9.1概述9.2二進(jìn)制幅度鍵控

9.3二進(jìn)制移頻鍵控

9.4二進(jìn)制移相鍵控

習(xí)題

9.1概述原始的基帶信號(hào)是低通型的，只適用于低通信道，如在市話電纜及同軸電線上傳輸。

對(duì)于帶通信道，如無(wú)線及衛(wèi)星信道，直接傳輸基帶信號(hào)是不可能的，必須用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的某些參數(shù)進(jìn)行控制，使這些參數(shù)隨基帶信號(hào)的變化而變化，形成頻帶信號(hào)，這個(gè)過程稱為調(diào)制。在接收端把頻帶信號(hào)還原成基帶信號(hào)的反變換過程稱為解調(diào)。大多數(shù)的數(shù)字基帶信號(hào)，在許多類型的信道中并不能直接進(jìn)行基帶傳輸，必須進(jìn)行數(shù)字頻帶調(diào)制。所謂數(shù)字調(diào)制，就是將數(shù)字基帶信號(hào)變換為頻帶信號(hào)的過程，其實(shí)質(zhì)是把數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜搬移到載頻附近。實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制的方法是用數(shù)字基帶信號(hào)分別單獨(dú)控制載波的幅度、頻率和相位，從而實(shí)現(xiàn)三種基本數(shù)字頻帶調(diào)制方法，即幅度鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK)，它們的波形如圖9.1所示。圖9.1ASK、FSK、PSK波形數(shù)字基帶調(diào)制可分為二進(jìn)制數(shù)字頻帶調(diào)制和多進(jìn)制數(shù)字頻帶調(diào)制。通常將數(shù)字調(diào)制和數(shù)字解調(diào)統(tǒng)稱為數(shù)字調(diào)制。

此外，數(shù)字調(diào)制的目的還在于實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)頻率分配和減少噪聲干擾。

數(shù)字調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：一是把數(shù)字信號(hào)當(dāng)作模擬信號(hào)的特例，采用模擬調(diào)制的方法；二是利用數(shù)字信號(hào)具有離散值的特點(diǎn)采用鍵控載波實(shí)現(xiàn)調(diào)制，這種方法稱為鍵控法。

二進(jìn)制的ASK、FSK和PSK就是用鍵控法分別控制載波的幅度、頻率和相位實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制的。鍵控法通常采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，具有變換速度快、調(diào)整測(cè)試方便、設(shè)

備可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此在數(shù)字通信中應(yīng)用廣泛。9.2.1二進(jìn)制幅度鍵控2ASK(BASK)

2ASK信號(hào)是利用載波幅度的變化來(lái)表征被傳輸信息狀態(tài)的，被調(diào)載波的幅度隨二進(jìn)制信號(hào)序列的1、0狀態(tài)變化，即用載波幅度的有無(wú)來(lái)代表傳1或傳0。

載波信號(hào)為

fc(t)=A0cosωct

9.2二進(jìn)制幅度鍵控?cái)?shù)字基帶信號(hào)為

S2ASK(t)的時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(9-1)實(shí)現(xiàn)2ASK信號(hào)的方法有兩種，即通斷鍵控法和乘積法，現(xiàn)分述如下。

1.通斷鍵控法

通斷鍵控法用數(shù)字基帶信號(hào)S(t)來(lái)控制載波信號(hào)fc(t)，如圖9.2所示。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)S(t)=1時(shí)，開關(guān)S接通載波信號(hào)fc(t)，輸出為正弦載波；當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)S(t)=0時(shí)，開關(guān)S接地，則輸出為零。例如，當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為10110時(shí)，產(chǎn)生的2ASK信號(hào)波形如圖9.3所示。圖9.2通斷鍵控法產(chǎn)生2ASK信號(hào)原理圖9.32ASK信號(hào)波形

2.乘積法

乘積法是采用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)幅度鍵控的，其原理模型如圖9.4所示。將載波fc(t)和數(shù)字基帶信號(hào)S(t)輸入乘法器中，乘法器輸出即是2ASK信號(hào)波形，如圖9.5所示。

圖9.4乘積法產(chǎn)生2ASK信號(hào)原理模型圖9.5乘積法產(chǎn)生2ASK信號(hào)波形載波信號(hào)為

fc(t)=A0cosωct

數(shù)字基帶信號(hào)為

乘法器輸出已調(diào)波S2ASK(t)的時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為

S2ASK(t)=S(t)A0cosωct為了深入了解2ASK信號(hào)的性質(zhì)，除時(shí)域分析外，還應(yīng)進(jìn)行頻域分析。由于二進(jìn)制序列為隨機(jī)序列，其頻域分析的對(duì)象應(yīng)為信號(hào)功率譜密度。2ASK信號(hào)的功率譜由兩部分組成，即線性幅度調(diào)制所形成的雙邊帶連續(xù)譜和由被調(diào)載波分量確定的載頻離散譜。

圖9.6所示為2ASK信號(hào)的單邊功率譜示意圖。對(duì)2ASK信號(hào)進(jìn)行頻域分析的主要目的之一就是確定信號(hào)的帶寬。在不同應(yīng)用場(chǎng)合，信號(hào)帶寬有多種度量定義，但最常用和最簡(jiǎn)單的帶寬定義是以功率譜主瓣寬度為度量的“譜零點(diǎn)帶寬”，這種帶寬定義特別適用于功率譜主瓣包含大部分功率信號(hào)的情況。顯然，2ASK信號(hào)的譜零點(diǎn)帶寬為BASK=(fc+Rs)-(fc-Rs)=2Rs=

(Hz)(9-2)式中，Rs為二進(jìn)制序列的碼元速率，它與二進(jìn)制序列的信號(hào)信息率(比特率)Rb(b/s)數(shù)值上相等；Ts為碼元間隔，Ts=1/Rs。圖9.62ASK信號(hào)的單邊功率譜示意圖9.2.2二進(jìn)制幅度鍵控2ASK解調(diào)

2ASK信號(hào)的解調(diào)通常有兩種方式，即非相干解調(diào)和相干解調(diào)，現(xiàn)分述如下。

1.非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波)

2ASK信號(hào)經(jīng)過帶通濾波濾除帶外噪聲，經(jīng)包絡(luò)檢波取出包絡(luò)再經(jīng)低通濾波平滑恢復(fù)出基帶信號(hào)，又經(jīng)取樣判決得到標(biāo)準(zhǔn)基帶信號(hào)，此過程如圖9.7所示。圖9.72ASK信號(hào)非相干解調(diào)

2．相干解調(diào)(同步檢波)

相干解調(diào)在接收端要采用與發(fā)送端載波同頻、同相的本地信號(hào)

A0cosωct。解調(diào)過程如圖9.8所示。圖9.82ASK信號(hào)相干解調(diào)已調(diào)2ASK信號(hào)為S(t)A0cosωct，接收端將相干載波A0cosωct與接收已調(diào)波相乘，得到

S′(t)=S(t)A0cosωct·A0cosωct

經(jīng)過低通濾波濾除2ωc等高頻分量后，輸出為

S″(t)=

S(t)

再經(jīng)取樣判決就可恢復(fù)出標(biāo)準(zhǔn)基帶信號(hào)。9.3.1二進(jìn)制移頻鍵控2FSK(BFSK)

數(shù)字信號(hào)的移頻鍵控是利用載波的頻率變化來(lái)傳遞數(shù)字信息的。在二進(jìn)制情況下，利用兩個(gè)不同頻率ω1與ω2

分別代表數(shù)字二進(jìn)制碼的“1”與“0”來(lái)傳輸信息，其時(shí)域表達(dá)

式為

S2FSK(t)=9.3二進(jìn)制移頻鍵控由于二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)如同兩個(gè)交替的2ASK信號(hào)的疊加，根據(jù)式(9-1)可得

式中，S(t)為數(shù)字基帶信號(hào)，且

(9-3)

2FSK信號(hào)的產(chǎn)生通?？刹捎面I控法和調(diào)頻法，現(xiàn)分述如下。

1.鍵控法

鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)時(shí)使用數(shù)字基帶信號(hào)S(t)來(lái)控制載波信號(hào)f1與f2，如圖9.9(a)所示。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)S(t)=0時(shí)，開關(guān)S接通載波信號(hào)f1，輸出頻率為f1的正弦載波；當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)S(t)=1時(shí)，開關(guān)S接通載波信號(hào)f2，輸出頻率為f2的正弦載波。例如，當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為10110時(shí)，產(chǎn)生的2FSK信號(hào)波形如圖9.9(b)所示。

要注意的是,由于采用兩個(gè)獨(dú)立頻率源實(shí)現(xiàn)鍵控法，所以，頻率變換過渡點(diǎn)處兩個(gè)獨(dú)立源的相位不連續(xù)，因而這種方法很少被采用。

2.調(diào)頻法

調(diào)頻法利用數(shù)字基帶信號(hào)控制正弦振蕩器的諧振回路參數(shù)，其工作原理如圖9.10所示。圖9.9鍵控法產(chǎn)生FSK信號(hào)的工作原理圖9.10調(diào)頻法產(chǎn)生FSK信號(hào)的工作原理圖9.10中，由晶體管VT、晶振JT和變?nèi)荻O管VD組成晶體壓控振蕩器。通過數(shù)字基帶信號(hào)的高電平(1)或低電平(0)控制變?nèi)荻O管端電壓，并改變變?nèi)荻O管的電容量，從而改變振蕩頻率。這種調(diào)頻方法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)，由同一振蕩器產(chǎn)生兩個(gè)不同的頻率，在頻率變換過程其相位是連續(xù)的。但由于晶體振蕩器的頻率可調(diào)范圍很小，因而所產(chǎn)生的2FSK信號(hào)的頻率偏移不能太大為了深入了解2FSK信號(hào)的性質(zhì)，除時(shí)域分析外，還應(yīng)進(jìn)行頻域分析。由于二進(jìn)制序列為隨機(jī)序列，因此其頻域分析的對(duì)象為信號(hào)功率譜密度。2FSK功率譜密度的示意圖如圖9.11所示。圖9.112FSK功率譜密度的示意圖圖9.11中，。

從圖9.11可看出：

(1)2FSK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。其中，連續(xù)譜由兩個(gè)雙邊譜疊加而成，而離散譜出現(xiàn)在兩個(gè)載頻位置上。

(2)若兩個(gè)載頻之差較小，比如小于fs，則連續(xù)譜出現(xiàn)單峰；若載頻之差逐步增大，即f1與f2

的距離增加，則連續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰。

(3)由上面兩個(gè)特點(diǎn)看到，傳輸2FSK信號(hào)所需的第一零點(diǎn)帶寬B約為

BFSK=|f2-f1|+2fs

(9-4)

圖9.11畫出了2FSK信號(hào)的功率譜示意圖，該圖中的譜高是示意的，并且是單邊的。

曲線a對(duì)應(yīng)的f1=f0+fs，f2=f0-fs；曲線b對(duì)應(yīng)的f1=f0+0.4fs，f2=f0-0.4fs。9.3.2二進(jìn)制移頻鍵控2FSK解調(diào)

2FSK信號(hào)同樣有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方式，如圖9.12(a)、(b)所示，其解調(diào)原理與2ASK信號(hào)基本相同，只是使用了兩套電路。另外，目前許多具有2FSK解調(diào)功能的集成芯片幾乎都是利用鎖相環(huán)路的鑒頻功能進(jìn)行非相干解調(diào)的，其基本原理如圖9.12(c)所示。圖9.122FSK信號(hào)的解調(diào)方式9.4.1二進(jìn)制移相鍵控2PSK(BPSK)

所謂數(shù)字信號(hào)移相鍵控，就是指用數(shù)字“1”和“0”控制載波的相位。若“1”碼對(duì)應(yīng)載波的零相位，“0”碼對(duì)應(yīng)載波的π相位,則PSK信號(hào)時(shí)域波形如圖9.13所示。由此可寫出二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)域表示式

9.4二進(jìn)制移相鍵控(9-5)或?qū)懗?/p>

S2PSK(t)=A0S(t)cosω0t(9-6)

式中，S(t)為數(shù)字基帶信號(hào)，且圖9.13PSK信號(hào)的典型時(shí)域波形由式(9-5)和式(9-6)不難得到移相鍵控信號(hào)的產(chǎn)生框圖，如圖9.14所示。

2PSK信號(hào)是一種雙邊帶調(diào)制信號(hào)，其功率譜表達(dá)式與2ASK的近似相同，因此，2PSK信號(hào)的譜零點(diǎn)帶寬(Hz)與2ASK的相同，即

(9-7)圖9.14移相鍵控信號(hào)的產(chǎn)生9.4.2二進(jìn)制移相鍵控2PSK解調(diào)2PSK信號(hào)為抑制載波的雙邊帶調(diào)制信號(hào)，因此其解調(diào)應(yīng)該采用相干解調(diào)方式，相干解調(diào)的前提是在接收端首先獲得同步信號(hào)。

圖9.15所示為2PSK信號(hào)相干解調(diào)器組成框圖。圖9.152PSK相干解調(diào)器組成框圖習(xí)題

9-1設(shè)發(fā)送二進(jìn)制序列為1110011010110001，試畫出其2ASK、2FSK、2PSK信號(hào)的示意波形。9-2畫出實(shí)現(xiàn)上述調(diào)制的系統(tǒng)框圖和解調(diào)框圖。9-3設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制信息為101100011，采用2ASK方式傳輸。已知碼元傳輸速率為1200波特/秒，載波頻率為2400Hz。(1)畫出2ASK信號(hào)調(diào)制器原理框圖，并畫出2ASK信號(hào)的時(shí)間波形；(2)計(jì)算2ASK信號(hào)頻譜帶寬。

9-4設(shè)發(fā)送二進(jìn)制信息為11001000101，采用2FSK方式傳輸。已知碼元傳輸速率為1000波特/秒，“1”碼元的載波頻率為3000Hz，“0”碼元的載波頻率為200