文元美現(xiàn)代通信原理課件第8章-數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸

5.1引言圖1頻帶傳輸系統(tǒng)的組成方框圖2/4/2023通信原理5.1二進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制

調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)，這種調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，載波的幅度、頻率或相位只有兩種變化狀態(tài)。5.1.1一般原理與實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)字幅度調(diào)制又稱幅度鍵控（ASK），二進(jìn)制幅度鍵控記作2ASK。

2/4/2023通信原理二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控是一種古老的調(diào)制方式，最初用于電報(bào)系統(tǒng)，由于抗噪能力差，用得少。它是各種數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。振幅鍵控(也稱幅移鍵控)，記作ASK(AmplitudeShiftKeying)，或稱其為開(kāi)關(guān)鍵控(通斷鍵控)，記作OOK(OnOffKeying)。二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控通常記作2ASK。2/4/2023通信原理2ASK信號(hào)可表示為：

s(t)為單極性NRZ矩形脈沖序列：2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）

2/4/2023通信原理圖32ASK信號(hào)的產(chǎn)生及波形模型2/4/2023通信原理圖4橋式調(diào)制器產(chǎn)生2ASK信號(hào)2/4/2023通信原理圖5簡(jiǎn)單的三極管調(diào)幅器2/4/2023通信原理圖62ASK信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法2/4/2023通信原理2ASK信號(hào)的功率譜及帶寬一個(gè)2ASK信號(hào)可以表示成：設(shè)：調(diào)制信號(hào)的功率譜為Ps(f)，則已調(diào)信號(hào)的功率譜為Pe(f)：帶寬為：頻帶利用率為：

2/4/2023通信原理

2.2ASK信號(hào)的功率譜及帶寬若用G(f)表示二進(jìn)制序列中一個(gè)寬度為Tb、高度為1的門函數(shù)g(t)所對(duì)應(yīng)的頻譜函數(shù)。Ps(f)為s(t)的功率譜密度，Pe(f)為已調(diào)信號(hào)e(t)的功率譜密度，則有2/4/2023通信原理2ASK信號(hào)的功率譜2/4/2023通信原理則二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的功率譜密度P2ASK(f)為式中用到P=1/2，fs=1/Ts2/4/2023通信原理由圖7可見(jiàn)：(1)因?yàn)?ASK信號(hào)的功率譜密度Pe(f)是相應(yīng)的單極性數(shù)字基帶信號(hào)功率譜密度Ps(f)形狀不變地平移至±fc處形成的，所以2ASK信號(hào)的功率譜密度由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。它的連續(xù)譜取決于數(shù)字基帶信號(hào)基本脈沖的頻譜G(f)；它的離散譜是位于±fc處一對(duì)頻域沖擊函數(shù)，這意味著2ASK信號(hào)中存在著可作載頻同步的載波頻率fc的成分。2/4/2023通信原理(2)基于同樣的原因，我們可以知道，上面所述的2ASK信號(hào)實(shí)際上相當(dāng)于雙邊帶調(diào)幅(DSB)信號(hào)。因此，由圖7可以看出，2ASK信號(hào)的帶寬B2ASK是單極性數(shù)字基帶信號(hào)Bg的兩倍。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)的基本脈沖是矩形不歸零脈沖時(shí)，Bg=1/Tb。于是2ASK信號(hào)的帶寬為因?yàn)橄到y(tǒng)的傳碼率RB=1/Tb(Baud)，故2ASK系統(tǒng)的頻帶利用率為2/4/2023通信原理3.2ASK信號(hào)的解調(diào)及系統(tǒng)誤碼率二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)解調(diào)器原理框圖2/4/2023通信原理2ASK信號(hào)非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形2/4/2023通信原理圖92ASK信號(hào)的相干解調(diào)2/4/2023通信原理相干解調(diào)原理方框圖如圖9所示。相干解調(diào)就是同步解調(diào)，同步解調(diào)時(shí)，接收機(jī)要產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號(hào)，稱其為同步載波或相干載波，利用此載波與收到的已調(diào)波相乘，相乘器輸出為2/4/2023通信原理2ASK系統(tǒng)性能1、非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）的系統(tǒng)性能經(jīng)中心頻率為W0的BPF后，高斯白噪聲ni(t)變?yōu)檎瓗Ц咚乖肼昻(t)包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能分析模型2/4/2023通信原理n(t)可正交分解為同相分量和正交分量，即：且同相分量和正交分量均服從正態(tài)分布。即y(t)寫成：經(jīng)包絡(luò)檢波后，y(t)的包絡(luò)：2/4/2023通信原理萊斯分布:為零階貝塞爾函數(shù)瑞利分布:2ASK信號(hào)非相干解調(diào)的概率分布曲線2/4/2023通信原理若發(fā)“1”的概率為P(1)，發(fā)“0”的概率為P(0)，并且當(dāng)P(0)=P(1)=1/2時(shí)，取樣判決器的判決門限電平取為A/2，當(dāng)包絡(luò)的抽樣值>A/2時(shí)，判為“1”；抽樣值≤A/2時(shí)判為“0”。發(fā)“1”錯(cuò)判為“0”的概率為P(0/1),發(fā)“0”錯(cuò)判為“1”的概率為P(1/0)，則系統(tǒng)的總誤碼率為2/4/2023通信原理實(shí)際上，Pe就是圖中兩塊陰影面積之和的一半。x=A/2直線左邊的陰影面積等于Pe1，其值的一半表示漏報(bào)概率；x=A/2直線右邊的陰影面積等于Pe0，其值的一半表示虛報(bào)概率。采用包絡(luò)檢波的接收系統(tǒng)，通常是工作在大信噪比的情況下，這時(shí)可近似地得出系統(tǒng)誤碼率為式中r=A2/(2 )為輸入信噪比。由此可見(jiàn)，包絡(luò)解調(diào)2ASK系統(tǒng)的誤碼率隨輸入信噪比r的增大，近似地按指數(shù)規(guī)律下降。2/4/2023通信原理2.相干解調(diào)時(shí)2ASK系統(tǒng)的誤碼率其接收帶通濾波器BPF的輸出為：取本地載波，則乘法器輸出在抽樣判決器輸入端得到：

2/4/2023通信原理

x(t)值的一維概率密度為：

2/4/2023通信原理不難看出，最佳判決門限為：

可以證明，這時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為：當(dāng)信噪比遠(yuǎn)大于1時(shí)，上式近似為：

在大信噪比情況下，2ASK信號(hào)相干解調(diào)時(shí)的誤碼率總是低于包絡(luò)檢波時(shí)的誤碼率，即相干解調(diào)2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調(diào)系統(tǒng)。2/4/2023通信原理5.3數(shù)字頻率調(diào)制5.3.1二進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控(2FSK)1.一般原理與實(shí)現(xiàn)的方法圖132FSK信號(hào)的產(chǎn)生及波形2/4/2023通信原理根據(jù)以上對(duì)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生原理的分析，已調(diào)信號(hào)的數(shù)字表達(dá)式可以表示為2/4/2023通信原理二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形2/4/2023通信原理1)直接調(diào)頻法(相位連續(xù)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生)圖14直接調(diào)頻法產(chǎn)生2FSK信號(hào)2/4/2023通信原理圖15相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生和各點(diǎn)波形2)頻率鍵控法(相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生)2/4/2023通信原理圖15相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生和各點(diǎn)波形2/4/2023通信原理圖16相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的功率譜2.2FSK信號(hào)的功率譜及帶寬1)相位不連續(xù)的2FSK情況2/4/2023通信原理(1)相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的功率譜與2ASK信號(hào)的功率譜相似，同樣由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。其中，連續(xù)譜與2ASK信號(hào)的相同，而離散譜是位于±f1,±f2處的兩對(duì)沖擊，這表明2FSK信號(hào)中含有載波f1,f2的分量。(2)若僅計(jì)算2FSK信號(hào)功率譜第一個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔，該2FSK信號(hào)的頻帶寬度，則為式中，RＢ=fb是基帶信號(hào)的帶寬，h=|f2-f1|/RＢ為偏移率(調(diào)制指數(shù))。2/4/2023通信原理為了便于接收端解調(diào)，要求2FSK信號(hào)的兩個(gè)頻率f1,f2間要有足夠的間隔。對(duì)于采用帶通濾波器來(lái)分路的解調(diào)方法，通常取|f2-f1|=(3～5)RB。于是，2FSK信號(hào)的帶寬為相應(yīng)地，這時(shí)2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率為2/4/2023通信原理2)相位連續(xù)的2FSK情況圖17相位連續(xù)2FSK信號(hào)的功率譜2/4/2023通信原理表1幾種調(diào)制信號(hào)帶寬比較2/4/2023通信原理3.2FSK信號(hào)的解調(diào)及系統(tǒng)誤碼率圖18過(guò)零檢測(cè)法方框圖及各點(diǎn)波形圖1)過(guò)零檢測(cè)法2/4/2023通信原理2)包絡(luò)檢測(cè)法圖192FSK信號(hào)包絡(luò)檢波方框圖及波形圖2/4/2023通信原理2FSK包絡(luò)檢波解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形2/4/2023通信原理設(shè)頻率f1代表數(shù)字信號(hào)“1”；f2代表數(shù)字信號(hào)“0”，則抽樣判決器的判決準(zhǔn)則應(yīng)為式中,v1,v2分別為抽樣時(shí)刻兩個(gè)包絡(luò)檢波器的輸出值。這里的抽樣判決器，要比較v1,v2的大小，或者說(shuō)把差值v1-v2與零電平比較。因此，有時(shí)稱這種比較判決器的判決門限為零電平。2/4/2023通信原理3)同步檢波法圖202FSK信號(hào)相干檢測(cè)方框圖2/4/2023通信原理2FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能1.同步檢測(cè)法的系統(tǒng)性能2/4/2023通信原理發(fā)送端產(chǎn)生的2FSK信號(hào)可表示為：

接收機(jī)收入端合成波形為：接收端上、下支路兩個(gè)帶通濾波器BPF1、BPF2的輸出波形分別為：

2/4/2023通信原理考慮到這里的噪聲為窄帶高斯噪聲則：發(fā)送“1”符號(hào)，則上下支路低通濾波器輸出分別為：2/4/2023通信原理將造成發(fā)送“1”碼而錯(cuò)判為“0”碼，錯(cuò)誤概率為：其一維概率密度函數(shù)可表示為：

2/4/2023通信原理

同理可得，發(fā)送“0”符號(hào)而錯(cuò)判為“1”符號(hào)的概率為于是可得2FSK信號(hào)采用同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為：在大信噪比條件下，上式可近似表示為

2/4/2023通信原理2.包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能

發(fā)送“1”符號(hào)2/4/2023通信原理經(jīng)計(jì)算2FSK信號(hào)采用包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為：

（1）在輸入信號(hào)信噪比一定時(shí)，相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)的誤碼率；當(dāng)系統(tǒng)的誤碼率一定時(shí)，相干解調(diào)比非相干解調(diào)對(duì)輸入信號(hào)的信噪比要求低。

（2）相干解調(diào)時(shí)，需要插入兩個(gè)相干載波，電路較為復(fù)雜。2/4/2023通信原理將相干解調(diào)與包絡(luò)(非相干)解調(diào)系統(tǒng)誤碼率做以比較，可以發(fā)現(xiàn)：(1)兩種解調(diào)方法均可工作在最佳門限電平。(2)在輸入信號(hào)信噪比r一定時(shí)，相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)的誤碼率；當(dāng)系統(tǒng)的誤碼率一定時(shí)，相干解調(diào)比非相干解調(diào)對(duì)輸入信號(hào)的信噪比要求低。所以相干解調(diào)2FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干的包絡(luò)檢測(cè)。但當(dāng)輸入信號(hào)的信噪比r很大時(shí)，兩者的相對(duì)差別不明顯。(3)相干解調(diào)時(shí)，需要插入兩個(gè)相干載波，因此電路較為復(fù)雜，但包絡(luò)檢測(cè)就無(wú)需相干載波，因而電路較為簡(jiǎn)單。2/4/2023通信原理5.3二進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制

根據(jù)載波相位表示數(shù)字信息的方式不同，數(shù)字調(diào)相分為絕對(duì)相移（PSK）和相對(duì)相移（DPSK）兩種。5.3.1二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）1.一般原理及實(shí)現(xiàn)方法2/4/2023通信原理

2PSK信號(hào)的典型波形如圖所示：2PSK信號(hào)的調(diào)制方框圖如圖所示：

2/4/2023通信原理

2PSK信號(hào)的解調(diào)：不考慮噪聲時(shí)，帶通濾波器輸出可表示為：

2/4/2023通信原理

2PSK接收系統(tǒng)各點(diǎn)波形如圖所示：

2/4/2023通信原理

2.2PSK信號(hào)的頻譜和帶寬

2PSK信號(hào)的功率譜密度可以寫成：對(duì)于雙極性NRZ碼，由于不存在直流成分，因此，2PSK信號(hào)功率譜示意圖如圖5-21所示：2/4/2023通信原理因此，2PSK信號(hào)的帶寬、頻帶利用率也與2ASK信號(hào)的相同。在數(shù)字調(diào)相中，由于表征信息的相位變化只有有限的離散取值，因此，可以把相位變化歸結(jié)為幅度變化。為此可以把數(shù)字調(diào)相信號(hào)當(dāng)作線性調(diào)制信號(hào)來(lái)處理了。

2/4/2023通信原理3.2PSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

2PSK信號(hào)相干解調(diào)系統(tǒng)模型如圖所示：經(jīng)信道傳輸，接收端輸入信號(hào)為：2/4/2023通信原理經(jīng)帶通濾波器輸出：與本地載波相乘后，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，在抽樣判決器輸入端得到：

2/4/2023通信原理2/4/2023通信原理2PSK系統(tǒng)的最佳判決門限電平為：在最佳門限時(shí)，2PSK系統(tǒng)的誤碼率為：在大信噪比下，上式成為：

2/4/2023通信原理5.3.2二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）

1.一般原理及實(shí)現(xiàn)方法它不是利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用本碼元與前一碼元相位之差來(lái)傳送數(shù)字信息的。

2/4/2023通信原理相對(duì)移相信號(hào)可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對(duì)碼）變換成相對(duì)碼，然后再根據(jù)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)移相而形成。絕對(duì)碼和相對(duì)碼是可以互相轉(zhuǎn)換的，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：編碼器譯碼器2/4/2023通信原理相對(duì)相移本質(zhì)上就是對(duì)差分碼信號(hào)的絕對(duì)相移。即實(shí)現(xiàn)相對(duì)調(diào)相的最常用方法如圖所示。2/4/2023通信原理2DPSK的解調(diào)有兩種，一種是差分相干解調(diào)，另一種是相干解調(diào)-碼變換法。（1）相干解調(diào)-碼變換法。

（2）差分相干解調(diào)法。它是直接比較前后碼元的相位差而構(gòu)成的，這種方法不需要碼變換器，也不需要專門的相干載波發(fā)生器，因此設(shè)備比較簡(jiǎn)單、實(shí)用。

2/4/2023通信原理2/4/2023通信原理2.2DPSK信號(hào)的頻譜和帶寬無(wú)論是2PSK還是2DPSK信號(hào)，就波形本身而言，它們都可以等效成雙極性信號(hào)作用下的調(diào)幅信號(hào)，無(wú)非是一對(duì)倒相信號(hào)的序列。有以下結(jié)論：（1）2DPSK與2PSK有相同的功率譜；（2）它們的帶寬和頻帶利用率均相同。2/4/2023通信原理3.2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

（1）極性比較-碼變換法解調(diào)時(shí)2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能為了分析碼反變換器對(duì)誤碼的影響，以序列0110111001為例，可以得到下圖：2/4/2023通信原理2/4/2023通信原理以這方式解調(diào)時(shí)的誤碼率為：當(dāng)誤碼率很小時(shí)：由此可見(jiàn)，碼反變換器器總是使系統(tǒng)誤碼率增加，通常認(rèn)為增加一倍。（2）差分相干解調(diào)時(shí)2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能2/4/2023通信原理4.2PSK與2DPSK系統(tǒng)的比較（1）檢測(cè)這兩種信號(hào)時(shí)判決器均可工作在最佳門限電平（零電平）。（2）2DPSK抗噪聲性能不及2PSK。（3）2PSK系統(tǒng)存在“反向工作”問(wèn)題，而2DPSK系統(tǒng)不存在“反向工作”問(wèn)題。因此在實(shí)際應(yīng)用中，真正作為傳輸用的數(shù)字調(diào)相信號(hào)幾乎都是DPSK信號(hào)。

2/4/2023通信原理5.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

1.誤碼率

對(duì)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能做如下兩個(gè)方面的比較：

（1）同一調(diào)制方式不同檢測(cè)方法的比較

對(duì)于同一調(diào)制方式不同檢測(cè)方法，相干檢測(cè)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測(cè)。

2/4/2023通信原理2/4/2023通信原理（2）同一檢測(cè)方法不同調(diào)制方式的比較做橫向比較，可以看出：1）相干檢測(cè)時(shí)，在相同誤碼率條件下，對(duì)信噪比的要求是：2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB；2）非相干檢測(cè)時(shí)，在相同誤碼率條件下，對(duì)信噪比的要求是：2DPSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。

2/4/2023通信原理

2.頻帶寬度3.對(duì)信道特性變化的敏感性信道特性變化的靈敏度對(duì)最佳判決門限有一定的影響。

2ASK系統(tǒng)最差。2FSK系統(tǒng)和2PSK系統(tǒng)較好。

4.設(shè)備的復(fù)雜程度

在高速數(shù)據(jù)傳輸中，相干PSK及DPSK用得較多，而在中、低速數(shù)據(jù)傳輸中，特別是在衰落信道中，相干2FSK用得較為普遍。2/4/2023通信原理多進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控(MASK)在多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，在每個(gè)符號(hào)間隔Tb內(nèi)，可能發(fā)送的符號(hào)有M種，在實(shí)際應(yīng)用中，通常取M=2n，n為大于1的正整數(shù)，也就是說(shuō)，M是一個(gè)大于2的數(shù)字。這種狀態(tài)數(shù)目大于2的調(diào)制信號(hào)稱為多進(jìn)制信號(hào)。將多進(jìn)制數(shù)字信號(hào)(也可由基帶二進(jìn)制信號(hào)變換而成)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，在接收端進(jìn)行相反的變換，這種過(guò)程就叫多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)，或簡(jiǎn)稱為多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。2/4/2023通信原理與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相比，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)在碼元速率(傳碼率)相同條件下，可以提高信息速率(傳信率)。當(dāng)碼元速率相同時(shí)，M進(jìn)制數(shù)傳系統(tǒng)的信息速率是二進(jìn)制的log2M倍。(2)在信息速率相同條件下，可降低碼元速率，以提高傳輸?shù)目煽啃浴?3)在接收機(jī)輸入信噪比相同條件下，多進(jìn)制數(shù)傳系統(tǒng)的誤碼率比相應(yīng)的二進(jìn)制系統(tǒng)要高。(4)設(shè)備復(fù)雜。2/4/2023通信原理1.MASK信號(hào)的波形及表示式2/4/2023通信原理圖11多電平調(diào)制波形2/4/2023通信原理圖11(c)的各個(gè)波形可表示為2/4/2023通信原理其中e1(t)、…、em-1(t)均為2ASK信號(hào)，但它們振幅互不相等，時(shí)間上互不重疊，e0(t)=0可以不考慮。因此，m電平的MASK信號(hào)e(t)可以看作由振幅互不相等、時(shí)間上互不相容的m-1個(gè)2ASK信號(hào)疊加而成。即概率為1概率為P1概率為1-P1概率為P2概率為1-P2概率為Pm-1概率為1-Pm-12/4/2023通信原理2.MASK信號(hào)的帶寬及頻帶利用率MASK信號(hào)的帶寬可表示為其中f′b=1/T′b是多進(jìn)制碼元速率。與二進(jìn)制2ASK信號(hào)相比較，二進(jìn)制碼元速率為fb。當(dāng)兩者碼元速率相等時(shí)，即f′b=fb，則兩者帶寬相等，即2/4/2023通信原理當(dāng)兩者的信息速率相等時(shí)，則其碼元速率的關(guān)系為2/4/2023通信原理當(dāng)以碼元速率考慮頻帶利用率r時(shí)，有這與2ASK系統(tǒng)相同。但通常是以信息速率來(lái)考慮頻帶利用率的，因此有2/4/2023通信原理3.MASK信號(hào)的調(diào)制方法幾種多電平調(diào)制的方框圖2/4/2023通信原理幾種多電平調(diào)制的方框圖2/4/2023通信原理為了進(jìn)一步說(shuō)明多電平正交調(diào)幅帶來(lái)的好處，將發(fā)端方框圖再詳細(xì)畫出示于圖12(d)中(設(shè)m=4,圖右側(cè)為A,B,C,D各點(diǎn)波形圖)。輸入二進(jìn)制數(shù)碼的碼元寬度為Tb，每2比特一組，經(jīng)2/4電平變換器變換成四進(jìn)制數(shù)碼，其碼元寬度為2Tb，每個(gè)碼元包含2比特信息。再經(jīng)串/并變換交叉送入兩個(gè)支路去進(jìn)行正交調(diào)制，此時(shí)各支路的碼元寬度為4Tb。輸出信號(hào)的帶寬為它是單路2ASK系統(tǒng)帶寬(2fb)的，而信息速率并不改變。此時(shí)頻帶利用率為2/4/2023通信原理4.MASK信號(hào)的特點(diǎn)(1)傳輸效率高。(2)抗衰落能力差。(3)在接收機(jī)輸入平均信噪比相等的情況下，MASK系統(tǒng)的誤碼率比2ASK系統(tǒng)要高。(4)電平數(shù)M越大，設(shè)備越復(fù)雜。2/4/2023通信原理多進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控(MFSK)

1.MFSK系統(tǒng)方框圖圖21多頻制系統(tǒng)的組成方框圖2/4/2023通信原理2.MFSK信號(hào)的帶寬及頻帶利用率鍵控法產(chǎn)生的MFSK信號(hào)，其相位是不連續(xù)的，可用DPMFSK表示。它可以看作由m個(gè)振幅相同、載頻不同、時(shí)間上互不相容的2ASK信號(hào)疊加的結(jié)果。設(shè)MFSK信號(hào)碼元的寬度為T′b，即傳輸速率f′b=1/T′b(Baud)，則m頻制信號(hào)的帶寬為設(shè)fD=(fm-f1)/2為最大頻偏，則上式可表示為2/4/2023通信原理圖22DPMFSK信號(hào)的功率譜2/4/2023通信原理若相鄰載頻之差等于2f′b，即相鄰頻率的功率譜主瓣剛好互不重疊，這時(shí)的MFSK信號(hào)的帶寬及頻帶利用率分別為此時(shí)兩者帶寬的關(guān)系為2/4/2023通信原理頻帶利用率的關(guān)系為與MASK的頻帶利用率比較，其關(guān)系為2/4/2023通信原理3.MFSK信號(hào)的特點(diǎn)(1)在傳輸率一定時(shí)，由于采用多進(jìn)制，每個(gè)碼元包含的信息量增加，碼元寬度加寬，因而在信號(hào)電平一定時(shí)每個(gè)碼元的能量增加。(2)一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制碼元組合，因此，總的判決數(shù)可以減少。(3)碼元加寬后可有效地減少由于多徑效應(yīng)造成的碼間串?dāng)_的影響，從而提高衰落信道下的抗干擾能力。MFSK信號(hào)的主要缺點(diǎn)是信號(hào)頻帶寬，頻帶利用率低。MFSK一般用于調(diào)制速率(載頻變化率)不高的短波、衰落信道上的數(shù)字通信。2/4/2023通信原理多進(jìn)制數(shù)字相移鍵控(MPSK)

1.多相制的表達(dá)式及相位配置相鄰相移的差值為：2/4/2023通信原理2/4/2023通信原理圖34相位配置矢量圖2/4/2023通信原理圖35四相制信號(hào)波形圖2/4/2023通信原理2.多相制信號(hào)的產(chǎn)生1)直接調(diào)相法(1)4PSK信號(hào)的產(chǎn)生(π/4體系)。圖36直接調(diào)相法產(chǎn)生4PSK信號(hào)方框圖2/4/2023通信原理圖36直接調(diào)相法產(chǎn)生4PSK信號(hào)方框圖2/4/2023通信原理(2)4DPSK信號(hào)的產(chǎn)生(π/2體系)。圖37直接調(diào)相—碼變換法產(chǎn)生4DPSK信號(hào)方框圖及碼變換波形2/4/2023通信原理(3)8PSK信號(hào)的產(chǎn)生(π/4體系)。圖388PSK正交調(diào)制器π/4體系2/4/2023通信原理2)相位選擇法圖39相位選擇法產(chǎn)生四相制信號(hào)方框圖2/4/2023通信原理3)脈沖插入法圖40脈沖插入法原理方框圖2/4/2023通信原理3.多相制信號(hào)的解調(diào)1)相干正交解調(diào)(極性比較法)圖41QPSK信號(hào)的相干解調(diào)2/4/2023通信原理2)差分正交解調(diào)(相位比較法)圖424DPSK信號(hào)的解調(diào)方框圖2/4/2023通信原理3)8PSK信號(hào)的解調(diào)圖438PSK信號(hào)的雙正交相干解調(diào)2/4/2023通信原理4)數(shù)字式四相信號(hào)解調(diào)圖44數(shù)字式四相信號(hào)解調(diào)方框圖2/4/2023通信原理圖5-45模二運(yùn)算中的波形圖及計(jì)數(shù)值舉例2/4/2023通信原理5.5數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較5.5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較表5-2數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率公式2/4/2023通信原理以上公式是在下列條件下得到的。(1)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)“1”和“0”是獨(dú)立的且等概率出現(xiàn)的；(2)信道加性噪聲n(t)是零均值高斯白噪聲，功率譜密度為n0(單邊)；(3)通過(guò)接收濾波器HR(ω)后的噪聲為窄帶高斯噪聲，其均值為零，方差為，則2/4/2023通信原理(4)由接收濾波器引起的碼間串?dāng)_很小，可以忽略不計(jì)；(5)接收端產(chǎn)生的相干載波的相位誤差為零。這樣，解調(diào)器輸入端的功率信噪比定義為其中，A為輸入信號(hào)的振幅， 為輸入信號(hào)功率， 為輸入噪聲功率，則r就是輸入功率信噪比。2/4/2023通信原理圖46二進(jìn)制調(diào)制的誤碼率曲線2/4/2023通信原理總的來(lái)說(shuō)，二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼率與下列因素有關(guān)：信號(hào)形式(調(diào)制方式)、噪聲的統(tǒng)計(jì)特性、解調(diào)及譯碼判決方式。無(wú)論采用何種方式、何種檢測(cè)方法，其共同點(diǎn)是輸入信噪比增大時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率就降低；反之，誤碼率增大。由此可得出以下兩點(diǎn)：(1)對(duì)于同一調(diào)制方式不同檢測(cè)方法，相干檢測(cè)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測(cè)。但是，隨著信噪比r的增大，相干與非相干誤碼性能的相對(duì)差別越不明顯，誤碼率曲線越靠攏。另外，相干檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備比非相干的要復(fù)雜。2/4/2023通信原理(2)同一檢測(cè)方法不同調(diào)制方式的比較，有以下幾點(diǎn)：①相干檢測(cè)時(shí)，在相同誤碼率條件下，信噪比r的要求是：2PSK比2FSK小3dB,2FSK比2ASK小3dB。非相干檢測(cè)時(shí)，在相同誤碼率條件下，信噪比r的要求是：2DPSK比2FSK小3dB,2FSK比2ASK小3dB。②2ASK要嚴(yán)格工作在最佳判決門限電平較為困難，其抗振幅衰落的性能差。2FSK、2PSK、2DPSK最佳判決門限電平為0，容易設(shè)置，均有很強(qiáng)的抗振幅衰落性能。③2FSK的調(diào)制指數(shù)h通常大于0.9，此時(shí)在相同傳碼率條件下，2FSK的傳輸帶寬比2PSK,2DPSK,2ASK寬,即2FSK的頻帶利用率最低。2/4/2023通信原理5.5.2多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率是平均信噪比ρ及進(jìn)制數(shù)M的函數(shù)。對(duì)移頻、移相制ρ就是r,對(duì)移幅制ρ是各電平等概率出現(xiàn)時(shí)的信號(hào)平均功率與噪聲平均功率之比。M一定，ρ增大時(shí)，Pe減小，反之增大；ρ一定，M增大時(shí)，Pe增大?？梢?jiàn)，隨著進(jìn)制數(shù)的增多，抗干擾性能降低。(1)對(duì)多電平振幅調(diào)制系統(tǒng)而言，在要求相同的誤碼率Pe的條件下，多電平振幅調(diào)制的電平數(shù)愈多，則需要信號(hào)的有效信噪比就越高；反之，有效信噪比就可能下降。在M相同的情況下，雙極性相干檢測(cè)的抗噪聲性能最好，單極性相干檢測(cè)次之，單極性非相干檢測(cè)性能最差。雖然MASK系統(tǒng)的抗噪聲性能比2ASK差，但其頻帶利用率高，是一種高效傳輸方式。2/4/2023通信原理(2)多頻調(diào)制系統(tǒng)中相干檢測(cè)和非相干檢測(cè)時(shí)的誤碼率Pe均與信噪比ρ及進(jìn)制數(shù)M有關(guān)。在一定的進(jìn)制數(shù)M條件下，信噪比ρ越大，誤碼率愈??；在一定的信噪比條件下，M值越大，誤碼率也愈大。MFSK與MASK、MPSK比較，隨M增大，其誤碼率增大得不多，但其頻帶占用寬度將會(huì)增大，頻帶利用率降低。另外，相干檢測(cè)與非相干檢測(cè)性能之間相比較，在M相同條件下，相干檢測(cè)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測(cè)。但是，隨著M的增大，兩者之間的差距將會(huì)有所減小，而且在同一M條件下，隨著信噪比的增加，兩者性能將會(huì)趨于同一極限值。由于非相干檢測(cè)易于實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)際應(yīng)用中非相干MFSK多于相干MFSK。2/4/2023通信原理(3)在多相調(diào)制系統(tǒng)中，M相同時(shí)，相干檢測(cè)MPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于差分檢測(cè)MDPSK系統(tǒng)。在相同誤碼率條件下，M值越大，差分移相比相干移相在信噪比上損失得越多，M很大時(shí)，這種損失達(dá)到約3dB。但是，由于MDSKP系統(tǒng)無(wú)反向工作(即相位模糊)問(wèn)題，收端設(shè)備沒(méi)有MPSK復(fù)雜，因而實(shí)際應(yīng)用比MPSK多。多相制的頻帶利用率高，是一種高效傳輸方式。2/4/2023通信原理(4)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)主要采用非相干檢測(cè)的MFSK,MDPSK和MASK。一般在信號(hào)功率受限，而帶寬不受限的場(chǎng)合多用MFSK;而功率不受限制的場(chǎng)合用MDPSK;在信道帶寬受限，而功率不受限的恒參信道用MASK。2/4/2023通信原理*5.6現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)5.6.1正交振幅調(diào)制(QAM)正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為2/4/2023通信原理圖5-47QAM調(diào)制解調(diào)原理方框圖(a)QAM調(diào)制框圖；(b)QAM解調(diào)框圖2/4/2023通信原理圖484QAM調(diào)制解調(diào)過(guò)程各點(diǎn)波形2/4/2023通信原理圖4916PSK,16QAM和16APK星座圖(a)16PSK;(b)16QAM;(c)16APK2/4/2023通信原理假設(shè)已調(diào)信號(hào)的最大幅度為1，不難算出MPSK時(shí)星座圖上信號(hào)點(diǎn)的最小距離為而MQAM時(shí)，若星座為矩形，則最小距離為當(dāng)信號(hào)的平均功率受限時(shí)，MQAM的優(yōu)點(diǎn)更為顯著，因?yàn)镸QAM信號(hào)的峰值功率與平均功率之比為2/4/2023通信原理圖50MQAM星座圖2/4/2023通信原理圖51MQAM調(diào)制器與解調(diào)器(a)調(diào)制器；(b)解調(diào)器2/4/2023通信原理圖5-528QAM的信號(hào)空間2/4/2023通信原理在所在信號(hào)點(diǎn)等概率出現(xiàn)的情況下，平均發(fā)射信號(hào)功率為2/4/2023通信原理圖5316QAM的信號(hào)空間(a)方型QAM星座圖；(b)星型QAM星座圖2/4/2023通信原理方型QAM星型QAM2/4/2023通信原理5.6.2交錯(cuò)正交相移鍵控(OQPSK)圖54OQPSK調(diào)制器方框圖2/4/2023通信原理表5-3同相支路中碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位變化表2/4/2023通信原理圖55OQPSK解調(diào)器方框圖2/4/2023通信原理圖56OQPSK波形及矢量圖2/4/2023通信原理圖57QPSK,OQPSK,MSK的功率譜密度2/4/2023通信原理5.6.3最小頻移鍵控(MSK)在一個(gè)碼元時(shí)間Tb內(nèi)，CPFSK信號(hào)可表示為當(dāng)θ(t)為時(shí)間連續(xù)函數(shù)時(shí)，已調(diào)波在所有時(shí)間上是連續(xù)的，若傳0碼時(shí)載頻為ω1,傳1碼時(shí)載頻為ω2，它們相對(duì)于未調(diào)載頻ωc的偏移為Δω，上式又可寫為2/4/2023通信原理在一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)，相角θ(t)為時(shí)間的線性函數(shù)，即對(duì)于FSK信號(hào)，當(dāng)2ΔωTb=nπ(n為整數(shù))時(shí)，就認(rèn)為它是正交的。為了提高頻帶利用率，Δω要小，當(dāng)n=1時(shí)，Δω達(dá)最小值有2/4/2023通信原理圖58MSK的相位網(wǎng)格圖2/4/2023通信原理為了方便，假定θ(0)=0,同時(shí)，假定+號(hào)對(duì)應(yīng)于1碼，-號(hào)對(duì)應(yīng)于0碼。當(dāng)t>0時(shí)，在幾個(gè)連續(xù)碼元時(shí)間內(nèi)，θ(t)的可能值示于圖5-58中。傳1碼時(shí)，相位增加π/2，傳0碼時(shí)，相位減少π/2。當(dāng)t=Tb時(shí)，式(5-84)可寫為(5-84)2/4/2023通信原理若將式(5-84)擴(kuò)展到多