通信原理多进制数字调制系统

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

多进制数字调制系统
2 i
1 2 2 M 2 3M 1 E h Eg 2 6
认为g(t)具有 单位能量
5.5.1
多进制振幅键控
1 2 2M 2 3M 1 E h 2 6
M＝2 M＝4
E
1 2 h Eg 4
h' 7h
E
7 2 h Eg 4
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
输入 输出
1
In
Qn
+ + 1
2 2
1 1 0 0
电平 输出 变换
+ +
0
0
t t
5.5.3 多进制相移键控

QPSK调制器方框图
电平变 an 换器
In
同相支路
输入二进 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
串/并变 换器
cos 2f ct
相移 900
QPSK信号
bn

t
Ts是符号间隔
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
0
Ei si (t )s j (t )dt 0
i j i j
5.5.2

多进制频移键控
二、信号带宽
B f M f1 2 Ts
r=E/n0为平均接收 信号的信噪比
5.5.2
5.5.3
多进制频移键控（MFSK）
多进制相移键控（MPSK）
5.5.4
5.5.5
多进制差分相移键控（MDPSK）
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
i si (t ) a cos 2 f c t Ts
fc=nc/(2Ts)， nc是 某个固定的整数
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）。
MFSK相干解调性能
5.5.2

多进制频移键控
M 1 2 Pe e 2
r
MFSK非相干解调性能
MFSK与2FSK的比较

功率谱密度
0 1 0 1
2FSK 8FSK
0
0 1 1 0
0 0 1 1
0 1
f0 f1 f0 f1 f0 f0 f1 f1 f0 f0 f0 f1 f1 f0 f1 f2 f4 f6 f1 f5
M=16

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。
5.5 5.5.1
多进制数字调制系统
多进制振幅键控（MASK）
• 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
11 10 01 0 01 00 00 10
11 10 01
11
t
BMASK＝ B2ASK
0
11 10 01 01 00 00 10
11 10 01
11
t
11 10 01 0 01 00 00 10
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 anbn ，QPSK信号的载 波相位为 n 。 sQPSK (t ) cos(2f c t n ) cos n cos 2f c t sin n sin 2f c t I n cos 2f c t Qn sin 2f c t
多进制振幅键控
r=Eav/n0为 信噪比
发送M个电平的可能性相同时，MASK相干解调时误码率为
Pe 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 0 5 10 15 20
M 1 3r Pe ( )erfc 2 M M 1
M=2
M=4 M=8
25 30 r/dB
5.5.4
5.5.5
多进制差分相移键控（MDPSK）
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
电平变 换器
Qn sin 2fct
正交支路
QPSK由两个2PSK信号相加而成。
I (t )cos ct Q(t )sin ct
5.5.3 多进制相移键控
eMPSK (t ) I (t )cos ct Q(t )sin ct
I (t ) an g (t nTs )
n
Q(t ) bn g (t nTs )
n
电平变 换器
I (t )
4
)
5.5相移键控
a(0) a(1) 00
11
b(0)
10
数字信息 参考载波
1
1
0
1
0
0
1
0
1
t
t
QPSK波形
t


4

3 4

5 4

7 4

3 4
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。
11 10 01
11
t
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

s (t )
r (t ) s1 (t )
Tb
0
( )dt
r1
选 择 最 大 者
a
' k
同相支路
输入二进 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
串/并变 换器
cos 2f ct
相移 900
电平变 换器 MPSK信号
Q(t )
sin 2f ct
正交支路
5.5.3

多进制相移键控
3 (01) 4
二、QPSK信号的波形
Y
(11) 4
X
5 4 (00)

三、抗噪声性能

非相干解调
相干解调
r M 1 2 Pe e 2

r M 1 Pe erfc 2 2
5.5.2

多进制频移键控
r M 1 Pe erfc 2 2
MASK与2ASK比较

平均功率相同
11 01 00 10 01
4ASK
1
2ASK
1
0
1
0
0
1
0
0
1
MASK与2ASK比较

载波振幅间隔相同
11 01 00 10 01
4ASK
1
2ASK
1
0
1
0
0
1
0
0
1
5.5.1
多进制振幅键控
11 10 10 01 00 00 t 11 10 01 11 01 0
二进制信息 串/并 变换
an
n
I n cosn Qn sin n
In
同相支路
cos 2f ct
QPSK信号
bn
Qn
sin 2f ct
正交支路
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
an bn
1 0 0 1
输入
n
/4
3 / 4 5 / 4 7 / 4

一、MPSK信号的一般原理
载波相位只 有0和两种 取值
0
以0°载波相 位作为参考 相位
1 参考相位
1
载波相位只 有±/2两 种取值
参考相位
载波相位四 种取值
00
图6-28 二进制数字相位调制信号矢量图
01 01 11
0
11 参考相位
45o 参考相位