【第10章】数字频带调制

第十章数字频带调制10.1概述•所谓数字频带调制，是利用数字基带信号（二进制或多进制）分别或者联合控制载波的幅度、频率和相位的调制传输方式。•数字频带调制信号不是基带信号，而是频带信号。•对数字频带调制信号的接收需要解调判决器。•二进制数字频带调制的三种基本方式（图示）：补充知识：数字已调信号的星座图(constellation)•已调波的数学表达方式：（1）实信号(realsignal)表达方式（2）复信号(complexsignal)表达方式其中：称为“复包络”，它包含了数字基带信号的信息，也称为“基带等效”。•实信号与复信号的关系：•用图形方式描述数字已调复信号，目前都采用信号星座图。通常把信号矢量端点的分布图称为星座图。星座图对于判断调制方式的误码率等有很直观的效用。()cosrcstAt()exp[]expcos()sinexp()cccccstAjtjtAtjtAjexpAj()Re()rcstst•信号点：在单位圆上或单位圆内•模A：恒定或者改变•相角：•二进制数字调制（线性调制）信号星座•多进制数字调制信号星座注意：•某一种进制的任意一个码元间隔内，只出现一个信号点，星座图中的所有信号点代表了这种调制方式的所有可能的信号点分布。•比较不同调制方式之间的抗干扰性能时，都要限定彼此有相同的信号幅度，通常是在“单位圆”上讨论问题。•PSK信号是用载波相位携带信息，ASK信号是用载波幅度携带信息，FSK信号是用载波频率携带信息。•信号点越多→符号的进制数越高→传信效率越高→信号距离越小→抗干扰能力越低。10.2二进制数字频带调制二进制数字调制包括：•二进制幅度键控BASK:BinaryAmplitudeShiftKeying•二进制相位键控BPSK:BinaryPhaseShiftKeying•二进制频率键控BFSK:BinaryFrequencyShiftKeying10.2.1二进制幅度键控(BASK/2ASK)设二进制序列为，且na101npap•2ASK信号产生的两种方式•2ASK信号接收解调方式10.2.2二进制相位键控(BPSK)(1)BPSK•设二进制序列,将其转换为双极性码序列：即为BPSK（2PSK）的是与表达式。na101npap111npbpBASK()()coscos(1)cos(0)1nscnccStbgtnTttPptPp•BPSK信号调制与解调方案BPSK传输存在的问题：•由于BPSK信号相当于无载频离散谱分量的双边带调制信号，接收端对BPSK信号解调时通常采用相干解调(同步检波)，接收端需要从接收信号中提取同步载波。•无论是采用“平方环”还是“科斯塔斯环”，都存在着同步载波的“180º相位模糊性”问题，这是由这两种环路的“鉴相特性”所决定的。载波同步提取在同步检波中，需要提取同步载波，平方环是最简单的一种载波提取电路结构，也是锁相环的主要应用之一。假设一个没有载波离散谱的2PSK信号：()cosiciumtt1()11pmtp锁相环入锁后，锁定在载频的二次谐波上，其输出为此时，乘积型鉴相器输出误差电压为222ˆ()cosiiciuumtt2211()()cos2222cimtmtt11cos2222citˆsin22omocouUtsin22cos222modcociKUuttsin424sin22moioicoKUt其中，低频分量构成平方环的鉴相特性，即显然，周期为的鉴相特性因稳定点的随机性决定了，同步提取的载波一定存在着“180º相位模糊”问题。这是各类同步提取环不可避免的问题。sin24sin2moodideuKKU•如果同步载波相位与发射载波同相•如果同步载波相位与发射载波倒相180º•解调的结果，是码序列逻辑全部反相！解决这个问题的有效方法是采用差分传输方式(DPSK)。()()coscosnsccnrtbgtnTtt1()cos()2122snnscnbgtgtnTnTtnb()()coscosnscncrtbgtnTtt1()cos()2122snnscnbgtgtnTnTtnb10.2.3二进制差分移相键控(BDPSK)•差分编码：•差分译码：•如果因为同步载波的“倒相”，使得•则差分译码会纠正：1nnndbd1nnnddbnndd11nnnnnddbdd•一种BDPSK解调的方案：“差分相干”方案（此时无需差分译码环节）BDPSK()cosncStdtBDPSKBDPSK()()()srtStStT•BDPSK与BPSK有相同的功率谱结构和谱零点带宽。•误码率分析表明：BDPSK较BPSK的误码率高一倍，因为差分码序列译码时延迟1bit异或，原本1bit差错传播为2bit。111cos2()coscoscos[()]11cosccos[()]2os[2]22cos[]2ncnnccsnncsncsccsncncsscrtdtddttTddTtTbtdtTTTb10.2.4二进制频率键控(BFSK/2FSK)•设二进制序列，将其转换为双极性码序列：•其中：，定义：为BFSK信号的“键控指数”，它类似FM波的mf。键控指数的大小直接关乎BFSK信号的谱结构与谱零点带宽。na101npap1BFSK0()cos(1)()()cos(0)1nsnnsnagtnTtPpStagtnTtPp101010sbffhffTR•2FSK信号的谱零点带宽:•对照模拟FM信号的“卡松带宽”：(2)2SKbBFbBhRfR2(1)22FMfmBmFfF•BFSK信号调制的两种方式•BFSK信号解调的三种方式10.3二进制键控信号的误比特率10.3.12ASK信号的误比特率一、相干解调误比特率00000cossincossicosncscnsntnttttannsend“1”send“0”2ASK()()(())NNsttttasend“1”send“0”0cost•同步载波相关后，低通输出为：()()()nccntnxtatsend“1”send“0”212202()1()exp22()1()exp22nnnnnxafxfxxfxsend“1”send“0”•当、时，最大似然准则误比特率其中：检波器输入的信噪比为：高斯函数：二、非相干解调误比特率0.5TnVa(0)(1)0.5PP11(0)(1/0)(1)(0/1)222nbnaPPPPPerfc1222iierfcQ222nnia201exp22yQydy()xt•检波器输出为输入信号的包络：•此刻，传0时的PDF为Rayleigh分布•传1时的PDF为Rice（Rician）分布称为thezero-ordermodifiedBesselfunctionofthefirstkind2222))((nsccsnnantnxsend“1”forP(1)send“0”forP(0)2022()exp02nnxxfxx2210222()exp2nnnnnxaaxfxI001expcosIyyd•注意：（1）窄带高斯噪声的包络服从瑞利(Rayleigh)分布（2）窄带高斯噪声+正弦信号的包络服从莱斯(Rice)分布当，且为高信噪比时的最小误比特率为(0)(1)0.5PP1(0)(1/0)(1)(0/1)exp24ibPPPPP10.3.22FSK信号的误比特率一、相干解调误比特率二、非相干解调误比特率1e22ibiPrfcQ1exp24ibP222nnia10.3.32PSK信号的误比特率一、相干解调误比特率二、非相干解调误比特率（差分相干法）1e22biiPrfcQ1exp22ibP10.4抗噪声性能对比结论（1）在抗噪声性能上，任何以类键控信号的相干解调性能总是优于其非相干解调性能。（2）同样发射功率的二进制键控信号相比较，PSK的抗噪声性能最优，ASK最差。（3）频带占用上，2FSK最宽，2ASK和2PSK相同。•误比特率曲线见P300图10-1710.5多进制数字频带调制10.5.1正交调制与正交解调一、正交调制（QuadratureModulation）同相分量（I信号）正交分量（Q信号）sin()coscossincoscos()n()siqmcccccAAStAtttttQItt()cosItA()sinQtA正交调制的特点：•首先在基带上形成I、Q两个分量的数字信号。•I、Q信号分别调制到两个彼此正交的载波上。•两路已调信号进行叠加(矢量和)后形成正交调制信号。•将多进制调制器分解为同相-正交两路便于实现。•若只改变I、Q的符号极性，可实现多进制相位键控。•若同时改变I、Q的符号极性和大小，可实现多进制的幅度-相位联合键控。正弦信号求和是矢量和Mapping•正交调制集成芯片MAX2022（1.5GHz~2.5GHz）RF正交调制信号输出RF载波输入•正交调制芯片LTC5598二、正交解调（QuadratureDemodulation）•对正交调制信号的解调属于同步解调，必须有同步载波。正交调制信号同相载波(本地同步载波)正交载波IQ10.5.2正交移相键控QPSK（QuadraturePhaseShiftKeying）•用正交调制法实现QPSK调制sin()coscossincoscos()n()siqmcccccAAStAtttttQIttQPSK信号11011000IQ•QPSK信号的相干-正交解调QPSK相位路径的改进——OQPK(OffsetPSK)•恒包络调制的概念MSK等•QPSK相位路径的改进将Q之路波形延迟一个二进制码元间隔（即四进制码元间隔的一半，以避免I、Q分量同时出现反相，构成所谓OQPSK信号。QI10011100•OQPSK调制解调方案10.5.3正交幅度调制(QAM)•多进制正交幅度调制(MQAM)信号就是利用两路有不同电平的信号调制两个正交载波，合成所得到QAM调制信号。现以16QAM为例：1、数字频带调制的概念理解频带传输与基带传输的异同2、信号星座图和最小信号距离的概念了解fs星座图的含义，理解最小信号距离对于信号抗干扰能力的关系3、二进制键控系统（1）理解2ASK/2PSK/2FSK的产生、解调方法，掌握带宽的计算（2）理解2PSK与2DPSK系统组成上的联系与区别（3）了解几种键控信号抗干扰性能差异（对误码率分析不做要求）4、多进制数字频带调制原理：（1）掌握QPSK正交调制的工作原理和分析（2）掌握多进制与二进制数字频带调制信号码速率、带宽之间的关系