第-章-数字频带传输系统2优秀文档

第6章数字频带传输系统6.1二进制数字调制与解调原理6.2多进制数字调制系统6.3数字调制系统的性能比较6.4现代数字调制技术本章学习要求掌握2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK数字调制的基本原理和实现方法。了解多进制MASK、MFSK、MPSK的基本原理和特点。了解QAM（正交振幅调制）、MSK（最小移频键控）和GMSK（高斯最小移频键控）等现代数字调制技术的基本概念和基本原理。了解数字调制系统的抗噪声性能。6.1.3二进制数字相移键控(2PSK)常见的相移键控方式包括：二进制数字相移键控(2PSK)差分相移键控DPSK（1）2PSK和2DPSK调制的一般原理及实现方法

1）2PSK调制的原理及波形在二进制相移键控(2PSK)中，以二元数字信号“1”或“0”去控制载波相位改变，通常载波信号用相位0和π分别代表“1”和“0”，而其振幅和频率保持不变。

10相移键控的调制框图用0°和180°相位的载波表示信息码元“1”和“0”1001数字控制信号（信息码元）反相器0相载波π相载波2PSK2PSK信号表达式为：设s(t)为双极性脉冲信号，则有2PSK信号是以载波的不同相位直接表示相应的数字码元，这种调制方式称为绝对相移键控。e2psk(t)=cosωct（0相）发“1”时-cosωct（相）发“0”时=图6-122PSK与2DPSK示意图

2）2DPSK基本原理和波形2DPSK调制规则：利用前后相邻码元的相对相位变化来表示所传送的数字信息“0”和“1”的，这种调制方式称为相对相移方式。用φ表示载波的初始相位。设△φ为当前码元和前一码元的相位之差：发送“0”时发送“1”时则信号码元可以表示为：绝对码｛an｝

001110012PSK2DPSK数字信息绝对码｛an｝

00111001相对码相位(0)

00π0πππ0相对码｛bn｝

00101110载波绝对码｛an｝

001110012PSK2DPSK数字信息绝对码｛an｝

00111001相对码相位(π)

ππ0π000π相对码｛bn｝

110100012PSK和DPSK信号的比较

通过比较可以看出，对于2PSK信号来讲，只要有一个相位发生错误，随后的解调信息将全部倒相；但对于DPSK信号来讲，只要其相对相位关系正确，解调就不会出错。因此采用DPSK方式既可以保持2PSK方式下良好的误码率性能，又可以克服2PSK的“倒π”现象。

相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为：

（a)编码器(b)译码器相对相移本质上就是对差分码信号的绝对相移。即

实现相对调相的最常用方法如图所示。2DPSK的产生过程与基本波形（a)编码器(b)译码器3）2PSK和2DPSK的实现方法（b）键控法产生2PSK信号（a）模拟相乘法产生2PSK信号（c）2PSK功率谱2PSK和2DPSK的解调方式主要包括非相干解调和相干解调。（2）2PSK、2DPSK的解调①极性比较法（相干解调法）解调2PSK信号“倒π”现象：这种现象是由于在接收电路中在提取本地载波过程中会出现“0”相位和“π”相位模糊造成的，其结果就是解调得到的数字信号可能与实际的信号的极性恰好相反。2PSK解调带通×低通抽样

判决器码（反）

变换器DPSK信号abcdef二进制信息码位定时本地载波极性比较法——解调输出是相对码，必须再进行一次码变换才能得到输入的绝对码序列。②极性比较法（相干解调）解调2DPSK信号图6-16极性比较法（相干解调）③差分相干解调法——通过直接比较前后码元的相位差而实现解调的，故又称为相位比较解调法。图6-18差分相干解调2DPSK信号2PSK信号的功率谱密度可以写成：对于双极性NRZ码，由于不存在直流成分，因此，2PSK信号功率谱如下图所示：2PSK信号功率谱（3）2PSK、2DPSK的频谱特性

2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同。

①一般情况下2PSK的功率谱和2ASK信号的功率谱相同（仅差系数），都是由连续谱和离散谱共同构成。②频带利用率：η=0.5（B/Hz）③当数字信息中“0”和“1”等概率出现时，2PSK信号没有离散谱。④2DPSK的频谱与2PSK相似。

6．2多进制数字调制多进制数字调制——指用多进制数字基带信号作为调制信号，去控制载波的各项参数：振幅、频率或相位，并由此产生了多进制振幅调制、多进制频率调制和多进制相位调制等调制方式。多进制数字调制方式是二进制数字调制方式的扩展，与二进制数字调制方式相比较它有如下特点：（1）在相同的码元速率下，多进制数字调制系统的信息速率高于二进制数字调制系统的信息速率。其关系式为：其中M代表M进制信号。

b/s（2）在相同的信息速率下多进制码元传输速率比二进制的低多进制信号码元的持续时间要比二进制的长；增大码元宽度，就会增加码元的能量，并能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。（3）在相同的噪声下，多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数字调制系统。6.2.1多进制数字振幅键控(MASK)以多进制信号去调制载波信号的幅度，就可以产生多进制数字调幅信号（MASK），它的数学表示式为：

其中，A(t)——是单极性的多进制信号：ωc——载波角频率；θ0——载波初始相位。g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲MASK调制方式的特点：

单极性不归零多进制数字基带信号4ASK信号波形各波形在时间上是互不重叠的。M电平调制信号由时间上不重叠的M个不同振幅值的OOK信号的叠加。M电平调制信号的带宽与二电平的相同。信号由波形图可以看出：一个4ASK信号波形可以分解为3个2ASK信号的叠加。其中：每个2ASK信号的码元速率相同（等于原4ASK码元速率）所以这3个2ASK信号具有相同的带宽因为这3个2ASK信号线性叠加后的频谱是其3个信号频谱的线性叠加，所以它们占用的带宽不变故4ASK信号的带宽与它分解出的任何一个2ASK信号的带宽是相等的。在MPSK调制方式中，M常取2n，即4、8、16等值。常见的相移键控方式包括：延时判决法解调器工作过程：了解数字调制系统的抗噪声性能。设s(t)为双极性脉冲信号，则有③差分相干解调法——通过直接比较前后码元的相位差而实现解调的，故又称为相位比较解调法。以多进制数字信号编码序列去控制载波的相位，可以产生M个离散相位的已调波，各编码的调相波的相位均相隔2π/M，就形成了多进制数字相移信号(MPSK)。在MPSK调制方式中，M常取2n，即4、8、16等值。图6-214PSK信号的相位矢量图格雷二进码：其特点是任何相邻电平的码组，只有一位码位发生变化。最小频移键控（MSK）当A=0时，C=-1，E点调制输出Ccosωct=-cosωct，其相位为π；MQAM信号是一种幅度、相位复合调制信号6．2多进制数字调制在[-T，T]期间对上面的支路进行积分判决。3多进制数字相移键控(MPSK)相对码｛bn｝11010001在实际应用中常采用格雷码的编码方式来对4ASK信号进行编码，在这种编码方式下，引入了相移键控的特性，通过这种方式，可以减少电平的数量，同时增加了系统的抗干扰能力，采用这种方式设计的多进制数字振幅键控的电路原理框图如下图所示。采用格雷码的4ASK信号波形图

10010011

MASK的特点（1）功率谱由来与2ASK的相似（2）相同Rb时，带宽是2ASK的M倍∵缺点:抗干扰，抗衰落能力差！∴少用！6.2.2多进制数字频移键控(MFSK)多进制数字频率键控（MFSK），是二进制数字频移键控方式的推广。多进制数字频率键控（MFSK）的基本原理在四进制频移键控方式（4FSK）中采用4个不同的频率分别表示四进制码元，每个码元含有2bit信息。为了便于使用带通滤波器分离不同频率码元的频谱，要求每个载频之间的频率间隔足够大，或者说要求不同频率的码元相互正交。由于MFSK的码元采用M个不同的载波，所以它占用较大的带宽。其频带宽度为MFSK调制器解调器原理电路图4-24MFSK调制器的原理电路图

图6-19MFSK调制器的原理电路MFSK的相干解调较为复杂要求有精确的相位参考，因此较少使用，通常采用的是非相干解调方式。MFSK解调器的原理电路如下图所示。图6-19MFSK解调器的原理电路图

6.2.3多进制数字相移键控(MPSK)

MPSK基本原理以多进制数字信号编码序列去控制载波的相位，可以产生M个离散相位的已调波，各编码的调相波的相位均相隔2π/M，就形成了多进制数字相移信号(MPSK)。在MPSK调制方式中，M常取2n，即4、8、16等值。4PSK表示四相调制，它是用载波的四个离散的相位来表示四种信号状态（即00、01、10、11），通常它也被称为正交相移键控QPSK，它的每个码元含有2bit的信息，可以用两位二进制代码“a”和“b”的组合来表示，通常使用的编码方式是格雷码。无线通信系统中为提高信息传输速率，常采用多进制调相技术，利用载波的多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式；多进制数字相位调制又称多相制，相数愈多传输速率愈高，但相邻载波之间的相位差愈小，还将使得接收时的误码率增加，且增加了设备的复杂性。6.2.3多进制数字相移键控(MPSK)

6.2.3多进制数字相移键控(MPSK)

MPSK基本原理以多进制数字信号编码序列去控制载波的相位，可以产生M个离散相位的已调波，各编码的调相波的相位均相隔2π/M，就形成了多进制数字相移信号(MPSK)。在MPSK调制方式中，M常取2n，即4、8、16等值。4PSK表示四相调制，它是用载波的四个离散的相位来表示四种信号状态（即00、01、10、11），通常它也被称为正交相移键控QPSK，它的每个码元含有2bit的信息，可以用两位二进制代码“a”和“b”的组合来表示，通常使用的编码方式是格雷码。格雷码的优点是相邻相位所代表的两个比特只有一位不同，由于在噪声和其他干扰产生相位误差时，最大的可能性是发生相邻相位的错误，所以这样的相邻相位错误只能造成一个比特的错误。采用格雷码编码方式下，信号相位和码元之间的对应关系如下表所示：矢量图B方式A方式°参考相位QPSK矢量图及相位选择01111000参考相位

参考相位11010010450a方式b方式双比特码n双比特码n00001145001900011350102700002250111800103150多相制中使用最广泛的是四相制和八相制四相制记为4PSK或QPSKQPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息,每一载波相位代表2比特信息每个四进制码元又被称为双比特码元QPSK信号的矢量图（1）4PSK的调制与解调1）4PSK的调制方法输入基带信号A(t)是二进制不归零双极性信号码元，它被“串/并变换”电路变成成对的两路码元“A”和“B”。经电平变换电路变换成双极性码“C”和“D”（双极性码），“C”和“D”分别和两路正交载波相乘，相乘的结果送入相加器中合成串行信号输出。

QPSK（4PSK）信号的产生ABABAB1100100110101001+1-1+1-1+1-1-1+1当A=1时，C=+1，E点调制输出Ccosωct=cosωct

，其相位为0；当A=0时，C=-1，E点调制输出Ccosωct=-cosωct

，其相位为π；当B=1时，D=+1，F点调制输出Dsinωct=sinωct

，其相位为+π/2；当B=0时，D=-1，F点调制输出Dsinωct=-sinωct

，其相位为-π/2；EF图6-214PSK信号的相位矢量图2）4PSK的解调4PSK信号可用两个正交的载波信号实现相干解调。4PSK信号的相干解调方法：用两路正交的相干载波，可以很容易的分离出这两路正交的2PSK信号，解调后的两路基带信号码元a和b，经过并/串转换后，形成串行数字信号输出。QPSK（4PSK）信号的相干解调数字相位调制的矢量图

（4PSK或QPSK）码变换器的功能：将绝对码转换成相对码(设QDPSK的参考相位为0，采用A方式矢量图)

举例：DQPSK信号（差分码及其相位）输入序列0111001011011000QPSK90o180o0o270o180o90o270o0oQDPSK90o270o270o180o0o90o0o0o相对序列0110101100010000绝对码相对码表QDPSK信号相位编码逻辑关系双比特码元载波相位变化abA方式000o0190o11180o10270o前一对码元的相位状态：6．3数字调制系统性能比较6．3．1二进制数字调制系统的性能比较

1．频带宽度

当码元宽度为Ts时，即码元速率为fs

二进制振幅键控信号带宽：

二进制频移键控信号带宽：二进制相移键控信号带宽：从上面公式中可以得出，2FSK系统占用的系统频带最宽，其频带利用率最低。

2．误码性能在实际应用中，二进制数字通信系统的误码率与系统的信噪比有关。信噪比越大误码率越小。在相同的信噪比和解调方式下，三种调制方式的误码率之间的关系为：2PSK的误码率最低，2FSK的误码率次之，2ASK的误码率最大。在要求相同误码率的前提下，三种调制方式的信噪比关系为：同时，对于同一数字调制方式来讲，相干解调的误码率低于非相干解调。

3．设备复杂程度

通常相干接收设备都要比非相干接收设备复杂。在同样的接收方式下，2DPSK设备最复杂，其次是2FSK，2ASK最简单。

6．3．2多进制数字调制系统的性能比较（1）频带利用率在系统误码率相同的前提下，频带利用率从高到低依次为MASK、MPSK、MFSK而且M越大，频带利用率越高。（2）误码率在相同信噪比条件下，误码率从好到坏依次为MASK、QPSK、8PSK、16PSK。（3）设备复杂程度设备复杂程度从低到高依次为MASK、MFSK、MDPSK、DQPSK。表7-3-3常用二进制码型

样值脉冲极性格雷二进制自然二进码折叠二进码量化级序号正极性部分10001001101110101110111111011100111111101101110010111010100110001111111011011100101110101001100015141312111098负极性部分01000101011101100010001100010000011101100101010000110010000100000000000100100011010001010110011176543210格雷二进码：其特点是任何相邻电平的码组，只有一位码位发生变化。译码时，若传输或判决有误，量化电平的误差小。另外，这种码除极性码外，当正、负极性信号的绝对值相等时，其幅度码相同，故又称反射二进码。格雷二进码不是“可加的”，不能逐比特独立进行，需先转换为自然二进码后再译码。因此，这种码在采用编码管进行编码时才用，在采用电路进行编码时，一般均用折叠二进码和自然二进码。MSK信号的表示式为：（a)编码器(b)译码器3多进制数字相移键控(MPSK)优点:频带利用率高(∵RbM=Rb2×log2M)用φ表示载波的初始相位。由于MFSK的码元采用M个不同的载波，所以它占用较大的带宽。最小频移键控（MSK）是相位连续的二进制频移键控（2FSK）的一个改进θ0——载波初始相位。3多进制数字相移键控(MPSK)在相邻码元交界处，相位一般为不连续，此时2FSK信号的带宽较宽，降低了频带利用率以多进制数字信号编码序列去控制载波的相位，可以产生M个离散相位的已调波，各编码的调相波的相位均相隔2π/M，就形成了多进制数字相移信号(MPSK)。码元周期是四分之一载波周期的整数倍3数字调制系统的性能比较6.4现代数字调制技术6.4.1.正交幅度调制（QAM）QAM是利用多进制幅度键控（MASK）和正交载波调制相结合产生的调制方法QAM由两路独立的两个载波调制合成得到，即利用同相载波传送一路ASK信号、利用正交载波传送另一路ASK信号，然后合成信号，来提高频带利用率（如图）

QAM(正交振幅调制系统)原理方框图相加器信道××××LPFLPFmI(t)mQ(t)cosωctsinωctcosωctsinωctm’I(t)m’Q(t)eo(t)优点:频带利用率高(∵RbM=Rb2×log2M)缺点:抗噪声性能差

MQAM调制框图8QAM调制框图MQAM信号MQAM解调框图MQAM信号二进制信号MQAM信号是一种幅度、相位复合调制信号M表示已调波的状态数（是信号电平数的平方），不同状态与不同的幅度和相位相对应。【例】4电平正交幅度调制(4-QAM或16QAM)、8电平正交幅度调制（8-QAM或64QAM）16QAM信号的产生：正交调幅法：用两路正交的4电平幅度调制信号叠加复合相移法：用两路独立的四相相移调制信号叠加00000010001116QAM与16PSK星座图

16QAM星座图

16PSK星座图

abcd

1111

1110

1010

1011

ac

-3

-1

1

3

01

00

10

11

-3

-1

1

3

01

00

10

11

bd

Q(t)

Q(t)I(t)

I（t）

A

6.4.2.最小频移键控（MSK）最小频移键控（MSK）是相位连续的二进制频移键控（2FSK）的一个改进FSK已调波的频率随着二进制码元极性的改变而相应改变。在相邻码元交界处，相位一般为不连续，此时2FSK信号的带宽较宽，降低了频带利用率若二进制信号的码元互相正交，其误码性能可进一步改善（1）MSK信号的产生原理

MSK信号的表示式为：MSK频率特点:当ai=+1时，当ai=—1时，频率差为：调频指数定义为：QAM由两路独立的两个载波调制合成得到，即利用同相载波传送一路ASK信号、利用正交载波传送另一路ASK信号，然后合成信号，来提高频带利用率（如图）一个4ASK信号波形可以分解为3个2ASK信号的叠加。其中M代表M进制信号。2PSK和2DPSK的解调方式主要包括非相干解调和相干解调。图6-214PSK信号的相位矢量图第6章数字频带传输系统3多进制数字相移键控(MPSK)第6章数字频带传输系统（a)编码器(