6数字调制系统

：总结： ASKASK、、PSKPSK中当等概时，不存在离散谱部分（稳态波功率谱）中当等概时，不存在离散谱部分（稳态波功率谱） ASKASK、、PSKPSK功率谱结构基本相同功率谱结构基本相同 所以所以PSKPSK、、ASKASK的带宽也相同。的带宽也相同。 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 数字频带之数字频带之 了解内容 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 模拟调制、数字基带、数字调制基模拟调制、数字基带、数字调制基 本指标对比本指标对比 数字调制数字调制 接收机接收机 类型类型 指标指标可靠性可靠性 有效性有效性 数字基带数字基带模拟调制模拟调制指标体系指标体系 BB；带宽；带宽 RbRb；速率；速率 RbRb速率；速率；BB调制带宽调制带宽 S/NS/N等等 PePe误码率误码率 rr信噪比信噪比;;PePe误码率误码率 相干解调相干解调 非相干解调非相干解调 抽样判决抽样判决 相干解调相干解调 非相干解调非相干解调 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 例：例：2ASK2ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 信号的表示：信号的表示： î í ì = 00 1cos )( ，发 ，发 隔内的表达式：发送信号在一个码元间 tA tSOOK cT w 接收的信号，加入加性噪声（和一定的衰减）接收的信号，加入加性噪声（和一定的衰减） î í ì + = 0)( 1)(cos )( ，发 ，发 tn tnta ty i ic i w 的高斯噪声收滤波器后，变成窄带是高斯白噪声，经过接)(tni ttnttntn cscc ww sin)(cos)()( -= î í ì - -+ =\ ttnttn ttnttnta ty cscc csccc ww www sin)(cos)( sin)(cos)(cos )( î í ì - -+ =\ 0sin)(cos)( 1sin)(cos)]([ )( ，发 ，发 ttnttn ttnttna ty cscc cscc ww ww Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 11．包络检波的系统性能．包络检波的系统性能 )()]([)(1 22 tntnatV sc ++=时的包络：发 )()()(0 22 tntntV sc +=时的包络：发 b设包络抽样值门限为 包络服从瑞利分布 ò -==£= b e baQdVVfbVPP b 0 11 ),(1)()( ),00(1)1( ss 开始，所以积分区间是瑞利分布从的错误概率为：则：发 415. )(),( 2/)(0 2 22 PQ dtettIQa t 函数表 为方差，为信号的幅度，其中 ò ¥ +-= b aabas )(1 xf)(0 xf Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 ),2(1 2// 01 22 0 brQP arbb e -=\ == ss，输出信噪比为设归一化门限值为 ò ¥ -==>= b b e edVVfbVPP 2/ 02 2 0)()( 0)2( 的错误概率发 2/ 0 2 0)0()],2(1)[1( be ePbrQPP -+-=\ 4/ 2 1) 2 ( 4 1)0()1( re e rerfcPPP -+== 时：当 4/ 2 1 r e ePr -»¥® ，当 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 22．相干解调的系统性能．相干解调的系统性能 î í ì + =\ 0)( 1)( )( .. ，发 ，发 接受到的波形为 滤除后信号中的正交部分被在经乘法器和 tn tna tx FPL c c 高斯分布的概率密度函数也满足满足高斯分布，所以 )()( txtnc )] 2 (1[ 2 1)( )] 2 (1[ 2 11)( 202 211 s s berfdxxfP aberfdxxfP be b e -== - --== ò ò ¥ ¥- 21 )0()1( eee PPPPP += 4/11)2/( 2 1 r e er rrerfcP -=>>= p 当 化值后在等概，并且化为归一 )(1 xf)(0 xf Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 综合综合 nn 在大信噪比在大信噪比rr条件下条件下 ¨¨2ASK2ASK的同步解调性能总优于包络检波（误的同步解调性能总优于包络检波（误 码率低）码率低） ¨¨但性能相差不大但性能相差不大 ¨¨同步解调原理上要简单些（不包含载波恢复同步解调原理上要简单些（不包含载波恢复 部分）部分） Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 例例 nn 已知已知OOKOOK信号信号RRBB=4.8=4.8××1010 66BB，，已知信号幅度已知信号幅度1mV1mV，，噪声噪声 nn00=2 =2 ××1010 --55W/HzW/Hz ¨¨求包络检波的误码率求包络检波的误码率 ¨¨求同步解调的误码率求同步解调的误码率 HzRB B 6106.92 ´=» WBn PF 8 0 2 1092.1 -´==s 后的平均功率 126 2 2 2 >>»= s ar 输出信噪比 大信噪比大信噪比 44 105.7 2 1 -- ´== r e eP包络检波 44 1067.11 - - ´== r e er P p 同步解调 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 二、二、2FSK2FSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 包络检波包络检波 2/ 2 12 re ePFSK -=\ 的非相干解调总误码率 同步（相干）解调同步（相干）解调 / 21 1( ) 2 2 2 r e rP erfc e rp -\ = ¾¾¾¾® =大信噪比 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 例例 FSKFSK的在有效带宽为的在有效带宽为2400Hz2400Hz的信道上传输的信道上传输 dBBRHzfHzf B 6300,1580,980 21 输入信噪比=== 11、、2FSK2FSK的带宽的带宽 22、使用包络检波的误码率、使用包络检波的误码率 33、使用相干解调的误码率、使用相干解调的误码率 sffff FSK 2|| 1 12 +-=D 的带宽、 HzRfff B 12002|| 12 =+-=D 22、信道带宽、信道带宽2400Hz2400Hz，，接受滤波器带宽接受滤波器带宽 B=2RB=2RBB=600Hz=600Hz 容量一样，所以输出时带宽减少容量一样，所以输出时带宽减少44倍，信噪比增大倍，信噪比增大44倍倍 r=4r=4××4=164=16 42 )( 1068.12 1 -- ´== r e eP 检波 5 )( 1017.322 13 -´=÷÷ ø ö çç è æ = rerfcPe 相干、 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 三、三、PSKPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 1 2 r eP e -=DPSK差分相干解调:系统总误码率 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 11．频带宽度．频带宽度 当码元宽度为当码元宽度为TsTs s PSKASK T BB 222 == s FSK T ffB 2|| 122 +-= Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 22．误码率．误码率 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 结论：结论： 1)1) 相干解调性能优于非相干解调相干解调性能优于非相干解调 2)2) 相同误码率下，相同误码率下，2PSK2PSK对信噪比的要求最小、对信噪比的要求最小、 2FSK2FSK其次、其次、2ASK2ASK要求最高（都相差要求最高（都相差3dB3dB）） 3)3) 相同信噪比（相同信噪比（rr））下，相干解调下，相干解调2PSK2PSK误码率最误码率最 低低 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 33．对信道特性敏感性．对信道特性敏感性 信道引起幅度变换的影响：信道引起幅度变换的影响： （（11））2FSK2FSK不需要判决门限，直接比较两路不需要判决门限，直接比较两路————对信道变换对信道变换 不敏感不敏感 （（22））2PSK2PSK判决门限为判决门限为00————不受信道变换影响不受信道变换影响 （（33））2ASK2ASK判决门限为判决门限为a/2a/2（（等概时）等概时）————易受信道影响易受信道影响 衰落的影响：衰落的影响： 严重的衰落，应该使用非相干解调严重的衰落，应该使用非相干解调————此时不易提取载波此时不易提取载波 功率的要求：功率的要求： 严格功率要求时，用相干解调严格功率要求时，用相干解调————信噪比要求小，但信噪比要求小，但 载波提取困难载波提取困难 Principles of Communications 3Principles of Communications 3rdrd EditionEdition Copyright 2005 Copyright 2005 ®® by Z.J.by Z.J. 张杰制作张杰制作 44．设备复杂度．设备复杂度 2DPSK>2PSK>2FSK>2ASK2DPSK>2PSK>2FSK>2ASK 总结总结：： 1)1) 抗噪声：相干抗噪声：相干2PSK2PSK、、2DPSK2DPSK优于优于2FSK2FSK优于优于2ASK2ASK 2)2) 带宽：带宽：2PSK2PSK、、2DPSK2DPSK、、2ASK2ASK优于优于2FSK2FSK 3)3) 调制应用调制应用 2DPSK2DPSK：：高速数据（可解决相位模糊）高速数据（可解决相位模糊） 2FSK2FSK：：低速数据，用于衰落信道低速数据，用于衰落信道 张杰制作张杰制作 张杰制作张杰制作 一、多进制幅度键控一、多进制幅度键控(MASK)(MASK) 11．数学描述．数学描述 ï î ï í ì - = -= å M n c n snMASK PM P a tCosnTtgatS 1 0 ])([)( 1 其中： w 二、多进制频移键控二、多进制频移键控(MFSK)(MFSK) 调制方法和调制方法和2FSK2FSK类似，只是使用多个载频类似，只是使用多个载频 22．特点．特点 （（11）功率谱与）功率谱与2ASK2ASK完全相同完全相同 （（22）在相同的信息速率时，带宽是）在相同的信息速率时，带宽是2ASK2ASK的的 M2log/1 张杰制作张杰制作 三、多进制相移键控三、多进制相移键控(MPSK)(MPSK) 11．．QPSKQPSK四相绝对移相键控四相绝对移相键控 （（11））QPSKQPSK矢量图矢量图 00 10 01 11 M=4,θ=π/4 相位相位 4545ºº +0+0ºº 4545ºº +90+90ºº 4545ºº +180+180ºº 4545ºº +270+270ºº 四进码四进码 00 11 22 33 双比特码双比特码((格格 雷码雷码)) 0000 0101 1111 1010 双比特码双比特码 ((自然码自然码)) 0000 0101 1010 1111 张杰制作张杰制作 （（22）调制器）调制器 11）正交调制：）正交调制：QPSKQPSK可看成可看成22个个BPSKBPSK相加相加 串/并 变换 电平 产生 电平 产生 × × + 载波 π/2 二进制 fb fb/2 fb/2 Q(t) I(t) ASinω c t ACosω c t QPSK 张杰制作张杰制作 22）数字选相）数字选相 选相开关 移相器 载波发生器 二元基带信号 0 π QPSK串/并 变换 π/4π/2 张杰制作张杰制作 解调器解调器————正交相干解调正交相干解调 积分 积分 Q(t) I(t) QPSK × × 载波恢复 π/2 ASinω c t ACosω c t 位定时 恢复 判决 判决 并/串变换 二进制 张杰制作张杰制作 22．．MPSKMPSK综述综述 11）信号表达）信号表达 正交表达，同相正交表达，同相(I(t))(I(t))、、正交正交(Q(t))(Q(t))比比MM进制低一级进制低一级 例如例如8PSK8PSK，，II、、QQ分别为分别为QPSKQPSK tSintQtCostIS ccMPSK sw )()( -= 22））MPSKMPSK的相位逻辑、矢量图、星座图的相位逻辑、矢量图、星座图 矢量图一般取矢量图一般取θθ=0=0或或θθ==ππ/M/M 111 110010 011 001 000 100 101 M=8,θ=π/8,矢量图 Q I 111 110010 011 001 000 100 101 M=8,θ=π/8,星座图 Q I 张杰制作张杰制作 33）理论频谱对比）理论频谱对比 频带利用率：频带利用率： BPSK:2(b/s)/HzBPSK:2(b/s)/Hz，， QPSKQPSK：：4(b/s)/Hz4(b/s)/Hz，， 8PSK8PSK：：6(b/s)/Hz6(b/s)/Hz 张杰制作张杰制作 星座图的理解星座图的理解 I Q 0 1 2 3 0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315° 载波sin；初相＝0 幅度2 载波sin；初相＝180 幅度2 张杰制作张杰制作 星座图的理解星座图的理解 I Q 0 1 2 3 0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315° Sin t 2Sin( t+ ) Cos t 2Cos( t+ ) 张杰制作张杰制作 张杰制作张杰制作 一、联合键控一、联合键控 代表：振幅相位联合键控（代表：振幅相位联合键控（APKAPK）） 其中以其中以QAMQAM（（正交振幅调制）为主。正交振幅调制）为主。 11．．MPSKMPSK和和MASKMASK的问题的问题 MPSKMPSK、、MASKMASK单独使用都不能充分利用信号平面单独使用都不能充分利用信号平面 4ASK：线 Q I 8PSK：环 MPSKMPSK中随着中随着MM的增加，矢量端点的最小距离随之减小的增加，矢量端点的最小距离随之减小 ————造成判决错误概率增加（多个判决门限相近）造成判决错误概率增加（多个判决门限相近） 张杰制作张杰制作 22．．QAMQAM和和APKAPK的星座图的星座图 ————描述矢量端点分布描述矢量端点分布 MQAMMQAM的特点：的特点： 11、、MQAMMQAM的星座图取矩形或十字形的星座图取矩形或十字形 22、、M=4M=4、、1616、、6464、、256...256...取矩形取矩形 33、、M=32M=32、、128... 128... 取十字形取十字形 张杰制作张杰制作 张杰制作张杰制作 MQAMMQAM中，最小距离中，最小距离 1 2 1 2 - = - = ML dMQAM 其中其中LL为水平、垂直轴上投影的电平数，为水平、垂直轴上投影的电平数，MM为进制数为进制数 MPSKMPSK中，最小距离中，最小距离 )sin(2 M dMPSK p = 所以所以M=4,dM=4,dMQAMMQAM==ddMPSKMPSK,, 当当M>4M>4，，ddMQAMMQAM>>ddMPSKMPSK,MQAM,MQAM的抗干扰性能优于的抗干扰性能优于MPSKMPSK 张杰制作张杰制作 二、恒定包络调制二、恒定包络调制 连续相位连续相位FSK(CPFSK)FSK(CPFSK) 其中以其中以MSKMSK（（最小频移键控）最为常用最小频移键控）最为常用 ssc s kc s kMSK kTtTktSinT tSinQtCos T tCosItS ££-+= )1() 2 () 2 ()( ，wpwp