通信原理多进制数字调制系统.ppt

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,联合战术通信教研室张伟明,理工大学通信工程学院,第五章正弦载波数字调制,数字通信原理,5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,5.5多进制数字调制系统,研究对象：

多进制数字调制系统研究目的：

在信道频带受限时多进制数字调制是如何增加信息的传输速率（即比特率），提高系统的频带利用率从而提高数字传输系统有效性，或者通过牺牲频带资源从而提高系统可靠性的。

研究方法：

原理及抗噪声性能结论,5.5多进制数字调制系统,定义：

在码元间隔0tTS内，可能发送的码元有M种：

si（t），i=1，2，M。

实际应用中，通常取M=2k（k1为整数）。

每个码元可以携带log2M比特信息，因此在信道频带受限时可以增加信息的传输速率（即比特率），提高频带的利用率。

（有例外）,5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,5.5.1多进制振幅键控,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。

一、MASK的波形,5.5.1多进制振幅键控,基带信号波形,码元间隔,二、MASK的数学表达式,5.5.1多进制振幅键控,三、MASK的能量与抗噪声性能间的关系,在一个码元间隔内t（0,Tb，只能发射某一特定幅度的信号,Ai表示与M=2k个可能的k个比特码元对应的M个可能的离散幅值,如果相邻幅值之间的差值为h,单个码元内信号的能量,MASK信号的平均能量,认为g（t）具有单位能量,5.5.1多进制振幅键控,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，则相邻幅值的间距越小因此在相同信噪比条件下，进制数越大，误码率也越大,M2,M4,MASK与2ASK比较,平均功率相同,1101001001,1101001001,4ASK,2ASK,MASK与2ASK比较,载波振幅间隔相同,1101001001,1101001001,4ASK,2ASK,5.5.1多进制振幅键控,四、MASK信号带宽M进制振幅调制信号可以看成由M个时间上不重叠的二进制振幅调制信号叠加。

在符号速率（码元速率）相等的情况下BMASKB2ASK,5.5.1多进制振幅键控,五、MASK信号解调对于M元确知信号的最佳接收可以描述为，在观察时间（0，Tb）内收到的波形r（t）将包含M个信号si（t）（i=1，2，M）中的一个,码元信噪比,比特信噪比,5.5.1多进制振幅键控,发送M个电平的可能性相同时，MASK相干解调时误码率为,r=Eav/n0为信噪比,结论在相同信噪比条件下，进制数越大，误码率也越大;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；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。

M=16,M=2,M=4,M=8,5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,5.5.2多进制频移键控,一、信号数学表达式假设M个频移键控信号具有相同的能量、先验等概；信号间彼此正交，信号之间的频率间隔为1/（2Ts）Hz,Ts是符号间隔,fc=nc/（2Ts），nc是某个固定的整数,5.5.2多进制频移键控,r=E/n0为平均接收信号的信噪比,二、信号带宽三、抗噪声性能非相干解调相干解调,5.5.2多进制频移键控,MFSK相干解调性能,5.5.2多进制频移键控,MFSK非相干解调性能,MFSK与2FSK的比较,功率谱密度,fb,fS,2FSK,8FSK,f0,f1,f0,f1,f0,f0,f1,f1,f0,f0,f0,f1,f1,f0,f1,f2,f4,f6,f1,f5,010100110001101,2FSK,8FSK,5.5.2多进制频移键控,问题1：

MASK和MFSK调制是如何利用信号波形携带信息？

问题2：

MASK与2ASK在通信系统质量指标方面有什么差别？

5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,5.5.3多进制相移键控,MPSK信号MPSK信号的一般原理QPSK信号的波形QPSK信号的产生QPSK信号的功率谱及带宽QPSK信号的解调QPSK信号的抗噪声性能,5.5.3多进制相移键控,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,一、MPSK信号的一般原理,5.5.3多进制相移键控,图6-30八进制数字相位调制信号矢量图,以载波相位的M种不同取值分别表示数字信息,信号包络波形，通常为矩形波，幅度为1,码元间隔,第n个码元对应的相位，共有M种取值,M进制数字相位调制信号的正交形式,5.5.3多进制相移键控,当数字基带信号为11时，载波为：

当数字基带信号为01时，载波为：

当数字基带信号为00时，载波为：

当数字基带信号为10时，载波为：

5.5.3多进制相移键控,二、QPSK信号的波形,1,1,1,1,0,0,0,t,t,1,0,数字信息,QPSK波形,QPSK波形特点：

（1）相邻码元载波相位不连续,

（2）相邻码元载波相位最大跳变180度，出现在01与10，00与11的变化时。

5.5.3多进制相移键控,5.5.3多进制相移键控,三、QPSK信号的产生,设第n个码元内的数字信息为，QPSK信号的载波相位为。

5.5.3多进制相移键控,输入信息与同相分量及正交分量之间的关系,11,01,00,10,+,-+,-,+-,5.5.3多进制相移键控,QPSK调制器方框图,QPSK由两个2PSK信号相加而成。

QPSK信号频带利用率为,2PSK信号频带利用率为,四、QPSK信号的功率谱及带宽QPSK信号由两路2PSK信号相加而成。

当两路2PSK信号独立时，QPSK信号的功率谱等于两个2PSK信号的功率谱相加。

5.5.3多进制相移键控,5.5.3多进制相移键控,五、QPSK信号的解调,同相支路：

正交支路：

解调器各点的数学表达式设接收信号为：

5.5.3多进制相移键控,同相、正交支路的判决规则为：

取样值大于0，判1取样值小于0，判0,11,01,00,10,+,+,+,+,-,-,-,-,5.5.3多进制相移键控,5.5.3多进制相移键控,六、抗噪声性能1、QPSK2、MPSK：

对于任意M进制PSK信号，当信噪比r足够大时,QPSK的误比特性能与2PSK相同。

5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,DQPSK（4DPSK）,DQPSK,（DQPSK）DifferentialQuadraturePhase-ShiftKeying,5.5.4多进制差分相移键控,（11）,（11）,（01）,（00）,（10）,（01）,（00）,（10）,DQPSK信号波形图,参考载波,特点：

2、已调波有4种相位,3、相位跳变的绝对值最大为180度,1、信息携带在相邻载波的相位差上,5.5.4多进制差分相移键控,一、DQPSK信号的波形,5.5.4多进制差分相移键控,二、DQPSK信号的产生设第n个码元内的数字信息为，DQPSK信号的载波相位为。

信号变换（映射）,5.5.4多进制差分相移键控,调制后载波的相位有几种？

初始相位,结论：

对于，无论初始相位是哪个体系，最终载波相位只有四种可能性。

5.5.4多进制差分相移键控,调制后载波的相位有几种？

结论：

对于，无论初始相位是哪个体系，最终载波相位却有八种可能性，在两种体系间跳变。

初始相位,5.5.4多进制差分相移键控,前一双比特码元的载波相位有四种可能，现设它为180（对应cndn=00）,此时的载波相位应为180+90=270,cndn应为10,码换器应将输入数据01（ab）变成10（cd）,anbn为01,方法：

码变换QPSK调制（/2体系）,相位配置关系图,/2DQPSK原理框图与具体实现,5.5.4多进制差分相移键控,码变换关系表（cndn产生）,cn-1dn-1,anbn,相位配置关系图,n-1,180,90,0,270,180,90,0,270,n,n,5.5.4多进制差分相移键控,对应关系,DQPSK信号频带利用率为,2DPSK信号频带利用率为,5.5.4多进制差分相移键控,三、DQPSK信号的功率谱及带宽,特别：

/4DQPSK与/2DQPSK相比，在带限非线性信道上带外辐射较小。

同相支路,正交支路,5.5.4多进制差分相移键控,四、DQPSK信号的解调1、相干解调,积分器输出与载波相位的关系,+,+,+,+,-,-,-,-,结论:

由同相支路及正交支路低通滤波器的输出和的取样值极性可确定，这是一个QPSK信号的解调。

5.5.4多进制差分相移键控,5.5.4多进制差分相移键控,图6-354DPSK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QPSK的两倍。

解调器中由及计算的过程则是差分译码的过程。

如：

出现反相工作时，确定的，此时前一码元内确定的。

计算,

（2）一个的错误，会引起及的错误。

5.5.4多进制差分相移键控,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。

5.5.4多进制差分相移键控,判决器是按极性来判决的。

正取样值判为1，负取样值判为0。

四、DQPSK信号的解调2、差分相干解调,Ts,Ts,5.5.4多进制差分相移键控,表6-10差分正交解调的判决准则,同相、正交支路的判决规则为：

取样值大于0，判1取样值小于0，判0,抗噪声性比QPSK差约2.3dB。

5.5.4多进制差分相移键控,在M值很大时，差分移相和相干移相相比约损失3dB的功率。

在四相时，大约损失2.3dB的功率,五、DQPSK信号的抗噪声性能对于M相绝对移相方式，当信噪比r足够大时，误码率可近似为对于M相相对移相方式，当信噪比r足够大时，误码率可近似为,5.5.4多进制差分相移键控,六、/4DQPSK调制,的四种取值,/4DQPSK信号波形图,参考载波,特点：

2、已调波有8种相位,3、相位跳变的绝对值最大为135度,1、信息携带在相邻载波的位差上,多进制差分相移键控,/4DifferentialQuadraturePhase-ShiftKeying（/4DQPSK）,的四种取值,5.5.4多进制差分相移键控,/4DQPSK信号的星座图,/2DQPSK信号的星座图,5.5.4多进制差分相移键控,设第n个码元内的数字信息为，/4DQPSK信号的载波相位为。

/4DQPSK信号的产生,迭代法,/4DQPSK信号的解调,1、中频差分解调（与DQPSK的差分解调相同）,2、基带差分解调是/4DQPSK常采用的解调方法。

/4DQPSK信号的基带差分解调,/4DQPSK信号的基带差分解调,/4DQPSK信号的基带差分解调,11,01,00,10,+,+,+,+,-,-,-,-,判决规则：

、大于0，判1、小于0，判0,用于判决的样值与信息的关系,误比特率：

5.5多进制数字调制系统,5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,在系统带宽一定的情况下，多进制调制（幅移或相移键控）的信息传输速率比二进制高，也就是说，多进制调制系统的频带利用率高，提高了有效性多进制调制系统频带利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的，降低了可靠性。

解决方法：

振幅相位联合键控（APK）,5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）,振幅相位联合键控信号的一般表示式为,基带信号幅度,宽度为Ts的单个基带信号波形,APK信号可看作两个正交调制信号之和,基本原理,同时向上、下两支路输出，与QPSK、DQPSK等相同,时，4QAM就是QPSK,5.5.5振幅相位联合键控系统,一、QAM调制器,5.5.5振幅相位联合键控系统,16QAM调制器,5.5.5振幅相位联合键控系统,支路波形,11010100001010010111,同相支路,同相支路,设信息，,5.5.5振幅相位联合键控系统,二、QAM波形的特点,5.5.5振幅相位联合键控系统,设信息，,16QAM波形的特点：

1、有三种幅度、12种相位,2、非恒包络调制，不适合非线性信道,5.5.5振幅相位联合键控系统,16QAM星座图,16QAM信号频带利用率为,结论：

QAM调制频带利用率高,5.5.5振幅相位联合键控系统,三、QAM信号的功率谱及带宽,判决器有三个门限电平,判决规则：

1、小于-2，判-3,2、大于-2，小于0，判-1,3、大于0，小于2，判+1,4、大于2，判+3,结论：

M越大，频带利用率越高，但误码性能也越差。

四、QAM信号的解调,5.5.5振幅相位联合键控系统,五、16QAM与16PSK比较,16QAM和16PSK的信号星座图,16QAM信号表达式,最大功率（或振幅）相等,16PSK相邻信号点的距离,16QAM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,d2超过d11.64dB,即在最大功率（峰值功率）相等的情况下，16QAM信号比16PSK信号性能好1.64dB,5.5.5振幅相位联合键控系统,16QAM与16PSK比较（平均功率相同）,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,QAM信号的峰值功率与平均功率之比,L=4,PSK信号的峰值功率与平均功率之比,16QAM比16PSK约大2.55dB,在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。

5.5.5振幅相位联合键控系统,六、方型与星型QAM比较,若信号点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概出现，则平均发射信号功率为,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16QAM比方型16QAM星座更具有吸引力,5.5.5振幅相位联合键控系统,MPSK信号星座图上信号点间的最小距离为,MQAM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1,M=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=0.098,不同进制之间QAM与MPSK比较,5.5.5振幅相位联合键控系统,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2B,16PSK,性能比较总结,