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1、通通 信信 原原 理理 实实 验验工学工学工学工学2 2 2 2号馆号馆号馆号馆余余荣荣2数数字字信信号号的的传传输输方方式式有有基基带带传传输输和和频频带带传传输输。上上一一节节课课已已经经介介绍绍了了数数字字信信号号的的基基带带传传输输，但但在在实实际际中中的的很很多多信信道道不不能能直直接接传传输输基基带带信信号号。为为了了使使数数字字信信号号能能够够在在带带通通信信道道中中传传输输，必必须须用用数数字字基基带带信信号号对对载载波波进进行行调调制制，以以使使信信号号与与信信道道的的特特性性相相匹匹配配。通通常常把把具具有有调调制制和和解解调调过过程程的的数数字字传传输输系系统统称称为为数
2、数字字频频带传输系统。带传输系统。利利用用数数字字信信号号取取值值离离散散的的特特点点通通过过开开关关键键控控载载波波，从从而而实实现现数数字字调调制制的的方方法法称称为为键键控控法法。对对载载波波振振幅幅进进行行键键控控可可获获得得振振幅幅键键控控（AmplitudeShiftKeying，ASK），对对载载波波频频率率进进行行键键控控可可获获得得频频移移键键控控（FrequencyShiftKeying，FSK），对对载载波波相位进行键控可获得相位进行键控可获得相移键控相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）。）。数字信号的频带传输数字信号的频带传输3知识要点知识要点二进制数字
3、调制二进制数字调制-2ASK、2FSK、2PSK多进制数字调制多进制数字调制-MASK、MFSK、MPSK4用用数数字字基基带带信信号号控控制制载载波波，把把数数字字基基带带信信号号变变换换为为数数字字带带通通信信号号的的过过程程称称为为数数字字调调制制。调调制制信信号号为为二二进进制制数数字字基基带带信信号号时时，这这种种调调制制称称为为二二进进制制数数字字调调制制。在在二二进进制制数数字字调调制制中中，载载波波的的幅幅度度、频频率率或或相相位位只只有有两两种种变变化化状状态态,对对应应于于数数字字“0”和和“1”。1 1 二进制数字调制二进制数字调制51.1二进制数字幅度调制一、一般原理与
4、实现方法数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。根据幅度调制的原理，2ASK信号可表示为：（1-1）式中，为载波角频率，为单极性NRZ矩形脉冲序列6（1-2）其中，是持续时间为、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；为二进制数字序列。（1-3）2ASK信号的产生方法（调制方法）有两种，如图1-1所示。图（a）是一般的模拟幅度调制方法，这里的由式（1-2）规定；图（b）是一种键控方法，这里的开关电路受控制。图（c）给出了及的
5、波形示例。二进制幅度键控信号，由于一个信号状态始终为0，相当于处于断开状态，故又常称为通断键控信号（OOK信号）。7图图1-12ASK信号产生方法与波形示例信号产生方法与波形示例8二、MATLAB实现以数字信号序列10110010为例，给出产生2ASK信号的MATLAB程序流程图如图1-2所示。为变量赋初值生成2ASK信号开始结束画出原始二进制代码波形画出2ASK信号波形图1-22ASK流程图9%本函数实现将输入的一段二进制代码调制成相应的ask信号输出%s为输入二进制码，f为载波频率，ask为调制后输出信号t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=;forn=1:length(s)if
6、s(n)=0;m=zeros(1,100);elses(n)=1;m=ones(1,100);endc=sin(f*t);m1=m1m;c1=c1cendask=c1.*m1;subplot(211);plot(m1)title(原始信号);axis(0100*length(s)-0.11.1);subplot(212);plot(ask)title(ASK信号);在命令窗口中键入s的二进制代码和载波频率f，再输入函数名，就可以得到所对应的ask信号输出，如输入以下指令:s=10110010;f=2;Askdigital将出现图1-3所示结果，其中载波频率与码元速率相同。10图1-32ASK信
7、号波形11包络检波法的原理方框图如图1-4所示。带通滤波器（BPF）恰好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ASK信号，即，包络检波器输出为。经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。三、解调方法2ASK信号解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检测法。122ASK信号BPF半波或全波整流LPF抽样判决器图 1-42ASK信号的包络解调定时脉
8、冲包检器13相干检测法原理方框图如图1-5所示。相干检测就是同步解调，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。利用此载波与收到的已调信号相乘，输出为经低通滤波滤除第二项高频分量后，即可输出信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。14BPFLPF抽样判决器图 1-52ASK信号的相干解调定时脉冲解调器15四、四、2ASK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽前面已经得到，一个2ASK信号可以表示成:（1-4）这里，是代表信息的随机单极性矩形脉冲序列。现
9、设的功率谱密度为，的功率谱密度为，则由式（8-4）可以证得（1-5）对于单极性NRZ码，有（1-6）16代入式（1-5），得2ASK信号功率谱（1-7）其示意图如图1-6所示。由图1-6可见：（1）2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于数字基带信号经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。172ASK信号的功率谱18（2）2ASK信号的带宽是数字基带信号带宽的两倍。（1-8）（3）因为系统的传码率（Baud），故2ASK系统的频带利用率为（1-9）这意味着用2ASK方式传送码元速率为的二进制数字信号时，要求该系统的带宽至少为（Hz）。191.2二进制数字频率
10、调制二进制数字频率调制一、调制原理与实现方法数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应
11、用广泛。202FSK信号的产生方法及波形示例如图1-7所示。图中为代表信息的二进制矩形脉冲序列，即是2FSK信号。图1-72FSK信号的产生方法及波形示例21根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为（1-10）其中，为单极性非归零矩形脉冲序列（1-11）（1-12）是持续时间为、高度为1的门函数；为对逐码元取反而形成的脉冲序列，即（1-13）22是的反码，于是（1-14）分别是第n个信号码元的初相位和相位。一般说来，键控法得到的与序号n无关，反映在上，仅表现出当改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于与改变时的相位是连续的，故不仅与第n个信号码元有关，而且之间也应保
12、持一定的关系。由式（1-10）可以看出，一个2FSK信号可视为两路2ASK信号的合成，其中一路以为基带信号、为载频，另一路以为基带信号、为载频。23图1-8给出的是用键控法实现2FSK信号的电路框图，两个独立的载波发生器的输出受控于输入的二进制信号，按“1”或“0”分别选择一个载波作为输出。图图1-8键控法实现键控法实现2FSK信号的电路框图信号的电路框图24二、MATLAB实现以数字信号序列10110010为例，给出产生2FSK信号的MATLAB程序如下(函数文件fskdigital.m）：functionfskdigital(s,f1,f2)%本函数实现将输入的一段二进制代码调制成相应的f
13、sk信号输出%s为输入二进制码，f1、f2分别为代码0、1对应的载波频率，fsk为调制后输出信号t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=;b1=;forn=1:length(s)ifs(n)=0;m=ones(1,100);c=sin(f2*t);b=zeros(1,100)25elses(n)=1;m=ones(1,100);c=sin(f1*t);b=ones(1,100)endm1=m1m;c1=c1c;b1=b1b;endfsk=c1.*m1;subplot(211);plot(b1,r)title(原始信号);axis(0100*length(s)-0.11.1);grido
14、n;subplot(212);plot(fsk)title(2FSK信号);gridon;26在命令窗口中键入s的二进制代码和载波频率f1、f2，再输入函数名，就可以得到所对应的fsk信号输出，如输入以下指令:s=10110010;f1=200;f2=100;fskdigital输出波形如图1-9所示，其中0信号所对应的载波频率与码元速率相同，1信号所对应的载波频率为码元速率的两倍。27图1-92FSK信号波形28三、三、2FSK信号的解调信号的解调数字调频信号的解调方法很多，下面仅就相干检测法、非相干检测法、过零检测法和差分检测法进行介绍。1.包络检波法包络检波法2FSK信号的包络检波法解调
15、方框图如图1-10所示，其可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同，分别为、）起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络及；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。29若上、下支路及的抽样值分别用表示，则抽样判决器的判决准则为图1-102FSK信号的包络解调302.相干检测法相干检测法相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图1-11所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干
16、载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。图图1-112FSK同步检测方框图同步检测方框图313.过零检测法过零检测法单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法方框图及各点波形如图1-12所示。2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触
17、发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。32图1-12过零检测法方框图及各点波形图334.差分检测法差分检测法差分检波法基于输入信号与其延迟的信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。差分检测2FSK信号的原理如图1-13所示。输入信号经带通滤波
18、器滤除带外无用信号后被分成两路，一路直接送乘法器，另一路经时延后送乘法器，相乘后再经低通滤波器去除高频成分即可提取基带信号。34差分检测法的解调原理说明如下:将2FSK信号表示为，则角频率偏移有两种取值：，发送“1”码，发送“0”码乘法器输出为经低通滤波器去除倍频分量，得输出35可见，V与t无关，是角频偏的函数，但不是一个简单的函数。无妨选取，使得，则有，此时（1-15）其中，进一步考虑到角频偏较小的情况，即。由式（1-15）可见，输出电压与角频偏呈线性关系，实现了近似线性的频幅转换特性，这正是鉴频特性所要求的。针对的两种取值，经抽样判决器可检测出“1”和“0”。36四、四、2FSK信号的功率
19、谱及带宽信号的功率谱及带宽我们知道，一个2FSK信号可视为两个2ASK信号的合成（1-16）因此，2FSK信号的功率谱亦为两个2ASK功率谱之和。根据2ASK信号功率谱的表示式，并考虑到式（1-11）式（1-14）关于、的规定，可以得到这种2FSK信号功率谱的表示式为其中，为基带信号的功率谱。（1-17）37当是单极性NRZ波形且“0”、“1”等概出现时，有（1-18）代入式（1-17），得2FSK信号的功率谱为其功率谱曲线如图1-14所示。（1-19）38图1-142FSK信号的功率谱39从以上分析可见：（1）2FSK信号的功率谱与2ASK信号的功率谱相似，同样由离散谱和连续谱两部分组成。其
20、中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上，这表明2FSK信号中含有载波、的分量。（2）连续谱的形状随着的大小而异。出现双峰；出现单峰。40（3）2FSK信号的频带宽度为（1-20）式中，是基带信号的带宽；为频偏；为偏移率（或频移指数）。可见，当码元速率一定时，2FSK信号的带宽比2ASK信号的带宽要宽。通常为了便于接收端检测，又使带宽不致过宽，可选取，此时，是2ASK带宽的两倍，相应地系统频带利用率只有2ASK系统的1/2。411.3二进制数字相位调制二进制数字相位调制一、一般原理及实现方法一、一般原理及实现方法绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数字信号的相移方式。
21、二进制相移键控中，通常用相位0和来分别表示“0”或“1”。2PSK已调信号的时域表达式为（1-21）这里，与2ASK及2FSK时不同，为双极性数字基带信号，即（1-22）式中，是高度为1，宽度为的门函数；42（1-23）因此，在某一个码元持续时间内观察时，有，或（1-24）当码元宽度为载波周期的整数倍时，2PSK信号的典型波形如图1-15所示。图1-152PSK信号的典型波形432PSK信号的调制方框图如图1-16示。图（a）是产生2PSK信号的模拟调制法框图；图（b）是产生2PSK信号的键控法框图。图1-162PSK调制器框图就模拟调制法而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对要求不同，因
22、此2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号。而就键控法来说，用数字基带信号控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。44二、二、MATLAB实现实现以数字信号序列10110010为例，给出产生2PSK信号的MATLAB程序如下（函数文件pskdigital.m）：functionpskdigital(s,f)%本函数实现将输入的一段二进制代码调制成相应的psk信号输出%s为输入二进制码，f为载波频率，psk为调制后输出信号t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=;b1=;forn=1:length(s)ifs(n)=0;m
23、=-ones(1,100);b=zeros(1,100)elses(n)=1;m=ones(1,100);b=ones(1,100)end45c=sin(f*t);m1=m1m;c1=c1cb1=b1b;endpsk=c1.*m1;subplot(211);plot(b1)title(原始信号);axis(0100*length(s)-0.21.1);subplot(212);plot(psk);title(PSK信号);gridon;46在命令窗口中键入s的二进制代码和载波频率f，再输入函数名，就可以得到所对应的psk信号输出，如输入以下指令:s=10110010;f=100;pskdigi
24、tal输出波形如图1-17所示，其中载波频率与码元速率相同。图1-172PSK信号波形47三、三、2PSK信号的解调信号的解调2PSK信号的解调不能采用包络检测的方法，只能进行相干解调，其方框图如图1-18。工作原理简要分析如下。图1-182PSK信号接收系统方框图48不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为（1-25）式中为2PSK信号某一码元的初相。时，代表数字“0”；时，代表数字“1”。与同步载波相乘后，输出为（1-26）经低通滤波器滤除高频分量，得解调器输出为（1-27）49根据发送端产生2PSK信号时（0或）代表数字信息（“1”或“0”）的规定，以及接收端与的关系的特性，抽样判决器的判决
25、准则为（1-28）其中x为在抽样时刻的值。2PSK接收系统各点波形如图1-19所示。50图1-192PSK信号解调各点波形51可见，2PSK信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。由于2PSK信号实际上是以一个固定初相的未调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为相位或相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”，从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，
26、造成反向工作。52四、四、2PSK信号的频谱和带宽信号的频谱和带宽比较可知，2PSK信号与2ASK信号的时域表达式在形式上是完全相同的，所不同的只是两者基带信号的构成，一个由双极性NRZ码组成，另一个由单极性NRZ码组成。因此，求2PSK信号的功率谱密度时，也可采用与求2ASK信号功率谱密度相同的方法。2PSK信号的功率谱密度可以写成（1-29）其中为基带数字信号的功率谱密度。53对于双极性NRZ码，有（1-30）需要注意的是，该式是在双极性基带信号“0”、“1”等概（）出现的条件下获得的，一般情况下，当时，中将含有直流分量。将上式代入式（1-29），得（1-31）2PSK信号功率谱示意图如图
27、1-20所示。54图1-202PSK信号的功率谱55由图1-20可见：（1）当双极性基带信号以相等的概率出现时，2PSK信号的功率谱仅由连续谱组成。而一般情况下，2PSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于数字基带信号经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。（2）2PSK的连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同（仅差一个常数因子）。因此，2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同（1-32）56（1-33）其中，为数字基带信号带宽。这就表明，在数字调制中，2PSK的频谱特性与2ASK十分相似。相位调制和频率调制一样，本质上是一种非线性调制，但在数字调
28、相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。这样一来，数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了，为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。但是不能把上述概念推广到所有调相信号中去。572 2 多进制数字调制多进制数字调制所谓多进制数字调制，就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量，如幅度、频率或相位的过程。根据被调参量的不同，多进制数字调制可分为多进制幅度键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）以及多进制相移键控（MPSK或MDPSK）。也可以把载波的两个参量组合起来进行调制，如把幅度和相位组合起来得到多进制幅相键控（MAPK）或它的
29、特殊形式多进制正交幅度调制（MQAM）等。58由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值，因此，与二进制数字调制相比，多进制数字调制有以下几个特点特点：（1）在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信息速率（传信率），使系统频带利用率增大。码元速率相同时，M进制数传系统的信息速率是二进制的倍。在实际应用中，通常取，k为大于1的正整数。（2）在信息速率相同条件下，可以降低码元速率，以提高传输的可靠性。信息速率相同时，M进制的码元宽度是二进制的倍，这样可以增加每个码元的能量，并能减小码间串扰影响等。（3）在相同的噪声下，多进制系统的抗噪声性能低于二进制系统。代价是，信号功率需求增加
30、和实现复杂度加大。592.1多进制数字幅度调制（多进制数字幅度调制（MASK）一、一、MASK信号的表示式信号的表示式多进制数字幅度调制（MASK）又称为多电平调制，它是二进制数字幅度调制方式的推广。M进制幅度调制信号的载波振幅有M种取值，在一个码元期间内，发送其中的一种幅度的载波信号。MASK已调信号的表示式为（1-34）这里，为M进制数字基带信号（1-35）式中，是高度为1、宽度为的门函数；60有M种取值（1-36）且图1-21（a）、（b）分别为四进制数字基带信号和已调信号的波形图。61图1-21多进制数字幅度调制波形62图1-22多进制数字幅度调制波形63不难看出，图1-21（b）的波
31、形可以等效为图1-22诸波形的叠加。而图1-22中的各个波形可表示为（1-37）64式中（1-38）均为2ASK信号，但它们幅度互不相等，时间上互不重叠。可以不考虑。因此，可以看作由时间上互不重叠的M-1个不同幅度的2ASK信号叠加而成。即（1-39）65二、二、MATLAB实现实现利用MATLAB产生4ASK调制信号的程序如下：N=20;f=2;t=0:2*pi/99:2*pi;m1=;c1=;fori=1:N/2temp=rand;if(temp0.25)ak(i)=0;bk(i)=0;elseif(temp0.5)ak(i)=0;bk(i)=1;elseif(temp0.75)ak(i)
32、=1;bk(i)=1;elseak(i)=1;bk(i)=0;endend66fori=1:N/2if(ak(i)=0)&(bk(i)=0)m=zeros(1,100);elseif(ak(i)=0)&(bk(i)=1)m=ones(1,100);elseif(ak(i)=1)&(bk(i)=0)m=2*ones(1,100);elsem=3*ones(1,100);endc=sin(f*t);m1=m1m;c1=c1cendask=c1.*m1;subplot(211);plot(m1)title(原始信号);axis(050*N-0.14);subplot(212);plot(ask)ti
33、tle(4ASK信号);axis(050*N-44);67运行程序，得4ASK信号波形如图1-23所示。图1-234ASK信号波形68三、三、MASK信号的频谱、带宽及频带利用率信号的频谱、带宽及频带利用率由式（1-39）可知，MASK信号的功率谱是这M-1个2ASK信号的功率谱之和，因而具有与2ASK功率谱相似的形式。显然，就MASK信号的带宽而言，与其分解的任一个2ASK信号的带宽是相同的，可表示为（1-40）其中是多进制码元速率。设二进制的码元速率为，与2ASK信号相比较，当两者码元速率相等时，则两者带宽相等，即（1-41）69当两者的信息速率相等时，即时，根据和，可知其码元速率的关系为
34、（1-42）把式（1-42）代入（8-40）可得（1-43）可见，当信息速率相等时MASK信号的带宽只是2ASK信号带宽的。70定义单位频带的信息速率为频带利用率，那么MASK信号的频带利用率为（1-44）它是2ASK系统的系统的k倍倍。这说明MASK系统的频带利用率高于2ASK系统的频带利用率。71四、四、MASK系统的误码性能系统的误码性能相干解调时M进制数字幅度调制系统总的误码率为（1-45）值得注意，上式是在最佳判决电平、各电平等概出现、双极性相干检测条件下获得的，式中，为平均信噪比。若M=2，则上述调制信号即为抑制载波的振幅调制信号，或者说它是绝对移相调制信号。把M=2代入式（8-4
35、5），得到在最佳门限时2PSK系统的误码率，容易看出，为了得到相同的误码率，所需的信噪比r随电平数M的增加而增大。例如，四电平系统比二电平系统信噪比需要增大约7dB（5倍）。综上所述，多进制幅度调制是一种高效的调制方式，但抗干扰能力较差，因而一般只适宜在恒参信道中使用，如有线信道。722.2多进制数字频率调制（多进制数字频率调制（MFSK）一、一、MFSK调制解调原理调制解调原理多进制数字频率调制（MFSK）简称多频制，是2FSK方式的推广。它是用M个不同的载波频率代表种数字信息。产生4FSK信号的MATLAB程序如下：N=20;f1=1;f2=2;f3=3;f4=4;t=0:2*pi/99:
36、2*pi;m1=;c1=;b1=;fori=1:N/2temp=rand;if(temp0.25)ak(i)=0;bk(i)=0;73elseif(temp0.5)ak(i)=0;bk(i)=1;elseif(temp0.75)ak(i)=1;bk(i)=1;elseak(i)=1;bk(i)=0;endendfori=1:N/2if(ak(i)=0)&(bk(i)=0)m=ones(1,100);c=sin(f1*t);b=zeros(1,100);elseif(ak(i)=0)&(bk(i)=1)m=ones(1,100);c=sin(f2*t);b=ones(1,100);elseif(
37、ak(i)=1)&(bk(i)=0)m=ones(1,100);c=sin(f3*t);74b=2*ones(1,100);elsem=ones(1,100);c=sin(f4*t);b=3*ones(1,100);endm1=m1m;c1=c1c;b1=b1b;endfsk=c1.*m1;subplot(211);plot(b1)axis(050*N-0.14);subplot(212);plot(fsk)title(4FSK信号);axis(050*N-1.11.1);75运行程序，得4FSK信号波形如图1-24所示。图1-244FSK信号波形76MFSK系统的组成方框图如图1-25所示。
38、发送端采用键控选频的方式，接收端采用非相干解调方式。图1-25多进制数字频率调制系统的组成方框图77图中，串/并变换器和逻辑电路1将一组组输入的二进制码（每k个码元为一组）对应地转换成有M（）种状态的一个个多进制码。这M个状态分别对应M个不同的载波频率（）。当某组k位二进制码到来时，逻辑电路1的输出一方面接通某个门电路，让相应的载频发送出去，另一方面同时关闭其余所有的门电路。于是当一组组二进制码元输入时，经相加器组合输出的便是一个M进制调频波形。78M频制的解调部分由M个带通滤波器、包络检波器及一个抽样判决器、逻辑电路2组成。各带通滤波器的中心频率分别对应发送端各个载频。因而，当某一已调载频信
39、号到来时，在任一码元持续时间内，只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器只有噪声通过。抽样判决器的任务是比较所有包络检波器输出的电压，并选出最大者作为输出，这个输出是一位与发端载频相应的M进制数。逻辑电路2把这M个进制数译成k位二进制并行码，并进一步做并/串变换恢复二进制信息输出，从而完成数字信号的传输。79二、二、MFSK信号的频谱、带宽及频带利用率信号的频谱、带宽及频带利用率键控法产生的MFSK信号，可以看作由M个幅度相同、载频不同、时间上互不重叠的2ASK信号叠加的结果。设MFSK信号码元的宽度为，即传输速率（Baud），则M频制信号的带宽为（1-46）式中为最高选
40、用载频，为最低选用载频。MFSK信号功率谱如图1-26所示。图1-26MFSK信号的功率谱80若相邻载频之差等于，即相邻频率的功率谱主瓣刚好互不重叠，这时的MFSK信号的带宽及频带利用率分别为（1-47）（1-48）式中，可见，MFSK信号的带宽随频率数M的增大而线性增宽，频带利用率明显下降，与MASK的频带利用率比较，其关系为这说明，MFSK的频带利用率总是低于MASK的频带利用率。81三、三、MFSK系统的误码性能系统的误码性能MFSK信号采用非相干解调时系统的误码率为（1-50）式中，r为平均信噪比。MFSK信号采用相干解调时系统的误码率为（1-51）可以看出，多频制误码率随M增大而增加
41、，但与多电平调制相比增加的速度要小得多。多频制的主要缺点是信号频带宽，频带利用率低。因此，MFSK多用于调制速率较低及多径延时比较严重的信道，如无线短波信道。822.3多进制数字相位调制（多进制数字相位调制（MPSK）一、多相制信号表达式及相位配置一、多相制信号表达式及相位配置多进制数字相位调制又称多相制，是二相制的推广。它是利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制（MPSK）和相对相位调制（MDPSK）两种。设载波为，则M进制数字相位调制信号可表示为（1-52）83式中，是高度为1，宽度为的门函数；为M进制码元的持续时间
42、，亦即k（）比特二进制码元的持续时间；为第n个码元对应的相位，共有M种种不同取值（1-53）且（1-54）84由于一般都是在范围内等间隔划分相位的（这样造成的平均差错概率将最小），因此相邻相移的差值为（1-55）令，这样式（1-52）变为这里（1-56）（1-58）（1-57）分别为多电平信号。85常把式（1-56）中第一项称为同相分量，第二项称为正交分量。由此可见，MPSK信号可以看成是两个正交载波进行多电平双边带调制所得两路MASK信号的叠加。这样，就为MPSK信号的产生提供了依据，实际中，常用正交调制的方法产生MPSK信号。M进制数字相位调制信号还可以用矢量图来描述，图1-27画出了M2
43、、4、8三种情况下的矢量图。具体的相位配置的两种形式，根据CCITT的建议，图（a）所示的移相方式，称为A方式；图（b）所示的移相方式，称为B方式。图中注明了各相位状态及其所代表的比特码元。以A方式4PSK为例，载波相位有0、和四种，分别对应信息码元00、10、11和01。虚线为参考相位，对MPSK而言，参考相位为载波的初相；对MDPSK而言，参考相位为前一已调载波码元的初相。各相位值都是对参考相位而言的，正为超前，负为滞后。86图8-27相位配置矢量图87二、二、MPSK信号的频谱、带宽及频带利用率信号的频谱、带宽及频带利用率前已说过，MPSK信号可以看成是载波互为正交的两路MASK信号的叠
44、加，因此，MPSK信号的频带宽度应与MASK时的相同。即（1-59）其中是M进制码元速率。此时信息速率与MASK相同，是2ASK及2PSK的倍。也就是说，MPSK系统的频带利用率是2PSK的k倍。88三、三、QPSK信号的产生与解调信号的产生与解调在M进制数字相位调制中，四进制绝对移相键控（4PSK，又称QPSK）和四进制差分相位键控（4DPSK，又称QDPSK）用的最为广泛。下面着重介绍多进制数字相位调制的这两种形式。QPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元，习惯上把双比特的前一位用a代表，后一位用b代表。1.QPS
45、K信号的产生多相制信号常用的产生方法有：直接调相法及相位选择法。891）相位选择法由式（1-19）可以看出，在一个码元持续时间内，QPSK信号为载波四个相位中的某一个。因此，可以用相位选择法产生QPSK信号，其原理如图1-28所示。图中，四相载波发生器产生QPSK信号所需的四种不同相位的载波。输入的二进制数码经串/并变换器输出双比特码元。按照输入的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。例如，B方式情况下，双比特码元ab为11时，输出相位为45的载波；双比特码元ab为01时，输出相位为135的载波等。90图1-28相位选择法产生QPSK信号（B方式）方框图图1-28产生的是B方式的Q
46、PSK信号。要想形成A方式的QPSK信号，只需调整四相载波发生器输出的载波相位即可。912）直接调相法由式（1-56）可以看出，QPSK信号也可以采用正交调制的方式产生。B方式QPSK时的原理方框图如图1-29（a）所示。它可以看成是由两个载波正交的2PSK调制器构成，分别形成图1-29（b）中的虚线矢量，再经加法器合成后，得图（b）中实线矢量图。显然其为B方式QPSK相位配置情况。图1-29直接调相法产生QPSK信号方框图92若要产生QPSK的A方式波形，只需适当改变振荡载波相位就可实现。利用MATLAB产生QPSK信号，其程序实现如下，QPSK信号的相位编码逻辑关系如表1-1所示。表1-1
47、QPSK信号相位逻辑关系数字码元00011011相位090180270复数1j-1-j93%qpsk.mN=200;%定义信号序列长度signal=rand(1,N);Lt=length(signal);qpsk=zeros(1,Lt/2);%定义经过调制后的序列fori=1:Lt/2ifsignal(2*i-1)0.5ifsignal(2*i)0.5qpsk(i)=1;%若signal(2n-1)，signal(2n)=00，则映射后符号为1elseqpsk(i)=j;%若signal(2n-1)，signal(2n)=01，则映射后符号为jendelseifsignal(2*i)0.5qp
48、sk(i)=-1;%若signal(2n-1)，signal(2n)=10，则映射后符号为-1elseqpsk(i)=-j;%若signal(2n-1)，signal(2n)=11，则映射后符号为-jend；end；endplot(qpsk)94得到的QPSK信号矢量图如图1-30所示。图1-30qpsk信号的矢量图952.QPSK信号的解调由于QPSK信号可以看作是两个载波正交的2PSK信号的合成，因此，对QPSK信号的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行。图1-31是B方式QPSK信号相干解调器的组成方框图。图中两个相互正交的相干载波分别检测出两个分量a和b，然后，经并/串变换器还
49、原成二进制双比特串行数字信号，从而实现二进制信息恢复。此法也称为极性比较法。若解调QPSK信号（A方式），只需适当改变相移网络。在2PSK信号相干解调过程中会产生“倒”即“180相位模糊”现象。同样，对于QPSK信号相干解调也会产生相位模糊问题，并且是0、90、180和270四个相位模糊。因此，在实际中更常用的是四相相对移相调制，即4DPSK。96四、四、QPSK系统的误码性能系统的误码性能QPSK信号采用相干解调时系统的误码率为（1-60）式中，r为信噪比。综上讨论可以看出，多相制是一种频带利用率较高的高效率传输方式。再加之有较好的抗噪声性能，因而得到广泛的应用。973 3 案例分析案例分析
50、【例1-1】：利用Matlab产生独立等概的二进制信号（1）画出2ASK信号波形及其功率谱；（2）画出2FSK信号波形及其功率谱；（3）画出2PSK信号波形及其功率谱。解：程序流程图如图1-32所示%2ASK,2FSK,2PSKclearall;closeall;A=1;fc=2;%2HzN_sample=8;N=500;%码元数Ts=1;%1Baud/sdt=Ts/fc/N_sample;%波形采样间隔t=0:dt:N*Ts-dt;Lt=length(t);T=t(end);98%产生二进制信源d=sign(randn(1,N);dd=sigexpand(d+1)/2,fc*N_sample
51、);gt=ones(1,fc*N_sample);%NRZ波形subplot(2,4,1);%输入NRZ信号波形（单极性）d_NRZ=conv(dd,gt);%卷积得到基带波形plot(t,d_NRZ(1:length(t);axis(01001.2);xlabel(t);ylabel(输入信号);subplot(2,4,2);f,d_NRZf=t2f(t,d_NRZ(1:length(t);plot(f,10*log10(abs(d_NRZf).2/T);axis(-22-5010);xlabel(f);ylabel(输入信号功率谱密度(dB/Hz);%2ASK信号ht=A*cos(2*pi
52、*fc*t);s_2ask=d_NRZ(1:Lt).*ht;subplot(2,4,3)99plot(t,s_2ask);axis(010-1.21.2);xlabel(t);ylabel(2ask);f,s_2askf=t2f(t,s_2ask);subplot(2,4,4)plot(f,10*log10(abs(s_2askf).2/T);axis(-fc-4fc+4-5010);xlabel(f);ylabel(2ask功率谱密度(dB/Hz);%2FSK%s_2fsk=Acos(2*pi*fc*t+int(2*d_NRZ-1);d_2fsk=2*d_NRZ-1;s_2fsk=A*cos
53、(2*pi*fc*t+2*pi*d_2fsk(1:length(t).*t);subplot(2,4,5)plot(t,s_2fsk);axis(010-1.21.2);xlabel(t);ylabel(2fsk);100f,s_2fskf=t2f(t,s_2fsk);subplot(2,4,6)plot(f,10*log10(abs(s_2fskf).2/T);axis(-fc-4fc+4-5010);xlabel(f);ylabel(2fsk功率谱密度(dB/Hz);%2PSK信号d_2psk=2*d_NRZ-1;s_2psk=d_2psk(1:Lt).*ht;subplot(2,4,7)
54、plot(t,s_2psk);axis(010-1.21.2);xlabel(t);ylabel(2psk);f,s_2pkf=t2f(t,s_2psk);subplot(2,4,8)plot(f,10*log10(abs(s_2pkf).2/T);axis(-fc-4fc+4-5010);xlabel(f);ylabel(2psk功率谱密度(dB/Hz);101其中要用到以下两个子函数：1、sigexpand.m定义了函数sigexpand，将输入d进行扩张，方法是在d的每个数据中插入M-1个零值。functionout=sigexpand(d,M)N=length(d);out=zeros
55、(M,N);out(1,:)=d;out=reshape(out,1,M*N);2、t2f.m定义了函数t2f，用来计算信号的傅立叶变换。functionf,sf=t2f(t,st)%这是一个利用FFT算法来计算一个信号的傅立叶变换的函数%输入为时间和信号序列，长度必须大于2%输出为频率和信号频谱dt=t(2)-t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(st);f=-N/2*df:df:N/2*df-df;sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);102103图1-33二进制调制波形及其频谱104【例1-2】：设二进制信息为0110110010，采用2FS
56、K系统传输。码元速率为1B，载波频率为10Hz，采样频率为40Hz，利用Matlab画出（1）调制后的信号波形；（2）经过信道传输后的信号波形（加入高斯白噪声）；（3）相干解调后的信号波形。functionFSKFc=10;%载频Fs=40;%系统采样频率Fd=1;%码速率N=Fs/Fd;df=10;x=0110110010;%输入序列M=2;%进制数SNRpBit=60;%信噪比SNR=SNRpBit/log2(M);105seed=1234554321;numPlot=length(x);figure(1)%画出输入二进制序列subplot(211);stem(0:numPlot-1,x(
57、1:numPlot),bx);title(输入二进制序列)%调制y=dmod(x,Fc,Fd,Fs,fsk,M,df);numModPlot=numPlot*Fs;t=0:numModPlot-1./Fs;subplot(212);%画出调制后的信号plot(t,y(1:length(t),b-);axis(min(t)max(t)-1.51.5);title(调制后的信号)%在已调信号中加入高斯白噪声randn(state,seed(2);y=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),measured,dB);figure(2)106%相干解调z1=ddemo
58、d(y,Fc,Fd,Fs,fsk/eye,M,df);title(相干解调后的信号的眼图)figure(3)subplot(211);plot(t,y(1:length(t),b-);%画出经过信道的实际信号axis(min(t)max(t)-1.51.5);title(加入高斯白噪声后的已调信号)%带输出波形的相干M元频移键控解调subplot(212);stem(0:numPlot-1,x(1:numPlot),bx);holdon;stem(0:numPlot-1,z1(1:numPlot),ro);holdoff;axis(0numPlot-0.51.5);title(相干解调后的信号
59、与原序列比较)107程序的运行过程是：输入要传输的二进制序列，然后通过调用函数对该序列进行调制（已调信号如图1-35（b）所示），然后在调制信号中加入高斯白噪声（如图1-35（c）所示），再通过调用函数让函数通过相干解调方式进行解调，解调信号（如图1-35（d）所示），在图1-35（d）中“”表示原输入二进制序列,“”表示相干解调后的信号。108（a）（b）109（c）（d）图1-35程序运行结果图110本实验主要涉及以下内容：二进制数字幅度调制（二进制数字幅度调制（2ASK）原理及实现功率谱及带宽二进制数字频率调制（二进制数字频率调制（2FSK）原理及实现功率谱及带宽二进制数字相位调制（二进
60、制数字相位调制（2PSK）原理及实现功率谱及带宽总结总结 111多进制数字幅度调制（多进制数字幅度调制（MASK）原理及实现功率谱及带宽误码性能多进制数字频率调制（多进制数字频率调制（MFSK）原理及实现功率谱及带宽误码性能多进制数字相位调制（多进制数字相位调制（MPSK）原理及实现功率谱及带宽误码性能112pQPSK的调制解调的调制解调任意输入长度为任意输入长度为64比特的二进制信息，采用比特的二进制信息，采用QPSK系统传输。系统传输。码元速率为码元速率为1Bps，载波频率为，载波频率为10Hz，采样频率为，采样频率为40Hz，利用利用Matlab画出：画出：（1）调制后的信号波形；）调制
61、后的信号波形；（2）经信道传输后的信号波形（假设加性高斯白噪声，其功）经信道传输后的信号波形（假设加性高斯白噪声，其功率为信号功率率为信号功率1/10）；）；（3）无噪声和有噪声情况下的星座图和眼图；）无噪声和有噪声情况下的星座图和眼图；（4）任意解调方法解调后的信号波形。）任意解调方法解调后的信号波形。注注：（：（3）和（）和（4）任选其一。）任选其一。实验任务实验任务 113以以PDF文件格式提交如下材料：文件格式提交如下材料：1.程序流程图程序流程图2.说明流程图每一个环节主要功能作用说明流程图每一个环节主要功能作用3.输出结果（包含输出结果（包含X、Y轴坐标等信息）轴坐标等信息）4.m程序（包含注释！）程序（包含注释！）文件打包命名格式文件打包命名格式“10电子电子1班班_xxx.zip”1.由学委在由学委在15周周周周1下午，提交至工学下午，提交至工学2号馆号馆404提交报告要求提交报告要求要求独立完成！要求独立完成！
