數(shù)字通信第六章數(shù)字信號(hào)的調(diào)制傳輸?shù)?章信道復(fù)用與多址技術(shù)

數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，它們以碼元序列的形式從發(fā)送端經(jīng)過信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端。本章討論數(shù)字信號(hào)的傳輸方法——已經(jīng)應(yīng)用或得到廣泛應(yīng)用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，主要討論各種基本的數(shù)字調(diào)制方式的工作原理、實(shí)現(xiàn)方法，以及已調(diào)信號(hào)的頻譜特性和信號(hào)帶寬等。引言3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理及頻譜特征二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)簡介和發(fā)展趨勢1234內(nèi)容提要4本章學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)指南數(shù)字調(diào)制技術(shù)的分類基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)的原理（信號(hào)波形、功率譜密度、電路原理圖）QAM調(diào)制技術(shù)的原理數(shù)字調(diào)制技術(shù)的比較5本章素質(zhì)目標(biāo)學(xué)習(xí)指南通過縱向?qū)Ρ日{(diào)制技術(shù)的性能，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用類比法思考問題，培養(yǎng)學(xué)生歸納和總結(jié)能力。引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟調(diào)制技術(shù)不斷改進(jìn)和進(jìn)階的原因，向?qū)W生普及科技創(chuàng)新觀，以課外延伸活動(dòng)方式，鼓勵(lì)學(xué)生查閱資料和文獻(xiàn)，了解通信領(lǐng)域更加尖端的技術(shù)，使學(xué)生樹立創(chuàng)新意識(shí)。數(shù)字調(diào)制解調(diào)所在位置信源信源編碼信道編碼數(shù)字調(diào)制信道噪聲源數(shù)字解調(diào)信道譯碼信源譯碼信宿數(shù)字通信系統(tǒng)框圖二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理及頻譜特征二進(jìn)制幅移鍵控(2ASK)（1）2ASK波形(2)2ASK表達(dá)式(3)2ASK的調(diào)制模擬法[把s(t)當(dāng)成模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅處理]×(3)2ASK的調(diào)制鍵控法（用數(shù)字開關(guān)控制載波的通斷）鍵控法具體實(shí)現(xiàn)電路舉例(1)鍵控法具體實(shí)現(xiàn)電路舉例(2)(4)2ASK的解調(diào)2ASK可以采用2種解調(diào)方法相干解調(diào)非相干解調(diào)2ASK的相干解調(diào)×t低通濾波抽樣判決tt2ASK的非相干解調(diào)t包絡(luò)檢波低通濾波抽樣判決(5)2ASK的功率譜密度單極性不歸零波功率譜2ASK功率譜(6)2ASK的帶寬和頻帶利用率二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)（1）2FSK波形原始信息ttt2ASK2FSK(2)2FSK的表達(dá)式t2FSK可分解成tt可見2FSK可看作是2個(gè)2ASK信號(hào)之和(2)2FSK的表達(dá)式(3)2FSK的調(diào)制直接調(diào)制法2FSK直接調(diào)制具體電路舉例(3)2FSK的調(diào)制間接實(shí)現(xiàn)間接實(shí)現(xiàn)(續(xù))(4)2FSK的解調(diào)相干解調(diào)非相干解調(diào)包絡(luò)檢波法過零檢測法2FSK相干解調(diào)法2FSK包絡(luò)檢波法(屬于非相干解調(diào))2FSK過零檢測法(屬于非相干解調(diào))(5)2FSK的功率譜密度P2FSK(f)=P1(f)+P2(f)

P1(f)=[Ps(f+f1)+Ps(f-f1)]

P2(f)=[Ps(f+f2)+Ps(f-f2)]

(5)2FSK的功率譜密度基帶信號(hào)功率譜密度2FSK信號(hào)功率譜密度(6)2FSK信號(hào)的帶寬和頻帶利用率二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)(1)2PSK波形原始信息tt2PSKt載波100110(2)2PSK的表達(dá)式從上圖可以看出2PSK可以看作是雙極性數(shù)字基帶信號(hào)與載波直接相乘的結(jié)果(3)2PSK的調(diào)制(4)2PSK的解調(diào)注意:2PSK只能采用相干解調(diào),因?yàn)榘l(fā)”0”或發(fā)”1”時(shí),采用相位變化攜帶信息。具體地說：其振幅不變(無法提取不同的包絡(luò))頻率也不變(無法用濾波器分開)此知識(shí)點(diǎn)經(jīng)常在各類考試中出現(xiàn)!2PSK相干解調(diào)框圖（與2ASK相干解調(diào)基本一樣）只不過低通濾波器的輸出是雙極性的×低通濾波抽樣判決2PSK的“相位模糊”現(xiàn)象二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)為了解決2PSK解調(diào)中的“相位模糊”問題，人們發(fā)明了2DPSK(1)波形t2PSKt載波100110t2DPSK初始相位(2)差分編碼與2DPSK的關(guān)系100110t差分編碼初始電平000110t如果我們對(duì)差分編碼以后的碼進(jìn)行直接2PSK調(diào)制…差分編碼后的2PSK就是原碼的2DPSK又稱“絕對(duì)碼”又稱“相對(duì)碼”(3)2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法絕對(duì)碼相對(duì)碼2PSK調(diào)制(4)2DPSK的解調(diào)相干解調(diào)先對(duì)2DPSK進(jìn)行2PSK解調(diào)，得到相對(duì)碼，再進(jìn)行差分譯碼，得到絕對(duì)碼差分相干解調(diào)采用延時(shí)和乘法器電路，使前后波形相同和不同時(shí)，輸出的結(jié)果不同，從而實(shí)現(xiàn)直接解調(diào)，無須進(jìn)行差分譯碼2DPSK的相干解調(diào)×t低通濾波抽樣判決t2DPSKt載波000110(1)10差分譯碼0101100110差分譯碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2DPSK的差分相干解調(diào)×延遲Tbt2DPSK2DPSK延遲Tbt低通濾波抽樣判決(低電平判1)100101t100110(5)2PSK和2DPSK的功率譜2(D)PSK的功率譜雙極性不歸零碼的功率譜(6)2(D)PSK的帶寬和頻帶利用率二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能2ASK的抗噪聲性能非相干解調(diào)的誤碼率相干解調(diào)的誤碼率2FSK的抗噪聲性能非相干解調(diào)的誤碼率相干解調(diào)的誤碼率2PSK相干解調(diào)的誤碼率（也只能相干解調(diào)）2DPSK差分相干解調(diào)的誤碼率2ASK,2FSK,2(D)PSK比較誤碼率在相同解調(diào)方式下(例如都用相干解調(diào))，誤碼率由大（壞）到?。ê茫┡帕袨?/p>

2ASK誤碼率>2FSK誤碼率>2PSK對(duì)于同一系統(tǒng)（例如2ASK），相干和非相干解調(diào)的誤碼率關(guān)系為非相干解調(diào)誤碼率>相干解調(diào)誤碼率2ASK,2FSK,2(D)PSK比較頻帶寬度和頻帶利用率由前面的分析可知多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)大大提高了傳信率和頻帶利用率缺點(diǎn)降低了噪聲容限，需要更好信道或更高功率設(shè)備復(fù)雜度大大提高M(jìn)ASK（多進(jìn)制數(shù)字調(diào)幅）調(diào)制原理（1）波形,以4ASK為例4進(jìn)制基帶信號(hào)4ASK信號(hào)可見MASK信號(hào)可由單極性多進(jìn)制基帶信號(hào)乘以載波得到（2）MASK波形的分解可見MASK信號(hào)可看作多個(gè)2ASK信號(hào)的疊加，因此功率譜為（3）MASK的功率譜（4）MASK帶寬和頻帶利用率[例題]求傳碼率為1000波特的16進(jìn)制ASK系統(tǒng)的帶寬和頻帶利用率；若采用2進(jìn)制ASK，傳碼率不變，帶寬和頻帶利用率又是多少？可見2ASK只不過是MASK的一種特殊情況MFSK（多進(jìn)制數(shù)字調(diào)頻）調(diào)制原理波形，以4FSK為例t4FSK302130要注意在實(shí)際中4個(gè)載波頻率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碼元速率(2)MFSK的調(diào)制二進(jìn)制111113-8譯碼器10012ASK開關(guān)電路無信號(hào)無信號(hào)fm信號(hào)fm信號(hào)(3)MFSK的解調(diào)濾除帶外噪聲與2FSK原理一樣，只不過變成多路8-3編碼器fm信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)fm信號(hào)001111111從整個(gè)調(diào)制解調(diào)過程可以看到，MFSK基本上繼承了2FSK的思想，把波形分解成M個(gè)ASK來分別處理(4)MFSK的功率譜和帶寬(5)MFSK的頻帶利用率所以MFSK在實(shí)際中并不常用MPSK（多進(jìn)制數(shù)字調(diào)相）調(diào)制原理星座圖的概念和物理意義參考相位（在這里可以認(rèn)為是載波相位）發(fā)“1”時(shí)與載波同相發(fā)“0”時(shí)與載波反相原點(diǎn)可以看出，如果確定了原點(diǎn)和參考方向，這些矢量可以分別用1個(gè)星座點(diǎn)來表示，如圖104PSK（π/2系統(tǒng)）的星座圖同理，對(duì)2PSK進(jìn)行推廣，當(dāng)采用4PSK時(shí)我們可以令發(fā)“00”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波同相（相位差=0）發(fā)“11”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波反相（相位差=π）發(fā)“10”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=π/2發(fā)“01”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=-π/2參考相位001110014PSK（π/2系統(tǒng)）的波形2302014進(jìn)制數(shù)據(jù)2進(jìn)制數(shù)據(jù)101100100100參考載波tt2進(jìn)制數(shù)據(jù)與載波相位差00010π/211π01-π/24PSK（π/2系統(tǒng)）的調(diào)制屬于模擬選通電路（例如CD4051等）4PSK（π/4系統(tǒng)）的星座圖如果令發(fā)“11”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=π/4發(fā)“10”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=-π/4發(fā)“01”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=3π/4發(fā)“00”時(shí)，使產(chǎn)生波形與載波相位差=-3π/4參考相位11100100各種MPSK星座圖舉例4PSK（π/4系統(tǒng)）的波形2302014進(jìn)制數(shù)據(jù)2進(jìn)制數(shù)據(jù)101100100100參考載波t2進(jìn)制數(shù)據(jù)與載波相位差00-3π/410-π/411π/4013π/4t4PSK(π/4系統(tǒng))的調(diào)制把星座圖的數(shù)據(jù)改稱雙極性就容易理解了例如發(fā)“11”（記為ab）時(shí)，發(fā)送波形應(yīng)為參考相位1，11，-1-1，1-1，-1當(dāng)發(fā)其他數(shù)據(jù)時(shí)同樣有這個(gè)規(guī)律也可以用矢量分解來理解上述過程參考相位1，11，-1-1，1-1，-1參考相位（即載波）的同相分量，為+1，即a位{a,b}參考相位（即載波）的正交分量，為+1，即b位{a,b}{a,b}{a,b}可見任意一個(gè)星座點(diǎn)都可以用同相分量+正交分量得到，而這兩個(gè)分量的系數(shù)由{a,b}來確定4PSK(又稱QPSK)的調(diào)制框圖上圖中輸入一串?dāng)?shù)據(jù)時(shí)的波形4PSK的解調(diào)4DPSK的原理與2DPSK類似，根據(jù)要發(fā)的數(shù)據(jù)，在前一個(gè)碼元的波形基礎(chǔ)上進(jìn)行相位移動(dòng),而不是與載波比較;這時(shí)候相位關(guān)系表格中的相位意義是本碼元相位與上一個(gè)碼元相位之差。4DPSK（π/2系統(tǒng)）的波形2302014進(jìn)制數(shù)據(jù)2進(jìn)制數(shù)據(jù)101100100100t2進(jìn)制數(shù)據(jù)與前1碼元相位差00010π/211π01-π/2初始相位4DPSK（又稱QDPSK）的調(diào)制與2DPSK類似，只要先把“絕對(duì)碼”變成“相對(duì)碼”，再進(jìn)行4PSK調(diào)制即可但是要注意，這里的碼變換不是簡單的差分碼變換，因?yàn)樯婕暗絳a,b}2位的運(yùn)算4DPSK碼變換舉例原始數(shù)據(jù)101100100100參考載波t碼變換后（00）100101000101t2進(jìn)制數(shù)據(jù)與載波相位差00010π/211π01-π/2可見對(duì)變換后碼進(jìn)行PSK調(diào)制，相當(dāng)于對(duì)原始碼進(jìn)行DPSK調(diào)制4DPSK的調(diào)制框圖上圖中輸入一串?dāng)?shù)據(jù)后的波形8PSK簡介星座圖參考相位000001011010110111101100另一種8PSK參考相位000001011010110111101100后一種8PSK的調(diào)制實(shí)現(xiàn)電平產(chǎn)生電路可以由多路選擇開關(guān)實(shí)現(xiàn)，其輸入/輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系見右表b1b3(輸入)輸出電平11cos(π/8)10sin(π/8)00﹣sin(π/8)01﹣cos(π/8)MPSK的解調(diào)4PSK的解調(diào)（只能采用相干解調(diào)）8PSK的解調(diào)LPLPLPLP現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)正交幅度調(diào)制(QAM)對(duì)4PSK正交調(diào)制的一種擴(kuò)展應(yīng)用于ADSL接入最小頻移鍵控(MSK)頻差最小的2FSK應(yīng)用于GSM網(wǎng)基站與手機(jī)之間的調(diào)制正交頻分復(fù)用(OFDM)應(yīng)用于最新的ADSL設(shè)備中第3~4代移動(dòng)通信的主流調(diào)制方式§8.4.1正交幅度調(diào)制(QAM)16QAM的星座圖和對(duì)應(yīng)編碼參考方向0000000100110010010001010111011011001101111111101000100110111010QAM的編碼與星座坐標(biāo)的關(guān)系如果將4位編碼記為{a1a2,b1b2}則觀察上圖可發(fā)現(xiàn)(1)任意相鄰2點(diǎn)的編碼的歐式距離(即碼距,也就是不同位的個(gè)數(shù))達(dá)到最小值1(2)凡是橫坐標(biāo)相同的點(diǎn)其a1a2編碼必相同(3)凡是縱坐標(biāo)相同的點(diǎn)其b1b2編碼必相同利用上述規(guī)律進(jìn)行向量分解參考方向101010001001101111

1101

1101

11觀察上圖矢量分解的坐標(biāo)與編碼關(guān)系可發(fā)現(xiàn)a1a2同相分量的振幅10+3V11+1V01-1V00-3VQAM的調(diào)制串/并2-L電平轉(zhuǎn)換2-L電平轉(zhuǎn)換同相矢量振幅正交矢量振幅××+矢量合成QAM的頻帶利用率§8.4.2最小頻移鍵控(MSK)MSK就是最小頻差的2FSK在實(shí)現(xiàn)MSK有2大原則使頻差最小,從而減小帶寬,提高頻帶利用率使波形連續(xù),從而減小高頻分量一、頻差最小原則我們在學(xué)習(xí)2FSK的時(shí)候,有結(jié)論(1)濾波器法如果采用濾波器法，2個(gè)主瓣不能重疊，則最小頻差(從圖中可以看出)為(2)正交法兩個(gè)信號(hào)正交的定義(2)正交法當(dāng)兩個(gè)信號(hào)正交時(shí),在接收端可以通過乘法器和積分器來識(shí)別接收到的到底是哪個(gè)信號(hào),這是因?yàn)?2)正交法我們現(xiàn)在分析:當(dāng)2FSK中2個(gè)頻率差別最小是多少時(shí),這2個(gè)信號(hào)滿足正交條件(2)正交法若使發(fā)”0”和發(fā)”1”時(shí)的2信號(hào)正交,則根據(jù)正交的定義,有(2)正交法(2)正交法（結(jié)論）可見正交法把頻差減低到了濾波法的1/4但是，對(duì)于這樣的頻差，不能再使用濾波器分離，只能采用“相乘再積分”的方法識(shí)別即MSK決不能使用圖8.6中的普通2FSK方式進(jìn)行解調(diào)。二、相位連續(xù)原則畫圖示意11010如何保證相位連續(xù)？理論計(jì)算（1）MSK的表達(dá)式額外加入這一項(xiàng)是為了保證相位連續(xù)為了保證相位連續(xù)，需要：保證相位連續(xù)的條件11010三、MSK的表達(dá)式及其分解MSK的表達(dá)式分解四、MSK信號(hào)的產(chǎn)生差分編碼串/并變換××××+五、MSK的相位路徑圖相位路徑圖中的“相位”指的是MSK信號(hào)與載波fc的相位差，所以要先畫出載波11010MSK載波OFDM(正交頻分復(fù)用)可以看作是MFSK與另一種多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制（如MPSK或QAM）的結(jié)合首先,有多個(gè)載頻(MFSK),各載頻兩兩相互正交其次,每個(gè)載頻都采用多進(jìn)制傳輸