通信原理數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)（3）思考1、通信系統(tǒng)的主要性能指標？有效性可靠性2、數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性用什么來衡量？可靠性？有效性：傳輸速率和頻帶利用率可靠性：差錯率在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號的傳輸過程會受到各種干擾，從而影響對信號的恢復(fù)。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，衡量系統(tǒng)抗噪聲性能的重要指標是誤碼率。假設(shè)條件：信道是恒定參數(shù)信道；信道對于傳輸信號具有理想的矩形傳輸特性；噪聲等效為加性均值為0，方差為s2的高斯白噪聲。二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能2ASK和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度1、頻帶寬度在2FSK系統(tǒng)中，判決器是根據(jù)上下兩個支路解調(diào)輸出樣值的大小來作出判決，不需要人為地設(shè)置判決門限，因而對信道的變化不敏感。在2PSK系統(tǒng)中，判決器的最佳判決門限為零，與接收機輸入信號的幅度無關(guān)。因此，接收機總能保持工作在最佳判決門限狀態(tài)。對于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限與接收機輸入信號的幅度有關(guān)，對信道特性變化敏感，性能最差。2、對信道特性變化的敏感性方式誤比特率近似帶寬相干解調(diào)非相干解調(diào)ASKFSKPSKDPSK二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能

在恒參信道傳輸中:1.如果抗噪聲性能是主要的，則應(yīng)選擇相干2PSK和極性比較2DPSK，而2ASK最不可?。?.如果要求較高的頻帶利用率，則應(yīng)選擇相干2PSK、DPSK和2ASK，而2FSK最不可取;在隨參信道傳輸中:2FSK具有更好的適應(yīng)能力。信噪比性能：2PSK>2FSK>2ASK帶寬利用率：2PSK、2ASK>2FSK對信道的適應(yīng)能力：2FSK>2PSK>2ASK二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

調(diào)制與解調(diào)基本原理；

波形特點。

概述為了提高頻帶利用率，最有效的辦法是使一個碼元傳輸多個比特的信息；設(shè)多進制碼元的進制數(shù)為M，碼元能量為E，一個碼元中包含信息k比特，則有k=log2M。多進制鍵控多進制振幅鍵控(MASK)多進制頻移鍵控(MFSK)多進制相移鍵控(MPSK)多進制數(shù)字調(diào)制原理1、多進制振幅鍵控(MASK)多進制振幅鍵控又稱多電平調(diào)制；優(yōu)點：MASK信號的帶寬和2ASK信號的帶寬相同，故單位頻帶的信息傳輸速率高，即頻帶利用率高。舉例1：基帶信號是多進制單極性不歸零脈沖(b)MASK信號(a)基帶多電平單極性不歸零信號0010110101011110000t0t0101101010111100舉例舉例2：基帶信號是多進制雙極性不歸零脈沖

二進制抑制載波雙邊帶信號就是2PSK信號！

0101101010111100000t(c)基帶多電平雙極性不歸零信號00000t01011010101111(d)抑制載波MASK信號舉例4FSK信號波形舉例

(a)4FSK信號波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b)4FSK信號的取值2、多進制頻移鍵控(MFSK)MFSK信號的帶寬： B=fM-f1+2

f

式中

f1－最低載頻

fM－最高載頻

f－單個碼元的帶寬MFSK非相干解調(diào)器的原理方框圖V1(t)抽樣判決帶通濾波f1包絡(luò)檢波帶通濾波fM包絡(luò)檢波輸入輸出VM(t)定時脈沖帶通濾波f2包絡(luò)檢波

..

..

..

..基本原理 一個MPSK信號碼元可以表示為 式中，A－信號振幅，常數(shù)；

k

－受調(diào)制的相位，其值決定于基帶碼元的取值； 它可以寫為 通常M取2的某次冪：

M=2k，k=正整數(shù)

3、多進制相移鍵控(MPSK)例：當(dāng)k=3時，

k取值如下圖。圖中示出當(dāng)發(fā)送信號的相位為

1=0時，能夠正確接收的相位范圍在

/8內(nèi)。對于MPSK信號，不能簡單地采用一個相干載波進行相干解調(diào)。例如，若用cos2

f0t作為相干載波時，因為cos

k=cos(2

-

k)，使解調(diào)存在模糊。這時需要用兩個正交的相干載波解調(diào)。8PSK信號相位 可以將MPSK信號碼元表示式展開寫成 式中， 上式表明，MPSK信號碼元sk(t)可以看作是由正弦和余弦兩個正交分量合成的信號，并且ak2+bk2

=1。因此，其帶寬和MASK信號的帶寬相同。 本節(jié)下面主要以M=4為例，對4PSK作進一步的分析。正交相移鍵控(QPSK)4PSK常稱為正交相移鍵控(QPSK)格雷(Gray)碼4PSK信號每個碼元含有2比特的信息，現(xiàn)用ab代表這兩個比特。兩個比特有4種組合，即00、01、10和11。它們和相位

k之間的關(guān)系通常都按格雷碼的規(guī)律安排，如下表所示。ab

k0090

010

11270

10180

01001011參考相位圖7-35QPSK信號的矢量圖QPSK信號的編碼序號格雷碼二進制碼1234000000010011001000000001001000105678011001110101010001000101011001119101112131415161100110111111110101010111001100010001001101010111100110111101111格雷碼（又稱反射碼）格雷(Gray)碼規(guī)律（如右圖）格雷碼的特點：相鄰k之間僅差1比特，意味著相鄰相位所代表的兩個比特只有一位不同。格雷碼優(yōu)點：誤比特律小。由于因相位誤差造成錯判至相鄰相位上的概率最大，故這樣編碼使之僅造成一個比特誤碼的概率最大。碼元相位關(guān)系

k稱為初始相位，常簡稱為相位，而把(

0t+

k)稱為信號的瞬時相位。當(dāng)碼元中包含整數(shù)個載波周期時，初始相位相同的相鄰碼元的波形和瞬時相位才是連續(xù)的，如下圖：(a)波形和相位連續(xù)TT若每個碼元中的載波周期數(shù)不是整數(shù)，則即使初始相位相同，波形和瞬時相位也可能不連續(xù)，如下圖：

或者波形連續(xù)而相位不連續(xù)，如下圖：(b)波形和相位不連續(xù)TT(c)波形連續(xù)相位不連續(xù)TT在碼元邊界，當(dāng)相位不連續(xù)時，通過帶限系統(tǒng)時，信號的頻譜將展寬，包絡(luò)也將出現(xiàn)較大起伏。分析表明，相位差越大，包絡(luò)起伏越大。在后面討論各種調(diào)制體制時，還將遇到這個問題。并且有時將碼元中包含整數(shù)個載波周期的假設(shè)隱含不提，認為PSK信號的初始相位相同，則碼元邊界的瞬時相位一定連續(xù)。方法1：相乘電路法-sin

0t相干載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路

/2相移串/并變換相加電路cos

0tA(t)s(t)圖7-37第一種QPSK信號產(chǎn)生方法abQPSK調(diào)制方法:QPSK作為兩路正交的BPSK碼元串并變換：012345(a)輸入基帶碼元t024(b)并行支路a碼元t135(c)并行支路b碼元t碼元串/并變換圖矢量圖： 二進制信號碼元“0”和“1在相乘電路中與不歸零雙極性矩形脈沖振幅的關(guān)系如下： 二進制碼元“1”

雙極性脈沖“+1”； 二進制碼元“0”

雙極性脈沖“-1”。01110010a(1)a(0)b(1)b(0)圖7-39QPSK矢量的產(chǎn)生方法2：選擇法串/并變換相位選擇帶通濾波4相載波產(chǎn)生器

1

4

3

2ab圖選擇法產(chǎn)生QPSK信號原理方框圖用兩路正交的相干載波去解調(diào)，可以很容易地分離這兩路正交的2PSK信號。相干解調(diào)后的兩路并行碼元a和b，經(jīng)過并/串變換后，成為串行數(shù)據(jù)輸出。載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定時提取圖QPSK信號解調(diào)原理方框圖QPSK解調(diào)QPSK體制的缺點：它的相鄰碼元最大相位差最大可達到180°，在頻帶受限的系統(tǒng)中將引起信號包絡(luò)的很大起伏。01110010a(1)a(0)b(1)b(0)圖QPSK矢量的產(chǎn)生分析偏置QPSK的改進：為了減小QPSK相位突變，將兩個正交分量的兩個比特a和b在時間上錯開半個碼元，使之不可能同時改變。這樣安排后相鄰碼元相位差的最大值僅為90°，從而減小了信號振幅的起伏。OQPSK和QPSK的唯一區(qū)別在于：對于QPSK，上表中的兩個比特a和b的持續(xù)時間原則上可以不同；而對于OQPSK，a和b的持續(xù)時間必須相同。偏置QPSK(OQPSK)OQPSK與QPSK信號波形的比較a1a3a5a7a2a6a4a8a2a4a1a3a5a7a6a84、多進制差分相移鍵控(MDPSK)基本原理MDPSK信號和MPSK信號類似，只需把MPSK信號用的參考相位當(dāng)作是前一碼元的相位，把相移

k當(dāng)作是相對于前一碼元相位的相移。這里仍以4進制DPSK信號為例作進一步的討論。4進制DPSK通常記為QDPSK。QDPSK信號編碼方式：ab

kA方式B方式0090

135

010

45

11270

315

10180

225

產(chǎn)生方法第一種方法：圖中a和b為經(jīng)過串/并變換后的一對碼元，它需要再經(jīng)過碼變換器變換成相對碼c和d后才與載波相乘。

c和d對載波的相乘實際是完成絕對相移鍵控。

abcd碼變換相加電路s(t)圖第一種QDPSK信號產(chǎn)生方法A(t)串/并變換-

/4載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路

/4碼變換器：輸入ab和輸出cd間的16種可能關(guān)系(A方式)：當(dāng)前輸入的一對碼元及要求的相對相移前一時刻經(jīng)過碼變換后的一對碼元及所產(chǎn)生的相位當(dāng)前時刻應(yīng)當(dāng)給出的變換后一對碼元和相位ak

bk

kck-1

dk-1

k-1ck

dk

k0090

0001111090

027018010000111180

900270010

0001111090

02701800001111090

027018011270

0001111090

0270180011110000

2701809010180

0001111090

027018011100001270

180900碼變換器的電路二進制碼元“0”和“1”與相乘電路輸入電壓關(guān)系： 二進制碼元“0”

“＋1” 二進制碼元“1”

“－1”第二種方法： 第二種產(chǎn)生方法和QPSK信號的第二種產(chǎn)生方法（選擇法）原理相同，只是在串/并變換后需要增加一個“碼變換器”。只讀存儲器TT

akbkckdkdk-1ck-1圖7-44碼變換器解調(diào)方法：有極性比較法和相位比較法兩種。

方法1：極性比較法原理方框圖（A方式） 原理和QPSK信號的一樣，只是多一步逆碼變換。

圖A方式QDPSK信號解調(diào)方法bacdA(t)-

/4相乘電路相乘電路

/4s(t)低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決并/串變換逆碼變換定時提取載波提取相干解調(diào)過程設(shè)第k個接收信號碼元可以表示為相干載波：上支路： 下支路：信號和載波相乘的結(jié)果： 上支路： 下支路： 低通濾波后：上支路： 下支路：低通濾波后：上支路：下支路：判決規(guī)則 按照

k的取值不同，此電壓可能為正，也可能為負，故是雙極性電壓。在編碼時曾經(jīng)規(guī)定： 二進制碼元“0”

“＋1” 二進制碼元“1”

“－1” 現(xiàn)在進行判決時，也把正電壓判為二進制碼元“0”，負電壓判為“1”，即 “＋”

二進制碼元“0” “－”

二進制碼元“1”

因此得出判決規(guī)則如下表：信號碼元相位

k上支路輸出下支路輸出判決器輸出cd0

90180270＋－－＋＋＋－－01100011“＋”

二進制碼元“0”“－”

二進制碼元“1”逆碼變換器 設(shè)逆碼變換器的當(dāng)前輸入碼元為ck和dk，當(dāng)前輸出碼元為ak和bk，前一輸入碼元為ck-1和dk-1。為了正確地進行逆碼變換，這些碼元之間的關(guān)系應(yīng)該符合碼變換時的規(guī)則。 為此，現(xiàn)在把碼變換表中的各行按ck-1和dk-1的組合為序重新排列，構(gòu)成下表。前一時刻輸入的一對碼元當(dāng)前時刻輸入的一對碼元當(dāng)前時刻應(yīng)當(dāng)給出的逆變換后的一對碼元ck-1dk-1ck

dkakbk000011011000110110010011011010010011110011011011001001100011011001101100 表中的碼元關(guān)系可以分為兩類： (1)當(dāng) 時，有 (2)當(dāng) 時，有 上兩式表明，按照前一時刻碼元ck-1和dk-1之間的關(guān)系不同，逆碼變換的規(guī)則也不同，并且可以從中畫出逆碼變換器的原理方框圖，參見書P223頁。方法2：相位比較法原理方框圖

由此原理圖可見，它和2DPSK信號相位比較