1、第 6 章 數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)二進制幅度鍵控6.1二進制頻移鍵控6.2二進制相移鍵控6.3二進制差分相移鍵控6.4各種二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較6.5多進制數(shù)字調(diào)制6.6 數(shù)字基帶信號不能直接通過帶通信道傳輸，需將數(shù)字基帶信號變換成數(shù)字頻帶信號。用數(shù)字基帶信號去控制高頻載波的幅度、頻率或相位，稱為數(shù)字調(diào)制。從已調(diào)高頻載波上將數(shù)字基帶信號恢復出來，稱為數(shù)字解調(diào)。 和模擬調(diào)制相似，數(shù)字調(diào)制所用的載波一般也是連續(xù)的正弦型信號，但調(diào)制信號則為數(shù)字基帶信號。理論上講，載波形式可以是任意的（比如三角波、方波等），只要適合在帶通信道中傳輸即可。之所以在實際通信中多選用正弦型信號，是因為它具有形式簡單、便于產(chǎn)

2、生和接收等特點。 數(shù)字調(diào)制方式：幅度調(diào)制，稱為幅度鍵控，記為ASK；頻率調(diào)制，稱為頻移鍵控，記為FSK；相位調(diào)制，稱為相移鍵控，記為PSK。 所謂“鍵控”是指一種如同“開關”控制的調(diào)制方式。比如對于二進制數(shù)字信號，由于調(diào)制信號只有兩個狀態(tài)，調(diào)制后的載波參量也只能具有兩個取值，其調(diào)制過程就像用調(diào)制信號去控制一個開關，從兩個具有不同參量的載波中選擇相應的載波輸出，從而形成已調(diào)信號。 61 二進制幅移鍵控（2ASK） 1. 2ASK信號的調(diào)制 用二進制數(shù)字基帶信號控制載波的幅度，二進制數(shù)字序列只有“1”、“0”兩種狀態(tài)。調(diào)制后的載波也只有兩種狀態(tài)：有載波輸出傳送“1”，無載波輸出傳送“0”。假定調(diào)制

3、信號是單級性非歸零的二進制序列， “1”碼時 ，輸出載波Acos0t； “0”碼時，無輸出。圖6-1 2ASK信號的波形圖6-2 2ASK信號調(diào)制器原理框圖 為第n個碼元的電平值，單極性碼， 或 。 是時間寬度為 的基本脈沖。2ASK信號 乘法器完成調(diào)制，BPF取出已調(diào)信號，抑制帶外頻譜分量，通過調(diào)節(jié)還可以實現(xiàn)單邊帶或殘留邊帶調(diào)制。 )()(SnnnTtgatsna0na)(tgSTtnTtgaAtsnSnASK0cos)()(00 1 cos0tA1 在一般情況下，調(diào)制信號是具有一定波形形狀的二進制脈沖序列，可表示為0fPB( f )0 fcfcfc fsfc fsfc fsfc fsfPA

4、SK( f )(a)(b) fsfs圖62 2ASK信號的功率譜密度 SSASKTfB/222SSTf1ST 2ASK信號的功率譜是基帶信號功率譜的線性搬移，其頻譜寬度是二進制基帶信號的兩倍。由于基帶信號是矩形波，其頻譜寬度從理論上來說為無窮大，以載波為中心頻率，在功率譜密度的第一對過零點之間集中了信號的主要功率，因此,通常取第一對過零點的帶寬作為傳輸帶寬，稱之為譜零點帶寬。0f 3. 2ASK信號的解調(diào) 解調(diào)方式：相干解調(diào)和非相干解調(diào)。 圖6-4 2ASK信號解調(diào)器原理框圖 （1）相干解調(diào) 乘法器實現(xiàn)ASK頻譜的再次搬移，使數(shù)字調(diào)制信號的頻譜搬回到零頻附近；LPF去除乘法器產(chǎn)生的高頻分量，濾

5、出數(shù)字調(diào)制信號。BPF濾除接收信號頻帶以外的噪聲干擾，并保證信號完整地通過。乘法器輸出 tttyASK0cos)()(ttnTtgaAnSn00coscos)(LPF輸出 由于噪聲及信道特性的影響， LPF輸出的數(shù)字信號是不標準的，通過對信號再采樣，利用判決器對采樣值進行判決，便可以恢復原“1”、“0”數(shù)字序列。 應該注意本地載波要與發(fā)送在波同頻同相，以保證數(shù)據(jù)的正確解調(diào)。 )(2cos120SnnnTtgatAtnTtgaAnTtgaASnnSnn02cos)(2)(2)(2)(SnnnTtgaAtx圖6-5 2ASK信號相干解調(diào)過程的各點波形 （2） 非相干解調(diào) 利用包絡檢波器來實現(xiàn)， L

6、PF濾除包絡信號中的高頻成分，平滑包絡信號。比非相干解調(diào)實現(xiàn)容易。 2FSK是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息的。在二進制情況下，1對應于載波頻率 ，0對應于載波頻率 。2FSK信號在形式上如同兩個不同頻率交替發(fā)送的ASK信號相疊加。1f2f62 二進制頻移鍵控 圖6-7 2FSK信號的波形 式中： 是寬度為 的基本矩形脈沖， 表示 的非。 頻差 ：兩個載頻之間的間隔。 中心頻率 ：兩個載頻的平均值tnTtgatnTtgatnSnnSnFSK21cos)(cos)()()(tgSTnana12fffssfffffh21因此已調(diào)信號的時域表達式為定義調(diào)制指數(shù)（或頻移指數(shù)） 為h212fffcfc

7、f0cos 1 cos)(21tAtAtFSK圖68 2FSK信號功率譜 fc fsfcfc fsfP2FSK( f )h0.5h0.7h1.5 圖68給出了h0.5、h=0.7、h=1.5時2FSK信號的功率譜示意圖。功率譜以fc為中心對稱分布。在f較小時功率譜為單峰。隨著f的增大，f1和f2之間的距離增大，功率譜出現(xiàn)了雙峰。2FSK信號的第一頻譜零點帶寬可近似表示為式中, 為基帶信號的帶寬或者說是基帶信號的碼元速率。sfsFSKfffB2122圖6-9 2FSK信號調(diào)制器原理框圖2FSK信號的調(diào)制方法 2FSK信號常用的解調(diào)方法有相干解調(diào)，非相干解調(diào)和過零檢測法等。3. 2FSK3. 2F

8、SK信號的解調(diào)信號的解調(diào) 圖圖6-10 2FSK信號解調(diào)器原理框圖信號解調(diào)器原理框圖 設 代表“1”碼， 代表“0”碼。中心頻率為 的帶通濾波器和中心頻率為 的帶通濾波器可將兩者分開 ，把代表“1”碼的 和代表“0”碼的 分成兩路ASK信號，采用相干解調(diào)方式解調(diào)。采樣判決可恢復原數(shù)據(jù)序列。)(2ty1.相干解調(diào)1212tAtytAty2211cos)(cos)()(1ty乘法器輸出tAAttAtxtAAttAtx222211112cos22coscos)(2cos22coscos)(LPF輸出判決準則： 判為“1”， 判為“0” 。 0)(2)(21tvAtv2)(20)(21Attv21vv

9、 21vv 圖6-11 2FSK信號相干解調(diào)過程的各點波形 2FSK信號的過零點數(shù)隨載頻的變化而不同，因此，檢測出過零點數(shù)就可以得到載頻的差異，從而進一步得到調(diào)制信號的信息。過零檢測法的原理框圖及各點波形如圖6-12,6-13所示。FSK信號經(jīng)限幅、微分、整流后形成與頻率變化相對應的脈沖序列，由此再形成相同寬度的矩形波。此矩形波的低頻分量與數(shù)字信號相對應，由低通濾波器濾出低頻分量，然后經(jīng)抽樣判決，即可得到原始的數(shù)字調(diào)制信號。2.過零檢測法圖6-12 2FSK信號過零檢測法解調(diào)原理框圖圖6-13 2FSK信號過零檢測法的各點波形 二進制相移鍵控（2PSK）是用二進制數(shù)字信號控制載波的兩個相位，這

10、兩個相位通常相隔弧度，例如用相位0和分別表示1和0，所以這種調(diào)制又稱二相相移鍵控（BPSK）。二進制相移鍵控信號的時域表達式為 63 二進制相移鍵控tnTtgaAtsnSnPSK02cos)()(這里的 為雙極性數(shù)字信號，即PPan111概率為概率為na 如果 是幅度為1，寬度為 的矩形脈沖，則2PSK信號可表示為2PSK信號的典型波形如圖616所示。)(tgtAtsPSK02cos)(sT圖6-16 2PSK信號的波形圖6-17 2PSK信號的功率譜密度示意圖 2PSK信號與2ASK信號相比較，它們的表達式在形式上是相同的，其區(qū)別在于2PSK信號是雙極性不歸零碼的雙邊帶調(diào)制，而2ASK信號是

11、單極性非歸零碼的雙邊帶調(diào)制。由于雙極性不歸零碼沒有直流分量，因此2PSK信號是抑制載波的雙邊帶調(diào)制。這樣，2PSK信號的功率譜與2ASK信號的功率譜相同，只是少了一個離散的載波分量，也屬于線性調(diào)制。 2PSK信號的帶寬與2ASK信號的帶寬相同，即ssTf1其中sASKPSKfBB22212PSK信號的調(diào)制方法2PSK信號的調(diào)制與解調(diào)方法圖6-18 2PSK信號調(diào)制器原理框圖22PSK信號的解調(diào)方法 由于2PSK信號的功率譜中無載波分量，因此必須采用相干解調(diào)的方式。圖6-19 2PSK信號相干解調(diào)原理框圖圖6-20 2PSK信號相干解調(diào)過程的各點波形表61 2PSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程 碼元相位

12、表示碼元所對應的2PSK信號的相位，1和2表示相位為的PSK信號分別與相位為1和2的本地載波相乘。這樣我們看到本地載波相位的不確定性造成了解調(diào)后的數(shù)字信號可能極性完全相反，形成1和0的倒置，引起信息接收錯誤。為了克服相位模糊對于解調(diào)的影響，通常要采用差分相移鍵控的調(diào)制方法。6.4 二進制差分相移鍵控二進制差分相移鍵控的基本原理 為了解決2PSK信號解調(diào)過程中的相位模糊問題，提出了二進制差分相移鍵控（2DPSK）方式。2DPSK方式是用前后相鄰碼元載波相位的相對變化來表示數(shù)字信息。 相對相位指本碼元載波初相與前一碼元載波終相的相位差。例如，“1”碼載波相位變化,即與前一碼元載波終相差，“0”碼載

13、波相位不變化，即與前一碼元載波終相相同。圖6-21 2DPSK信號的波形圖6-22 2DPSK信號調(diào)制器原理框圖2DPSK信號的調(diào)制方法 差分碼可取傳號差分碼或空號差分碼。傳號差分碼的編碼規(guī)則為 式中, 為模2加， 為 的前一個碼元，最初的 可任意設定。由已調(diào)信號的波形可知，在使用傳號差分碼的條件下，載波相位遇1變而遇0不變,載波相位的這種相對變化就攜帶了數(shù)字信息。1nnnbab1nbnb1nb例如差分編碼器輸入碼無（絕對碼） 1 1 0 1 0 1差分編碼器輸出碼無（相對碼）（0）1 0 0 1 1 0 或（1）0 1 1 0 0 1用相對碼進行絕對調(diào)相： 相對碼 （0） 1 0 0 1 1

14、 0 已調(diào)信號相位 （0） 0 0 0 1）相干解調(diào) 2DPSK信號相干解調(diào)出來的是差分調(diào)制信號，2PSK相干解調(diào)器之后再接一差分譯碼器，將差分碼變換為絕對碼，就可得原調(diào)制信號序列。2DPSK信號的解調(diào)方法圖623 2DPSK相干解調(diào)器及各點波形 abcdef1000110抽樣判決器帶通相乘器低通碼(反)變換器2DPSK信號acdef二進制信息位定時本地載波b表62 2DPSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程 2DPSK信號的另一種解調(diào)方法是差分相干解調(diào)（又稱延遲解調(diào)），其方框圖和波形圖如圖717所示。用這種方法解調(diào)時不需要恢復本地載波，可由收到的信號單獨完成。將DPSK信號延時一個碼元間隔Ts，然后與D

15、PSK信號本身相乘（相乘器起相位比較的作用），相乘結(jié)果經(jīng)低通濾波后再抽樣判決即可恢復出原始數(shù)字信息。 只有DPSK信號才能采用這種解調(diào)方法。 圖圖6-24 2DPSK信號差分相干解調(diào)原理框圖及各點波形信號差分相干解調(diào)原理框圖及各點波形表63 2DPSK信號的調(diào)制和延遲解調(diào)過程 6.5 各種二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較表64 二進制數(shù)字調(diào)制的誤碼率公式 221rerfc221rerfcrerfc21rerfcrerfc14/21rere212/21re/圖6-26 各種二進制數(shù)字調(diào)制的誤碼率曲線6.6 多進制數(shù)字調(diào)制 用多進制的數(shù)字基帶信號調(diào)制載波，就可以得到多進制數(shù)字調(diào)制信號。通常，取多進制數(shù)

16、M為2的冪次 。當攜帶信息的參數(shù)分別為載波的幅度、頻率或相位時，數(shù)字調(diào)制信號為M進制幅度鍵控（MASK）、M進制頻移鍵控（MFSK）或M進制相移鍵控（MPSK）。 當信道頻帶受限時，采用M進制數(shù)字調(diào)制可以增大信息傳輸速率，提高頻帶利用率。kM2 1MASK信號的表達 在M進制的幅度鍵控信號中，載波幅度有M種取值。當基帶信號的碼元間隔為Ts時，M進制幅度鍵控信號的時域表達式為 式中， 為基帶信號的波形, 為載波的角頻率， 為幅度值， 有M種取值。 tnTtgatscnnnMASKcos)()()(tgnacna 2MASK信號調(diào)制 MASK信號相當于M電平的基帶信號對載波進行雙邊帶調(diào)幅。圖627

17、示意性畫出2ASK信號和4ASK信號的波形。圖627 （a）為四電平基帶信號b(t)的波形，圖627 （b）為4ASK信號的波形。圖627 （b）所示的4ASK信號波形可等效為圖627 （c）中的4種波形之和，其中3種波形分別是一個2ASK信號。 這就是說，MASK信號可以看成是由時間上互不相容的M-1個不同振幅值的2ASK信號的疊加。 (a)(b)TsB(t)000000s4ASK(t)s0(t)s1(t)s2(t)s3(t)1230102301tttttt(c)圖 627 所以MASK信號的功率譜，便是這M-1個信號的功率譜之和。盡管疊加后功率譜的結(jié)構(gòu)是復雜的，但就信號的帶寬而言，當碼元速

18、率Rs相同時，MASK信號的帶寬與2ASK信號的帶寬相同，都是基帶信號帶寬的2倍。但是M進制基帶信號的每個碼元攜帶有 比特信息，這樣在帶寬相同的情況下，MASK信號的信息速率是2ASK信號的 倍?；蛘哒f在信息速率相同的情況下MASK信號的帶寬僅為2ASK信號的 。M2logM2log/1 MASK的調(diào)制方法與2ASK相同，但是首先要把基帶信號由二電平變?yōu)镸電平。將二進制信息序列分為 個一組， ，然后變換為 電平基帶信號。 電平基帶信號對載波進行調(diào)制，便可得到MASK信號。Mk2logkMM【例】 對數(shù)字基帶序列為01111000010010110001進行4ASK調(diào)制。 解: ，故首先將序列每

19、兩個一組變換為4電平信號，即用4組二進制碼對4種電平編碼。我們用00表示0，01表示1，10表示2，11表示3。當然，編碼方式不唯一。則原序列變?yōu)樗碾娖叫蛄校?320102301（如圖627（a）對載波調(diào)制后，可得4MASK波形如圖627（b）所示。2log42k 3MASK信號解調(diào) MASK信號的解調(diào)可以采用包絡檢波或相干解調(diào)的方法，其原理與2ASK信號的解調(diào)完全相同。 6.6.2 多進制頻移鍵控（MFSK） 在MFSK中，載波頻率有M種取值。MFSK信號的表達式為 式中， 為單位符號的信號能量； 為載波角頻率,有M種取值。 1, 1 , 0,0,cos2)(MiTttTEtssissMFS

20、KsEi圖6-29 4FSK信號舉例 MFSK調(diào)制可用頻率選擇法實現(xiàn)，如圖6-30所示。二進制信息經(jīng)串并變換后形成M種形式，通過邏輯電路分別控制M個振蕩源。MFSK信號通常用非相干解調(diào)，如圖6-30所示。圖6-30 多進制頻移鍵控系統(tǒng)的原理框圖 6.6.3 多進制相移鍵控（MPSK） 1MPSK信號的表達 在M進制相移鍵控（MPSK）中，載波相位有M種取值。當基帶信號的碼元間隔為Ts時，MPSK信號可表示為 式中， 為信號在一個碼元間隔內(nèi)的能量， 為載波角頻率， 為有M種取值的相位。1, 1 , 0),cos(2)(MitTEtsicssMPSKsEciM2log/1 MPSK信號的頻帶寬度應與MASK信號的頻帶寬度相同。與MASK信號一樣，當信息速率相同時