1、通信原理通信原理第第7 7章章 数字带通传输（数字带通传输（7.4-57.4-5）主 讲：江金龙E-mail：九江学院电子工程学院第1页，共52页。第7章 数字带通传输概要：概要：7.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理 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）7.4.4 多进制差分相移键控（多进制差分相移键控（MDPSK）7.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能 第2页，共52页。第7章 数字带通传输7.4 多进制数字调制原理多进制数字调制
2、原理 为了提高频带利用率，最有效的办法是为了提高频带利用率，最有效的办法是使一个码元传输多使一个码元传输多个比特的信息。个比特的信息。由由7.3节中的讨论得知，各种键控体制的节中的讨论得知，各种键控体制的误码率误码率都决定都决定于信噪比于信噪比r。它还可以改写为它还可以改写为码元能量码元能量E和噪声单边功率谱密度和噪声单边功率谱密度n0之比：之比：0nEr/推理如下：推理如下：第3页，共52页。第7章 数字带通传输 222nar20nn B代入：代入：1sBT2002saTErnn带通系统：带通系统：（带宽码元速率）（带宽码元速率）基带系统：基带系统：（带宽（带宽1/2码元速率）码元速率）第4
3、页，共52页。第7章 数字带通传输 设多进制码元的进制数为设多进制码元的进制数为M，码元能量为，码元能量为E，一个码元中包，一个码元中包含信息含信息k比特，则有比特，则有k=log2M 若码元能量若码元能量E平均分配给每个比特，则平均分配给每个比特，则每比特的能量每比特的能量Eb等于等于E/k。故有。故有00/bbEE krrnnk 在研究不同在研究不同M值下的错误率时，适合用值下的错误率时，适合用rb为单位来为单位来比较不比较不同体制的性能优劣同体制的性能优劣。比特信噪比比特信噪比第5页，共52页。第7章 数字带通传输7.4.1 多进制振幅键控多进制振幅键控(MASK)多进制振幅键控又称多进
4、制振幅键控又称多电平调制多电平调制优点：优点：MASK信号的带宽和信号的带宽和2ASK信号的信号的带宽相同带宽相同，故单位频带，故单位频带的信息传输速率高，即的信息传输速率高，即频带利用率高。频带利用率高。如：如：基带信号是基带信号是多进制多进制单极性单极性不归零脉冲不归零脉冲：第6页，共52页。第7章 数字带通传输(b)MASK信号(a)基带多电平单极性不归零信号0010110101011110000t0t0101101010111100第7页，共52页。第7章 数字带通传输基带信号是基带信号是多进制多进制双极性双极性不归零脉冲：不归零脉冲：0101101010111100000t(c)基带
5、多电平双极性不归零信号00000t01011010101111(d)抑制载波MASK信号第8页，共52页。第7章 数字带通传输7.4.2 多进制频移键控多进制频移键控(MFSK)4FSK信号波形举例信号波形举例(a)4FSK信号波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b)4FSK信号的取值第9页，共52页。第7章 数字带通传输MFSK信号的带宽信号的带宽式中式中:f1 最低载频 fM 最高载频 f 单个码元的带宽B=fM-f1+f第10页，共52页。第7章 数字带通传输MFSK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)抽样判决带通滤波f1包络检波带通滤波
6、fM包络检波输入输出VM(t)定时脉冲带通滤波f2包络检波.第11页，共52页。第7章 数字带通传输7.4.3 多进制相移键控多进制相移键控(MPSK)基本原理基本原理一个一个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的整数次幂。的整数次幂。MktAtskk,2,1)cos()(0MkkMk,2,1),1(22pM 第12页，共52页。第7章 数字带通传输 在下图中示出当在下图中示出当M=8时，时，k取值的一例。图中示出当发取值的一例。图中示出当发送信号的相位为送信号的相位为
7、 1=0时，能够正确接收的相位范围在时，能够正确接收的相位范围在/8内。内。图7-34 8PSK信号相位MkkMk,2,1),1(2第13页，共52页。第7章 数字带通传输 对于对于MPSK信号，信号，不能简单地不能简单地采用一个采用一个相干载波相干载波进行相进行相干解调。例如，若用干解调。例如，若用cos2 f0t作为相干载波时，因为作为相干载波时，因为cos k=cos(2-k)，使，使解调存在模糊解调存在模糊。这时。这时需要用两个正交的相干载需要用两个正交的相干载波解调波解调.第14页，共52页。第7章 数字带通传输可以将可以将MPSK信号码元表示式展开写成信号码元表示式展开写成0000
8、0()cos()coscossinsincossinkkkkkksttttatbtcoskkakkbsin式中式中 上式表明，上式表明，MPSK信号码元信号码元sk(t)可以看作是由正弦和余弦可以看作是由正弦和余弦两个正交分量合成的信号两个正交分量合成的信号，并且，并且ak2+bk2=1。因此，其。因此，其带宽带宽和和MASK信号的带宽相同信号的带宽相同。第15页，共52页。第7章 数字带通传输本节下面主要以本节下面主要以M=4为例，对为例，对4PSK作进一步的分析作进一步的分析.（1）正交相移键控）正交相移键控(QPSK)先介绍先介绍格雷格雷(Gray)码码 4PSK信号每个码元含有信号每个
9、码元含有2 比特的信息，现比特的信息，现用用ab代表这两个比特代表这两个比特。两两个比特有个比特有4种组合种组合，即，即00、01、10和和11。它们。它们和相位和相位 k之间的关系之间的关系通常都通常都按格雷码的规律安排，如下表所示按格雷码的规律安排，如下表所示第16页，共52页。第7章 数字带通传输 abk0090010112701018001001011参考相位图7-35 QPSK信号的矢量图QPSK信号矢量图信号矢量图QPSK信号的编码信号的编码（格雷码）（格雷码）第17页，共52页。第7章 数字带通传输 格雷码的好处格雷码的好处在于在于相邻相位所代表的两个比特只有一位相邻相位所代表的
10、两个比特只有一位不同不同。由于因相位误差造成错判至相邻相位上的概率最大，。由于因相位误差造成错判至相邻相位上的概率最大，故这样编码使之故这样编码使之仅造成一个比特误码的概率最大仅造成一个比特误码的概率最大。第18页，共52页。第7章 数字带通传输多位格雷码的编码方法：多位格雷码的编码方法：序号 格雷码 二进码00 0 0 0000010 0 0 1000120 0 1 100103 0 0 1 000114 0 1 1 001005 0 1 1 101016 0 1 0 101107 0 1 0 001118 1 1 0 010009 1 1 0 1 100110 1 1 1 1 101011
11、 1 1 1 0101112 1 0 1 0110013 1 0 1 1110114 1 0 0 1111015 1 0 0 01111格雷码又称反射码。格雷码又称反射码。第19页，共52页。第7章 数字带通传输码元相位关系：码元相位关系：k称为称为初始相位初始相位，常简称为相位，而把，常简称为相位，而把(0t+k)称为信号称为信号的的瞬时相位瞬时相位 当码元中当码元中包含整数个载波周期包含整数个载波周期时，时，初始相位相同的相初始相位相同的相邻码元邻码元的的波形和瞬时相位才是连续的波形和瞬时相位才是连续的，如下图：，如下图：(a)波形和相位连续TT第20页，共52页。第7章 数字带通传输 若
12、每个码元中的若每个码元中的载波周期数不是整数载波周期数不是整数，则，则即使初始相位即使初始相位相同相同，波形和瞬时相位也可能不连续波形和瞬时相位也可能不连续，如左图：，如左图：(b)波形和相位不连续TT或者波形连续而相位不连续，如右图。或者波形连续而相位不连续，如右图。(c)波形连续相位不连续TT第21页，共52页。第7章 数字带通传输 在码元边界，当在码元边界，当相位不连续时相位不连续时，信号的，信号的频谱将展宽频谱将展宽，包包络也将出现起伏络也将出现起伏。在后面讨论各种调制体制时，还将遇到这个问题。并且有在后面讨论各种调制体制时，还将遇到这个问题。并且有时将时将码元中包含整数个载波周期的假
13、设隐含不提码元中包含整数个载波周期的假设隐含不提，认为认为PSK信信号的初始相位相同，则码元边界的瞬时相位一定连续号的初始相位相同，则码元边界的瞬时相位一定连续。即：即：暂不考虑暂不考虑相位不连续引起的频谱展宽。相位不连续引起的频谱展宽。第22页，共52页。第7章 数字带通传输QPSK调制有两种产生方法：调制有两种产生方法：（1）相乘法）相乘法 第23页，共52页。第7章 数字带通传输 00000()cos()coscossinsincossinkkkkkksttttatbt输入比特流输入比特流a、b与与ak、bk没有直接的对应关系。没有直接的对应关系。这种映这种映射关系射关系称为称为A方式方
14、式。第24页，共52页。第7章 数字带通传输若改为若改为B方式方式：01110010a(1)a(0)b(1)b(0)图7-39 QPSK矢量图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”。a只与只与cos支路有关支路有关b只与只与sin支路有关。支路有关。第25页，共52页。第7章 数字带通传输-sin 0t相干载波产生相乘电路相乘电路/2相移串/并变换相加电路cos 0tA(t)s(t)图7-37 第一种QPSK信号产生方法ab000()cos()cossinkkkksttatbt第26页，共52页。第7章 数字带通传输码元串
15、并变换：码元串并变换：012345(a)输入基带码元t024(b)并行支路a码元t135(c)并行支路b码元t图7-38 码元串/并变换第27页，共52页。第7章 数字带通传输（2）选择法）选择法 串/并变换相位选择带通滤波4相载波产生器1432ab图7-40 选择法产生QPSK信号第28页，共52页。第7章 数字带通传输QPSK解调解调:载波提取相乘低通抽判/2相乘低通抽判并/串A(t)s(t)abcos 0t-sin 0t定时提取图7-41 QPSK信号解调原理方框图第29页，共52页。第7章 数字带通传输 用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两用两路正交的相干载波去解调，可以很
16、容易地分离这两路正交的路正交的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，成串变换后，成为串行数据输出。为串行数据输出。第30页，共52页。第7章 数字带通传输偏置偏置QPSK(OQPSK)QPSK体制的缺点：它的体制的缺点：它的相邻码元最大相位差达到相邻码元最大相位差达到180，这在频带受限的系统中会引起信号这在频带受限的系统中会引起信号包络的很大起伏包络的很大起伏。偏置偏置QPSK的改进：为了减小此相位突变，将两个正交分的改进：为了减小此相位突变，将两个正交分量的两个比特量的两个比特a和和b在时间上错开半个码元在时间上错开半个码元
17、，使之不可能同时，使之不可能同时改变。这样安排后改变。这样安排后相邻码元相位差的最大值仅为相邻码元相位差的最大值仅为90（见下（见下表），从而表），从而减小了信号振幅的起伏减小了信号振幅的起伏。第31页，共52页。第7章 数字带通传输 OQPSK和和QPSK的唯一区别的唯一区别在于：对于在于：对于QPSK，上表中的，上表中的两个比特两个比特a和和b的持续时间原则上可以不同；而的持续时间原则上可以不同；而对于对于OQPSK，a和和b的持续时间必须相同。的持续时间必须相同。OQPSK与与QPSK信号波形的比较如下：信号波形的比较如下：第32页，共52页。第7章 数字带通传输a1a3a5a7a2a6
18、a4a8a2a4a1a3a5a7a6a811000110 注：图注：图7-42没有没有按按A方式画方式画第33页，共52页。第7章 数字带通传输/4相移相移QPSK 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星座图交替产星座图交替产生的，它也是一个生的，它也是一个4进制信号。进制信号。4 51110(a)星座图之一(b)星座图之二010011010010第34页，共52页。第7章 数字带通传输 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。例如，若连续输入例如，若连续输入“11 11 11 11”，则信号码元相位为，则信
19、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、最大相移为优点：这种体制中相邻码元间总有相位改变、最大相移为 135，比，比QPSK的最大相移小。的最大相移小。第35页，共52页。第7章 数字带通传输7.4.4 多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)MDPSK信号和信号和MPSK信号类似，信号类似，只需把只需把MPSK信号用的信号用的参考相位当作是前一码元的相位参考相位当作是前一码元的相位，把，把相移相移 k当作是相对于前当作是相对于前一码元相位的相移一码元相位的相移。这里仍以这里仍以4进制进制DPSK信号为例作进一步的讨论。信号为例作进一步的讨论
20、。4进进制制DPSK通常记为通常记为QDPSK。QDPSK信号编码方式：信号编码方式：第36页，共52页。第7章 数字带通传输 abkA方式B方式0090135010451127031510180225第37页，共52页。第7章 数字带通传输产生方法：产生方法：abcd码变换相加电路s(t)图7-43 第一种QDPSK信号产生方法A(t)串/并变换-/4载波产生相乘电路相乘电路/4第38页，共52页。第7章 数字带通传输 图中图中a和和b为经过串为经过串/并变换后的一对码元，它需要再经过并变换后的一对码元，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。后才与载波相
21、乘。c 和和d 对载波的相乘实际是完成绝对相移键控。对载波的相乘实际是完成绝对相移键控。第39页，共52页。第7章 数字带通传输解调方法解调方法图7-45 A方式QDPSK信号解调方法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第40页，共52页。7.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能l7.5.1 MASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能l误码率：设抑制载波误码率：设抑制载波MASK信号的基带调制码元可以有信号的基带调制码元可以有M个个电平，如右图电平，如右图 t0+d-d+3d-3d+(M-1)d-(M-1)d2d2d第
22、41页，共52页。l 对于抑制载波对于抑制载波MASK信号，信号，判决电平应该选择在判决电平应该选择在0、2d、(M-2)d。当噪声抽样值。当噪声抽样值|nc|超过超过d时，会发生错误时，会发生错误判决。判决。l 但但是，也有例外情况发生，这就是对于信号电平是，也有例外情况发生，这就是对于信号电平等于等于(M-1)d的情况。当的情况。当信号电平等于信号电平等于+(M-1)d时，若时，若nc +d，不会发生错判不会发生错判；l 同理，当同理，当信号电平等于信号电平等于-(M-1)d时，若时，若nc -d，也不，也不会发生错判会发生错判。第42页，共52页。rMerfcMPe13112当当M=2时
23、，上式变为时，上式变为rerfcPe21MASK相干解调的误码率：相干解调的误码率：（7.5-11）也即是也即是（）调制的误码率。调制的误码率。第43页，共52页。l误码率曲线误码率曲线Per(dB)第44页，共52页。7.5.2 MFSK系统的抗噪声性能l非相干解调时的误码率非相干解调时的误码率V1(t)抽样判决带通滤波f1包络检波带通滤波fM包络检波输入输出VM(t)定时脉冲带通滤波f2包络检波.第45页，共52页。l 22222212(1)/21022011/2(1)111(1)11(1)1nnnAMn hnennnMnAnnnMhAhPeIedhnMenn 它的上界，即有：它的上界，即
24、有：2/2/212120rEeeMeMP（7.5-21）第46页，共52页。l误码率曲线误码率曲线(a)非相干解调rbPe第47页，共52页。l相干解调时的误码率相干解调时的误码率dAdueePMrAuAe122/2/2221211误码率上界误码率上界:)()1(rerfcMPe第48页，共52页。l误码率曲线误码率曲线(b)相干解调Perb第49页，共52页。7.5.3 MPSK系统的抗噪声性能lQPSK系统的性能系统的性能22/2111rerfcPe（7.5-33）对于任意对于任意M进制进制PSK信号信号MMrxrreddxeereP/cos22/cos2221cos41211当当M大时，大时，MPSK误码率公式可以近似为误码率公式可以近似为MrerfcPesin第50页，共52页。Perb(dB)第51页，共52页。7.5.4 MDPSK系统的抗噪声性能l误码率计算近似公式为误码率计算近似公式为MrerfcPe2sin2Perb(dB)MPSK误码率公式可以近似为误码率公式可以近似为MrerfcPesin第52页，共52页。
