第6章信號的調(diào)制與解調(diào)

6.1模擬信號的調(diào)制與解調(diào)

6.1.1調(diào)制功能

6.1.2常規(guī)雙邊調(diào)幅系統(tǒng)(AM)

6.1.3單邊帶調(diào)幅(SSB)

6.1.4頻分復(fù)用(FDM)

6.2數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)

6.2.1二進制振幅鍵控（2ASK）或通斷鍵控（OOK）

6.2.2移相鍵控

6.2.3頻移鍵控

6.1模擬信號的調(diào)制與解調(diào)6.1.1調(diào)制功能模擬通信系統(tǒng)如圖6.1所示。因為信源（模擬信號）頻率低，不易遠距離傳輸，因此要用一個高頻（載波）攜帶模擬信號傳送出去。圖6.1模擬通信系統(tǒng)6.1.2常規(guī)雙邊調(diào)幅系統(tǒng)常規(guī)雙邊帶調(diào)制就是標準幅度調(diào)制，它用調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅，使已調(diào)波的振幅按照調(diào)制信號的振幅規(guī)律線性變化。6.2.1AM調(diào)制(調(diào)幅)器一般模型AM調(diào)制器模型如圖6.2所示。圖6.2AM調(diào)制器模型1AM信號的時域表示載波信號調(diào)制信號（或稱為基帶信號）,

其中,上式中：A為直流分量（f＝0），為一基帶信號即低頻信號。如果考慮完整，故基帶信號寫為

時，有波形相乘結(jié)果如下圖6.3圖6.3[A+f(t)]?uc(t)的波形結(jié)果常規(guī)雙邊帶調(diào)幅調(diào)制波形示意圖/comm/txyl/webstandard/wljc/flash00/flash3-2.htm也可由表達式來畫出圖6.4.即的幅度，最小時為；最大時為；

圖6.4[A+f(t)]?uc(t)的波形結(jié)果調(diào)幅波的振幅隨調(diào)制信號的大小比例地變化，來改變高頻振蕩信號。振幅用虛線連成的曲線叫調(diào)幅波的“包絡(luò)”，“包絡(luò)”與調(diào)制信號波形完全相似，而其中的頻率仍維持載波頻率。圖6.5

已調(diào)波包絡(luò)失真常規(guī)雙邊調(diào)幅頻譜圖/comm/txyl/webstandard/wljc/flash00/flash3-1.htm常規(guī)雙邊調(diào)幅頻譜圖/donghua/donghua-1949.htmlAM調(diào)制示意/donghua/donghua-1948.html3AM調(diào)制相干解調(diào)的一般模型調(diào)制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻信號的頻譜搬到載頻位置；解調(diào)是調(diào)制的反過程，它是將已調(diào)信號的頻譜中位于載頻的信號頻譜再搬回到低頻上來。因此，解調(diào)的原理與調(diào)制的原理是類似的，均可用乘法器予以實現(xiàn)。相干解調(diào)的一般模型如圖6.9所示。為了不失真地恢復(fù)出原始信號，要求相干解調(diào)的本地載波和發(fā)送載波必須相干或者同步，即要求本地載波和接收信號載波同頻和同相。圖6.9AM解調(diào)電路示意經(jīng)低通濾波器濾出直流項和和項的幅度基帶信號。6.1.3單邊帶調(diào)幅(SSB)由于常規(guī)雙邊調(diào)幅的結(jié)果是兩個邊帶包含相同的信息，在傳輸時只需傳輸一個邊帶，上邊帶或下邊帶。單邊帶信號解調(diào)時，用載波cos

ct和接收信號相乘。用濾波法產(chǎn)生單邊帶信號，即所謂的濾波法。就是在雙邊帶調(diào)制后接上一個邊帶濾波器，保留所需要的邊帶，濾除不需要的邊帶。邊帶濾波器可用高通濾波器產(chǎn)生USB邊帶信號，也可用低通濾波器產(chǎn)生LSB信號。圖6.10(a)是產(chǎn)生SSB信號的高通和低通濾波特性，圖6.10(b)是SSB信號的頻譜特性。(a)邊帶濾波特性；(b)頻譜特性圖6.10產(chǎn)生SSB信號的濾波和頻譜特性用濾波法產(chǎn)生SSB信號的原理框圖如圖6.11所示。圖6.11濾波法產(chǎn)生SSB信號SSB調(diào)制示意圖/donghua/donghua-1955.htm單邊帶（下邊帶）信號濾波法形成及頻譜/comm/txyl/webstandard/wljc/flash00/flash3-6.htmSSB解調(diào)示意圖/donghua/donghua-1956.html

圖中乘法器是平衡調(diào)制器，濾波器是邊帶濾波器。從頻譜圖中可以看出，要產(chǎn)生單邊帶信號，就必須要求濾波器特性十分接近理想特性，即要求在處必須具有銳截止特性。這一點在低頻段還可制作出較好的濾波器，但對于高頻段就很難找到合乎特性要求的濾波器了。6.1.4頻分復(fù)用(FDM)頻分多路復(fù)用是指將多路信號按頻率的不同進行復(fù)接并傳輸?shù)姆椒?。在頻分多路復(fù)用中，信道的帶寬被分成若干個相互不重疊的頻段，每路信號占用其中一個頻段，因而在接收端可采用適當?shù)膸V波器將多路信號分開，從而恢復(fù)出所需要的原始信號，這個過程就是多路信號復(fù)接和分接的過程。將各路信號的頻譜搬至互不重疊的頻帶上,同時在一個信道中傳輸稱為頻分復(fù)用。例如單路語音信號的頻譜為及經(jīng)過調(diào)制搬移如圖4.1(a),(b)所示。其調(diào)制方式可以是AM、SSB或FM。再例如三路語音信號，它的頻譜為經(jīng)過調(diào)制搬移后合成復(fù)用輸出，見下圖4.2(a),(b)所示。圖4.1語音信號的頻譜及調(diào)制(a)發(fā)送端原理方框圖(b)發(fā)送端頻譜調(diào)制搬移圖4.2頻分三路復(fù)用過程接收端通過不同中心頻率的帶通濾波器，便可把各路信號分出來。如下圖4.3所示。圖4.3接收端原理框圖國際電信聯(lián)盟(ITU)建議；每路電話信號的頻率范圍應(yīng)在300～3400Hz，為了在各路已調(diào)信號間留有保護間隔，每路電話信號取4000Hz作為標準帶寬?；海?2路，占用48kHz帶寬，位于12～60kHz之間，如圖4.4所示。圖4.412路群的頻譜圖一般多路FDM可用下圖4.5示.（a）各路頻分制圖4.5多路頻分示意圖（b）各路頻分合成6.2數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)實際通信中大部分情況下，信道不能直接傳遞數(shù)字基帶信號，須用數(shù)字基帶信號對載波的某些參數(shù)進行調(diào)制，見圖6.1所示使載波信號的這些參數(shù)隨該數(shù)字基帶信號的變化而變化，這就是數(shù)字調(diào)制傳輸。圖6.1數(shù)字通信系統(tǒng)6.2.1二進制振幅鍵控（2ASK）或通斷鍵控（OOK）1電路結(jié)構(gòu)

(a)電路示意圖

(b)模擬電路開關(guān)示意圖圖6.22ASK電路2波形表示

圖6.32ASK調(diào)制波形

圖6.62ASK信號接收經(jīng)過大量統(tǒng)計觀察后可把信號看成單極性周期方波，即如下圖6.22所示。圖為周期方波其中，為數(shù)碼重復(fù)頻率可見輸出頻率包含

畫出如下頻譜圖6.23所示。信號的頻譜圖

6.2.2移相鍵控1二相絕對移相鍵控（2PSK）(1).規(guī)則：(2)2PSK調(diào)制的原理框圖如圖6.9(a)是產(chǎn)生的原理框圖，圖6.9（b）是二相絕對移相信號工作過程波形。

(a)2PSK調(diào)制原理框圖圖6.72PSK原理圖(b)2PSK工作過程波形

相乘器的具體典型電路（又稱倒接開關(guān)調(diào)制器）如下圖6.8示。圖6.8二進制絕對移相信號的調(diào)制電路

(3).二相絕對移相信號的解調(diào)(a)2PSK相干解調(diào)框圖圖6.9相干解調(diào)法框圖與工作波形

(b)工作過程波形圖6.10相干解調(diào)法框圖與工作波形

(4)相干解調(diào)過程中的相位模糊現(xiàn)象2PSK的相位模糊問題：2PSK信號是以一個同定初相的未調(diào)載波為參數(shù)的，因此，解調(diào)時必須有與此同頻同相的同步載波。如果同步不完善，存在相位誤差，造成誤判，這種現(xiàn)象稱為相干載波的“相位模糊”。例如本地載波反相即為，稱為倒現(xiàn)象。解調(diào)后經(jīng)判決得到的“1”、“0”碼與圖中示出的結(jié)果將完全相反，會造成嚴重的錯碼。見下波形圖6.11所示。

圖6.11倒現(xiàn)象產(chǎn)生過程

2二相相對移相鍵控（2DPSK）(1).差分碼（相對碼）概念相對于前一碼元電平有變化（即不同）用“0”，“1”表示，如果無變化（即相同）用“0”，“1”表示。由絕對碼變成相對碼。如圖6.12所示的例子。圖6.12絕對碼變成相對碼例子

(2).絕對碼與相對碼的互相轉(zhuǎn)換電路電路實現(xiàn)方法就是使用模2加法器和延遲器（延遲一個碼元寬度），絕對碼變成相對碼稱為差分編碼，相對碼變成絕對碼稱為差分譯碼，如下圖6.13(a),(b)示。(a)差分編碼器(b)差分譯碼器圖6.13絕對碼與相對碼的互相轉(zhuǎn)換

（3）二相相對移相鍵控規(guī)則：每一碼元發(fā)出的載波相位取決于前一碼元的載波相位，發(fā)“1”碼時，發(fā)出的載波相位比前一碼元的載波相位改變，發(fā)0碼時則發(fā)出載波相位與前一碼元的載波相位相同，不作改變。

(1)(2)（4）2DPSK實現(xiàn)波形它的實現(xiàn)波形如圖6.14所示。圖6.142DPSK波形圖（5）2DPSK調(diào)制框圖及工作過程如圖6.15(a)、(b)所示。

(a)2DPSK調(diào)制框圖

(b)2DPSK工作過程波形圖圖6.152DPSK產(chǎn)生過程（6）2DPSK的解調(diào)框圖及實現(xiàn)過程①相干解調(diào)框圖及工作過程，如圖6.16(a)、(b)所示。（a）2DPSK解調(diào)框圖

(b)解調(diào)工作過程波形圖圖6.162DPSK相干解調(diào)②2DPSK相位比較法解調(diào)框圖及工作過程如圖6.17(a)、(b)所示。(a)2DPSK相位比較法解調(diào)框圖

(b)相位比較法工作過程波形圖圖6.172DPSK相位比較法解調(diào)（7）2DPSK解調(diào)如何解決相位模糊問題這是由于2DPSK相干解調(diào)時，當相干載波產(chǎn)生倒相時，使輸出的變成。然后用差分譯碼器的功能，反向后，能使等式成立，因此即使相干載波倒相2DPSK解調(diào)器仍可正常工作。見圖6.18。圖6.182DPSK解決相位倒相問題過程(8)2PSK和2DPSK的頻譜先看2PSK（或2DPSK）的一個信號C分解為兩個振幅的通斷鍵鏈控信號，由圖6.19所示。其A是“1”碼發(fā)出的載波，為OOK信號A。其B是“0”碼發(fā)出的載波為OOK信號B，顯然C=A＋B。圖6.192PSK或2DPSK信號分解再看信號C加上一0o相位的連續(xù)載波信號D，將使OOK信號A加倍成為E，而使OOK信號B得以抵消，即C＋D=E。由圖6.20所示。圖6.20信號C和信號D疊加通過C＋D=E，而D只是其中一條譜線疊加在C頻譜上，如圖6.21所示。所以C頻譜與E頻譜頻帶一致。圖6.21C＋D=E頻譜圖6.2.2四相絕對移相鍵控（4PSK、QPSK）1有關(guān)正交調(diào)制的概念過如下調(diào)制和解調(diào)電路圖6.22所示。

(a)發(fā)送端（b）接收端圖6.22調(diào)制和解調(diào)框圖現(xiàn)在我們以中的項作為輸入，如圖6.23所示。發(fā)送端

圖6.23通過調(diào)制和解調(diào)電路

接收端：分兩種情況本地載波用，則得（為計算簡便起見，略去發(fā)送端幅度1/2）低通濾波器濾出，即恢復(fù)項若本地載波用，則得可見，沒有低頻項，故低通濾波器輸出為0。結(jié)論：發(fā)送端用載波時，接收端要對應(yīng)本地載波為才能有輸出，若接收端載波為則無輸出。同理,若發(fā)送端為，接收端分兩種情況：可推得，低通濾波器濾出項，即恢復(fù)項。可推得，低通濾波器無輸出。結(jié)論：發(fā)送端用載波時，接收端要對應(yīng)用載波才能有輸出，若用載波則無輸出。

圖6.24兩路信號合成（相加）傳送與接收24PSK的產(chǎn)生這種數(shù)字正交調(diào)制，用于數(shù)據(jù)傳輸時，讓一個數(shù)據(jù)序列分成兩路，同時傳送以加快傳輸速度。具體方法是在發(fā)端加一串并轉(zhuǎn)換，收端則應(yīng)是并串轉(zhuǎn)換，如A路是①、③、⑤……位碼元,B路是②、④、⑥……位碼元。見下框圖6.28。圖6.25發(fā)端和收端的串/并轉(zhuǎn)換

可見A路發(fā)時只有A路收到，B路發(fā)時只有B路收到，在同一信道上傳送，互不干擾。因為這種調(diào)制采用兩種載波即和，這兩種載波是相互正交的，所以它又稱為正交調(diào)制（OAM）。①A、B兩路都發(fā)“1”碼，即AB=11，②A、B兩路都發(fā)“0”碼,即AB=00，③A路發(fā)“0”碼、B路發(fā)“1”碼,即AB=01時，④A路發(fā)“1”碼、B路發(fā)“0”碼,即AB=10時.

圖6.25矢量圖據(jù)此畫出矢量圖如下圖6.26，虛線箭頭表示參考相位（基準相位），對絕對相移而言，參考相位為載波的初相。圖6.264PSK矢量圖（)體系）

由上述4PSK是由正交調(diào)制產(chǎn)生的四種不同狀態(tài)，即四種不同相位的信號，屬于四進制。那么根據(jù)四進制碼與二進制碼的關(guān)系，即每一相位的信號包含2個比特信息。可見，為提高傳信率，利用載波的一種相位去攜帶一組二進信息碼。上圖6.45是按來定的，。我們把這個矢量圖6.26稱為體系的?！纠?.2】畫出下列數(shù)字序列101100100100的4PSK的體系波形圖。

圖6.474PSK波形圖

34PSK的鑒相解調(diào)法（極性比較法）圖6.294PSK的鑒相解調(diào)法圖6.294PSK的鑒相解調(diào)法

時式中,為雙比特碼元周期，見圖6.47。假設(shè)在t=時刻進行抽樣判決，那么上式的第二項等于零。這是由于在持續(xù)時間內(nèi)有整數(shù)個余弦載波周期，其積分結(jié)果必為零。同理有：

可見A路積分輸出與成正比，B路積分輸出與成正比。和或正“＋”或負“-”值，經(jīng)判決器后輸出。（判決準則“＋”值判為“1”；“-”值判為“0”）。即恢復(fù)成原二位二進制碼串行序列?！纠?.3】數(shù)字消息分別為11、00、01，10時，試分析如下圖6.49所示的4PSK輸出相位矢量圖。圖6.494PSK產(chǎn)生框圖AB=11時，合成輸出為

AB=00時，合成輸出為：AB=01時，合成輸出為：

AB=10時，合成輸出為：

圖6.50矢量圖（6.2.3四相相對相移鍵控（4DPSK）

24DPSK產(chǎn)生框圖()4DPSK產(chǎn)生框圖（體系）圖6.52的矢量圖表示一種差分四相鍵控的信號組。坐標右模軸表示前一個四進碼元的信號相位。例如二位二進制碼元“11”這一四進碼元的差分移相信號的相位，將為前一四進碼元的信號相位加，其他類推。有下表6.2。CD110100103差分相干解調(diào)法（體系）如圖6.35，這種電路結(jié)構(gòu)比較簡單，但誤碼性能較差。圖6.354DPSK解調(diào)框圖（體系）44DPSK調(diào)制波形圖

例如：體系的“11”的四進制碼的相對相移信號相位，體系是將前一四進制碼的相位與相加，其它類推。如下表6.1所示。

圖6.314DPSK的波形圖()

圖6.324DPSK產(chǎn)生框圖（體系）

其中碼變換如下圖6.34所示圖6.34碼變換它產(chǎn)生的矢量圖如圖6.33所示。圖6.334DPSK（體系）矢量圖

6相干解調(diào)法（體系）如圖6.36。圖6.364DPSK解調(diào)框圖（體系）

C路接收為：D路接收為：例6.4四相調(diào)制系統(tǒng)，輸入的二進制碼元速率為4800B，載波頻率為2400Hz，已知數(shù)字與相位的對應(yīng)關(guān)系為、、、。當輸入碼序列為011001110100時，試畫出4PSK、4DPSK的信號波形圖。6.2.4交錯正交相移鍵控(OQPSK)1問題提出QPSK信號相位，每相隔2，相位跳變量可能為或，如圖6.37箭頭所示。圖6.37QPSK相位跳變圖有一問題是例如當碼組從，時，對角移動，產(chǎn)生的載波相位跳變，這種相位跳變引起包絡(luò)起伏，如下圖6.64(b)所示。(b)QPSK相位跳變引起包絡(luò)起伏圖(a)QPSK信號正常波形圖2OQPSK解決方法與QPSK不同點在于它將兩支路上的碼流在時間上錯開一個時間，不會發(fā)生兩支路碼元同時翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，每次只有一路可能發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)。這樣相位只能是跳變或，即星座圖6.38中只能沿正方形的四個邊移動。圖6.38OQPSK相位跳變圖示意圖3OQPSK產(chǎn)生與解調(diào)（1）OQPSK產(chǎn)生框圖，如圖6.39。圖6.39OQPSK產(chǎn)生框圖

圖6.41OQPSK信號的調(diào)制(2)OQPSK相干解調(diào)，如下圖6.40。圖6.40OQPSK相干解調(diào)

6.2.5QPSK其電路如圖6.42。圖6.42QPSK信號的調(diào)制

圖6.43QPSK相位跳變圖

6.2.6多相調(diào)制的星座圖多相調(diào)制也稱多元調(diào)相或多相調(diào)制，有二、四、八、十六、三十二、六十四相等等調(diào)制，它以載波的M種相位代表M種不同的數(shù)字信息。下圖6.44畫出了二、四、八調(diào)制的相位矢量圖。信號矢量端點的分布圖稱為星座圖。如四相、八相信號矢量端點的分布圖如下圖6.45所示。圖6.44多相調(diào)制的相位矢量圖圖6.45

4相、8相星座圖圖6.46

16PSK、16QAM和16APK星座圖6.3頻移鍵控將要傳輸?shù)男畔⑤d荷在載波的瞬時頻率變化上，即頻率變化反映出消息變化。6.3.1二相頻移鍵控（2FSK）1規(guī)則：發(fā)“1”碼時，載波頻率為的信號，發(fā)“0”碼時，載波頻率為。2原理框圖和波形圖分別如下圖6.44(a),(b)所示圖6.442FSK原理框圖和波形圖3頻率鍵控法產(chǎn)生框圖（相位不連續(xù)）如下圖6.45所示。圖6.45相位不連續(xù)率鍵控框圖其中乘法器是一門電路（如“1”導(dǎo)通，“0”截止）。它的波形圖如下圖6.46。圖6.462FSK波形圖4相干解調(diào)法（同步檢波法）原理框圖如下圖6.47所示。圖6.472FSK相干解調(diào)2FSK相干解調(diào)工作波形圖如下圖6.48所示。圖6.482FSK相干解調(diào)法

52FSK頻帶寬度分析（相位不連續(xù)）2FSK波形是由兩個2ASK波形疊加而成，因此分別在頻率軸上搬移后再疊加，如下圖6.49所示。圖6.49兩個2ASK頻譜疊加示意圖其頻帶為：【例7.5】已知2FSK系統(tǒng)的碼元傳輸速率為1200B，發(fā)“0”時，載頻為2400Hz，發(fā)“1”時，載頻為4800Hz。若發(fā)送數(shù)字信息序列為011011010，試畫出序列對應(yīng)的2FSK信號波形。6.3.2最小頻移鏈控（MSK）1問題提出OQPSK正交支路引入了延遲，因此清除了QPSK中的1800的相位突跳現(xiàn)象，改善了包絡(luò)起伏，但每隔信號可能發(fā)生相位變化，沒有