通信原理学习之路:第七章 数字频带传输系统
🌈以下是本人对《通信原理》第七章 数字频带传输系统的学习,是为了方便后续的学习,如有补充和错误,欢迎评论区留言!相关参考资料和视频已放在文末。
第七章 数字频带传输系统
一.二进制数字调制、解调原理:2ASK、2FSK
1.1二进制振幅键控:2ASK
- 二进制振幅键控原理 ASK: Amplitude Shift Keying
- 用二进制数字基带信号控制正弦载波的幅度(两种幅度)。即“0”---->0,“1”---->$cosw_{c}t$
- 波形表示:
- 2ASK信号表达式:$e_{2ASK}=s(t)cosw_{c}t$,其中$s(t)$信号为单极性基带信号。
- 2ASK信号产生方法:
- 2ASK信号解调方法
- 包络检波法/非相干解调法:
- 相干解调法/同步检波法:
1.2 二进制频移键控
- 二进制频移键控原理 FSK: Frequency Shift Keying
- 用二进制数字基带信号控制正弦载波的频率(两种频率)。即“0”---->$cosw_1t$,“1”---->$cosw_2t$。
- 2FSK信号波形表示:
- 2FSK信号产生方法:
- 2FSK信号解调方法
- 包络检波法/非相干解调法:
- 相干解调法/同步检波法:
二.二进制数字调制、解调原理:2PSK、 2DPSK
2.1 二进制相移键控: 2PSK
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二进制相移键控原理 PSK: Phase Shift Keying
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用二进制数字基带信号控制正弦载波的相位(两种相位)。即“0”---->0相位,“1”---->$\pi$相位。
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2PSK信号波形表示:
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2PSK信号表达式:
$$e_{2\mathrm{PSK}}(t)=A\cos(\omega_ct+\varphi_n),\quad\varphi_n=\begin{cases}0&\text{编码}0\\pi&\text{编码}\pi\end{cases}$$
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2PSK信号产生方法:
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2PSK信号解调方法
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2PSK调制存在的问题
2.2 二进制相移键控: 2DPSK
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二进制差分相移键控原理 DPSK: Differential PSK
利用前后相邻码元的载波相对相位表示信息。$\Delta\boldsymbol{\varphi}=\boldsymbol{\varphi}n-\boldsymbol{\varphi}{n-1}=\begin{cases}0&\text{编码”}0\text{"}\[2ex]\pi&\text{编码“}1\text{”}&\end{cases}$
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2PSK和2DPSK信号区别
- 2PSK信号:作为绝对调相,与基准载波进行相位比较。
- 2DPSK信号:作为相对调相,则与前一个码元的载波相对相位进行比较。
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2DPSK信号相位举例
二进制数字信息 1 1 0 1 0 2DPSK信号相位(参考相位为0) (0) $\pi$ 0 0 $\pi$ $\pi$ 2DPSK信号相位(参考相位为$\pi$) ($\pi$) 0 $\pi$ $\pi$ 0 0 -
2DPSK信号的编码规则与波形
先对绝对码进行码变换, 编为相对码, 再进行2PSK绝对调相。设绝对码为$\left{a_n\right}$, 相对码为$\left{b_n\right}$。
编码规则:$\begin{aligned}b_n=a_n\oplus b_{n-1}\end{aligned}$, 译码规则: $\begin{aligned}a_n=b_n\oplus b_{n-1}\end{aligned}$
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2DPSK信号解调方法
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相干解调(极性比较) + 码反变换
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差分相干解调(相位比较法)
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三.多进制数字调制
3.1 多进制数字调制概述
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多进制数字调制优点
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由于二进制码元只携带1bit信息,多进制码元携带$log_2 M bit$信息在二进制数字调制的基础上,推广到多进制调制$R_B=\frac{R_b}{\log_2M}$,比特率$R_b$给定时,增大调制进制数M,可降低符号率$R_b$,从而降低信号带宽,节约传输资源。数据率$R_B$给定时,增大调制进制数M ,可以提高比特率 ,从而提高频带利用率$\eta_b$ 。
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多进制数字调制缺点
但相应的代价是判决范围减小引起的系统误码率增加,以及系统复杂度的增加。
3.2 多进制振幅键控原理: MASK
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MASK信号波形及表达式(4ASK为例)
$$e_\text{МАSK}{ ( t ) }=s(t)\cos\omega_{c}t$$
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MASK信号产生方法及解调方法
MASK的解调方法与2ASK相似,有相干、非相干两种解调方法,但在结尾需添加“M-2电平转换” 环节。
3.3 多进制频移键控原理: MFSK
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MFSK信号波形及表达式(4FSK为例)
$$e_{\mathrm{MFSK}}(t)=\sum_nAg(t-nT_B)\cos\omega t\quad i=1,2,\cdots,M$$
表达式中矩形脉冲部分幅度恒定,变化的是载波频率,各载波频率为$f_i=f_c+i\Delta f$,频率间隔$\Delta f=f_i-f_{i-1}$。
因此,$$e_{\mathrm{MFSK}}(t)=\sum_nAg(t-nT_B)\cos(\omega_ct+2\pi i\Delta ft)$$
3.4 多进制相移键控: MPSK
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正交调制原理
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信号矢量图/星座图
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四进制相移键控4PSK/QPSK
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4PSK有两种调制方式: A方式和B方式。
星座点的编码排布满足格雷码, 即相邻码组的距离为1, 这样排的好处是如果发生错码, 错到相邻的码组只错1bit。
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3.5 多进制差分相移键控:MDPSK
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四进制差分相移键控4DPSK调制方式
它的调制方式是DPSK和MPSK两种方式的结合,既有MPSK减小带宽的优势,又克服了载波相位模糊。
四.几种现代调制方式简介
4.1. 正交振幅调制: QAM
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需求背景
在MPSK调制中,提高进制数M可以有效提高频带利用率,但是由于相邻信号点的距离减小,故噪声容限降低,难以保证误码性能。需要一种有效的调制方式,来改善高进制情况下系统的抗噪声性能,提高频带利用率。
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设计思想
- 增大信号距离,即增加圆周半径。意味着增大信号的功率,这在发射功率受限的环境下难以实现。
- 不增大圆周半径,即信号功率,但重新安排星座点的位置。
- QAM调制的思想就是后者,它是一种振幅和相位联合键控的调制方式,因此又称为APK调制。
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16QAM信号的星座图
多径衰落信道中, 信号的振幅、 相位取值越多, 受到的影响越大,故星型16QAM比方型16QAM更具备吸引力。方型16QAM信号的产生与接收更容易实现, 故实际应用更广泛。
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16QAM信号的产生
在QAM调制中,载波的振幅、相位同时受基带信号控制。
单个码元的表达式为:
16QAM调制可看作两路正交的4ASK信号之和,符合正交调制特性。