1、 课 件 数字带通传输 通信原理（第7版）第7章樊昌信 曹丽娜 编著二进制数字调制/解调原理 2ASK 2FSK 2PSK/2DPSK 二进制数字调制系统抗噪声性能二进制数字调制系统的性能比较多进制数字调制原理和特点 本章内容:第7章 数字调制 多进制 数字调制系统7.4 引言二进制：进制：每个码元只携带每个码元只携带 1 bit 信息信息2log MbBRR Rb一定时，增加进制数一定时，增加进制数M，可以降低，可以降低RB，从而减小，从而减小信号带宽、节约信道频率资源。信号带宽、节约信道频率资源。RB 一定时，增加进制数一定时，增加进制数M，可以增大，可以增大Rb，从而在相，从而在相同带宽
2、内传输更多比特的信息，同带宽内传输更多比特的信息，b 。u 目的：提高信道的 频带利用率 。Mlog 2Mu 代价：误码率增大（判决范围减小）;系统复杂。u 种类：MASK、MFSK、MDPSK、MQAM换言之：若要保证一定的换言之：若要保证一定的误码率，误码率，则需增加发射功率，则需增加发射功率，即信号即信号 的功率效率下降。的功率效率下降。注意：注意：MFSK信号的带宽较宽，信号的带宽较宽，频带利用率频带利用率低低，适用于频带资源不受限制的场合。适用于频带资源不受限制的场合。n MASK可看成是二进制振幅键控（可看成是二进制振幅键控（2ASK）的推广。）的推广。MASKsc1()()cos
3、Mnneta g tnTt120,1,1,nMPPaMP 以概率 以概率以概率且有且有11MiiP7.4.1 多进制振幅键控 （MASK）n 4ASK信号振幅有信号振幅有4种取值，每个码元含种取值，每个码元含2bit。n MASK调制调制:与与2ASK的产生方法相似，区别在于的产生方法相似，区别在于:发送端输入的发送端输入的二二进制数字基带信号需要先经过电平变进制数字基带信号需要先经过电平变换器转换为换器转换为M电平的基带脉冲，然后再去调制。电平的基带脉冲，然后再去调制。n MASK解调解调:与与2ASK信号解调也相似，有相干和非相干解调两种。信号解调也相似，有相干和非相干解调两种。lMASK
4、信号的功率谱信号的功率谱 与与 2ASK信号具有相似的形式信号具有相似的形式;l谱零点带宽是谱零点带宽是 M 进制数字基带信号带宽的两倍。进制数字基带信号带宽的两倍。l在在 Rb相同时，相同时，MASK信号带宽是信号带宽是 2ASK的的 1/log2M 倍倍。222logbBRBRM222logBbBTTMl MASK的抗噪声能力差，的抗噪声能力差，l 常用多进制正交振幅调制（常用多进制正交振幅调制（MQAM）来代替。）来代替。n MFSK可视为可视为2FSK方式的推广。方式的推广。n 4FSK采用采用 4种种不同的不同的频率频率分别表示分别表示双比特双比特信息：信息：7.4.2 多进制频移键
5、控 （MFSK）n MFSK调制与解调的原理框图：调制与解调的原理框图：l要求载频之间的距离足够大，以便用滤波器分要求载频之间的距离足够大，以便用滤波器分离不同频率的谱。离不同频率的谱。lMFSK信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。lMFSK一般用于一般用于 调制速率调制速率(1/TB)不高的衰落信道不高的衰落信道 传输场合。传输场合。BMTffB21n 利用载波的利用载波的M种种不同不同相位相位表示数字信息。表示数字信息。n 信号矢量图（星座图）：信号矢量图（星座图）：7.4.3 多进制相移键控 （MPSK）1 基本概念l随着随着M的增加，的增加，多
6、相制多相制信号可以在相同的带宽中传输信号可以在相同的带宽中传输更多比特的信息，从而提高更多比特的信息，从而提高频带利用率频带利用率。l随着随着M的增加，星座图上的的增加，星座图上的相邻相邻信号点的信号点的距离距离会逐渐会逐渐减小减小（判决范围减小（判决范围减小/噪声容限减小），导致噪声容限减小），导致抗噪性能抗噪性能下降下降；设备设备复杂复杂。152 4PSK 调制l 4PSK，也称正交相移键控，也称正交相移键控 QPSK 利用载波的利用载波的 4 种不同相位种不同相位 来表示数字信息。来表示数字信息。l QPSK的每一种载波相位代表两个比特：的每一种载波相位代表两个比特：（00、01、10
7、或或 11）l 两个比特的组合两个比特的组合 称做称做 双比特双比特 码元，记为码元，记为 a b1 1）双比特）双比特与载波相位的关系与载波相位的关系n 矢量图 注：注：对应关系可有不同对应关系可有不同规定，但相邻码组应符规定，但相邻码组应符合合格雷码格雷码编码规则编码规则n 波形 QPSK信号可视为两个互为信号可视为两个互为 正交的正交的2PSK信号的合成信号的合成。n 正交调相法2）QPSK调制 根据当时的双比特根据当时的双比特ab，选相电路从候选的选相电路从候选的4 4个相位中选择相应相位的载波输出。个相位中选择相应相位的载波输出。n 相位选择法abB方式方式原理原理：n 解决方案解决
8、方案：采用四相相对相位调制，即QDPSK。n 存在问题存在问题：存在900的相位模糊（0,90,180,270）n 原理原理：分解为两路2PSK信号的相干解调。3 QPSK 解调21l跳变周期跳变周期 2Tbl带宽带宽 B=Rbl误码性能与误码性能与BPSK相同相同n QPSK 特点：特点：发生在发生在0011或或0110交替时，交替时，即双比特即双比特abab同时同时跳变时，跳变时，信号点沿信号点沿对角线对角线移动。移动。最大相位跳变：最大相位跳变：180l相位跳变：相位跳变：0,90,180l最大相位跳变最大相位跳变180，使，使限带限带的的QPSK信号包络起信号包络起伏很大，并出现包络零
9、点。伏很大，并出现包络零点。l频谱扩展大，旁瓣对邻道干扰大。频谱扩展大，旁瓣对邻道干扰大。n QPSK 缺点：缺点：23n 改进改进思路：思路：QPSK 相位路径相位路径 最大相位跳变最大相位跳变 180n 改进改进思路：思路：信号点信号点不作不作对角线移动对角线移动即双比特即双比特ab不不同时跳变同时跳变 OQPSK 相位路径相位路径 相位跳变相位跳变 0或或 904 OQPSK (偏置或交错QPSK，Offset QPSK)n 如何实现？如何实现？在在QPSK调制基础上，调制基础上，将两个正交分量的比特将两个正交分量的比特a和和b错开错开半个码元（半个码元（1个比特时间）个比特时间）使使
10、ab 不可能同时改变不可能同时改变见下图见下图n 改进改进思路：思路：信号点信号点不作不作对角线移动对角线移动即双比特即双比特ab不不同时跳变同时跳变OQPSKn 限带限带OQPSK 与 限带限带QPSK 对比：对比：u最大相位跳变最大相位跳变180 包络起伏包络起伏大大 频谱扩展频谱扩展大大u相位跳变周期相位跳变周期 2Tb u最大相位跳变最大相位跳变90 包络起伏包络起伏小小 频谱扩展频谱扩展小小u相位跳变周期相位跳变周期 Tb影响影响主瓣主瓣带宽带宽2最大值最小值最大值最小值u功率谱形状：相同功率谱形状：相同u相干解调时：误码性能相同相干解调时：误码性能相同u限带限带OQPSK比限带比限
11、带QPSK信号的信号的 包络起伏包络起伏小小、频谱扩展、频谱扩展小小、邻道干扰、邻道干扰小小，u所以所以OQPSK比比QPSK应用广。应用广。u由两个相差由两个相差 4的的QPSK星座图交替产生：星座图交替产生：A方式方式:0,90,180 B方式方式:45,135u可能相位跳变：可能相位跳变：45,135 且且A组只能往组只能往B组跳，反之亦然组跳，反之亦然u相位跳变周期相位跳变周期 2Tb 主瓣带宽主瓣带宽 B=Rb，小于，小于OQPSK5 /4-QPSK n 原理和特点原理和特点：n 4-QPSK优势：优势：u相邻码元间总有相位改变相邻码元间总有相位改变有利于接收端提取码元同步。有利于接
12、收端提取码元同步。u存在多径衰落时，存在多径衰落时，4-QPSK优于优于OQPSK。u可采用差分检测可采用差分检测 4-QPSK的信息蕴含在相邻码元间的相位差中。的信息蕴含在相邻码元间的相位差中。QPSK信号可视为两个互为每比特的信噪功率比多进制数字调制系统的抗噪声性能4-QPSK优势：频谱扩展大，旁瓣对邻道干扰大。谱零点带宽是 M 进制数字基带信号带宽的两倍。二进制数字调制系统的性能比较最大相位跳变：180二进制数字调制系统抗噪声性能则需增加发射功率，1）双比特与载波相位的关系MFSK 非相干解调系统的误码率:QPSK 相位路径MFSK信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。Ps -信号码元
13、功率l 原理与原理与 2DPSK 类似：利用相邻码元载波的相对相位类似：利用相邻码元载波的相对相位变化变化 表示表示 数字信息。数字信息。l QDPSK与与QPSK的关系，如同的关系，如同2DPSK与与2PSK关系关系l 4DPSK 也称也称 QDPSK7.4.4 多进制差分相移键控 （MDPSK）1 基本原理l QDPSK的矢量图与的矢量图与QPSK的矢量图相似的矢量图相似只是参考相位只是参考相位 是前一码元的载波相位是前一码元的载波相位n 矢量图 n前一码元载波相位 n 波形 l 也有正交调相法正交调相法 和 相位选择法相位选择法差分 编码将绝对码绝对码 ab 相对码相对码 cd 码变换+
14、绝对调相 原理图B方式方式l 仅需在仅需在QPSK调制器基础上增添调制器基础上增添差分编码（码变换）差分编码（码变换）2 QDPSK调制cdabQDPSKB方式方式n 相干解调（相干解调（极性比较）+码反变换将相对码相对码 cd 绝对码绝对码 ab差分 译码3 QDPSK解调Bn 差分相干解调（差分相干解调（相位比较法）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7.5 回顾：二进制调制系统的抗噪声性能回顾：二进制调制系统的抗噪声性能n 抑制载波MASK-相干解调系统的误码率:rMerfcMPe13112M=2时时:rerfcPe21Per(dB)输入信噪功率比输入信噪功率比
15、2n-噪声功率噪声功率Ps -信号码元功率信号码元功率2nsPr/-解调器解调器n MFSK 非相干解调非相干解调系统的误码率系统的误码率:221/reeMP(a)非相干解调rbPeMrrb2log/每比特的信噪功率比每比特的信噪功率比)()1(rerfcMPen MFSK 相干解调系统的误码率:(b)相干解调Perb比较比较相干相干和和非相干非相干解调解调 的的误码率，当误码率，当 log2M 7时，时，误码率的上界都可表示为：误码率的上界都可表示为：224/21nAeeMPn MPSK(M 4)相干解调相干解调系统的误码率系统的误码率:MrerfcPesinn MDPSK(M 4)相干解调相干解调系统的误码率系统的误码率:MrerfcPe2sin2OQPSK的抗噪声性能和QPSK完全一样。Perb(dB)Perb(dB)l MDPSK系统的误码率l MPSK系统的误码率配套辅导教材：曹丽娜 樊昌信 编著 国防工业出版社 整理知识 归纳结论梳理关系 引导主线剖析难点 解惑疑点强化重点 点击考点 谢谢！
