通信原理多进制数字调制系统)课件.ppt

1、联合战术通信教研室张伟明理 工 大 学 通 信 工 程 学 院理 工 大 学 通 信 工 程 学 院定义：M进制幅度键控（MASK）是使用M种可能取值的多电平基带信号对载波幅度进行键控而得到的信号。特点：在相同信道传输速率下M电平调制与二电平调制具有相同的信号带宽。tnTtgatecnsnMASKcos基带信号波形 码元间隔 1122,nMMAPAPaAP发送概率为发送概率为发送概率为11MiiP在一个码元间隔内在一个码元间隔内 t(0,Tb，只能发射某一特定幅度的信号，只能发射某一特定幅度的信号()()cos 2iics tAg tf tAi表示与表示与M=2k个可能的个可能的k个比特码元对

2、应的个比特码元对应的M个可能的离散幅值个可能的离散幅值 如果相邻幅值之间的差值为如果相邻幅值之间的差值为h 单个码元内信号的能量单个码元内信号的能量 22220011()()22ssTTiiiigEst dtAgt dtA EMASK信号的平均能量信号的平均能量 认为认为g(t)具有具有单位能量单位能量 1-M0,1,.,i ihAigEMMhE61322122u结论结论 在相邻幅值间距相等的情况下，平均能量随进制数的增加在相邻幅值间距相等的情况下，平均能量随进制数的增加而增加而增加 在平均能量相等的情况下，进制数越大，则相邻幅值的间在平均能量相等的情况下，进制数越大，则相邻幅值的间距越小距越

3、小 因此因此在相同信噪比条件下，进制数越大，误码率也越大在相同信噪比条件下，进制数越大，误码率也越大M2 M4 61322122MMhEgEhE241gEhE247hh711 01 00 10 011 1 0 1 0 0 1 0 0 14ASK2ASK11 01 00 10 011 1 0 1 0 0 1 0 0 14ASK2ASK 四、四、MASK信号带宽信号带宽M进制振幅调制信号可以看进制振幅调制信号可以看成由成由M个时间上不重叠的二个时间上不重叠的二进制振幅调制信号叠加。进制振幅调制信号叠加。在符号速率（码元速率）相在符号速率（码元速率）相等的情况下等的情况下BMASK B2ASKn对于

4、对于M元确知信号的最佳接收可以描述为，在观察时间元确知信号的最佳接收可以描述为，在观察时间(0，Tb)内收到的波内收到的波形形r(t)将包含将包含M个信号个信号si(t)（i=1，2，M）中的一个）中的一个()s t()n t()r t选择最大者0()bTdt0()bTdt()Mst1()s t相关接收1rMr ka221 20122211122MxyyE nePedxedy 00bkEEnn0bEn码元信噪比码元信噪比比特信噪比比特信噪比发送发送M个电平的可能性相同时，个电平的可能性相同时，MASK相干解调时误码率为相干解调时误码率为13)1(2MrerfcMMPer=Eav/n0为为信噪比

5、信噪比 051015202530r/dB10-610-510-410-310-2Pe10-11n结论结论n在相同信噪比条件下，进制数越大，误码率也越大在相同信噪比条件下，进制数越大，误码率也越大;n为得到相同的误码率，多电平调制需要比二进制更高的信噪比；为得到相同的误码率，多电平调制需要比二进制更高的信噪比；n多电平调制尽管提高了频带利用率，但抗噪声性能却下降了，尤多电平调制尽管提高了频带利用率，但抗噪声性能却下降了，尤其抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道中采用。其抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道中采用。M=16M=2M=4M=8n假设假设nM个频移键控信号具有相同的能量

6、、先验等概；个频移键控信号具有相同的能量、先验等概；n信号间彼此正交，信号之间的频率间隔为信号间彼此正交，信号之间的频率间隔为1/(2Ts)Hz()cos 2icsis taf ttTTs是符号间隔是符号间隔fc=nc/(2Ts)，nc是是某个固定的整数某个固定的整数 sTijijijiEdttsts00)()(12MsBffT212reMPer=E/n0为平均接收为平均接收信号的信噪比信号的信噪比 122eMrPerfc122eMrPerfc212reMPefbfS2FSK8FSKf0f1f0f1f0f0f1f1f0f0f0f1f1f0f1f2f4f6f1f50 1 0 1 0 0 1 1

7、0 0 0 1 1 0 12FSK8FSKnMPSK信号信号nMPSK信号的一般原理信号的一般原理nQPSK信号的波形信号的波形n QPSK信号的产生信号的产生n QPSK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽n QPSK信号的解调信号的解调n QPSK信号的抗噪声性能信号的抗噪声性能图6-28 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和两种取值 载波相位只有/2两种取值 载波相位四种取值 图6-29 四进制数字相位调制信号矢量图 图6-30 八进制数字相位调制信号矢量图()()cos()MPSKscnnetg tnTt以载波相位的以载波相位的M种不同取值分别表示数字

8、信息种不同取值分别表示数字信息 信号包络波形，通信号包络波形，通常为矩形波，幅度常为矩形波，幅度为为1 码元码元间隔间隔第第n个码元个码元对应的相对应的相位，共有位，共有M种取值种取值()()coscos()sinsinMPSKsncsncnnetg tnTtg tnTtM进制数字相位调制信号的正交形式进制数字相位调制信号的正交形式()cos()sinnscnscnna g tnTtb g tnTt()cos()sinccI ttQ tt()()nsnI ta g tnT()()nsnQ tb g tnT()()cos()sinMPSKccetI tt Q tt MPSK信号信号串串/并变并变

9、换器换器电平变电平变换器换器电平变电平变换器换器 相移相移 900输入二进输入二进制序列制序列tfc2cos同相支路同相支路正交支路正交支路接收到两位信息接收到两位信息后，后，同时同时送到两送到两个支路，每个支个支路，每个支路各送一位路各送一位tfc2sin()Q t()I t)42cos(tfAc)432cos(tfAc)452cos(tfAc)472cos(tfAc当数字基带信号为当数字基带信号为11时，载波为：时，载波为：当数字基带信号为当数字基带信号为01时，载波为：时，载波为：当数字基带信号为当数字基带信号为00时，载波为：时，载波为：当数字基带信号为当数字基带信号为10时，载波为：

10、时，载波为：4(11)43(01)45(00)47(10)相位配置相位配置XY41111000tt10t参考载波参考载波数字信息数字信息QPSK波形波形443454743QPSK波形特点：波形特点：（1）相邻码元载波相位不连续）相邻码元载波相位不连续（2）相邻码元载波相位最大跳变）相邻码元载波相位最大跳变180度，出现在度，出现在01与与10，00与与11 的变化时。的变化时。tfQtfItftftftscncncncnncQPSK2sin2cos 2sinsin2coscos )2cos()(串串/并并变换变换二进制信息二进制信息nanbnnnIcosnnQsintfc2costfc2sin

11、nInQQPSK信号信号同相支路同相支路正交支路正交支路nnba设第设第n个码元内的数字信息为个码元内的数字信息为 ，QPSK信号的载信号的载波相位为波相位为 。nnanbnnInQ4/4/34/54/71 10 10 01 0+-+-+-电平电平变换变换输入输入输出输出t1100输入输入t输出输出22 QPSK信号信号串串/并变并变换器换器电平变电平变换器换器电平变电平变换器换器 相移相移 900输入二进输入二进制序列制序列tfc2cos同相支路同相支路正交支路正交支路接收到两位信息接收到两位信息后，后，同时同时送到两送到两个支路，每个支个支路，每个支路各送一位路各送一位tfc2sinQPS

12、K由两个由两个2PSK信号相加而成。信号相加而成。nbnanQnIbsQPSKffB 2QPSK信号频带利用率为信号频带利用率为赫兹秒比特带宽信息速率/1bbQPSKbfRBR2PSK信号频带利用率为信号频带利用率为赫兹秒比特带宽信息速率/5.022bbPSKbfRBRbsff21nQPSK信号由两路信号由两路2PSK信号相加而成。当两路信号相加而成。当两路2PSK信号独立时，信号独立时，QPSK信号的功率谱等于两个信号的功率谱等于两个2PSK信号的功率谱相加。信号的功率谱相加。)cos()cos(coscos2900相移相移tfc2cos抽样判决抽样判决抽样判决抽样判决并并/串串变换变换接收

13、接收QPSK恢复的二恢复的二进制序列进制序列同相支路同相支路正交支路正交支路QPSK信号的解调方框图信号的解调方框图)(tzA)(tzB)(txA)(txB位定时位定时sTdt0sTdt0)2cos()(nctfatr同相支路：同相支路：tftfatzcncA2cos)2cos()(nncatfacos2)4cos(2nSATatxcos2)(正交支路：正交支路：)22cos()2cos()(tftftzcncBnncatfasin2)24cos(2nSBTatxsin2)(n设接收信号为：设接收信号为：434547同相、正交支路的判决规则为：同相、正交支路的判决规则为：取样值大于取样值大于0

14、，判，判1 取样值小于取样值小于0，判，判04nSAaTtxcos2)(nnSBaTtxsin2)(nanb1 10 10 01 0+-22 201epfd 211122eperfc r 2sinrMePe对于任意对于任意M进制进制PSK信号，当信噪比信号，当信噪比r足够大时足够大时QPSK的误比特性能与的误比特性能与2PSK相同。相同。1nnn02232型取值型取值4434547型取值型取值4DQPSK(4DPSK)DQPSK4nDifferential Quadrature Phase-Shift Keying(11)(11)(01)(00)(10)(01)(00)(10)0223（00）

15、（11）（01）（10）DQPSK 信号波形图信号波形图参考载波参考载波二进制信息二进制信息101t01010sDQPSK(t)t特点：特点：2、已调波有、已调波有4种相位种相位3、相位跳变的绝对值最大为、相位跳变的绝对值最大为180度度1、信息携带在相邻载波的相位差上、信息携带在相邻载波的相位差上n设第设第n个码元内的数字信息为个码元内的数字信息为 ，DQPSK信号的载波相位为信号的载波相位为 。)2cos()(ncDQPSKtfts串串/并并变换变换二进制信息二进制信息nanbnnn1)cos(nnI)sin(nnQDQPSK信号信号tfc2costfc2sinnInQ同相支路同相支路正交

16、支路正交支路tfQtfIcncn2sin2cos tftfcncn2sinsin2coscos 信号变换（映射）信号变换（映射）nnnba1nnn4n023223222n2体系024344547454744n2体系032320初始初始相位相位01nnn4nn4体系n4体系4345474345454440340544322542443274初始初始相位相位0前一双比特码元的载波相位有四种可能，前一双比特码元的载波相位有四种可能，现设它为现设它为180（对应（对应cndn=00）此时的载波相位应为此时的载波相位应为180+90=270cndn应为应为10 码换器应将输入数据码换器应将输入数据01（

17、ab）变成）变成10（cd）anbn为为01 方法：码变换方法：码变换QPSK调制（调制（/2体系体系）01111000相位配置关系图相位配置关系图 cn-1dn-1anbn01111000相位配置关系图相位配置关系图 n-1180900270180900270n nnnnndcbannnnI Qc d当前时刻出现的码元状态nnna b当前输入的码元an组合逻辑TbTbbncn-1dndn-1cnbsDQPSKffB 2DQPSK信号频带利用率为信号频带利用率为赫兹秒比特带宽信息速率/1bbDQPSKbfRBR2DPSK信号频带利用率为信号频带利用率为赫兹秒比特带宽信息速率/5.022bbPS

18、KbfRBRbsff21特别：特别：/4 DQPSK与与/2 DQPSK相比，在带限非线性信道上带外辐射较小。相比，在带限非线性信道上带外辐射较小。)45cos(21)454cos(21 )452cos()2cos()(nnccncAatfatftfatZ同相支路同相支路)45cos(21)(nAatx正交支路正交支路)45sin(21)904cos(21 )452cos()2cos()(nnccncBatfatftfatZ)45sin(21)(nBatx)452cos(tfccos(245)cf t并并/串串变换变换DQPSK信号信号输出信息输出信息)(tr)(tZA)(tZB)(txA)(

19、txBnanbn1nnn取样取样取样取样位定时位定时1、相干解调、相干解调 0sTdt 0sTdt2230)4cos(2)(nAatxn)4sin(2)(nBatx+-结论结论:由同相支路及正交支路低通滤波器的输出由同相支路及正交支路低通滤波器的输出 和和 的取样值极性的取样值极性可确定可确定 ，这是一个，这是一个QPSK信号的解调。信号的解调。)(txA)(txBn图6-35 4DPSK信号相干解调加码反变换器原理图表6-9判决规则DQPSK错误概率近似为错误概率近似为QPSK的两倍。的两倍。解调器中由解调器中由 及及 计算计算 的过程则是差分译码的过程。的过程则是差分译码的过程。n1nn如

20、：出现反相工作时，确定的如：出现反相工作时，确定的 ，此时前一码元内确定，此时前一码元内确定的的 。计算。计算 180nn18011nn111)180()180(nnnnnnn（2）一个）一个 的错误，会引起的错误，会引起 及及 的错误。的错误。nn1n差分译码的特点：差分译码的特点：（1）消除了由载波相位模糊引起的反向工作问题。）消除了由载波相位模糊引起的反向工作问题。1()cos()()cos()cncnr ttr tTt111111()cos 2cos242411()cos 2cos2424AcnnnnBcnnnnzttztt111()cos241()cos24AnnBnnXtXt判决器

21、是按极性来判决判决器是按极性来判决的。正取样值判为的。正取样值判为1，负，负取样值判为取样值判为0。2、差分相干解调、差分相干解调TsTs表表6-10差分正交解调的判决准则差分正交解调的判决准则cos()4nncos()4n同相、正交支路的判决规则为：同相、正交支路的判决规则为：取样值大于取样值大于0，判，判1 取样值小于取样值小于0，判，判0抗噪声性比抗噪声性比QPSK差约差约2.3dB。2sinrMePe22 sin2rMePe22sin2sin2rMrM差分相干5101520r/dB10-510-410-310-210-110302532321616884M=24M=2差分解调相干解调P

22、e在在M值很大时，差分移相和相值很大时，差分移相和相干移相相比约损失干移相相比约损失3dB的功率。的功率。在四相时，大约损失在四相时，大约损失2.3dB的功的功率率 n对于对于M相绝对移相方式，当信噪比相绝对移相方式，当信噪比r足够大时，误码率可近似为足够大时，误码率可近似为n对于对于M相相对移相方式，当信噪比相相对移相方式，当信噪比r足够大时，误码率可近似为足够大时，误码率可近似为4434547(11)(01)(00)(10)的四种取值的四种取值/4/4 DQPSK 信号波形图信号波形图参考载波参考载波二进制信息二进制信息101t01010ts/4D/4DQPSK(t)4/32/4/70特点

23、：特点：2、已调波有、已调波有8种相位种相位3、相位跳变的绝对值最大为、相位跳变的绝对值最大为135度度1、信息携带在相邻载波的、信息携带在相邻载波的 位差上位差上/4 Differential Quadrature Phase-Shift Keying （/4 DQPSK）(11)(01)(00)(10)的四种取值443344KUKVABCDEFGH特点：特点：2、已调波有、已调波有8种相位种相位3、相位跳变的绝对值最大为、相位跳变的绝对值最大为135度度1、信息携带在相邻载波的、信息携带在相邻载波的 位差上位差上)2cos()(4/ncDQPSKtfts串串/并并变换变换二进制信息二进制信

24、息nanbnnn1)cos(nnI)sin(nnQ/4/4 DQPSK 信号信号tfc2costfc2sinnInQ同相支路同相支路正交支路正交支路tfQtfIcncn2sin2cos tftfcncn2sinsin2coscos nnba 设第设第n个码元内的数字信息为个码元内的数字信息为 ，/4/4 DQPSK信号的载信号的载波相位为波相位为 。n/4 DQPSK信号的产生信号的产生/4()cos2sin2 DQPSKnccnstffQttI1coscos()nnnnI 11coscossinsinnnnn1sinsin()nnnnQ nnnnsincoscossin11nnnnQIsin

25、cos11nnnnQIcossin11nanbn1nI1nQnInQ)cos(n)sin(nnInQ串/并变换二进制信息/4 DQPSK 信号tfc2costfc2sin同相支路正交支路/4 DQPSK信号的解调信号的解调1、中频差分解调、中频差分解调(与与DQPSK的差分解调相同的差分解调相同)2、基带差分解调基带差分解调 是是/4 DQPSK常采用的解调方法。常采用的解调方法。)(tzA)(txA相移相移 900取样取样判决判决取样取样判决判决并并/串串变换变换正交支路正交支路)(tzB)(txB位定时位定时延迟延迟sT接收信号接收信号恢复的二恢复的二进制信号进制信号)(sTty)(ty)

26、(tyB同相支路同相支路 0sTdt 0sTdt)2cos()(nctfaty接收信号接收信号低通滤低通滤波器波器取取样样判判决决低通滤低通滤波器波器取取样样判判决决串串/并并)2cos(tfc)2sin(tfcnwnz11nnnnzzww11nnnnzwwznxnynanbDQPSK4信号信号输出输出)(tZA)(tZB)(txA)(txB)cos(21)4cos(21 )2cos()2cos()(nnccncAatfatftfatZ)cos(21)(nAatx)cos(21nnaw)sin(21nnaz)90cos(21)904cos(21 )902cos()2cos()(nnccncBa

27、tfatftfatZ)sin(21)90cos(21)(nnBaatx11nnnnnzzwwx)sin(21).sin(21)cos(21).cos(2111nnnnaaaannnaacos41)cos(4121211nnnnnzwwzy)sin(21).cos(21)cos(21).sin(2111nnnnaaaannnaasin41)sin(412124/34/54/74/)cos(42nnaxn)sin(42nnaynanb1 10 10 01 0+-判决规则判决规则：、大于大于0，判，判1 、小于小于0，判，判0nxnynxny02 22bbEPQn误比特率：误比特率：振幅相位联合键控

28、信号的一般表示式为振幅相位联合键控信号的一般表示式为 cosAPKnscnnstA g tnTt基带信号幅度 宽度为Ts的单个基带信号波形 coscossinsinAPKnsncnsncnnstA g tnTtA g tnTtcossinnnnnnnXAYA cossincossinAPKnscnscnnccstX g tnTtY g tnTtX ttY ttAPK信号可看作两个正交调制信号之和 同时向上、下同时向上、下两支路输出，两支路输出，与与QPSK、DQPSK等相同等相同LM24M时，时，4QAM就是就是QPSK-1-3+1+31011000111 01 01 00 00 10 10

29、01 01 11同相支路同相支路-1-3+1+310110001同相支路同相支路-1-3+1+3101100011)(tI1)(tQ设信息设信息 ，00nb00nc)1352cos(2 )2252cos(2 2sin2-cos 2sin)(2cos)()(tftftftftftQtftItsccccccQAM-1-3+1+310110001-1-3+1+3101100013)(tI1)(tQ设信息设信息 ，11nb00nc)4.182cos(10 2sin)(-18.4s2)coscos(-18.410 )2sin1012cos103(10 2sin23cos 2sin)(2cos)()(tf

30、tfintftftftftftftQtftItscccccccccQAM-1-3+1+310110001)(tI)(tQ13133131000000100011000110001010101110011100111011111101010001010110011116QAM波形的特点：波形的特点：1、有三种幅度、有三种幅度、12种相种相 位位2、非恒包络调制，不适、非恒包络调制，不适 合非线性信道合非线性信道10218bsQAMffB2121616QAM16QAM信号频带利用率为信号频带利用率为赫兹秒比特带宽信息速率/22/bbQAMbfRBRbsff41结论：结论：QAM调制频带利用率高调制

31、频带利用率高判决器有三个门限电平判决器有三个门限电平-1-3+1+310110001-202判决规则：判决规则：1、小于、小于-2，判，判-32、大于、大于-2，小于，小于0，判，判-13、大于、大于0，小于，小于2，判，判+14、大于、大于2，判，判+3结论：结论：M越大，频越大，频带利用率越高，但带利用率越高，但误码性能也越差。误码性能也越差。tftftQtftItZcccA2cos22sin)(2cos)()(tftQtftItIcc4sin)(4cos)()()()(tItxA16QAM和16PSK的信号星座图()cos,1,2,16iicis tAti16QAM信号表达式最大功率（或

32、振幅）相等12 sin0.3916dAA16PSK相邻信号点的距离 22211AAdLM16QAM相邻信号点的距离 L是在两个正交方向（x或y）上信号的电平数，M为进制数 220.473AdAd2超过d11.64dB即在最大功率（峰值功率）相等最大功率（峰值功率）相等的情况下，16QAM信号比16PSK信号性能好1.64dB在最大功率相等情况下比较是不实际的，应该以信号的平均功率相等为条在最大功率相等情况下比较是不实际的，应该以信号的平均功率相等为条件来比较上述信号的距离才是合理的件来比较上述信号的距离才是合理的 QAM信号的峰值功率与平均功率之比信号的峰值功率与平均功率之比 2221(1)2

33、(21)QAMLiL Li峰值功率平均功率L=4161.8QAMPSK信号的峰值功率与平均功率之比信号的峰值功率与平均功率之比 1PSK16QAM比16PSK约大2.55dB 在平均功率相等的情况下，在平均功率相等的情况下，16QAM的相邻信号最小距离超过的相邻信号最小距离超过16PSK约约4.19dB，也就是抗干扰的能力更强。，也就是抗干扰的能力更强。若信号点之间的最若信号点之间的最小距离为小距离为2A，且所有信，且所有信号点等概出现，则平均号点等概出现，则平均发射信号功率为发射信号功率为MnnnsdcMAP1222221222101841082416AAdcMAPMnnns22221222

34、03.1461.4861.2816AAdcMAPMnnns星型16QAM星座 方型16QAM星座 只有两个振幅值 有三种振幅值 8种相位 12种相位 在衰落信道中星型在衰落信道中星型16QAM比方型比方型16QAM星座更具有吸引力星座更具有吸引力 MPSK信号星座图上信号点间的最小距离为 MdMPSKsin21212MLdMQAMMQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离为 若已调信号的最大幅度为1M=4 时，d4PSK=d4QAM，实际上，4PSK和4QAM的星座图相同。M=16时，d16QAM=0.47，而d16PSK=0.39；当M大于4时，MQAM的抗噪声性能优于MPSK，且随着M的增加，这种优势越明显 M64时，d64QAM=0.202，d64PSK=0.09812 sin0.3916dAA21610QAMPB当M大于4时，MQAM的抗噪声性能优于MPSK，且随着M的增加，这种优势越明显 在平均功率相等平均功率相等的情况下，16QAM的相邻信号最小距离超过16PSK约4.19dB，也就是抗干扰的能力更强。16QAM最小距离2B16PSK216PSKPA161620.39QAMPSKdBdA16164.19QAMPSKdBddBd1616QAMPSKPP