6.1二進制幅度鍵控(2ASK)系統(tǒng)

6.2二進制頻移鍵控(2FSK)系統(tǒng)

6.3二進制相移鍵控(2PSK)系統(tǒng)

6.4二進制鍵控調制方式的性能比較6.5多進制鍵控調制方式

6.6現(xiàn)代先進數(shù)字調制技術簡介

本章小結習題

實訓62ASK調制與解調實驗

實訓72FSK調制與解調實驗實訓82PSK調制與解調實驗

實訓92DPSK調制與解調實驗

數(shù)字基帶信號能否直接在信道中傳輸與信道的傳輸特性有關。數(shù)字基帶信號具有豐富的低頻成分，但現(xiàn)有的許多信道(包括信道端口的一些設備)的傳輸特性并不能使這些成

分有效地傳輸。圖6.0.1所示是一個模擬電話用戶線信道的例子。模擬電話用戶線是指從交換機到電話終端之間的線路，包括交換機中的用戶電路和雙絞線，專用于傳送話音信號。概述盡管雙絞線的傳輸特性可以使低頻甚至直流成分通過，但由于在交換機用戶端口設置了一個通帶范圍為300～3400Hz的濾波器，總的信道傳輸頻率范圍被限制在300～3400Hz，因此含有低頻分量的數(shù)字基帶信號就無法通過這個信道?？梢栽O想，如果將信號的頻譜搬移一下，如圖6.0.1(b)所示，基帶信號就變成頻帶信號，這個問題就可以解決。圖6.0.1模擬電話用戶線的信號傳輸(a)信號頻譜與信道傳輸特性不匹配；

(b)頻譜搬移后信號可以通過信道有的信道有很寬的頻率范圍，但用戶的信息帶寬卻很窄，用這樣的信道去傳輸一個用戶的信號顯然會造成頻率資源的浪費。這時可以將一個信道按頻率劃分成多個子信道，每個信道分配一個載波，傳送一個用戶的信號，這種方式稱為頻分多路復用(FDM)。數(shù)字基帶信號的頻譜必須搬到對應的子信道上。

綜上所述，數(shù)字基帶信號在很多場合要通過頻譜搬移才能滿足信號傳輸?shù)囊?，這種頻譜搬移可以通過對特定頻率正弦波的調制來實現(xiàn)。與模擬通信相似，要使某一數(shù)字信號在帶限信道中傳輸，就必須用數(shù)字信號對載波進行調制。對于大多數(shù)數(shù)字傳輸系統(tǒng)來說，由于數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻成分，而實際的通信信道又具有帶通性，因此，必須用數(shù)字信號調制某一較高頻率的正弦或脈沖載波，使已調信號能通過帶限信道傳輸。這種用數(shù)字基帶信號控制高頻載波，把基帶信號變換成數(shù)字頻帶信號的過程稱為數(shù)字調制。已調信號通過信道傳輸?shù)浇邮斩?，通過解調器把數(shù)字頻帶信號還原成數(shù)字基帶信號。這種數(shù)字信號的反變換稱為數(shù)字解調。通常，把數(shù)字調制和解調合起來稱為數(shù)字調制，把包括調制和解調過程的傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字信號的頻帶傳輸系統(tǒng)。與數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)相比，數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)是包含有調制、解調的數(shù)字通信系統(tǒng)，基帶傳輸系統(tǒng)中沒有調制、解調裝置。與模擬頻帶傳輸系統(tǒng)相比，數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的調制、解調與模擬頻帶傳輸系統(tǒng)的調制、解調并無本質上的區(qū)別，都是為了頻譜搬移，以有效地傳輸信息，區(qū)別在于其基帶信號一個是模擬的，一個是數(shù)字的。模擬基帶信號對載波的參量進行連續(xù)調制，在接收端對載波參量進行連續(xù)估值；數(shù)字基帶信號對載波的參量進行離散調制，由載波的某些離散狀態(tài)表征所傳送的信息，在接收端也只要對載波信號的離散調制參量進行檢測。數(shù)字調制和解調除了可用模擬信號的調制和方式外，還可用數(shù)字電路建立的鍵控法來實現(xiàn)，它具有調制變換速率快、調整測試方便、體積小和設備可靠性高等特點。目前所使用的數(shù)字調制方式有多種類型，例如正交振幅調制(QAM)、交錯四相移位鍵控(OQPSK)、最小移位鍵控(MSK)等。本章重點討論的是最基本的幾種調制方式，它們是幅度鍵控(或稱幅移鍵控，簡記OOK或ASK)、頻率鍵控(或稱頻移鍵控，簡記FSK)和相位鍵控(或稱相移鍵控，簡記PSK)。ASK是用數(shù)字基帶信號改變高頻連續(xù)載波振幅的調制方式，它使得高頻載波的振幅按照數(shù)字基帶信號的離散取值變化。FSK是用數(shù)字基帶信號改變高頻載波頻率的調制方式，它使得高頻載波的頻率按照數(shù)字基帶信號的離散取值變化。PSK是用數(shù)字基帶信號改變高頻載波相位的調制方式，它使得高頻載波的相位按照數(shù)字基帶信號的離散取值變化。為了能清楚地理解各種基本數(shù)字調制方式的工作原理、實現(xiàn)方法及已調信號的頻譜特點和信號帶寬等，下面以數(shù)字基帶信號為二進制的調制與解調為例進行討論。它們分別被稱為二進制幅度鍵控(2ASK)、二進制頻移鍵控(2FSK)和二進制相移鍵控(2PSK和2DPSK)。6.1.1二進制幅度鍵控的調制機理

1．信號波形

在幅度鍵控系統(tǒng)中載波幅度隨著調制信號的變化而變化。即載波的幅度隨著數(shù)字信號“1”和“0”在兩個電平之間轉換。圖6.1.1所示是一個2ASK信號波形的例子，正弦載波的有無受信碼控制。當信碼為“1”時，2ASK的波形是若干個周期的高頻等幅波(圖中為3個周期)；當信碼為“0”時，2ASK信號的波形是零電平。6.1二進制幅度鍵控(2ASK)系統(tǒng)圖6.1.12ASK信號波形可見，數(shù)字信號為“1”時，調制的結果為原載波正弦波，數(shù)字信號為“0”時調制結果為0，如同開關鍵一樣，具有通斷鍵控的效果。這種調制稱之為幅度鍵控(AmplitudeShiftKeying，ASK)。

2．二進制幅度鍵控的方法

根據線性調制的原理，一個二進制幅度鍵控信號可以表示成一個單極性矩形脈沖序列與一個正弦載波的乘積，即

(6-1-1)式中，g(t)是時間為Ts的矩形脈沖；

ωc為載波頻率；an為二進制數(shù)字，

若令(6-1-3)(6-1-2)(6-1-4)則式(6-1-1)便為實現(xiàn)2ASK的一般原理方框圖如圖6.1.2所示。圖6.1.22ASK的原理方框圖

圖中，基帶信號形成器把數(shù)字序列{an}轉換成所需的單極性基帶矩形脈沖序列f(t)，f(t)與載波相乘后即把f(t)的頻譜搬移到載頻fc處，從而實現(xiàn)了2ASK。帶通濾波器濾出所需的已調信號，防止帶外輻射影響鄰近電臺。

2ASK信號之所以也稱為OOK(OnOffKeying)信號，是因為幅度鍵控的實現(xiàn)可以用開關電路來完成。開關電路以數(shù)字信號為門脈沖來選通載波信號，以在開關電路輸出端獲得2ASK信號。實現(xiàn)2ASK信號的電路模型如圖6.1.3所示。圖6.1.32ASK信號電路模型

3．2ASK信號的功率譜及帶寬

若用G(ω)表示二進制序列中一個寬度為Ts、高度為1的門函數(shù)g(t)所對應的頻譜函數(shù)，Pf(ω)為f(t)的功率譜，P2ASK(ω)為已調信號s2ASK(t)的功率譜，則有

(6-1-5)

2ASK信號的功率譜如圖6.1.4所示。圖6.1.42ASK信號的功率譜由該圖可見：

(1)因為2ASK信號的功率譜P2ASK(ω)是相應單極性數(shù)字基帶信號的功率譜Pf(ω)形狀不變地平移至±ωc處形成的，所以2ASK信號的功率譜密度由連續(xù)和離散譜兩部分組成。它的連續(xù)譜取決于數(shù)字基帶信號脈沖的頻譜G(ω)；它的離散譜是位于±ωc處一對頻域沖激函數(shù)。這意味著2ASK信號中包含有可作載波同步的載波頻率ωc的成分。

(2)基于同樣的原因可以知道，上面所述的2ASK信號實際上相當于雙邊帶調幅(DSB)信號。因此，由圖6.1.4可以看出，2ASK信號的帶寬B2ASK是單極性基帶信號帶寬Bg的兩

倍。當數(shù)字基帶信號的基本脈沖是矩形不歸零脈沖時，Bg=1/Ts。于是2ASK信號的帶寬為

(6-1-6)因為系統(tǒng)的碼元速率Rs=1/Ts(Baud)，故2ASK系統(tǒng)的頻帶利用率為

(6-1-7)

這意味著用2ASK方式傳送碼元速率為Rs的數(shù)字信號時，要求該系統(tǒng)的帶寬至少為2Rs(Hz)。由此可見，2ASK的頻帶利用率低，即在給定信道帶寬的條件下，它的單位頻帶內所能傳送的數(shù)碼率較低。為了提高頻帶利用率，可以用單邊帶調幅。從理論上說，單邊帶調幅的頻帶利用率可以比雙邊帶調幅的提高一倍，即其每單位帶寬所能傳輸?shù)臄?shù)碼率可達1Baud/Hz。

2ASK信號的主要的優(yōu)點是易于實現(xiàn)，其缺點是抗干擾能力較差，主要應用在低速數(shù)據傳輸中。6.1.2二進制幅度鍵控的信號解調

2ASK信號的解調由振幅檢波器完成，具體方法主要有兩種：包絡解調法和相干解調法。

包絡解調的原理框圖如圖6.1.5(a)所示。帶通濾波器恰好使2ASK信號完整通過，經過包絡檢波后，輸出其包絡。低通濾波器的作用是濾除高頻雜波，使基帶包絡信號通過。抽樣判決器包括抽樣、判決及碼元形成，有時又稱譯碼器。定時抽樣脈沖是很窄的脈沖，通常位于每個碼元的中央位置，其重復周期等于碼元寬度。圖6.1.52ASK信號的包絡解調圖中，a為不計噪聲影響時，帶通濾波器輸出的2ASK信號，即a=f(t)cosωct，整流后的信號為b，低通濾波器輸出為c，經抽樣、判決后將碼元再生，即可恢復出數(shù)字序列d={an}。

相干解調的原理框圖如圖6.1.6(a)所示。相干解調又稱為同步解調。同步解調時，接收機要產生一個與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號，稱其為同步載波或相干載波。利用此載波與接收到的已調波相乘，可得

(6-1-8)式中，第一項是基帶信號，第二項是以2ωc為載波的成分，兩者頻譜相差很遠。經低通濾波后，即可輸出f(t)/2。低通濾波器的截止頻率取得與基帶數(shù)字信號的最大頻率相等。

由于噪聲影響及傳輸特性的不理想，低通濾波器輸出波形有失真，經抽樣判決、整形后可再生數(shù)字基帶脈沖。圖6.1.6

2ASK信號的相干解調圖中，a為2ASK信號，b為同步載波波形，c為a、b相乘的波形，d為低通濾波器輸出的低頻信號波形，e為抽樣判決器輸出的基帶數(shù)字信號的波形。

雖然2ASK信號含有載波分量，原則上講可以通過窄帶濾波器或鎖相環(huán)來提取同步載波，但是，從2ASK信號中提取載波需要相應的電路，會增加設備的復雜性。

因此，目前在實際設備中，為了簡化設備，很少采用同步檢波來解調2ASK信號。6.2.1二進制頻移鍵控的調制機理

1．信號波形

數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來傳送數(shù)字信息的，即用所傳達的數(shù)字信息控制載波的頻率。由于數(shù)字信息只有有限個值，相應地，作為已調的FSK信號的頻率也只能有有限個值。

那么，2FSK信號便是數(shù)字信號“1”對應的載頻為ω1(=2πf1)，數(shù)字信號“0”對應的載頻為ω2(=2πf2)(ω2是與ω1不同的另一個載頻)的已調波形，而且ω1與ω2之間的改變是瞬間完成的。其示例波形如圖6.2.1所示(圖中f1=2f2)。6.2二進制頻移鍵控(2FSK)系統(tǒng)圖6.2.12FSK信號的波形

2．二進制頻移鍵控(2FSK)信號實現(xiàn)的方法

從原理上講，2FSK信號可用模擬調頻法來實現(xiàn)，也可用鍵控法來實現(xiàn)，但后者較為方便。

2FSK鍵控法通過受矩形脈沖序列控制的開關電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通。

圖6.2.2所示是2FSK信號產生的方框圖。圖中f(t)為表示信息的二進制矩形脈沖序列；s2FSK(t)是2FSK信號。因為相鄰兩個振蕩波形的相位可能是連續(xù)的，也可能是不連續(xù)的，因此，有相位連續(xù)的FSK及相位不連續(xù)的FSK之分，并分別記作CPFSK(ContinuousPhaseFSK)及DPFSK(DiscretePhaseFSK)。圖6.2.22FSK信號產生方框圖由上述對2FSK信號產生原理的分析，已調信號的數(shù)字表達式可表示為

(6-2-1)式中，g(t)是周期為Ts的矩形脈沖；an為數(shù)字信號f(t)的具體形式，

(6-2-2)

是an的反碼，如an＝0，則＝1；an＝1，則＝0，于是

(6-2-3)

下面討論模擬調頻法和鍵控法，它們分別對應相位連續(xù)的FSK和相位不連續(xù)的FSK。

1)模擬調頻法——直接調頻法(產生相位連續(xù)2FSK信號)用數(shù)字基帶矩形脈沖信號去控制一個振蕩器的某些參數(shù)，直接改變振蕩頻率，使其輸出不同頻率的已調信號。用此方法產生的2FSK信號對應兩個不同頻率的載波，且在碼元轉換時刻，兩個載波相位保持連續(xù)，所以稱其為相位連續(xù)的2FSK信號。

圖6.2.3所示給出了輸出為正弦波的直接調頻法產生的2FSK信號的模擬電路原理圖。圖中是用數(shù)字基帶信號控制電容C1是否接入LC振蕩回路來改變振蕩器輸出頻率的。當數(shù)字信號為正時，V1、V2

截止，電容C1未接入諧振回路，這時的振蕩頻率)；當數(shù)字信號為負時，V1、V2導通，C1接入諧振回路，當C3>>C1時，振蕩頻率為))(為C1折合到振蕩回路兩端的等效電容)。圖6.2.3直接調頻法產生2FSK信號

2)鍵控法——頻率鍵控法(相位不連續(xù)的2FSK信號的產生)

如果在兩個碼元轉換時刻，前后碼元的相位不連續(xù)，則稱這種類型的信號為相位不連續(xù)的2FSK信號。鍵控法又稱為頻率轉換法，這種方法用數(shù)字矩形脈沖控制電子開關，使電子開關在兩個獨立的振蕩器之間進行轉換，從而在輸出端獲得不同頻率的已調信號。其原理方框圖及各點波形如圖6.2.4所示。圖6.2.4相位不連續(xù)2FSK信號的產生和各點波形由圖6.2.4可知，數(shù)字信號s(t)為“1”時，正脈沖使門1接通，門2斷開，輸出頻率為f1；數(shù)字信號s(t)為“0”時，門1斷開，門2接通，輸出頻率為f2。如果產生f1和f2的兩

個振蕩器是獨立的，則輸出的2FSK信號的相位是不連續(xù)的。這種方法的特點是轉換速率較快、波形好、頻率穩(wěn)定度高、電路比較簡單，故得到廣泛的應用。

3．2FSK信號的功率譜及帶寬

2FSK信號的功率譜也有兩種情況，即相位不連續(xù)和連續(xù)的2FSK功率譜及帶寬。

1)相位不連續(xù)的2FSK的情況

通過前面對相位不連續(xù)2FSK信號產生原理的分析，這種情況可視為兩個2ASK信號的疊加，其中一個的載波為f1，另一個的載波為f2。因此，相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜可以看成兩個2ASK信號的功率譜在頻率軸上分別搬移后再疊加。其功率譜曲線如圖6.2.5所示。由圖可見：圖6.2.5相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜

(1)相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜與2ASK信號的功率譜相似，同樣由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。其中，連續(xù)譜與2ASK信號的相同，而離散譜是位于±f1、±f2處的兩對沖激信號，這表明2FSK信號中含有載波f1和f2的分量。

(2)若僅計算2FSK信號功率譜第一個零點之間的頻率間隔，該2FSK信號的頻帶寬度則為

B2FSK=|f2-f1|+2Rs=(2+h)Rs

(6-2-4)式中，Rs=fs為基帶信號的帶寬，h=|f2-f1|/Rs為偏移率。為了便于接收端的解調，要求2FSK信號的兩個頻率f1、f2間要有足夠的間隔。對于采用帶通濾波器來分路的解調方法，通常取|f2-f1|=(3~5)Rs。于是，2FSK信號的帶寬為

B2FSK≈(5~7)Rs

(6-2-5)相應地，這時2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率為

(6-2-6)

2)相位連續(xù)的2FSK的情況

直接調頻法是一種非線性調制，由此而獲得的2FSK信號的功率譜既不像2ASK信號的功率譜，也不像相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜，它不能通過對基帶信號的功率譜在頻率軸上直接搬移，并線性疊加來描繪。因此對相位連續(xù)的2FSK信號頻譜的分析是十分的復雜的。這里不再詳細敘述。6.2.2二進制頻移鍵控(FSK)信號的解調

數(shù)字調頻信號的解調方法很多，可以分為線性鑒頻法和分離濾波法兩大類。線性鑒頻法有模擬鑒頻法、過零檢測法、差分檢測法；分離濾波法又包括相干檢測法、非相干檢測法以及動態(tài)濾波法等。非相干檢測的具體解調電路利用包絡檢波法；相干檢測的具體解調電路利用同步檢波法。下面，介紹3種常用的解調方式。

1.過零檢測法

單位時間內信號經過零點的次數(shù)可用以衡量頻率的高低。數(shù)字調頻波的過零點次數(shù)隨載頻不同而異，故檢出過零數(shù)可以得到有關頻率的差異，這就是過零檢測法的基本思想。

過零檢測法又稱為零交點法、計數(shù)法。其原理方框圖及各點波形如圖6.2.6所示。圖6.2.6過零檢測法方框圖及各點波形圖考慮一個相位連續(xù)的FSK信號a，經放大限幅得到一個矩形方波b，經微分電路得到雙向微分脈沖c，經全波整流得到單向尖脈沖d。單向尖脈沖的密集程度反映了輸入信號的頻率的高低，尖脈沖的個數(shù)就是過零點的數(shù)目。單向脈沖觸發(fā)一脈沖發(fā)生器，產生一串幅度為E、寬度為τ的矩形歸零脈沖e。脈沖串e的直流分量可表示信號的頻率，脈沖越密，直流分量越大，數(shù)字信號的頻率越高。經低通濾波器可得到脈沖串e的直流分量f，這樣就完成了頻率—幅度變換，再根據直流分量幅度上的區(qū)別可還原數(shù)字信號“1”和“0”。

2.包絡檢測法

2FSK信號的包絡檢測的方框圖及波形如圖6.2.7所示。用兩個窄帶的帶通濾波器分別濾出頻率為f1及f2的高頻脈沖，通過包絡檢測器分別取出它們的包絡，把兩路輸出同時送到

抽樣判決器進行比較，以得到基帶數(shù)字信號。圖6.2.72FSK信號包絡檢波方框圖及波形設頻率f1代表數(shù)字信號“1”，f2代表數(shù)字信號“0”，則抽樣判決器的判決準則應為

(6-2-7)

式中，

v1、v2分別為抽樣時刻兩個包絡檢波器的輸出值。這里的抽樣判決器，要比較v1、v2的大小，或者說把差值v1-v2與零電平比較。也就是說，這種抽樣判決器的判決門限為零電平。

3.同步檢波法

2FSK信號相干解調的方框圖如圖6.2.8所示。圖中兩個帶通濾波器的作用與包絡檢測法中的相同，起分路作用。它們的輸出分別與相應的同步相干載波相乘，再分別經低通濾波器，濾掉二倍頻信號，取出含基帶數(shù)字信息的低頻信號，抽樣判決器在抽樣脈沖到來時對兩個低頻信號進行比較

判決，即還原出基帶數(shù)字信號。圖6.2.82FSK信號相干解調方框圖與2ASK系統(tǒng)相仿，相干解調能提供較好的接收性能，但要求接收機提供頻率準確的相干參考電壓，從而增加了設備的復雜性。

通常，當2FSK信號的頻偏|f2-f1|較大時，多采用包絡檢測法；而|f2-f1|較小時，多采用過零檢測法。數(shù)字相位調制又稱相移鍵控，記作PSK(PhaseShiftKeying)。二進制相移鍵控記作2PSK，多進制相移鍵控記作MPSK。它們是利用載波相位的變化來傳送數(shù)字信息的，通

常又把它們分為絕對相移(CPSK)和相對相移(DPSK)。6.3二進制相移鍵控(2PSK)系統(tǒng)6.3.1二進制絕對相移鍵控(2PSK)信號的調制

1．2PSK信號的時域表達和波形

二進制相移鍵控(2CPSK)利用二進制數(shù)字信號控制載波的兩個相位，這兩個相位通常相隔π，例如用相位0和π分別表示“1”和“0”，所以這種調制又稱為二相相移鍵控。二進制相移鍵控信號的時域表達式為

(6-3-1)式中an為雙極性信號，即

(6-3-2)

如果g(t)是周期為Ts、寬度為1的矩形脈沖，則2PSK信號可以表示為

s2PSK(t)=±cosωct

(6-3-3)當數(shù)字信號的傳輸速率Rs=1/Ts與載波頻率間有整數(shù)倍關系時，2PSK信號的典型波形如圖6.3.1所示。圖6.3.12PSK信號的典型波形將式(6-3-1)所示的2PSK信號與式(6-1-1)所示的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信號是雙極性非歸零碼的雙邊帶調幅，而2ASK信號是單極性非歸零碼的雙邊帶調幅。由于雙極性非歸零碼沒有直流分量，所以2PSK信號是抑制載波的雙邊帶調制。這樣，2PSK信號的功率譜與2ASK信號的功率譜相同，只是少了離散的載波分量。

2．二進制相移鍵控2FSK信號實現(xiàn)的方法

2PSK調制可以利用相乘器或選相開關來實現(xiàn)，如圖6.3.2所示圖6.3.22PSK調制(a)相乘器；(b)相位選擇法6.3.2二進制絕對相移鍵控(2PSK)信號的解調

由于2PSK信號的功率譜中無載波分量，可以采用相干解調的方式進行解調。我們知道，2PSK信號是以一個固定初相的未調載波為參考的，因此，解調時必須有與其同頻同相的同步載波。

如果同步不完善，存在相位偏差，就容易造成錯誤判決，這稱為相位模糊。如果本地參考載波的相位與其反相，則輸出相位正好完全相反，這種相位關系的不確定性也稱為“倒π現(xiàn)象”或“相位模糊”。

2PSK相干解調器如圖6.3.3所示。圖6.3.32PSK相干解調器2PSK信號的調制和解調過程如下：其中碼元相位φ表示碼元所對應的2PSK信號的相位，［φ·φ1］和［φ·φ2］表示相位為φ的2PSK信號分別與相位為φ1和φ2的本地載波相乘。從以上過程可以看到，本地載波相位的不確定性可能使解調后的數(shù)字信號的極性完全相反，形成“1”和“0”的倒置。這對于數(shù)字信號的傳輸來說當然是不能允許的。

圖6.3.4所示為2PSK在不同的載波相位下的解調波形圖。圖6.3.42PSK調制和解調過程的波形6.3.3二進制相對相移鍵控(2DPSK)信號的調制

前面討論的2PSK信號中，相位變化是以未調載波的相位作為參考基準的。由于它利用載波相位的絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息，因而又稱為絕對調相。利用載波相位的相對數(shù)值同樣可以傳送數(shù)字信息。這種方法是利用前后碼元的載波相位的相對變化傳輸數(shù)字信息的，因此又稱為相對調相。

相對調相信號的產生過程是，首先對數(shù)字基帶信號進行差分編碼，即由絕對碼變?yōu)橄鄬Υa(差分碼)，然后再進行絕對調相?；谶@種形成過程，二相相對調相信號稱為二進制差分相移鍵控信號，記為2DPSK。2DPSK調制器的方框圖及波形如圖6.3.5所示。

圖6.3.52DPSK調制器及波形差分碼可取傳號差分或空號差分碼。傳號差分碼的編碼規(guī)則為

(6-3-4)

式中，為模2和，bn-1為bn的前一個碼元。最初的bn-1

可任意設定。由已調信號的波形可知，若使用傳號差分碼，則載波相位遇“1”變而遇“0”不變，載波相位的這種相對變化便攜帶了數(shù)字信息。6.3.4二進制相對相移鍵控(2DPSK)信號的解調

1．2DPSK信號解調

對DPSK信號也要進行相干解調。由于本地載波相位倒π現(xiàn)象的影響，解調得到的相對碼也可能是“1”和“0”倒置的。但由相對碼恢復為絕對碼時，要進行以下規(guī)則的差分譯碼：

(6-3-5)這樣得到的絕對碼不會發(fā)生任何倒置的現(xiàn)象。DPSK信號的相干解調之所以能克服載波“倒π現(xiàn)象”，就是因為數(shù)字信息是用載波相位的相對變化來表示的。2DPSK的相干解調器和各點波形如圖6.3.6所示。圖6.3.62DPSK相干解調器及各點波形

DPSK信號的另一種解調方法稱為相位比較法相干解調或差分相干解調，其原理框圖和波形如圖6.3.7所示。圖6.3.72DPSK相位比較法相干解調器及各點波形這種解調方法不需要恢復本地載波，只需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DPSK信號相乘。相乘器起相位比較的作用。相乘結果經低通濾波器濾波后再抽樣判決，即可恢復出原始數(shù)字信息。相位比較法相干解調又稱延遲解調，只有DPSK信號才能采用這種方法解調。

差分相干解調不需要相干載波，除抗噪聲能力方面有所損失外，其他性能均優(yōu)于絕對調相的相干解調。

2．2PSK信號的頻譜

由前面討論可知，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，2PSK和2DPSK信號具有相同形式的表達式，所不同的是，2PSK表達式中的f(t)是數(shù)字基帶信號，2DPSK表達式中的f(t)是由數(shù)字基帶信號變換而來的差分碼數(shù)字信號。它們的功率譜是相同的，可用式(6-3-6)表示。

(6-3-6)

其功率譜如圖6.3.8所示。圖6.3.82PSK(或2DPSK)信號的功率譜可見，二進制相移鍵控信號的頻譜成分與2ASK信號的相同，當基帶脈沖幅度相同時，其連續(xù)譜的幅度是2ASK連續(xù)譜幅度的4倍。當P=1/2時，無離散分量，此時二相相移鍵控信號實際上相當于抑制載波的雙邊帶信號。其信號帶寬為

B2PSK或2DPSK=2Bs=2fs

(6-3-7)與2ASK的相同，是碼元速率的兩倍。

這就表明，在數(shù)字調制中，2PSK、2DPSK的頻譜特性與2ASK的十分相似。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(shù)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(shù)字調相同線性調制的數(shù)字調幅就聯(lián)系起來了，為此可以把數(shù)字調相信號當作線性調制信號來處理，但不能把上述概念推廣到所有調相信號中去。6.4.12ASK信號的抗噪聲性能

2ASK信號的解調有兩種方法，即非相干解調法和相干解調法，兩者的抗噪聲性能不盡相同，現(xiàn)分別予以討論。參看圖6.1.6所示的2ASK信號相干解調圖，考慮到信道疊加高斯白噪聲，討論2ASK信號相干解調時系統(tǒng)的誤比特率。6.4二進制鍵控調制方式的性能比較經過相應的分析和推導，考慮到解調器輸入的信號功率為A2/2，噪聲功率為σ2，則

2ASK信號相干解調的誤比特率可表示為

(6-4-1)

式中，，為接收信噪比。當γ<<1，即大信噪比時，式(6-4-1)可變?yōu)?/p>

(6-4-2)

參看圖6.1.5所示2ASK信號非相干解調圖，也即包絡解調，同時也考慮到信道疊加高斯白噪聲，2ASK信號的非相干解調系統(tǒng)的誤比特率為

(6-4-3)

通過比較，當信噪比比較低時，要達到相同的誤碼率，相干解調比包絡解調要求的信噪比低。因此在較低的信噪比情況下，相干解調的性能優(yōu)于包絡解調，但相干解調設備復雜，而當信噪比較大時，二者性能相當。由于包絡解調設備簡單，故應用比較廣泛。6.4.22FSK信號的抗噪聲性能

2FSK信號相干解調的抗噪聲性能的分析方法和2ASK信號相干解調的很相似，而且得到的結論也相似。

參看圖6.2.8，當解調器輸入信噪比為時，2FSK信號相干解調的誤比特率為

(6-4-4)當γ1，即大信噪比時，式(6-4-4)可變?yōu)?/p>

(6-4-5)

參看圖6.2.7，當解調器輸入信噪比時，2FSK信號非相干解調的誤比特率為

(6-4-6)將式(6-4-4)和式(6-4-6)比較，可得出以下結論：當信噪比較低時，要達到相同的誤碼率，相干解調要求的輸入信噪比比非相干解調的包絡解調的低；當信噪比較大時，兩種解調方式的性能接近。由于包絡解調設備簡單，故在信噪比較高的場合常優(yōu)先采用。6.4.32PSK信號的抗噪聲性能

由于2PSK信號的功率譜中無載波分量，所以必須采用相干解調的方式。參看圖6.3.4所示的2PSK相干解調圖，當解調器輸入信噪比時，2PSK信號解調系統(tǒng)的誤比特率為

(6-4-7)當γ>>1，即大信噪比時，式(6-4-7)可變?yōu)?/p>

(6-4-8)參看圖6.3.7，當解調器輸入信噪比時，2DPSK系統(tǒng)差分相干解調的誤比特率為

(6-4-9)

參看圖6.3.6，當解調器輸入信噪比時，2DPSK系統(tǒng)相干解調的誤比特率為

(6-4-10)6.4.4二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較

對于各種調制方式及不同的解調方法，數(shù)字調制系統(tǒng)誤比特率公式列于表6-4-1中。表6-4-1數(shù)字調制系統(tǒng)誤比特率公式表中，。

圖6.4.1示出了各種調制方式及不同解調方法的系統(tǒng)誤比特率的曲線。圖6.4.1各種二進制數(shù)字調制系統(tǒng)誤比特率曲線由表6-4-1和圖6.4.1可以看出，在同一類型的鍵控系統(tǒng)中，相干解調方式略優(yōu)于非相干解調方式，它們的關系近似于和的關系。但相干解調方式需要在接收端恢復本地載波，相干接收機的設備比較復雜，通常在高質量的數(shù)字通信系統(tǒng)中才采用。不同類型的鍵控方式相比較，在相同誤比特率的條件下，2PSK對峰值信噪比的要求比2FSK的小3dB，2FSK比2ASK的小2dB，所以相干解調2PSK的抗噪聲性能最好。

在碼元速率Rs=1/Ts相同的情況下，2PSK和2ASK占據的頻帶比2FSK的窄，即頻帶利用率比2FSK的高。總的來看，2ASK系統(tǒng)的結構最簡單，但抗噪聲性能最差；2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率和抗噪聲性能不如2PSK的，但非相干解調2FSK的設備簡單，在中、低速的數(shù)據傳輸中常被選用。

因此，得到廣泛應用的數(shù)字調制方式是2PSK、2DPSK和非相干解調的2FSK。前面幾節(jié)主要介紹了二進制數(shù)字調制的原理及其性能。隨著數(shù)字通信的發(fā)展，對頻帶利用率的要求不斷提高，多進制數(shù)字調制系統(tǒng)獲得了越來越廣泛的應用。在該系統(tǒng)中，一位多進制符號將代表若干位二進制符號，在傳碼率相同的條件下多進制數(shù)字系統(tǒng)的信息速率高于二進制系統(tǒng)。在二進制系統(tǒng)中，隨著傳碼率的提高，所需信道帶寬增加。采用多進制可降低碼元速率，減少信道帶寬。同時，加大碼元寬度，可增加碼元能量，有利于提高系統(tǒng)的可靠性。6.5多進制鍵控調制方式多進制數(shù)字調制可分為多進制數(shù)字振幅調制(MASK)、多進制數(shù)字頻率調制(MFSK)和多進制數(shù)字相位調制(MPSK)等方式及其組合形式。本節(jié)主要介紹多進制數(shù)字調制系統(tǒng)的基本概念。6.5.1多進制幅度鍵控調制(MASK)

多進制數(shù)字振幅調制又稱為多電平調幅。它用具有多個電平的隨機基帶脈沖序列對載波進行振幅調制。已調波一般可表示為

(6-5-1)其中，

(6-5-2)

f(t)為數(shù)字基帶信號，g(t)是高度為1，寬度為Ts的矩形脈沖，且有,ωc是載波的角頻率，ak為幅度值，它有M種取值。為了便于理解，把其波形示于圖6.5.1中。圖6.5.14ASK信號的波形圖6.5.1(a)為4電平基帶信號f(t)的波形，圖6.5.1(b)為4ASK信號的波形。4ASK信號的波形可等效成圖6.5.1(c)所示的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信號可以看成是時間上互不相容的M－1個不同振幅值的2ASK信號的疊加。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構是復雜的，但就信號的帶寬而言，當碼元速率為Rs

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。

MASK信號與2ASK信號產生的方法相同，可用乘法器來實現(xiàn)。其解調的方法也與2ASK信號的相同，可采用相干解調或非相干解調兩種方式。

多進制MASK與2ASK比較有以下特點：第一，在碼元速率相同的條件下，信息速率是二進制的lbM倍；第二，當碼元速率相同時，兩者帶寬相同；第三，多進制振幅調制的誤碼率通常遠大于二進制誤碼率；第四，多進制振幅調制不能充分利用發(fā)信機功率；第五，電平數(shù)M越大，設備越復雜。

綜上所述，多進制振幅調制雖然是一種高效調制方式，但抗干擾能力差，因而僅適用于恒參信道，特別是要求頻帶利用率較高的場合，如有線信道。6.5.2多進制頻移鍵控調制(MFSK)

多進制頻移鍵控調制又稱多進制數(shù)字調頻，簡稱多頻制，它用頻率不同的多個載波信號分別代表不同的數(shù)字信

號，在某一個碼元時間內只發(fā)送其中的一個頻率。

圖6.5.2所示為多進制數(shù)字調頻系統(tǒng)的原理方框圖。MFSK信號通常采用頻率鍵控法產生，不同頻率的載波既可以由獨立的晶體振蕩器產生，也可以利用頻率合成器產生。編碼邏輯電路的M路輸出線分別控制M個門電路，使相應頻率的載波信號輸出，于是當一組組二進制碼元輸入時，經相加器組合便是一個多進制頻率鍵控的波形。圖6.5.2多進制數(shù)字調頻系統(tǒng)的組成方框圖多頻制的解調部分由M個帶通濾波器、M個包絡檢波器、一個抽樣判決器和有關的邏輯電路組成。帶通濾波器的中心頻率就是多個載波的頻率。因而，當某一載波到來時，只有一個帶通濾波器有信號及噪聲通過，而其他帶通濾波器只有噪聲通過。抽樣判決器的任務是在給定的時刻比較包絡檢波器的輸出電壓，并選出最大者作為輸出。原則上，多頻制同樣具有多進制調制的特點，但由于多頻制要占用較寬的頻帶，因此，其信道利用率不高。多頻制的信號帶寬一般定義為

BM=fM-f1+2fs

(6-5-3)

式中，

fM為最高載波頻率；f1為最低載波頻率；fs=1/Ts為碼元速率。多進制一般應用在調制速率不高及多徑時延較嚴重的信道，如短波信道。6.5.3多進制相移鍵控調制(MPSK)

多進制相移鍵控調制又稱多進制數(shù)字相位調制或多元調相或多相制。它以載波的M種相位代表M種不同的數(shù)字信號。圖6.5.3所示為2、4、8相制的相位矢量圖，圖中虛線為載波的基準相位，圖6.5.3(a)和(b)兩種制式從本質上講是一致的。但(a)圖所示制式中有0相位，因此相鄰碼元的相位有可能連續(xù)，而(b)圖所示制式中沒有0相位，因此相鄰碼元的相位不可能連續(xù)。下面討論4相制。圖6.5.3多進制兩種矢量圖四進制相位調制又稱為QPSK。它的產生可采用相位選擇法或正交調制法。4相制相位選擇法的方框圖如圖6.5.4所示。邏輯選相電路在每2個二進制碼輸入后只能選擇一種相位的載波輸出。

因此串/并變換及邏輯選相電路實際是一個輸入為2位二進制數(shù)據的譯碼器，或稱選通門。

它的工作原理非常直觀。圖6.5.44相制相位選擇法的方框圖

4相制正交調制法的電路如圖6.5.5所示。該電路由2個正交的2相絕對調相電路組合而成。二進制每2個碼元串行輸入后，并行輸出為A、B兩路，各輸出一個碼元，其碼元速率比輸入速率降低一倍。為了實現(xiàn)調相，加到乘法器的調制

信號必須是雙極性信號，因此A、B兩支路中都接入了單/雙極性變換器，它們分別與正交的載頻相乘，輸出信號以矢量形式也畫在圖6.5.5中。它對應的相位真值表如表6-5-1所示。

從真值表看出，它屬π/4型4相絕對調相。與2相制相似，4相制通常也采用相對調相，記為QDPSK。圖6.5.6所示是正交調制法實現(xiàn)QDPSK的方框圖。與正交絕對調相電路相比，它在A、B兩支路增加了碼變換電路。QDPSK是由兩路相對碼正交載波調制組合而成。碼變換電路由邏輯電路構成。圖6.5.6所示是π/4制QDPSK系

統(tǒng)，乘法器后相位合成的真值表如表6-5-1所示。圖6.5.54相制正交調制法的方框圖表6-5-1QPSK相位真值表與真值表相對應的矢量圖也畫在圖6.5.6中。

4相制相對碼的邏輯關系較2相制的復雜。

它由相對碼編碼相位移動的規(guī)律、前一碼元的狀態(tài)及上述真值表等共同決定。因此它可由組合邏輯電路或軟件來實現(xiàn)。若用相位選擇法產生QDPSK信號，邏輯選相電路應受相對碼控制，選擇所需的相位輸出。

QDPSK信號的解調采用極性比較法和相位比較法，其原理與二進制相似。圖6.5.6產生QDPSK信號的方框圖及碼變換波形

以上討論的二進制和多進制數(shù)字調制方式是數(shù)字調制中的基本方式，隨著通信技術的發(fā)展，提出了許多具有優(yōu)越性能的新調制方式。這里簡單介紹其中幾種具有代表性的新的調制技術。6.6現(xiàn)代先進數(shù)字調制技術簡介

6.6.1正交振幅調制(QAM)

在2ASK系統(tǒng)中，其頻帶利用率是(1/2)bit/s/Hz。若利用正交載波技術傳輸ASK信號，可使頻帶利用率提高一倍。如果再把多進制與正交載波技術結合起來，還可進一步提高頻帶利用率。能夠完成這種任務的技術稱為正交振幅調制(QAM)。

QAM用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調幅，利用這種已調信號的頻譜在同一帶寬內的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調制方式通常有二進制QAM(4QAM)、四進制QAM(16QAM)、八進制QAM(64QAM)等，對應的空

間信號矢量端點的分布圖稱為星座圖。如圖6.6.1(a)所示，其星座圖分別有4、16、64…個矢量端點。由圖6.6.1(b)可以看出，電平數(shù)m和信號狀態(tài)M之間的關系為M=m2。對于4QAM，當兩路信號幅度相等時，其產生、解調、性能及相位矢量均與4PSK的相同。圖6.6.1QAM星座圖(a)4QAM、l6QAM、64QAM星座圖;(b)l6QAM信號電平與信號狀態(tài)關系

QAM信號的同相和正交分量可以獨立地分別以ASK方式傳輸數(shù)字信號。如果兩通道的基帶信號分別為x(t)和y(t)，則QAM信號可表示為

sQAM(t)=x(t)cosωct+y(t)sinωct

(6-6-1)

式中

(6-6-2)式中Tb為多進制碼元間隔。為了傳輸和檢測方便，xk和yk一般為雙極性m進制碼元，例如取為±1，±3，…，±(m-1)等。

通常，原始數(shù)字數(shù)據都是二進制的。為了得到多進制的QAM信號，首先應將二進制信號轉換成m進制信號，然后進行正交調制，最后再相加。圖6.6.2(a)所示為產生多進制QAM信號的數(shù)學模型。圖中x′(t)由序列a1,a2,…,ak組成，y′(t)由序列b1,b2,…,bk組成，它們是兩組互相獨立的二進制數(shù)據，經2/m變換器變?yōu)閙進制信號x(t)和y(t)。經正交調制組合后可形成QAM信號。圖6.6.2QAM信號產生與解調

QAM信號采取正交相干解調的方法解調，其數(shù)學模型如圖6.6.2(b)所示。解調器首先對收到的QAM信號進行正交相干解調。LPF(低通濾波器)濾除乘法器產生的高頻分量。LPF輸出經抽樣判決可恢復出m電平信號x(t)和y(t)。因為xk和yk取值一般為±1，±3，…，±(m-1)，所以判決電平應設在信號電平間隔的中點，即Ub＝0，±2，±4，…，±(m-2)。根據多進制碼元與二進制碼元之間的關系，經m/2轉換，可將m電平信號轉換為二進制基帶信號x′(t)和y′(t)。由于QAM信號采用正交相干解調，所以它的噪聲性能分析與ASK系統(tǒng)相干解調的分析類似。

圖6.6.3給出了幾種系統(tǒng)的Pe—

(平均歸一化輸入信噪比，即在所有碼元間進行平均的歸一化輸入信噪比)關系曲線。

由圖6.6.3可見，QAM系統(tǒng)尚比不上QPSK系統(tǒng)的性能，但其頻帶利用率高于QPSK的。因此，在頻帶受限系統(tǒng)中，它是一種很有發(fā)展前途的調制方式。圖6.6.3Pe—關系曲線6.6.2交錯正交相移鍵控(OQPSK)

交錯正交相移鍵控也就是偏移四相相移鍵控，英文為Offset-QPSK縮寫為OQPSK，是QPSK的改進型。前面討論過QPSK信號，它的頻帶利用率較高，理論值達1bit/s/Hz。

但當碼組為0011或0110時，將產生180°的載波相位跳變。這種相位跳變引起包絡起伏，當通過非線性部件后，使已經濾除的帶外分量又被恢復出來，導致頻譜擴展，增加對相鄰波道的干擾。為了消除180°的相位跳變，在QPSK基礎上提出了OQPSK。它是在QPSK基礎上發(fā)展起來的一種恒包絡數(shù)字調制技術。

這里所說的恒包絡技術是指已調波的包絡保持為恒定，與多進制調制相比是從另一個角度來考慮調制技術的。恒包絡技術產生的已調波通過非線性部件時，只產生很小的頻譜擴展。這種形式的已調波具有兩個主要特點，其一是包絡恒定或起伏很?。黄涠且颜{波頻譜具有高頻快速滾降特性，或者說已調波旁瓣很小，甚至幾乎沒有旁瓣。OQPSK以及本節(jié)以下各部分所討論的數(shù)字調制技術都屬于恒包絡調制技術。已調波的頻譜特性與其相位路徑有著密切的關系(因為ω=dθ(t)/dt)，因此，為了控制已調波的頻率特性，必須控制它的相位特性。恒包絡調制技術始終圍繞著如何進一步改善已調波相位路徑這一中心而發(fā)展。

OQPSK與QPSK有同樣的相位關系，也是把輸入碼流分成兩路，然后進行正交調制。不同點在于OQPSK使同相和正交兩支路的碼流在時間上錯開了半個碼元周期。由于兩支路碼元有半周期的偏移，每次只有一路可能發(fā)生極性翻轉，不會發(fā)生兩支路碼元極性同時翻轉的現(xiàn)象。因此，OQPSK信號相位只能跳變0°、±90°，不會出現(xiàn)180°的相位跳變。

OQPSK信號產生的原理如圖6.6.4所示。圖中Tb/2的延遲電路使同相支路I、正交支路Q的碼流偏移半個碼元周期。BPF的作用是形成QPSK信號的頻譜形狀，保持包絡恒定。除此之外，其他均與QPSK的作用相同。圖6.6.4OQPSK信號的產生

OQPSK信號可采用正交相干解調方式解調，其原理如圖6.6.5所示。由圖看出，它與QPSK信號的解調原理基本相同，其差別僅在于對正交Q支路信號抽樣判決的時刻比對同相I支路的延遲了Tb/2，這是因為在調制時Q支路信號在時間上偏移了Tb/2，所以抽樣判決時刻也應偏移Tb/2，以保證對兩支路交錯抽樣。圖6.6.5OQPSK信號的解調

OQPSK克服了QPSK的180°的相位跳變，信號通過BPF后包絡起伏小，性能得到了改善，因此受到了廣泛重視。但是，當碼元轉換時，相位變化不連續(xù)，存在90°

的相位跳變，因而高頻滾降慢，頻帶仍然較寬。6.6.3最小頻移鍵控(MSK)

在討論QPSK信號時可以看到，若基帶信號發(fā)生變化，已調信號的相位就會發(fā)生躍變，最大的相位躍變?yōu)?80°。相位躍變所引起的相位對時間的變化率(即角頻率)很大，這樣就會使信號功率譜擴展，旁瓣增大，對相鄰頻道的信號形成干擾。為了使信號功率譜盡可能集中于主瓣之內，主瓣之外的功率譜快速衰減，那么信號的相位就不能突變，相位與時間的關系曲線應該是勻滑的。目前已有不少調制方法就是循此方向而產生的，最小頻移鍵控(MinimumShiftKeying,MSK)就是其中的一種。

MSK是2FSK的一種特殊情況。2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號之和，當(ω2-ω1)T=nπ時，這兩個信號相互正交。當n=1時兩頻率之差Δf是正交條件下的最小頻差，Δf可表示為

(6-6-3)

其頻偏指數(shù)h為

(6-6-4)其中Rs=1/Ts。這是滿足正交條件下的最小調制指數(shù)。h=0.5的頻移鍵控稱為最小頻移鍵控。

相位連續(xù)的頻移鍵控信號在碼元轉換時刻要保持載波的相位連續(xù)，這時的信號可表示為

(6-6-5)其中φ(t)為隨時間連續(xù)變化的相位，fc為未調載波頻率。fc和φ(t)可分別表示為

(6-6-6)

(6-6-7)

這里φ(0)為初始相位。將式(6-6-3)代入上式，MSK信號可寫為

(6-6-8)

式中pn=±1，分別表示二進制信息“1”和“0”。圖6.6.6MSK信號的相位網格圖由式(6-6-8)可知，在每個比特間隔內載波相位變化+π/2或-π/2。假設初始相位φ(0)=0，由于每比特相位變化±π/2，因此積累相位φ(t)在每比特結束時必定為π/2的整數(shù)倍。具體地說，在T奇數(shù)倍時刻，φ(t)為π/2的奇數(shù)倍；在T偶數(shù)倍時刻，φ(t)為π/2的偶數(shù)倍。φ(t)隨時間變化的規(guī)律可用圖6.6.6所示的網格圖表示。φ(t)的軌跡是一條連續(xù)的折線，在一個T時間內每個折線段上升或下降π/2。圖中細折線的網格是φ(t)由0時刻的0相位開始，到8T時刻的0相位止，其間可能經歷的全部路徑。圖中的粗折線所對應的信息序列為10011100。圖6.6.7給出了MSK信號波形的示意圖。圖6.6.7MSK信號的波形示意圖6.6.4高斯最小頻移鍵控(GMSK)

MSK調制方式的突出優(yōu)點是，信號具有恒定的振幅且信號的功率譜在主瓣以外衰減較快。

不過在某些場合，對信號帶外輻射功率的限制是非常嚴格的，MSK信號仍不能滿足這樣高的要求。高斯最小頻移鍵控方式就是針對上述要求提出的。

GMSK是在MSK調制器之前加入一個高斯低通濾波器，也就是說，用高斯低通濾波器作為MSK調制的前置濾波器，如圖6.6.8所示。圖6.6.8GMSK調制原理方框圖圖中的前置濾波器必須滿足以下要求：

(1)帶寬要窄，而且是銳截止的。

(2)具有較低的過脈沖響應。

(3)能保持輸出脈沖的面積不變。

以上要求是為了抑制高頻成分、防止過量的瞬時頻率偏移和滿足相干檢測所需要的條件。

GMSK信號的解調與MSK信號的完全相同。圖6.6.9示出了GMSK信號的功率譜。圖中橫坐標為歸一化頻率(f-fc)Ts，縱坐標為功率譜，參變量BbTs為高斯低通濾波器的歸一化3dB帶寬Bb與碼元長度Ts的乘積。BbTs=∞的曲線是MSK信號的功率譜。由圖可見，GMSK信號的頻譜隨著BbTs值的減小變得緊湊起來。圖6.6.9GMSK信號的功率譜圖需要指出，GMSK信號頻譜特性的改善是通過降低誤比特率性能換來的。前置濾波器的帶寬越窄，輸出功率譜就越緊湊，誤比特率性能變得越差。不過，當BbTs＝0.25時，誤比特率性能下降得并不嚴重。數(shù)字調制是用基帶信號對高頻載波的一個參量進行控制，使高頻載波的振幅、頻率或相位隨數(shù)字基帶信號而變化的過程。數(shù)字調制分為數(shù)字調幅(ASK)、數(shù)字調頻(FSK)和數(shù)字調相(PSK)。

數(shù)字調幅(ASK)可以通過乘法器和鍵控法來實現(xiàn)。乘法器是實現(xiàn)數(shù)字調幅的關鍵電路，可由各種平衡調制器來實現(xiàn)。鍵控法又稱通斷鍵控(OOK)，它用受基帶信號控制的電子開關控制載波振蕩振幅而實現(xiàn)ASK調制。本章小結

ASK信號的功率譜由載頻及其兩邊的連續(xù)部分組成，其帶寬是基帶信號帶寬的兩倍。ASK信號的解調分相干解調(同步解調)和包絡解調(非相干解調)；從抗噪聲角度來說，在信噪比較低的情況下，相干解調的性能優(yōu)于包絡解調，但包絡解調設備簡單，因而得到廣泛應用。數(shù)字調頻也稱為頻移鍵控(FSK)。FSK信號可由調頻法和頻率鍵控法產生。調頻法利用數(shù)字基帶信號去控制載波振蕩器回路的參數(shù)來實現(xiàn)振蕩頻率的控制。這種方法產生的FSK信號的頻移不能過大，僅適用于低速傳輸系統(tǒng)。頻率鍵控法也稱為頻率選擇法，是由數(shù)字基帶信號控制轉換開關，再由開關選擇兩個獨立的振蕩頻率以達到FSK調制的目的。同步解調使FSK信號通過兩個帶通濾波器將其分為上下兩路ASK信號，再對兩路信號進行比較判決，以實現(xiàn)FSK信號的解調。FSK信號的包絡解調相當于兩路ASK信號的包絡解調。在信噪比較低的情況下，若要達到相同的誤碼率，同步解調要求的輸入信噪比較包絡解調的要低；在大信噪比的情況下，兩種解調方式的性能接近，但包絡解調的設備簡單而被優(yōu)先采用。

數(shù)字相位調制也稱為相位鍵控。數(shù)字相位鍵控可分為絕對相移(CPSK)和相對相移(DPSK)兩種。CPSK信號可通過直接調相法和相位選擇法產生。

DPSK先對基帶信號進行絕對碼—相對碼變換，然后再對相對碼進行CPSK調制。調相信號的解調方法主要有極性比較法(也稱為相干解調法)和相位比較法(也稱為非相干解調法)兩種。CPSK信號通過極性比較法可直接得到原基帶信號，但對于DPSK信號還必須經過相對碼—絕對碼變換方可得到原基帶信號。在解調時，一般情況下，絕對碼的誤碼率近似為相對碼的兩倍。

ASK及PSK系統(tǒng)的帶寬相當，而FSK系統(tǒng)的帶寬較寬，因此FSK系統(tǒng)的頻率利用率最差。從抗噪聲性能角度出發(fā)，其性能由優(yōu)到劣的次序依次為：相干CPSK，相干DPSK，非相干DPSK，非相干CPSK，相干FSK，非相干FSK，相干ASK，非相干ASK。在解調時，由于ASK系統(tǒng)的最佳門限與接收機輸入信號的幅度有關，當信道特性變化時，接收的輸入信號幅度改變，從而導致誤碼率變大。因此，從信道的敏感性角度來說，ASK性能最差。多進制調制分多進制數(shù)字振幅調制(MASK)、多進制數(shù)字頻率調制(MFSK)、多進制數(shù)字相位調制(MPSK)等方法。多進制數(shù)字振幅調制又稱為多電平調幅，用具有多個電平的隨機基帶脈沖序列對載波進行振幅調制；多進制數(shù)字頻率調制(MFSK)用多個頻率不同的載波信號分別代表不同的數(shù)字信號，在某一碼元時間只發(fā)送其中一個頻率；多進制相位調制(MPSK)也稱為多元調相和多相制，是以載波的M種相位分別代表M種不同的數(shù)字信息。多進制數(shù)字調制具有降低碼元速率，減小信道帶寬的優(yōu)點。

1．什么是數(shù)字調制，數(shù)字調制有哪些方法？

2．請畫出數(shù)字調制系統(tǒng)的方框圖并說明其工作原理。

3．在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機帶通濾波器帶寬能否小于已調信號帶寬，為什么？

4．在電話信道中傳輸數(shù)據，當數(shù)據速率比較高時，一般采用相位調制而不采用振幅調制或頻率調制，為什么？

5．綜合考慮線性多進制數(shù)字調制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，給出它們的應用范圍。

6．試比較ASK信號與FSK信號的功率譜及帶寬。習題

7．調相信號的功率譜有何特點？

8．對2ASK、2PSK及2FSK3種系統(tǒng)的性能指標進行比較，其中有效性最差的是哪個？可靠性最好的是哪個系統(tǒng)？

9．設發(fā)送數(shù)字信息為01101110001，信息速率為103b/s，載波頻率為1.5kHz，

(1)分別畫出2ASK、2PSK及2DPSK信號的波形；

(2)分別求2ASK、2PSK及2DPSK信號的譜零點帶寬。

10．設某2FSK調制系統(tǒng)的碼元傳輸速率為1000Baud，已調信號的載頻為1000Hz或2000Hz，

(1)若發(fā)送數(shù)字信息為011010，試畫出相應的2FSK信號波形；

(2)若發(fā)送數(shù)字信息是等可能的，試畫出它的功率譜草圖；

(3)試討論這時的2FSK信號應選擇怎樣的解調器解調。

11．已知基帶信號為101101001，如果碼元寬度是載波周期的兩倍，試畫出絕對碼、相對碼及二進制CPSK信號和DPSK信號的波形(假定起始參考碼元為1)。

12．已知碼元傳輸速率RB=103Baud，接收機輸入噪聲的雙邊功率譜密度n0/2=10-10W/Hz，要求誤碼率Pe=10-5，試計算相干OOK、非相干2FSK、差分相干2DPSK以及2PSK等系統(tǒng)所要求的輸入信號功率。

13．什么是正交振幅調制(QAM)，其特點是什么？

14．什么是交錯正交相移鍵控調制(OQPSK)，其特點是什么？

15．最小頻移鍵控(MSK)和高斯最小頻移鍵控(GMSK)是在什么基礎上發(fā)展而來，各有何特點？一、實訓目的

(1)了解數(shù)字調制與解調的概念。

(2)掌握2ASK調制的原理及實現(xiàn)方法。

(3)熟悉2ASK解調的原理及實現(xiàn)方法。

二、實訓內容

(1)采用數(shù)字鍵控法進行2ASK調制，觀測2ASK調制信號的波形。

(2)采用包絡檢波法進行2ASK解調。

實訓62ASK調制與解調實驗三、實訓設備與工具

根據