通信原理第八章数字调制系统

通信原理第八章数字调制系统第一页，共153页。本章结构§8.1二进制数字调制原理及频谱特征§8.2二进制数字调制系统的抗噪声性能§8.3多进制数字调制系统§8.4现代数字调制系统简介和发展趋势第二页，共153页。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第三页，共153页。复习数字调制解调所在位置信源信源编码信道编码数字调制信道噪声源数字解调信道译码信源译码信宿数字通信系统框图第四页，共153页。§8.1二进制数字调制原理及频谱特征§8.1.1二进制幅移键控(2ASK/即2进制数字调幅)（1）2ASK波形第五页，共153页。(2)2ASK表达式第六页，共153页。(3)2ASK的调制模拟法[把s(t)当成模拟信号进行调幅处理]×第七页，共153页。(3)2ASK的调制键控法（用数字开关控制载波的通断）第八页，共153页。键控法具体实现电路举例(1)第九页，共153页。键控法具体实现电路举例(2)第十页，共153页。(4)2ASK的解调2ASK可以采用2种解调方法相干解调非相干解调第十一页，共153页。2ASK的相干解调×t低通滤波抽样判决tt第十二页，共153页。2ASK的非相干解调t包络检波低通滤波抽样判决第十三页，共153页。(5)2ASK的功率谱密度因为2ASK由单极性不归零波乘以载波而得到,所以其功率谱密度为第十四页，共153页。(5)2ASK的功率谱密度单极性不归零码功率谱2ASK功率谱第十五页，共153页。(6)2ASK的带宽和频带利用率第十六页，共153页。为了限制频带，可将基带信号变为余弦滚降信号后再进行2ASK调制，其调制框图如下：BPF基带信号余弦滤波器则经过余弦滤波器后基带信号带宽，∴2ASK信号的带宽为

,信道利用率为。第十七页，共153页。§8.1.2二进制频移键控(2FSK/即2进制数字调频)（1）2FSK波形原始信息ttt2ASK2FSK第十八页，共153页。(2)2FSK的表达式t2FSK可分解成tt可见2FSK可看作是2个2ASK信号之和第十九页，共153页。(2)2FSK的表达式第二十页，共153页。(3)2FSK的调制第二十一页，共153页。(4)2FSK的解调相干解调非相干解调包络检波法过零检测法差分检波法第二十二页，共153页。（a）相干解调第二十三页，共153页。（b）第二十四页，共153页。解调2FSK信号还可以用鉴频法、过零检测法及差分检波法等。过零检测法的基本思想是，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。第二十五页，共153页。

gfedcba位定时抽样判决LPF脉冲展宽整流微分限幅第二十六页，共153页。(5)2FSK的功率谱密度P2FSK(f)=P1(f)+P2(f)P1(f)=[Ps(f+f1)+Ps(f-f1)]P2(f)=[Ps(f+f2)+Ps(f-f2)]第二十七页，共153页。(5)2FSK的功率谱密度基带信号功率谱密度2FSK信号功率谱密度ssss第二十八页，共153页。(6)2FSK信号的带宽和频带利用率第二十九页，共153页。§8.1.3二进制相移键控(2PSK/即2进制数字调相)(1)2PSK波形原始信息tt2PSKt载波100110第三十页，共153页。(2)2PSK的表达式从上图可以看出2PSK可以看作是双极性数字基带信号与载波直接相乘的结果第三十一页，共153页。(3)2PSK的调制（1）模拟法

tcwcos乘法器)(0te双极性码（2）键控法K开关电路)(ts移相pp0tcwcos)(0te第三十二页，共153页。(4)2PSK的解调注意:2PSK只能采用相干解调,因为发”0”或发”1”时,采用相位变化携带信息。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第三十三页，共153页。

输出判决器抽样LPF相乘器BPF位定时dcbatcwcos)(0te第三十四页，共153页。110结论：①2PSK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。②相干解调时，接收端的本地载波必须与发送载波同频同相。③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，即出现“倒π”现象。第三十五页，共153页。§8.1.4二进制差分相移键控(2DPSK)为了解决2PSK解调中的“相位模糊”问题，人们发明了2DPSK(1)波形t2PSKt载波100110t2DPSK初始相位第三十六页，共153页。(2)差分编码与2DPSK的关系复习第七章中差分码的复习100110t差分编码初始电平000110t如果我们对差分编码以后的码进行直接2PSK调制…差分编码后的2PSK就是原码的2DPSK又称“绝对码”又称“相对码”第三十七页，共153页。(3)2DPSK信号的产生方法绝对码相对码2PSK调制s第三十八页，共153页。(4)2DPSK的解调相干解调先对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，从而实现直接解调，无须进行差分译码第三十九页，共153页。2DPSK的相干解调×t低通滤波抽样判决t2DPSKt载波000110(1)10差分译码0101100110第四十页，共153页。差分译码器的内部结构s第四十一页，共153页。2DPSK的差分相干解调×延迟Tst2DPSK2DPSK延迟Tst低通滤波抽样判决(低电平判1)100101t100110第四十二页，共153页。小结：（1）在2DPSK的相干解调过程中，若解调端的本地载波出现180°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验证。（2）在2DPSK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“倒π”现象。第四十三页，共153页。(5)2PSK和2DPSK的功率谱由于它们看作是“双极性不归零码”与载波相乘的结果，所以第四十四页，共153页。(5)2PSK和2DPSK的功率谱2(D)PSK的功率谱双极性不归零码的功率谱第四十五页，共153页。(6)2(D)PSK的带宽和频带利用率第四十六页，共153页。§8.2二进制数字调制系统的抗噪声性能2ASK的抗噪声性能非相干解调的误码率相干解调的误码率2FSK的抗噪声性能非相干解调的误码率相干解调的误码率2PSK相干解调的误码率（也只能相干解调）2DPSK差分相干解调的误码率第四十七页，共153页。一、2ASK的抗噪声性能噪声ni(t)和有用信号e2ASK(t)的合成信号为yi(t)第四十八页，共153页。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(t)，这时的合成信号为y(t)此步参见3.7节公式（3.7.2）第四十九页，共153页。2ASK信号经过包络检波器，输出为根据3.8节的结论，正弦波加窄带随机过程包络分布服从Rice分布根据3.7节的结论，窄带随机过程包络分布服从瑞利分布1.非相干解调系统误码率的分析第五十页，共153页。瑞利分布和莱斯（Rice）分布瑞利分布莱斯分布第五十一页，共153页。2ASK非相干解调时的误码率设发“1”，发“0”等概率式中，r=A2/(2)为输入信噪比第五十二页，共153页。2.相干解调系统误码率的分析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，而是乘法器第五十三页，共153页。2ASK相干解调时乘法器的输出经过LPF（低通滤波器）和放大器后，得

第五十四页，共153页。2ASK相干解调时“1”和“0”的分布根据3.7节的知识，nc(t)是一个高斯随机噪声，所以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2ASK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，都是频谱的线性搬移。第五十五页，共153页。2ASK相干解调时“1”和“0”的分布第五十六页，共153页。二、2FSK解调的误码率由于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）所以2FSK解调的误码率与2ASK的误码率有着紧密的对应关系由于每一路在“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第五十七页，共153页。单一门限判决与“比较判决”的区别以发“1”（高电平）、包络检波为例单一门限判决（如2ASK）比较判决（如2FSK）第1路输出第2路输出噪声容限噪声容限可见2FSK的比较判决使得噪声容限从A/2扩大到A,同时2路的噪声不是简单叠加关系，故可降低误码率第五十八页，共153页。1.2FSK非相干解调的误码率可以通过对概率密度积分或矢量法分析来证明：比较判决比单一门限判决相当于把信噪比提高了1倍所以非相干解调时第五十九页，共153页。2.2FSK相干解调的误码率同样比较判决比单一门限判决相当于把信噪比提高了1倍第六十页，共153页。三、2PSK解调的误码率分析2PSK只能采用相干解调其分析方法与2ASK非常类似，只不过分布图改为事实上由于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倍第六十一页，共153页。所以2PSK的误码率为第六十二页，共153页。四、2DPSK的差分相干解调法的误码率以发“0”时为例（即前后波形相同）第六十三页，共153页。在噪声功率较小时，上式近似等于2ASK包络检波时，输出包络的平方（参见式8.4.6），而2DPSK是双极性的，故相当于信噪比提高到2ASK（非相干解调）的4倍。第六十四页，共153页。小结：2ASK,2FSK,2(D)PSK比较1、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>相干解调误码率第六十五页，共153页。第六十六页，共153页。小结：2ASK,2FSK,2(D)PSK比较2、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第六十七页，共153页。小结：2ASK,2FSK,2(D)PSK比较3、频带宽度和频带利用率由前面的分析可知第六十八页，共153页。[例题](课后习题8.9)第六十九页，共153页。§8.3多进制数字调制系统采用多进制数字调制系统的优缺点优点大大提高了传信率和频带利用率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第七十页，共153页。§8.3.1MASK（多进制数字调幅）调制原理（1）波形,以4ASK为例4进制基带信号4ASK信号可见MASK信号可由单极性多进制基带信号乘以载波得到第七十一页，共153页。（2）MASK波形的分解可见MASK信号可看作多个2ASK信号的叠加，因此功率谱为第七十二页，共153页。（3）MASK的功率谱第七十三页，共153页。（4）MASK带宽和频带利用率第七十四页，共153页。[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？第七十五页，共153页。(5)MASK的调制和解调调制与2ASK原理完全相同，只不过输入的s(t)是多电平信号。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在实际中很少应用第七十六页，共153页。§8.3.2MFSK（多进制数字调频）调制原理（1）波形，以4FSK为例t4FSK302130要注意在实际中4个载波频率都远远高于码元速率第七十七页，共153页。(2)MFSK的调制二进制111113-8译码器10012ASK开关电路无信号无信号fm信号fm信号第七十八页，共153页。(3)MFSK的解调滤除带外噪声与2FSK原理一样，只不过变成多路8-3编码器fm信号无信号无信号fm信号001111111从整个调制解调过程可以看到，MFSK基本上继承了2FSK的思想，把波形分解成M个ASK来分别处理第七十九页，共153页。(4)MFSK的功率谱和带宽第八十页，共153页。(5)MFSK的频带利用率所以MFSK在实际中并不常用第八十一页，共153页。§8.3.3MPSK（多进制数字调相）调制原理星座图的概念和物理意义参考相位（在这里可以认为是载波相位）发“1”时与载波同相发“0”时与载波反相原点可以看出，如果确定了原点和参考方向，这些矢量可以分别用1个星座点来表示，如图10第八十二页，共153页。4PSK（π/2系统）的星座图同理，对2PSK进行推广，当采用4PSK时我们可以令发“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=π）发“10”时，使产生波形与载波相位差=π/2发“01”时，使产生波形与载波相位差=-π/2参考相位00111001第八十三页，共153页。4PSK（π/2系统）的波形2302014进制数据2进制数据101100100100参考载波tt2进制数据与载波相位差00010π/211π01-π/2第八十四页，共153页。4PSK（π/4系统）的星座图如果令发“11”时，使产生波形与载波相位差=π/4发“10”时，使产生波形与载波相位差=-π/4发“01”时，使产生波形与载波相位差=3π/4发“00”时，使产生波形与载波相位差=-3π/4参考相位11100100第八十五页，共153页。4PSK（π/4系统）的波形2302014进制数据2进制数据101100100100参考载波t2进制数据与载波相位差00-3π/410-π/411π/4013π/4t第八十六页，共153页。各种MPSK星座图举例第八十七页，共153页。4PSK（π/2系统）的调制属于模拟选通电路（例如CD4051等）第八十八页，共153页。4PSK(π/4系统)的调制把星座图的数据改称双极性就容易理解了例如发“11”（记为ab）时，发送波形应为参考相位1，11，-1-1，1-1，-1当发其他数据时同样有这个规律第八十九页，共153页。也可以用矢量分解来理解上述过程参考相位1，11，-1-1，1-1，-1参考相位（即载波）的同相分量，为+1，即a位{a,b}参考相位（即载波）的正交分量，为+1，即b位{a,b}{a,b}{a,b}可见任意一个星座点都可以用同相分量+正交分量得到，而这两个分量的系数由{a,b}来确定第九十页，共153页。4PSK(又称QPSK)的调制框图第九十一页，共153页。上图中输入一串数据时的波形第九十二页，共153页。4PSK的解调输出并/串变换S4PSK(t)LPFLPF-sinctcosct

/2抽样判决抽样判决定时第九十三页，共153页。4DPSK的原理与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而不是与载波比较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第九十四页，共153页。4DPSK（π/2系统）的波形2302014进制数据2进制数据101100100100t2进制数据与前1码元相位差00010π/211π01-π/2初始相位第九十五页，共153页。4DPSK（又称QDPSK）的调制与2DPSK类似，只要先把“绝对码”变成“相对码”，再进行4PSK调制即可但是要注意，这里的码变换不是简单的差分码变换，因为涉及到{a,b}2位的运算

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：第九十六页，共153页。4DPSK（即QDPSK）码变换的状态图0000101011110101001011010010110100101101第九十七页，共153页。4DPSK码变换举例原始数据101100100100参考载波t码变换后（00）100101000101t2进制数据与载波相位差00010π/211π01-π/2可见对变换后码进行PSK调制，相当于对原始码进行DPSK调制第九十八页，共153页。4DPSK的调制框图第九十九页，共153页。上图中输入一串数据后的波形第一百页，共153页。8PSK简介星座图参考相位000001011010110111101100第一百零一页，共153页。另一种8PSK参考相位000001011010110111101100第一百零二页，共153页。后一种8PSK的调制实现电平产生电路可以由多路选择开关实现，其输入/输出对应关系见右表b1b3(输入)输出电平11cos(π/8)10sin(π/8)00﹣sin(π/8)01﹣cos(π/8)第一百零三页，共153页。8PSK的解调LPLPLPLP第一百零四页，共153页。§8.4现代数字调制系统§8.4.1正交幅度调制(QAM)对4PSK正交调制的一种扩展应用于ADSL接入8.4.2OQPSK§8.4.3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§8.4.4正交频分复用(OFDM)应用于最新的ADSL设备中第3~4代移动通信的主流调制方式第一百零五页，共153页。§8.4.1正交幅度调制(QAM)16QAM的星座图和对应编码参考方向0000000100110010010001010111011011001101111111101000100110111010第一百零六页，共153页。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(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1(2)凡是横坐标相同的点其a1a2编码必相同(3)凡是纵坐标相同的点其b1b2编码必相同第一百零七页，共153页。利用上述规律进行向量分解参考方向101010001001101111

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11第一百零八页，共153页。观察上图矢量分解的坐标与编码关系可发现a1a2同相分量的振幅10+3V11+1V01-1V00-3V第一百零九页，共153页。QAM的调制串/并2-L电平转换2-L电平转换同相矢量振幅正交矢量振幅××+矢量合成第一百一十页，共153页。QAM的频带利用率第一百一十一页，共153页。8.4.2偏移四相相移键控（OQPSK）

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10→01，00→11）时，限带后还会出现包络为0的现象，如下图所示。第一百一十二页，共153页。第一百一十三页，共153页。第一百一十四页，共153页。OQPSK信号的功率谱与QPSK信号的功率谱形状相同，其主瓣包含功率的92.5%。频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的QPSK信号小，经限幅放大后频谱展宽得少，所以OQPSK的性能优于QPSK，由于OQPSK信号采用相干解调方式，因此其误码性能与相干解调的QPSK相同。第一百一十五页，共153页。§8.4.3最小频移键控(MSK)MSK就是最小频差的2FSK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,从而减小高频分量第一百一十六页，共153页。一、频差最小原则我们在学习2FSK的时候,有结论第一百一十七页，共153页。(1)滤波器法如果采用滤波器法，2个主瓣不能重叠，则最小频差(从图中可以看出)为第一百一十八页，共153页。(2)正交法两个信号正交的定义第一百一十九页，共153页。(2)正交法当两个信号正交时,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,这是因为第一百二十页，共153页。(2)正交法我们现在分析: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第一百二十一页，共153页。(2)正交法若使发”0”和发”1”时的2信号正交,则根据正交的定义,有第一百二十二页，共153页。(2)正交法第一百二十三页，共153页。(2)正交法（结论）可见正交法把频差减低到了滤波法的1/4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”的方法识别即MSK决不能使用图8.6中的普通2FSK方式进行解调。第一百二十四页，共153页。二、相位连续原则画图示意11010第一百二十五页，共153页。如何保证相位连续？理论计算（1）MSK的表达式额外加入这一项是为了保证相位连续为了保证相位连续，需要：第一百二十六页，共153页。保证相位连续的条件11010第一百二十七页，共153页。第一百二十八页，共153页。三、MSK的表达式及其分解第一百二十九页，共153页。MSK的表达式分解参考相位的关系式，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。第一百三十页，共153页。四、MSK信号的产生差分编码串/并变换××××+第一百三十一页，共153页。五、MSK的相位路径图相位路径图中的“相位”指的是MSK信号与载波fc的相位差，所以要先画出载波11010MSK载波第一百三十二页，共153页。§8.4.4OFDM(正交频分复用)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）根据信道的传输特性（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第一百三十三页，共153页。1、OFDM的功率谱示意图第一百三十四页，共153页。2、OFDM的表达式（对于理解调制实现方法很有用）与离散反付立叶变换(IDFT)表达式形式完全一样第一百三十五页，共153页。二、OFDM的（一种）调制实现串/并变换编码映射IFFT并/串变换D/A变换LPF(低通)上变频第一百三十六页，共153页。三、OFDM的频带利用率可见OFDM是QAM调制