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1、第6章 数字信号的频带传输,6.1 二进制幅移键控（2ASK） 6.2 二进制频移键控（2FSK） 6.3 二进制相移键控（2PSK） 6.4 正交幅度调制（QAM） 6.5 多相调制 6.6 各种调制方式的信道频带利用率比较 6.7 数字调幅调相,数字频带传输又称数字调制传输，它主要适用于带通型信道的数字信号传输。带通型信道不适合于直接传输基带信号，需要对基带信号进行调制以实现频谱搬移使信号频带适合于信道带宽。频带传输系统与基带传输系统的区别在于频带传输系统在发送端增加了调制以实现信号的频带搬移，而在接收端增加了解调用以恢复基带信号。,与模拟调制相似，用数字基带信号对载波进行调制以实现数字基
2、带信号的频谱搬迁，这种调制又称为数字调制。在数字调制中也选择正弦(或余弦)信号作为载波，因为正弦信号形式简单、便于产生和接收。与正弦信号的幅度、频率、相位三种基本参量对应，数字调制也有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）三种基本调制方式。 当调制信号为二进制数字信号时，定义这种调制为二进制数字调制。常见的二进制数字调制方式有二进制幅移键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）以及二进制相移键控（2PSK）。,6.1 二进制幅移键控（2ASK）,6.1.1 2ASK信号的调制与解调 数字调制信号是由二进制符号、组成的序列，载波在二进制信号或的控制下分别进行通或断。这种二进
3、制幅移键控方式称为开关键控（OOK）方式，它是2ASK的一种常用方式。其时域表达式为 （6-1） 其中，s(t)为二进制数字调制信号，c为载波角频率，e ( t )为2ASK已调波。幅移键控调制原理的一般模型如图6-1所示。,图6-1数字调幅基本模型,图6-1是数字调幅系统基本模型，这里的调制信号是数字基带序列，图中的调制器本质上就是一个乘法器。,如图6-2所示，对于二进制数字信号调幅有两种情况：一是调制信号为单极性脉冲序列，其调制信号和已调ASK信号波形；另一种是调制信号为双极性脉冲序列，其调制信号和已调ASK信号波形。对于单极性的数字调制信号s(t)，可以写成 s(t)= (6-2) 其中
4、g(t)为单极性脉冲波，an的取值是,图6-2 2ASK信号波形,ASK已调波的解调，可用非相干解调和相干解调两种方法。包络检波法是常用的一种非相干解调的方法，包络检波器往往是半波或者全波整流器，整流后通过低通滤波器滤波（平滑），即可获得原来基带信号f(t)。如图6-3所示。,图6-3 ASK的非相干解调,图6-4是2ASK的另一种解调方式，也就是相干解调，又称为同步解调，要实现相干解调，则需要在收端产生一个与发端同频同相的本地载波信号，利用本地相干载波与接收信号相乘，经低通滤波后，得到调制信号，然后经过定时判决，得到规整的数字脉冲信号。,图6-4 ASK的相干解调,6.1.2 2ASK调制波
5、功率谱 二进制数字调制信号是随机的无穷序列。由式（6-1）以及信号调制及变换理论，可得已调信号的功率谱密度为 (f) = P(1-P) (1-P)+ + （6-3） 式（6-3）是ASK信号功率谱密度的一般表示式，示意图如图6-5所示。,(b) 图6-5 2ASK信号的功率谱密度示意图,由图可知，2ASK功率谱有如下特点： (1) 2ASK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱组成，其中连续谱部分是来自基带谱G(f)的连续谱经调制后的双边带谱，而离散谱则由G(f)中的离散谱分量来确定； (2) 由于2ASK信号的功率谱是双边带谱，所以，2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍。 图6-5 (a)是单极
6、性信号作调制信号时的功率谱，由于单极性信号中含有直流分量，即G(0)0，所以已调信号的功率谱中就含有c的载波频率分量。图6-5 (b)是由双极性信号作调制信号，由于双极性信号中不含有直流分量，即G(0)=0，所以，已调信号的功率谱中就不含有c的载波频率分量，称为抑制载频的双边带调制。,6.2 二进制频移键控（2FSK）,所谓频移键控（FSK），就是用基带数字信号控制载波的频率，使载波的频率随基带信号的变化而变化，又称为数字调频。当传送“1”码时送出一个频率 ，传送“0”码时送出一个频率 ，且有 ，称为二元频移键控（2FSK）。根据前后码元的载波相位是否连续，可分为相位不连续的频移键控和相位连续
7、的频移键控。 频移键控的原理图如图6-6（a）所示。 基带信号1、 0码控制两个载波信号 和 。 相乘器是一个门电路，基带信号的“1”码和“0”码（“0”码经过倒相器变换为“1”码，送给下面的相乘器）分别控制两个门电路就可获得FSK已调波，如图6-6（b）所示。,(a) 频移键控方框图 (b) FSK方式波形图 图6-6 频移键控原理图,FSK信号可认为是由两个交替的ASK波形合成的。 设两个载波频率分别为 和 ，且 ， 则有： = + ， = - 设 为 中的“1”码序列； 为 中的“0”码序列。 则FSK已调波 可写成 = 或 （6-4） 式（6-4）是频移键控已调波的表示式，其第一项相当
8、于基带信号“1”码键控的ASK信号；第二项相当于基带信号“0”码键控的另一个载波频率的ASK信号，因此2FSK信号可看作两2ASK信号之和，功率谱可分别计算再合成。 若“1”和“0”码出现的概率相同， 则可效仿ASK已调波的功率谱写出FSK已调波的功率谱，并可画出2FSK已调波的功率谱，如图6-7所示。,图6-7 2FSK已调波的功率谱,图中假定两个载波频率之差 ，如果此频差较大时，功率谱出现双峰；频差较小时，小于数字调制信号速率 ，功率谱出现单峰。2FSK信号的功率谱密度也是由连续谱和离散谱构成，其中连续谱由两个双边带叠加而成，而离散谱出现在 和 的位置上。对于2FSK信号的带宽，不难得到
9、B=2 + （6-5） 令 ( 称为移频指数)，上式则为： B(2 )fb （6-6）,对2FSK调制方式则有如下结论： （1）如果移频指数不是整数时，则功率谱密度中无离散谱，当 0.7时，大部分功率集中在2fb频带内。 （2）当较大时，大部分功率集中在（2 ）fb 范围内。 （3）FSK方式是用频带携带信息，与幅度无关，故对加性干扰而言它的抗干扰性较好，而且容易实现。,6.2.2 2FSK信号的产生和解调 12FSK信号的产生 由于2FSK信号可认为是两个2ASK信号之和，因此，2FSK信号的产生可用两个数字调幅信号相加的办法产生，如图6-8所示的就是相位不连续的2FSK信号产生的原理图。,
10、图6-8 相位不连续的2FSK信号产生,相位连续的2FSK信号可通过电压控制振荡器来实现。下图示出了相位连续的2FSK信号的产生过程，其中图6-9（a）的频率稳定度和准确度较差；改进的方法是采用数字式调频器，如6-9（b）图所示。,图6-9 相位不连续的2FSK信号产生,22FSK信号的解调 FSK信号的解调通常有两种方法：分路选通滤波非相干法和鉴频器法。用分路选通滤波器进行2FSK信号的非相干解调，当2FSK信号的频偏较大时，可以把2FSK信号当作两路不同载频的2ASK信号接收。为此，需要两个中心频率为和的带通滤波器，利用他们把代表“1”和代表“0”的信号分离开，得到两个2ASK信号，再经过
11、振幅检波器得到两个解调电压，把这两个电压相减即可得到解调信号的输出，这种解调方式要求有较大的频偏指数。故这种解调方式频带利用率较低。如图6-10所示。,(a) 分路滤波非相干解调器,(b) 限幅鉴频非相干解调器 图6-10 2FSK信号非相干解调,6.2.3 最小移频键控(MSK) 连续相位的移频键控是在传统的频率调制技术基础上发展起来的一种调制方式。在连续相位的移频键控的基础上发展了最小移频键控的调制方式，即MSK方式。MSK方式在功率利用率和频带利用率上均优于2PSK，MSK调制方式在移动通信等领域得到了很广泛的应用。 最小移频键控MSK是相位连续的2FSK的一个特例。MSK又称快速移频键
12、控FFSK。它的特点是以最小的调制指数，即 0.5，获得正交信号。按照调频指数的定义，应有 0.5，即 0.5 。这时，两个频率差是最小的，且保持两个频率正交。,6.3 二进制相移键控（2PSK）,6.3.1 PSK信号及功率谱密度 以基带数字信号控制载波的相位，使载波的相位随基带信号的变化而变化称为数字调相，又称相移键控，简写为PSK。相移键控分为绝对相移键控（PSK）和相对相移键控(DPSK)两种方式。相对相移键控又称为差分相移键控。 按PSK的基本定义可画出数字信号与PSK信号的对应波形，如图6-11所示。图中(a)是二进制数字序列对应的脉冲信号；(b)是载波信号；(c)为二相制绝对相移
13、键控信号，记为2PSK；(d)为初相为相的相对相移键控，记为2DPSK，(e)为初相为0相的相对相移键控或称差分相移键控信号，记为2DPSK。,图6-11 PSK信号的波形,绝对相移键控信号的调制规则是：数字信号的“1”码对应于已调信号的(正弦波)相位；数字信号的“0”码对应于已调信号的180（余弦波）相位，或反之。这里的0和180是以未调载波的0相位作参考相位的。 相对相移键控信号的调制规则是：数字信号的“1”码使已调信号的相位变化180相位（正弦变余弦或者余弦变正弦）；数字信号的“0”码使已调信号的相位变化0相位（不变），或反之（简单说就是“遇1变，遇0不变”）。这里的0和180的变化是相
14、对于已调信号的前一码元的相位，或者说，这里的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相位的。,由图6-11所示相移键控信号波形可以看出，相移键控信号的每一个码元的波形，如果单独来看就是一个初始的数字调幅信号，如抑制载波的双边带调幅信号就是二相绝对调相信号。故可知，相移键控信号功率谱密度就是载波频率为的抑制载波的双边带谱，与抑制载波的2ASK功率谱相同。,6.3.2 二相制相移键控信号的产生和解调 12PSK信号的产生和解调 如前所述，2PSK信号与抑制载波的2ASK信号等效，因此，可以利用双极性基带信号通过乘法器与载波信号相乘得到2PSK信号，这是产生2PSK信号的一种方法。 图6-12(a)给出
15、的是一种用相位选择法产生2PSK信号的原理框图。如图所示，振荡器产生0、180两种不同相位的载波，如输入基带信号为单极性脉冲，当输入高电位“1”码时，门电路1开通，输出相位载波；当输入为低电位时，经倒相电路可以使门电路2开通，输出180相位载波，经合成电路输出即为2PSK信号。,图6-12 2PSK信号的产生和解调,图6-12(b)为2PSK信号的解调电路原理框图。2PSK信号的解调需要用相干解调的方式，即需要恢复相干载波，由于2PSK信号中无载波频率分量，所以无法从接收的已调信号中直接提取相干载波。一般采用倍频分频法，如图6-12(b)所示。将输入2PSK信号作全波整流，使整流后的信号中含有2频率的周期波，再利用窄带滤波器取出2频率的周期信号，再经2分频电路得到相干载波fc，最后经过相乘电路进行相干解调即可输出基带信号。,这种2PSK信号的解调存在一个问题，即2分频器电路输出存在相位不定性或称相位模糊问题，如图6-13所示。当二分频器电路输出的相位为0或180不定时，相干解调的输出基带信号就会存在0或1倒相现象，这就是2PSK方式不能直接应用的原因所在。解
