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1、5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第1页/共78页5.5多进制数字调制系统研究对象：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第2页/共78页5.5多进制数字调制系统定义：在码元间隔0tTS内，可能发送的码元有M种：si(t)，i=1，2，M。
2、实际应用中，通常取M=2k（k1为整数）。每个码元可以携带log2M比特信息，因此在信道频带受限时可以增加信息的传输速率（即比特率），提高频带的利用率。（有例外）第3页/共78页5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第4页/共78页5.5.1多进制振幅键控定义：M进制幅度键控（MASK）是使用M种可能取值的多电平基带信号对载波幅度进行键控而得到的信号。特点：在相同信道传输速率下M电平调制与二电平调制具有相同的信号带宽。
3、一、MASK的波形第5页/共78页5.5.1多进制振幅键控基带信号波形 码元间隔 二、MASK的数学表达式第6页/共78页5.5.1多进制振幅键控三、MASK的能量与抗噪声性能间的关系在一个码元间隔内 t(0,Tb，只能发射某一特定幅度的信号 Ai表示与M=2k个可能的k个比特码元对应的M个可能的离散幅值 如果相邻幅值之间的差值为h 单个码元内信号的能量 MASK信号的平均能量 认为g(t)具有单位能量 第7页/共78页5.5.1多进制振幅键控u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
4、，误码率也越大M2 M4 第8页/共78页MASK与2ASK比较平均功率相同11 01 00 10 011 1 0 1 0 0 1 0 0 14ASK2ASK第9页/共78页MASK与2ASK比较载波振幅间隔相同11 01 00 10 011 1 0 1 0 0 1 0 0 14ASK2ASK第10页/共78页5.5.1多进制振幅键控四、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BMASK B2ASK第11页/共78页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，T
5、b)内收到的波形r(t)将包含M个信号si(t)（i=1，2，M）中的一个码元信噪比码元信噪比比特信噪比比特信噪比第12页/共78页5.5.1多进制振幅键控发送M个电平的可能性相同时，MASK相干解调时误码率为r=Eav/n0为信噪比 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。M=16M=2M=4M=8第13页/共78页5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.
6、3多进制相移键控（MPSK）5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第14页/共78页5.5.2多进制频移键控一、信号数学表达式假设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)HzTs是符号间隔fc=nc/(2Ts)，nc是某个固定的整数 第15页/共78页5.5.2多进制频移键控r=E/n0为平均接收信号的信噪比 二、信号带宽三、抗噪声性能非相干解调相干解调第16页/共78页5.5.2多进制频移键控MFSK相干解调性能第17页/共78页5.5.2多进制频移键控MFSK非相干解调性能第18页/共78页M
7、FSK与2FSK的比较功率谱密度fbfS2FSK8FSKf0f1f0f1f0f0f1f1f0f0f0f1f1f0f1f2f4f6f1f50 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 12FSK8FSK第19页/共78页5.5.2多进制频移键控问题1：MASK和MFSK调制是如何利用信号波形携带信息？问题2：MASK与2ASK在通信系统质量指标方面有什么差别？第20页/共78页5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（AP
8、K）第21页/共78页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信号的抗噪声性能第22页/共78页5.5.3多进制相移键控图6-28 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和两种取值 载波相位只有/2两种取值 载波相位四种取值 图6-29 四进制数字相位调制信号矢量图 一、MPSK信号的一般原理第23页/共78页5.5.3多进制相移键控图6-30 八进制数字相位调制信号矢量图以载波相位的M种不同取值分别表示数字信息 信号包络波形，通常为矩形波，幅度为1
9、码元间隔第n个码元对应的相位，共有M种取值 M进制数字相位调制信号的正交形式 第24页/共78页5.5.3多进制相移键控 MPSK信号信号串串/并变并变换器换器电平变电平变换器换器电平变电平变换器换器 相移相移 900输入二进输入二进制序列制序列同相支路同相支路正交支路正交支路接收到两位信息接收到两位信息后，后，同时同时送到两送到两个支路，每个支个支路，每个支路各送一位路各送一位第25页/共78页当数字基带信号为当数字基带信号为11时，载波为：时，载波为：当数字基带信号为当数字基带信号为01时，载波为：时，载波为：当数字基带信号为当数字基带信号为00时，载波为：时，载波为：当数字基带信号为当数
10、字基带信号为10时，载波为：时，载波为：(11)(01)(00)(10)相位配置相位配置XY5.5.3多进制相移键控二、QPSK信号的波形第26页/共78页1111000tt10t参考载波参考载波数字信息数字信息QPSK波形波形QPSK波形特点：波形特点：（1）相邻码元载波相位不连续）相邻码元载波相位不连续（2）相邻码元载波相位最大跳变）相邻码元载波相位最大跳变180度，出现在度，出现在01与与10，00与与11 的变化时。的变化时。5.5.3多进制相移键控第27页/共78页5.5.3多进制相移键控三、QPSK信号的产生串串/并并变换变换二进制信息二进制信息QPSK信号信号同相支路同相支路正交
11、支路正交支路设第设第n个码元内的数字信息为个码元内的数字信息为 ，QPSK信号的载信号的载波相位为波相位为 。第28页/共78页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输入信息与同相分量及正交分量之间的关系 1 10 10 01 0+-+-+-电平电平变换变换输入输入输出输出t1100输入输入t输出输出第29页/共78页5.5.3多进制相移键控QPSK调制器方框图 QPSK信号信号串串/并变并变换器换器电平变电平变换器换器电平变电平变换器换器 相移相移 900输入二进输入二进制序列制序列同相支路同相支路正交支路正交支路接收到两位信息接收到两位信息后，后，同时同时送到两送到
12、两个支路，每个支个支路，每个支路各送一位路各送一位QPSK由两个由两个2PSK信号相加而成。信号相加而成。第30页/共78页QPSK信号频带利用率为信号频带利用率为2PSK信号频带利用率为信号频带利用率为四、QPSK信号的功率谱及带宽QPSK信号由两路2PSK信号相加而成。当两路2PSK信号独立时，QPSK信号的功率谱等于两个2PSK信号的功率谱相加。5.5.3多进制相移键控第31页/共78页900相移相移抽样判决抽样判决抽样判决抽样判决并并/串串变换变换接收接收QPSK恢复的二恢复的二进制序列进制序列同相支路同相支路正交支路正交支路QPSK信号的解调方框图信号的解调方框图位定时位定时5.5.
13、3多进制相移键控五、QPSK信号的解调第32页/共78页同相支路：同相支路：正交支路：正交支路：解调器各点的数学表达式设接收信号为：5.5.3多进制相移键控第33页/共78页 同相、正交支路的判决规则为：同相、正交支路的判决规则为：取样值大于取样值大于0，判，判1 取样值小于取样值小于0，判，判01 10 10 01 0+-5.5.3多进制相移键控第34页/共78页5.5.3多进制相移键控六、抗噪声性能1、QPSK2、MPSK：对于任意M进制PSK信号，当信噪比r足够大时 QPSK的误比特性能与的误比特性能与2PSK相同。相同。第35页/共78页5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控
14、（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第36页/共78页型取值型取值型取值型取值DQPSK(4DPSK)DQPSK(DQPSK)Differential Quadrature Phase-Shift Keying5.5.4多进制差分相移键控(11)(11)(01)(00)(10)(01)(00)(10)第37页/共78页（00）（11）（01）（10）DQPSK 信号波形图信号波形图参考载波参考载波二进制信息二进制信息101t01010sDQPSK(t)t特点：特点
15、：2、已调波有、已调波有4种相位种相位3、相位跳变的绝对值最大为、相位跳变的绝对值最大为180度度1、信息携带在相邻载波的相位差上、信息携带在相邻载波的相位差上5.5.4多进制差分相移键控一、DQPSK信号的波形第38页/共78页5.5.4多进制差分相移键控二、DQPSK信号的产生设第n个码元内的数字信息为 ，DQPSK信号的载波相位为 。串串/并并变换变换二进制信息二进制信息DQPSK信号信号同相支路同相支路正交支路正交支路信号变换（映射）信号变换（映射）第39页/共78页5.5.4多进制差分相移键控调制后载波的相位有几种？初始初始相位相位n n结论：对于，无论初始相位是哪个体系，结论：对于
16、，无论初始相位是哪个体系，最终载波相位只有四种可能性。最终载波相位只有四种可能性。第40页/共78页5.5.4多进制差分相移键控调制后载波的相位有几种？n n结论：对于，无论初始相位是哪个体系，结论：对于，无论初始相位是哪个体系，最终载波相位却有八种可能性，在两种体系间跳变。最终载波相位却有八种可能性，在两种体系间跳变。初始初始相位相位第41页/共78页5.5.4多进制差分相移键控前一双比特码元的载波相位有四种可能，现设它为180（对应cndn=00）此时的载波相位应为180+90=270cndn应为10 码换器应将输入数据01（ab）变成10（cd）表表表表 6-7 Q6-7 QDPSKDP
17、SK信号信号信号信号载波相位编码逻辑关系载波相位编码逻辑关系载波相位编码逻辑关系载波相位编码逻辑关系双比特码元双比特码元双比特码元双比特码元载波相位载波相位载波相位载波相位 n nc cd d1 11 1000 01 190900 00 01801801 10 0270270anbn为01 方法：码变换QPSK调制（/2体系）01111000相位配置关系图 n n /2 DQPSK/2 DQPSK原理框图与具体实现原理框图与具体实现第42页/共78页5.5.4多进制差分相移键控码变换关系表（cndn产生）000001011111101000001111101001011010000011111
18、010cn-1dn-1anbn01111000QDPSKQDPSK信号信号信号信号载波相位编码逻辑关系载波相位编码逻辑关系载波相位编码逻辑关系载波相位编码逻辑关系双比特码元双比特码元双比特码元双比特码元载波相位载波相位载波相位载波相位 n nc cd d1 11 1000 01 190900 00 01801801 10 0270270相位配置关系图 000001010101111100000101111110100101111110100000 n-1180900270180900270n n第43页/共78页5.5.4多进制差分相移键控对应关系对应关系an组合逻辑TbTbbncn-1dnd
19、n-1cn第44页/共78页DQPSK信号频带利用率为信号频带利用率为2DPSK信号频带利用率为信号频带利用率为5.5.45.5.4多进制差分相移键控多进制差分相移键控三、DQPSK信号的功率谱及带宽特别：特别：/4 DQPSK与与/2 DQPSK相比，在带限非线性信道上带外辐射较小。相比，在带限非线性信道上带外辐射较小。第45页/共78页同相支路同相支路正交支路正交支路并并/串串变换变换DQPSK信号信号输出信息输出信息取样取样取样取样位定时位定时5.5.4多进制差分相移键控四、DQPSK信号的解调1、相干解调第46页/共78页积分器输出与载波相位的关系 +-结论结论:由同相支路及正交支路低
20、通滤波器的输出由同相支路及正交支路低通滤波器的输出 和和 的取样值极性可的取样值极性可确定确定 ，这是一个，这是一个QPSK信号的解调。信号的解调。5.5.45.5.4多进制差分相移键控多进制差分相移键控第47页/共78页5.5.4多进制差分相移键控图6-35 4DPSK信号相干解调加码反变换器原理图信号码元信号码元信号码元信号码元相位相位相位相位上支路上支路上支路上支路输出输出输出输出下支路下支路下支路下支路输出输出输出输出判决器判决器判决器判决器输出输出输出输出c cd d009090180180270270+-+-1 10 00 01 11 11 10 00 0表6-9判决规则第48页/
21、共78页DQPSK错误概率近似为错误概率近似为QPSK的两倍。的两倍。解调器中由解调器中由 及及 计算计算 的过程则是差分译码的过程。的过程则是差分译码的过程。如：出现反相工作时，确定的如：出现反相工作时，确定的 ，此时前一码元内确定，此时前一码元内确定的的 。计算。计算 （2）一个）一个 的错误，会引起的错误，会引起 及及 的错误。的错误。5.5.4多进制差分相移键控差分译码的特点：（1）消除了由载波相位模糊引起的反向工作问题。第49页/共78页 5.5.4多进制差分相移键控判决器是按极性来判决的。正取样值判为1，负取样值判为0。四、DQPSK信号的解调2、差分相干解调TsTs第50页/共7
22、8页5.5.4多进制差分相移键控表6-10差分正交解调的判决准则判决器输判决器输出出A AB B1 11 1/2/20 01 1 0 00 03 3/2/21 10 0同相、正交支路的判决规则为：同相、正交支路的判决规则为：取样值大于取样值大于0，判，判1 取样值小于取样值小于0，判，判0抗噪声性比抗噪声性比QPSK差约差约2.3dB。第51页/共78页5.5.4多进制差分相移键控在M值很大时，差分移相和相干移相相比约损失3dB的功率。在四相时，大约损失2.3dB的功率 五、DQPSK信号的抗噪声性能对于M相绝对移相方式，当信噪比r足够大时，误码率可近似为对于M相相对移相方式，当信噪比r足够大
23、时，误码率可近似为第52页/共78页5.5.4多进制差分相移键控六、/4 DQPSK调制(11)(01)(00)(10)的四种取值的四种取值/4/4 DQPSK 信号波形图信号波形图参考载波参考载波二进制信息二进制信息101t01010ts/4D/4DQPSK(t)特点：特点：2、已调波有、已调波有8种相位种相位3、相位跳变的绝对值最大为、相位跳变的绝对值最大为135度度1、信息携带在相邻载波的、信息携带在相邻载波的 位差上位差上第53页/共78页多进制差分相移键控/4 Differential Quadrature Phase-Shift Keying （/4 DQPSK）(11)(01)(
24、00)(10)的四种取值特点：特点：2、已调波有、已调波有8种相位种相位3、相位跳变的绝对值最大为、相位跳变的绝对值最大为135度度1、信息携带在相邻载波的、信息携带在相邻载波的 位差上位差上第54页/共78页5.5.4多进制差分相移键控/4 DQPSK/4 DQPSK信号的星座图信号的星座图/2 DQPSK/2 DQPSK信号的星座图信号的星座图第55页/共78页5.5.4多进制差分相移键控串串/并并变换变换二进制信息二进制信息/4/4 DQPSK 信号信号同相支路同相支路正交支路正交支路 设第设第n个码元内的数字信息为个码元内的数字信息为 ，/4/4 DQPSK信号的载信号的载波相位为波相
25、位为 。第56页/共78页/4 DQPSK信号的产生迭代法迭代法串/并变换二进制信息/4 DQPSK 信号同相支路正交支路第57页/共78页/4 DQPSK信号的解调1、中频差分解调、中频差分解调(与与DQPSK的差分解调相同的差分解调相同)2、基带差分解调基带差分解调 是是/4 DQPSK常采用的解调方法。常采用的解调方法。相移相移 900取样取样判决判决取样取样判决判决并并/串串变换变换正交支路正交支路位定时位定时延迟延迟接收信号接收信号恢复的二恢复的二进制信号进制信号同相支路同相支路第58页/共78页/4 DQPSK信号的基带差分解调接收信号接收信号低通滤低通滤波器波器取取样样判判决决低
26、通滤低通滤波器波器取取样样判判决决串串/并并信号信号输出输出第59页/共78页/4 DQPSK信号的基带差分解调第60页/共78页/4 DQPSK信号的基带差分解调 1 10 10 01 0+-判决规则判决规则：、大于大于0，判，判1 、小于小于0，判，判0用于判决的样值与信息的关系用于判决的样值与信息的关系误比特率：误比特率：第61页/共78页5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4 多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第62页/共78页5.5.5振幅相位
27、联合键控系统（APK）在系统带宽一定的情况下，多进制调制（幅移或相移键控）的信息传输速率比二进制高，也就是说，多进制调制系统的频带利用率高，提高了有效性 多进制调制系统频带利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的，降低了可靠性。解决方法：振幅相位联合键控（APK）第63页/共78页5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）振幅相位联合键控信号的一般表示式为 基带信号幅度 宽度为Ts的单个基带信号波形 APK信号可看作两个正交调制信号之和 基本原理第64页/共78页同时向上、下同时向上、下两支路输出，两支路输出，与与QPSK、DQPSK等相同等相同时，时，4QAM就是就是QPSK5.5.5振幅相位
28、联合键控系统一、QAM调制器第65页/共78页-1-3+1+3101100015.5.5振幅相位联合键控系统16QAM调制器第66页/共78页5.5.5振幅相位联合键控系统n n支路波形支路波形11 01 01 00 00 10 10 01 01 11同相支路同相支路-1-3+1+310110001同相支路同相支路第67页/共78页-1-3+1+310110001设信息设信息 ，5.5.5振幅相位联合键控系统二、QAM波形的特点-1-3+1+310110001第68页/共78页5.5.5振幅相位联合键控系统-1-3+1+310110001设信息设信息 ，-1-3+1+310110001第69页
29、/共78页000000100011000110001010101110011100111011111101010001010110011116QAM波形的特点：波形的特点：1、有三种幅度、有三种幅度、12种相种相 位位2、非恒包络调制，不适、非恒包络调制，不适 合非线性信道合非线性信道5.5.5振幅相位联合键控系统16QAM星座图第70页/共78页16QAM16QAM信号频带利用率为信号频带利用率为结论：结论：QAM调制频带利用率高调制频带利用率高5.5.5振幅相位联合键控系统三、QAM信号的功率谱及带宽第71页/共78页判决器有三个门限电平判决器有三个门限电平-1-3+1+310110001
30、-202判决规则：判决规则：1、小于、小于-2，判，判-32、大于、大于-2，小于，小于0，判，判-13、大于、大于0，小于，小于2，判，判+14、大于、大于2，判，判+3结论：结论：M越大，频越大，频带利用率越高，但带利用率越高，但误码性能也越差。误码性能也越差。四、QAM信号的解调第72页/共78页5.5.5振幅相位联合键控系统五、16QAM与16PSK比较16QAM和16PSK的信号星座图 16QAM信号表达式最大功率（或振幅）相等16PSK相邻信号点的距离 16QAM相邻信号点的距离 L是在两个正交方向（x或y）上信号的电平数，M为进制数 d2超过d11.64dB即在最大功率（峰值功率
31、）相等的情况下，16QAM信号比16PSK信号性能好1.64dB第73页/共78页5.5.5振幅相位联合键控系统16QAM与16PSK比较（平均功率相同）在最大功率相等情况下比较是不实际的，应该以信号的平均功率相等为条件来比较上述信号的距离才是合理的 QAM信号的峰值功率与平均功率之比 L=4PSK信号的峰值功率与平均功率之比 16QAM比16PSK约大2.55dB 在平均功率相等的情况下，16QAM的相邻信号最小距离超过16PSK约4.19dB，也就是抗干扰的能力更强。第74页/共78页5.5.5振幅相位联合键控系统六、方型与星型QAM比较若信号点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概出现，
32、则平均发射信号功率为星型16QAM星座 方型16QAM星座 只有两个振幅值 有三种振幅值 8种相位 12种相位 在衰落信道中星型16QAM比方型16QAM星座更具有吸引力 第75页/共78页5.5.5振幅相位联合键控系统MPSK信号星座图上信号点间的最小距离为 MQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离为 若已调信号的最大幅度为1M=4 时，d4PSK=d4QAM，实际上，4PSK和4QAM的星座图相同。M=16时，d16QAM=0.47，而d16PSK=0.39；当M大于4时，MQAM的抗噪声性能优于MPSK，且随着M的增加，这种优势越明显 M64时，d64QAM=0.202，d64PSK=0.098不同进制之间不同进制之间QAMQAM与与MPSKMPSK比较比较第76页/共78页5.5.5振幅相位联合键控系统当M大于4时，MQAM的抗噪声性能优于MPSK，且随着M的增加，这种优势越明显 在平均功率相等的情况下，16QAM的相邻信号最小距离超过16PSK约4.19dB，也就是抗干扰的能力更强。16QAM最小距离2B16PSK性能比较总结性能比较总结第77页/共78页感谢您的观看！第78页/共78页