通信原理ch7-3 抗噪聲性能多進(jìn)制調(diào)制

通信原理數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)（3）思考1、通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)？有效性可靠性2、數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性用什么來(lái)衡量？可靠性？有效性：傳輸速率和頻帶利用率可靠性：差錯(cuò)率在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸過(guò)程會(huì)受到各種干擾，從而影響對(duì)信號(hào)的恢復(fù)。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，衡量系統(tǒng)抗噪聲性能的重要指標(biāo)是誤碼率。假設(shè)條件：信道是恒定參數(shù)信道；信道對(duì)于傳輸信號(hào)具有理想的矩形傳輸特性；噪聲等效為加性均值為0，方差為s2的高斯白噪聲。二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能2ASK和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度1、頻帶寬度在2FSK系統(tǒng)中，判決器是根據(jù)上下兩個(gè)支路解調(diào)輸出樣值的大小來(lái)作出判決，不需要人為地設(shè)置判決門(mén)限，因而對(duì)信道的變化不敏感。在2PSK系統(tǒng)中，判決器的最佳判決門(mén)限為零，與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)。因此，接收機(jī)總能保持工作在最佳判決門(mén)限狀態(tài)。對(duì)于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門(mén)限與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度有關(guān)，對(duì)信道特性變化敏感，性能最差。2、對(duì)信道特性變化的敏感性方式誤比特率近似帶寬相干解調(diào)非相干解調(diào)ASKFSKPSKDPSK二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能

在恒參信道傳輸中:1.如果抗噪聲性能是主要的，則應(yīng)選擇相干2PSK和極性比較2DPSK，而2ASK最不可??；2.如果要求較高的頻帶利用率，則應(yīng)選擇相干2PSK、DPSK和2ASK，而2FSK最不可取;在隨參信道傳輸中:2FSK具有更好的適應(yīng)能力。信噪比性能：2PSK>2FSK>2ASK帶寬利用率：2PSK、2ASK>2FSK對(duì)信道的適應(yīng)能力：2FSK>2PSK>2ASK二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

調(diào)制與解調(diào)基本原理；

波形特點(diǎn)。

概述為了提高頻帶利用率，最有效的辦法是使一個(gè)碼元傳輸多個(gè)比特的信息；設(shè)多進(jìn)制碼元的進(jìn)制數(shù)為M，碼元能量為E，一個(gè)碼元中包含信息k比特，則有k=log2M。多進(jìn)制鍵控多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理1、多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)多進(jìn)制振幅鍵控又稱(chēng)多電平調(diào)制；優(yōu)點(diǎn)：MASK信號(hào)的帶寬和2ASK信號(hào)的帶寬相同，故單位頻帶的信息傳輸速率高，即頻帶利用率高。舉例1：基帶信號(hào)是多進(jìn)制單極性不歸零脈沖(b)MASK信號(hào)(a)基帶多電平單極性不歸零信號(hào)0010110101011110000t0t0101101010111100舉例舉例2：基帶信號(hào)是多進(jìn)制雙極性不歸零脈沖

二進(jìn)制抑制載波雙邊帶信號(hào)就是2PSK信號(hào)！

0101101010111100000t(c)基帶多電平雙極性不歸零信號(hào)00000t01011010101111(d)抑制載波MASK信號(hào)舉例4FSK信號(hào)波形舉例

(a)4FSK信號(hào)波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b)4FSK信號(hào)的取值2、多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)MFSK信號(hào)的帶寬： B=fM-f1+2

f

式中

f1－最低載頻

fM－最高載頻

f－單個(gè)碼元的帶寬MFSK非相干解調(diào)器的原理方框圖V1(t)抽樣判決帶通濾波f1包絡(luò)檢波帶通濾波fM包絡(luò)檢波輸入輸出VM(t)定時(shí)脈沖帶通濾波f2包絡(luò)檢波

..

..

..

..基本原理 一個(gè)MPSK信號(hào)碼元可以表示為 式中，A－信號(hào)振幅，常數(shù)；

k

－受調(diào)制的相位，其值決定于基帶碼元的取值； 它可以寫(xiě)為 通常M取2的某次冪：

M=2k，k=正整數(shù)

3、多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)例：當(dāng)k=3時(shí)，

k取值如下圖。圖中示出當(dāng)發(fā)送信號(hào)的相位為

1=0時(shí)，能夠正確接收的相位范圍在

/8內(nèi)。對(duì)于MPSK信號(hào)，不能簡(jiǎn)單地采用一個(gè)相干載波進(jìn)行相干解調(diào)。例如，若用cos2

f0t作為相干載波時(shí)，因?yàn)閏os

k=cos(2

-

k)，使解調(diào)存在模糊。這時(shí)需要用兩個(gè)正交的相干載波解調(diào)。8PSK信號(hào)相位 可以將MPSK信號(hào)碼元表示式展開(kāi)寫(xiě)成 式中， 上式表明，MPSK信號(hào)碼元sk(t)可以看作是由正弦和余弦兩個(gè)正交分量合成的信號(hào)，并且ak2+bk2

=1。因此，其帶寬和MASK信號(hào)的帶寬相同。 本節(jié)下面主要以M=4為例，對(duì)4PSK作進(jìn)一步的分析。正交相移鍵控(QPSK)4PSK常稱(chēng)為正交相移鍵控(QPSK)格雷(Gray)碼4PSK信號(hào)每個(gè)碼元含有2比特的信息，現(xiàn)用ab代表這兩個(gè)比特。兩個(gè)比特有4種組合，即00、01、10和11。它們和相位

k之間的關(guān)系通常都按格雷碼的規(guī)律安排，如下表所示。ab

k0090

010

11270

10180

01001011參考相位圖7-35QPSK信號(hào)的矢量圖QPSK信號(hào)的編碼序號(hào)格雷碼二進(jìn)制碼1234000000010011001000000001001000105678011001110101010001000101011001119101112131415161100110111111110101010111001100010001001101010111100110111101111格雷碼（又稱(chēng)反射碼）格雷(Gray)碼規(guī)律（如右圖）格雷碼的特點(diǎn)：相鄰k之間僅差1比特，意味著相鄰相位所代表的兩個(gè)比特只有一位不同。格雷碼優(yōu)點(diǎn)：誤比特律小。由于因相位誤差造成錯(cuò)判至相鄰相位上的概率最大，故這樣編碼使之僅造成一個(gè)比特誤碼的概率最大。碼元相位關(guān)系

k稱(chēng)為初始相位，常簡(jiǎn)稱(chēng)為相位，而把(

0t+

k)稱(chēng)為信號(hào)的瞬時(shí)相位。當(dāng)碼元中包含整數(shù)個(gè)載波周期時(shí)，初始相位相同的相鄰碼元的波形和瞬時(shí)相位才是連續(xù)的，如下圖：(a)波形和相位連續(xù)TT若每個(gè)碼元中的載波周期數(shù)不是整數(shù)，則即使初始相位相同，波形和瞬時(shí)相位也可能不連續(xù)，如下圖：

或者波形連續(xù)而相位不連續(xù)，如下圖：(b)波形和相位不連續(xù)TT(c)波形連續(xù)相位不連續(xù)TT在碼元邊界，當(dāng)相位不連續(xù)時(shí)，通過(guò)帶限系統(tǒng)時(shí)，信號(hào)的頻譜將展寬，包絡(luò)也將出現(xiàn)較大起伏。分析表明，相位差越大，包絡(luò)起伏越大。在后面討論各種調(diào)制體制時(shí)，還將遇到這個(gè)問(wèn)題。并且有時(shí)將碼元中包含整數(shù)個(gè)載波周期的假設(shè)隱含不提，認(rèn)為PSK信號(hào)的初始相位相同，則碼元邊界的瞬時(shí)相位一定連續(xù)。方法1：相乘電路法-sin

0t相干載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路

/2相移串/并變換相加電路cos

0tA(t)s(t)圖7-37第一種QPSK信號(hào)產(chǎn)生方法abQPSK調(diào)制方法:QPSK作為兩路正交的BPSK碼元串并變換：012345(a)輸入基帶碼元t024(b)并行支路a碼元t135(c)并行支路b碼元t碼元串/并變換圖矢量圖： 二進(jìn)制信號(hào)碼元“0”和“1在相乘電路中與不歸零雙極性矩形脈沖振幅的關(guān)系如下： 二進(jìn)制碼元“1”

雙極性脈沖“+1”； 二進(jìn)制碼元“0”

雙極性脈沖“-1”。01110010a(1)a(0)b(1)b(0)圖7-39QPSK矢量的產(chǎn)生方法2：選擇法串/并變換相位選擇帶通濾波4相載波產(chǎn)生器

1

4

3

2ab圖選擇法產(chǎn)生QPSK信號(hào)原理方框圖用兩路正交的相干載波去解調(diào)，可以很容易地分離這兩路正交的2PSK信號(hào)。相干解調(diào)后的兩路并行碼元a和b，經(jīng)過(guò)并/串變換后，成為串行數(shù)據(jù)輸出。載波提取相乘低通抽判

/2相乘低通抽判并/串A(t)s(t)abcos

0t-sin

0t定時(shí)提取圖QPSK信號(hào)解調(diào)原理方框圖QPSK解調(diào)QPSK體制的缺點(diǎn)：它的相鄰碼元最大相位差最大可達(dá)到180°，在頻帶受限的系統(tǒng)中將引起信號(hào)包絡(luò)的很大起伏。01110010a(1)a(0)b(1)b(0)圖QPSK矢量的產(chǎn)生分析偏置QPSK的改進(jìn)：為了減小QPSK相位突變，將兩個(gè)正交分量的兩個(gè)比特a和b在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)半個(gè)碼元，使之不可能同時(shí)改變。這樣安排后相鄰碼元相位差的最大值僅為90°，從而減小了信號(hào)振幅的起伏。OQPSK和QPSK的唯一區(qū)別在于：對(duì)于QPSK，上表中的兩個(gè)比特a和b的持續(xù)時(shí)間原則上可以不同；而對(duì)于OQPSK，a和b的持續(xù)時(shí)間必須相同。偏置QPSK(OQPSK)OQPSK與QPSK信號(hào)波形的比較a1a3a5a7a2a6a4a8a2a4a1a3a5a7a6a84、多進(jìn)制差分相移鍵控(MDPSK)基本原理MDPSK信號(hào)和MPSK信號(hào)類(lèi)似，只需把MPSK信號(hào)用的參考相位當(dāng)作是前一碼元的相位，把相移

k當(dāng)作是相對(duì)于前一碼元相位的相移。這里仍以4進(jìn)制DPSK信號(hào)為例作進(jìn)一步的討論。4進(jìn)制DPSK通常記為QDPSK。QDPSK信號(hào)編碼方式：ab

kA方式B方式0090

135

010

45

11270

315

10180

225

產(chǎn)生方法第一種方法：圖中a和b為經(jīng)過(guò)串/并變換后的一對(duì)碼元，它需要再經(jīng)過(guò)碼變換器變換成相對(duì)碼c和d后才與載波相乘。

c和d對(duì)載波的相乘實(shí)際是完成絕對(duì)相移鍵控。

abcd碼變換相加電路s(t)圖第一種QDPSK信號(hào)產(chǎn)生方法A(t)串/并變換-

/4載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路

/4碼變換器：輸入ab和輸出cd間的16種可能關(guān)系(A方式)：當(dāng)前輸入的一對(duì)碼元及要求的相對(duì)相移前一時(shí)刻經(jīng)過(guò)碼變換后的一對(duì)碼元及所產(chǎn)生的相位當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)當(dāng)給出的變換后一對(duì)碼元和相位ak

bk

kck-1

dk-1

k-1ck

dk

k0090

0001111090

027018010000111180

900270010

0001111090

02701800001111090

027018011270

0001111090

0270180011110000

2701809010180

0001111090

027018011100001270

180900碼變換器的電路二進(jìn)制碼元“0”和“1”與相乘電路輸入電壓關(guān)系： 二進(jìn)制碼元“0”

“＋1” 二進(jìn)制碼元“1”

“－1”第二種方法： 第二種產(chǎn)生方法和QPSK信號(hào)的第二種產(chǎn)生方法（選擇法）原理相同，只是在串/并變換后需要增加一個(gè)“碼變換器”。只讀存儲(chǔ)器TT

akbkckdkdk-1ck-1圖7-44碼變換器解調(diào)方法：有極性比較法和相位比較法兩種。

方法1：極性比較法原理方框圖（A方式） 原理和QPSK信號(hào)的一樣，只是多一步逆碼變換。

圖A方式QDPSK信號(hào)解調(diào)方法bacdA(t)-

/4相乘電路相乘電路

/4s(t)低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決并/串變換逆碼變換定時(shí)提取載波提取相干解調(diào)過(guò)程設(shè)第k個(gè)接收信號(hào)碼元可以表示為相干載波：上支路： 下支路：信號(hào)和載波相乘的結(jié)果： 上支路： 下支路： 低通濾波后：上支路： 下支路：低通濾波后：上支路：下支路：判決規(guī)則 按照

k的取值不同，此電壓可能為正，也可能為負(fù)，故是雙極性電壓。在編碼時(shí)曾經(jīng)規(guī)定： 二進(jìn)制碼元“0”

“＋1” 二進(jìn)制碼元“1”

“－1” 現(xiàn)在進(jìn)行判決時(shí)，也把正電壓判為二進(jìn)制碼元“0”，負(fù)電壓判為“1”，即 “＋”

二進(jìn)制碼元“0” “－”

二進(jìn)制碼元“1”

因此得出判決規(guī)則如下表：信號(hào)碼元相位

k上支路輸出下支路輸出判決器輸出cd0

90180270＋－－＋＋＋－－01100011“＋”

二進(jìn)制碼元“0”“－”

二進(jìn)制碼元“1”逆碼變換器 設(shè)逆碼變換器的當(dāng)前輸入碼元為ck和dk，當(dāng)前輸出碼元為ak和bk，前一輸入碼元為ck-1和dk-1。為了正確地進(jìn)行逆碼變換，這些碼元之間的關(guān)系應(yīng)該符合碼變換時(shí)的規(guī)則。 為此，現(xiàn)在把碼變換表中的各行按ck-1和dk-1的組合為序重新排列，構(gòu)成下表。前一時(shí)刻輸入的一對(duì)碼元當(dāng)前時(shí)刻輸入的一對(duì)碼元當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)當(dāng)給出的逆變換后的一對(duì)碼元ck-1dk-1ck

dkakbk000011011000110110010011011010010011110011011011001001100011011001101100 表中的碼元關(guān)系可以分為兩類(lèi)： (1)當(dāng) 時(shí)，有 (2)當(dāng) 時(shí)，有 上兩式表明，按照前一時(shí)刻碼元ck-1和dk-1之間的關(guān)系不同，逆碼變換的規(guī)則也不同，并且可以從中畫(huà)出逆碼變換器的原理方框圖，參見(jiàn)書(shū)P223頁(yè)。方法2：相位比較法原理方框圖

由此原理圖可見(jiàn)，它和2DPSK信號(hào)相位比較