第5讲 相干水声通信技术.

低通 已调信号 输入 带通 滤波器
鉴相器
定时脉冲 0V
抽样 数据输出 判决器
本地载波 定时脉冲 0V
相干解调又称为2PSK同步检测法解调
2PSK解调
1
1
a
100
100
b
c d
e
假设前后相邻码元的载波相位差为 ，为了 解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，可
2ASK： 门限判决（门限与信号有关） 2PSK： 极性判决（固定门限 = 0） 2FSK： 相对判决（无门限）
信道稳定性
2FSK > 2DPSK >2PSK > 2ASK
设备的复杂程度
相干解调的设备比非相干解调时复杂 非相干解调时
2DPSK >2FSK > 2ASK
多普勒的敏感性
相干解调比非相干解调敏感 非相干解调时
解调方式 相干： 同步检测
二进制数字通信系统抗噪声性能
OOK 2FSK 2PSK 2DPSK
非相干
1 er 4 2
1 er 2 2
1 er 2
相干
1 erfc r 22
1 erfc r
2
2
1 erfc r 2
erfc
r
1

1 2
erfc
r
误码率：
对同样的调制方式： 相干解调方式略优于非相干解调方式。
双极性 不归零
载波
模拟调制法
e0(t) stcosct
载波
开关
~
0 π
S e0(t)
π
S(t)
移相
键控法
e0
(t)

ccoosscctt
0
码 '0' 码 '1'
1 0 1 1 0 01
s(t )
s (t) 2PSK
2PSK解调
已调信号 输入 带通 滤波器
相乘器
均衡器的实现：
数学上：解M个联立方程组 物理上：调整M个系数
实际上： 预制式：测试脉冲 调整抽头增益 自适应式：学习码 自动调整
如何求得一组 wi，使D或 2最小。
自适应式：（均方畸变准则）
yn W T X n
en yn dn e 2 Eyn d n2 wn wn 1 enxn
2PSK及2DPSK信号波形
{ { 2PSK
0相→数字信息“0” 2DPSK ΔΦ=0→数字信息“0”
π相→数字信息“1”
ΔΦ=π→数字信息“1”
2DPSK调制
s(t)
双极性 不归零
e0 (t)
码变换
乘法器
cosct
开关 0

e0 (t)
移相
键控法
码变换 s(t)
cosct
模拟调制法
2DPSK解调
定义一种数字信息与 之间的关系为：


0

码 '0' 码 '1'
相对（差分）移相键控（2DPSK）：是 利用前后相邻码元的相对载波相位值去 表示数字信息的一种方式。
数字信息 0 0 1 1 1 0 0 1（绝对码） PSK波形
（参考）
DPSK波形 0 0 0 1 0 1 1 1 0（相对码）
2DPSK >2FSK > 2ASK
性能比较
抗噪声性能 信道利用率 信道 设备 （误码率） （带宽） 敏感性 复杂性
多普勒
2ASK 差
2fs 高 差 简单 不敏感
2FSK 中等 2fs+|f2-f1| 低 最好 复杂 不敏感
2PSK 最好 2fs 高 中等 复杂 敏感
2DPSK 好
2fs 高 中等 最复杂 敏感
相干水声通信技术
二进制移相键控（2PSK）
正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散 变化。
e0(t) [ ang(t nTs)]cosct
n
stcosct
其中, an与2ASK的不同，应选择双极性，即:
1, "0" an 1, "1"
2PSK调制
s(t) × e0 (t)
对同样的解调方式： 2PSk>2DPSK>2FSK>OOK
相同误码率条件下，信噪比要求上: 2PSk比2FSK小3dB 2FSK比OOK小3dB。
三种数字调制系统的Pe-r
Pe
100 10-1 10-2 PSK
非相干FSK 相干OOK
非相干OOK
10-3 同步检测
10-4 DPSK
10-5 差分相干
不同阶数 不同步长
判决反馈均衡器
输入 前向滤波器

判决
输出
反馈滤波器
X(n)
A(n-1)

pn
+
+
d n
判决
~d n
-
e j n
qn
B(n-1)
均衡器/相位补偿参数调整
en d n d n
正交振幅调制（QAM）
正交振幅调制（QAM）是用两个独立的 基带波形对两个相互正交的同频载波进 行抑制载波的双边带调制
-6
DPSK
10 10-7 相干FSK
-6 -3 0 3 6 9 12 15 18
r/dB
带宽
当码元宽度Ts时，系统的第一零点带宽
2ASK=2PSK = 2DPSK=2/Ts， 2FSk=|f2-f1|+2/Ts
频带利用率
2ASK= 2PSK = 2DPSK >2FSK
对信道特性的敏感性：
判决门限
H H T
时域均衡
在时域校正已畸变的波形，使包括均衡器在内的整 个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。

hT t wn t nTs
n
以Ts为周期延时求和；
横向滤波器； 无穷阶。

T
C e jnTs n
n
均衡器。
an
发送
传输
滤波器
信道
接收 滤波器
均衡
an
识别
nt
频域均衡器：用均衡器的频率特性去补偿系统 的总特性，使之满足实际的需要。
发送
an 滤波器 Gr
传输 信道
C
接收 滤波器
GR
nt
均衡器
T
an
识别
H () GT ()C()GR ()
(k 1)ak k (k 1)ak 1 k 1 0
2
2
所k以 相k 1位 (补ak 偿1 常ak)数[ φ(kk为1)：]
2
k 1
当ak ak 1时
k 1 (k 1) 当ak ak 1时
mI(t) 相乘器
相乘器
低通 m`I(t) 滤波器
cos0t 相加器
mQ(t) 相乘器
信道
cos 0t
相乘器
低通 m`Q(t) 滤波器
sin 0t
sin 0t
正交振幅调制系统组成方框图
6.6.1 最小移频键控（MSK）
MSK是FSK信号的一种改进型，是一 种在相邻码元间保持相位连续性，同 时它具有正交信号的最小频差，恒定 包络的调制方式
与FSK相比，MSK信号在一个码元 宽度内两个载频形影变化严格相差 1800
MSK信号表示式：
SMSK(t) cos(ct ak t k) (k 1)Ts t kTs
或者：
2Ts
SMSK(t) cos[ct (t)]
(t) ak t k
2Ts
2 ( f 2 f 1)Ts
4fcTs
MSK是正交调制，其信号波形的相关系数为零
第一项为零条件：2 ( f 2 f 1)Ts k (k 1,2,3,)
令k取最小值1，则：
f
2

f
1

1 2Ts
第二项为零条件： 4fcTs n (n 1,2,3,)
即：Ts n (1) 1
cosct
相干 载波
π/2 移相
sin ct
相乘器
低通 滤波器
定时
串/并 数据输出 变换
定时
抽样 判决器
QPSK信号解调
均衡
理论上 奈奎斯特第一准则 等效理想低通 奈奎斯特第二准则 部分响应系统
信道未知 实际上 时变
设计误差
码间干扰
均衡器
均衡器：
在通信系统的接收端插入一种可调滤波器， 使之能适应信道的变化，将能减小码间干扰 的影响，这种起补偿作用的滤波器称为(信道)
多进制数字相位调制
多相制（MPSK、MDPSK）：
绝对移相、 相对（差分）移相
四相绝对移相键控（QPSK）
用4个不同的相位信息表示四种状态或 一个双比特码
四相相对移相键控（QDPSK）
利用前后相邻码元之间的相对相位变化 来表示4个信息状态
QPSK信号的产生
e0 t An gt nTs cosct k
当 ak

1, 1,
f f
2 1

1
2
1
(c (c
)
2Ts
)

2
2Ts
频率间隔
f f 2 f 1 1 2Ts
调制指数
h fTs 1 Ts 1 0.5
2Ts
2
两信号波形相关系数
sin 2 ( f 2 f 1)Ts sin 4fcTs
4 fc
说明：MSK信号在每一个码元周期内，必须包
含四分之一载波的整数倍 fc n 1 (N m) 1
4Ts
4 Ts
(N为正整数；m 0,1,2,3)
因为信号相位为：
(t) ak t k
2Ts
根据码元转化时刻信号相位连续，有
k[(k 1)Ts] k 1[(k 1)Ts]
2DPSK 信号 带通 滤波器
相乘器 本地载波
低通 滤波器
抽样 判决器
定时脉冲 0V
码(反) 数据 变换器 输出
2DPSK 信号 带通 滤波器
相乘器
延迟 Ts
低通 滤波器
抽样 数据 判决器 输出
定时脉冲 0V
二进制数字系统抗噪声性能
调制方式：OOK、2FSK、2PSK、 2DPSK
非相干：包络检波法、差分检测
n
e0 t cosk cosct sink sinct
cosct sinct
QPSK信号的产生
输入 串/并 变换
a 载波 振荡
b
平衡 调制器
cos ct
-π/2 移相
输出
相加
sin ct 平衡
调制器
调相法
QPSK信号相干解调
接收信号
相乘器
低通 滤波器
抽样 判决器