通信系统综合设计

位定 时
并 /串 变 输 出 换 抽样 判决
低通 滤波
b
4PSK信号相干解调原理图
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。
滤除高频分量。
4PSK信号也可以采用正交调制的方式产生，正交调制器
原理图如图所示，它可以看成由两个载波正交的 2PSK调制器
构成。
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
相位选择法产生4PSK信号原理图
a 载波 振荡 输入 串/ 并 变换
±uM/2(t), 式中： ±u1(t)=
…
0,
发送±(M-1)d电平时 ±dcosωct, 0≤t＜Ts 其他
±u2(t)=
±3dcosωct, 0,
0≤t＜Ts 其他
±uM/2(t)= ±(M-1)dcosωct,
0,
0≤t＜Ts
其他
式中, r= 2 为信噪比。当M取不同值时， M进制数字 n 振幅调制系统总的误码率Pe与信噪比r关系曲线如图 7 - 34 所 示。 由此图可以看出，为了得到相同的误码率Pe，所需的信 噪比随M 增加而增大。例如，四电平系统比二电平系统信噪 比需要增加约 5 倍。
g(t-nTs)sinφn］sinωct
bng(t-nTs)］sinωct
n

n

n
=I(t)cosωct-Q(t) sinω
式中:
I(t)= Q(t)= ang(t-nTs) bng(t-nTs) an取±1 bn取±1
此时， 对于四相调制:
an取0，±1 bn取0, ±1 或
M进制数字相位调制信号的功率谱如图所示， 图中给出了 信息速率相同时，2PSK、4PSK和8PSK信号的单边功率谱。可 以看出，M越大，功率谱主瓣越窄， 从而频带利用率越高。
× cos ct － 移相 2 sin ct 输出 ＋
b
×
4PSK正交调制器
图中， 串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的
两个并行的双极性序列a和b，然后分别对cosωct和sinωct进行 调制，相加后即可得到4PSK信号。 由图 7 － 43 可见， 4PSK 信号可以看作两个载波正交 2PSK 信号的合成 。因此，对 4PSK 信号的解调可以采用与
制系统相类似，若用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、
频率或相位，则可相应地产生多进制数字振幅调制、多进制 数字频率调制和多进制数字相位调制。下面分别介绍三种多
进制数字调制系统的原理。
多进制数字振幅调制系统
多进制数字振幅调制又称多电平调制，它是二进制数字
振幅键控方式的推广。M 进制数字振幅调制信号的载波幅度
输出
逻辑 电 路
抽样 判决 器
检波 器
接收 滤波 器
…
检波 器 带通 fM
多进制数字频率调制系统的组成方框图
1
1
0
1
1
0
0
0
0
1
fc＋4 .8 k Hz fc＋1 .6 k Hz fc－1 .6 k Hz fc－4 .8 k Hz
图 7- 36FLEX系统4FSK信号频率关系
MFSK信号采用非相干解调时的误码率为
8 8 8 8
2
2
4
4
4
4
8
8
8
分别表示信息111、 110、 010、 011、 001、 000、 100和101。
在M进制数字相位调制中， 是以载波相位的M种不同取值分别
表示数字信息， 因此M进制数字相位调制信号可以表示为 eMPSK(t)=
g(t-nTs) cos(ωct+φn)
n
(7.4 - 10)
2PSK信号类似的解调方法进行解调，解调原理图如图7 － 44
所示。同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调，得 到I(t)和Q(t)，经抽样判决和并/串变换器，将上、下支路得到
的并行数据恢复成串行数据。
× cos ct sin ct × 载波 恢复
低通 滤波
抽样 判决
a
输入
带通 滤波 器
0 10 0 11
1 10 1 11 参考 相位 1 01
0 01 0 00
8PSK信号矢量图
1 00
2. 4PSK信号的产生与解调
在M进制数字相位调制中，四进制绝对移相键控 (4PSK) 和四进制差分相位键控 (4DPSK) 两种调制方式应用最为广泛。 下面分别讨论这两种调制信号的产生原理。 四进制绝对移相键控利用载波的四种不同相位来表示数 字信息。 由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此每个 四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。两个二进 制码元中的前一比特用 a表示，后一比特用b表示，则双比特 ab与载波相位的关系如表所示。
式中, g(t)——信号包络波形， 通常为矩形波， 幅度为1；Ts—— 码元时间宽度；ωc——载波角频率；
10 00 11 参 考 相 位 01
10
11
参 考 相 位 00 01
四进制数字相位调制信号矢量图
φn——第n个码元对应的相位，共有M种取值。 对于二相调制，φn可 取0和π；对于四相调制，φn可取0、
多进制数字频率调制系统误码率性能曲线如图 7 - 37 所示。 图中，实线为采用相干解调方式，虚线为采用非相干解调方式。 可以看出，在M一定的情况下，信噪比r越大， 误码率Pe越小； 在r一定的情况下，M越大，误码率Pe也越大。 另外，相干解调 和非相干解调的性能差距将随M的增大而减小； 同一M下，随 着信噪比r的增加非相干解调性能将趋于相干解调性能。
1 0 1 参 考 相 位 0
参 考 相 位
二进制数字相位调制信号矢量图
四进制数字相位调制信号矢量图如图 7 - 39 所示， 载波相 3 5 3 7 位有0、 、π和 (或 、 、 和 ） ， 它们分
别代表信息11、 01、 00和10。图7 -40 是8PSK信号矢量图，8 5 7 9 3 15 种载波相位分别为 、 、 、 、 、 11 和 13
3. 4DPSK信号的产生与解调 4DPSK信号是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字 信息。若以前一双比特码元相位作为参考， Δφn 为当前双比特 码元与前一双比特码元初相差，则信息编码与载波相位变化关 系如表 7 － 5 所示。 4DPSK信号产生原理图如图 7 － 45 所示。 图中，串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的两个并 行序列a和b，再通过差分编码器将其编为四进制差分码， 然后 用绝对调相的调制方式实现4DPSK信号。
有 M 种取值，在每个符号时间间隔 Ts 内发送 M 个幅度中的一 种幅度的载波信号。 M 进制数字振幅调制信号可表示为 M 进
制数字基带信号与正弦载波相乘的形式，其时域表达式为
an=
0 1, M-1,
M 1
发送概率为P0 发送概率为P1 发送概率为PM-1
… …
且
p
i 0
i
1
式中，g(t)为基带信号波形，Ts为符号时间间隔，an为幅度 值。an共有M种取值，通常可选择为an∈｛0, 1, …, M-1｝， 若M种取值的出现概率分别为 P0，P1， …，PM-1，则
种不同相位来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位 调制相同， 多进制数字相位调制也有绝对相位调制和差分相 位调制两种。 为了便于说明概念，我们可以将MPSK信号用信号矢量图
来描述。图7 - 38 是二进制数字相位调制信号矢量图，以 0° 载波相位作为参考相位。载波相位只有0和π或 两种取值， 2 它们分别代表信1和0.
在码元传输速率不变的情况下， 通过增加进制数M，可 以增大信息传输速率，从而在相同的带宽中传输更多的信息 量。 在多进制数字调制中，每个符号时间间隔 0≤t≤Ts ，可能 发送的符号有M种，分别为s1(t)：s2(t)， …， sM(t)。在实际应 用中，通常取 M=2N ， N 为大于 1 的正整数。与二进制数字调
功率谱密度 /d B 0 4 PSK 8 PSK －2 0 2 PSK
－4 0
－6 0 1 2Ts 1 Ts 3 2Ts 2 Ts f－fc
进值数字相位调制信号功率谱
双比特ab与载波相位的关系
双比特码元 a 0 1 1 0 b 0 0 1 1 载波下相位(φn ) A方式 0° 90° 80° 70° B方式 225° 315° 45° 135°
s
Pe 1 1 0－ 1 1 0－ 2 1 0－ 3 1 0－ 4 1 0－ 5 1 0－ 6
0
5
10
15
20
25
30
r/d B
M进制数字振幅调制系统的误码率Pe性能曲线
多进制数字频率调制系统
多进制数字频率调制(MFSK)简称多频调制，它是2FSK方 式 的 推 广 。 MFSK 信 号 可 表 示 为 eMFSK(t)=si(t) cosωit 式中: A, 当在时间间隔0≤t＜Ts发送符号为i si(t)= 0, 当在时间间隔0≤t＜Ts发送符号不为i时 ωi 为载波角频率，共有 M 种取值。通常可选载波频率 n ，n为正整数，此时M种发送信号相互正交。 2T
1 1 0－ 1 1 0－ 2 1 0－ 3 1 0－ 4 1 0－ 5 1 0－ 6 1 0－ 7 1 0－ 8 －5
1 02 4 32
2
0 r/d B
5
10
15
20
多进制数字频率调制系统误码率性能曲线
多进制数字相位调制系统
1. 多进制数字相位调制(MPSK)信号的表示形式
多进制数字相位调制又称多相调制，它是利用载波的多
2 B f M f1 TS
可见，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。
f1 1 1 2 输入 串 / 并变 换 M 逻 辑 电 路 f2 2
门电 路
门电 路
相加 器
…源自文库
…
M
fM
门电 路
信 道 检波 器 带通 f1 带通 f2
多进制数字振幅调制信号的解调与 2ASK 信号解调相似， 可以采用相干解调方式，也可以采用非相干解调方式。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，则发送波形可表示为
sT(t)= ±u1(t), ±u2(t), 发送±d电平时 发送±3d电平时 …
[( x a Pe= 0 xe
2

2
2 ) / n ]/ 2
r M 1 I 0 ( )[1 (1 e z / 2 ) M 1 dz ( )e 2 n 2
xa
2
式中, r为平均接收信号的信噪比。
pe 1 2



e

1 2 ( x a / n )2
x 2 1 M 1 r (1 ( ) e u / 2 du ) m 1 dx ( )erfc [ ] 2 2 2
在一个码元时间间隔 Ts ， 4PSK 信号为载波四个相位中的 某一个。因此，可以用相位选择法产生 4PSK信号，其原理图 如图 所示。图中，四相载波产生器输出4PSK信号所需的四种 不同相位的载波。输入二进制数据流经串/并变换器输出双比 特码元，逻辑选相电路根据输入的双比特码元，每个时间间 隔 Ts 选择其中一种相位的载波作为输出，然后经带通滤波器
M 进制数字振幅调制信号的功率谱与 2ASK 信号具有相似的 形式
3A 2A A O
2
3
0
1
t
TB
4进制数字振幅调制信号的时间波形
它是M进制数字基带信号对正弦载波进行双边带调幅， 已调信号带宽是M进制数字基带信号带宽的两倍。M进制数 字振幅调制信号每个符号可以传送log2M比特信息。在信息传 输速率相同时，码元传输速率降低为2ASK信号的1/log 2M 倍，因此 M 进制数字振幅调制信号的带宽是 2ASK 信号的 1/log2M倍。 除了双边带调制外，多进制数字振幅调制还有多电平残 留边带调制、多电平相关编码单边带调制及多电平正交调幅 等方式。在多进制数字振幅调制中，基带信号 g(t) 可以采用 矩形波形，为了限制信号频谱 g(t) 也可以采用其他波形，如 升余弦滚降波形， 部分响应波形等。
3 9 3 5 7 、 和 ； 对于八相调制， φn可取 、 、 、 、 2 8 8 8 2 8 8 11 、13 、 15 。 8 8 8 M进制数字相位调制信号也可以表示为正交形式:
eMPSK(t)= =

n
g(t-nTs)cosφn］cosωctang(t-nTs)］cosωct-
fi=
下图是多进制数字频率调制系统的组成方框图。 发送
端采用键控选频的方式， 在一个码元期间Ts内只有M个频率 中的一个被选通输出。接收端采用非相干解调方式，输入的 MFSK信号通过M个中心频率分别为f1, f2, …, fM的带通滤波器， 分离出发送的M个频率。再通过包络检波器、抽样判决器和 逻辑电路，从而恢复出二进制信息。 多进制数字频率调制 信号的带宽近似为