第五章 通信原理 數(shù)字調(diào)制

第5章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

【教學(xué)目標(biāo)】1.了解二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的分類；2.掌握二進(jìn)制調(diào)制的時(shí)域和頻域特性；3.掌握二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的解調(diào)方法；4.理解各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能；5.了解多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)特點(diǎn)及其基本工作原理；6.了解改進(jìn)的數(shù)字調(diào)制原理。【重點(diǎn)】二進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)時(shí)頻特性、調(diào)制解調(diào)方法【難點(diǎn)】調(diào)制解調(diào)原理【學(xué)時(shí)分配】7~8學(xué)時(shí) 【教學(xué)過(guò)程】第5章數(shù)字帶通傳輸（調(diào)制）系統(tǒng)5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理5.4新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)5.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

數(shù)字調(diào)制方式幅移鍵控頻移鍵控相移鍵控5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制：載波的幅度、頻率或相位受二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制。一、二進(jìn)制幅移鍵控（2ASK:2-AmplitudeShiftKeying）1.數(shù)學(xué)表達(dá)式和波形2ASK：載波的幅度受調(diào)制信號(hào)“1”或“0”控制，又稱

通-斷鍵控信號(hào)（OOK:On-OffKeying）（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式設(shè)二進(jìn)制序列表示為其中是持續(xù)時(shí)間為Ts的矩形脈沖,概率為P概率為1-P5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理則（2）波形5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理2.功率譜分析5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理單極性式中，PASK(

f

)－S2ASK(

t

)的功率譜密度；PB(

f

)

－B(

t

)的功率譜密度。特點(diǎn)：（1）由連續(xù)譜和離散譜組成（2）功率譜曲線為抽樣型（3）5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理3.2ASK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)（1）調(diào)制5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理模擬法鍵控法cosctS2ASK(t)B(t)(2)解調(diào)5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理①非相干解調(diào)②相干解調(diào)5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理門限二、二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK:2-FrequencyShiftKeying）1.時(shí)域表達(dá)式與波形（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式可見:2FSK信號(hào)可看作是兩個(gè)2ASK信號(hào)的疊加。2FSK：載波的頻率受“1”或“0”控制。5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理其中（2）波形5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理f1f2f2f2f1f1f2f1f1

2.功率譜特性f1-fsf1f0f2f2+fsf1f2f0f1-fsf2+fs疊加f0=（f1+f2）/2f0=（f1+f2）/2雙峰單峰頻譜特點(diǎn)：（1）由連續(xù)譜和離散譜組成。

（2）若|f1-f2|>0.8fs,出現(xiàn)雙峰譜，若|f1-f2|<0.8fs，出現(xiàn)單峰譜。（3）5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理3.2FSK信號(hào)產(chǎn)生與解調(diào)（1）產(chǎn)生框圖①模擬調(diào)制法②鍵控法B(t)AnalogFM∑f1f2B(t)

Gate

GateDCPFSKCPFSK5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理相位連續(xù)相位不連續(xù)(2)2FSK解調(diào)方法②分路包絡(luò)檢波法①分路相干解調(diào)法5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理f1f2f1f1f2f1f22FSKttatbc

1011010df1f2abcdc>d，判為“1”101

10105.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理1011010限幅微分整流脈沖發(fā)生低通abcedfbacdef③過(guò)零檢測(cè)法5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理

1011010頻率幅度三、二進(jìn)制相移鍵控（2PSK:2-PhaseShiftKeying）2PSK(BPSK)：載波的相位受“1”或“0”控制,又稱絕對(duì)調(diào)相。1.時(shí)域表示其中5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理2.波形5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理3.功率譜特點(diǎn)：（P=1/2)（1）只有雙邊帶連續(xù)譜（2）4.BPSK的產(chǎn)生和解調(diào)（1）產(chǎn)生雙極性NRZ5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理碼型變換二進(jìn)制信息BPSK信號(hào)(2)BPSK相干解調(diào)5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理(2)BPSK相干解調(diào)5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理(2)BPSK相干解調(diào)5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理111001002PSK信號(hào)載波2PSK信號(hào)×載波輸出信號(hào)低通輸出00011011倒現(xiàn)象2PSK存在“倒π”現(xiàn)象或“反向工作”現(xiàn)象。因此，實(shí)際采用2DPSK——差分相移鍵控方式。5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理2PSK存在的問(wèn)題四、二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK:2-DifferentialPhaseShiftKeying)絕對(duì)調(diào)相BPSK：利用載波相位的絕對(duì)值來(lái)傳送信息。相對(duì)調(diào)相2DPSK：利用前后碼元載波相位差傳送信息。如：Δφ=0→“0”

Δφ=π

→

“1”5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理如：φ=0→“0”

φ=π

→

“1”1.差分編碼(絕對(duì)碼→相對(duì)碼）

為絕對(duì)碼，為相對(duì)碼。編碼：設(shè)：5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理相對(duì)調(diào)相的方法是：絕對(duì)碼→相對(duì)碼→絕對(duì)調(diào)相→產(chǎn)生DPSK信號(hào)譯碼：2.DPSK調(diào)制器與解調(diào)器（1）調(diào)制5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理絕對(duì)碼→相對(duì)碼→絕對(duì)調(diào)相→產(chǎn)生DPSK信號(hào)（2）解調(diào)①相干解調(diào)（極性比較法）5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理②差分相干解調(diào)（相位比較法）abcedf00101102DPSK的解調(diào)abcdef11100100

絕對(duì)碼

0010110

相對(duì)碼

00110115.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理參考abcedf00101102DPSK的解調(diào)abcdef00101105.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理00011011參考adbce00101102DPSK的解調(diào)abcde00101105.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理

設(shè)TS=KTc

則判決規(guī)則為：

1.2DPSK解決了載波的“相位模糊問(wèn)題”。2.差分相干解調(diào)直接利用了前后碼元的信息，解調(diào)和譯碼同時(shí)完成，無(wú)需專門的相干載波，是一種很實(shí)用的方法。3.2DPSK的抗白噪聲能力比2PSK差。4.B2DPSK=B2PSK=2fs2DPSK特點(diǎn)5.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理1、基帶傳輸系統(tǒng)適用于____（低通、帶通）型信道；頻帶傳輸系統(tǒng)適用于_____（低通、帶通）型信道。2、設(shè)發(fā)送數(shù)字信息序列為11010010，碼元速率為1000B,現(xiàn)采用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)，并設(shè)f1=1kHz，對(duì)應(yīng)“1”；f2=2kHz，對(duì)應(yīng)“0”。若兩振蕩器輸出振蕩初相均為0。(1)畫出2FSK信號(hào)波形;(2)計(jì)算其帶寬和頻帶利用率;3.一DPSK數(shù)字通信系統(tǒng)，信息速率為

，載波為

，輸入數(shù)據(jù)為110100010110…(1)寫出相對(duì)碼(設(shè)：參考碼為1)；(2)畫出DPSK波形；(3)畫出DPSK發(fā)送框圖；(4)畫出DPSK信號(hào)的功率譜圖(設(shè)：輸入數(shù)據(jù)是獨(dú)立等概序列)；(5)畫出DPSK的非相干接收框圖；(6)若DPSK系統(tǒng)的碼元速率為106波特，接收機(jī)輸入白噪聲的雙邊功率譜密度為10-12W/HZ，輸入信噪比為4.5，試求接收機(jī)輸入端的信號(hào)幅度。5.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較一、抗噪聲性能分析(2ASK)設(shè)在一個(gè)Ts內(nèi)，接收端的輸入波形為

帶通濾波器的輸出波形為

n(t)是高斯白噪聲ni(t)經(jīng)過(guò)帶通濾波器的輸出噪聲

第k個(gè)抽樣時(shí)刻判決規(guī)則為：x>b時(shí)，判為“1”；x

b時(shí)，判為“0”則當(dāng)發(fā)送“1”時(shí)，錯(cuò)誤接收為“0”的概率

同理，發(fā)送“0”時(shí)，錯(cuò)誤接收為“1”的概率2ASK系統(tǒng)的總誤碼率為

上式表明，當(dāng)P(1)、P(0)及f1(x)、f0(x)一定時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率Pe與判決門限b的選擇密切相關(guān)。從公式求解

最佳門限

若發(fā)送“1”和“0”的概率相等，則最佳判決門限為

b*=a/2

此時(shí)，2ASK信號(hào)采用相干解調(diào)（同步檢測(cè)）時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為 式中

為解調(diào)器輸入端的信噪比。 當(dāng)r>>1，即大信噪比時(shí)，上式可近似表示為包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能（2ASK）

當(dāng)發(fā)送“1”符號(hào)時(shí)，包絡(luò)檢波器的輸出波形為

當(dāng)發(fā)送“0”符號(hào)時(shí)，包絡(luò)檢波器的輸出波形為廣義瑞利型隨機(jī)變量瑞利型隨機(jī)變量最佳門限

實(shí)際工作情況

在實(shí)際工作中，系統(tǒng)總是工作在大信噪比的情況下，因此最佳門限應(yīng)取

此時(shí)系統(tǒng)的總誤碼率為

當(dāng)r

時(shí)，上式的下界為

當(dāng)r>>1，即大信噪比時(shí)2ASK同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為2ASK包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為比較：在相同的信噪比條件下，同步檢測(cè)法的抗噪聲性能優(yōu)于包絡(luò)檢波法，但在大信噪比時(shí)，兩者性能相差不大。然而，包絡(luò)檢波法不需要相干載波，因而設(shè)備比較簡(jiǎn)單。另外，包絡(luò)檢波法存在門限效應(yīng)，同步檢測(cè)法無(wú)門限效應(yīng)。[例7.2.1]設(shè)有一2ASK信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其碼元速率為RB=4.8106波特，發(fā)“1”和發(fā)“0”的概率相等，接收端分別采用同步檢測(cè)法和包絡(luò)檢波法解調(diào)。已知接收端輸入信號(hào)的幅度a=1mV，信道中加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度n0=210-15W/Hz。試求

(1)同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率；

(2)包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率?！窘狻?1)根據(jù)2ASK信號(hào)的頻譜分析可知，2ASK信號(hào)所需的傳輸帶寬近似為碼元速率的兩倍，所以接收端帶通濾波器帶寬為

帶通濾波器輸出噪聲平均功率為 信噪比為

于是，同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為 包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為

可見，在大信噪比的情況下，包絡(luò)檢波法解調(diào)性能接近同步檢測(cè)法解調(diào)性能。5.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較一、抗噪聲性能比較2DPSKPSK系統(tǒng)FSK系統(tǒng)

ASK系統(tǒng)

非相干解調(diào)

相干解調(diào)

誤碼率Pe與信噪比r的關(guān)系傳輸方式其中四種數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率曲線

5.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較

2.抗噪聲性能比較

(1)相干解調(diào)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調(diào)，但設(shè)備也相對(duì)較復(fù)雜。(2)當(dāng)r>>1時(shí)，相干解調(diào)與非相干的性能相近。(3)抗高斯噪聲(Pe)2PSK<(Pe)2DPSK<(Pe)2FSK<(Pe)OOK,但

2PSK存在“倒π”現(xiàn)象，DPSK應(yīng)用更為廣泛。結(jié)論：1.誤碼率表達(dá)式均是的形式。5.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較

二、頻帶利用率比較B2FSK>B2PSK=B2DPSK=B2ASK

從頻帶利用率看，2FSK最差，用于中、低速傳輸。

2FSK和2PSK對(duì)信道特性的變化不敏感，而OOK對(duì)信道特性的變化敏感,所以O(shè)OK性能最差。三、對(duì)信道特性的敏感性四、設(shè)備的復(fù)雜程度

相干解調(diào)比非相干解調(diào)的設(shè)備復(fù)雜,一般用于高質(zhì)量的傳輸系統(tǒng)。5.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較

目前用得最多的是：相干2DPSK和非相干2FSK；相干2DPSK：主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸；非相干2FSK：主要用于中、低速數(shù)據(jù)傳輸，特別是在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它有著廣泛的應(yīng)用。5.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較

5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理一、基本概念1.分類多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制MASKMFSKMPSK2.特點(diǎn)（1）碼元速率相同時(shí)，信息速率比二進(jìn)制高，多進(jìn)制傳輸是一種高速傳輸方式。（3）抗白噪聲能力比二進(jìn)制系統(tǒng)差。（4）設(shè)備較復(fù)雜。（2）信息速率相同時(shí)，碼元速率比二進(jìn)制低，碼元持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，碼元能量大，可減小ISI。5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制二、多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制1.基本概念

用M個(gè)相位狀態(tài)的正弦波代表M個(gè)數(shù)字信息，又稱多相制。多相制絕對(duì)相移MPSK相對(duì)相移MDPSK5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制2.四相制絕對(duì)相移鍵控（4PSK或QPSK）QPSK就是將二進(jìn)制序列每?jī)蓚€(gè)比特分為一組，用四種載波相位來(lái)表示之

。其中:雙比特ab通常是按格雷碼排列的。(1)相位配置及波形5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制

01

11

10

0

00

B方式

A方式ab

載波相位φ

雙比特碼元90°270°180°-135°-45°45°135°QPSK信號(hào)的矢量圖5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制參考相位00101101A方式參考相位00101101B方式5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制TsTs’ab01107/45/43/4/40t1000111001ba10110001015.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制（3)4PSK信號(hào)的產(chǎn)生（以B方式為例）①直接調(diào)相法0-11+101a1b0②相位選擇法5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制（4）4PSK信號(hào)的解調(diào)(以B方式為例）5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制設(shè)φkcosφksinφk輸出abπ/4++113π/4-+015π/4--007π/4+-105.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制抽樣判決器判決方法（極性判決法）QPSK同樣會(huì)產(chǎn)生相位模糊現(xiàn)象，因此實(shí)際通信中大多采用QDPSK。3.四相制相對(duì)移相調(diào)制（QDPSK）(1)相位配置5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信息碼（絕對(duì)碼）1011000111100100△k90°180°0°-90°180°90°-90°0°4DPSK(k=△k+k-1)90°-90°-90°180°0°90°0°0°相對(duì)碼1001011100100000

01

11

10

0°

00

B方式

A方式ab

載波相位差Δφ

雙比特碼元90°270°180°-135°-45°45°135°（2）4DPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)（以B方式為例）5.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制QPSK調(diào)制器QPSK解調(diào)器5.4新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)一、正交振幅調(diào)制（QAM）1.背景

在MPSK系統(tǒng)中，M越大，系統(tǒng)的信息速率越高，但信號(hào)點(diǎn)距離減小，判決區(qū)域減小，使得噪聲容限減小，誤碼率難以得到保證。2.QAM概念可見：QAM是兩個(gè)正交的ASK合成的，故又稱正交調(diào)幅。5.4新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)3.MPSK和MQAM星座圖比較AMAMd1=0.393AMd2=0.471AM可見：當(dāng)平均發(fā)射功率相同時(shí)，16QAM比16PSK噪聲容限大4.12dB。MQAM特別適用于頻帶資源有限的場(chǎng)合。5.4新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)二、最小頻移鍵控（MSK：MinimumShiftKeying

）1.MSK原理一種包絡(luò)恒定的、帶寬最小、相位連續(xù)的改進(jìn)型2FSK。最小調(diào)制指數(shù)最小頻差5.4新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)（1）MSK數(shù)學(xué)表達(dá)式載波頻率ak=±1第k個(gè)碼元相位常數(shù)5.4新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)（2）MSK的相位連續(xù)性（相位網(wǎng)格圖）5.4新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)1-1-1-11-1111kf1f2f2f2f2f1f1f1f1/20-/2-k123456789k（3）MSK的波形圖舉例說(shuō)明

900-900-90090180905.4新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)（4）MSK的頻譜圖5.4新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)2.MSK調(diào)制方式特點(diǎn)(1)MSK信號(hào)包絡(luò)恒定。(2)連續(xù)相位。在一個(gè)碼元內(nèi)含有1/4載波周期的整數(shù)倍;附加相位線性變化±90°。(3)功率譜主瓣占據(jù)帶寬窄，且旁瓣衰減更快，對(duì)鄰近頻道干擾小，比2PSK具有更高的頻譜利用率，且抗干擾能