯邏輯貍選相猛電路壤根據(jù)騙輸入欠的雙沙比特五碼元弟，每帝個時殼間間茂隔Ts選擇換其中橫一種盤相位莫的載鏟波作嚷為輸出，返然后這經(jīng)帶轉通濾束波器點濾除晝高頻門分量洲。4P鑒SK信號迎也可偷以采景用正糾交調(diào)近制的止方式支產(chǎn)生熔，正興交調(diào)你制器撓原理朵圖如李圖所示限，它鴨可以險看成心由兩海個載反波正思交的2P厭SK調(diào)制畜器構棋成。相位閣選擇降法產(chǎn)禁生4P香SK信號你原理呀圖4P比SK正交伶調(diào)制陡器圖中昂，鮮串/并變掘換器蟲將輸茫入的恢二進拔制序尿列分殺為速幟率減路半的抗兩個鄰并行迎的雙兆極性刑序列a和b，然后釋分別烏對co歉sω縮慧ct和si跟nω幣ct進行荷調(diào)制嶺，相集加后說即可帝得到4P暖SK信號館。由圖7－43可見拳，4P嗽SK信號嚷可以麥看作婦兩個嘆載波電正交2P復SK信號顫的合餐成。送因此剃，對4P筒SK信號吼的解切調(diào)可軟以采管用與2P才SK信號條類似戰(zhàn)的解踩調(diào)方邊法進業(yè)行解狗調(diào)，竟解調(diào)譯原理且圖如耍圖7－44所示阻。同濱相支耕路和班正交昌支路興分別泛采用趴相干謝解調(diào)牧方式砌解調(diào)焰，得朽到I(爛t)和Q(夕t)，經(jīng)抽讓樣判矛決和度并/串變新?lián)Q器粒，將盞上、哥下支鐮路得痛到的腎并行哲數(shù)據(jù)壁恢復咱成串懶行數(shù)音據(jù)。4P瓜SK信號憲相干洽解調(diào)訂原理嚷圖在2P烏SK信號績相干惠解調(diào)頸過程飲中會敬產(chǎn)生18傳0°相位晶模糊外。同規(guī)樣，孩對4P壟SK信號慣相干翻解調(diào)輔也會望產(chǎn)生繳相位停模糊新問題泥，并拉且是0°、90地°、18范0°和27綢0°四個載相位池模糊母。因琴此，碗在實英際中皮更實腿用的萍是四姐相相計對移統(tǒng)相調(diào)筆制，剝即4D鳴PS沃K方式抹。3.環(huán)4典DP渾SK信號不的產(chǎn)套生與源解調(diào)4D華PS強K信號充是利籌用前玩后碼烏元之術間的躬相對懼相位彼變化勇來表侵示數(shù)捕字信店息。淺若以娘前一唯雙比映特碼件元相評位作峽為參饅考，Δφ邀n為當憑前雙溉比特供碼元熟與前滋一雙洋比特營碼元數(shù)初相僚差，物則信迷息編冶碼與拒載波小相位墻變化申關系距如表7－5所示栽。4D勵PS所K信號廳產(chǎn)生水原理宰圖如功圖7－45所示柴。跡圖中煎，串/并變潮換器雪將輸拼入的睛二進仙制序攏列分境為速就率減辮半的寇兩個遷并行評序列a和b，再通害過差鉛分編僻碼器鴿將其我編為賀四進骨制差棋分碼捉，淋然后槳用絕對調(diào)早相的削調(diào)制個方式辜實現(xiàn)4D召PS適K信號丑。表7漠–諸54DP龍SK信號鐵載波掃相位秘編碼料邏輯揉關系雙比特碼元載波下相位(φn)ab

0０1１0１1００°９０°１８０°２７０°4D米PS扯K信號雷產(chǎn)生裝原理擇圖4D嗓PS蘭K信號原的解拔調(diào)可毯以采燙用相絕干解用調(diào)加戴碼反執(zhí)變換束器方引式(極性嫌比較屯法)，也徹可以尚采用琴差分腳相干巾解調(diào)耀方式(相位將比較徒法)。4D襪PS申K信號姜相干鉗解調(diào)拼加碼擺反變門換器惜方式夠原理搖圖如災下圖苦所示怖。與4P昌SK信號嫂相干蹈解調(diào)耗不同踐之處矛在于龜，并/串變盡換之棍前需縫要增層加碼京反變司換器際。4D義PS皇K信號獻差分諷相干解調(diào)假方式價原理少圖如割圖盾所