第6章数字信号的频带传输2

第6章 数字信号的频带传输
教学目的：
1、掌握多进制数字的特点。

2、掌握MASK 、MFSK 的原理、实现方法及解调方法。

3、掌握MPSK 的原理、实现方法及解调方法。

4、理解PSK 信号的相位矢量图。

教学重难点：MPSK 的原理、实现方法与解调方法及相位矢量图。

课时安排：2节
教学方式：讲授
教学过程：
引言：
在现代数字通信系统中，多进制数字调制方式应用很广泛。

和二进制数字调制相比，多进制数字调制有如下特点：
（1）在相同码速率条件下，多进制调制系统的信息速率高于二进制数字调制系统的
信息速率，即N BN b R R 2log =（b/s ）。

（2）在相同信息速率条件下，多进制数字调制的码元速率低于二进制数字调制系统的信息速率，即)(log 2
Baud R R N b BN =。

（3）在相同的噪声条件下，多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数字调制系统。

6.2.1 多进制振幅键控调制（MASK ）
1、概念（以四进制为例）
传“0”信号时，发0电平；
传“1”信号时，发幅度为1的载波；
传“2”信号时，发幅度为2的载波；
传“3”信号时，发幅度为3的载波。

问题：但实际应用中，我们传输的大多是二进制数字信号，只有两种状态，那么怎样用多进制数字调制表示呢？
分析：仍以四进制为例进行讨论，四进制信号有四种状态，但两位二进制码也有四种状态，我们这里将两位二进制码称为双比特码元，即在4ASK 中，每个双比特码元对应一种幅度的载波。

如
传“00”时，发0电平；
传“10”时，发幅度为1的载波；
传“11”时。

发幅度为2的载波；
传“01”时，发幅度为3的载波。

由此可得到波形如下图所示。

2、M 电平调制信号的时间表达式
)cos()()(0θω+=t t A t s c
3、传输带宽
MASK 信号的带宽是M 电平基带信号带宽的2倍。

∵ MASK 信号可以分解成若干个2ASK 信号相加
∴其带宽与2ASK 信号的带宽相同为2/Ts 。

但需要注意的是，此时的Ts 为M 进制码元的宽度，如在4ASK 中Ts ＝2T,•其带宽为2/Ts ＝2/2T ＝1/T, 其中T 为基带二进制码的码元宽度。

4、解调方法
可以采用非相干解调或相干解调。

5、MASK 的特点
1）传输效率高
2） 在相同的码元速率下，MASK 信号的带宽与2ASK 信号的带宽相同，其信道的频带利用率可超过2bit/HZ 。

3） MASK 的抗噪声性能比2ASK 差。

6.2.2 多进制振幅键控调制（MFSK ）
1、概念（以4FSK 为例）
传“0”信号(或00)时，发送频率为f1的载波；
传“1”信号(或10)时，发送频率为f2的载波；
传“2”信号(或11)时，发送频率为f3的载波；
传“3”信号(或01)时，发送频率为f4的载波。

2、传输带宽
MFSK 的功率谱密度可看成多个2ASK 信号相加。

其带宽为
3、MFSK 的调制与解调
具体方框图见课本91页图6.19所示。

4、MFSK 的特点
1）具有多进制调制的一般特点。

2）为恒包络特性。

3）占据频带较宽，所以信道频带利用率较低。

6.2.3 多进制振幅键控调制（MPSK）
下面以四相为例进行讨论。

四相制与二相制相似，可以分为四相绝对移相调制（记为4PSK或QPSK）和四相相对移相调制（记为4DPSK和QDPSK）
1、4PSK(即QPSK)
1）概念
当传双比特码元00时，发送起始相位为0的载波；
当传双比特码元10时，发送起始相位为π/2的载波；
当传双比特码元11时，发送起始相位为π的载波；
当传双比特码元01时，发送起始相位为3π/2的载波。

按这种定义方式定义的4PSK系统称π/2系统(也称A方式)。

对4PSK信号还有另外一种定义方式：称π/4系统或B方式。

具体定义如下：当传双比特码元00时，发送起始相位为45°的载波；
当传双比特码元10时，发送起始相位为135°的载波；
当传双比特码元11时，发送起始相位为225°的载波；
当传双比特码元01时，发送起始相位为315°的载波。

2）矢量表示
2、4DPSK（或QDPSK）
1）概念
传双比特码元00时,•载波的起始相位与前一双比特码元的载波起始相位相同，即△φ＝0；；
传双比特码元10时,•载波的起始相位与前一双比特码元的载波起始相位相差90°，即△φ＝90°;
传双比特码元11时,•载波的起始相位与前一双比特码元的载波起始相位相差180°，即△φ＝180°；
传双比特码元01时，•载波的起始相位与前一双比特码元的载波起始相位相差270°，即△φ＝270°。

如果是π/4系统，则：
传“00”时，△φ＝45°
传“10”时，△φ＝135°
传“11”时，△φ＝225°
传“01”时，△φ＝315°
2）矢量表示
3、4PSK和4DPSK的带宽
通过分析可以看到，四相调相信号，可以看成是两个相互正交的2PSK信号的合成(一个载波为cosωct，另一个为sinωct。

所以，其幅度频谱可以看成是两个正交的2PSK信号的频谱的合成。

根据以前对2PSK信号的讨论，我们知道，2PSK信号的带宽为基带信号带宽的二倍(2/Ts)，所以4DPSK信号的带宽与2PSK信号的带宽相同,•也是基带信号的二倍(2/T),但这里的T为双比特码元的宽度，且T＝2Ts,•实际上对于相同信息速率的码元,采用4PSK信号传输所需的传输带宽比2PSK信号所需的带宽要窄，且4PSK与4DPSK信号的带宽相同。

4、产生与解调
1）、QPSK信号的产生
（1）调相法
调相法产生QPSK的系统框图如图6.5-7所示。

它是由两路相互正交的2PSK相加构成。

图中串/并变换器将输入的二进制序列变成两路并行的双极性序列，将这两路信号分别进行2PSK调制后再相加，这样就得到的四相移相信号。

◆注意：每一个支路信号的速率是原始基带信号速率的一半！
（2）相位选择法
用相位选择法产生QPSK信号的组成框图如图6.5-8所示。

图中，四相载波发生器分别送出调相所需的四种不同相位的载波。

按照串/并变换器输出的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出响应相位的载波。

2）、QPSK信号的解调
四相调相信号可以看作是两个正交2PSK信号的合成，所以它可以采用与2PSK 信号相似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其组成方框图如图6.5-9所示。

5、8PSK信号的调制与解调
略
小结：通过本次课的学习，掌握了4PSK信号的调制与解调方法，针对4PSK信号的相位编码逻辑关系，推出了一种相位矢量图的方法描述4PSK信号的相位关系，重点介绍了A方式和B方式情况下的相位矢量图。

作业：
1、A方式和B方式的参考相位各自是多少？
2、在相同的码元速率下，对多进制和二进制数字调制系统，哪个的信息速率高？
3、在相同的信息速率下，对多进制和二进制数字调制系统，哪个的码元速率高？
4、若一四进制信号的码元速率为256B，试计算其信息传输速率。