1、第 6 章 数字带通传输系统二进制幅度键控6.1二进制频移键控6.2二进制相移键控6.3二进制差分相移键控6.4各种二进制数字调制系统的性能比较6.5多进制数字调制6.6 数字基带信号不能直接通过带通信道传输，需将数字基带信号变换成数字频带信号。用数字基带信号去控制高频载波的幅度、频率或相位，称为数字调制。从已调高频载波上将数字基带信号恢复出来，称为数字解调。和模拟调制相似，数字调制所用的载波一般也是连续的正弦型信号，但调制信号则为数字基带信号。理论上讲，载波形式可以是任意的（比如三角波、方波等），只要适合在带通信道中传输即可。之所以在实际通信中多选用正弦型信号，是因为它具有形式简单、便于产生
2、和接收等特点。数字调制方式：幅度调制，称为幅度键控，记为ASK；频率调制，称为频移键控，记为FSK；相位调制，称为相移键控，记为PSK。所谓“键控”是指一种如同“开关”控制的调制方式。比如对于二进制数字信号，由于调制信号只有两个状态，调制后的载波参量也只能具有两个取值，其调制过程就像用调制信号去控制一个开关，从两个具有不同参量的载波中选择相应的载波输出，从而形成已调信号。61 二进制幅移键控（2ASK）1.2ASK信号的调制 用二进制数字基带信号控制载波的幅度，二进制数字序列只有“1”、“0”两种状态。调制后的载波也只有两种状态：有载波输出传送“1”，无载波输出传送“0”。假定调制信号是单级性
3、非归零的二进制序列，“1”码时，输出载波Acos0t；“0”码时，无输出。图6-1 2ASK信号的波形图6-2 2ASK信号调制器原理框图 为第n个码元的电平值，单极性码，或 。是时间宽度为 的基本脉冲。2ASK信号 乘法器完成调制，BPF取出已调信号，抑制带外频谱分量，通过调节还可以实现单边带或残留边带调制。)()(SnnnTtgatsna0na)(tgSTtnTtgaAtsnSnASK0cos)()(00 1 cos0tA1 在一般情况下，调制信号是具有一定波形形状的二进制脉冲序列，可表示为0fPB(f)0 fcfcfc fsfc fsfc fsfc fsfPASK(f)(a)(b)fsf
4、s图62 2ASK信号的功率谱密度 SSASKTfB/222SSTf1ST 2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移，其频谱宽度是二进制基带信号的两倍。由于基带信号是矩形波，其频谱宽度从理论上来说为无穷大，以载波为中心频率，在功率谱密度的第一对过零点之间集中了信号的主要功率，因此,通常取第一对过零点的带宽作为传输带宽，称之为谱零点带宽。0f 3.2ASK信号的解调 解调方式：相干解调和非相干解调。图6-4 2ASK信号解调器原理框图 （1）相干解调 乘法器实现ASK频谱的再次搬移，使数字调制信号的频谱搬回到零频附近；LPF去除乘法器产生的高频分量，滤出数字调制信号。BPF滤除接收信号频带
5、以外的噪声干扰，并保证信号完整地通过。乘法器输出 tttyASK0cos)()(ttnTtgaAnSn00coscos)(LPF输出 由于噪声及信道特性的影响，LPF输出的数字信号是不标准的，通过对信号再采样，利用判决器对采样值进行判决，便可以恢复原“1”、“0”数字序列。应该注意本地载波要与发送在波同频同相，以保证数据的正确解调。)(2cos120SnnnTtgatAtnTtgaAnTtgaASnnSnn02cos)(2)(2)(2)(SnnnTtgaAtx图6-5 2ASK信号相干解调过程的各点波形 （2）非相干解调 利用包络检波器来实现，LPF滤除包络信号中的高频成分，平滑包络信号。比非
6、相干解调实现容易。2FSK是利用载波的频率变化来传递数字信息的。在二进制情况下，1对应于载波频率 ，0对应于载波频率 。2FSK信号在形式上如同两个不同频率交替发送的ASK信号相叠加。1f2f62 二进制频移键控 图6-7 2FSK信号的波形 式中：是宽度为 的基本矩形脉冲，表示 的非。频差 ：两个载频之间的间隔。中心频率 ：两个载频的平均值tnTtgatnTtgatnSnnSnFSK21cos)(cos)()()(tgSTnana12fffssfffffh21因此已调信号的时域表达式为定义调制指数（或频移指数）为h212fffcfcf0cos 1 cos)(21tAtAtFSK图68 2FS
7、K信号功率谱 fc fsfcfc fsfP2FSK(f)h0.5h0.7h1.5 图68给出了h0.5、h=0.7、h=1.5时2FSK信号的功率谱示意图。功率谱以fc为中心对称分布。在f较小时功率谱为单峰。随着f的增大，f1和f2之间的距离增大，功率谱出现了双峰。2FSK信号的第一频谱零点带宽可近似表示为式中,为基带信号的带宽或者说是基带信号的码元速率。sfsFSKfffB2122图6-9 2FSK信号调制器原理框图2FSK信号的调制方法 2FSK信号常用的解调方法有相干解调，非相干解调和过零检测法等。3.2FSK3.2FSK信号的解调信号的解调 图图6-10 2FSK信号解调器原理框图信号
8、解调器原理框图 设 代表“1”码，代表“0”码。中心频率为 的带通滤波器和中心频率为 的带通滤波器可将两者分开，把代表“1”码的 和代表“0”码的 分成两路ASK信号，采用相干解调方式解调。采样判决可恢复原数据序列。)(2ty1.相干解调1212tAtytAty2211cos)(cos)()(1ty乘法器输出tAAttAtxtAAttAtx222211112cos22coscos)(2cos22coscos)(LPF输出判决准则：判为“1”，判为“0”。0)(2)(21tvAtv2)(20)(21Attv21vv 21vv 图6-11 2FSK信号相干解调过程的各点波形 2FSK信号的过零点数
9、随载频的变化而不同，因此，检测出过零点数就可以得到载频的差异，从而进一步得到调制信号的信息。过零检测法的原理框图及各点波形如图6-12,6-13所示。FSK信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的脉冲序列，由此再形成相同宽度的矩形波。此矩形波的低频分量与数字信号相对应，由低通滤波器滤出低频分量，然后经抽样判决，即可得到原始的数字调制信号。2.过零检测法图6-12 2FSK信号过零检测法解调原理框图图6-13 2FSK信号过零检测法的各点波形 二进制相移键控（2PSK）是用二进制数字信号控制载波的两个相位，这两个相位通常相隔弧度，例如用相位0和分别表示1和0，所以这种调制又称二相相移键控（
10、BPSK）。二进制相移键控信号的时域表达式为 63 二进制相移键控tnTtgaAtsnSnPSK02cos)()(这里的 为双极性数字信号，即PPan111概率为概率为na 如果 是幅度为1，宽度为 的矩形脉冲，则2PSK信号可表示为2PSK信号的典型波形如图616所示。)(tgtAtsPSK02cos)(sT图6-16 2PSK信号的波形图6-17 2PSK信号的功率谱密度示意图 2PSK信号与2ASK信号相比较，它们的表达式在形式上是相同的，其区别在于2PSK信号是双极性不归零码的双边带调制，而2ASK信号是单极性非归零码的双边带调制。由于双极性不归零码没有直流分量，因此2PSK信号是抑制
11、载波的双边带调制。这样，2PSK信号的功率谱与2ASK信号的功率谱相同，只是少了一个离散的载波分量，也属于线性调制。2PSK信号的带宽与2ASK信号的带宽相同，即ssTf1其中sASKPSKfBB22212PSK信号的调制方法2PSK信号的调制与解调方法图6-18 2PSK信号调制器原理框图22PSK信号的解调方法 由于2PSK信号的功率谱中无载波分量，因此必须采用相干解调的方式。图6-19 2PSK信号相干解调原理框图图6-20 2PSK信号相干解调过程的各点波形表61 2PSK信号的调制和解调过程 码元相位表示码元所对应的2PSK信号的相位，1和2表示相位为的PSK信号分别与相位为1和2的
12、本地载波相乘。这样我们看到本地载波相位的不确定性造成了解调后的数字信号可能极性完全相反，形成1和0的倒置，引起信息接收错误。为了克服相位模糊对于解调的影响，通常要采用差分相移键控的调制方法。6.4 二进制差分相移键控二进制差分相移键控的基本原理 为了解决2PSK信号解调过程中的相位模糊问题，提出了二进制差分相移键控（2DPSK）方式。2DPSK方式是用前后相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信息。相对相位指本码元载波初相与前一码元载波终相的相位差。例如，“1”码载波相位变化,即与前一码元载波终相差，“0”码载波相位不变化，即与前一码元载波终相相同。图6-21 2DPSK信号的波形图6-22 2
13、DPSK信号调制器原理框图2DPSK信号的调制方法 差分码可取传号差分码或空号差分码。传号差分码的编码规则为 式中,为模2加，为 的前一个码元，最初的 可任意设定。由已调信号的波形可知，在使用传号差分码的条件下，载波相位遇1变而遇0不变,载波相位的这种相对变化就携带了数字信息。1nnnbab1nbnb1nb例如差分编码器输入码无（绝对码）1 1 0 1 0 1差分编码器输出码无（相对码）（0）1 0 0 1 1 0 或（1）0 1 1 0 0 1用相对码进行绝对调相：相对码 （0）1 0 0 1 1 0 已调信号相位 （0）0 0 0 1）相干解调 2DPSK信号相干解调出来的是差分调制信号，
14、2PSK相干解调器之后再接一差分译码器，将差分码变换为绝对码，就可得原调制信号序列。2DPSK信号的解调方法图623 2DPSK相干解调器及各点波形 abcdef1000110抽样判决器带通相乘器低通码(反)变换器2DPSK信号acdef二进制信息位定时本地载波b表62 2DPSK信号的调制和解调过程 2DPSK信号的另一种解调方法是差分相干解调（又称延迟解调），其方框图和波形图如图717所示。用这种方法解调时不需要恢复本地载波，可由收到的信号单独完成。将DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与DPSK信号本身相乘（相乘器起相位比较的作用），相乘结果经低通滤波后再抽样判决即可恢复出原始数字信息
15、。只有DPSK信号才能采用这种解调方法。图图6-24 2DPSK信号差分相干解调原理框图及各点波形信号差分相干解调原理框图及各点波形表63 2DPSK信号的调制和延迟解调过程 6.5 各种二进制数字调制系统的性能比较表64 二进制数字调制的误码率公式 221rerfc221rerfcrerfc21rerfcrerfc14/21rere212/21re/图6-26 各种二进制数字调制的误码率曲线6.6 多进制数字调制 用多进制的数字基带信号调制载波，就可以得到多进制数字调制信号。通常，取多进制数M为2的幂次 。当携带信息的参数分别为载波的幅度、频率或相位时，数字调制信号为M进制幅度键控（MASK
16、）、M进制频移键控（MFSK）或M进制相移键控（MPSK）。当信道频带受限时，采用M进制数字调制可以增大信息传输速率，提高频带利用率。kM2 1MASK信号的表达 在M进制的幅度键控信号中，载波幅度有M种取值。当基带信号的码元间隔为Ts时，M进制幅度键控信号的时域表达式为 式中，为基带信号的波形,为载波的角频率，为幅度值，有M种取值。tnTtgatscnnnMASKcos)()()(tgnacna 2MASK信号调制 MASK信号相当于M电平的基带信号对载波进行双边带调幅。图627示意性画出2ASK信号和4ASK信号的波形。图627（a）为四电平基带信号b(t)的波形，图627（b）为4ASK
17、信号的波形。图627（b）所示的4ASK信号波形可等效为图627（c）中的4种波形之和，其中3种波形分别是一个2ASK信号。这就是说，MASK信号可以看成是由时间上互不相容的M-1个不同振幅值的2ASK信号的叠加。(a)(b)TsB(t)000000s4ASK(t)s0(t)s1(t)s2(t)s3(t)1230102301tttttt(c)图 627 所以MASK信号的功率谱，便是这M-1个信号的功率谱之和。尽管叠加后功率谱的结构是复杂的，但就信号的带宽而言，当码元速率Rs相同时，MASK信号的带宽与2ASK信号的带宽相同，都是基带信号带宽的2倍。但是M进制基带信号的每个码元携带有 比特信息
18、，这样在带宽相同的情况下，MASK信号的信息速率是2ASK信号的 倍。或者说在信息速率相同的情况下MASK信号的带宽仅为2ASK信号的 。M2logM2log/1 MASK的调制方法与2ASK相同，但是首先要把基带信号由二电平变为M电平。将二进制信息序列分为 个一组，然后变换为 电平基带信号。电平基带信号对载波进行调制，便可得到MASK信号。Mk2logkMM【例】对数字基带序列为01111000010010110001进行4ASK调制。解:，故首先将序列每两个一组变换为4电平信号，即用4组二进制码对4种电平编码。我们用00表示0，01表示1，10表示2，11表示3。当然，编码方式不唯一。则原
19、序列变为四电平序列：1320102301（如图627（a）对载波调制后，可得4MASK波形如图627（b）所示。2log42k 3MASK信号解调 MASK信号的解调可以采用包络检波或相干解调的方法，其原理与2ASK信号的解调完全相同。6.6.2 多进制频移键控（MFSK）在MFSK中，载波频率有M种取值。MFSK信号的表达式为 式中，为单位符号的信号能量；为载波角频率,有M种取值。1,1,0,0,cos2)(MiTttTEtssissMFSKsEi图6-29 4FSK信号举例 MFSK调制可用频率选择法实现，如图6-30所示。二进制信息经串并变换后形成M种形式，通过逻辑电路分别控制M个振荡源
20、。MFSK信号通常用非相干解调，如图6-30所示。图6-30 多进制频移键控系统的原理框图 6.6.3 多进制相移键控（MPSK）1MPSK信号的表达 在M进制相移键控（MPSK）中，载波相位有M种取值。当基带信号的码元间隔为Ts时，MPSK信号可表示为 式中，为信号在一个码元间隔内的能量，为载波角频率，为有M种取值的相位。1,1,0),cos(2)(MitTEtsicssMPSKsEciM2log/1 MPSK信号的频带宽度应与MASK信号的频带宽度相同。与MASK信号一样，当信息速率相同时，MPSK信号与2PSK信号相比，带宽节省到 ，即频带利用率提高了 倍。M2log MPSK信号是相位
21、不同的等幅信号，所以用矢量图可对MPSK信号进行形象而简单的描述。在矢量图中通常以0相位载波作为参考矢量。图6-31中画出M=2、4、8三种情况下的矢量图。当初始相位=0和=M时，矢量图有不同的形式。图631 MPSK信号的矢量图表示 01011011110110000000101101011011110110000000101101111000111000011010(a)M2,0(b)M4,0(c)M8,0(d)M2,/2(e)M4,/4(f)M8,/8图6-34 相乘法产生4PSK信号原理框图电平产生电平产生串并变换载波发生器90移相二进制信息已调信号I(t)Q(t)Acos2fctA
22、sin2fct1001111011I(t)Q(t)101101001111111ttt(a)(b)0二进制信息图6-35 串并变换图6-36 相位选择法产生4PSK信号原理框图图6-37 4PSK信号解调原理方框图2四相相对相移键控 在4DPSK中是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息，4DPSK信号的一种编码规则如表6-5所示，表中 是相对于前一码元的相位变化。n表6-5图图6-39 4DPSK信号产生原理框图信号产生原理框图图图6-40 4DPSK信号极性比较法解调原理框图信号极性比较法解调原理框图图图6-41 A方式方式4DPSK信号相位比较法解调原理方框图信号相位比较法解调原理方框图
