通信原理第八章数字调制系统

1、通信原理第八章 数字调制系统严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统本章结构n8.1 二进制数字调制原理及频谱特征n8.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能n8.3 多进制数字调制系统n8.4 现代数字调制系统简介和发展趋势严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统复习调制的分类调制正弦波调制脉冲调制t模拟调制数字调制t严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统复习数字调制解调所在位置信信源源信信源源编编码码信信道道编编码码数数字字调调制制信道信道噪声源噪声源数数字字解解调调信信道道译译码码信信源源译译码码信信宿宿数字通信系统框图严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.1 二进制数字调制

2、原理及频谱特征n8.1.1 二进制幅移键控(2ASK/即2进制数字调幅)（1）2ASK波形严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)2ASK表达式ttsteASKc2cos)()(从上图不难看出tnTtganncscos)(的表达式号章中学过的数字基带信我们在第)(7tsPPan1, 0, 1出现概率出现概率为其中单极性不归零信号为注意此处)(ts严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(3)2ASK的调制n模拟法把s(t)当成模拟信号进行调幅处理)(tstccosttstScASKcos)()(2严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(3)2ASK的调制n键控法（用数字开关控制载

3、波的通断）严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统键控法具体实现电路举例(1)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统键控法具体实现电路举例(2)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(4)2ASK的解调n2ASK可以采用2种解调方法相干解调非相干解调严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK的相干解调)(2teASKtccost低通滤波抽样判决tt严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK的非相干解调)(2teASKt包络检波低通滤波抽样判决严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2ASK的功率谱密度n因为2ASK由单极性不归零波乘以载波而得到,所以其功率谱密

4、度为)()(41)(cscs2ASKffPffPfP)()(161)()(16122cccscssffffffTSaffTSaT严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2ASK的功率谱密度单极性不归零码功率谱单极性不归零码功率谱2ASK功率谱功率谱0sf2sf)(fPssfsf2ffscff scff cfcf0)(2fPASKsf2严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(6)2ASK的带宽和频带利用率BRfB22sASK2从功率谱图中可看出)(2122ASK2HzBaudRRBRBBASKB所以其频带利用率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统为了限制频带，可将基带信号变为余

5、弦滚降信号后再进为了限制频带，可将基带信号变为余弦滚降信号后再进行行2ASK调制，其调制框图如下：调制，其调制框图如下：BPF基带信号基带信号tccos)(0te余弦滤波器余弦滤波器则经过余弦滤波器后基带信号带宽则经过余弦滤波器后基带信号带宽 ，sBfRB2121 2ASK信号的带宽为信号的带宽为 ,sfBB)1 (2ASK信道利用率为信道利用率为 。)/(11)1 (ASKHzBffBRssB严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.1.2 二进制频移键控(2FSK/即2进制数字调频)n（1）2FSK波形原始信息原始信息ttt2ASK2FSK严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2

6、)2FSK的表达式t2FSK可分可分解成解成tt可见可见2FSK可看作是可看作是2个个2ASK信信号之和号之和tnTtgann1scos )(tnTtgann2scos )(严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)2FSK的表达式tnTtgatnTtgatennnn2s1s2FSKcos )(cos )()(即严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统 调频器模拟)(FSK2te)(ts振荡器）（二进信息NRZ倒相振荡器门相加门2f1f)(b)(a)(FSK2te(3)2FSK的调制严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(4)2FSK的解调n相干解调相干解调n非相干解调非相干解调包

7、络检波法包络检波法过零检测法过零检测法差分检波法差分检波法严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统 位定时t2cost1cos输出相乘器1BPF1LPF抽样判决21)(te2FSK相乘器2BPF2LPF)(2ty)(2tx)(1tx)(1ty（a）n相干解调相干解调严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统 位定时)(2tv)(1tv)(2ty)(1ty)(te2FSK输出抽样判决包络检波2BPF1BPF包络检波2101输出位定时2v1v2y1y01FSK2e（b）严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统n 解调2FSK信号还可以用鉴频法、过零检测法及差分检波法等。n 过零检测法的基本思想

8、是，利用不同频率的正弦波在一个码元间隔内过零点数目的不同，来检测已调波中频率的变化。其原理框图及各点波形如下图所示。严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统g位定时 gfedcba位定时抽样判决LPF脉冲展宽整流微分限幅严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2FSK的功率谱密度ttsttsteteteFSK21212cos)(cos)()()()(ASK21为中心的以ASK22为中心的以P2FSK( f )= P1( f ) + P2( f ) P1( f )= Ps( f + f1 )+Ps( f - f1 ) 41P2( f )= Ps( f + f2 )+Ps ( f - f

9、2 ) 41严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2FSK的功率谱密度 fbO fb f Pg( f )(a) f2 f1Ofbf1 f2 f1f2fb f(b) PFSK( f )基带信号功率基带信号功率谱密度谱密度2FSK信号功率谱密度信号功率谱密度ssss严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(6)2FSK信号的带宽和频带利用率BsFSKRfffffBFSK2|2|212122信号带宽为从图中可以看出)(212|1222HzBaudRffRBRBBFSKBFSK严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.1.3 二进制相移键控(2PSK/即2进制数字调相)n(1)2PSK

10、波形原始信息原始信息tt2PSKt载波载波100110严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)2PSK的表达式n从上图可以看出2PSK可以看作是双极性双极性数字基带信号与载波直接相乘的结果tnTtgaennPSKcs2cos)(PPan1, 1, 1出现概率出现概率为其中严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(3)2PSK的调制（1）模拟法）模拟法 tccos乘法器)(0te双极性码（2）键控法）键控法K开关电路)(ts移相移相0tccos)(0te严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(4)2PSK的解调注意:n2PSK只能采用相干解调相干解调,因为发”0”或发”1”时,采用

11、相位变化携带信息采用相位变化携带信息。n具体地说：其振幅不变(无法提取不同的包络)频率也不变(无法用滤波器分开)此知识点经常在各类考试中出现此知识点经常在各类考试中出现严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统 输出判决器抽样LPF相乘器BPF位定时dcbatccos)(0te1000111输出位定时dcba1000111严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统1011输出位定时dcba1000111110结论：结论： 2PSK信号是用载波相位的绝对值来表示数字信息的，所以又称为绝信号是用载波相位的绝对值来表示数字信息的，所以又称为绝对移相。对移相。 相干解调时，接收端的本地载波必须与发送载

12、波同频同相。相干解调时，接收端的本地载波必须与发送载波同频同相。 若本地载波产生若本地载波产生180倒相时解调出的数字基带信号将全部出错，即倒相时解调出的数字基带信号将全部出错，即出现出现“倒倒”现象。现象。严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.1.4 二进制差分相移键控(2DPSK)n为了解决2PSK解调中的“相位模糊”问题，人们发明了2DPSKn(1) 波形t2PSKt载波载波100110t2DPSK初始相位初始相位严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)差分编码与2DPSK的关系n复习第七章中差分码的复习100110t差分编码差分编码初始电平初始电平000110t如果我们

13、对差分编码以后的码进行直接如果我们对差分编码以后的码进行直接2PSK调制调制差分编码差分编码后的后的2PSK就是原码就是原码的的2DPSK又称又称“绝对码绝对码”又称又称“相对码相对码”严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(3)2DPSK信号的产生方法带通滤波器cosct输出an(a)差分编码器极性变换器bn2DPSK信号绝绝对对码码相相对对码码2PSK调制调制s严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(4)2DPSK的解调n相干解调先对2DPSK进行2PSK解调，得到相对码，再进行差分译码，得到绝对码n差分相干解调采用延时和乘法器电路，使前后波形相同和不同时，输出的结果不同，从而实现

14、直接解调，无须进行差分译码严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2DPSK的相干解调)(2teDPSKtccost低通滤波抽样判决t2DPSKt载波载波000110(1)10差分译码0101100110严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统差分译码器的内部结构s严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2DPSK的差分相干解调)(2teDPSK延迟延迟Tst2DPSK2DPSK延迟Tst低通滤波抽样判决(低电平判1)100101t100110严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统小结：小结：（1）在）在2DPSK的相干解调过程中，若解调端的本地载的相干解调过程中，若解调端的本地载波

15、出现波出现180倒相时，系统的输出只在倒相的那一位出现倒相时，系统的输出只在倒相的那一位出现错码，而不会出现成串错码。同学们可自行画出波形图错码，而不会出现成串错码。同学们可自行画出波形图验证。验证。（2）在）在2DPSK的差分相干解调中，由于不需要用本地的差分相干解调中，由于不需要用本地载波参与解调，因此避免了载波参与解调，因此避免了“倒倒”现象。现象。严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2PSK和2DPSK的功率谱n由于它们看作是“双极性不归零码”与载波相乘的结果，所以)()(41)(cscs2(D)PSKffPffPfP型的功率谱是双极性不归零基带码其中)(sfP)(7fPs

16、章知识根据第)(22ssfTSaTA严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2PSK和2DPSK的功率谱)()(Sa4)(222(D)PSKscscsTffSaTffTfPf2(D)PSK的功率谱的功率谱sfB2双极性不归零码的功率谱双极性不归零码的功率谱严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(6)2(D)PSK的带宽和频带利用率BDRfB22sPSK)(2从功率谱图中可看出)(212)(2PSK)(2HzBaudRRBRBBPSKDBD所以其频带利用率BDRBBBASK22PSK2PSK2ASK2情况可知总结)(21PSK2PSK2ASK2HzBaudD严谨 严格 求实 求是第八

17、章 数字调制系统8.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能n2ASK的抗噪声性能非相干解调的误码率相干解调的误码率n2FSK的抗噪声性能非相干解调的误码率相干解调的误码率n2PSK相干解调的误码率（也只能相干解调）n2DPSK差分相干解调的误码率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统一、2ASK的抗噪声性能”时发“”时发“01, 0,cos)(2tAtecASK噪声ni(t)和有用信号e2ASK(t)的合成信号为yi(t) ”时发“”时发“01)()(cos)(tntntAtyiici严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统 经过BPF之后，有用信号被取出，而高斯白噪声变成了窄带高斯噪声n(

18、t)，这时的合成信号为y(t) ”时发“”时发“01)()(cos)(tntntAtyc”时发“”时发“01t(t)sinn- t(t)cosnsin)(cos)(csccttnttnAcscc此步参见此步参见3.7节公式（节公式（3.7.2）严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统n2ASK信号经过包络检波器，输出为时发时发0 )()(1 )()()(2222tntntntnAtvscsc根据根据3.8节的结论，正弦波加窄带随机过程包络分布服从节的结论，正弦波加窄带随机过程包络分布服从Rice分布分布),)(2exp()()(2222021不用记公式了解即可nnnavvIvvf根据根据3.

19、7节的结论，窄带随机过程包络分布服从瑞利分布节的结论，窄带随机过程包络分布服从瑞利分布)2exp()(2220nnvvvf1.非相干解调系统误码率的分析严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统瑞利分布和莱斯（Rice）分布瑞利分布瑞利分布莱斯分布莱斯分布严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK非相干解调时的误码率n设发“1”，发“0”等概率)0/1 () 1/0(21)0/1 ()0() 1/0() 1 (ePPPPPPP22d)(21d)(2101AAvvfvvf4e21r式中，r=A2/(2 )为输入信噪比2n严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2.相干解调系统误码率的分

20、析n由于无论相干或非相干，接收端首先都要经过带通滤波器来滤出带外噪声，剩下带内噪声和信号，故带通滤波器的输出仍然是”时发“”时发“01)()(cos)(tntntAtyc”时发“”时发“01t(t)sinn- t(t)cosnsin)(cos)(csccttnttnAcscc与非相干解调不同，相干解调时，上述信号要与非相干解调不同，相干解调时，上述信号要经过的不是包络检波器，而是乘法器经过的不是包络检波器，而是乘法器严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK相干解调时乘法器的输出”时发“”时发“01,sincos)(cos)(,sincos)(cos)(cos)()(22tttnttn

21、tttnttnAttytzccsccccsccc”时发“”时发“01,2sin)(21)2cos1 (2)(,2sin)(21)2cos1 (2)(ttnttnttnttnAcscccscc经过经过LPF（低通滤波（低通滤波器）和放大器器）和放大器后，得后，得 ”时发“”时发“01)()()(tntnAtxcc严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK相干解调时“1”和“0”的分布”时发“”时发“01)()()(tntnAtxcc根据根据3.7节的知识，节的知识，nc(t)是一个高斯随机噪声，所以是一个高斯随机噪声，所以2222202)(1exp21)(exp21)(nnxnAxnxf

22、xf其分布与二进制基带单极性不归零码的分布完全相同其分布与二进制基带单极性不归零码的分布完全相同其实这并非偶然，根本原因是其实这并非偶然，根本原因是2ASK由二进制基带单极性不归零码由二进制基带单极性不归零码与载波相乘得到，而相干解调可以认为是调制的逆（还原）过程，与载波相乘得到，而相干解调可以认为是调制的逆（还原）过程，都是频谱的线性搬移。都是频谱的线性搬移。严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK相干解调时“1”和“0”的分布)0/1 ()0() 1/0() 1 (ePPPPPxxfxxfAAd)(21d)(2102/12/n22erfc21A)(2erfc21为信噪比其中rr严

23、谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统二、2FSK解调的误码率n由于2FSK的解调，无论是相干解调，还是非相干解调，都是将2FSK通过滤波器分成2个2ASK来解调，最后进行“比较判决”（可复习图8.6的a,b）n所以2FSK解调的误码率与2ASK的误码率有着紧密的对应关系n由于每一路在“比较判决”之前都与1路2ASK完全一样，所以“比较判决”是影响误码率的关键严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统单一门限判决与“比较判决”的区别以发以发“1”（高电平）、包络检波为例（高电平）、包络检波为例单一门限判决（如单一门限判决（如2ASK）比较判决（如比较判决（如2FSK）At2/AAt第第1路输

24、出路输出第第2路输出路输出噪声噪声容限容限噪声噪声容限容限可见可见2FSK的比较判决使得噪声容限从的比较判决使得噪声容限从A/2扩大到扩大到A,同时同时2路的噪声不是简单叠加关系，故可降低误码率路的噪声不是简单叠加关系，故可降低误码率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统1. 2FSK非相干解调的误码率n可以通过对概率密度积分或矢量法分析来证明：n比较判决比较判决比单一门限判决单一门限判决相当于把信噪比提高了1倍n所以非相干解调时24e21e2122 .rrFSKeP严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2. 2FSK相干解调的误码率n同样比较判决比较判决比单一门限判决单一门限判决相当

25、于把信噪比提高了1倍2erfc2122erfc212 .rrPFSKe严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统三、2PSK解调的误码率分析n2PSK只能采用相干解调n其分析方法与2ASK非常类似，只不过分布图改为n事实上由于2PSK是由双极性码乘以载波得到的，峰峰值是2ASK的2倍，故信号功率是2ASK的4倍，即信噪比提高到原来的4倍f1(x)P(1/0)P(0/1)f0(x) a aOxf(x)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统n所以2PSK的误码率为rrPPSKeerfc2124erfc212 .严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统四、2DPSK的差分相干解调法的误码率n以

26、发“0”时为例（即前后波形相同）ttnttnAtyacsccsin)(cos)()(),14. 8(111输入为可认为是当前码元点图无延迟的支路ttnttnAtybcsccsin)(cos)()(),14. 8(221输入为可认为是前一码元点图经过延迟的支路)()()()()(,2121tntntnAtnAtxsscc为再经过放大后经过低通二者相乘严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统)()()()()(2121tntntnAtnAtxsscc 在噪声功率较小时，上式近似等于在噪声功率较小时，上式近似等于2ASK包包络检波时，输出包络的平方（参见式络检波时，输出包络的平方（参见式8.4.6

27、），而），而2DPSK是双极性的，故相当于信噪比提高到是双极性的，故相当于信噪比提高到2ASK（非相干解调）的（非相干解调）的4倍。倍。rDPSKerPe21e214.2 .4差分相干严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统小结：2ASK,2FSK,2(D)PSK比较n1、误码率在相同解调方式下(例如都用相干解调)，误码率由大（坏）到小（好）排列为2ASK误码率 2FSK误码率2PSK对于同一系统（例如2ASK），相干和非相干解调的误码率关系为非相干解调误码率相干解调误码率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统小结：2ASK,2FSK,2(D)P

28、SK比较n2、判决门限2FSK采用比较判决，因此不需要判决门限2PSK与2DPSK由于采用双极性码产生，所以判决门限为02ASK由于在信道中有衰减，而如果衰减程度不可知，则判决门限也变得不固定严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统小结：2ASK,2FSK,2(D)PSK比较n3、频带宽度和频带利用率由前面的分析可知BFSKBDRffBRBBB2|2122PSK2PSK2ASK2FSK2PSK2PSK2ASK2)(21HzBaudD严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统例题(课后习题8.9)dBNSdB9解：94. 710109dBNSr4 . 1erfc212erfc21rPe0238

29、. 0eP查表可得4/210238. 0,reeP则同时要保持误码率不变即非相干解调时若采用包络解调)0238. 02ln(4r2 .12dBdB9 .10值为换算成严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.3 多进制数字调制系统n采用多进制数字调制系统的优缺点n优点大大提高了传信率和频带利用率n缺点降低了噪声容限，需要更好信道或更高功率设备复杂度大大提高MRRBb2logBRbb严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.3.1 MASK（多进制数字调幅）调制原理n（1）波形,以4ASK为例4进制基带信号进制基带信号4ASK信号信号可见可见MASK信号可由单极性多进制基带信号乘以载波得

30、到信号可由单极性多进制基带信号乘以载波得到严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统（2）MASK波形的分解可见可见MASK信号可看作多个信号可看作多个2ASK信号的叠加，因此功率谱为信号的叠加，因此功率谱为严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统（3）MASK的功率谱fcf的功率谱)(1te的功率谱)(2te的功率谱)(3tescff scff sMASKfB2严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统（4）MASK带宽和频带利用率BMRfB22sASK从功率谱图中可看出BBMASKbbRMRBR2log2所以其频带利用率)/(2log2HzsbitM严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制

31、系统例题求传码率为1000波特的16进制ASK系统的带宽和频带利用率；若采用2进制ASK，传码率不变，带宽和频带利用率又是多少？)(2000216HzRBBASK解：)/(2216log2log2216HzsbitMASK)(200022HzRBBASK)/(2122log2log222HzsbitMASK严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)MASK的调制和解调n调制与2ASK原理完全相同，只不过输入的s(t)是多电平信号。n解调与2ASK解调基本一样，只是最后判决的时候需要多个判决门限由于判决门限多而且不确定（与信道衰减程度有关），所以MASK在实际中很少应用严谨 严格 求实 求

32、是第八章 数字调制系统8.3.2 MFSK（多进制数字调频）调制原理n（1）波形，以4FSK为例t4FSK302130要注意在实际中要注意在实际中4个载波频率都远远高于码元速率个载波频率都远远高于码元速率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)MFSK的调制二二进进制制111113-8译码器译码器10012ASK开关电路开关电路无信号无信号无信号无信号fm信号信号fm信号信号译码器实际上就是一个逻辑电路图中从上面分析可知m-k,km2必有严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(3)MFSK的解调滤除带外噪声滤除带外噪声与与2FSK原理一样，只不过变成多路原理一样，只不过变成多路8-

33、3编码器编码器fm信号信号无信号无信号无信号无信号fm信号信号001111111从整个调制解调过程可以看到，从整个调制解调过程可以看到，MFSK基本上继承了基本上继承了2FSK的思想，把波形分解成的思想，把波形分解成M个个ASK来分别处理来分别处理严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(4)MFSK的功率谱和带宽smMFSKfffB2|1从图中可以看出sLHMFSKfffB2|也可以写成P( f )Of1f2f3fmffb2fDfb1ffmsfsf严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)MFSK的频带利用率则的主瓣都恰好不重叠假设,.,21mfffsmfmff2) 1(1smfmf

34、f) 1(21即sssMFSKmfffmB22) 1(2sBMFSKbMFSKbmfMRBR2log2.BsRfMm,MASKbMFSKbMM.2.2log所以所以MFSK在实际中并不常用在实际中并不常用严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.3.3 MPSK（多进制数字调相）调制原理n星座图的概念和物理意义参考相位参考相位为例来说明以 PSK2（在这里可（在这里可以认为是载以认为是载波相位）波相位）发发“1”时与载波同相时与载波同相发发“0”时与载波反相时与载波反相原原点点可以看出，如果确定了原点和参考方向，这些矢量可以看出，如果确定了原点和参考方向，这些矢量可以分别用可以分别用1个星

35、座点来表示，如图个星座点来表示，如图10严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK（/2系统）的星座图n同理，对2PSK进行推广，当采用4PSK时n我们可以令发“00”时，使产生波形与载波同相（相位差=0）发“11”时，使产生波形与载波反相（相位差=）发“10”时，使产生波形与载波相位差=/2发“01”时，使产生波形与载波相位差=-/2参考相位参考相位00111001严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK（/2系统）的波形2302014进制数据进制数据2进制数据进制数据101100100100参考载波参考载波t)2(4系统PSKt2进制数据进制数据与载波相位差与载波相位差0

36、0010/21101-/2波形时要与载波比较画 PSK4严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK（/4系统）的星座图如果令发“11”时，使产生波形与载波相位差= /4发“10”时，使产生波形与载波相位差= -/4发“01”时，使产生波形与载波相位差= 3/4发“00”时，使产生波形与载波相位差= -3/4参考相位参考相位11100100严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK（/4系统）的波形2302014进制数据进制数据2进制数据进制数据101100100100参考载波参考载波t)4(4系统PSK2进制数据进制数据与载波相位差与载波相位差00-3/410-/411/401

37、3/4波形时要与载波比较画 PSK4t严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统各种MPSK星座图举例(形式一)相10相0体系相110相00相1001相(4相)相1100相000相101011(8相)相100相111010相相相0011相相(2相)(形式二)体系11相10相相0001相(4相)相010相011001相000相100(8相)相相111101相 110(2相)相022234343224424243434485878388838587严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK（/2系统）的调制串/并变换输入信息选相电路带 通QPSK信号0四相载波发生器223属于模拟选通电路属

38、于模拟选通电路（例如（例如CD4051等）等）严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK(/4系统)的调制把星座图的数据改称双极性就容易理解了n例如发“11”（记为ab）时，发送波形应为)4cos(t参考相位参考相位1，11，-1-1，1-1，-14sinsin4coscosttttsin22cos22tbtasin22cos22当发其他数当发其他数据时同样有据时同样有这个规律这个规律严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统也可以用矢量分解来理解上述过程参考相位参考相位1，11，-1-1，1-1，-1参考相位（即载波）的同相分量，为参考相位（即载波）的同相分量，为+1，即，即a位位a

39、,b参考相位（即载波）的正交参考相位（即载波）的正交分量，为分量，为+1，即，即b位位a,ba,ba,b可见任意一个星座点都可以用同相分量可见任意一个星座点都可以用同相分量+正交分量得正交分量得到，而这两个分量的系数由到，而这两个分量的系数由a,b来确定来确定严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK(又称QPSK)的调制框图串/并变换1011单/双极性变换单/双极性变换c(t)I(t)Q(t)cosct sinctABABA11B01相 相0相A 10相B10AB11100001(a)相移222严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统上图中输入一串数据时的波形1001111011t

40、t11I(t)11110t111010Q(t)1(b)00严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK的解调输出并 / 串变 换S4PSK(t)LPFLPF-sin ctcos ct / 2抽样判决抽样判决定时严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4DPSK的原理n与2DPSK类似，根据要发的数据，在前一个码元的波形基础上进行相位移动n而不是与载波比较n这时候相位关系表格中的相位意义是本码元相位与上一个码元相位之差严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4DPSK（/2系统）的波形2302014进制数据进制数据2进制数据进制数据101100100100)2(4系统DPSKt2进制数

41、据进制数据与前与前1码元相位差码元相位差00010/21101-/2初始相位初始相位前一个码元的波形比较波形时要与画 DPSK4严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4DPSK（又称QDPSK）的调制n与2DPSK类似，只要先把“绝对码”变成“相对码”，再进行4PSK调制即可n但是要注意，这里的码变换不是简单的差分码变换，因为涉及到a,b2位的运算n 我们可以画出状态图，根据状态图可设计相应的数字逻辑电路（例如可用VHDL设计实现）变换规则变换规则：1111 - i1111 - i1c0ciiiiiiiiiiiiiidadcbcddbdcacd，时，当，时，当严谨 严格 求实 求是第八章

42、数字调制系统4DPSK（即QDPSK）码变换的状态图0000系统为例以2101011110101001011010010110100101101严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4DPSK码变换举例原始数据原始数据101100100100参考载波参考载波t码变换后码变换后（00）100101000101调制系统对变换后的码进行)2(4PSKt2进制数据进制数据与载波相位差与载波相位差00010/21101-/2可见对变换后码进行可见对变换后码进行PSK调制，相当于调制，相当于对原始码进行对原始码进行DPSK调制调制严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4DPSK的调制框图串/并变换

43、单/双极性变换单/双极性变换e(t)cosctABABADD1011100001(a)码变换BCC01gdgc43444344)4cos(ct)4cos(ct严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统上图中输入一串数据后的波形0101100110AB绝对码010100011CD相对码011gc11gd(b)二进制序列00100111 1 0严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8PSK简介n星座图参考相位参考相位000001011010110111101100严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统另一种8PSK参考相位参考相位000001011010110111101100 321bb

44、b必然相同凡是纵坐标相同的点其必然相同相同的点其可以观察到凡是横坐标3231bbbb严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统后一种8PSK的调制实现电平产生电平产生串/并变换倒相90移相载波发生器I(t)Acos2fctb1b2b3二进信息Q(t) Asin2fct8PSK信号1100100110010001001011111b1 b311100001111110000113b32bb电平产生电路可以由电平产生电路可以由多路选择开关实现，多路选择开关实现，其输入其输入/输出对应关系输出对应关系见右表见右表b1 b3 (输入输入)输出电平输出电平11cos(/8)10sin(/8)00sin(

45、/8)01 cos(/8)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8PSK的解调8PSK 信号/2/2判决判决判决判决载波=0载波相关器c1c4c2c3b1b2b34LPLPLPLP1b2b严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.4 现代数字调制系统n8.4.1 正交幅度调制(QAM)对4PSK正交调制的一种扩展应用于ADSL接入8.4.2 OQPSKn8.4.3 最小频移键控(MSK)频差最小的2FSK应用于GSM网基站与手机之间的调制n8.4.4 正交频分复用(OFDM)应用于最新的ADSL设备中第34代移动通信的主流调制方式严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.4.1 正

46、交幅度调制(QAM)n16QAM的星座图和对应编码参考方向参考方向00 0000 0100 1100 1001 0001 0101 1101 1011 0011 0111 1111 1010 0010 0110 1110 10严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统QAM的编码与星座坐标的关系如果将4位编码记为a1a2,b1b2则观察上图可发现n(1) 任意相邻2点的编码的欧式距离(即码距,也就是不同位的个数)达到最小值1n(2) 凡是横坐标相同的点其a1a2编码必相同n(3) 凡是纵坐标相同的点其b1b2编码必相同严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统利用上述规律进行向量分解参考方向参

47、考方向10 10V310 0010 0110 11的同相分量则生成一个振幅为是可见只要编码的Vaa3,102111 1101 1101 11V1的正交分量则生成一个振幅为是可见只要编码的Vbb1,1121之和的正交分量和同相分量或振幅为任意一点都可以分解成同理VV31,严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统观察上图矢量分解的坐标与编码关系可发现分量振幅的关系或正交的取值与同相或)()(2121bbaa的关系如下的取值与同相分量振幅21aaa1a2同相分量的振幅10+3V11+1V01-1V00-3V的就得到其相应关系正交分量换成同相分量换成只要将表中2121bbaa)(164)(16164

48、MLMQAML即的关系是计为中进制电平它与）（计为这是个严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统QAM的调制二进制信息,2121bbaa串串/并并2-L电平转换电平转换21aa2-L电平转换电平转换21bb同相矢量振幅同相矢量振幅正交矢量振幅正交矢量振幅tcostsin+矢量合成矢量合成QAMe严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统QAM的频带利用率bR设传信率为2bRba路的速率为路或则LRRLbB2log2/2 电平转换后每一路经过LRRBbBMQAM2log2)/(2logloglog222HzsbitMMLBRMQAMbMQAM严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.4.2

49、偏移四相相移键控（OQPSK）n 在讨论QPSK调制信号时，曾假定每个符号的包络是矩形，并认为信号的振幅包络在调制中是恒定不变的。但是当它通过限带滤波器进入信道时，其功率谱的旁瓣（即信号中的高频成分）会被滤除，所以限带后的QPSK信号已不能保持恒包络，特别是在相邻符号间发生180相移（例如1001，0011）时，限带后还会出现包络为0的现象，如下图所示。 严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统tt滤波后限带理想严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统 tcsintccos二元信息信号OQPSKBPF发送滤波成形2/sT延时变换并串/滤波成形tcsintccos二元信息变换串并/2/sT延

50、时LPFLPF解调器)(b调制器)(a比较判决比较判决位定时信号OQPSK)I(t)Q(t严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统0100000111111111)(OQPSKtQ中的)(QPSKtQ中的)(OQPSKQPSKtI中的、OQPSK信号的功率谱与信号的功率谱与QPSK信号的功率谱形状相同，其主瓣信号的功率谱形状相同，其主瓣包含功率的包含功率的92.5%。频带受限的。频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受信号包络起伏比频带受限的限的QPSK信号小，经限幅放大后频谱展宽得少，所以信号小，经限幅放大后频谱展宽得少，所以OQPSK的性能优于的性能优于QPSK，由于，由于OQPSK信号

51、采用相干解调方式，因此信号采用相干解调方式，因此其误码性能与相干解调的其误码性能与相干解调的QPSK相同。相同。严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.4.3 最小频移键控(MSK)nMSK就是最小频差的2FSKn在实现MSK时有2大原则(1)使频差最小,从而减小带宽,提高频带利用率(2)使波形连续,从而减小高频分量严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统一、频差最小原则n我们在学习2FSK的时候,有结论sFSKfffB2|122越小越好可见在码元速率不变时|12ff 才能正确解调和因为在接收端要能区分不可能无限小，但是2112|ffff 滤波器法和正交法种方法有和通常接收端区分:22

52、1ff严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(1)滤波器法n如果采用滤波器法，2个主瓣不能重叠，则最小频差(从图中可以看出)为f1f2fsfff2|12严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)正交法n两个信号正交的定义内满足在与若)0()()(sTtgtf0)()(0dttgtfsT时间域内是正交的在与则称)0()()(sTtgtf、小波变换等、例如：行通信的例子非常多利用信号的正交特点进MSKOFDMCDMA严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)正交法n当两个信号正交时,在接收端可以通过乘法器和积分器来识别接收到的到底是哪个信号,这是因为)(tf如果发送的是0)()(0

53、dttftfsT则0)()(0dttgtfsT而的信号就说明接收到的是相应哪一路输出大于再积分和分别乘以路分成号我们只要把接收到的信0,)()(2,tgtf严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)正交法n我们现在分析:当2FSK中2个频率差别最小是多少时,这2个信号满足正交条件tftf212cos 1 ,2cos0时波形为发时波形为设发ffffffc2112,2并记令tfftfc)2(2cos2cos01波形为则发tfftfc)2(2cos2cos 1 2波形为则发严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)正交法n若使发”0”和发”1”时的2信号正交,则根据正交的定义,有0)2(

54、2cos)2(2cos0dttfftffsTcc02cos)2(2cos0sTcdtfttf即0,41,是则第一项积分结果肯定的整数倍是如果首先scTf严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)正交法02cos)2(2cos0bTcdtfttf正交条件tbT？积分最小多少时，此项在00bTf时从图中可见当bTf121时即bTf2102项积分为能满足第ff 也是最小的此时的严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)正交法（结论）n可见正交法把频差减低到了滤波法的1/4n但是，对于这样的频差，不能再使用滤波器分离，只能采用“相乘再积分”的方法识别n即MSK决不能使用图8.6中的普通2F

55、SK方式进行解调。221ssfTf即4,421scscffffff此时的整数倍必须是另外scff4 ,严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统二、相位连续原则n画图示意整数倍）是（满足，）（即设sccBsffHzfBaudRf46)(4HzfffHzfffscsc54,7421则11010t前面的码元有关续，某一码元的相位与可见，为了保持相位连严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统如何保证相位连续？n理论计算（1）MSK的表达式)4(2cos)(isicMSKtTafAte”发“”发“其中0 11 1ia额外加入这一额外加入这一项是为了保证项是为了保证相位连续相位连续为了保证相位连续，需

56、要：为了保证相位连续，需要：issicissiciTTafiTTaf)4(2)4(211个码元结束时相位第1i个码元开始时相位第i严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统保证相位连续的条件2)(11iaaiiii化简上式得”发“”发“因为0 11 1ia11iiiiaa时当iaaiiii11时当11010t0a0001aa 0112aa 2120123aa 32334aa 2343严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统的变化规律为了保证连续而附加的i11:iiiiaa时当刚才已经得出结论iaaiiii11时当或以后只有可能是进行模规律一：02i)5 . 8()(21一行中的可参阅表为奇数

57、时才可能跳变有必然成对出现，因为只无关与运算后为偶数时，模规律二：当iiiiai严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统三、MSK的表达式及其分解)4(2cos)(ibicMSKtTafte)2(2cosibictTatf)2sin(2sin)2cos(2cosibicibictTatftTatfibiibitTatTasin2sincos2cos0sin,0ii或根据上面的结论ibiibitTatTasin2coscos2sinibicibicMSKtTatftTatftecos2sin2sincos2cos2cos)(MSK的表达式分解tTatftTatftebicibiciMSK2si

58、n2sincos2cos2coscos)(iI记为iQ记为tTtfatTtfbciibci2sin2sincos2cos2coscos 参考相位的关系式，发现它们与原始数据有确参考相位的关系式，发现它们与原始数据有确定的关系，可以由原始数据差分编码得到。定的关系，可以由原始数据差分编码得到。严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统四、MSK信号的产生tftTQtftTItecbicbiMSK2sin2sin2cos2cos)(ia差分差分编码编码串串/并并变换变换.11iiiiQIQI.1iiIItTb2costfc2cos.1iiQQtTb2sintfc2sin+)(teMSK严谨 严格

59、求实 求是第八章 数字调制系统五、MSK的相位路径图n相位路径图中的“相位”指的是MSK信号与载波fc的相位差，所以要先画出载波HzfBaudRcB6)(4，如前例HzfffHzfffbcbc54,7421则11010ttMSK载波载波2123762219928.4020;2 1 依此规律画出路径图降低发增长发0严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.4.4 OFDM(正交频分复用)n可以看作是MFSK与另一种多进制数字调制（如MPSK或QAM）的结合首先,有多个载频(MFSK),各载频两两相互正交其次,每个载频都采用多进制传输（如QPSK或QAM，甚至可以彼此不同）n根据信道的传输特性

60、（工作能力）分配传输数据量（工作量）；在衰减大的载频点降低传信率在衰减小的载频点加大传信率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统1、OFDM的功率谱示意图)(Hzf)(4 BaudRfBb）（即仍设100104108969288严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2、OFDM的表达式n（对于理解调制实现方法很有用）携带信号表达式为如每个载波点调制后)(MPSK)2cos()(kkkkfBtx1010)2cos()()(NkkkkNkkfBtxtsN路载波携带的信号为10)2()(NkfjkkkeBts用矢量表示与离散反付立叶变换与离散反付立叶变换(IDFT)表达式形式完全一样表达式形