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二进制数字调制系统的性能比较应用物理07-1班 3070950103 安迎波1.引言数字信号的传输方式可以分为基带传输和带通传输。
为了使信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道特性相匹配。
在这个过程中就要用到数字调制。
一般说来，数字调制技术可分为两种类型：(1) 利用模拟方法去实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；(2) 利用数字信号的离散取值特点键控载波， 从而实现数字调制。
第(2)种技术通常称为键控法， 比如对载波的振幅、频率及相位进行键控，便可获得振幅键控(ASK)、 频移键控(FSK)及相移键控(PSK)调制方式。
键控法一般由数字电路来实现， 它具有调制变换速率快，调整测试方便，体积小和设备可靠性高等特点。
本篇的目的在学习以上三种调制的基础上，通过Systemview 仿真软件，实现对2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK 等数字调制系统的仿真，同时对以上系统进行性能比较。
2 二进制振幅键控 2ASK2.1调制系统：实验原理：2ASK 的实现在幅移键控中，载波幅度是随着调制信号而变化的。
一种是最简单的形式是载波在 二进制调制信号1或0控制下通或断，这种二进制幅度键控方式称为通断键控（OOK ）。
二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的，也是最简单的。
这种方法最初用于电报系统，但由于它在抗噪声的能力上较差，故在数字通信中用的不多。
但二进制振幅键控常作为研究其他数字调制方式的基础。
二进制振幅键控信号的基本解调方法有两种：相干解调和非相干解调，即包络检波和同步检测。
非相干解调系统设备简单，但信噪比小市，相干解调系统的性能优于相干解(a )模拟调制法（相乘器法）开关电路(t)(b)通-断键控(OOK,On-Off Keying )二进制不调系统。
2ASK 解调器原理框图：2.2调制解调系统： 系统相关参数：基带信号频率=50HZ ，电平=2，偏移=1，载波频率=1000HZ 模拟低通频率=225HZ,极点数为3.系统运行时间为0.3S ，采样频率=20000HZ 。
2PSK与2DPSK系统性能分析2PSK和2DPSK都是数字调制技术中的一种调制方式。
它们分别是二进制相移键控（2-phase shift keying，2PSK）和二进制差分相移键控（2-differential phase shift keying，2DPSK）。
2PSK是一种基本的调制方式，它将每个比特映射到一个相移角度。
具体地说，1比特映射到0°的相位偏移，0比特映射到180°的相位偏移。
因此，在2PSK中，相位谱只有两个离散的相位值。
2DPSK是在2PSK的基础上引入了相邻符号的相对相位差（differential phase），而不是绝对相位值。
具体来说，在2DPSK中，1比特时，相对相位差为0°，0比特时，相对相位差为180°。
因此，2DPSK相位谱仍然只有两个离散的相位差。
两种调制方式的性能分析主要集中在误码率（bit error rate, BER）和功率效率上。
首先从误码率角度考虑，2PSK和2DPSK的误码率性能较为接近，都可以通过调制解调器的性能指标进行测量和分析。
2PSK的误码率与信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）有关。
通常误码率与SNR之间存在一个近似线性的关系，即误码率与SNR的负幂函数呈指数关系。
而2DPSK由于相对相位差的引入，在非理想时钟同步条件下的误码率性能相对较好。
它相对于2PSK能够提供更好的抗多径传播和同步偏差的能力，从而降低误码率。
其次从功率效率角度考虑，2PSK和2DPSK相对于传统的振幅调制技术来说，都具有更高的功率效率。
因为它们只使用两个离散的相位值来表示信息，相位是连续的，而振幅值是固定的。
相对于振幅调制技术，二进制相位调制技术能够更有效地利用信道带宽，提高信息传输速率。
而2DPSK相对于2PSK来说，实际上是在相邻符号间引入了相对相位差，进一步提高了功率效率。
总的来说，2PSK和2DPSK是两种在数字通信中常用的调制方式。
移动通信中各类数字调制方式的分析比较1.1 GMSK调制方式GSM系统GSM系统采用的是称为GMSK的调制方式。
GMSK 在二进制调制中具有最优综合性能。
其基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波，使基带信号形成高斯脉冲，之后进行MSK调制，属于恒包络调制方案。
它的优点是能在保持谱效率的同时维持相应的同波道和邻波道干扰，且包络恒定，实现起来较为容易。
目前，常选用锁相环(PLL)型GMSK调制器。
从其调制原理可看出，这种相位调制方法选用90°相移，每次相移只传送一个比特，这样的好处是虽然在信号的传输过程中会发生相当大的相位和幅度误差，但不会扰乱接收机，即不会生成误码，对抗相位误差的能力非常强。
如果发生相位解码误差，那么也只会丢失一个数据比特。
这就为数字化语音创建了一个非常稳定的传输系统，这也是此调制方式在第二代移动通信系统中得以广泛使用的重要原因。
但其唯一的缺点是数据传输速率相对较低，其频谱效率不如QPSK，并不太适合数据会话和高速传输。
因此，为提高传输效率，在GPRS系统中的增强蜂窝技术（EDGE）则运用了3π/8-8PSK的调制方式，以弥补GMSK的不足，为GSM向3G的过渡做好了准备。
1.2 PSK 类调制方式以基带数据信号控制载波的相位，使它作不连续的、有限取值的变化以实现传输信息的方法称为数字调相，又称为相移键控，即PSK。
理论上，相移键控调制方式中不同相位差的载波越多，传输速率越高，并能够减小由于信道特性引起的码间串扰的影响，从而提高数字通信的有效性和频谱利用率。
如四相调制（QPSK）在发端一个码元周期内（双比特）传送了２位码，信息传输速率是二相调制（BPSK）的2倍，依此类推，8PSK的信息传输速率是BPSK的3倍。
但相邻载波间的相位差越小，对接收端的要求就越高，将使误码率增加，传输的可靠性将随之降低。
为了实现两者的统一，各通信系统纷纷采用改进的PSK调制方式，而实际上各类改进型都是在最基本的BPSK和QPSK基础上发展起来的。
实验三主要数字调制系统的抗误码性能的仿真比较一、实验目的1.熟悉2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK等各种调制方式；2.学会对2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK等相应的主要解调方式下（分相干与非相干）的误码率进行统计；3.学会分析误码率与信噪比间的关系。
二、实验内容设定噪声为高斯白噪声, 对2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK等各种调制方式及相应的主要解调方式下（分相干与非相干）的误码率进行统计, 并与理论值进行比较, 以图形方式表示误码率与信噪比间的关系。
三、实验原理2ASK: 有两种解调方法: 非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。
其中包络检波法不需相干载波, 利用e0(t)波形振幅变化表示信息的特点, 取出其包络, 经抽样判决即可恢复数码。
相干解调需要与相干载波相乘。
2FSK: 常用的解调方法: 非相干解调（包络检波法）；相干解调；鉴频法；过零检测法及差分检波法。
将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调。
其中的抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小, 可以不专门设置门限。
判决规则应与调制规则相呼应。
例如,若调制时规定“1”-》载频f1, 则接收时应规定: 上支路样值>下支路样值判为1, 反之则判为0.2PSK: 该方式中载波的相位随调制信号“1”或“0”而改变, 通常用相位0°或180°来分别表示“1”或“0”。
2PSK信号是以一个固定初相的未调载波为参考的。
解调时必须有与此同频同相的同步载波。
而2PSK信号是抑制载波的双边带信号, 不存在载频分量, 因而无法从已调信号中直接用滤波法提取本地载波。
只有采用非线性变换, 才能产生新的频率分量。
2DPSK: 由于2DPSK信号对绝对码{an}来说是相对移相信号, 对相对码{bn}来说是绝对移相信号。
因此, 只需在2PSK调制器前加一个差分编码器即可产生2DPSK信号。
解调：1、极性比较法（码变换法）（相干解调）, 此法即是2PSK解调加差分移码。
《通信原理》 第四十三讲§7．3 二进制数字调制系统的性能比较下面我们将对二进制数字通信系统的误码率性能、频带利用率、对信道的适应能力等方面的性能做进一步的比较。
一、 误码率表7-1 二进制数字调制系统的误码率公式一览表从横向来比较，对同一种数字调制信号，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率。
从纵向来比较，在误码率一定的情况下，2PSK、2FSK 、2ASK 系统所需要的信噪比关系为e P 22224ASK FSK PSK r r r == (7.3-1) 将式(7.3-1)转换为分贝表示式为22()3()6()ASK dB FSK dB PSK dB r dB r dB r =+=+2 (7.3-2) 反过来，若信噪比r 一定，2PSK 系统的误码率低于2FSK 系统，2FSK 系统的误码率低于2ASK 系统。
图7-33 误码率与信噪比的关系曲线e P r 二、 频带宽度s T 若传输的码元时间宽度为， 222ASK PSK sB B T ==(7.3-3) 2212FSK sB f f T =−+(7.3-4) 从频带利用率上看，2FSK 系统的频带利用率最低。
三、 对信道特性变化的敏感性在选择数字调制方式时，还应考虑系统对信道特性的变化是否敏感。
在2F SK 系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，对信道的变化不敏感。
在2P SK 系统中，当发送符号概率相等时，判决器的最佳判决门限为零，判决门限不随信道特性的变化而变化。
2ASK 系统，判决器的最佳判决门限为a /2(当P(1)=P(0)时)，它与接收机输入信号的幅度有关。
当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度将随着发生变化，从而导致最佳判决门限也将随之而变。
这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，因此，2ASK 对信道特性变化敏感，性能最差。
通过从几个方面对各种二进制数字调制系统进行比较可以看出，对调制和解调方式的选择需要考虑的因素较多。
衡量一个数字通信系统性能优劣的最为主要的指标是有效性和可靠性，下面主要针对二进制频移键控(2FSK)、二进制相移键控(BPSK)、二进制差分相移键控(DBPSK)以及四进制差分相移键控（DQPSK）数字调制系统，分别从误码率、频带利用率、对信道的适应能力以及设备的可实现性大小几个方面讨论。
1. 误码率通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。
在数字通信系统中，信道噪声有可能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。
在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比，而误码率表达式的形式则取决于解调方式：相干解调时为互erfc r k形式（k只取决于调制方式），非相干解调时为指数函数形补误差函数(/)式。
图1和图2是在下列前提条件下得到：①二进制数字信号“1”和“0”是独立且等概率出现的；②信道加性噪声n(t)是零均值高斯白噪声，单边功率谱密度为0n，信道参恒定；③通过接受滤波器后的噪声为窄带高斯噪声，其均值为零，方差为2n ；④由接收滤波器引起的码间串扰很小，忽略不计；⑤接收端产生的相干载波的相位差为0。
调制方式相干解调非相干解调Pe解调方式图1 各种数字调制系统误码率2ASK 1(/4)2erfc r /412r e -2FSK 1(/2)2erfc r/212r e - BPSK 1()2erfc r —DBPSK ()erfc r12re -DQPSK(2sin)2erfc r M π—图2 二进制数字调制系统的误码率曲线图3a MDPSK 信号误码率曲线 图3b MPSK 信号的误码率曲线(1) 通过图1从横向来看并结合图2得到：对同一调制方式，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率，相干解调方式的抗噪声性能优于非相干解调方式。
但是，随着信噪比r 的增大，相干与非相干误码性能的相对差别越不明显，误码率曲线有所靠拢。
(2) 通过图1从纵向来看：①若采用相干解调，在误码率相同的情况下，2224ASK FSK BPSKr r r ==，转化成分贝表示为22()3()6()ASK FSK BPSK r dB dB r dB dB r dB=+=+，即所需要的信噪比的要求为：BPSK 比2FSK 小3dB ，2FSK 比2ASK 小3dB ；BPSK 和DBPSK 相比，信噪比r 一定时，若()e BPSK P 很小，则()()/2e DBPSK e BPSK P P ≈，若()e BPSK P 很大，则有()()/1e DBPSK e BPSK P P ≈，意味着()e DBPSK P 总是大于()e BPSK P ，误码率增加，增加的系数在1~2之间变化，说明DBPSK 系统抗加性白噪音性能比BPSK 的要差；总之，使用相干解调时，在二进制数字调制系统中，BPSK的抗噪声性能最优。
②若采用非相干解调，在误码率相同的情况下，信噪比的要求为：DBPSK 比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。
总之，使用非相干解调时，在二进制数字调制系统中，DBPSK的抗噪声性能最优。
(3) 通过图3a和图3b可得：在多进制相移键控调制系统中，M相同时，相干解调下MPSK系统的抗噪声性能优于差分相干解调MDPSK系统的抗噪声性能。
在相同误码率的条件下，M值越大，差分相移比相干相移在信噪比上损失得越多，M很大时，这种损失约为3dB。
对比图3a中的DBPSK(M=2)和DQPSK(M=4)可得，在相同误码率的条件下，DBPSK的信噪比要求比DQPSK的低。
可见，随着进制数的增加，抗干扰性能降低。
综上所述，各信号按抗噪声性能优劣的排列是BPSK相干解调、DBPSK相干解调（极性比较法）、DBPSK非相干解调（相位比较法）、DQPSK相干解调（极性比较法）、2FSK相干解调、2FSK非相干解调、2ASK相干解调、2ASK非相干解调。
2. 带宽各种调制方式的带宽如下：调制方式带宽备注2ASK 2/S T S T为二进制码元时间宽度MASK 2/S T S T为M进制码元时间宽度图4 各种调制方式的带宽(1) 二进制数字调制系统的传码率等于其传信率，2ASK 和BPSK 的系统带宽近似等于两倍的传信率，频带利用率为1/2 bit/(s •Hz)；而2FSK 系统的带宽近似为2122B Bf f R R -+>，频带利用率小于1/2 bit/(s •Hz)。
(2) 在多进制数字调制系统中，由信息传输率bR 、码元传输速率BR 和进制数M 之间的关系2/log B b R R M=知：在信息传输速率不变的情况下，通过增加进制数M ，可以降低码元传输速率，从而减小信号带宽，节约频带资源，提高系统频带利用率。
当然，采用多进制数字调制系统增加频带利用率的代价是增加了信号功率和实现上的复杂性。
综合以上两条，所以DQPSK 的频带利用率最高，2ASK 、BPSK 、DBPSK 的频带利用率次之，2FSK 最不可取。
3. 对信道特性变化的敏感性在选择数字调制方式时，还应考虑判决门限对信道特性的敏感性，在随参信道中，我们希望判决门限不随信道变化而变。
经过比较，可以得出以下结2FSK212/Sf f T -+12,f f 为载波频率，ST 为二进制码元时间宽度MFSK212/Sf f T -+12,f f 为载波频率，ST 为二进制码元时间宽度BPSK 2/S T S T 为二进制码元时间宽度MPSK 2/S T ST 为M 进制码元时间宽度 DBPSK 2/S T S T 为二进制码元时间宽度 DQPSK2/STST 为四进制码元时间宽度论：(1) 2FSK最优，因为不需人为设置判决门限；(2) BPSK次之，最佳判决门限为0，与接收机输入信号幅度无关；(3) 2ASK最差，最佳判决门限位a/2，与接收机输入信号幅度有关，因为信道变化，判决门限随着信号幅度的变化而变化，不利于电路设计，此时需要自适应控制电路；(4) 但当信道有严重衰落时，通常采用非相干解调或差分相干解调，因为在接收端难以得到与发送端同频同相的本地载波。
但在远距离通信中，当发射机有着严格的功率限制时，如卫星通信中，星上转发器输出功率受电能的限制，这时可考虑用相干解调，因为在传码率及误码率给定的情况下，相干解调所要求的信噪比较非相干解调的小。
4. 设备复杂度就二进制调制系统的设备而言，2ASK、BPSK及2FSK发送端设备的复杂度相差不多，而接收端的复杂程度则和所用的调制解调方式有关。
对于同一种调制方式，相干解调时的接收设备比非相干的接受设备复杂；同为非相干解调时，DBPSK的接收设备最复杂，2FSK次之，2ASK的设备最简单。
就多进制而言，不同调制解调方式设备的复杂程度的关系与二进制的情况相同。
但总体讲，多进制数字调制与解调设备的复杂程度要比二进制的复杂得多。
5. 各自优缺点及应用场合FSK是数字通信中不可缺少的一种调制方式。
优点是抗干扰能力较强，不受信道参数变化的影响，因此FSK特别适合应用于衰落信道；缺点是占用频带较宽，尤其是MFSK，频率利用率低。
目前调频体制主要应用于中、低速数据传输中。
BPSK在解调时有相位模糊的缺点，因而在实际中很少采用。
DBPSK不存在相位模糊的问题，因为它是依靠前后两个接收码元信号的相位差来恢复数字信号的。
BPSK和DBPSK，是一种高传输效率的调制方式，其抗干扰能力比ASK 和FSK都强，因此在高、中速数据传输中得到了广泛应用，尤其是DBPSK。
DQPSK是一种多进制相移键控，可以看做是振幅相等而相位不等的振幅调制，它是一种频带利用率高的高效率传输方式，其抗噪性能也好。
它的发展趋势是纯数字化，广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入与移动通信及有线电视的上行传输。
在卫星数字电视传输中普遍采用的QPSK 调谐器可以说是当今卫星数字电视传输中对卫星功率、传输效率、抗干扰性以及天线尺寸等多种因素综合考虑的最佳选择。
6. 总结通过以上几个方面的比较可以看出，对调制和解调方式的选择需要考虑的因素较多。
通常，只有对系统的要求作全面的考虑，并且还要抓住其中最主要的因素，才能作出比较恰当的选择。
如果抗噪声性能是最主要的，则应考虑相干2PSK和DBPSK，而2ASK最不可取；如果要求较高的频带利用率，则应选择相干2PSK、DBPSK及2ASK，而2FSK最不可取；如果要求较高的功率利用率，则应选择相干2PSK和DBPSK，而2ASK最不可取；若传输信道是随参信道，则2FSK具有更好的适应能力；若从设备复杂度方面来主要考虑，则非相干方式比相干方式更适宜。
DQPSK是一种频带利用率高的高效率传输方式，其抗噪性能也好，有点较多，有着广泛的应用。
参考书目[1] 樊昌信，曹丽娜. 通信原理[M].北京：国防工业出版社，2006.[2] 王兴亮. 通信系统原理教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007. [3] 赵蓉. 现代通信原理教程[M].北京：北京邮电大学出版社，2009. [4] 孙青华. 数字通信原理[M].北京：北京邮电大学出版社，2007. [5] 黄葆华. 通信原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007. [6] 文川.多进制数字调制技术及应用[J].中国有线电视.2004(23).[7] 朱锦，范平志.几种数字调制解调方式的性能比较与分析[J].四川省通信学会 1997年学术论文集.1997 存在的疑问DQPSK 的非相干解调（相位比较法）的误码率表达式没有搜到，相关书籍资料上只讲了它的两种解调方法——极性比较和相位比较法，但是最后给出它的误码率eP 函数表达式(2sin)2erfc r M时，不确定是哪一种解调方式下的误码率，所以在本文章第一部分“1.误码率”最后的综上所述中，DQPSK 相干解调（极性比较法） 在按抗噪声性能优劣的排列位置不太确定。
