数字调制系统的性能比较

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：相干解调时为互补误差函数(/)erfcrk形式（k只取决于调制方式），非相干解调时为指数函数形式。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eP解调方式相干解调非相干解调2ASK1(/4)2erfcr/412re2FSK1(/2)2erfcr/212reBPSK1()2erfcr—DBPSK()erfcr12reDQPSK(2sin)2erfcrM—图1各种数字调制系统误码率图2二进制数字调制系统的误码率曲线图3aMDPSK信号误码率曲线图3bMPSK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，2224ASKFSKBPSKrrr，转化成分贝表示为22()3()6()ASKFSKBPSKrdBdBrdBdBrdB，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()eBPSKP很小，则()()/2eDBPSKeBPSKPP，若()eBPSKP很大，则有()()/1eDBPSKeBPSKPP，意味着()eDBPSKP总是大于()eBPSKP，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2ASK2/STST为二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1/2bit/(s•Hz)；而2FSK系统的带宽近似为2122BBffRR，频带利用率小于1/2bit/(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/logBbRRM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；MASK2/STST为M进制码元时间宽度2FSK212/SffT12,ff为载波频率，ST为二进制码元时间宽度MFSK212/SffT12,ff为载波频率，ST为二进制码元时间宽度BPSK2/STST为二进制码元时间宽度MPSK2/STST为M进制码元时间宽度DBPSK2/STST为二进制码元时间宽度DQPSK2/STST为四进制码元时间宽度(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)2erfcrM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。