通信系统综合设计

多进制数字调制系统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。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。在信道频带受限时为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统。其代价是增加信号功率和实现上的复杂性。由信息传输速率Rb、码元传输速率RB和进制数M之间的关系RB=可知，在信息传输速率不变的情况下，通过增加进制数M，可以降低码元传输速率，从而减小信号带宽，节约频带资源，提高系统频带利用率。在码元传输速率不变的情况下，通过增加进制数M，可以增大信息传输速率，从而在相同的带宽中传输更多的信息量。在多进制数字调制中，每个符号时间间隔0≤t≤Ts，可能发送的符号有M种，分别为s1(t)：s2(t)，…，sM(t)。在实际应用中，通常取M=2N，N为大于1的正整数。与二进制数字调制系统相类似，若用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率或相位，则可相应地产生多进制数字振幅调制、多进制数字频率调制和多进制数字相位调制。下面分别介绍三种多进制数字调制系统的原理。多进制数字振幅调制系统多进制数字振幅调制又称多电平调制，它是二进制数字振幅键控方式的推广。M进制数字振幅调制信号的载波幅度有M种取值，在每个符号时间间隔Ts内发送M个幅度中的一种幅度的载波信号。M进制数字振幅调制信号可表示为M进制数字基带信号与正弦载波相乘的形式，其时域表达式为an=0发送概率为P01,发送概率为P1M-1,发送概率为PM-1

……且

M进制数字振幅调制信号的功率谱与2ASK信号具有相似的形式式中，g(t)为基带信号波形，Ts为符号时间间隔，an为幅度值。an共有M种取值，通常可选择为an∈｛0,1,…,M-1｝，若M种取值的出现概率分别为P0，P1，…，PM-1，则4进制数字振幅调制信号的时间波形它是M进制数字基带信号对正弦载波进行双边带调幅，已调信号带宽是M进制数字基带信号带宽的两倍。M进制数字振幅调制信号每个符号可以传送log2M比特信息。在信息传输速率相同时，码元传输速率降低为2ASK信号的1/log2M倍，因此M进制数字振幅调制信号的带宽是2ASK信号的1/log2M倍。除了双边带调制外，多进制数字振幅调制还有多电平残留边带调制、多电平相关编码单边带调制及多电平正交调幅等方式。在多进制数字振幅调制中，基带信号g(t)可以采用矩形波形，为了限制信号频谱g(t)也可以采用其他波形，如升余弦滚降波形，部分响应波形等。多进制数字振幅调制信号的解调与2ASK信号解调相似，可以采用相干解调方式，也可以采用非相干解调方式。假设发送端产生的多进制数字振幅调制信号的幅度分别为±d，±3d，…，±(M-1)d，则发送波形可表示为sT(t)=±u1(t),发送±d电平时±u2(t),发送±3d电平时±uM/2(t),发送±(M-1)d电平时……式中：±u1(t)=±dcosωct,0≤t＜Ts0,其他±u2(t)=±3dcosωct,0≤t＜Ts0,其他±uM/2(t)=±(M-1)dcosωct,0≤t＜Ts0,其他式中,r=为信噪比。当M取不同值时，M进制数字振幅调制系统总的误码率Pe与信噪比r关系曲线如图7-34所示。由此图可以看出，为了得到相同的误码率Pe，所需的信噪比随M增加而增大。例如，四电平系统比二电平系统信噪比需要增加约5倍。M进制数字振幅调制系统的误码率Pe性能曲线多进制数字频率调制系统多进制数字频率调制(MFSK)简称多频调制，它是2FSK方式的推广。MFSK信号可表示为eMFSK(t)=si(t)cosωit式中:si(t)=

A,当在时间间隔0≤t＜Ts发送符号为i时0,当在时间间隔0≤t＜Ts发送符号不为i时ωi为载波角频率，共有M种取值。通常可选载波频率fi=，n为正整数，此时M种发送信号相互正交。下图是多进制数字频率调制系统的组成方框图。发送端采用键控选频的方式，在一个码元期间Ts内只有M个频率中的一个被选通输出。接收端采用非相干解调方式，输入的MFSK信号通过M个中心频率分别为f1,f2,…,fM的带通滤波器，分离出发送的M个频率。再通过包络检波器、抽样判决器和逻辑电路，从而恢复出二进制信息。多进制数字频率调制信号的带宽近似为可见，MFSK信号具有较宽的频带，因而它的信道频带利用率不高。多进制数字频率调制一般在调制速率不高的场合应用。多进制数字频率调制系统的组成方框图图7-36FLEX系统4FSK信号频率关系MFSK信号采用非相干解调时的误码率为Pe=

式中,r为平均接收信号的信噪比。多进制数字频率调制系统误码率性能曲线如图7-37所示。图中，实线为采用相干解调方式，虚线为采用非相干解调方式。可以看出，在M一定的情况下，信噪比r越大，误码率Pe越小；在r一定的情况下，M越大，误码率Pe也越大。另外，相干解调和非相干解调的性能差距将随M的增大而减小；同一M下，随着信噪比r的增加非相干解调性能将趋于相干解调性能。多进制数字频率调制系统误码率性能曲线多进迹制数剩字相乏位调橡制系窑统1.多进冤制数序字相鞠位调新制(M罢PS涝K)信号扔的表伴示形幻玉式多进培制数醒字相畜位调号制又烤称多算相调拾制，渠它是坦利用鞋载波禾的多删种不盘同相硬位来优表征现数字廉信息汁的调蚊制方女式。嗽与二啄进制规数字之相位浊调制革相同房诚，招多进管制数包字相瓜位调闯制也予有绝攀对相棉位调疫制和妈差分遇相位倾调制命两种抵。为了捞便于蚕说明也概念赖，我难们可悠以将MP职SK信号械用信谢号矢巧量图精来描另述。缎图7饿-拨38是二攀进制滤数字仗相位振调制弹信号端矢量暖图，抵以0°载波繁相位执作为怨参考鲜相位略。载盘波相彼位只白有0和π或狗两种驴取值催，它炕们分企别代岛表信1和0.二进企制数升字相牛位调穴制信奋号矢简量图四进输制数级字相登位调响制信恩号矢傲量图泉如图7妙-丝式39所示粪，津载波乐相位巡寿有0、、π和(或、顷、和距）朋，落它们壁分别斤代表拣信息11、01、00和10。图7蔬-4顷0是8P抢SK信号手矢量站图，8种载裙波相丢位分暂别为、、、、、避和分别娘表示流信息11赤1、11吨0、01杀0、01旨1、00冰1、00索0、10忌0和10脊1。痒在M进制呜数字天相位障调制浇中，兆是威以载觉波相扰位的M种不买同取埋值分歉别表革示数互字信眯息，玻因雷此M进制桥数字史相位洁调制鸭信号学可以钟表示孩为eMP帝SK(t)=g(驶t-徒nT车s)co蜡s(骑ωc浆t+值φn)闻(种7.矮4恒-们10煤)式中,蝴g(银t)男——信号滴包络冠波形球，判通常粒为矩衫形波拜，音幅度奥为1；Ts桥——码元以时间防宽度踩；ωc取——载波爷角频故率；四进颗制数府字相错位调状制信尸号矢葛量图φn——第n个码伙元对探应的乖相位组，共速有M种取片值。鞭对扔于二生相调棒制，φn可取0和π；对于该四相寸调制兼，φn可取0、、篮和宴；柴对于色八相借调制哑，φn可取寻、纷、染、惑、、饺、嘉。M进制乞数字衫相位扇调制荒信号榴也可阻以表盐示为柔正交朵形式:eMP夹SK(t)=g(积t-阳nTs)c闻os犬φn］co艺sωct-g(纹t-疑nTs)s套in焰φn］si魂nωct=an秀g(吴t-艇nTs)］co缩慧sωct-bng(贼t-汗nTs)］si益nωct=I(醉t)辞co藏sωct-油Q(球t)享si种nω式中:I(辜t)少=ang(盆t-捡nTs)Q(盘t)董=bng(挣t-菠nTs)此时燃，疤对于忙四相养调制:an取0，±1bn取0,唯±起1an取±1bn取±1或M进制梅数字询相位粱调制咐信号域的功调率谱滑如图迫所示庭，阿图中蛇给出荐了信斜息速托率相池同时排，2P旗SK、4P崭SK和8P级SK信号运的单壁边功渔率谱央。可洁以看便出，M越大锤，功资率谱挠主瓣亩越窄汗，从而载频带猫利用禾率越隔高。8P链SK信号鹿矢量辰图2.集4晕PS舅K信号予的产宾生与矿解调在M进制骗数字营相位朗调制撞中，抄四进虎制绝稼对移潜相键欺控(4露PS虑K)和四薪进制革差分棋相位堵键控(4赵DP家SK望)两种营调制扔方式科应用布最为禽广泛遵。下啦面分愿别讨原论这尊两种楼调制芝信号妄的产煮生原症理。四进音制绝偏对移恐相键阶控利悦用载责波的品四种摩不同价相位宏来表理示数盒字信具息。叨由避于每段一种灰载波西相位葬代表猎两个育比特栏信息岂，因诵此每盗个四麦进制然码元气可以匪用两胶个二芳进制衬码元崭的组树合来泪表示慈。两后个二私进制园码元查中的渗前一问比特而用a表示员，后伸一比蒸特用b表示愚，则姑双比退特ab与载笑波相尾位的山关系越如表所示菌。进值铺数字颠相位鱼调制固信号南功率次谱双比慰特ab与载戏波相晴位的罗关系双比特码元载波下相位(φn)abA方式B方式011000110°90°80°70°225°315°45°135°在一自个码技元时腹间间介隔Ts，4P酿SK信号渴为载恋波四宪个相听位中允的某袄一个休。因准此，发可以感用相肃位选辛择法熊产生4P追SK信号嫂，其贩原理赔图如腔图芽所示此。图窗中，有四相肢载波皱产生朱器输收出4P屯SK信号潜所需申的四蹦种不匆同相处位的漆载波捎。输邪入二纱进制嫁数据恩流经芽串/并变厕换器亚输出蛙双比忍特码这元，显逻辑狸选相猛电路壤根据骗输入欠的双沙比特五码元弟，每帝个时壳间间茂隔Ts选择换其中横一种盘相位莫的载铲波作嚷为输出，返然后这经带转通滤束波器点滤除昼高频门分量洲。4P鉴SK信号迎也可偷以采景用正纠交调近制的止方式支产生熔，正兴交调你制器挠原理朵图如李图所示限，它鸭可以险看成心由两海个载反波正思交的2P厌SK调制畜器构棋成。相位阁选择降法产禁生4P香SK信号你原理呀图4P比SK正交伶调制陡器图中昂，鲜串/并变掘换器虫将输茫入的恢二进拔制序尿列分杀为速帜率减路半的抗两个邻并行迎的双兆极性刑序列a和b，然后释分别乌对co歉sω缩慧ct和si跟nω币ct进行荷调制岭，相集加后说即可帝得到4P暖SK信号馆。由图7－43可见拳，4P嗽SK信号嚷可以麦看作妇两个叹载波电正交2P复SK信号颤的合餐成。送因此剃，对4P筒SK信号吼的解切调可软以采管用与2P才SK信号条类似战的解踩调方边法进业行解狗调，竟解调译原理且图如耍图7－44所示阻。同滨相支耕路和班正交昌支路兴分别泛采用趴相干谢解调牧方式砌解调焰，得朽到I(烂t)和Q(夕t)，经抽让样判矛决和度并/串变新换器粒，将盏上、哥下支镰路得痛到的肾并行哲数据壁恢复咱成串懒行数音据。4P瓜SK信号宪相干洽解调订原理嚷图在2P乌SK信号绩相干惠解调颈过程饮中会敬产生18传0°相位晶模糊外。同规样，孩对4P垄SK信号惯相干翻解调辅也会望产生缴相位停模糊新问题泥，并拉且是0°、90地°、18范0°和27绸0°四个载相位池模糊母。因琴此，碗在实英际中皮更实腿用的萍是四姐相相计对移统相调笔制，剥即4D鸣PS沃K方式抹。3.环4典DP浑SK信号不的产套生与源解调4D华PS强K信号充是利筹用前玩后码乌元之术间的躬相对惧相位彼变化勇来表侵示数捕字信店息。浅若以娘前一唯双比映特码件元相评位作峡为参馒考，Δφ邀n为当凭前双溉比特供码元熟与前滋一双洋比特营码元数初相僚差，物则信迷息编冶码与拒载波小相位墙变化申关系距如表7－5所示栽。4D励PS所K信号厅产生水原理宰图如功图7－45所示柴。迹图中煎，串/并变潮换器雪将输拼入的睛二进仙制序拢列分境为速就率减辫半的寇两个迁并行评序列a和b，再通害过差铅分编僻码器鸽将其我编为贺四进骨制差棋分码捉，淋然后桨用绝对调早相的削调制个方式辜实现4D召PS适K信号丑。表7漠–诸54DP龙SK信号铁载波扫相位秘编码料逻辑揉关系双比特码元载波下相位(φn)ab

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