【2023】通信原理-第7章-20231201

移动通信国家重点实验室东南大学通信原理教学团队

国家级一流本科课程

通信原理

数字调制第7章高等院校电子信息类重点课程名师精品系列教材

2知识要点幅移键控频移键控相移键控正交幅度调制数字调制方式的比较3第7章数字调制

7.1引言47.1引言数字调制数字基带信号来改变（键控）正弦载波的幅度、频率或者相位，最终实现数据带通信号传输幅移键控（ASK）相移键控（PSK）频移键控（FSK）正交幅度调制（QAM）57.1引言67.1引言数字调制技术系列恒定包络与非恒定包络方案恒定：M-PSK，M-FSK非恒定：M-ASK，M-QAM线性与非线性方案线性：M-ASK，M-PSK,M-QAM非线性：M-FSK，M-OFDM77.1引言相干与非相干系统相干载波频率和相位严格同步M-PSK，M-DPSK，M-QAM，M-OFDM非相干M-ASK，M-DPSK，M-FSK87.1引言数字调制技术的设计原则提高带宽效率最小化误码率最小化平均功率信道非线性影响同步需求97.2带通传输模型107.2带通传输模型11系统模型采用信号空间分析法，对各种数字调制方式进行研究，建立信号星座图，构造最佳接收机，并借助联合界得到相应的误码率。7.2带通传输模型信号能量{si(t)},i=1…M每个符号的能量平均符号能量每比特平均能量127.2带通传输模型13功率谱复包络等效基带信号单极性和双极性不归零信号的功率谱14单极性和双极性不归零信号的功率谱157.2带通传输模型16带宽效率两个因素影响

多级编码频谱整形7.3幅移键控177.3幅移键控调制方案二进制ASK，M进制ASK主要内容信号表达式信号空间图误码率信号的产生与检测功率谱，带宽效率平均信号能量，最小能量187.3.1二进制ASKBASK通断健控197.3.1二进制ASK信号空间207.3.1二进制ASK信号能量21最小能量信号？7.3.1二进制ASK22误码率发送符号为“0”误判为17.3.1二进制ASK23误码率7.3.1二进制ASK24BASK的产生和检测发射机相干接收机非相干接收机7.3.1二进制ASK25功率谱7.3.1二进制ASK26带宽效率7.3.2M

进制ASK定义与信号空间277.3.2M

进制ASK信号空间28E0是最小幅度的信号能量7.3.2M

进制ASK误码率297.3.2M

进制ASK误码率307.3.2M

进制ASK带宽效率317.4频移键控327.4.1二进制FSK主要方案二进制FSK（BFSK）最小频移键控（MSK）多进制FSK（M-FSK）337.4.1二进制FSK定义正交性要求频率设置相位连续性信号在每个Ｔb内都包含有整数个周期的载波波形

34BFSK信号的正交性35Symble1Symble0码元正交的条件36BFSK信号的正交性未知相位满足正交性的最小频率间隔为1/Tb(m=1)已知相位（ϕ1-ϕ2=0）满足正交性的最小频率间隔为1/2Tb(n=1)37BFSK信号的相位连续性相位连续性信号在每个Ｔb内都包含有整数个周期的载波波形信号在每个Ｔb内起始相位和结束相位都为0码元变换时保持相位的连续性387.4.1二进制FSK39信号空间7.4.1二进制FSK40误码率7.4.1二进制FSK信号能量41最小能量信号？7.4.1二进制FSK427.4.1二进制FSK相干BFSK信号的产生与检测437.4.1二进制FSK44非相干接收7.4.1二进制FSK45功率谱如果h较小，功率谱将出现单峰如果h较大，功率谱将出现双峰以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算带宽7.4.2最小频移键控定义偏移率h=1/2是满足正交性条件最小值。h=1/2且满足相位连续性的二进制FSK，称为最小频移键控（MSK）。467.4.2最小频移键控MSK的相位信息信号在每个Tb内没有包含整数个载波波形周期，无法自然满足相位连续性要求需要在每符号的传输信号中引入附加的初始相位，对相位进行纠正，以满足相位连续性要求477.4.2最小频移键控48相位网格图7.4.2最小频移键控49相位网格图7.4.2最小频移键控50每条路径都对应于一个特定的相位序列，也对应于一个特定的输入符号序列。在MSK中对发射符号序列进行检测的过程，可以转化为对相位序列进行估计的过程。7.4.2最小频移键控51每个相位的信息都蕴含在相邻的两符号的接收信号中。相位θ(0)蕴含在b−1和b0的接收信号中，相位θ(Tb)蕴含在b0和b1的接收信号中也就是说，相位θ(0)蕴含在持续时间为[−Tb,Tb]的接收信号中；相位θ(Tb)蕴含在持续时间为[0,2Tb]的接收信号中。7.4.2最小频移键控52根据在[−Tb,2Tb]上的接收信号估计相位θ(0)和θ(Tb)7.4.2最小频移键控537.4.2最小频移键控54在[−Tb,Tb]上，同相分量是相同的在[0,2Tb]上，正交分量是相同的定义基函数7.4.2最小频移键控55在[−Tb,Tb]上，得到对相位θ(0)的估计在[0,2Tb]上，得到对相位θ(Tb)的估计7.4.2最小频移键控56判决准则7.4.2最小频移键控57信号空间7.4.2最小频移键控58例7.1请画出产生MSK信号序列1101000的过程中所出现的序列和波形。【解】5960FSK(MSK)画图技巧相位网格图确定起始相位根据比特流的变化，确定相位的变化波形图确定载波的起始相位确定载波频率、码元宽度确定载波频率与码元宽度的关系，确定一个码元内载波的周期数。画出MSK波形图注意在位变换的时候保持相位的连续性。7.4.2最小频移键控61误码率7.4.2最小频移键控62产生和检测MSK的产生和检测63MSK功率谱647.4.2最小频移键控65MSK的应用将数据通过一个冲激响应由高斯函数定义的基带脉冲整形滤波器，就可以在维持MSK信号恒定包络的同时，使其功率谱也非常紧凑。这样的二进制调制方法就叫作高斯滤波MSK（或GMSK）。第二代数字蜂窝移动通信系统GSM中，所采用的就是GMSK调制。7.4.3M

进制FSK定义与信号空间667.4.3M

进制FSK67带宽效率7.5相移键控687.5相移键控二进制PSK（BPSK）四进制PSK（QPSK）多进制PSK（MPSK）二进制差分相移键控（2DPSK）697.5.1二进制PSK70定义Symble1Symble07.5.1二进制PSK71信号空间7.5.1二进制PSK信号能量72最小能量信号？7.5.1二进制PSK误码率73发送符号为0时，X1的条件概率密度函数为发送符号为0时，误判为1的概率7.5.1二进制PSK误码率747.5.1二进制PSK75BPSK信号的产生和检测1:x1>00:x1<07.5.1二进制PSK76功率谱练习：BPSK波形考虑二进制比特流为101101，试画出其BPSK信号波形777.5.2四进制PSK定义787.5.2四进制PSK信号空间797.5.2四进制PSK信号空间807.5.2四进制PSK信号能量81最小能量信号？例7.2请画出产生QPSK信号序列01101100的过程中所出现的序列和波形。【解】82误码率接收信号x(t)观察矢量X7.5.2四进制PSK83QPSK误码率84一个QPSK系统相当于两个使用正交相位为载波的BPSK并行工作QPSK误码率85误码率也可以通过观察信号空间图推导出来7.5.2四进制PSK86误比特率对于相同的比特传输速率和Eb/N0，QPSK具有与BPSK相同的误比特率，而信道带宽仅为后者的一半。对于相同的Eb/N0和误比特率，占用相同信道带宽的QPSK，其比特传输速率是BPSK的两倍。当采用格雷码时7.5.2四进制PSK87QPSK的产生和检测7.5.2四进制PSK88功率谱QPSKv.s.BPSK897.5.3M

进制PSK90定义信号空间7.5.3M

进制PSK91信号空间7.5.2MPSK信号能量92最小能量信号？7.5.3M

进制PSK93功率谱7.5.3M

进制PSK94带宽效率Mr误码率性能下降(需要增加Eb/N0)7.5.4二进制差分相移键控2PSK接收机载波恢复中，相位存在0，模糊，导致解调器出现反相工作，恢复的信号“0”“1”倒置。2DPSK差分+PSK是一种非相干的PSK，其原理是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息。可以消除接收机对相干参考信号的需要957.5.4二进制差分相移键控2DPSK信号的产生差分规则：如果输入符号bk是1，保持符号dk和前一符号一致如果输入符号bk是0，将符号dk改为和前一符号不同对差分序列{dk}进行2PSK调制967.5.4二进制差分相移键控977.5.4二进制差分相移键控98DPSK信号检测DPSK信号检测997.5.4二进制差分相移键控100判决准则：判断x0和x1接近还是和−x1接近？7.5.4二进制差分相移键控判决判断x0和x1接近还是和−x1接近1017.5.4二进制差分相移键控102产生和检测差分相干接收机误码率7.5.4二进制差分相移键控103相干解调法误码率7.5.4二进制差分相移键控功率谱与PSK有相同的功率谱有相同的带宽和带宽有效性误码率误码率性能比BPSK差需要考虑解码器对误比特率的影响1047.6正交幅度调制1057.6正交幅度调制M

进制QAM可以视为M进制ASK的2维推广1067.6正交幅度调制QAM星座图(M=2n)正方形星座图(n是偶数)十字星星座图(n是奇数）107例7.3请设计符合格雷映射规则的16-QAM消息点编码方法。【解】108例7.4请画出5G中使用的256进制QAM调制的星座图。【解】根据3GPP标准TS38.211，5G中使用的256进制QAM定义如下109给定八个比特相应的星座图中的点为例7.4请画出5G中使用的256进制QAM调制的星座图。5G中256进制QAM调制的星座图为110QAM信号能量1117.6正交幅度调制误码率112L进制ASK误码率7.6正交幅度调制误码率1137.6正交幅度调制带宽效率1147.7数字调制方式的比较1157.7数字调制方式的比较可靠性误码率BPSK、QPSK、BFSK、MSK有效性带宽M-PSK,M-QAM,andM-FSK1167.7.1可靠性误码率1177.7.1可靠性118相干BPSK,QPSK,andMSK相干BFSK非相干

DPSK7.7.1可靠性119可靠性所有系统的误码率随Eb/N0值的增加而单调减对任意的Eb/N0值，相干二进制PSK、QPSK和MSK的误比特率，比其他调制方式小。为得到相同的误比特率，相干BPSK和BDPSK需要的Eb/N0值，比传统的相干FSK和非相干FSK所需要的值小3dB。在相同误比特率的情况下，相干FSK和非相干FSK比相干ASK和非相干ASK所需要的Eb/N0小3dB。7.7.1可靠性120可靠性在Eb/N0取较大值时，在相同传输速率和每符号信号能量下，相干或非相干二进制DPSK与相干二进制PSK的性能差别很小。7.7.2带宽效率121M进制PSK中QPSK在功率和带宽需求之间有较好的折中。当M>8时，要求的功率太大。就信号的产生和检测过程来说，M进制PSK比二进制PSK需要更复杂的设备，特别是M>8时。7.7.2带宽效率1227.7.2带宽效率123当M>4时，M进制PSK的信号星座图是圆形的，而M进制QAM的信号星座图是矩形的。M进制PSK消息点之间的距离比M进制QAM消息点之间的距离要小。在AWGN信道中，当M>4时，M进制QAM的差错性能优于M进制PSK。7.7.2带宽效率124M进制FSK，给定误码率，M的增大将带来功率需求的减小。这种发射功率的减小是以增大信道带宽为代价得到的。M进制FSK和M进制PSK的特性相反，更适用于对带宽效率要求不高的中、低速的数据传输。7