26-1 多进制振幅键控
毕业论文-多进制数字信号调制系统
本科毕业设计（论文）题目多进制数字信号调制系统设计学生姓名XX 学号0907050208教学院系电气信息学院专业年级通信工程2009级指导教师汪敏职称讲师单位西南石油大学辅导教师职称单位完成日期2013 年 6 月9 日Southwest Petroleum UniversityGraduation ThesisSystem Design of M-ary Digital Signal ModulationGrade: 2009Name:Liu ShaSpeciality: Telecommunications EngineeringInstructor: Wang MinSchool of Electrical Engineering and Information摘要由于数字通信系统的实际信道大多数具有带通特性，所以必须用数字基带信号对载波进行数字调制。
也因此，数字调制方法成为了当今的热点研究对象，其中最常用的一种是键控法。
在带通二进制键控系统中,每个码元只能传输1比特的信息，其频带利用率不高,而频率资源又是极其宝贵的，为了能提高频带利用率,最有效的办法是使一个码元能够传输多个比特的信息，这就是本文主要研究的多进制数字调制系统，包括多进制数字振幅调制(MASK)、多进制数字频率调制(MFSK)和多进制数字相位调制(MPSK)。
多进制键控系统可以看作是二进制键控系统的推广，可以大大提高频带利用率，而且因其抗干扰性能强、误码性能好，能更好的满足未来通信的高要求，所以研究多进制数字调制系统是很有必要的。
本文通过对多进制数字调制系统的研究，采用基于EP2C35F672C8芯片，运用VHDL硬件描述语言，完成了多功能调制器的模块化设计。
首先实现多进制数字振幅调制(MASK)、多进制数字频率调制(MFSK)和多进制数字相位调制(MPSK) 的设计，将时钟信号通过m序列发生器后产生随机的二进制序列，再通过串/并转换器转换成并行的多进制基带信号；其次分别实现数字调制模块2-M电平变换器、分频器以及四相载波发生器的设计；最后在顶层文件中调用并结合四选一多路选择器，从而完成多功能调制器的设计。
多进制数字振幅调制(MASK)系统
--计数器 --计数器 --并行数据寄存器 --8位DAC数据寄存器
process(clk) --此进程完成基带信号的串并转换， --完成4位并行数据到8位DAC数据的译码 begin if clk'event and clk='1' then if start='0' then q<=0; elsif q=0 then q<=1;xx(3)<=x; if xx(3)='1' then yy<=xx&"1111"; --if语句完成4位并行数据到8位DAC数据转换 elsif xx(2)='1' then yy<=xx&"1011"; elsif xx(1)='1' then yy<=xx&"0111"; elsif xx(0)='1' then yy<=xx&"0011"; else yy<=xx&"0000"; end if; elsif q=2 then q<=3;xx(2)<=x; elsif q=4 then q<=5;xx(1)<=x; elsif q=6 then q<=7;xx(0)<=x; else q<=q+1; end if; end if; end process;
MASK调制程序仿真图及注释
（MASK调制VHDL程序仿真仿真全图）
（MASK调制VHDL程序仿真局部放大图）
MASK调制电路VHDL程序与仿真
MASK调制方框图
通信原理多进制数字调制系统
电平变 换器
电平变 换器
Q(t) bn g(t nTs )
n
I (t)
同相支路
cos 2fct
相移 900
Q(t) sin 2fct
正交支路
MPSK信号
5.5.3 多进制相移键控
二、QPSK信号的波形
3 (01) Y
种可能取值的多电平基 带信号对载波幅度进行
t
键控而得到的信号。
•特点：在相同信道传 t 输速率下M电平调制与
二电平调制具有相同的 信号带宽。
t
5.5.1 多进制振幅键控
二、MASK的数学表达式
eMASK t an gt nTs cosct
n
基带 信号 波形
码元 间隔
A1,
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0≤t≤TS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（k>1为整数）。
-+-
输入 电平 输出
输入 1
0
1
0
t
变换
输出
t
5.5.3 多进制相移键控
QPSK调制器方框图
串/并变 输入二进 换器
制序列 接收到两位信息 后，同时送到两 个支路，每个支 路各送一位
电平变
an 换器
多进制数字振幅调制MASK
0 t Ts else 0 t Ts else
( M 1)d cosc t uM / 2 (t ) 0
• 假设sT(t)未产生任何畸变，则带通滤波器输出的波形可表示成：
u1 (t ) n (t ) 发送±d电平时 u (t ) n (t ) 发送±3d电平时 y (t ) 2 uM / 2 (t ) n (t ) 发送±(M-1)d电平时
• MASK信号的误码率为
Pe
M 2 2 1 P( nc d ) P( nc d ) M M 2
S N 1 M 1 1 3 S Pe exp 2 M M 1 N
M 1 3 S Pe erfc M 2 1 N M
• 假设采用同步检测法，则在抽样判决器输入端得到的波形可表 示成：
x(t ) Vk (t ) nc (t )
• 由于达到抽样判决器之前的可能电平为±d, ±3d, … , ±(M-1)d, 故抽样判决器的门限电平就选择在0, ±2d, … , ±(M-2)d。 • 所以，当 nc d 时，就会判错。
u1 (t ),发送 d电平时 u2 (t ),发送 3d电平时 ST ( t ) u (t ),发送 M 1 d电平时 （ ） M /2
…
d cosct u1 (t ) 0
…
0 t Ts else
3d cosc t u2 (t ) 0
0 Pbn 0 P 1 1 Pbn 1 P2 M bn , n 1 Pn 1 2 Pbn 2 P3 M 1 Pbn M 1 PM
• 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，该基带信号经线性调制后， 其发送波形可表示为：
浅述软件无线电中的调制解调理论
1.引言软件无线电(So ftware Radio )是Joe M ito la 于1992年在美国电信系统会议上首次明确提出的概念.其基本思想是:构造一个通用的、具有开放性、标准化,模块化的可编程硬件平台,通过加载相应的软件模块来实现对应的电台功能.多模式调制解调理论是实现软件无线电台多模式工作的关键理论。
2.信号空间映射调制是把信源信息变成适合信道传输的模拟波形的过程.信源信息称为调制信号,调制后的波形称为已调信号。
已调信号经过信道到达接收端,解调即为从接收信号中恢复出传送的信息。
这个过程可以放入信号空间去描述。
2.1信号空间信号可以看作是信号空间中的点,它可以表示为空间的一组正交基的线性组合。
调制解调可被看作是信号从一个信号空间到另一个信号空间的变换过程,根据正交展开和映射原理,软件无线电多模式调制解调通用结构得以实现。
2.2已调信号空间的正交分解与矢量表示经过载波调制的已调信号是一种带通型信号,它可表示为S(t)=a(t)cos(ωc t+θ(t))=I(t)cos ωc t-Q(t)sincos ωc t 其中,I(t)=a(t)co s(θ(t)),Q(t)=a(t)sin(θ(t))分别称为信号S(t)的同相分量和正交分量。
利用I (t)和Q (t),可得到信号的瞬时幅度a (t)=I 2(t)+Q2(t)!,瞬时相位θ(t)=tan -1[Q(t)/I(t)]。
信号的瞬时频率θ’(t)。
信号中的所有信息都可由I(t)和Q(t)运算得到。
选择co s ωc t 和sin ωc t 作为正交基,可以张成二维信号空间,已调信号可表示为s(t)=I(t)cos ωc -Q(t)sin co s ωct,那么已调信号s(t)就对应二维矢量s=(I(t),Q(t))。
3.信号调制传统的信号调制的定义是基于调制信号来改变载波的幅度、频率、相位等参数,若从信号空间映射的角度来定义信号的调制解调,则容易构建出软件无线电多模式调制解调的统一结构.用m(t)表示信源调制信号,信号调制可分解为两个过程:由信源信号获得信号的同相分量I(t)与正交分量Q(t),此过程称为基带调制。
多进制相移键控
未知驱动探索，专注成就专业
多进制相移键控
多进制相移键控（MSK）是一种数字调制技术，它在每个符号间隔中将相位偏移为1个4分之π。
在多进制相移键控中，通过改变相位来表示数据。
常见的多进制相移键控包括二进制相移键控（BPSK）、四进制相移键控（QPSK）和八进制相移键控（8PSK）等。
多进制相移键控是一种高效的调制技术，可以在有限的频谱带宽内传输更多的信息。
它具有较高的抗噪声性能和较低的误比特率。
同时，多进制相移键控还可以很好地适应移动通信等复杂信道环境。
多进制相移键控在许多通信系统中广泛应用，如蜂窝移动通信系统、卫星通信系统和无线局域网等。
它是现代数字通信领域中一种重要的调制技术。
1。
通常采用多进制数字调制系统
b ×
相位选择法产生4PSK
输入 串 /并 变换 逻辑 选相 电路 4 5°1 35 °2 25 °3 15 ° 四相 载波产 生器 带通 滤波 器 输出
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。
数字信号频带传输
多进制调制
多进制数字调制系统
二进制数字调制系统是数字通信系统最基本的方式， 具有较好的抗 干扰能力。由于二进制数字调制系统频带利用率较低，使其在实际应用 中受到一些限制。在信道频带受限时 为了提高频带利用率，通常采用多 进制数字调制系统。其代价是增加信号功率和实现上的复杂性。 由信息传输速率Rb、码元传输速率RB和进制数M之间的关系 可知，在信息传输速率不变的情况下， 通过增加进制数M，可以降低码 元传输速率，从而减小信号带宽，节约频带资源，提高系统频带利用率。 由关系式
2 PSK
－4 0
－6 0 1 2Ts 1 Ts 3 2Ts 2 Ts f－fc
图6－４1 4进值数字相位调制信号功率谱
a
4PSK 信 号 可 以 采用正交调制 的方式产生， 正交调制器可
输入 串/ 并 变换 载波 振荡
× cos ct － 移相 2 sin ct 输出 ＋
以看成由两个
信 道
…
M
检波 器
带通 f1 带通 f2
输出
逻辑 电 路
抽样 判决 器
检波 器
接收 滤波 器
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
ASK、PSK、FSK
s(t) (b)
二进制振幅键控信号时间波型
开 关 电路
乘 法 器 e2ASK (t) s(t)
cos ct
e2ASK (t)
cos ct
(a) 模拟相乘
s(t)
(b) 数字键控
二进制振幅键控信号调制器原理框图
2、二进制移频键控（2FSK）
在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进 制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进 制移频键控信号(2FSK信号)。图6 - 6中波形g可分解 为波形e和波形f，即二进制移频键控信号可以看成是 两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。
ak
1 011001
a
s(t)
t
b
s(t)
t
c
t
d
t
e
t
f
t
g 2FSK信 号
t
二进制移频键控信号的时间波形
二进制移频键控信号的产生，可以采用模拟调 频电路来实现，也可以采用数字键控的方法来实现。
பைடு நூலகம்
振 荡 器1 f1
选 通 开关
基带信 号
反相器
相 加 器 e2FSK (t)
振 荡 器2 f2
选 通 开关
1、 二进制振幅键控（2ASK）
振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而 变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则 为二进制振幅键控。
2ASK信号的时间波形随二进制基带信号s(t)通断变化， 所以又称为通断键控信号（OOK信号）。
1
0
1
1
0
0
1
s(t)
Tb
t
载 波 信号 t
2A SK信 号 t
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波形实例 ¾ 基带信号是多进制单极性不归零脉冲
01
0
10
11 01 00
10 00
11
10 t
(a) 基带多电平单极性不归零信号
01 0 10 11 01 10 00 11 10
t
(b) MASK信号
9
多进制振幅键控
¾ 基带信号是多进制双极性不归零脉冲
0 01 10 11 01 00 10 00 11 10 t
-fs
2
0
fs
2fs
2
f
ΦB ( f ) =
(M
− 1) T s 12
⎛ M −1⎞ ⋅ Sa2 (π fT s ) + ⎜ ⎟ δ(f) ⎝ 2 ⎠
BMASK = 2 f s = 2 / Ts
fc-fs fc fc+fs f
14
7
第一节 多进制振幅键控
5
多进制振幅键控
一、时域表达式 二、调制解调方法 三、功率谱密度
6
3
《通信原理》 国防科技大学电子科学与工程学院 马东堂 _____________________________
多进制振幅键控
一、时域表达式
sMASK ( t ) = ∑ an g ( t − nTs ) cos ω c t
0 1
¾ 格雷（Gray）码：使相邻的两个
幅值只相差一个比特
¾ 在平均能量相等的情况下，进制数
00 01
(a)
11
10
越大，则相邻幅值的间距越小。间 距越小，就意味着在传输过程中受 到相同大小的噪声干扰时更容易出 现差错
(b)
000 001 011 010 110 110 101
100
(c)
8
4
《通信原理》 国防科技大学电子科学与工程学院 马东堂 _____________________________
多进制振幅键控
解调方法 ¾ 包络检波法：对于单极性基带信号序列 ¾ 相干解调，原理与2ASK相同 ¾ 确定判决门限：接收信号电平存在起伏时，判决
门限需要相应改变
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多进制振幅键控
三、功率谱密度
多进制数字基带信号的功
фB( f )
率谱密度（单极性）
MASK信号的功率谱密度
ΦMASK(f)
-2fs
信号的带宽相同
9 单位频带的信息传输速率高，即频带利用率高
11
多进制振幅键控
二、调制解调方法
调制方法 ¾ 基本与2ASK相同，需要将基带信号由二进制信息
序列变为多电平信号
¾ 将二进制信息序列分为k个一组，变换成M电平的
基带信号，送入调制器
12
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¾ 信号平均功率
Rb = Rs
Rb = Rs log 2 M
S=
Es ER = E s Rs = s b log 2 M Ts
E s 是M进制码元的平均能量
3
概述
由于每个M进制的码元符号可由 k = log 2 M 个比特组成
S= E s ⋅ Rb E ⋅ lo g 2 M ⋅ Rb = b = E b ⋅ Rb log 2 M log 2 M
n
⎧ A1 , ⎪ ⎪ A, an = ⎨ 2 ⎪ ⎪ ⎩ AM ,
发送概率为P1 发送概率为P2 # 发送概率为PM
∑P =1
i =1 i
M
Ai = ( 2i - 1 - M ) d ,
i = 1, " , M
E = d2 M2 −1 Eg 6
¾ MASK信号的平均能量
7
多进制振幅键控
E = d2 M2 −1 Eg 6
Eb/n0为单位比特能量与噪声功率谱密度之比
9 不同调制方式具有可比性 9 实际系统中测量到的是信号噪声功率比S/N
2
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概述
9 假设发送码元速率
Rs = 1 / Ts
对于二进制 对于M进制
(c) 基带多电平双极性不归零信号
01 0 10 11 01 00 10 00 11 10 t
(d) 抑制载波MASK信号
9二进制抑制载波双边带信号就是2PSK信号
10
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多进制振幅键控
¾ MASK信号的特点 9 码元速率相同的情来自下，MASK信号的带宽和2ASK
¾ 若接收机的带宽为B，则接收到的噪声功率
N = n0 B ¾ 信噪比与Eb/n0的关系：
S ⎛ E b ⎞ ⎛ Rb ⎞ =⎜ ⎟ ⎟ N ⎝ n0 ⎠ ⎜ ⎝ B ⎠
4
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第二十六讲 多进制数字调制
《通信原理》 国防科技大学电子科学与工程学院 马东堂 _____________________________
第二十六讲 多进制数字调制
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概述
定义 ¾ 在码元间隔0≤t≤TS内，可能发送的码元有M种：
si (t)，i =1，2，…，M，通常M为2的整数次幂。 则称为M进制数字调制
信噪比、Eb/n0和带宽 ¾