《通信原理》PPT課件.ppt

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1、通 信 原 理 任 課 教 師 ： 吳 長(zhǎng) 奇電 子 信 箱 ： 辦 公 地 點(diǎn) ： 信 息 館 204室答 疑 時(shí) 間 ： 周 一 20點(diǎn) 22點(diǎn) 第 6 章 正 弦 載 波 數(shù) 字 調(diào) 制 系 統(tǒng) 6.1 引 言 6.2 二 進(jìn) 制 數(shù) 字 調(diào) 制 原 理 6.3 二 進(jìn) 制 數(shù) 字 調(diào) 制 系 統(tǒng) 抗 噪 聲 性 能 6.4 二 進(jìn) 制 數(shù) 字 調(diào) 制 系 統(tǒng) 的 性 能 比 較 6.5 多 進(jìn) 制 數(shù) 字 調(diào) 制 系 統(tǒng) 6.6 改 進(jìn) 的 數(shù) 字 調(diào) 制 方 式 6.1 引 言原 理 ： 用 數(shù) 字 信 號(hào) 控 制 載 波 的 參 數(shù) ， 使 已調(diào) 信 號(hào) 適 合 于 信 道 傳 輸

2、 。分 類 ： 振 幅 鍵 控 (ASK)、 移 頻 鍵 控 (FSK)和移 相 鍵 控 (PSK)三 種 基 本 形 式內(nèi) 容 ： 時(shí) 域 表 達(dá) 式 、 波 形 圖 ； 頻 域 表 達(dá) 式 、頻 譜 圖 ； 調(diào) 制 解 調(diào) 器 框 圖 、 調(diào) 制 解 調(diào) 器 工 作原 理 的 數(shù) 學(xué) 描 述 ； 抗 高 斯 白 噪 聲 的 性 能 。 6.2 二 進(jìn) 制 數(shù) 字 調(diào) 制 原 理二 進(jìn) 制 振 幅 鍵 控 （ 2ASK)二 進(jìn) 制 頻 移 鍵 控 （ 2FSK)二 進(jìn) 制 相 移 鍵 控 （ 2PSK)二 進(jìn) 制 差 分 相 移 鍵 控 （ 2DPSK) 二 進(jìn) 制 振 幅 鍵 控 （ 2A

3、SK) 振 幅 鍵 控 是 正 弦 載 波 的 幅 度 隨 數(shù) 字 基帶 信 號(hào) 而 變 化 的 數(shù) 字 調(diào) 制 。 當(dāng) 數(shù) 字 基 帶信 號(hào) 為 二 進(jìn) 制 時(shí) ， 則 為 二 進(jìn) 制 振 幅 鍵 控 。 設(shè) 發(fā) 送 的 二 進(jìn) 制 符 號(hào) 序 列 由 0、 1序 列 組成 ， 發(fā) 送 0符 號(hào) 的 概 率 為 P， 發(fā) 送 1符 號(hào) 的概 率 為 1-P， 且 相 互 獨(dú) 立 。 該 二 進(jìn) 制 符 號(hào)序 列 可 表 示 為 tnTtgate cSn n cos)()(0 其 中 : an=0, 發(fā) 送 概 率 為 P 1, 發(fā) 送 概 率 為 1-P )()( Sn n nTtgats令

4、則 ttste ccos)()(0 波 形 與 調(diào) 制 器 載波信號(hào) 2ASK信號(hào) s(t) 1 0 1 1 Tb 0 0 1 t t t 乘法器 cosct e 2ASK (t) (a) cosct 開(kāi)關(guān)電路 s(t) e2ASK(t) (b) s(t)圖 6-3 二 進(jìn) 制 振 幅 鍵 控 信 號(hào) 調(diào) 制 器 原 理 框 圖 解 調(diào) 器 e 2ASK (t) 帶通 濾波器 全波 整流器 低通 濾波器 抽樣 判決器 輸出 a b c d 定時(shí) 脈沖 (a) e2ASK(t) 帶通 濾波器 相乘器 低通 濾波器 抽樣 判決器 定時(shí) 脈沖 輸出 cosct (b) 2ASK頻 譜設(shè) e0(t)的

5、 功 率 譜 為 PE(f)， s(t)的 功 率 譜 為Ps(f)， 則 tnTtgate cSn n cos)()(0 tts ccos)( )()(41)( fcfPsfcfPsfP E 2)()1()( fGPPffP ss )()()1( 2 sm ss mffmfGPf sfTjs ss efTfTTfG sin)( 22 )( )(sin)( )(sin16)( sc scsc scsE Tff TffTff TffTfP )()( 161 cc ffff 2ASK頻 譜 2ASK頻 譜 二 進(jìn) 制 頻 移 鍵 控 （ 2FSK)正 弦 載 波 的 頻 率 隨 二 進(jìn) 制 基 帶

6、 信 號(hào) 在 f1和 f2兩 個(gè)頻 率 點(diǎn) 間 變 化 ， 則 產(chǎn) 生 二 進(jìn) 制 移 頻 鍵 控 信 號(hào)（ 2FSK信 號(hào) ） 。二 進(jìn) 制 移 頻 鍵 控 信 號(hào) 可 以 看 成 是 兩 個(gè) 不 同 載 波 的二 進(jìn) 制 振 幅 鍵 控 信 號(hào) 的 疊 加 。 若 二 進(jìn) 制 基 帶 信 號(hào) 的 1符 號(hào) 對(duì) 應(yīng) 于 載 波 頻 率 f1， 0符 號(hào) 對(duì) 應(yīng) 于 載 波 頻 率 f2， 則 二 進(jìn) 制 移 頻 鍵 控 信 號(hào)的 時(shí) 域 表 達(dá) 式 為 )cos()()( 10 nSn n tTntgate )cos()( 2 nn Sn tnTtga FSK波形 a ak 1 0 1 1

7、0 0 1 ts(t) ts(t)b t t c d e t tf g t2FSK信號(hào) 2FSK 信 號(hào) 產(chǎn) 生 振蕩器1 f1 選通開(kāi)關(guān) 反相器 基帶信 號(hào) 選通開(kāi)關(guān) 振蕩器2 f2 相加器 e2FSK(t) 2FSK 信 號(hào) 非 相 干 解 調(diào) e2FSK(t) 帶通濾波器1 包絡(luò)檢波器 抽樣判決器 輸出定時(shí)脈沖 帶通濾波器 包絡(luò)檢波器 (a) e2FSK(t) 帶通濾波器1 低 通濾波器 抽樣判決器 輸出定時(shí)脈沖 帶通濾波器 低通濾波器 相乘器 相乘器 cos1t cos2t (b) 2FSK 信 號(hào) 相 干 解 調(diào) 2FSK 信 號(hào) 過(guò) 零 檢 測(cè) 解 調(diào) 限幅e2FSK(t)a b

8、微分 c 整流 d 脈沖形成 低通e f輸出 (a)a bc de 2FSK 信 號(hào) 延 遲 檢 測(cè) 解 調(diào) 帶 通 濾 波 器 e2FSK(t) 延 時(shí) 低 通 濾 波 器 輸出 X )(cos()cos()2/( 002 ttA sin)2/(cos)2/( 202 AA 0cos 0 令 則 檢 測(cè) 輸 出 )2/( 2A 2FSK信 號(hào) 功 率 譜 2FSK信 號(hào) 可 以 看 作 載 頻 分 別 為 f1和 f2的 兩 個(gè)2ASK信 號(hào) 的 迭 加 ， 因 此 功 率 譜 是 兩 個(gè) 2ASK信號(hào) 功 率 譜 的 迭 加 。 二 進(jìn) 制 相 移 鍵 控 （ 2PSK)在 二 進(jìn) 制 數(shù)

9、 字 調(diào) 制 中 ， 當(dāng) 正 弦 載 波 的 相位 隨 二 進(jìn) 制 數(shù) 字 基 帶 信 號(hào) 離 散 變 化 時(shí) ，則 產(chǎn) 生 二 進(jìn) 制 移 相 鍵 控 (2PSK)信 號(hào) 。 通 常 用 已 調(diào) 信 號(hào) 載 波 的 0 和 180 分 別表 示 二 進(jìn) 制 數(shù) 字 基 帶 信 號(hào) 的 1 和 0。 二進(jìn) 制 移 相 鍵 控 信 號(hào) 的 時(shí) 域 表 達(dá) 式 為 tnTtgate cSn n cos)()(0 an= 1, 發(fā) 送 概 率 為 P-1, 發(fā) 送 概 率 為 1-P 在 一 個(gè) 碼 元 期 間 ， 則 有 e2PSK(t)= cosct, 發(fā) 送 概 率 為 P -cosct, 發(fā)

10、 送 概 率 為 1-P若 用 n表 示 第 n個(gè) 符 號(hào) 的 絕 對(duì) 相 位 ， 則 有 n= 0 , 發(fā) 送 1 符 號(hào) 180 , 發(fā) 送 0 符 號(hào) A A T s t O s(t) 碼型變換 雙極性不歸 零 乘法器 e2PSK(t) cosct (a) cosct 0 開(kāi)關(guān)電路 e2PSK(t) 180移相 s(t) (b) 2PSK 信 號(hào) 波 形 與 產(chǎn) 生 2PSK信 號(hào) 的 解 調(diào) 帶通 濾波器 e2PSK(t) a 相乘器 c 低通 濾波器 d b e抽樣 判決器 輸出 cosct 定時(shí)脈沖 1 0 a 1 1 0 1 0 0 b c d e 2PSK信 號(hào) 的 解 調(diào) 采

11、 用 相 干 解 調(diào) ， 解 調(diào) 器原 理 圖 如 圖 6-13所 示 。 2PSK信 號(hào) 相 干 解 調(diào) 各 點(diǎn) 時(shí) 間 波 形 如 圖 所示 。 當(dāng) 恢 復(fù) 的 相 干 載 波 產(chǎn) 生 180 倒 相 時(shí) ， 解調(diào) 出 的 數(shù) 字 基 帶 信 號(hào) 將 與 發(fā) 送 的 數(shù) 字 基帶 信 號(hào) 正 好 是 相 反 ， 解 調(diào) 器 輸 出 數(shù) 字 基帶 信 號(hào) 全 部 出 錯(cuò) 。 這 種 現(xiàn) 象 通 常 稱 為“ 倒 ”現(xiàn) 象 。 2DPSK方 式 是 用 前 后 相 鄰 碼 元 的 載 波 相 對(duì) 相 位變 化 來(lái) 表 示 數(shù) 字 信 息 。 假 設(shè) 前 后 相 鄰 碼 元 的 載波 相 位 差

12、 為 ， 可 定 義 一 種 數(shù) 字 信 息 與 之間 的 關(guān) 系 為=0, 表 示 數(shù) 字 信 息 “ 0” , 表 示 數(shù) 字 信 息 “ 1”例 數(shù) 字 信 息 ： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 02DPSK信 號(hào) 相 位 ： 00 000 0或 00 0 0 0差 分 相 移 鍵 控 (2DPSK) 絕對(duì)碼 相對(duì)碼 載波 DPSK信號(hào) 1 01 1 0 0 1 0 DPSK信 號(hào) 調(diào) 制 過(guò) 程 波 形 圖 2DPSK 信 號(hào) 調(diào) 制 器 原 理 圖 cosct 0 開(kāi)關(guān)電路 e2DPSK(t) 180移相 s(t) 碼變換 2DPSK相 干 解 調(diào) 器 及 各 點(diǎn) 波 形 帶通

13、濾波器e2DPSK(t) a 相乘器 c 低通濾波器 db e抽樣判決器 輸出cos ct 定時(shí)脈沖 碼反變換器 f ab cd ef 1 0 1 100 0 差 分 相 干 解 調(diào) 器 原 理 和 各 點(diǎn) 波 形帶通 濾波器 a 相乘器 c 低通濾波器 db e抽樣判決器定時(shí)脈沖延遲T s ab cd e DPSK信號(hào) 二進(jìn)制信息 100 0 1 1 0 2PSK與 2DPSK信 號(hào) 功 率 譜2PSK與 2DPSK信 號(hào) 有 相 同 的 功 率 譜 。 若 2PSK信 號(hào) 可 表 示 為 雙 極 性 不 歸 零 二 進(jìn) 制基 帶 信 號(hào) 與 正 弦 載 波 相 乘 ， 則 2PSK信 號(hào)的

14、 功 率 譜 為 P2PSK(f)=包 括 離 散 譜 和 連 續(xù) 譜 。 結(jié) 構(gòu) 與 2ASK的 功率 譜 相 似 ， 帶 寬 也 是 基 帶 信 號(hào) 帶 寬 的 二倍 。 當(dāng) “ 1”和 “ 0”等 概 相 時(shí) ， 不 存 在 離散 譜 。 )( )(sin)( )sin(4 22 Sc ScSc ScS Tff TffTff TffT 2PSK(2DPSK)功 率 譜 密 度 fc O fc f P2PSK( f ) 2fs 4 T s 6.3 二 進(jìn) 制 數(shù) 字 調(diào) 制 系 統(tǒng) 抗 噪 聲 性 能噪 聲 性 能 ： 誤 碼 率 與 信 噪 比 的 關(guān) 系分 析 模 型 ：l 信 道 是

15、 理 想 恒 參 信 道 ， 通 帶 內(nèi) 具 有 理 想 矩 形的 傳 輸 特 性 。l 噪 聲 為 加 性 高 斯 白 噪 聲 （ AWGN） ， 均 值為 零 ， 方 差 為分 析 內(nèi) 容 ： l 相 干 、 非 相 干 ASK、 FSK、 PSK、 DPSK2 6.3.1通 斷 鍵 控 (OOK)系 統(tǒng) 抗 噪 聲 性 能接 收 端 帶 通 濾 波 器 輸 出 波 形 為 發(fā) 送 1 發(fā) 送 0 ttnttn ttnttnaty cscc cscc sin)(cos)( sin)(cos)()( 包 絡(luò) 檢 波 器 輸 出 波 形 V(t)為 1. 包 絡(luò) 檢 波 法 的 系 統(tǒng) 性 能

16、 ”發(fā) 送 “ ”發(fā) 送 “ 1022 22 )t(n)t(nA )t(n)t(n)t(V ssc發(fā)送端 信道 帶通濾波器 包絡(luò)檢波器 抽樣判決器 輸出Pe定時(shí)脈沖V(t)y(t)yi(t)sT(t) ni(t) 當(dāng) 發(fā) 送 “ 0”時(shí) ， 服 從 瑞 利 分 布 ， 概 率 密 度函 數(shù) 為 當(dāng) 發(fā) 送 “ 1”時(shí) ， 服 從 廣 義 瑞 利 分 布 ， 概 率密 度 函 數(shù) 為 222 22021 na/)av(Nn e)av(Iv)v(f 22 2/20 )( nvn evvf 判 決 規(guī) 則 ：若 樣 值 V判 決 門(mén) 限 b， 則 判 決 接 收 為 “ 1”；若 樣 值 V1時(shí) ，

17、 近 似 地 比 較 式 (6.3 - 30) 和 式 (6.3 - 22)可 以 看 出 ： 在 相 同 的 信 噪 比 條 件 下 ， 同 步 檢 測(cè) 法 的 誤 碼性 能 優(yōu) 于 包 絡(luò) 檢 波 法 的 性 能 ； 在 大 信 噪 比 條件 下 ， 包 絡(luò) 檢 波 法 的 誤 碼 性 能 將 接 近 同 步 檢測(cè) 法 的 性 能 。 另 外 ， 包 絡(luò) 檢 波 法 存 在 門(mén) 限 效應(yīng) ， 同 步 檢 測(cè) 法 無(wú) 門(mén) 限 效 應(yīng) 。 4/re eraP 例 6.3.1 設(shè) OOK信 號(hào) 的 碼 元 速 率 為 B，采 用 同 步 檢 測(cè) 法 和 包 絡(luò) 檢 波 法 對(duì) 該 OOK信 號(hào)進(jìn)

18、 行 解 調(diào) 。 已 知 接 收 端 輸 入 信 號(hào) 幅 度 a=1mV，信 道 等 效 加 性 高 斯 白 噪 聲 的 雙 邊 功 率 譜 密 度 W/Hz。 試 求 : (1) 同 步 檢 測(cè) 法 解 調(diào) 時(shí) 系 統(tǒng) 總 的 誤 碼 率 ；(2) 包 絡(luò) 檢 波 法 解 調(diào) 時(shí) 系 統(tǒng) 總 的 誤 碼 率 。 15 0 102 n 6108.4 解 (1) 對(duì) 于 2ASK信 號(hào) ， 信 號(hào) 功 率 主 要 集中 在 其 頻 譜 的 主 瓣 。 因 此 ， 接 收 端 帶 通 濾 波器 帶 寬 可 取 2ASK信 號(hào) 頻 譜 的 主 瓣 寬 度 ， 即 B=2RB=9.6 106 Hz帶

19、通 濾 波 器 輸 出 噪 聲 平 均 功 率 為 2n=n0B=1.92 10-8W信 噪 比 為 1261092.12 1012 8622 nar 所 以 包 絡(luò) 檢 測(cè) 法 解 調(diào) 時(shí) 系 統(tǒng) 的 誤 碼 率 為 45.64 105.72121 eeP re 45.6 1066.1261416.3 1 e同 步 檢 波 法 解 調(diào) 時(shí) 系 統(tǒng) 總 的 誤 碼 率 為41421 re errrerfcP 比 較 兩 種 方 法 解 調(diào) 時(shí) 系 統(tǒng) 總 的 誤 碼 率 可 以看 出 ， 在 大 信 噪 比 的 情 況 下 ， 包 絡(luò) 檢 波 法 解 調(diào)性 能 接 近 同 步 檢 測(cè) 法 解

20、調(diào) 性 能 。 兩 種 接 收 方 法 的 性 能 分 析 如 下 ：6.3.2頻 移 鍵 控 (FSK)系 統(tǒng) 抗 噪 聲 性 能sR(t)= a cos1t +n(t), 發(fā) 送 “ 1”符 號(hào) a cos2t+n(t), 發(fā) 送 “ 0”符 號(hào) , 0 t Ts 1. 2FSK包 絡(luò) 檢 波 法 的 性 能 當(dāng) 發(fā) 送 “ 1”符 號(hào) 時(shí) ， 兩 個(gè) 包 絡(luò) 檢 波 器 的 輸 出為 )()()( 221 tncnatV sc )()()( 22 2 tncntV sc V1服 從 廣 義 瑞 利 分 布 ， V2服 從 瑞 利 分 布 。 V1、 V2的 一 維 概 率 密 度 函 數(shù)

21、 分 別 為 錯(cuò) 誤 概 率 22222021 )()( avnn eavIvvf 2222 )( vevf )( 211 VVPPe 0 122211 12 )()( dvdvvfvf VV 0 2 22202 22exp)( dvavavIv nn 利 用 Q函 數(shù) 及 其 性 質(zhì) ， 簡(jiǎn) 化 上 述 表 達(dá) 式 ，得由 對(duì) 稱 性 導(dǎo) 出 發(fā) 送 “ 0”符 號(hào) 時(shí) 的 誤 碼 概率 為于 是 總 的 誤 碼 概 率 為 2211 re eP 20 21 re eP 221 re eP 2. 2FSK同 步 檢 波 法 的 性 能當(dāng) 發(fā) 送 “ 1”符 號(hào) 時(shí) ， 送 入 判 決 器 比

22、 較 的 兩 個(gè)輸 入 波 形 為 ： x1(t)=a+n1c(t) x 2(t)=n2c(t) 均 為 正 態(tài) 分 布 于 是 誤 碼 率 為 ：Pe1=Px1x2=Pa+n1c-n2c0于 是 誤 碼 率 為 ：于 是 總 誤 碼 率 為 ：令 z= a+n1c-n2c， 于 是 z也 是 服 從 正 態(tài) 分 布的 隨 機(jī) 變 量 ， 均 值 為 a， 方 差 為 22， 于是 誤 碼 率 成 為 ： 0 2 201 2 )(exp21)( dzaxdzzfP zze )2(21 rerfc )2(21 rerfcPe 結(jié) 論 ： 在 大 信 噪 比 條 件 下 ， 2FSK信 號(hào) 采用

23、包 絡(luò) 檢 波 法 解 調(diào) 性 能 與 同 步 檢 測(cè) 法 解 調(diào)性 能 接 近 ， 同 步 檢 測(cè) 法 性 能 較 好 。例 6.3.2 已 知 信 道 帶 寬 2400Hz， f1=980Hz, f2=1580Hz, RB=300B, 信 噪 比 為 6dB。 求 ：(1)FSK信 號(hào) 的 帶 寬 ； （ 2） 包 絡(luò) 檢 波 法 的誤 碼 率 ； （ 3） 同 步 檢 波 法 的 誤 碼 率 。解 ： 由 于 碼 元 速 率 為 RB=300B,于 是 上 下 兩個(gè) 支 路 的 帶 通 濾 波 器 的 帶 寬 近 似 為 B=2R B=600Hz. 又 由 于 信 道 帶 寬 2400H

24、z， 是 帶 通 濾 波 器的 帶 寬 的 4倍 ， 所 以 帶 通 濾 波 器 的 輸 出 信噪 比 提 高 4倍 。 輸 入 信 噪 比 為 4（ 即 6dB） ，所 以 帶 通 濾 波 器 的 輸 出 信 噪 比 為 r=4 4=16。 于 是 包 絡(luò) 檢 波 的 誤 碼 率 為同 步 檢 波 器 的 誤 碼 率 為 48 2162 1068.1212121 eeeP re 51017.3)216(21)2(21 erfcrerfcPe 相 移 鍵 控 分 為 絕 對(duì) 相 移 鍵 控 （ PSK） 和相 對(duì) 相 移 鍵 控 （ DPSK） 。解 調(diào) 絕 對(duì) 相 移 鍵 控 （ PSK）

25、， 采 用 同 步檢 波 ；解 調(diào) 相 對(duì) 相 移 鍵 控 （ DPSK） ， 有 兩 種 方法 ： 同 步 檢 波 +差 分 譯 碼 （ 極 性 比 較 法 ） 、差 分 相 干 檢 測(cè) （ 相 位 比 較 法 ）6.3.3相 移 鍵 控 (PSK)系 統(tǒng) 抗 噪 聲 性 能 PSK相 干 解 調(diào) 誤 碼 率低 通 濾 波 器 輸 出 波 形 為 ”， 發(fā) “ ”發(fā) “ 0)( 1),()( tna tnatx ccx(t)服 從 正 態(tài) 分 布 ， 均 值 為 零 ， 方 差 為 2 將 1錯(cuò) 誤 接 收 為 0 的 概 率 為 Pe1=Px0， 則 判 決 收 到 “ 1”； 若 xd時(shí)

26、 ， 就 會(huì) 產(chǎn) 生 錯(cuò) 誤 的 判 決 。 但 是 ， 對(duì) 于 外 層 的 兩 個(gè) (L-1)d電 平 ， 噪聲 值 僅 在 一 個(gè) 方 向 超 過(guò) d時(shí) 才 會(huì) 產(chǎn) 生 錯(cuò) 誤判 決 。 于 是 ， 當(dāng) 發(fā) 送 L個(gè) 電 平 的 可 能 性 相同 時(shí) (即 發(fā) 送 每 一 電 平 的 概 率 為 1/L)， 多電 平 調(diào) 制 系 統(tǒng) 總 的 誤 碼 率 為 )(212)(2 dnPLdnPLLPe cc )()11( dnPL c 通 常 希 望 使 系 統(tǒng) 誤 碼 率 與 接 收 機(jī) 輸 入 信噪 比 建 立 關(guān) 系 ， 故 我 們 分 析 L電 平 調(diào) 制 信號(hào) 的 平 均 功 率 ：

27、所 以 代 入 誤 碼 率 表 達(dá) 式 得 ， 6 12/)12(2 222/1 2 LdmdLPs Lm 16 22 LPsd )13()11( 2 L rerfcLPe 討 論L=2， 則 上 述 調(diào) 制 信 號(hào) 即 為 2PSK信 號(hào) ；L 2、 4、 8和 16時(shí) 誤 碼 率 與 信 噪 比 的 關(guān)系 如 下 面 的 曲 線 ： 6.5.2 多 進(jìn) 制 數(shù) 字 頻 率 調(diào) 制 的 原 理及 抗 噪 聲 性 能 1 多 進(jìn) 制 數(shù) 字 頻 率 調(diào) 制 的 原 理 原 則 上 ， 多 頻 制 應(yīng) 該 具 有 多 進(jìn) 制 調(diào) 制 的 一 切特 點(diǎn) ， 但 由 于 多 頻 制 要 占 據(jù) 較

28、寬 的 頻 帶 ， 因此 它 的 信 道 頻 帶 利 用 率 并 不 高 。 信 號(hào) 帶 寬 一般 定 義 為 fM-fL+f， 其 中 fM最 高 載 頻 ,fL為 最 低載 頻 ， f為 單 個(gè) 碼 元 信 號(hào) 的 帶 寬 。 6.5.3 多 進(jìn) 制 調(diào) 相 - 1、 原 理多 進(jìn) 制 數(shù) 字 調(diào) 相 利 用 載 波 的 多 種 不 同 相 位來(lái) 表 征 數(shù) 字 信 息 。 分 為 絕 對(duì) 移 相 和 相 對(duì) (差分 )移 相 兩 種 。 表 達(dá) 式 如 下 ： 為 受 調(diào) 制 的 相 位 。 )cos()()( kck SMPSK tkTtgte k cSk tkTtga cos)( k

29、 cSk tkTtgb sin)(k 多 相 調(diào) 制 的 波 形 可 以 看 作 是 兩 個(gè) 正 交 載 波多 電 平 雙 邊 帶 調(diào) 制 所 得 信 號(hào) 之 和 。 由 此 得出 ， 多 相 調(diào) 制 信 號(hào) 的 帶 寬 與 多 電 平 雙 邊 帶調(diào) 制 時(shí) 的 相 同 。常 用 的 是 四 相 制 和 八 相 制 。四 相 制 可 以 表 示 兩 個(gè) 比 特 二 進(jìn) 制 數(shù) 字 信 息四 相 移 相 鍵 控 分 為 ：l 絕 對(duì) 移 相 鍵 控 (4PSK 或 QPSK)l 相 對(duì) 移 相 鍵 控 (4DPSK或 QPSK)以 下 分 別 討 論 。 1） 絕 對(duì) 移 相 鍵 控 (4PSK

30、 或 QPSK)組 成 雙 比 特 碼 元 的 前 一 信 息 比 特 用 a表 示 ，后 一 信 息 比 特 用 b表 示 。 雙 比 特 碼 元 中 兩個(gè) 信 息 比 特 ab通 常 是 按 格 雷 (即 反 射 碼 )排列 的 ， 它 與 載 波 相 位 的 關(guān) 系 如 下 表 所 示 。 雙 比 特 碼 元 載 波 相 位a b A方 式 B方 式0 0 0o 45o0 1 90 o 135o1 1 180o 225o1 0 270o 315o 矢 量 關(guān) 系 : QPSK信 號(hào) 的 產(chǎn) 生 與 解 調(diào) (1)調(diào) 相 法 (2)相 位 選 擇 法 QPSK信 號(hào) 解 調(diào) 2)四 相 相

31、 對(duì) 移 相 鍵 控 (QDPSK) QDPSK信 號(hào) 產(chǎn) 生 雙 比 特 ab與 載 波 相 位 變 化 的 關(guān) 系比 特 ab 00 01 11 10相 位 變 化 0 90 180 270雙 比 特 cd與 載 波 相 位 的 關(guān) 系比 特 cd 00 01 11 10A方 式 相 位 0 90 180 270B方 式 相 位 45 135 225 315 碼 變 換 器 應(yīng) 該 完 成 的 功 能 是 將 輸 入 的 雙 比特 碼 ab轉(zhuǎn) 換 成 雙 比 特 碼 cd。 0 00 0 00 90 01 180 11 270 1090 01 90 01 180 11 270 10 0 0

32、0180 11 180 11 270 10 0 00 90 01270 10 270 10 0 00 90 01 180 11cn-1dn-1 n-1 ncndn anbn 由 相 位 關(guān) 系 得 到 碼 變 換 器 的 邏 輯 真 值 表 ，再 由 邏 輯 真 值 表 即 可 得 到 ab轉(zhuǎn) 換 成 cd的邏 輯 運(yùn) 算 關(guān) 系 式 。 ab cd 00 00 01 11 1001 01 11 10 0011 11 10 00 0110 10 00 01 11 QDPSK信 號(hào) 解 調(diào) 極 性 比 較 法 輸入 載波 恢復(fù) cosct sinct 輸出 帶通 濾波 低通 濾波 抽樣 判決 低

33、通 濾波 抽樣 判決 位定時(shí) 碼反變換 并/串變換極 性 比 較 法 工 作 原 理 推 導(dǎo) 如 下 ： 接 收 信 號(hào) 為上 面 支 路 乘 法 器 輸 出 為下 面 支 路 乘 法 器 輸 出 為 )cos()()( kcttgts )4cos()( tts c )4cos()cos()( tttg ckc低 通 濾 波 輸 出 為 )4cos()(21 ktg)4cos()( tts c )4cos()cos()( tttg ckc低 通 濾 波 輸 出 為 )4cos()(21 ktg 對(duì) 上 下 支 路 抽 樣 為)4cos( kAU由 UA、 UB可 以 作 出 判 決 ， 如 下

34、 表 （ 67） )4cos( kBUk UA UB cd0 + + 0090 - + 10180 - - 11270 + - 01 由 cd 再 經(jīng) 過(guò) 碼 反 變 換 得 到 ab,碼 反 變 換 的 真值 表 如 表 68所 示 。前 時(shí) 刻輸 入ci-1di-1 本 時(shí) 刻輸 入cidi=00 本 時(shí) 刻輸 入cidi=01 本 時(shí) 刻輸 入cidi=11 本 時(shí) 刻輸 入cidi=1000 00 10 11 0101 01 00 10 1111 11 01 00 1010 10 11 01 00變 換 得 到 ab 邏 輯 表 達(dá) 式 和 變 換 電 路 011 ii dc111 i

35、i dc 11iii iii ddb cca 11iii iii ccb dda當(dāng) 當(dāng) QDPSK信 號(hào) 解 調(diào) 相 位 比 較 法 輸入 帶通 濾波 輸出 低通 濾波 抽樣 判決 低通 濾波 抽樣 判決 位定時(shí) 并/串變換移相延遲Ts相 位 比 較 法 工 作 原 理 推 導(dǎo) 如 下 ： 利 用 延 遲 電 路 將 前 一 碼 元 信 號(hào) 延 遲 一 碼元 時(shí) 間 后 ,分 別 移 相 /4和 /4， 再 將 它 們分 別 作 為 上 、 下 支 路 的 相 干 載 波 。不 需 要 采 用 碼 變 換 器 ， 這 是 因 為 QDPSK信 號(hào) 的 信 息 包 含 在 前 后 碼 元 相 位

36、 差 中 ，而 相 位 比 較 法 解 調(diào) 的 原 理 就 是 直 接 比 較前 后 碼 元 的 相 位 。舉 例 ， 見(jiàn) 教 材 171頁(yè) 6.5.3 多 進(jìn) 制 調(diào) 相 - 2、 噪 聲 性 能 MMe dfP / )(1 6.5.4 振 幅 相 位 聯(lián) 合 調(diào) 制多 進(jìn) 制 調(diào) 制 系 統(tǒng) 的 頻 帶 利 用 率 的 提 高 是通 過(guò) 犧 牲 功 率 利 用 率 來(lái) 換 取 的 。 因 為 隨著 進(jìn) 制 數(shù) 的 增 加 ， 在 信 號(hào) 空 間 中 各 信 號(hào)點(diǎn) 間 的 最 小 距 離 減 小 ， 相 應(yīng) 的 信 號(hào) 判 決區(qū) 域 也 隨 之 減 小 。 因 此 ， 當(dāng) 信 號(hào) 受 到 噪

37、聲 和 干 擾 的 損 害 時(shí) ， 接 收 信 號(hào) 錯(cuò) 誤 概 率也 將 隨 之 增 大 。 振 幅 相 位 聯(lián) 合 鍵 控 方 式就 是 為 克 服 上 述 問(wèn) 題 而 提 出 來(lái) 的 。 振 幅 相 位 聯(lián) 合 鍵 控 調(diào) 制 信 號(hào) 的 一 般 表 示式 為 )cos()()(0 ncn Sn tnTtgAte tnTtgA cnn Sn coscos)( tnTtgA cnn Sn sinsin)( tnTtgX cn Sn cos)( tnTtgX cn Sn sin)( 16進(jìn) 制 幅 相 聯(lián) 合 鍵 控 （ 16QAM） 信 號(hào) ttmttmte cQcI sin)(cos)()

38、(0 16QAM與 16PSK的 比 較信 號(hào) 點(diǎn) 的 最 小 距 離 為 對(duì) 于 16PSK對(duì) 于 16QAMQAM最 大 功 率 與 平 均 功 率 之 比 為 AAd 39.0)16sin(21 AAd 47.0322 2/1 22)12(2 )1(LiQAN iLL 對(duì) 于 16QAM來(lái) 說(shuō) ， L 4， 所 以 =1.8= 2.55dB。這 樣 ， 在 平 均 功 率 相 等 的 條 件 下 ， 16QAM的信 號(hào) 距 離 超 過(guò) 16PSK 約 4 19dB。 16QAM信 號(hào) 的 產(chǎn) 生 有 兩 種 基 本 方 法 ： 一 種是 正 交 調(diào) 幅 法 ， 它 是 用 兩 路 正 交

39、 的 四 電 平 振幅 鍵 控 信 號(hào) 疊 加 而 成 ； 另 一 種 是 復(fù) 合 相 移 法 ，它 是 用 兩 路 獨(dú) 立 的 四 相 移 相 鍵 控 信 號(hào) 疊 加 而成 。圖 636和 圖 637分 別 用 信 號(hào) 矢 量 疊 加 來(lái) 說(shuō)明 這 兩 種 方 法 產(chǎn) 生 16QAM信 號(hào) 的 原 理 。 6.5 改 進(jìn) 的 數(shù) 字 調(diào) 制 在 現(xiàn) 代 通 信 中 ， 提 高 頻 譜 利 用 率 一 直 是 人們 關(guān) 注 的 焦 點(diǎn) 之 一 ， 尋 找 頻 譜 利 用 率 高 的 數(shù)字 調(diào) 制 方 式 成 為 數(shù) 字 通 信 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 、 研 究 的主 要 目 標(biāo) 之 一 。 為 此

40、提 出 一 些 頻 譜 高 效 的 改進(jìn) 的 數(shù) 字 調(diào) 制 。 6.5.1 最 小 頻 移 鍵 控 （ MSK）MSK 的 基 本 原 理 : MSK是 恒 定 包 絡(luò) 連 續(xù) 相位 頻 率 調(diào) 制 ， 其 信 號(hào) 的 表 示 式 為或 者 )2cos()( kSkcMSK tTatts )(cos)( ttts cMSK kSk tTat 2)( MSK 頻 率 特 點(diǎn) :當(dāng) ak=+1時(shí) ，當(dāng) ak=-1時(shí) ，頻 率 差 為調(diào) 頻 指 數(shù) 定 義 為 ScSc TfTf 412212 ScSc TfTf 412211 STfff 2112 5.0)( 12 ffTfTh SS 一 般 2

41、FSK兩 個(gè) 波 形 的 相 關(guān) 系 數(shù) : sc scs s Tf TfTff Tff 44sin)(2 )(2sin 12 12 s sTff Tff )(2 )(2sin 12 12 相 關(guān) 系 數(shù) 為 0的 條 件 是 : STnfff 2112 n的 最 小 值 是 1， 對(duì) 應(yīng) 最 小 正 交 頻 移 鍵 控 。 MSK 的 相 位 特 點(diǎn) :相 位 約 束 條 件 ：若 則 )1(2)( 11 kaa kkkk 11 11 )1( kkk kkk aak aa當(dāng)當(dāng) 00 )2mod0 （或k MSK信 號(hào) 的 特 點(diǎn)振 幅 恒 定頻 偏 固 定 h=0.5相 位 變 化 /2碼

42、元 周 期 是 四 分 之 一 載 波 周 期 的 整 數(shù) 倍碼 元 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 刻 相 位 連 續(xù) MSK信 號(hào) 的 調(diào) 制 解 調(diào) 方 法MSK信 號(hào) 可 表 示 為 )2cos()( kSkcMSK tTatts ttT cSk cos)2cos(cos ttTa cSkk sin)2sin(sin ttTI cSk cos)2cos( tTtQ cSk sin)2sin(其 中 kkI cos kkk aQ sin分 別 稱 為 同 相 和 正 交 分 量 的 等 效 數(shù) 據(jù) 。 根 據(jù) 上式 構(gòu) 成 MSK調(diào) 制 器 的 框 圖 (圖 641) 差分 編碼 串 / 并 變換 振蕩 s

43、T f 41 振蕩 f fc 相移90 帶通 濾波器 遲延Ts 輸入 數(shù)據(jù) MSK信號(hào) ak ck Qk Ik Ikcos(t / 2Ts ) Ikcos(t / 2Ts )cosct Qksin(t / 2Ts )sinctQksin(t / 2Ts ) sin(t / 2Ts ) cos(t / 2Ts ) MSK解 調(diào) 器 LPF 判 決電路 LPF 判 決電路 并 / 串變換 差分譯碼 載 波恢復(fù) 輸入 輸出cosctsinct BPF 鑒頻 LPF 抽樣 判決 輸出 輸入 延 時(shí) 判 決 法 解 調(diào) 器 工 作 過(guò) 程 ： 接 收 信 號(hào) 為 cosct+(t) ,分 別 與 sin

44、ct和 cosct相 乘 ,經(jīng) 低 通 濾 波 后 分 別 得 到 sin(t)和 cos(t)。 上 下 兩 個(gè) 支 路 的 相 乘 是 交 替進(jìn) 行 的 。 每 個(gè) 積 分 器 的 積 分 時(shí) 間 是 2T，在 0， 2T期 間 對(duì) 下 面 的 支 路 進(jìn) 行 積 分 判決 ； 在 -T， T期 間 對(duì) 上 面 的 支 路 進(jìn) 行 積分 判 決 。當(dāng) 輸 入 數(shù) 據(jù) 為 10或 11 時(shí) ， sin(t)0；當(dāng) 輸 入 數(shù) 據(jù) 為 00或 01 時(shí) ， sin(t)0；經(jīng) 過(guò) 積 分 和 判 決 就 可 以 解 調(diào) 出 數(shù) 據(jù) 。 解 調(diào) 器 工 作 原 理 MSK信 號(hào) 的 功 率 譜

45、歸 一 化 功 率 譜 如 圖 644所 示 。與 2DPSK相 比 ， MSK的 功 率 譜 更 加 緊 湊 ； 第 一 個(gè) 零 點(diǎn) 是 在 0 75 Ts處 ， 而 2PSK的第 一 個(gè) 零 點(diǎn) 則 出 現(xiàn) 在 1 Ts處 。 這 表 明 MSK信 號(hào) 功 率 譜 的 主 瓣 所 占 的 頻 帶 寬 率 比 2PSK信 號(hào) 窄 。 在 主 瓣 帶 寬 之 外 ， 功 率 譜 旁 瓣 的 下 降 也 更 為迅 速 。 因 此 ， MSK信 號(hào) 比 較 適 合 在 窄 帶 信道 中 傳 輸 。 6.5.2 高 斯 最 小 頻 移 鍵 控 （ GMSK） 在 移 動(dòng) 通 信 等 場(chǎng) 合 ， 對(duì)

46、信 號(hào) 帶 外 輻 射 功 率 的限 制 是 十 分 嚴(yán) 格 的 ， MSK信 號(hào) 仍 不 能 滿 足 這 樣的 要 求 。 于 是 提 出 高 斯 最 小 移 頻 鍵 控 (GMSK)方 式 。 GMSK是 在 MSK調(diào) 制 器 之 前 加 入 一 高 斯低 通 濾 波 器 。圖 中 的 高 斯 低 通 濾 波 器 必 須 能 滿 足 下 列 要 求 ： 對(duì) 高 斯 低 通 濾 波 器 的 要 求 ：(1)帶 寬 窄 ， 且 是 銳 截 止 的 ；(2)具 有 較 低 的 過(guò) 沖 脈 沖 響 應(yīng) ；(3)能 保 持 輸 出 脈 沖 的 面 積 不 變 。 以 上 要 求 分 別 是 為 了 抑 制 高 頻 成 分 、 防止 過(guò) 量 的 瞬 時(shí) 頻 率 偏 移 以 及 進(jìn) 行 相 干 檢測(cè) 所 需 要 的 。GMSK信 號(hào) 的 解 調(diào) 與 MSK信 號(hào) 完 全 相 同 。GMSK信 號(hào) 的 頻 譜 特 性 如 下 圖 ： 其 它 改 進(jìn) 的 數(shù) 字 調(diào) 制偏 移 正 交 相 移 鍵 控 (OQPSK）正 弦 頻 移 鍵 控 (SFSK)部 分 響 應(yīng) 正 交 調(diào) 制 (QPR)連 續(xù) 相 位 移 頻 鍵 控 (CPFSK)平 滑 調(diào) 頻 (TFM)相 關(guān) 移 相 鍵 控 (COR PSK)/4差 分 移 相 鍵 控 (/4DQPSK)