通信系统综合设计课件.ppt

1、 在码元传输速率不变的情况下， 通过增加进制数M，可以增大信息传输速率，从而在相同的带宽中传输更多的信息量。 在多进制数字调制中，每个符号时间间隔0tTs，可能发送的符号有M种，分别为s1(t)：s2(t)， ， sM(t)。在实际应用中，通常取M=2N，N为大于1的正整数。与二进制数字调制系统相类似，若用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、 频率或相位，则可相应地产生多进制数字振幅调制、多进制数字频率调制和多进制数字相位调制。下面分别介绍三种多进制数字调制系统的原理。 多进制数字振幅调制系统多进制数字振幅调制系统 多进制数字振幅调制又称多电平调制，它是二进制数字振幅键控方式的推广。M进制数字

2、振幅调制信号的载波幅度有M种取值，在每个符号时间间隔Ts内发送M个幅度中的一种幅度的载波信号。M进制数字振幅调制信号可表示为M进制数字基带信号与正弦载波相乘的形式，其时域表达式为 an= 0 发送概率为P0 1, 发送概率为P1M-1, 发送概率为PM-1 110Miip且 M进制数字振幅调制信号的功率谱与2ASK信号具有相似的形式式中，g(t)为基带信号波形，Ts为符号时间间隔，an为幅度值。an共有M种取值，通常可选择为an0, 1, , M-1， 若M种取值的出现概率分别为 P0，P1， ，PM-1，则4进制数字振幅调制信号的时间波形OTBtA2A3A2301 它是M进制数字基带信号对正

3、弦载波进行双边带调幅，已调信号带宽是M进制数字基带信号带宽的两倍。M进制数字振幅调制信号每个符号可以传送log2M比特信息。在信息传输速率相同时，码元传输速率降低为2ASK信号的1/log2M倍，因此M进制数字振幅调制信号的带宽是2ASK信号的1/log2M倍。 除了双边带调制外，多进制数字振幅调制还有多电平残留边带调制、多电平相关编码单边带调制及多电平正交调幅等方式。在多进制数字振幅调制中，基带信号g(t)可以采用矩形波形，为了限制信号频谱g(t)也可以采用其他波形，如升余弦滚降波形， 部分响应波形等。 多进制数字振幅调制信号的解调与2ASK信号解调相似， 可以采用相干解调方式，也可以采用非

4、相干解调方式。假设发送端产生的多进制数字振幅调制信号的幅度分别为d， 3d， ，(M-1)d，则发送波形可表示为 sT(t)=u1(t), 发送d电平时u2(t), 发送3d电平时uM/2(t), 发送(M-1)d电平时 式中： u1(t)= dcosct, 0tTs 0, 其他 u2(t)= 3dcosct, 0tTs 0, 其他 uM/2(t)= (M-1)dcosct, 0tTs 0, 其他 式中, r= 为信噪比。当M取不同值时， M进制数字振幅调制系统总的误码率Pe与信噪比r关系曲线如图 7 - 34 所示。 由此图可以看出，为了得到相同的误码率Pe，所需的信噪比随M增加而增大。例如

5、，四电平系统比二电平系统信噪比需要增加约 5 倍。 2nsM进制数字振幅调制系统的误码率Pe性能曲线10110210310410510605101520r/dBPe12530多进制数字频率调制系统多进制数字频率调制系统 多进制数字频率调制(MFSK)简称多频调制，它是2FSK方式的推广。MFSK信号可表示为eMFSK(t)=si(t) cosit 式中:si(t)= A, 当在时间间隔0tTs发送符号为i时0, 当在时间间隔0tTs发送符号不为i时 i为载波角频率，共有M种取值。通常可选载波频率fi= ，n为正整数，此时M种发送信号相互正交。 Tn2 下图是多进制数字频率调制系统的组成方框图。

6、 发送端采用键控选频的方式， 在一个码元期间Ts内只有M个频率中的一个被选通输出。接收端采用非相干解调方式，输入的MFSK信号通过M个中心频率分别为f1, f2, , fM的带通滤波器，分离出发送的M个频率。再通过包络检波器、抽样判决器和逻辑电路，从而恢复出二进制信息。 多进制数字频率调制信号的带宽近似为SMTffB21 可见，MFSK信号具有较宽的频带，因而它的信道频带利用率不高。多进制数字频率调制一般在调制速率不高的场合应用。多进制数字频率调制系统的组成方框图输入串/并变换M逻辑电路f1门电路121f2门电路相加器M2fM门电路信道抽样判决器输出逻辑电路检波器带 通 f1检波器带 通 f2

7、检波器带 通 fM接收滤波器图 7- 36FLEX系统4FSK信号频率关系fc4.8 kHzfc1.6 kHzfc1.6 kHzfc4.8 kHz1101100001 MFSK信号采用非相干解调时的误码率为Pe= 式中, r为平均接收信号的信噪比。 212/002/ / )()21()1 (1)(2222rMznaxeMdzexaIxen2)21()21(1 (2112/)/(2122rerfcMdxdueepmxuaxen 多进制数字频率调制系统误码率性能曲线如图 7 - 37 所示。图中，实线为采用相干解调方式，虚线为采用非相干解调方式。可以看出，在M一定的情况下，信噪比r越大， 误码率P

8、e越小；在r一定的情况下，M越大，误码率Pe也越大。 另外，相干解调和非相干解调的性能差距将随M的增大而减小； 同一M下，随着信噪比r的增加非相干解调性能将趋于相干解调性能。 多进制数字频率调制系统误码率性能曲线101102103104105106107505101520r/dB10243221081多进制数字相位调制系统多进制数字相位调制系统 1. 多进制数字相位调制多进制数字相位调制(MPSK)信号的表示形式信号的表示形式 多进制数字相位调制又称多相调制，它是利用载波的多种不同相位来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同， 多进制数字相位调制也有绝对相位调制和差分相位调制两种。

9、为了便于说明概念，我们可以将MPSK信号用信号矢量图来描述。图7 - 38 是二进制数字相位调制信号矢量图，以 0载波相位作为参考相位。载波相位只有0和或 两种取值，它们分别代表信1和0.2二进制数字相位调制信号矢量图01参考相位01参考相位 四进制数字相位调制信号矢量图如图 7 - 39 所示， 载波相位有0、 、和 (或 、 、 和 ） ， 它们分别代表信息11、 01、 00和10。图7 -40 是8PSK信号矢量图，8 种载波相位分别为 、 、 、 、 、 和分别表示信息111、 110、 010、 011、 001、 000、 100和101。 在M进制数字相位调制中， 是以载波相位

10、的M种不同取值分别表示数字信息， 因此M进制数字相位调制信号可以表示为eMPSK(t)= g(t-nTs) cos(ct+n) (7.4 - 10)式中, g(t)信号包络波形， 通常为矩形波， 幅度为1；Ts码元时间宽度；c载波角频率； 223443454783858789811813815n四进制数字相位调制信号矢量图0011参考相位1001参考相位10110100n第n个码元对应的相位，共有M种取值。 对于二相调制，n可取0和；对于四相调制，n可取0、 、 和 ； 对于八相调制， n可取 、 、 、 、 、 、。M进制数字相位调制信号也可以表示为正交形式:eMPSK(t)=g(t-nTs

11、)cosncosct-g(t-nTs)sinnsinct=ang(t-nTs)cosct-bng(t-nTs)sinct =I(t)cosct-Q(t) sin223883858789811813815nnnn式中: I(t)= ang(t-nTs) Q(t)= bng(t-nTs) 此时， 对于四相调制:an取0，1bn取0, 1an取1bn取1或M进制数字相位调制信号的功率谱如图所示， 图中给出了信息速率相同时，2PSK、4PSK和8PSK信号的单边功率谱。可以看出，M越大，功率谱主瓣越窄， 从而频带利用率越高。 8PSK信号矢量图参考相位0101101111011000000010112

12、. 4PSK信号的产生与解调信号的产生与解调 在M进制数字相位调制中，四进制绝对移相键控 (4PSK)和四进制差分相位键控(4DPSK)两种调制方式应用最为广泛。下面分别讨论这两种调制信号的产生原理。四进制绝对移相键控利用载波的四种不同相位来表示数字信息。 由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。两个二进制码元中的前一比特用a表示，后一比特用b表示，则双比特ab与载波相位的关系如表所示。 进值数字相位调制信号功率谱08PSK4PSK2PSK功率谱密度/dB604020f fc12Ts1Ts32Ts2Ts双比特双比特ab与载波相位的关系与载波相位的

13、关系 双比特码元载波下相位(n )abA方式B方式011000110 90 80 70 225 315 45 135 在一个码元时间间隔Ts，4PSK信号为载波四个相位中的某一个。因此，可以用相位选择法产生4PSK信号，其原理图如图 所示。图中，四相载波产生器输出4PSK信号所需的四种不同相位的载波。输入二进制数据流经串/并变换器输出双比特码元，逻辑选相电路根据输入的双比特码元，每个时间间隔Ts选择其中一种相位的载波作为输出，然后经带通滤波器滤除高频分量。 4PSK信号也可以采用正交调制的方式产生，正交调制器原理图如图所示，它可以看成由两个载波正交的2PSK调制器构成。相位选择法产生4PSK信

14、号原理图输入串/并变换逻辑选相电路带通滤波器输出45 135 225 315四相载波产生器4PSK正交调制器输入串/并变换载波振荡a 移相2cosctsinct输出b图中， 串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的两个并行的双极性序列a和b，然后分别对cosct和sinct进行调制，相加后即可得到4PSK信号。由图 7 43 可见，4PSK信号可以看作两个载波正交2PSK信号的合成。因此，对4PSK信号的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，解调原理图如图7 44 所示。同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调，得到I(t)和Q(t)，经抽样判决和并/串变换器，将上、下支路得

15、到的并行数据恢复成串行数据。4PSK信号相干解调原理图 输入载波恢复acosctsinct输出b带通滤波器低通滤波抽样判决低通滤波抽样判决位定时并/串变换在2PSK信号相干解调过程中会产生180相位模糊。同样，对4PSK信号相干解调也会产生相位模糊问题，并且是0、 90、180和270四个相位模糊。因此，在实际中更实用的是四相相对移相调制，即4DPSK方式。 3. 4DPSK信号的产生与解调信号的产生与解调4DPSK信号是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。若以前一双比特码元相位作为参考，n为当前双比特码元与前一双比特码元初相差，则信息编码与载波相位变化关系如表 7 5 所示。 4D

16、PSK信号产生原理图如图 7 45 所示。 图中，串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的两个并行序列a和b，再通过差分编码器将其编为四进制差分码， 然后用绝对调相的调制方式实现4DPSK信号。 表表 7 54DPSK信号载波相位编码逻辑关系信号载波相位编码逻辑关系双比特码元载波下相位(n )ab 0101 4DPSK信号产生原理图 移相4输入 串/并变换码变换载波振荡abc 移相4d输出4DPSK信号的解调可以采用相干解调加码反变换器方式(极性比较法)，也可以采用差分相干解调方式(相位比较法)。 4DPSK信号相干解调加码反变换器方式原理图如下图所示。与4PSK信号相干解调不同之处在于，

17、并/串变换之前需要增加码反变换器。4DPSK信号差分相干解调方式原理图如图 所示。 4. 4PSK及及4DPSK系统的误码率性能系统的误码率性能对4PSK信号，采用相干解调器，系统总的误码率Pe为Peerfc (7.4 15)式中, r为信噪比。4DPSK方式的误码率为Peerfc )4sin(r)8sin2(r4DPSK信号相干解调加码反变换器方式原理图 输入载波恢复cosctsinct输出带通滤波低通滤波抽样判决低通滤波抽样判决位定时码反变换并/串变换4DPSK信号差分相干解调方式原理图输入带通滤波输出低通滤波抽样判决低通滤波抽样判决位定时并/串变换移相延迟 TsMPSK方式采用相干解调时

18、的误码率曲线如图 7 48 所示。 MPSK系统的误码率性能曲线81632322 41680510152025301051041031021011差分解调相干解调M=M=Per/dB24练习一仿真QPSK系统通过AWGN信道的误符号率(SER)和误比特率(BER)，假设发送端采用GRAY编码映射，基带脉冲采用矩形脉冲。每个脉冲抽样点数为8。练习二用SIMULINK实现练习一。练习三 假设消息信号经过格雷码编码后分别是1 4 3 0 7 5 2 6，画出它们的8QAM调制信号波形和星座图。假设载波频率1HZ。练习四画出4FSK调制信号的波形和频谱，假设载波频率4HZ。符号持续时间为1，每个符号内采样60个点。