現(xiàn)代通信原理(10-2)

2023/2/41現(xiàn)代通信原理第十章數(shù)字信號(hào)的載波傳輸(2)2023/2/4210.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的誤比特率

對(duì)于二進(jìn)制的數(shù)字調(diào)制2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK；采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)的解調(diào)方式。都有不同的誤碼率計(jì)算公式。2023/2/43§10.3.1二進(jìn)制最佳接收的誤比特率

假設(shè)二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)由S1(t)和S2(t)兩種波形組成。再生判決前，S1(t)的均值為m1，S2(t)的均值為m2

判決前的噪聲功率：2023/2/44用最大似然準(zhǔn)則判斷，似然函數(shù)最佳判決電平2023/2/45總誤碼比特：令ES1、ES2分別為S1(t)、S2(t)在一個(gè)碼元周期內(nèi)（0<t<TS）的能量。2023/2/46為相關(guān)系數(shù)，表示兩個(gè)波形的相似程度。最小誤比特率Pb若ES1=ES2=Eb2023/2/471、對(duì)于2ASK表示兩個(gè)波形的相似程度為0若ES1=ES2=Eb2023/2/482、對(duì)于2PSK2023/2/492023/2/4103、對(duì)于2FSK經(jīng)過推導(dǎo)：

Eb/n0是單比特的平均信號(hào)能量與單邊噪聲譜密度之比，與S/N有一定的換算關(guān)系。綜上所述，在相同信噪比的條件下，2PSK比2ASK和2FSK的誤碼率小。2023/2/41110.3.3信噪比、Eb/n0和帶寬1、信噪比和Eb/n0之間的關(guān)系S/N是信號(hào)平均功率與噪聲平均功率之比。Rb/B是單位帶寬的比特率。2023/2/4122、帶寬的幾種定義（1）半功率（3dB)帶寬（B1）在信號(hào)功率下降到最大值一半的的兩個(gè)頻點(diǎn)之差。（2）等效噪聲帶寬（B2）以功率譜峰值為高度，等效噪聲帶寬為寬度的矩形面積應(yīng)等于總的信號(hào)功率（3）譜零點(diǎn)帶寬（B3）以功率譜的主瓣為寬度。2023/2/413（4）功率比例帶寬（B4）以帶外信號(hào)功率占總功率的某一百分比來定義。（5）最低功率譜密度帶寬（B5）

以最小功率譜密度低于峰值多少分貝來定義。幾種不同定義帶寬的示意圖見下頁。2023/2/4142023/2/41510.4.多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制

對(duì)于二進(jìn)制調(diào)制，能發(fā)送的符號(hào)有兩種，一個(gè)波形周期（0，TS）內(nèi)只能發(fā)送一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)。頻帶利用率只能達(dá)到2b/S/HZ。對(duì)于高速傳輸，為了提高頻帶利用率，多采用多進(jìn)制調(diào)制方法，在一個(gè)波形周期（0，TS）內(nèi)發(fā)送多個(gè)二進(jìn)制符號(hào)。頻帶利用率能成倍增加。如4PSK（QPSK），載波有（0，/2，，3/2）四種不同的初相，可以在一個(gè)波形周期（0，TS）內(nèi)發(fā)送2個(gè)二進(jìn)制符號(hào)（00，01，10，11）。頻帶利用率能達(dá)到4b/S/HZ。2023/2/4168PSK，載波有（0，/4，

/2，3/4，，5/4，3/2，7/4）八種不同的初相，可以在一個(gè)波形周期（0，TS）內(nèi)發(fā)送3個(gè)二進(jìn)制符號(hào)（000，001，010，011，100，101，110，111）。頻帶利用率能達(dá)到6b/S/HZ。還有16PSK、32PSK，由于用載波的一個(gè)周期可以一次傳輸多位的二進(jìn)制代碼，提高了頻帶利用率，可用于高速系統(tǒng)。2023/2/41710.4.1多進(jìn)制幅度鍵控(MASK)

載波幅度有M種取值，（0，TS）間可以發(fā)送一種幅度的載波信號(hào)，含有n位二進(jìn)制信息，

M=2n2023/2/41810.4.多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)1、MPSK的表述：對(duì)于矩形包絡(luò)的MPSK，已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式：ES-單位符號(hào)的信號(hào)能量TS-周期（n)為載波初相，對(duì)于不同進(jìn)制調(diào)制，有不同的取制，見下圖2023/2/419PSK信號(hào)的矢量圖2023/2/420已調(diào)信號(hào)經(jīng)過和角展開2023/2/421MPSK信號(hào)可看作兩個(gè)正交載波進(jìn)行MASK調(diào)制后信號(hào)的疊加。令MPSK信號(hào)可以用矢量圖來描述，以00載波作為參考矢量，多進(jìn)制數(shù)用一組圓周上等距的點(diǎn)來表示。如圖10-33所示。稱為星座圖。2023/2/4222023/2/4232.MPSK的調(diào)制方式：主要有以下三種:1、正交調(diào)制法

2、相位選擇法

3、脈沖插入法

1、正交調(diào)制法

QPSK（4PSK），是最常用的MPSK，分為/2系統(tǒng)和/4系統(tǒng)兩種。各自的調(diào)制方框圖如下。其中串/并變換電路將QPSK調(diào)制的兩位編碼按比特分開，走上下兩路，各自去調(diào)制相互正交的正弦波，再進(jìn)行矢量合成。2023/2/424/2系統(tǒng)：四個(gè)初相為（0，/2，，3/2）2023/2/425/4系統(tǒng)：四個(gè)初相為（/4，3/4，5/4，7/4）2023/2/4268PSK的調(diào)制2023/2/4273比特碼被分成三路。b1,b21組合決定了合成矢量的象限，

b1b2=11，合成矢量在第一象限；

b1b2=01，合成矢量在第二象限。

b1b2=00，合成矢量在第三象限。

b1b2=10，合成矢量在第四象限。B3控制了電平產(chǎn)生器的輸出幅度，當(dāng)

b3=1，I路電平幅度為0.924Q路電平幅度為0.382b3=0，I路電平幅度為0.382Q路電平幅度為0.9242023/2/428合成結(jié)果:2023/2/4292、相位選擇法2023/2/4303、脈沖插入法主振頻率振蕩在4倍頻上，2023/2/431推動(dòng)脈沖：使第二次分頻后倒相，相當(dāng)于相移/2推動(dòng)脈沖：使第一次分頻后倒相，相當(dāng)于相移/2。當(dāng)b1b2=11，邏輯控制電路既不產(chǎn)生推動(dòng)脈沖又不產(chǎn)生/2推動(dòng)脈沖，使載波初相為0。當(dāng)b1b2=10，邏輯控制電路不產(chǎn)生推動(dòng)脈沖只產(chǎn)生/2

推動(dòng)脈沖，使載波初相為/2。當(dāng)b1b2=00，邏輯控制電路將不產(chǎn)生/2推動(dòng)脈沖只產(chǎn)生推動(dòng)脈沖，使載波初相為。當(dāng)b1b2=01，邏輯控制電路將既產(chǎn)生推動(dòng)脈沖又產(chǎn)生/2推動(dòng)脈沖，使載波初相為3/2。2023/2/4323.MPSK的解調(diào)（1）、QPSK的解調(diào)2023/2/433

采用了相關(guān)濾波器，上支路與同相信號(hào)匹配，下支路與正交信號(hào)匹配。位定時(shí)恢復(fù)信號(hào)確定了匹配濾波的積分界限。并/串轉(zhuǎn)換電路將發(fā)送時(shí)分開的比特進(jìn)行間插。2023/2/4342023/2/4358PSK的解調(diào)2023/2/4361、根據(jù)信號(hào)所在的相限來判決b1b2的值。

2、根據(jù)信號(hào)在=-/4的一組正交軸上的投影來判決b3的值。2023/2/43710.4.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)頻(MFSK)SMFSK(t)=Acosωiti=0,1,…M-1發(fā)送端2023/2/438接收端2023/2/43910.4.4幅相結(jié)合的多進(jìn)制調(diào)制（MQAM）1、正交幅度調(diào)制（1）、單獨(dú)的幅度鍵控ASK，在矢量圖上只利用了坐標(biāo)軸上的點(diǎn)。（2）、單獨(dú)的相移鍵控PSK，在矢量圖上只利用了圓周上的點(diǎn)。當(dāng)M增多，點(diǎn)會(huì)越來越密，誤碼也會(huì)隨之增加，所以要充分利用平面，將矢量點(diǎn)合理分布，引出幅度和相位結(jié)合的多進(jìn)制調(diào)制方式MQAM。2023/2/4401、MQAM和MPSK的性能比較如圖所示16PSK和16QAM。設(shè)d為星座圖上兩點(diǎn)間的距離，設(shè)在r=1的圓內(nèi)有有M個(gè)點(diǎn)。有：當(dāng)M=4時(shí)，2023/2/441星座圖當(dāng)M>4時(shí)，距離越大，抗誤碼性能越好。2023/2/4421.時(shí)域表達(dá)式2.多電平QAM信號(hào)的產(chǎn)生2023/2/443QAM信號(hào)產(chǎn)生原理2、QAM信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)方式2023/2/44416QAM的星座矢量圖2023/2/44510.5幾種新型數(shù)字調(diào)制方法介紹（1）偏移四相相移鍵控（OQPSK）由于信號(hào)輸入的隨機(jī)性，QPSK四個(gè)信號(hào)點(diǎn)的任何過渡都是可能的。00---11，11---00，10---01，01---10，都是對(duì)角線過渡（在星座圖上），造成1800過渡點(diǎn)。當(dāng)通過窄帶傳輸后，這一點(diǎn)將造成最大的包絡(luò)起伏，如圖所示。包絡(luò)起伏將造成信號(hào)頻譜擴(kuò)展，對(duì)相鄰信道信號(hào)產(chǎn)生干擾，所以QPSK不是理想的調(diào)制方式。2023/2/4462023/2/447

采取恒包絡(luò)調(diào)制，在QPSK中就是要消除對(duì)角線過渡。

OQPSK屬于恒包絡(luò)調(diào)制，調(diào)制方框如圖所示。2023/2/448

對(duì)Q通道編碼延時(shí)一個(gè)bit后，波形如圖所示，將QPSK的10--01--00--10--01變成了OQPSK的11--10--00--01--01--00--10--10--00--01。消除了對(duì)角線過渡。2023/2/449（2）最小頻移鍵控（MSK）另一種恒包絡(luò)調(diào)制形式MSK，源于FSK。對(duì)于利用兩個(gè)獨(dú)立的振蕩源產(chǎn)生的FSK信號(hào)，通常情況下在頻率轉(zhuǎn)換點(diǎn)上的相位不連續(xù)，如圖所示。相位不連續(xù)點(diǎn)由于變化快（頻率高），通過限帶系統(tǒng)的濾波后將產(chǎn)生功率損失，在功率譜上產(chǎn)生包絡(luò)起伏，為克服上述缺點(diǎn)，需控制相位的連續(xù)性。2023/2/450

MSK是2FSK的一種特殊情況，它具有正交信號(hào)的最小頻差，在相鄰符號(hào)交界處相位保持連續(xù)。連續(xù)相位的2FSK信號(hào)表示為：2023/2/451

式中為隨時(shí)間連續(xù)變化的相位。當(dāng)脈沖時(shí)寬為TB，對(duì)于頻率分別是f1和f2的2FSK，要滿足連續(xù)相位條件，就要求在一個(gè)碼元期間，頻率差而產(chǎn)生的相位差為1800的整數(shù)倍。有下式成立：2023/2/452最小頻移鍵控（MSK）

若頻差產(chǎn)生的相移在1個(gè)脈寬內(nèi)能保證是，就能保證波形的連續(xù)性。能保證波形連續(xù)的最小頻差稱為最小頻差。2023/2/453即正交最小頻差設(shè)MSK信號(hào)可以表示為:式中分別表示二進(jìn)制信息“1”和“0”2023/2/454

由上式可知，MSK信號(hào)在每個(gè)信息比特間隔內(nèi)載波相位變化+900或-900，取決于二進(jìn)制信息“1”或“0”，假設(shè)初相為0，相位隨時(shí)間變化的規(guī)律可用如下圖所示的網(wǎng)格圖表示，圖中粗線所對(duì)應(yīng)的信息序列為1101000。2023/2/455

MSK信號(hào)也可以看成是一種特殊類型的OQPSK。在MSK中，OQPSK的兩路基帶信號(hào)的矩形脈沖被正弦形脈沖所取代，可以表示為：設(shè)an,bn為信息經(jīng)過串并變換后的兩個(gè)序列，取值為雙極性（+/-1），rect為矩形函數(shù)。2023/2/456MSK調(diào)制器方框圖如圖所示：2023/2/457MSK的調(diào)制過程先將輸入的基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，然后將其分成I、Q兩路，并互相交錯(cuò)一個(gè)碼元寬度，再用加權(quán)函數(shù)cos（πt/2Tb）和sin（πt/2Tb）分別對(duì)I、Q兩路數(shù)據(jù)加權(quán)，最后將兩路數(shù)據(jù)分別用正交載波調(diào)制。2023/2/458MSK解調(diào)器方框圖如圖所示2023/2/459QPSK、OQPSK和MSK信號(hào)中的同相和正交信號(hào)比較圖2023/2/460（3）高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）為了使MSK的帶外頻譜特性衰減的更快，GMSK調(diào)制在MSK調(diào)制的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，二進(jìn)制矩形脈沖先通過高斯濾波，使其變成高斯形脈沖，然后進(jìn)入MSK調(diào)制器。GMSK調(diào)制在公共移動(dòng)通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，并且被確定為歐洲新一代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式。GMSK的的相位軌跡如圖所示。2023/2/461GMSK的的相位軌跡圖2023/2/462自測(cè)題

（1）

二進(jìn)制絕對(duì)調(diào)相與相對(duì)調(diào)相的區(qū)別是什么？（2）

二進(jìn)制相對(duì)調(diào)相（2DPSK）采用相干解調(diào)和差分相干解調(diào)的區(qū)別是什么？誤比特性能有什么差別？