计算机通信-第6章 数字调制

1、引言引言1ASK(振幅键控振幅键控)2FSK (频率键控频率键控) 3PSK(相位键控相位键控 )4三种二进制数字调制比较三种二进制数字调制比较 56多进制数字调制多进制数字调制 现代数字调制现代数字调制 7( )()kBks ta g tnT单极性单极性NRZ码码数字基带信号对载波的双边带调制数字基带信号对载波的双边带调制1 1 1100 0ttt载波信号2ASK信号bT( )s t( )( )cos2()cos2( )()11( ),00ASKckBckkBkkStS tf ta g t kTf tS ta g t kTg ta式中：为基带信号(亦称调制信号)“”码表示基带信号为不归零矩形

2、波形“”码单极性的随机单极性的随机矩形脉冲序列矩形脉冲序列 方法一方法一模拟调制的相乘法，将数字基带信号看成是模拟信号的特例模拟调制的相乘法，将数字基带信号看成是模拟信号的特例 方法二方法二数字键控法：利用代表数字信息（数字键控法：利用代表数字信息（“0”或或“1”）的基带矩形）的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波脉冲去键控一个连续的载波通断键控（通断键控（OOK）2ASK信号的产生信号的产生22ASKgBBBf( )in t( )( )cos2( )sin2iccscn tn tf tn tf tx带通滤波器抽样判决器低通滤波器+( )in t( )x t2cos2cf t( )n t( )A

3、SKSt 1cos2cos2( )cos2( )cos2( )sin2( )cos2( )sin2cos2( )cos2( )sin2cos2ccicccscccsccccsccaf taf tn taf tn tf tn tf tan tf tn tf tf tan tf tn tf tf t(1) 当发“”码时，信号为：则带通滤波器输出信号与噪声为：经乘法器乘2后为：22201cos(1 cos2 )21sincossin22( )cos2( )sin2cos2( ) ( )cos4( )sin4( )( )0( )( )( )(2ccscccccscccnBccan tf tn tf t

4、f tan tan tf tn tf tn tE n tD n tnx tan tx tf运用三角公式：则乘法器输出为：2经低通后零均低通型高斯噪声，)a是均值为 的高斯分布( )( )(2)000( )( )ccanx ttn tx t当发“ ”码时，“ ”码的幅度为零，即零均低通型高斯噪声均值为0的高斯分布112211221(4)012( )12( )02(0)(1/ 0)(1)(0 /1)(0)(1) (0 /1)1222112212122ennneaax tax tPPPPPPPPaerfcSrNaSarerNrPerfc 误码率计算：判决电平：“ ”、“ ”码等概时，判决电平取误码率

5、最小判“ ”码判决准则：判“ ”码误码率计算：令称“ ”码信噪比14rfc带通滤波器抽样判决器包络检波器+( )in t( )x t( )n t( )ASKSt定时脉冲cos2caf t( )1( )0(0) (1/ 0)(1) (0 /1)optoptoptebx tbx tbPPPPP 判决电平：两曲线交点对应的电压-判“”码判决准则：判“ ”码误码率计算：141121rerPe经 推 导 计 算式 中为 “ ” 码 信 噪 比1,cr1,Nr1,1,NcrdBr2 键控法键控法 由二进制数字由二进制数字信号通过电子开关控制两信号通过电子开关控制两个载波的输出，产生的个载波的输出，产生的F

6、SK信号在码元转换时刻信号在码元转换时刻相位不连续。相位不连续。调频法调频法 数字基带信号数字基带信号对载波进行调频，产生对载波进行调频，产生连续相位的连续相位的FSK信号。信号。12( )()cos2()cos21100FSKkBkBkkkSta g tkTf ta g tkTf ta“”码,对应概率为P“ ”码,对应概率为(1-P)11222,423BFSKBFSKBFSKBfffBBfffBff当 用 动 态 滤 波 器 时 ， 最 小取连续谱：由基带信连续谱：由基带信号波形号波形g(t)确定确定 离散谱离散谱：由载波：由载波分量确定分量确定 若载频之差大于若载频之差大于fs，则连，则连

7、续谱将出现双峰续谱将出现双峰 若两个载波频差较小，比若两个载波频差较小，比如小于如小于fs，则连续谱在，则连续谱在fc处出现单峰处出现单峰0.8bf12sffhf122Dfff频移指数频移指数频偏频偏2FSK信号的第一个零点带宽为信号的第一个零点带宽为212FSKffB大，大频带利用率低，但解调时容易可用频带利用率低，但解调时容易可用BPFBPF分离两分离两个频率信号。个频率信号。212FSKffB小，小系统的频带利用率高，但解调复杂。系统的频带利用率高，但解调复杂。212sfff出现主瓣混叠，要用匹配滤波器检测。出现主瓣混叠，要用匹配滤波器检测。2FSK212BBfff+带通带通2带通带通1

8、低通低通比较判决比较判决xx低通低通12cos2f t1( )int22cos2f t2( )int( )n t2x1x1112211222( )( )( )( )ccccxantfxntxntfxant当发送 时当发送 时1211220( 1)0( 0)xxfxxf判 输 入 为信 号“ ” 码判 输 入 为信 号“ ” 码112121221212121211221222( )( )0( )( )01( ) ( )( )( )00( )( )( )(02)0)1cccccccccczznzzfxxantntantntfxxntantantntntntn tn tfxxan tfxx 当发送时

9、判“”码当发送时判“ ”码令：均值为的正态分布，方差为：当发送时判“”码当发送时2222()21()22( )001( )(-)21( )( )2zzzz azzz azzaaan tan tf zean tfze 均值判“ ”为 的正态布均码分布值为分布的正态布12121221121221122122( ) (/)() (/)(/)(/) ( )() (/)( )()1(/)1221222122eeznnPP f P ffP f P ffP ffP ffPP fP fP ffP fP fP ffaerfcaaerfcrrerfc因为:因+带通带通2带通带通1包络解调包络解调包络解调包络解调1

10、( )int2( )int( )n t比较判决比较判决2x1x11212212xfxxfxVV 莱斯分布当发 时正确判决：莱斯瑞利瑞利分布瑞利分布当发 时正确判决：莱斯瑞利莱斯分布设：为莱斯分布为瑞利分布其概率分布曲线如下图：1221212221042()()()()1212neeVarPPP VVPf Vf V dV dVee则：莱斯瑞利22212l22n12122CNeCeNxeCrCeCCreNeCeCNCNPPeerfc xPxrPerfcerPerPPrr相干解调误码率记为，非相干解调误码率记为运用近似公式：化简令：，则 crNrNcrdBr 0002cos(2)1cos(2)011

11、( ) cos(2)( )10( )( )()()( )( )cccCPSKaf taf tS t af tS tS tS tC tSSStCtP Kd“”码同相如：“ ”码反相“”码“ ”码、及波形如下页画波形，必须图中为双极性数字基带信号，如先画载波 特别是非整数倍周图下图所示期情况页CPSKCPSK波形：波形：向量差：本码元初相与前一码元终相之差所谓相位的变化相位差：前后两码元初相之差222( )( )( )( )( )CPSKDPSKDPSKS tC tStStSt、向量差、相位差、等五种波形如下页图所示(以1.5倍。周期作图)cos4cos(41.2cos(22 )co)sccccf

12、 tf tf tf t从数学表二分频存在相位模糊，可从三个方面二分频后来说明：达式10绝对码绝对码/相对码变换相对码变换CPSK调制调制( )S t( )DPSKSt2DPSK2PSK2BBBfPSK信号功率谱密度信号功率谱密度+带通带通低通低通抽样判决抽样判决x2cos2cf t( )n t( )x t相对相对/绝对码变换绝对码变换1( )cos21( )0( )cos20( )( )1( )( )0CPSKccCPSKccccStaf tASKan tStaf tASKan tan tx tan t 当输入为“”码时：与“”码时完全相同解调输出为：当输入为“ ”码时：与“ ”码时不同则解调

13、输出为：“”码“ ”码22112222/2ennenPSKaaPerfcerfc rrDPSKaPerfcerfc r对C信号解调：对信号解调，需增加相对码 绝对码变换器，通常误码率增大一倍x+带通带通( )n t低通低通抽样判决抽样判决( )x t相对相对/绝对码变换绝对码变换BT22/122/renreDPSKaPerCPSKPe对信号解调，不需要加相对码 绝对码变换器经推导误码率为：对信号解调，因需增加相对码 绝对码变换器，通常误码率增大一倍 crNrNcrdBr/ 41124rrerefcr4411(/2)4212rrerfcree/ 212122rrerrfce212re1212re

14、rfcrerre211reerfcrr re (0) (0/0)(1) (1/1)(2) (2/2)() (/)ePPPPPPPP N P N N型矢量图4型矢量图2型星座图型星座图42Quatrature Amplitude Modulation(QAM)Quatrature Amplitude Modulation(QAM) 在移动通信中在移动通信中频谱利用率频谱利用率一直是人们关注的一直是人们关注的焦点之一，随着微蜂窝（焦点之一，随着微蜂窝（MicrocellMicrocell）和微微蜂窝）和微微蜂窝（PicocellPicocell）系统的出现，使得信道的传输特性发）系统的出现，使得信

15、道的传输特性发生了很大变化，接收机和发射机之间通常具有很强生了很大变化，接收机和发射机之间通常具有很强的的直达分量直达分量，以往在蜂窝系统中不能应用的但频谱，以往在蜂窝系统中不能应用的但频谱利用率很高的利用率很高的M-QAMM-QAM已引起人们的重视，许多学者已引起人们的重视，许多学者已对已对16QAM16QAM及其它变型的及其它变型的QAMQAM的应用进行了广泛深入的应用进行了广泛深入地研究。地研究。 PSKPSK调制存在的问题：调制存在的问题： 用两个独立的基带数字信号对两个相互正用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利交的同频载波进行抑制载波的双边带调

16、制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输来实现两路并行的数字信息传输。 1. MQAM1. MQAM调制原理调制原理( )()cos()()sin() nCnCnns ta g tnTtb g tnTt当当a an n和和b bn n是双极性信号时，表示是双极性信号时，表示4QAM4QAM。QAMQAM信号调制原理图信号调制原理图2到 L电 平 变 换2到 L电 平 变 换预 调 制LPF预 调 制LPF串 / 并 变 换costsintAmBmy(t)已 调 信 号 输 出抑制已调信号的带外辐射抑制已调信号的带外辐射

17、利用利用AmAm和和BmBm组成信号矢量，该矢量的分布图称组成信号矢量，该矢量的分布图称为为星座图星座图。通常，可以用星座图来描述。通常，可以用星座图来描述QAMQAM信号的信信号的信号空间分布状态。号空间分布状态。4QAM和和16QAM的星座图的星座图AmjBm MQAM MQAM信号的星座图信号的星座图M4M16M256M128M64M32 (a) 方型16QAM星座； (b) 星型16QAM星座( 2.61,0)( 4.61,0)(2.61,0)(4.61,0)(0,2.61)(0,4.61)(0, 4.61)(0, 2.61)( 3,3)( 3,1)( 3,1)( 3, 3)(3, 3

18、)(3,1)(3,3)( 1, 1)( 1,1)(a)(b) 若已调信号的最大幅度为若已调信号的最大幅度为1 1，则，则MPSKMPSK信号星信号星座图上信号点间的最小距离为座图上信号点间的最小距离为 d dMPSKMPSK=2 sin =2 sin M 而而MQAMMQAM信号矩形星座图上信号点间的最小信号矩形星座图上信号点间的最小距离为距离为dMQAM2211LM当当M=16M=16时，时，d d16QAM16QAM=0.47=0.47，而，而d d16PSK16PSK=0.39=0.39，d d16PSK16PSKd d16QAM16QAM。16QAM16QAM系统的抗干扰能力优于系统的

19、抗干扰能力优于16PSK16PSK。性能比较性能比较 MQAMMQAM信号可以采用正交相干解调方法。信号可以采用正交相干解调方法。2 2、MQAMMQAM解调原理解调原理LPF多电平转换定时恢复多电平判决LPFL到 2电平变换并 / 串变换载波恢复L到 2电平变换 存在噪声情况下，接存在噪声情况下，接收端收到的收端收到的QAM信号！信号！M进制方型进制方型QAM的误码率曲线的误码率曲线 6420246810121416182022PSKM 32QAMM 16QAMPSKM 4PSKM 16QAMM 6410 625510 5210 42510 32510 22510 1PMSNR / bit

20、/ dB小结：小结： AB+交错分配交错分配cos 2cf移相移相2单单/双变换双变换 单单/双变换双变换 xxBfBf122BBfffhRR偏移率:()BBfR001210200011000,100012.250,225020.5410000.25442.2500.252.52.2500.252110002.2512250BBBBBBBRBTfkHzTffRfhfRRRfkHzfffkHzfffkHzTNT 若设则;载波则偏移率设:在一个码元周期内载波的周期数:个11122211 0 0 02 .512 5 0 011 0 0 0212 0 0 0BBfTNTfTNT在 一 个 码 元 周 期 内的 周 期 数 :个在 一 个 码 元 周 期 内的 周 期 数 :个 MSK MSK调制方式的突出优点是已调信号具有恒定包调制方式的突出优点是已调信号具有恒定包络，且功率谱在主瓣以外衰减较快。但是，在移动络，且功率谱在主瓣以外衰减较快。但是，在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求