【2023】通信原理-第7章-20231201

移動通信國家重點實驗室東南大學(xué)通信原理教學(xué)團(tuán)隊

國家級一流本科課程

通信原理

數(shù)字調(diào)制第7章高等院校電子信息類重點課程名師精品系列教材

2知識要點幅移鍵控頻移鍵控相移鍵控正交幅度調(diào)制數(shù)字調(diào)制方式的比較3第7章數(shù)字調(diào)制

7.1引言47.1引言數(shù)字調(diào)制數(shù)字基帶信號來改變（鍵控）正弦載波的幅度、頻率或者相位，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)帶通信號傳輸幅移鍵控（ASK）相移鍵控（PSK）頻移鍵控（FSK）正交幅度調(diào)制（QAM）57.1引言67.1引言數(shù)字調(diào)制技術(shù)系列恒定包絡(luò)與非恒定包絡(luò)方案恒定：M-PSK，M-FSK非恒定：M-ASK，M-QAM線性與非線性方案線性：M-ASK，M-PSK,M-QAM非線性：M-FSK，M-OFDM77.1引言相干與非相干系統(tǒng)相干載波頻率和相位嚴(yán)格同步M-PSK，M-DPSK，M-QAM，M-OFDM非相干M-ASK，M-DPSK，M-FSK87.1引言數(shù)字調(diào)制技術(shù)的設(shè)計原則提高帶寬效率最小化誤碼率最小化平均功率信道非線性影響同步需求97.2帶通傳輸模型107.2帶通傳輸模型11系統(tǒng)模型采用信號空間分析法，對各種數(shù)字調(diào)制方式進(jìn)行研究，建立信號星座圖，構(gòu)造最佳接收機，并借助聯(lián)合界得到相應(yīng)的誤碼率。7.2帶通傳輸模型信號能量{si(t)},i=1…M每個符號的能量平均符號能量每比特平均能量127.2帶通傳輸模型13功率譜復(fù)包絡(luò)等效基帶信號單極性和雙極性不歸零信號的功率譜14單極性和雙極性不歸零信號的功率譜157.2帶通傳輸模型16帶寬效率兩個因素影響

多級編碼頻譜整形7.3幅移鍵控177.3幅移鍵控調(diào)制方案二進(jìn)制ASK，M進(jìn)制ASK主要內(nèi)容信號表達(dá)式信號空間圖誤碼率信號的產(chǎn)生與檢測功率譜，帶寬效率平均信號能量，最小能量187.3.1二進(jìn)制ASKBASK通斷健控197.3.1二進(jìn)制ASK信號空間207.3.1二進(jìn)制ASK信號能量21最小能量信號？7.3.1二進(jìn)制ASK22誤碼率發(fā)送符號為“0”誤判為17.3.1二進(jìn)制ASK23誤碼率7.3.1二進(jìn)制ASK24BASK的產(chǎn)生和檢測發(fā)射機相干接收機非相干接收機7.3.1二進(jìn)制ASK25功率譜7.3.1二進(jìn)制ASK26帶寬效率7.3.2M

進(jìn)制ASK定義與信號空間277.3.2M

進(jìn)制ASK信號空間28E0是最小幅度的信號能量7.3.2M

進(jìn)制ASK誤碼率297.3.2M

進(jìn)制ASK誤碼率307.3.2M

進(jìn)制ASK帶寬效率317.4頻移鍵控327.4.1二進(jìn)制FSK主要方案二進(jìn)制FSK（BFSK）最小頻移鍵控（MSK）多進(jìn)制FSK（M-FSK）337.4.1二進(jìn)制FSK定義正交性要求頻率設(shè)置相位連續(xù)性信號在每個Ｔb內(nèi)都包含有整數(shù)個周期的載波波形

34BFSK信號的正交性35Symble1Symble0碼元正交的條件36BFSK信號的正交性未知相位滿足正交性的最小頻率間隔為1/Tb(m=1)已知相位（?1-?2=0）滿足正交性的最小頻率間隔為1/2Tb(n=1)37BFSK信號的相位連續(xù)性相位連續(xù)性信號在每個Ｔb內(nèi)都包含有整數(shù)個周期的載波波形信號在每個Ｔb內(nèi)起始相位和結(jié)束相位都為0碼元變換時保持相位的連續(xù)性387.4.1二進(jìn)制FSK39信號空間7.4.1二進(jìn)制FSK40誤碼率7.4.1二進(jìn)制FSK信號能量41最小能量信號？7.4.1二進(jìn)制FSK427.4.1二進(jìn)制FSK相干BFSK信號的產(chǎn)生與檢測437.4.1二進(jìn)制FSK44非相干接收7.4.1二進(jìn)制FSK45功率譜如果h較小，功率譜將出現(xiàn)單峰如果h較大，功率譜將出現(xiàn)雙峰以功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算帶寬7.4.2最小頻移鍵控定義偏移率h=1/2是滿足正交性條件最小值。h=1/2且滿足相位連續(xù)性的二進(jìn)制FSK，稱為最小頻移鍵控（MSK）。467.4.2最小頻移鍵控MSK的相位信息信號在每個Tb內(nèi)沒有包含整數(shù)個載波波形周期，無法自然滿足相位連續(xù)性要求需要在每符號的傳輸信號中引入附加的初始相位，對相位進(jìn)行糾正，以滿足相位連續(xù)性要求477.4.2最小頻移鍵控48相位網(wǎng)格圖7.4.2最小頻移鍵控49相位網(wǎng)格圖7.4.2最小頻移鍵控50每條路徑都對應(yīng)于一個特定的相位序列，也對應(yīng)于一個特定的輸入符號序列。在MSK中對發(fā)射符號序列進(jìn)行檢測的過程，可以轉(zhuǎn)化為對相位序列進(jìn)行估計的過程。7.4.2最小頻移鍵控51每個相位的信息都蘊含在相鄰的兩符號的接收信號中。相位θ(0)蘊含在b?1和b0的接收信號中，相位θ(Tb)蘊含在b0和b1的接收信號中也就是說，相位θ(0)蘊含在持續(xù)時間為[?Tb,Tb]的接收信號中；相位θ(Tb)蘊含在持續(xù)時間為[0,2Tb]的接收信號中。7.4.2最小頻移鍵控52根據(jù)在[?Tb,2Tb]上的接收信號估計相位θ(0)和θ(Tb)7.4.2最小頻移鍵控537.4.2最小頻移鍵控54在[?Tb,Tb]上，同相分量是相同的在[0,2Tb]上，正交分量是相同的定義基函數(shù)7.4.2最小頻移鍵控55在[?Tb,Tb]上，得到對相位θ(0)的估計在[0,2Tb]上，得到對相位θ(Tb)的估計7.4.2最小頻移鍵控56判決準(zhǔn)則7.4.2最小頻移鍵控57信號空間7.4.2最小頻移鍵控58例7.1請畫出產(chǎn)生MSK信號序列1101000的過程中所出現(xiàn)的序列和波形?！窘狻?960FSK(MSK)畫圖技巧相位網(wǎng)格圖確定起始相位根據(jù)比特流的變化，確定相位的變化波形圖確定載波的起始相位確定載波頻率、碼元寬度確定載波頻率與碼元寬度的關(guān)系，確定一個碼元內(nèi)載波的周期數(shù)。畫出MSK波形圖注意在位變換的時候保持相位的連續(xù)性。7.4.2最小頻移鍵控61誤碼率7.4.2最小頻移鍵控62產(chǎn)生和檢測MSK的產(chǎn)生和檢測63MSK功率譜647.4.2最小頻移鍵控65MSK的應(yīng)用將數(shù)據(jù)通過一個沖激響應(yīng)由高斯函數(shù)定義的基帶脈沖整形濾波器，就可以在維持MSK信號恒定包絡(luò)的同時，使其功率譜也非常緊湊。這樣的二進(jìn)制調(diào)制方法就叫作高斯濾波MSK（或GMSK）。第二代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)GSM中，所采用的就是GMSK調(diào)制。7.4.3M

進(jìn)制FSK定義與信號空間667.4.3M

進(jìn)制FSK67帶寬效率7.5相移鍵控687.5相移鍵控二進(jìn)制PSK（BPSK）四進(jìn)制PSK（QPSK）多進(jìn)制PSK（MPSK）二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）697.5.1二進(jìn)制PSK70定義Symble1Symble07.5.1二進(jìn)制PSK71信號空間7.5.1二進(jìn)制PSK信號能量72最小能量信號？7.5.1二進(jìn)制PSK誤碼率73發(fā)送符號為0時，X1的條件概率密度函數(shù)為發(fā)送符號為0時，誤判為1的概率7.5.1二進(jìn)制PSK誤碼率747.5.1二進(jìn)制PSK75BPSK信號的產(chǎn)生和檢測1:x1>00:x1<07.5.1二進(jìn)制PSK76功率譜練習(xí)：BPSK波形考慮二進(jìn)制比特流為101101，試畫出其BPSK信號波形777.5.2四進(jìn)制PSK定義787.5.2四進(jìn)制PSK信號空間797.5.2四進(jìn)制PSK信號空間807.5.2四進(jìn)制PSK信號能量81最小能量信號？例7.2請畫出產(chǎn)生QPSK信號序列01101100的過程中所出現(xiàn)的序列和波形?！窘狻?2誤碼率接收信號x(t)觀察矢量X7.5.2四進(jìn)制PSK83QPSK誤碼率84一個QPSK系統(tǒng)相當(dāng)于兩個使用正交相位為載波的BPSK并行工作QPSK誤碼率85誤碼率也可以通過觀察信號空間圖推導(dǎo)出來7.5.2四進(jìn)制PSK86誤比特率對于相同的比特傳輸速率和Eb/N0，QPSK具有與BPSK相同的誤比特率，而信道帶寬僅為后者的一半。對于相同的Eb/N0和誤比特率，占用相同信道帶寬的QPSK，其比特傳輸速率是BPSK的兩倍。當(dāng)采用格雷碼時7.5.2四進(jìn)制PSK87QPSK的產(chǎn)生和檢測7.5.2四進(jìn)制PSK88功率譜QPSKv.s.BPSK897.5.3M

進(jìn)制PSK90定義信號空間7.5.3M

進(jìn)制PSK91信號空間7.5.2MPSK信號能量92最小能量信號？7.5.3M

進(jìn)制PSK93功率譜7.5.3M

進(jìn)制PSK94帶寬效率Mr誤碼率性能下降(需要增加Eb/N0)7.5.4二進(jìn)制差分相移鍵控2PSK接收機載波恢復(fù)中，相位存在0，模糊，導(dǎo)致解調(diào)器出現(xiàn)反相工作，恢復(fù)的信號“0”“1”倒置。2DPSK差分+PSK是一種非相干的PSK，其原理是利用前后相鄰碼元的載波相對相位變化傳遞數(shù)字信息?？梢韵邮諜C對相干參考信號的需要957.5.4二進(jìn)制差分相移鍵控2DPSK信號的產(chǎn)生差分規(guī)則：如果輸入符號bk是1，保持符號dk和前一符號一致如果輸入符號bk是0，將符號dk改為和前一符號不同對差分序列{dk}進(jìn)行2PSK調(diào)制967.5.4二進(jìn)制差分相移鍵控977.5.4二進(jìn)制差分相移鍵控98DPSK信號檢測DPSK信號檢測997.5.4二進(jìn)制差分相移鍵控100判決準(zhǔn)則：判斷x0和x1接近還是和?x1接近？7.5.4二進(jìn)制差分相移鍵控判決判斷x0和x1接近還是和?x1接近1017.5.4二進(jìn)制差分相移鍵控102產(chǎn)生和檢測差分相干接收機誤碼率7.5.4二進(jìn)制差分相移鍵控103相干解調(diào)法誤碼率7.5.4二進(jìn)制差分相移鍵控功率譜與PSK有相同的功率譜有相同的帶寬和帶寬有效性誤碼率誤碼率性能比BPSK差需要考慮解碼器對誤比特率的影響1047.6正交幅度調(diào)制1057.6正交幅度調(diào)制M

進(jìn)制QAM可以視為M進(jìn)制ASK的2維推廣1067.6正交幅度調(diào)制QAM星座圖(M=2n)正方形星座圖(n是偶數(shù))十字星星座圖(n是奇數(shù)）107例7.3請設(shè)計符合格雷映射規(guī)則的16-QAM消息點編碼方法?！窘狻?08例7.4請畫出5G中使用的256進(jìn)制QAM調(diào)制的星座圖?！窘狻扛鶕?jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)TS38.211，5G中使用的256進(jìn)制QAM定義如下109給定八個比特相應(yīng)的星座圖中的點為例7.4請畫出5G中使用的256進(jìn)制QAM調(diào)制的星座圖。5G中256進(jìn)制QAM調(diào)制的星座圖為110QAM信號能量1117.6正交幅度調(diào)制誤碼率112L進(jìn)制ASK誤碼率7.6正交幅度調(diào)制誤碼率1137.6正交幅度調(diào)制帶寬效率1147.7數(shù)字調(diào)制方式的比較1157.7數(shù)字調(diào)制方式的比較可靠性誤碼率BPSK、QPSK、BFSK、MSK有效性帶寬M-PSK,M-QAM,andM-FSK1167.7.1可靠性誤碼率1177.7.1可靠性118相干BPSK,QPSK,andMSK相干BFSK非相干

DPSK7.7.1可靠性119可靠性所有系統(tǒng)的誤碼率隨Eb/N0值的增加而單調(diào)減對任意的Eb/N0值，相干二進(jìn)制PSK、QPSK和MSK的誤比特率，比其他調(diào)制方式小。為得到相同的誤比特率，相干BPSK和BDPSK需要的Eb/N0值，比傳統(tǒng)的相干FSK和非相干FSK所需要的值小3dB。在相同誤比特率的情況下，相干FSK和非相干FSK比相干ASK和非相干ASK所需要的Eb/N0小3dB。7.7.1可靠性120可靠性在Eb/N0取較大值時，在相同傳輸速率和每符號信號能量下，相干或非相干二進(jìn)制DPSK與相干二進(jìn)制PSK的性能差別很小。7.7.2帶寬效率121M進(jìn)制PSK中QPSK在功率和帶寬需求之間有較好的折中。當(dāng)M>8時，要求的功率太大。就信號的產(chǎn)生和檢測過程來說，M進(jìn)制PSK比二進(jìn)制PSK需要更復(fù)雜的設(shè)備，特別是M>8時。7.7.2帶寬效率1227.7.2帶寬效率123當(dāng)M>4時，M進(jìn)制PSK的信號星座圖是圓形的，而M進(jìn)制QAM的信號星座圖是矩形的。M進(jìn)制PSK消息點之間的距離比M進(jìn)制QAM消息點之間的距離要小。在AWGN信道中，當(dāng)M>4時，M進(jìn)制QAM的差錯性能優(yōu)于M進(jìn)制PSK。7.7.2帶寬效率124M進(jìn)制FSK，給定誤碼率，M的增大將帶來功率需求的減小。這種發(fā)射功率的減小是以增大信道帶寬為代價得到的。M進(jìn)制FSK和M進(jìn)制PSK的特性相反，更適用于對帶寬效率要求不高的中、低速的數(shù)據(jù)傳輸。7