1、8.4二進制數字相位調制（2PSK和2DPSK）8.4.1二進制相移鍵控（2PSK1.2PSK的一般原理及實現方法絕對相移是利用載波的相位（指初相）直接表示數字信號的相移方式。二進制相移鍵控中，通常用相位0和表小“0“1：2PSK已調信號的時域表達式為(8-20)來分別這里，為雙極性數字基帶信號，即與2ASK及2FSK時不同,(8-21)是高度為1,寬度為的門函數;(8-22)因此，在某一個碼元持續時間察時，有內觀(8-23)當碼元寬度為載波周期的整數倍時，2PSK信號的典型波形如圖8-11所示圖8-112PSK信號的典型波形2PSK信號的調制方框圖如圖8-12示。圖（a）是產生2PSK信號的

2、模擬調制法框圖；圖（b）是產生2PSK信號的鍵控法框圖。圖8-122PSK調制器框圖就模擬調制法而言，與產生2ASK信號的方法比較，只是對要求不同，因此2PSK信號可以看作是雙極性基帶信號作用下的DSB調幅信號。而就鍵控法來說，用數字基帶信號控制開關電路，選擇不同相位的載波輸出，這時為單極性NRZ或雙極性NRZ脈沖序列信號均可。2PSK信號屆于DSB信號，它的解調，不再能采用包絡檢測的方法，只能進行相十解調，其方框圖如圖8-13。工作原理簡要分析如下圖8-132PSK信號接收系統方框圖不考慮噪聲時，帶通濾波器輸出可表示為式中為2PSK信號某一碼元的初(8-24)相。時，代表數字“0”;時，代表

3、數字“T；與同步載波相乘后，輸出為(8-25)經低通濾波器濾除高頻分量，得解調器輸出為(8-26)根據發端產生2PSK信號時）代表數字信息（“1或“0的規定,(0或的關系的特性，抽樣判決器的判決準則在抽樣時刻的值2PSK接收系統各點波形如圖8-14所示。3I0I口1 WWW?WWW?o o: :QuQu1AM/1AM/W宅時網/$*L L十LLLL圖8-142PSK解調各點波形可見，2PSK信號相干解調的過程實際上是輸入已調信號與本地載波信號進行極性比較的過程，故常稱為極性比較法解調。由丁2PSK信號實際上是以一個固定初相的末調載波為參考的，因此，解調時必須有與此同頻同相的同步載波。如果同步載

4、波的相位發生變化，如0相位變相位變為0相位，則恢復的數字信息就會發生“咬“1或“1變“0;從而造成錯誤的恢復。這種因為本地參考載波倒相，而在接收端發生錯誤恢復的現象稱為“倒”現象或反向工作”現象。絕對移相的主要缺點是容易產生相位模糊，造成反向工作。由于習慣上畫波形時以正弦形式畫圖較方便，這與數學式常用余弦形式表示載波有些不一致，請同學們看圖時注意。2.2PSK信號的頻譜和帶寬比較式（8-20）和（8-1）可知，2PSK信號與2ASK信號的時域表達式在形式上是完全相同的，所不同的只是兩者基帶信號的構成，一個由雙極性NRZ碼組成,另一個由單極性NRZ碼組成。因此，求2PSK信號的功率譜密度時，也可

5、采用與求2ASK信號功率譜密度相同的方法。2PSK信號的功率譜密度可以寫成其中基帶數字信號(8-29)的功率譜密度可按照7.2節中介紹的方法直接推出對于雙極性NRZ碼，弓|用7.2節例7.2的結果，有(8-30)需要注意的是，該式是在雙極性基帶信號“0”、“1”等概）出現的條件下獲得的，一般情況下,中將含有直流分量將上式代入式（8-29）,得(8-31)2PSK信號功率譜示意圖如圖8-15所示圖8-152PSK信號的功率譜當雙極性基帶信號以相等的概率()出現時，2PSK信號的功率譜僅由連續譜組成。而一般情況下，2PSK信號的功率譜由連續譜和離散譜兩部分組成。其中，連續譜取決于數字基帶信號性調制

6、后的雙邊帶譜，而離散譜則由載波分量確定。(2)2PSK的連續譜部分與2ASK信號的連續譜基本相同(僅差一個常數因子)。因此，2PSK信號的帶寬、頻帶利用率也與2ASK信號的相同經線(8-32)其中,(8-31)為數字基帶信號帶寬。這就表明，在數字調制中，2PSK（后面將會看到2DPSK也同樣）的頻譜特性與2ASK十分相似。相位調制和頻率調制一樣，本質上是一種非線性調制，但在數字調相中，由于表征信息的相位變化只有有限的離散取值，因此，可以把相位變化歸結為幅度變化。這樣一來，數字調相同線性調制的數字調幅就聯系起來了，為此可以把數字調相信號當作線性調制信號來處理了。但是不能把上述概念推廣到所有調相信

7、號中去。8.4.2二進制差分相移鍵控（2DPSK1.一般原理及實現方法二進制差分相移鍵控常簡稱為二相相對調相，記作2DPSK。它不是利用載波相位的絕對數值傳送數字信息，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數字信息。所謂相對載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。假設相對載波相位值用相位偏移表示，并規定數字信息序列與系為錐對酹跖 1 111oFT11o03t0相對兇 UkU11011UkU11011】。圖8-162DPSK的波形則按照該規定可畫出2DPSK信號的波形如圖8-16所示。由丁初始參考相位有兩種可能，因此2DPSK信號的波形可以有兩種（另一種相位完全相反，圖中未畫出）。為便丁比較，圖中

8、還給出了2PSK信號的波形。之間的關(1)與2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不對應相同的數字信息符號，而前后碼元的相對相位才唯一確定信息符號。這說明解調2DPSK信號時，并不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對相位關系不破壞，則鑒別這個相位關系就可正確恢復數字信息。這就避免了2PSK方式中的倒”現象發生。由于相對移相調制無反問工作”問題，因此得到廣泛的應用。(2)單從波形上看，2DPSK與2PSK是無法分辯的， 比如圖8-16中2DPSK也可以是另一符號序列(見圖中下部的序列,稱為相對碼，而將原符號序列稱為絕對碼）經絕對移相而形成的。這說明，一方面，只有已知移相鍵控

9、方式是絕對的還是相對的，才能正確判定原信息；另一方面，相對移相信號可以看作是把數字信息序列（絕對碼）變換成相對碼，然后再根據相對碼進行絕對移相而形成。這就為2DPSK信號的調制與解調指出了一種借助絕對移相途徑實現的方法。這里的相對碼，就是4.1節中介紹的差分碼，其是按相鄰符號不變表示原數字信息“0；相鄰符號改變表示原數字信息“1的規律由絕對碼變換而來的。是可以互相轉換的，其轉換關系為(8-32)(8-33)表示模二和。使用模二加法這里,器和延遲器（延遲一個碼元寬度）可以實現上述轉換，如圖8-17（a）、（b）所示。其中，圖（a）是把絕對碼變成相對碼的方法，稱其為差分編碼器;圖（b）是把相對碼變

10、為絕對碼的方法，稱其為差分譯碼器。圖8-17絕對碼和相對碼的相互轉換由以上討論可知，相對相移本質上就是對由絕對碼轉換而來的差分碼的數字信號序列的絕對相移。那么，2DPSK信號的表達式與2PSK的形式（8-20）應完全相同，所不同的只是此時式中的信號表示的是差分碼數字序歹0。即(8-34)這里(8-35)實現相對調相的最常用方法正是基于上述討論而建立的，如圖8-18所示。首先對數字信號進行差分編碼，即由絕對碼表示變為相對碼(差分碼)表示，然后再進行2PSK調制(絕對調相)。2PSK調制器可用前述的模擬法如圖8-18(a),也可用鍵控法如圖8-18(b)。圖8-182DPSK調制器框圖2DPSK信

11、號的解調有兩種解調方式，一種是差分相十解調，另一種是相十解調-碼變換法。后者乂稱為極性比較-碼變換法。(1)相十解調-碼變換法。此法即是2PSK解調加差分譯碼，其方框圖見圖8-19。2PSK解調器將輸入的2DPSK信號還原成相對碼,再由差分譯碼器(碼反變換器)把相對碼轉換成絕對碼，輸出圖8-19相干解調-碼變換法解調2DPSK框圖(2)差分相干解調法。它是直接比較前后碼元的相位差而構成的，故也稱為相位比較法解調，其原理框圖如圖8-20(a)所示a)10110011011001眼/AA/VA/WVV,腿VVuv定時脈沖#4*-個+中樣伉I、判別規則；正tttr1負一T波形囹冷)心定時ub酥沖o框

12、囹圖8-202DPSK差分相十解調框圖及其各點波形這種方法不需要碼變換器,也不需要專門的相十載波發生器,因此設備比較簡單、實用。圖中延時電路的輸出起著參考載波的作用。乘法器起著相位比較(鑒相)的作用。圖8-20(b)以數字序列=1011001為例，給出了2DPSK信號差分相十解調系統各點波形。據此，極易分析其工作原理。2. 2DPSK信號的頻譜和帶寬由前討論可知，無論是2PSK還是2DPSK信號，就波形本身而言，它們都可以等效成雙極性基帶信號作用下的調幅信號，無非是一對倒相信號的序列。因此，2DPSK和2PSK信號具有相同形式的表達式，所不同的是2PSK表達式中的是數字基帶信號，2DPSK表達

13、式中的是由數字基帶信號變換而來的差分碼數字信號。據此，有以下結論：(1)2DPSK與2PSK信號有相同的功率譜，如圖8-15所示。(2)2DPSK與2PSK信號帶寬相同，是基帶信號帶寬的兩倍，即(8-36)(3)2DPSK與2PSK信號頻帶利用率也相同，為(8-37)8.5二進制數字調制系統的性能比較本節我們將以前三節對二進制數字調制系統的研究為基礎，對各種二進制數字調制系統的性能進行總結、比較。內容包括系統的誤碼率、頻帶寬度及頻帶利用率、對信道的適應能力、設備的復雜度等。1.誤碼率在數字通信中，誤碼率是衡量數字通信系統最重要性能指標之一。表8-1列出了各種二進制數字調制系統誤碼率公式。表8-

14、1二進制數字調制系統誤碼率及信號帶寬(8-38)名稱2DPSK2PSK2FSK2ASK相干檢測（相干-碼變換）相干檢測（）（相干-碼變換）非相干檢測帶寬備注應用這些公式時要注意的一般條件是：接收機輸入端出現的噪聲是均值為0的高斯白噪聲；未考慮碼問申擾的影響；采用瞬時抽樣判決；要注意的特殊條件已在表的備注中注明。表8-1中所有計算誤碼率的公式都僅是的函數。式中是解調器輸入端的信號噪聲功率比。對二進制數字調制系統的抗噪聲性能做如下兩個方面的比較：(1)同一調制方式不同檢測方法的比較可以看出，對于同一調制方式不同檢測方法，相十檢測的抗噪聲性能優于非相十檢測。但是，隨著信噪比的增大,相十與非相十誤碼性

15、能的相對差別越不明顯。另外，相十檢測系統的設備比非相十的要復雜。(2)同一檢測方法不同調制方式的比較1)相十檢測時，在相同誤碼率條件下，對信噪比的要求是：2PSK比2FSK/、3dB,2FSK比2ASK小3dB;2）非相十檢測時，在相同誤碼率條件下，對信噪比的要求是：2DPSK比2FSK/、3dB,2FSK比2ASK/、3dB。反過來，若信噪比統的誤碼率低于2FSK系統，2FSK系統的誤碼率低于2ASK系統。因此，從抗加性白噪聲上講，相十2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最2.頻帶寬度各種二進制數字調制系統的頻帶寬度也示于表8-1中，其中為傳輸碼元的時間寬度可以看出，2ASK系統和2PS

16、K(2DPSK)系統頻帶寬度相同，均為定，2PSK系是碼元傳輸速率的二倍；2FSK系統的頻帶寬度近似為,大亍2ASK系統和2PSK(2DPSK)系統的頻帶寬度。因此，從頻帶利用率上看，2FSK調制系統最差。3.對信道特性變化的敏感性信道特性變化的靈敏度對最佳判決門限有一定的影響。在2FSK系統中，是比較兩路解調輸出的大小來做出判決的，不需人為設置的判決門限。在2PSK系統中，判決器的最佳判決門限為0,與接收機輸入信號的幅度無關。因此，判決門限不隨信道特性的變化而變化，接收機總能工作在最佳判決門限狀態。對于2ASK系統，判決器的最佳判決門限為時），它與接收機輸入信號的幅度有關。當信道特性發生變化

17、時，接收機輸入信號的幅度將隨之發生變化，從而導致最佳判決門限隨之而變。這時，接收機不容易保持在最佳判決門限狀態，誤碼率將會增大。因此，從對信道特性變化的敏感程度上看，2ASK調制系統最差。當信道有嚴重衰落時，通常采用非相干解調或差分相干解調，因為這時在接收端不易得到相干解調所需的相干參考信號。當發射機有嚴格的功率限制時，則可考慮采用相干解調，因為在給定的傳碼率及誤碼率情況下，相干解調所要求的信噪比比非相干解調小。8.6多進制數字調制由丁多進制數字已調信號的被調參數在一個碼元間隔內有多個取值，因此，與二進制數字調制相比，多進制數字調制有以下幾個特點：（1）在碼元速率（傳碼率）相同條件下，可以提高

18、信息速率（傳信率），使系統頻帶利用率增大。碼元速率相同時，仙進制數傳系統的信息速率是二進制的岳爵M倍。在實際應用中，通常取獨二，上為大丁1的正整數。（2）在信息速率相同條件下，可以降低碼元速率，以提高傳輸的可靠性。信息速率相同時，型進制的碼元寬度是二進制的1修物倍，這樣可以增加每個碼元的能量，并能減小碼問申擾影響等。8.6.3多進制數字相位調制（MPSK1.多相制信號表達式及相位配置多進制數字相位調制乂稱多相制，是二相制的推廣。它是利用載波的多種不同相位狀態來表征數字信息的調制方式。與二進制數字相位調制相同，多進制數字相位調制也有絕對相位調制（MPSK）和相對相位調制（MDPSK）兩種。設載波

19、為*八則庭進制數字相位調制信號可表示為三co邊叫皿叫也血叫g（f-謎R 云（8-54）式中，戲）是高度為1,寬度為寫的門函數；進制碼元的持續時間，亦即上（比=觀2物）比特二進制碼元的持續時間；為第門個碼元對應的相位,共有M種不同取值&慨率為R色概率為均吸=f園概率為且由丁一般都是在-柿范圍內等間隔劃分相位的（這樣造成的平均差錯概率將最小），因此相鄰相移的差值為這樣式（8-54）變為%或-H3）COS由/-QX故3砌血叫(8-56)、m沖）二【工口思（一就M。仍二【割韜。-俗）這里-分別為多電平信號。常把式（8-56）中第一項稱為同相分量，第二項稱為正交分量。由此可見，MPSK信號可以看

20、成是兩個正交載波進行多電平雙邊帶調制所得兩路MASK信號的疊加。這樣，就為MPSK信號的產生提供了依據，實際(8-55)中，常用正交調制的方法產生MPSK信號血進制數字相位調制信號還可以用欠量圖來描述，圖8-26畫出了仙=2、4、8三種情況下的欠量圖。具體的相位配置的兩種形式，根據CCITT的建議，圖（a）所示的移相方式，稱為A方式；圖（b）所示的移相方式，稱為B方式。圖中注明了各相位狀態及其所代表的上比特碼元。以A方式4PSK為例，載波相位有0、冗和四種，分別對應信息碼元00、10、11和01。虛線為參考相位，對MPSK而言，參考相位為載波的初相；對MDPSK而言，參考相位為前一已調載波碼元

21、的初相。各相位值都是對參考相位而言的，正為超前，負為滯后。圖8-26MPSK相位配置欠量圖2.MPSK信號的頻譜、帶寬及頻帶利用率前已說過，MPSK信號可以看成是載波互為正交的兩路MASK信號的疊加,因此，MPSK信號的頻帶寬度應與MASK時的相同。即(8-57)其中&萬是M進制碼元速率。此時信息速率與MASK相同，是2ASK及2PSK的峻”倍。也就是說，MPSK系統的頻帶利用率是2PSK的*倍。3.4PSK信號的產生與解調在最進制數字相位調制中，四進制絕對移相鍵控（4PSK,乂稱QPSK）和四進制差分相位鍵控（4DPSK,乂稱QDPSK）用的最為廣泛。下面著重介紹多進制數字相位調制的

22、這兩種形式。4PSK利用載波的四種不同相位來表征數字信息。由丁每一種載波相位代表兩個比特信息，故每個四進制碼元乂被稱為雙比特碼元，習慣上把雙比特的前一位用a代表，后一位用白代表。（1）4PSK信號的產生多相制信號常用的產生方法有：直接調相法及相位選擇法。1）相位選擇法由式（8-54）可以看出，在一個碼元持續時間內，4PSK信號為載波四個相位中的某一個。因此，可以用相位選擇法產生4PSK信號，其原理如圖8-27所示。圖中，四相載波發生器產生4PSK信號所需的四種不同相位的載波。輸入的二進制數碼經申/并變換器輸出雙比特碼元。按照輸入的雙比特碼元的不同，邏輯選相電路輸出相應相位的載波。例如，B方式情

23、況下，雙比特碼元員為11時，輸出相位為45那載波；雙比特碼元以為01時，輸出相位為135?的載波等。二抑-*交源一理機七期電仲唯脂+5*135*+5*135*的廣 31J*31J*匹相 StSt 做發*捋圖8-27相位選擇法產生4PSK信號（B方式）方框圖圖中產生的是B方式的4PSK信號。要想形成A方式的4PSK信號，只需調整四相載波發生器輸出的載波相位即可。2）直接調相法由式（8-56）可以看出，4PSK信號也可以采用正交調制的方式產生。B方式4PSK時的原理方框圖如圖8-28（a）所示。它可以看成是由兩個載波正交的2PSK調制器構成，分別形成圖8-28（b）中的虛線欠量，再經加法器合成后，

24、得圖（b）中實線欠量圖。顯然其為B方式4PSK相位配置情況圖8-28直接調相法產生4PSK信號方框圖若要產生4PSK的A方式波形，只需適當改變振蕩載波相位就可實現。(2)4PSK信號的解調由丁4PSK信號可以看作是兩個載波正交的2PSK信號的合成，因此，對4PSK信號的解調可以采用與2PSK信號類似的解調方法進行。圖8-29是B方式4PSK信號相干解調器的組成方框圖。圖中兩個相互正交的相干載波分別檢測出兩個分量口和然后，經并/申變換器還原成二進制雙比特申行數字信號，從而實現二進制信息恢復。此法也稱為極性比較法。低通浦波，抽樣判決圖8-294PSK信號的相干解調若解調4PSK信號(A方式)，只需

25、適當改變相移網絡。在2PSK信號相干解調過程中會產生倒”即“18舟目位模糊”現象。同樣，對丁4PSK信號相干解調也會產生相位模糊問題，并且是0、90、180和270四個相位模糊。因此，在實際中更常用的是四相相對移相調制，即4DPSK。4. 4DPSK信號的產生與解調(1)4DPSK信號的產生與2DPSK信號的產生相類似，在直接調相的基礎上加碼變換器，就可形成4DPSK信號。圖5-41示出了4DPSK信號(A方式)產生方框圖。圖中的單/雙4PSK4PSK信號濾波器a】并禪變換,投k低通油波旨抽樣判決相移等信息位定時3(03(0極性變換的規律與4PSK情況相反，為0T+1,1T-1,相移網絡也與4

26、PSK不同,其目的是要形成A方式欠量圖。圖中的碼變換器用丁將并行絕對碼心、轉換為并行相對碼-d,其邏輯關系比二進制時復雜的多，但可以由組合邏輯電路或由軟件實現，具體方法可參閱有關參考書。圖8-30碼變換-直接調相法產生4DPSK信號也可采用相位選擇法產生，但同樣應在邏輯選相電路之前加入碼變換器。（2）4DPSK信號的解調4DPSK信號的解調可以采用相干解調-碼反變換器方式（極性比較法）,也可采用差分相了解調（相位比較法）04DPSK信號（B方式）相干解調-碼反變換器方式原理圖如圖8-31所示。與4PSK信號相干解調不同之處在丁，并/申變換之前需要加入碼反變換器。圖8-314PSK信號的相干解調-碼反變換法解調4DPSK信號