通信原理樊昌信版第7章数字带通传输系统3

1、1第第 7 章章 数字带通传输系统数字带通传输系统 7.0 引言引言 7.2 二进制数字调制系统抗噪声性能二进制数字调制系统抗噪声性能 7.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理 7.3 二进制数字调制系统的性能比较二进制数字调制系统的性能比较 7.4 多进制数字调制的原理多进制数字调制的原理 本章重点本章重点27.4 7.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理7.4.0 引言引言7.4.1多进制振幅键控（多进制振幅键控（MASK）7.4.2多进制频移键控（多进制频移键控（MFSK）7.4.3多进制相移键控（多进制相移键控（MPSK）7.4.3多进制差分相移键控（多进制差分相移键控（MDP

2、SK）37.4.0 引言引言二进制数字调制系统是数字通信系统最基二进制数字调制系统是数字通信系统最基本的方式，具有较好的抗干扰能力。本的方式，具有较好的抗干扰能力。由于二进制数字调制系统频带利用率较低，由于二进制数字调制系统频带利用率较低，使其在实际应用中受到一些限制。使其在实际应用中受到一些限制。在信道频带受限时在信道频带受限时 为了提高频带利用率，为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统通常采用多进制数字调制系统。其代价是增。其代价是增加信号功率加信号功率和实现上的复杂性和实现上的复杂性。 4)(log2BMRRbB在在信息传输速率不变信息传输速率不变的情况下，通过增加进的情况下，通

3、过增加进制数制数M M，可以，可以降低码元传输速率降低码元传输速率，从而，从而减小信减小信号带宽号带宽，节约频带资源，提高系统频带利用，节约频带资源，提高系统频带利用率。率。)/(log2sbitMRRBb对于二进制系统，其最高的信道频带利用率对于二进制系统，其最高的信道频带利用率为为2bit/s/Hz。显然，对于多电平系统而言，其。显然，对于多电平系统而言，其最高的信道频带利用率将超过最高的信道频带利用率将超过2bit/s/Hz。5多进制数字调制多进制数字调制，就是利用多进制数字基，就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量，如幅度、带信号去调制高频载波的某个参量，如幅度、频率或相位

4、的过程。频率或相位的过程。根据根据被调参量的不同被调参量的不同，多进制数字调制可，多进制数字调制可分为分为:v 多进制幅度键控（多进制幅度键控（MASK）v 多进制频移键控（多进制频移键控（MFSK）v 多进制相移键控（多进制相移键控（MPSK或或MDPSK）6也可以把载波的两个参量组合起来进行调也可以把载波的两个参量组合起来进行调制，如把幅度和相位组合起来得到多进制幅制，如把幅度和相位组合起来得到多进制幅相键控（相键控（MAPK）或它的特殊形式多进制正）或它的特殊形式多进制正交幅度调制（交幅度调制（MQAM）等。）等。77.4.1 多进制振幅键控（多进制振幅键控（MASK） 1、概念：、概念

5、：(以四进制为例以四进制为例) 传传“0”信号时，发信号时，发0电平；电平； 传传“1”信号时，发幅度为信号时，发幅度为1的载波；的载波； 传传“2”信号时，发幅度为信号时，发幅度为2的载波；的载波； 传传“3”信号时，发幅度为信号时，发幅度为3的载波。的载波。问题问题：实际应用中传输的大多是二进制数字信：实际应用中传输的大多是二进制数字信号，只有两种状态，那么怎样用多进制数字调号，只有两种状态，那么怎样用多进制数字调制表示呢？制表示呢？8 分析分析：四进制信号有四种状态，但两位二：四进制信号有四种状态，但两位二进制码也有四种状态，我们这里将两位二进进制码也有四种状态，我们这里将两位二进制码称

6、为双比特码元，即在制码称为双比特码元，即在4ASK中，每个双中，每个双比特码元对应一种幅度的载波。如比特码元对应一种幅度的载波。如: 传传“00”时，发时，发0电平；电平； 传传“01”时，发幅度为时，发幅度为1的载波；的载波； 传传“10”时。发幅度为时。发幅度为2的载波；的载波； 传传“11”时，发幅度为时，发幅度为3的载波。的载波。9M电平调制信号的时间表达式为电平调制信号的时间表达式为:式中式中MnPMPPPa概率为概率为概率为概率为1.210321tnTtgatecSnnMASKcos)()( 4进制数字振幅调制信号的时间波形进制数字振幅调制信号的时间波形11(a) 基带多电平单极性

7、不归零信号基带多电平单极性不归零信号(b) MASK信号信号0010110101011110000t0t0101101010111100000101101010111100000t00000t01011010101111(c) 基带多电平双极性不归零信号基带多电平双极性不归零信号(d) 抑制载波抑制载波MASK信号信号4ASK信号信号多电平单极性不多电平单极性不归零信号归零信号（图（图a 图图b）多电平双极性不多电平双极性不归零信号归零信号（图（图c 图图d）120t0101101010111100000t01011010101111000001010t10101011110000001t10

8、101011110000MASK信号带信号带宽与宽与2ASK信号信号带带宽相同。宽相同。MASK信号可以看信号可以看成是多个成是多个2ASK信号信号的叠加。的叠加。13MASK信号的频带利用率信号的频带利用率 超过奈奎斯特准则：超过奈奎斯特准则： 基带信号基带信号 2 b/s Hz 2ASK信号信号 1 b/s HzMASK信号缺点：信号缺点：受信道衰落影响大。受信道衰落影响大。结论：结论：1）当两者码元速率相等，则两者带宽相等。当两者码元速率相等，则两者带宽相等。2）当信息速率相等时）当信息速率相等时,MASK信号的带宽只是信号的带宽只是2ASK信号带宽的信号带宽的 1/k。 M = 2k1

9、47.4.2 多进制频移键控（多进制频移键控（MFSK）1、概念：、概念：(以以4FSK为例为例) 传传“0”信号信号(或或00)时，发送频率为时，发送频率为f1的载波；的载波； 传传“1”信号信号(或或01)时，发送频率为时，发送频率为f2的载波；的载波； 传传“2”信号信号(或或10)时，发送频率为时，发送频率为f3的载波；的载波； 传传“3”信号信号(或或11)时，发送频率为时，发送频率为f4的载波。的载波。15(a) 4FSK信号波形信号波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b) 4FSK信号的取值信号的取值4FSK信号波形举例信号波形举例MFSK信号的带宽：

10、信号的带宽：B = fM - f1 + f式中式中f1 最低载频，最低载频， fM 最高载频，最高载频， f 单个码元的带宽单个码元的带宽16MFSK非相干解调器的原理方框图非相干解调器的原理方框图 V1(t)抽样抽样判决判决带通滤波带通滤波f1包络检波包络检波带通滤波带通滤波fM包络检波包络检波输入输入输出输出VM(t)定时脉冲定时脉冲带通滤波带通滤波f2包络检波包络检波 . . . .177.4.3 多进制相移键控（多进制相移键控（MPSK） 多进制相位键控多进制相位键控又称多相制，是二相制的推又称多相制，是二相制的推广。它是利用载波的多种不同相位状态来表征广。它是利用载波的多种不同相位状

11、态来表征数字信息的调制方式。数字信息的调制方式。 18c11c22MPSKc33cMMAcos(t)PAcos(t)PSAcos(t)P.Acos(t)P 概概率率为为概概率率为为概概率率为为概概率率为为1、多进制相移键控、多进制相移键控(MPSK)基本原理基本原理共共M=2k种相位种相位信号信号0信号信号1.信号信号M-119一个一个MPSK信号码元可以表示为：信号码元可以表示为：式中，式中，A 常数，常数， k 一组间隔均匀的受调制相位一组间隔均匀的受调制相位它可以写为：它可以写为：通常通常M取取2的某次幂：的某次幂：M = 2k， k = 正整数正整数 MktAtskk, 2 , 1)c

12、os()(0MkkMk, 2 , 1),1(220图7-34 8PSK信号相位在下图中示出在下图中示出8进制时，进制时， k取值的一例。取值的一例。对于多进制对于多进制PSK信号，不能简单地采用一个相信号，不能简单地采用一个相干载波进行相干解调。这时需要用两个正交的干载波进行相干解调。这时需要用两个正交的相干载波解调。相干载波解调。 )cos()(0kktAtsMk, 2 , 121可以将可以将MPSK信号码元表示式展开写成：信号码元表示式展开写成： 式中式中上式表明，上式表明，MPSK信号码元信号码元sk(t)可以看作是由可以看作是由正弦和余弦两个正交的正弦和余弦两个正交的MASK信号码元之

13、和，信号码元之和，并且并且ak2 + bk2 = 1 。因此，其带宽和。因此，其带宽和MASK信信号的带宽相同。号的带宽相同。 本节下面主要以本节下面主要以M = 4为例，对为例，对4PSK作进作进一步的分析。一步的分析。tbtattskkkk000sincos)cos()(kkacoskkbsin224PSK（QPSK）信号编码）信号编码ab kA方式方式B方式方式0090 225 10180 315 11270 45 01 0 135 0参考相位参考相位/23/2参考相位参考相位3/4/47/45/4A方式方式B方式方式010010111101001023序号序号格雷码格雷码二进制码二进制

14、码12340 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 0 0 0 0 0 0 10 0 1 00 0 1 056780 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 00 1 0 0 0 1 0 10 1 1 00 1 1 19101112131415161 1 0 01 1 0 11 1 1 11 1 1 01 0 1 01 0 1 11 0 0 11 0 0 0 1 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1表表7.3 格雷码编码规则格雷码编码规则格雷码又称反射码。格雷码又称反射码。格雷码的好处在于相邻相

15、格雷码的好处在于相邻相位所代表的两个比特只有位所代表的两个比特只有一位不同。由于因相位误一位不同。由于因相位误差造成错判至相邻相位上差造成错判至相邻相位上的概率最大，故这样编码的概率最大，故这样编码使之仅造成一个比特误码使之仅造成一个比特误码的概率最大。的概率最大。24码元相位关系码元相位关系 k称为初始相位，常简称为相位，而把称为初始相位，常简称为相位，而把( 0t + k)称为信号的瞬时相位。称为信号的瞬时相位。当码元中包含整数个载波周期时，初始相当码元中包含整数个载波周期时，初始相位相同的相邻码元的波形和瞬时相位才是位相同的相邻码元的波形和瞬时相位才是连续的，如下图：连续的，如下图：(a

16、) 波形和相位连续TT)cos()(0kktts25若每个码元中的载波周期数不是整数，则若每个码元中的载波周期数不是整数，则即使初始相位相同，波形和瞬时相位也可即使初始相位相同，波形和瞬时相位也可能不连续，如下图：能不连续，如下图： 或者波形连续而相位不连续，如下图：或者波形连续而相位不连续，如下图：(b) 波形和相位不连续TT(c) 波形连续相位不连续TT262、QPSK调制调制调制方法调制方法v 直接调相法直接调相法v 相位选择法相位选择法27(1) 相乘电路相乘电路 由两路相互正交的由两路相互正交的2PSK相加构成。相加构成。图图7-37 第一种第一种QPSK信号产生方法（信号产生方法（

17、B方式）方式）-sin 0t相干载相干载波产生波产生相乘相乘电路电路相乘相乘电路电路 /2相移相移串串/并并变换变换相加相加电路电路cos 0tA(t)s(t)abab k (B方式方式)00225 10315 1145 01135 28二进制信号码元二进制信号码元“0”和和“1在相乘电路中与不归在相乘电路中与不归零双极性矩形脉冲振幅的关系如下：零双极性矩形脉冲振幅的关系如下：二进制码元二进制码元“1” 双极性脉冲双极性脉冲“+1”；二进制码元二进制码元“0” 双极性脉冲双极性脉冲“-1”。符合上述关系才能得到符合上述关系才能得到B方式编码规则。方式编码规则。01110010a(1)a(0)b

18、(1)b(0)图7-39 QPSK矢量的产生矢量图：矢量图：012345(a) 输入基带码元输入基带码元t024(b) 并行支路并行支路a码元码元t135(c) 并行支路并行支路b码元码元t图图7-38 码元串码元串/并变换并变换码元串码元串/并变换：并变换：29串串/并并变换变换相位相位选择选择带通带通滤波滤波4相载波相载波产生器产生器 1 4 3 2ab图图7-40 选择法产生选择法产生QPSK信号信号（2）选择法）选择法 30载波提取相乘低通抽判/2相乘低通抽判并/串A(t)s(t)abcos0t-sin0t定时提取图7-41 QPSK信号解调原理方框图3、QPSK解调解调原理方框图原理

19、方框图用两路正交的相干载波去解调，可以很容易用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两路正交的地分离这两路正交的2PSK信号。信号。相干解调后的两路并行码元相干解调后的两路并行码元a和和b，经过并，经过并/串变换后，成为串行数据输出。串变换后，成为串行数据输出。31QPSK体制的缺点：它的相邻码元最大相位差达体制的缺点：它的相邻码元最大相位差达到到180，这在频带受限的系统中会引起信号包络，这在频带受限的系统中会引起信号包络的很大起伏。的很大起伏。偏置偏置QPSK的改进：为了减小此相位突变，将两的改进：为了减小此相位突变，将两个正交分量的两个比特个正交分量的两个比特a和和b在时间上错开半

20、个码在时间上错开半个码元，使之不可能同时改变。这样安排后相邻码元元，使之不可能同时改变。这样安排后相邻码元相位差的最大值仅为相位差的最大值仅为90 ，从而减小了信号振幅，从而减小了信号振幅的起伏。的起伏。4、偏置、偏置QPSK(OQPSK)32a1a3a5a7a2a6a4a8a2a4a1a3a5a7a6a8OQPSK信号的波形与信号的波形与QPSK信号波形的比较信号波形的比较 33OQPSK和和QPSK的唯一区别在于：对于的唯一区别在于：对于QPSK，表，表7-2中的两个比特中的两个比特a和和b的持续时的持续时间原则上可以不同；而对于间原则上可以不同；而对于OQPSK，a和和b的持续时间必须相

21、同。的持续时间必须相同。34 4相移相移QPSK信号是由两个相差信号是由两个相差 4的的QPSK星座图交替产生的，它也是一个星座图交替产生的，它也是一个4进制信号：进制信号：451110(a)星座图之一星座图之一(b)星座图之二星座图之二0100110100105、 /4相移相移QPSK 35当前码元的相位相对于前一码元的相位改变当前码元的相位相对于前一码元的相位改变 45或或 135。如：若连续输入。如：若连续输入“11 11 11 11”，则信号码元相位为则信号码元相位为“45 90 45 90 ” 优点：这种体制中相邻码元间总有相位改变、优点：这种体制中相邻码元间总有相位改变、最大相移为

22、最大相移为 135，比，比QPSK的最大相移小。的最大相移小。 451110(a)星座图之一星座图之一(b)星座图之二星座图之二010011010010367.4.4 多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)1、基本原理、基本原理MDPSK信号和信号和MPSK信号类似，只需把信号类似，只需把MPSK信号用的参考相位当作是前一码元的信号用的参考相位当作是前一码元的相位，把相移相位，把相移 k当作是相对于前一码元相位当作是相对于前一码元相位的相移。的相移。这里仍以这里仍以4进制进制DPSK信号为例作进一步的讨信号为例作进一步的讨论。论。4进制进制DPSK通常记为通常记为QDPSK。 37

23、abkA方式方式B方式方式0090 135 010 45 11270 315 10180 225 QDPSK信号编码方式信号编码方式 表表7-4 QDPSK编码规则编码规则38abcd码变换相加电路s(t)图图7-44 第一种第一种QDPSK信信号产生方法号产生方法A方式方式A(t)串/并变换-/4载波产生相乘电路相乘电路/42、产生方法、产生方法第一种方法第一种方法图中图中a和和b为经过串为经过串/并变换后并变换后的一对码元，它需要再经过的一对码元，它需要再经过码变换器变换成相对码码变换器变换成相对码c和和d后才与载波相乘（绝对相移后才与载波相乘（绝对相移键控）。键控）。39当前输入的一对码

24、元及当前输入的一对码元及要求的相对相移要求的相对相移前一时刻经过码变换后的前一时刻经过码变换后的一对码元及所产生的相位一对码元及所产生的相位当前时刻应当给出的当前时刻应当给出的变换后一对码元和相位变换后一对码元和相位ak bkkck-1 dk-1 k-1ck dk k0 090 0 00 11 11 090 0 270 180 1 00 11 11 0180 90 0 270 0 10 0 00 11 11 090 0 270 180 0 11 11 00 090 0 270 180 1 1270 0 00 11 11 090 0 270 180 1 11 00 00 1 0 270 180

25、90 1 0180 0 00 11 11 090 0 270 180 1 00 00 11 1270 180 90 0 码变换器：输入码变换器：输入ab和输出和输出cd间的间的16种可能关系种可能关系(A方式方式)：40只读存储器TTakbkckdkdk-1ck-1图图7-45 码变换器码变换器码变换器的电路：码变换器的电路：第二种方法：第二种方法：第二种产生方法和第二种产生方法和QPSK信号的第二种信号的第二种产生方法（选择法）原理相同，只是在串产生方法（选择法）原理相同，只是在串/并并变换后需要增加一个变换后需要增加一个 “码变换器码变换器”。41图图7-46 A方式方式QDPSK信号极性

26、比较解调方法信号极性比较解调方法bacdA(t)-/4相乘电路相乘电路/4s(t)低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决并/串变换逆码变换定时提取载波提取3、解调方法、解调方法 有极性比较法和相位比较法两种。有极性比较法和相位比较法两种。 极性比较法（极性比较法（A方式）方式） ：42相干解调过程相干解调过程设第设第k个接收信号码元可以表示为个接收信号码元可以表示为 相干载波：相干载波： 上支路：上支路： 下支路：下支路：信号和载波相乘的结果：信号和载波相乘的结果：上支路：上支路：下支路：下支路：)cos()(0kkttsTktkT) 1( )4cos(0t)4cos(0t)4cos(21)4(2c

27、os21)4cos()cos(000kkkttt)4cos(21)4(2cos21)4cos()cos(000kkkttt43低通滤波后：上支路：低通滤波后：上支路： 下支路：下支路：判决规则判决规则按照按照 k的取值不同，此电压可能为正，也可能的取值不同，此电压可能为正，也可能为负，故是双极性电压。在编码时曾经规定：为负，故是双极性电压。在编码时曾经规定：二进制码元二进制码元“0” “1”二进制码元二进制码元“1” “1”)4cos(21k)4cos(21k44信号码元相位信号码元相位 k上支路输出上支路输出下支路输下支路输出出判决器输出判决器输出cd0 90 180 270 0110001

28、1表表7-6判决规则判决规则现在进行判决时，也把正电压判为二进制码元现在进行判决时，也把正电压判为二进制码元“0”，负电压判为，负电压判为“1”，即，即 “” 二进制码元二进制码元“0” “” 二进制码元二进制码元“1” 因此得出判决规则如下表：因此得出判决规则如下表：45逆码变换器逆码变换器 设逆码变换器的当前输入码元为设逆码变换器的当前输入码元为ck和和dk，当前，当前输出码元为输出码元为ak和和bk，前一输入码元为，前一输入码元为ck-1和和dk-1。 为了正确地进行逆码变换，这些码元之间的为了正确地进行逆码变换，这些码元之间的关系应该符合码变换时的规则。为此，现在把关系应该符合码变换时的规则。为此，现在把码变换表中的各行按码变换表中的各行按ck-1和和dk-1的组合为序重新的组合为序重新排列，构成下表。排列，构成下表。46前一时刻输入的一对前一时刻输入的一对码元码元当前时刻输入的一对码元当前时刻输入的一对码元当前时刻应当给出的逆当前时刻应当给出的逆变换后的一对码元变换