數字信號頻帶傳輸

1、第五章第五章數字信號的頻帶傳輸數字信號的頻帶傳輸 教學重點教學重點1理解典型數字調制信號的波形與特點，能畫出這些理解典型數字調制信號的波形與特點，能畫出這些信號的波形。信號的波形。2理解頻分多路復用原理。理解頻分多路復用原理。 3理解調制解調器的功能、類型，基本原理框圖。理解調制解調器的功能、類型，基本原理框圖。 4了解各種數字調制方式中調制和解調的方法。了解各種數字調制方式中調制和解調的方法。 5了解數字通信中的同步技術。了解數字通信中的同步技術。 掌握典型數字調制信號的波形與特點；調制解調器。掌握典型數字調制信號的波形與特點；調制解調器。序號序號 內內 容容學時學時1 5.1概述概述 0.

2、52 5.2振幅鍵控調制（振幅鍵控調制（ASK） 13 5.3移頻鍵控調制（移頻鍵控調制（FSK）24 5.4移相鍵控調制（移相鍵控調制（PSK） 2 5 5.5 常用改進型數字調制技術常用改進型數字調制技術 26 5.6 同步技術概念同步技術概念 0.57 習題和小結習題和小結 8 本章總學時本章總學時 8學時分配學時分配教學難點教學難點第五章數字信號的頻帶傳輸第五章數字信號的頻帶傳輸 5.15.1概述概述5.2 5.2 振幅鍵控調制（振幅鍵控調制（ASKASK） 5.3 5.3 移頻鍵控調制（移頻鍵控調制（FSKFSK）5.4 5.4 移相鍵控調制（移相鍵控調制（PSKPSK） 5.5 5

3、.5 常用改進型數字調制技術常用改進型數字調制技術 5.6 5.6 同步技術概念同步技術概念 5.15.1概述概述一、頻帶傳輸系統(tǒng)組成一、頻帶傳輸系統(tǒng)組成 二、數字調制的三種基本形式二、數字調制的三種基本形式 有線信道有線信道中數字信號一般利用中數字信號一般利用基帶傳輸基帶傳輸，而在，而在無線信道無線信道中數字信號則是采用中數字信號則是采用頻帶傳輸頻帶傳輸的的。 一、頻帶傳輸系統(tǒng)組成一、頻帶傳輸系統(tǒng)組成 頻帶傳輸系統(tǒng)圖頻帶傳輸系統(tǒng)圖5.1所示，工作過程如下：所示，工作過程如下： 原始數字序列經基帶信號形成器后變換成適合于傳輸的原始數字序列經基帶信號形成器后變換成適合于傳輸的基帶信號。然后送到鍵

4、控器來控制射頻載波的振幅、頻率或基帶信號。然后送到鍵控器來控制射頻載波的振幅、頻率或相位，形成數字調制信號后送至信道。在信道中傳輸的還有相位，形成數字調制信號后送至信道。在信道中傳輸的還有各種干擾。接收濾波器把淹沒在干擾和噪聲中的有用信號提各種干擾。接收濾波器把淹沒在干擾和噪聲中的有用信號提取出來，并經過相應的解調器，還原出數字基帶信號取出來，并經過相應的解調器，還原出數字基帶信號( (t t) )。圖圖 5.1 頻帶傳輸系統(tǒng)的組成方框圖頻帶傳輸系統(tǒng)的組成方框圖 頻帶傳輸系統(tǒng)的性能和質量，主要通過頻帶傳輸系統(tǒng)的性能和質量，主要通過誤碼率和頻帶利誤碼率和頻帶利用率用率來表示。來表示。 1數字信號

5、調制：數字信號調制：用數字信號去控制高頻載波的振幅、用數字信號去控制高頻載波的振幅、頻率和相位，使高頻載波的振幅、頻率和相位隨數字信號而頻率和相位，使高頻載波的振幅、頻率和相位隨數字信號而變化，稱為變化，稱為數字信號調制數字信號調制。數字信號對高頻載波的調制與模。數字信號對高頻載波的調制與模擬信號對高頻載波的調制相似。擬信號對高頻載波的調制相似。二、數字調制的三種基本形式二、數字調制的三種基本形式 2數字鍵控：數字鍵控：數字信號是離散的，其對載波信號進行調數字信號是離散的，其對載波信號進行調制時，的過程相似于對高頻載波信號進行制時，的過程相似于對高頻載波信號進行開關控制開關控制的工作狀的工作狀

6、態(tài)，所以數字調制又稱為態(tài)，所以數字調制又稱為數字鍵控數字鍵控。 數字信號對載波的振幅調制稱為數字信號對載波的振幅調制稱為振幅鍵控振幅鍵控(ASK)，對載波對載波頻的率調制稱為頻的率調制稱為頻移鍵控頻移鍵控(FSK)，對載波的相位調制稱為對載波的相位調制稱為相移相移鍵控鍵控(PSK)。 若數字信號若數字信號S(t)是二進制的，是二進制的，則則ASK、FSK、PSK實現原理實現原理框圖及鍵控信框圖及鍵控信號的輸出波形號的輸出波形如圖如圖5.2所示。所示。 圖圖 5.2 2ASK、2FSK、2PSK調制方框圖及輸出波形調制方框圖及輸出波形 5.2 5.2 振幅鍵控調制（振幅鍵控調制（ASKASK）

7、一、振幅鍵控信號的產生一、振幅鍵控信號的產生 二、振幅鍵控信號的解調二、振幅鍵控信號的解調 一、振幅鍵控信號的產生一、振幅鍵控信號的產生 振幅鍵控信號輸出波形特點是：振幅鍵控信號輸出波形特點是：當數字信號為當數字信號為“1”時，時，高頻載波有輸出；當數字信號為高頻載波有輸出；當數字信號為“0”時，高頻載波沒有輸時，高頻載波沒有輸出。出。 振幅鍵控調振幅鍵控調制的實現可由制的實現可由數數字信號與載波信字信號與載波信號相乘號相乘來得到，來得到，其原理框圖如圖其原理框圖如圖5.3所示：所示： 圖圖 5.3 振幅調制的一般模型振幅調制的一般模型 上圖中，上圖中，COSct 為為高頻載波高頻載波信號，信

8、號， S(t)為數字為數字基帶信基帶信號號，載波信號與基帶信號在乘法器中相乘，乘法器輸出為：，載波信號與基帶信號在乘法器中相乘，乘法器輸出為： m(t)= S(t)COSct 當當S(t)為為“0”時，乘法器輸出為時，乘法器輸出為0；當；當S(t)為為“1”時，時，乘法輸出乘法輸出COSct 的高頻載波信號。的高頻載波信號?？傻贸觯嚎傻贸觯?當數字基帶信號當數字基帶信號S(t)含有直流分量時，含有直流分量時，S(t)可看成是由可看成是由直流分量直流分量E和交流分量和交流分量S(t)疊加而成，即疊加而成，即S(t) = E + S(t)，則則m(t)可分解成：可分解成： 2ASK的實質是由的實質

9、是由二進制的數字信號去控制一個連續(xù)的二進制的數字信號去控制一個連續(xù)的載波振蕩信號，使載波振蕩信號時斷時續(xù)載波振蕩信號，使載波振蕩信號時斷時續(xù)。 m(t) = S(t)COSct = E + S(t) COSct = ECOSct + S(t) COSct ECOSct為高頻載波分量，為高頻載波分量， S( (t)COS)COSc ct為上、下邊為上、下邊頻分量。頻分量。 可見：當數字調制信號含有直流時，振幅鍵控調制可見：當數字調制信號含有直流時，振幅鍵控調制（ASKASK）信號是一個）信號是一個普通調幅信號普通調幅信號。當數字信號中不含有直。當數字信號中不含有直流分量流分量E E時，則此時的已

10、調信號為時，則此時的已調信號為抑制載波的雙邊帶調幅信抑制載波的雙邊帶調幅信號號(DSB)。 圖圖5.3中的帶通濾波器用來選取所需的頻率分量，以得中的帶通濾波器用來選取所需的頻率分量，以得到符合傳輸要求的振幅鍵控信號到符合傳輸要求的振幅鍵控信號SASK。 當帶通濾波器只取出已調信號的兩個邊頻分量時，輸出信當帶通濾波器只取出已調信號的兩個邊頻分量時，輸出信號為抑制掉載波的號為抑制掉載波的雙邊帶調幅信號雙邊帶調幅信號(DSB)；當只取出一個邊；當只取出一個邊頻分量而將載波和另一個邊頻分量濾除掉時，輸出信號為頻分量而將載波和另一個邊頻分量濾除掉時，輸出信號為單邊帶信號單邊帶信號(SSB)。二、振幅鍵控

11、信號的解調二、振幅鍵控信號的解調 振幅鍵控信號的解調方法分成振幅鍵控信號的解調方法分成包絡解調包絡解調和和相干解調相干解調（同（同步解調）二種。步解調）二種。對于對于一般的調幅波一般的調幅波信號（即含有載波分量的調幅信號），信號（即含有載波分量的調幅信號），解調既可以用包絡檢波，也可以相干檢波。但對于解調既可以用包絡檢波，也可以相干檢波。但對于抑制掉載抑制掉載波波的雙邊帶調幅信號和單邊帶調幅信號，由于它們的振幅包的雙邊帶調幅信號和單邊帶調幅信號，由于它們的振幅包絡不反映原來的調制信號，因而解調不能用包絡檢波而必須絡不反映原來的調制信號，因而解調不能用包絡檢波而必須用相干檢波。用相干檢波。 適應

12、范圍適應范圍: : 1包絡解調器包絡解調器 圖圖5.4 2ASK信號的包絡解調信號的包絡解調 包絡解調法的原理方框圖如圖包絡解調法的原理方框圖如圖5.4所示。所示。 包絡解調法的原理包絡解調法的原理: : 帶通濾波器恰好使帶通濾波器恰好使2ASK信號完整地通過，經包絡檢測信號完整地通過，經包絡檢測后，輸出其包絡。低通濾波器的作用是濾除高頻雜波，使基后，輸出其包絡。低通濾波器的作用是濾除高頻雜波，使基帶包絡信號通過。帶包絡信號通過。 抽樣判決器包括抽樣判決器包括抽樣抽樣、判決判決及及碼元形成碼元形成，有時又稱，有時又稱譯譯碼器碼器。定時抽樣脈沖是很窄的脈沖，通常位于每個碼元的中。定時抽樣脈沖是很

13、窄的脈沖，通常位于每個碼元的中央位置，其重復周期等于碼元的寬度。央位置，其重復周期等于碼元的寬度。 帶通濾波器輸出為帶通濾波器輸出為2ASK信號，即信號，即m(t) = S(t)COSct，包絡檢波器輸出為包絡檢波器輸出為S(t)，經抽樣、判決后將碼元再生，即可，經抽樣、判決后將碼元再生，即可恢復出數字序列?；謴统鰯底中蛄?。 2相干解調器相干解調器相干解調原理方框圖如圖相干解調原理方框圖如圖5.5所示。所示。 圖圖5.5 2ASK信號的相干解調信號的相干解調 基帶信號（上式第一項）與載波成分（上式第二項）之基帶信號（上式第一項）與載波成分（上式第二項）之間頻譜相差很遠。經低通濾波后，即可輸出間

14、頻譜相差很遠。經低通濾波后，即可輸出S(t)2信號。信號。相干解調就是相干解調就是同步解調同步解調，同步解調時，接收機要產生，同步解調時，接收機要產生一個與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號，稱其為一個與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號，稱其為同步載同步載波波或或相干載波相干載波，利用此載波與收到的已調波，利用此載波與收到的已調波m(t) = S(t)COSct相乘，相乘器輸出為相乘，相乘器輸出為 Z(t) = m(t)COSct = S(t)COS2ct = S(t) 1 + COS2ct =S(t) + S(t) COS2ct 5.3 5.3 移頻鍵控調制（移頻鍵控調制（FSKFSK） 一、一、

15、FSKFSK信號的產生信號的產生 二、二、FSKFSK信號的解調信號的解調 移頻鍵控調制移頻鍵控調制是用數字信號來控制高頻載波頻率的變化，是用數字信號來控制高頻載波頻率的變化，調制后的載波信號頻率代表了要傳送的數字信號。調制后的載波信號頻率代表了要傳送的數字信號。 2FSK波形特點：數字信號的波形特點：數字信號的“1”對應于高頻載波對應于高頻載波f1，數字信號的，數字信號的“0”對應于高頻載波對應于高頻載波f2，用二個高頻載波用二個高頻載波來代表二個數字信號來代表二個數字信號，而且頻率，而且頻率f1和和f2之間的改變是瞬間完成。之間的改變是瞬間完成。 一、一、 FSKFSK信號的產生信號的產生

16、 1.直接調頻法直接調頻法 圖圖5.6給出了直接調頻法產生給出了直接調頻法產生2FSK信號的電路原理圖。信號的電路原理圖。 圖圖5.6 直接直接調頻調頻法產法產生生2FSK信號信號 直接調頻法簡單易行，但直接調頻法簡單易行，但頻率穩(wěn)頻率穩(wěn)定度差定度差，因而實際應用范圍不廣。，因而實際應用范圍不廣。 隨著所要傳輸的數字信號取值不同，振蕩器的振蕩頻率隨著所要傳輸的數字信號取值不同，振蕩器的振蕩頻率相應改變，從而達到了對高頻載波鍵控的目的。相應改變，從而達到了對高頻載波鍵控的目的。 從圖中可見用數字從圖中可見用數字基帶信號控制電容基帶信號控制電容C1是否接入是否接入LC振振蕩回路，從而改變振蕩器的輸

17、出頻率。蕩回路，從而改變振蕩器的輸出頻率。直接調頻法簡單易行，但直接調頻法簡單易行，但頻率穩(wěn)定度差頻率穩(wěn)定度差，因而實際應用，因而實際應用范圍不廣。范圍不廣。 隨著所要傳輸的數字信號取值不同，振蕩器的振蕩頻率隨著所要傳輸的數字信號取值不同，振蕩器的振蕩頻率相應改變，從而達到了對高頻載波鍵控的目的。相應改變，從而達到了對高頻載波鍵控的目的。 2.頻率鍵控法頻率鍵控法 頻率鍵控頻率鍵控又稱為又稱為頻率轉換法頻率轉換法，它是用數字信號去控制電，它是用數字信號去控制電子開關門電路，使電子開關在二個獨立的振蕩器之間轉換，子開關門電路，使電子開關在二個獨立的振蕩器之間轉換，從而在輸出端得到不同頻率的已調信

18、號，其原理框圖和各點從而在輸出端得到不同頻率的已調信號，其原理框圖和各點波形如圖波形如圖5.7所示。所示。 圖圖5.7 頻率鍵控法原理框圖及其波形頻率鍵控法原理框圖及其波形 圖中選通門圖中選通門I和選通和選通門門II均為電子開關，用于均為電子開關，用于控制振蕩信號控制振蕩信號f1和和f2是否是否到達加法器。兩個電子到達加法器。兩個電子開關均受控于輸入信號開關均受控于輸入信號S(t)。由于選通門。由于選通門II的前的前方接有反相器，因而對方接有反相器，因而對于同一碼元而言，它們于同一碼元而言，它們的工作狀態(tài)剛好相反。的工作狀態(tài)剛好相反。f1和和f2兩個信號經加法器輸兩個信號經加法器輸出，便形成了

19、頻移鍵控信號出，便形成了頻移鍵控信號SFSK，有關各點的波形如圖有關各點的波形如圖5.7(b)所示。所示。在這種方法中，產生的在這種方法中，產生的f1和和f2兩個振蕩信號要與碼元參數有兩個振蕩信號要與碼元參數有固定的關系，輸出的固定的關系，輸出的2FSK信號信號的相位才會是連續(xù)的。的相位才會是連續(xù)的。頻移鍵控法的特點是頻移鍵控法的特點是轉換速轉換速度快，波形好，頻率穩(wěn)定度高，度快，波形好，頻率穩(wěn)定度高，電路不甚復雜，故得到廣泛應用。電路不甚復雜，故得到廣泛應用。二、二、FSKFSK信號的解調信號的解調 數字調頻信號的解調方法主要有數字調頻信號的解調方法主要有相干解調和非相干解調相干解調和非相干

20、解調。 過零檢測法的過零檢測法的基本思想基本思想是：數字調頻波的過零點數隨高是：數字調頻波的過零點數隨高頻載波的變化而變化。高頻載波頻率高，過零點數目多；頻載波的變化而變化。高頻載波頻率高，過零點數目多；高頻載波頻率低，過零點數目少。從檢測過零點的數目，高頻載波頻率低，過零點數目少。從檢測過零點的數目，就可以得到頻率的差異，從而還原出數字信號，所以過零就可以得到頻率的差異，從而還原出數字信號，所以過零檢測法又稱為檢測法又稱為計數法計數法。1.1.過零檢測法過零檢測法 過零檢測法的原理方框圖及各點波形如圖過零檢測法的原理方框圖及各點波形如圖5.8所示。所示。 圖圖5.8 過零過零檢測檢測法方法方

21、框圖框圖及各及各點波點波形圖形圖 設輸入是一個相位連續(xù)的設輸入是一個相位連續(xù)的FSK信號信號a，經放大限幅得到，經放大限幅得到一個矩形方波一個矩形方波b，微分電路得到雙向微分脈沖，微分電路得到雙向微分脈沖c，經全波整流，經全波整流得到單向尖脈沖得到單向尖脈沖d。單向尖脈沖的密集程度反映了輸入信號。單向尖脈沖的密集程度反映了輸入信號的頻率高低，尖脈沖的個數就是信號過零點的數目。的頻率高低，尖脈沖的個數就是信號過零點的數目。單向脈沖觸發(fā)一個脈沖發(fā)生器，產生一串幅度為單向脈沖觸發(fā)一個脈沖發(fā)生器，產生一串幅度為E、寬、寬度為度為的矩形歸零脈沖的矩形歸零脈沖e。脈沖串。脈沖串e的直流分量代表著信號的的直

22、流分量代表著信號的頻率，脈沖越密，直流分量越大，反映著輸入信號的頻率越頻率，脈沖越密，直流分量越大，反映著輸入信號的頻率越高。經低通濾波器就可得到脈沖串高。經低通濾波器就可得到脈沖串e的直流分量的直流分量f ，這樣就完，這樣就完成了頻率成了頻率幅度變換，再根據直流分量幅度上的區(qū)別還原出幅度變換，再根據直流分量幅度上的區(qū)別還原出數字信號數字信號“1”和和“0”。 原理分析：原理分析：2.包絡檢測法包絡檢測法 包絡檢測法包絡檢測法是是FSK信號非相干解調方法，信號非相干解調方法， 其方框圖和各其方框圖和各點波形如圖點波形如圖5.9(a)(b)所示。所示。 圖圖5.9（a） 2FSK信號包絡檢波方框

23、圖信號包絡檢波方框圖圖圖5.9(b) 2FSK信號信號包絡包絡檢波檢波波形波形圖圖 框圖中用二個窄帶的帶通濾波器分別濾出代表數字信框圖中用二個窄帶的帶通濾波器分別濾出代表數字信號的高頻載波號的高頻載波f1和和f2，經過包絡檢波器后分別取出它們的包，經過包絡檢波器后分別取出它們的包絡。把兩路輸出同時送到取樣判決器進行比較，從而判決絡。把兩路輸出同時送到取樣判決器進行比較，從而判決出基帶數字信號。出基帶數字信號。 設頻率設頻率f1代表數字信號代表數字信號“1”，f2代表數字信號代表數字信號“0”，則，則抽樣判決器的抽樣判決器的判決準則判決準則應為：應為：1 2 即即 1 2 0，判為，判為1 1

24、2 即即 1 2 0，判為，判為0 式中，式中，1、2分別為抽樣時刻兩個包絡檢波器的輸出分別為抽樣時刻兩個包絡檢波器的輸出值。這里的抽樣判決器，要比較值。這里的抽樣判決器，要比較1、2的大小，或者說把的大小，或者說把差值差值1 2與零電平比較。與零電平比較。 5.4 5.4 移相鍵控調制（移相鍵控調制（PSKPSK） 一、基本概念一、基本概念 二、相對調相（二、相對調相（DPSKDPSK）信號的產生與解調）信號的產生與解調 1移相鍵控調制：移相鍵控調制：用高頻載波二種相位的變化來代表用高頻載波二種相位的變化來代表“0”“1”數字信號的變化。數字信號的變化。 一、基本概念一、基本概念 2絕對調相

25、（絕對調相（PSK）：）：是利用高頻載波二種不同的相是利用高頻載波二種不同的相位去代表位去代表“0”“1”兩種不同狀態(tài)的數字信號，是以一個固定兩種不同狀態(tài)的數字信號，是以一個固定參考相位的載波為基準的。如用參考相位的載波為基準的。如用=0代表代表“0”碼，碼，=代表代表“1”碼。如圖碼。如圖5.10(b)所示。所示。 移相鍵控調制移相鍵控調制根據相位變化的參考對象不同，可以分成根據相位變化的參考對象不同，可以分成絕對調相（絕對調相（PSK）和相對調相（）和相對調相（DPSK）。 3相對調相（相對調相（DPSK） :是利用高頻載波相位的相對變是利用高頻載波相位的相對變化來代表化來代表“0”“1”

26、兩種不同狀態(tài)的數字信號，載波相位變化兩種不同狀態(tài)的數字信號，載波相位變化的參考點是前一個碼元，即如果絕對碼出現的參考點是前一個碼元，即如果絕對碼出現“1”，DPSK的的相位改變相位改變；出現；出現“0”時載波相位不變。如圖時載波相位不變。如圖5.10(d)所示。所示。PSK是以一個是以一個固定參考相位的載波固定參考相位的載波為基準的。解調時存為基準的。解調時存在在反向工作反向工作的情況；的情況； 在在DPSK系統(tǒng)中，解調時不存在反向工作而造成接收系統(tǒng)中，解調時不存在反向工作而造成接收相相位模糊位模糊的問題。實際工程中大多采用的問題。實際工程中大多采用DPSK方式。方式。 絕對調相（絕對調相（P

27、SKPSK）與相對調相（）與相對調相（DPSKDPSK）的比較）的比較 ：圖圖5.10 二進制絕對移相和相對相移二進制絕對移相和相對相移 二、相對調相（二、相對調相（DPSKDPSK）信號的產生與解調）信號的產生與解調 復習：絕對碼和相對碼的相互轉換。復習：絕對碼和相對碼的相互轉換。 絕對碼為絕對碼為an、相對碼為、相對碼為bn，編碼輸出，編碼輸出bn與輸入與輸入an的關系的關系可以用一個方程表示：可以用一個方程表示： bn = bn-1 + + an解碼方程為：解碼方程為： an n = = bn n-1 -1 + + fan n 在解調時，相對調相信號在解調時，相對調相信號(DPSK)經過

28、絕對調相解調器，經過絕對調相解調器，得到相對碼得到相對碼(bn)，再經碼型變換器，得到絕對碼，再經碼型變換器，得到絕對碼(an)，即基帶，即基帶數字信號數字信號S(t)。如圖。如圖5.11所示。所示。 要得到要得到相對調相相對調相(DPSK)信號信號，只要把數字信號（絕對碼，只要把數字信號（絕對碼an ）變換成相對碼）變換成相對碼(bn)，然后再對相對碼進行絕對調相，然后再對相對碼進行絕對調相（PSK）。）。 圖圖5.11 相對調相相對調相(DPSK)信號產生示意圖信號產生示意圖 直接調相法產生相對調相信號原理圖及波形圖如圖直接調相法產生相對調相信號原理圖及波形圖如圖5.12所示。所示。 (1

29、)直接調相法直接調相法 二進制絕對調相信號的產生方法有兩種：二進制絕對調相信號的產生方法有兩種：直接調相法和直接調相法和相位選擇法相位選擇法 。1.1.絕對調相（絕對調相（PSKPSK）信號的產生）信號的產生圖圖5.12 直接調直接調相法產相法產生生2PSK信號信號 圖中圖中S(t)為雙極性數字基帶信號。假設為雙極性數字基帶信號。假設S(t)正電平代表正電平代表“0”，負電平時代表，負電平時代表“1”。若原始數字信號是。若原始數字信號是單極性碼單極性碼，則必須先進行極性變換再與載波相乘。則必須先進行極性變換再與載波相乘。工作過程：工作過程： 當圖中當圖中A點電位高于點電位高于B點電位時，點電位

30、時，S(t)代表代表“0”，二，二極管極管V1、V3導通，導通，V2、V4截止，載波經變壓器正向輸截止，載波經變壓器正向輸出出e(t)= COSct。 A點電位低于點電位低于B點電位時，點電位時， S(t)代表代表“1”，二極管，二極管V2、V4導通，導通，V1、V3截止，載波經變壓器反向輸出，截止，載波經變壓器反向輸出，e(t)=COSct = COS(ct )，即絕對移相，即絕對移相 。 相位選擇法的原理框圖如圖相位選擇法的原理框圖如圖5.13所示。所示。 (2)相位選擇法相位選擇法 相位選擇法基本原理相位選擇法基本原理就是用數字基帶信號就是用數字基帶信號S(t)控制門電控制門電路，選擇不

31、同相位的載波輸出（此時的路，選擇不同相位的載波輸出（此時的S(t)通常是單極性通常是單極性的）。的）。圖圖5.13 相位相位選擇選擇法產法產生生2PSK信號信號 S S( (t t) = 1) = 1時，門時，門2 2通，門通，門1 1閉，輸出閉，輸出e e( (t t)=)= COSCOSc ct t 。 S S( (t t) = 0) = 0時，門時，門1 1通，門通，門2 2閉，輸出閉，輸出e e( (t t)=)= COS COSc ct t；2. DPSK信號的解調信號的解調 DPSK信號的解調，最方便的方法是將前后碼元對應載信號的解調，最方便的方法是將前后碼元對應載波的相位進行比較

32、。該方法稱之為波的相位進行比較。該方法稱之為相位比較法或差分檢波法相位比較法或差分檢波法。相位比較法的原理方框圖和波形圖如圖相位比較法的原理方框圖和波形圖如圖5.14所示。所示。 圖圖5.14(a) 相位比較法原理框圖相位比較法原理框圖圖圖5.14(b) 相位比較法波形圖相位比較法波形圖 圖圖指輸入相對調相信號，利用延遲電路將前一碼元指輸入相對調相信號，利用延遲電路將前一碼元延遲一個碼元時間延遲一個碼元時間Ts作為參考相位（如圖作為參考相位（如圖所示），并與所示），并與后一碼元相乘（鑒相）（產生如圖后一碼元相乘（鑒相）（產生如圖所示波形）。所示波形）。圖圖所示波形經低通積分，當前后碼元相位相同

33、時，所示波形經低通積分，當前后碼元相位相同時，輸出正極性積分脈沖，當前后碼元相位相反時，則輸出負輸出正極性積分脈沖，當前后碼元相位相反時，則輸出負脈沖（如圖脈沖（如圖所示）。定時脈沖如圖所示）。定時脈沖如圖所示，在低通積分所示，在低通積分輸出最大處進行判決（如圖輸出最大處進行判決（如圖）。）。 假設發(fā)送端用前后碼元載波相位差為假設發(fā)送端用前后碼元載波相位差為0表示數字信號表示數字信號“0”，用前后碼元載波相位差為，用前后碼元載波相位差為表示數字信號表示數字信號“1”，那，那么將解調輸出的正極性脈沖判為發(fā)送么將解調輸出的正極性脈沖判為發(fā)送“0”，而將負極性脈，而將負極性脈沖判為發(fā)送沖判為發(fā)送“1

34、”，經過碼元形成電路，便可恢復原二進制，經過碼元形成電路，便可恢復原二進制碼（圖碼（圖）數字信號，該碼就是原來的絕對碼。）數字信號，該碼就是原來的絕對碼。 5.5 5.5 常用改進型數字調制技術常用改進型數字調制技術 一、正交振幅調制（一、正交振幅調制（QAMQAM） 二、多相移相鍵控調制（二、多相移相鍵控調制（MPSKMPSK） 三、最小移頻鍵控調制三、最小移頻鍵控調制MSKMSK與與GMSKGMSK 四、調制解調器（四、調制解調器（MODEMMODEM） 五五、 非對稱數字用戶專線（非對稱數字用戶專線（ADSLADSL） 一、正交振幅調制（一、正交振幅調制（QAMQAM） 目前在數字通信系

35、統(tǒng)中使用了若干改進型數字調制方式目前在數字通信系統(tǒng)中使用了若干改進型數字調制方式來提高頻率利用率和提高可靠性，如多進制鍵控來提高頻率利用率和提高可靠性，如多進制鍵控(MASK、MFSK、MPSK)、正交振幅調制、正交振幅調制(QAM)、高斯濾波最小移頻、高斯濾波最小移頻鍵控調制鍵控調制(GMSK)等。等。正交振幅調制正交振幅調制(QAM)是用兩個獨立的基帶波形對兩個相是用兩個獨立的基帶波形對兩個相互正交的載波進行抑制載波的雙邊帶調制，利用已調信號在互正交的載波進行抑制載波的雙邊帶調制，利用已調信號在相同帶寬內的頻譜正交來實現兩路數字信息的傳輸。相同帶寬內的頻譜正交來實現兩路數字信息的傳輸。正交

36、振幅調制正交振幅調制(QAM)的信道頻帶利用率同單邊帶一樣，的信道頻帶利用率同單邊帶一樣，因而主要用于因而主要用于高速高速數字通信系統(tǒng)中。數字通信系統(tǒng)中。 正交振幅調制系統(tǒng)的組成如圖正交振幅調制系統(tǒng)的組成如圖5.15所示。所示。 圖圖5.15 QAM系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方框圖 S S(t t) = S S1(t t) COSct t + S2(t) Sinct t 假設接收端所產生的相干載波與發(fā)送端完全相同，那么假設接收端所產生的相干載波與發(fā)送端完全相同，那么兩個解調器的輸出分別為：兩個解調器的輸出分別為：m1(t t) = S S1(t t) COSct t + S S2(t) Sinct t C

37、OSct t = S S1(t t) + S S1(t) COS2ct t + S2(tS2(t) Sin2ct t m2(t t) = S S1(t) COSct t + S S2(t) Sinct t Sinct t = S S2(t t) + S S1(t t) Sin2ct t S S2(t t) COS2ct t S S1(t t)和和S S2(t t)是兩個獨立的基帶波形，是兩個獨立的基帶波形，COSct t和和Sinct t是是兩個兩個相互正交的載波相互正交的載波。這樣，發(fā)端形成的正交振幅調制信號。這樣，發(fā)端形成的正交振幅調制信號為：為： 從而實現了從而實現了波形無失真地傳輸。波

38、形無失真地傳輸。 在在QAM系統(tǒng)中，對信道傳輸函數的系統(tǒng)中，對信道傳輸函數的對稱性對稱性和接收端相干和接收端相干載波的載波的相位誤差相位誤差必須有嚴格要求，否則在接收端恢復的基帶必須有嚴格要求，否則在接收端恢復的基帶波形中將出現波形中將出現鄰道干擾鄰道干擾和和正交干擾正交干擾。 經過低通濾波器濾除二倍載波份量后，上下兩路的基帶經過低通濾波器濾除二倍載波份量后，上下兩路的基帶波形分別為波形分別為 ：)(21)(),(21)(2211tStStStS二、多相移相鍵控調制（二、多相移相鍵控調制（MPSKMPSK） 利用利用高頻載波高頻載波多種狀態(tài)（幅度、頻率或相位）來表示要多種狀態(tài)（幅度、頻率或相位

39、）來表示要傳輸的數字信號，分別稱為多電平振幅鍵控調制傳輸的數字信號，分別稱為多電平振幅鍵控調制(MASK)，多頻率移頻鍵控調制多頻率移頻鍵控調制(MFSK)，多相移相鍵控調制，多相移相鍵控調制(MPSK)。由于由于MASK、MFSK占據了較寬的頻帶，信道利用率低，占據了較寬的頻帶，信道利用率低，抗噪聲性能低，一般不被采用，經常被采用的是多相移相鍵抗噪聲性能低，一般不被采用，經常被采用的是多相移相鍵控調制控調制(MPSK)，它是，它是微波和衛(wèi)星數字微波和衛(wèi)星數字通信中最常用的一種通信中最常用的一種數字調制方式。數字調制方式。多相移相鍵控調制多相移相鍵控調制是通過多種不同是通過多種不同相位相位來表

40、示所要傳送來表示所要傳送的數字信號的數字信號 。 多相制相位多相制相位狀態(tài)有狀態(tài)有A、B兩兩種 方 式種 方 式 ， 圖， 圖5.16所所示向量示向量圖表示了圖表示了2相、相、4相，相，8相數字相數字調制方式。調制方式。1基本概念基本概念 圖圖5.16 多相調制向量圖多相調制向量圖 2相、相、4相、相、8相相位狀態(tài)的相相位狀態(tài)的A A、B B兩種方式，分別為：兩種方式，分別為： 2PSKA A方式：方式： B B方式：方式：o0o180o90o90 4PSKA A方式：方式： A A方式：方式： B B方式：方式：B B方式：方式： 8PSKo0o90o180o270o45o135o225o3

41、15o45o90o135o180o225o270o315o5 .22o5 .67o5 .112o5 .157o5 .157o5 .112o5 .67o5 .222四相移相鍵控（四相移相鍵控（QPSKQPSK） 四相移相鍵控數字調制四相移相鍵控數字調制的英文縮寫是的英文縮寫是4PSK，因為它可，因為它可以由一個載波經正交調制而得到，又稱它為以由一個載波經正交調制而得到，又稱它為正交移相鍵控正交移相鍵控（QPSK）。 四種相位分別是：四種相位分別是： o45o135o225o315四相調制的相位與二位二進制信號相對應，所以它的傳四相調制的相位與二位二進制信號相對應，所以它的傳輸速率是比較快的。輸速

42、率是比較快的。 常用的信息碼相位變化圖和時間波形如圖常用的信息碼相位變化圖和時間波形如圖5.17所示。所示。 圖圖5.17 QPSK移相鍵控信號的相位及波形圖移相鍵控信號的相位及波形圖 多相移相鍵控信號的載波相位有多個值，可表示為多相移相鍵控信號的載波相位有多個值，可表示為 2)(cos)(n0tmttm2)(cos)(n0tmttm式中，式中，mn(t)為非歸零為非歸零n電平的對稱基帶信號，例如電平的對稱基帶信號，例如1，2，3，；=2/n為相鄰信號的相位間隔。為相鄰信號的相位間隔。 設設2).(tmn則有則有 ttmttmttttmQI00000sin)(cos)(sinsincoscos

43、cos)( 式中式中 在信號持續(xù)期間，均為在信號持續(xù)期間，均為常數常數。COSCOS0 0t t與與Sin0 0t t相差，相差，故相互正交。并稱余弦項為故相互正交。并稱余弦項為同相信號（同相信號（I I信號）信號），正弦項為正弦項為正交信號（正交信號（Q Q信號）信號），分別記作分別記作I I和和Q Q。 可見：四相調相可以看作是兩個正交的二相調相的可見：四相調相可以看作是兩個正交的二相調相的合成合成。 sin)(,cos)(tmtmQI 圖圖5.18給出產生移相鍵控信號的原理框圖。給出產生移相鍵控信號的原理框圖。 圖圖5.18 產生移相鍵控調制的方框圖產生移相鍵控調制的方框圖 經載波提取電

44、路得到高頻載波信號經載波提取電路得到高頻載波信號COS0t t，經過乘法器，經過乘法器，I信道輸出信道輸出yI(t t)可表示為可表示為 )2cos(21cos21cos).cos()(000ttttyI四四相移相鍵控信號的解調框圖如圖相移相鍵控信號的解調框圖如圖5.19所示。所示。圖圖5.19 4 相 移相 移相鍵控相鍵控解調框解調框圖圖 Q信道的輸出信道的輸出yQ Q(t t)： )2sin(21sin21sin).cos()(000ttttyQ這兩個分量的信號經過取樣判決及并這兩個分量的信號經過取樣判決及并/串變換后輸出。串變換后輸出。 I I信道和信道和Q Q信道的輸出經過低通濾波器濾

45、除高頻成分，分信道的輸出經過低通濾波器濾除高頻成分，分別解出原始調制信號的同相分量別解出原始調制信號的同相分量 和和 。 sincos四相鍵控和二相鍵控一樣，也存在四相鍵控和二相鍵控一樣，也存在相位模糊相位模糊問題，為了問題，為了防止輸出信號的不確定性，實際通信中采用防止輸出信號的不確定性，實際通信中采用四相相對調相四相相對調相(4DPSK)。 把圖把圖5.18所示的所示的4PSK調制變成調制變成4DPSK調制，在圖所示的調制，在圖所示的串串/并變換電路之后，需再并變換電路之后，需再加碼型變換器加碼型變換器（差分編碼器），把（差分編碼器），把絕對碼變換成相對碼，然后再進行絕對碼變換成相對碼，然

46、后再進行4PSK調制，就可得到調制，就可得到4DPSK調制。調制。 4DPSK解調器同樣需要在并解調器同樣需要在并/串變換電路前串變換電路前加碼型變換器加碼型變換器，把相對碼變成絕對碼。把相對碼變成絕對碼。 三、最小移頻鍵控調制三、最小移頻鍵控調制MSKMSK與與GMSKGMSK (1)最小頻移鍵控最小頻移鍵控(MSK)信號信號 最小頻移鍵控是頻移鍵控最小頻移鍵控是頻移鍵控(FSK)的一種改進形式。的一種改進形式。MSK信信號的一般表達式為：號的一般表達式為： 1最小頻移鍵控（最小頻移鍵控（MSK） iit2TccosMSKS ( i1)T t tiT i =1,2,3 式中，式中，ct t為

47、載波角頻度，其頻率為為載波角頻度，其頻率為fc =c/2 ；T為碼元為碼元的時間寬度；的時間寬度； 為碼元的幅值，其值為為碼元的幅值，其值為1； 為相位常數，為相位常數，在碼元寬度在碼元寬度T內保持不變。內保持不變。 ii當當 =+1時，時， MSK信號的頻率為：信號的頻率為：f1 = fc + T 當當 =1時，時，MSK信號的頻率為：信號的頻率為：f2 = fc Tii 這說明了這說明了MSK信號確實信號確實具有具有FSK的屬性的屬性，即已調信號，即已調信號SMSK的頻率值隨數字信號的取值的頻率值隨數字信號的取值 而變。而變。 i 根據調頻指數根據調頻指數Mf的定義：的定義：Mf = (

48、f1f2 )T 。顯然，。顯然，MSK的調頻指數的調頻指數Mf = 0.5。由于。由于MSK的調頻指數比一般的調頻指數比一般FSK的調的調頻指數小（一般的頻指數?。ㄒ话愕腇SK通常都在通常都在0.5以上），所以稱這種頻移以上），所以稱這種頻移鍵控方式為鍵控方式為最小頻移鍵控最小頻移鍵控。 tTtii2)( ( i ( i1)T 1)T t t iT iT MSK信號隨碼元變化的信號隨碼元變化的相位函數相位函數為：為： 在每個碼元時間內，在每個碼元時間內，MSK信號的相位必須準確地增加或信號的相位必須準確地增加或減小減小 。 2 為了滿足碼元轉換時為了滿足碼元轉換時MSK信號的相位連續(xù)，即對應于

49、第信號的相位連續(xù)，即對應于第i個碼元個碼元MSK信號的起始相位，等于第信號的起始相位，等于第(i1)個碼元個碼元MSK信號信號的終止相位，所以要求相位常數的取值必須滿足下式：的終止相位，所以要求相位常數的取值必須滿足下式： 2.11iii21i 當當 為為+1+1時時 21i 當當 為為-1-1時時 ii例例 假設假設t = 0，初相，初相 = 0，若輸入數字序列，若輸入數字序列為：為：+111 + 1 + 1+ 11+ 1，則其相位函數，則其相位函數(t)和和相位常數如圖相位常數如圖(5.20)所示。所示。 0圖圖5.20 MSK信號信號的相的相位變位變化路化路徑徑 MSK信號的另一種表達式

50、形式如下：信號的另一種表達式形式如下： MSK信號的產生過程信號的產生過程 ：（1）最小移頻鍵控（）最小移頻鍵控（MSK）調制和解調器）調制和解調器 tTtQtTtItTttTtSckckciiciMSKsin2sincos2cossin2sincoscos2coscos 式中，式中， ikIcosikQsin 上式表明上式表明MSK信號可看作是由兩個彼此正交的數據信道信號可看作是由兩個彼此正交的數據信道所組成。所組成。等號后面的第一項是同相信道，即等號后面的第一項是同相信道，即I信道，信道，cosct t是載是載波，波， 為余弦符號加權函數，為余弦符號加權函數，I Ik是由輸入數據決定的同是

51、由輸入數據決定的同相分量等效數據。類似地，上式等號后面的第二項為正交相分量等效數據。類似地，上式等號后面的第二項為正交信道，即信道，即Q Q信道，四信道，四sinct t是正交載波，是正交載波， 是正弦符號加是正弦符號加權函數，權函數，Q Qk是由輸入數據決定的正交分量等效數據。根據是由輸入數據決定的正交分量等效數據。根據以上分析，畫出以上分析，畫出MSK調制器的框圖如圖調制器的框圖如圖5.21所示，各處波所示，各處波形如圖形如圖5.22所示。所示。 2Ttcos2Ttsin圖圖5.21 MSK調制器方框圖調制器方框圖圖圖5.22 MSK信號的波形圖信號的波形圖 MSK信號的本質是數字調頻波，

52、所以它可以利用鑒頻信號的本質是數字調頻波，所以它可以利用鑒頻器來解調，但更常用的是相關解調，如圖器來解調，但更常用的是相關解調，如圖5.23所示。所示。圖圖5.23 MSK信號解調器信號解調器 圖圖5.23所示電路所示電路利用相關載波提取電路從利用相關載波提取電路從MSK信號中提信號中提取出取出I、Q通道的兩個正交載波通道的兩個正交載波 和和 ，然后分別與然后分別與MSK信號相乘，分別得到信號相乘，分別得到 、 ，取樣判決后變成數字信號，經差分譯碼，取樣判決后變成數字信號，經差分譯碼（相對碼（相對碼絕對碼）通過并絕對碼）通過并串變換電路，把串變換電路，把I、Q信號合成信號合成一路解調后的基帶數

53、字信號輸出。一路解調后的基帶數字信號輸出。 tccos2Ttcostcsin2Ttsin2Ttcos)(kItI2Ttsin)(kQtQ2高斯濾波最小移頻鍵控（高斯濾波最小移頻鍵控（GMSKGMSK） GMSK:在信號調制之前，采用高斯濾波器進行濾波處在信號調制之前，采用高斯濾波器進行濾波處理，將基帶信號變成高斯脈沖，再進行最小移頻鍵控，就是理，將基帶信號變成高斯脈沖，再進行最小移頻鍵控，就是所謂的所謂的GSMKGSMK。(1)GMSK GMSK具有較小的具有較小的帶外輻射帶外輻射的特點，因而在現代移動通的特點，因而在現代移動通信中得到了廣泛的應用。信中得到了廣泛的應用。 GMSK調制器框圖如

54、圖調制器框圖如圖5.24所示。所示。 圖圖5.24 GMSK調制器方框圖調制器方框圖 圖中圖中LPF為高斯低通濾波器，數據信號經過高斯低通濾為高斯低通濾波器，數據信號經過高斯低通濾波器后的波形如圖波器后的波形如圖5.25所示，從圖中可見，經過高斯低通濾所示，從圖中可見，經過高斯低通濾波器后，數字信號的高頻分量得到了抑制，比較圓滑的數字波器后，數字信號的高頻分量得到了抑制，比較圓滑的數字信號送入信號送入MSK調制器，得到調制器，得到GMSK信號輸出。信號輸出。圖圖5.25 數字信號通過高斯低通濾波器后的波形數字信號通過高斯低通濾波器后的波形 GMSK信號的頻譜如圖信號的頻譜如圖5.26所示所示

55、從圖中可見，與從圖中可見，與MSK信號的頻譜相比，信號的頻譜相比，GMSK信號的信號的邊頻分量邊頻分量小，帶寬窄，功率集中。小，帶寬窄，功率集中。所以發(fā)射機中沒有必要所以發(fā)射機中沒有必要再使調制器的輸出通過再使調制器的輸出通過帶通濾波器，接收機中帶通濾波器，接收機中在同樣接收帶寬的條件在同樣接收帶寬的條件下，能夠通過的功率也下，能夠通過的功率也較大。較大。 圖圖5.26 GMSK的頻譜的頻譜 GMSK的調制最簡單的方法是輸入序列經高斯濾波器后，的調制最簡單的方法是輸入序列經高斯濾波器后，直接對調頻器進行調頻（如圖直接對調頻器進行調頻（如圖5.24所示）。但中心頻率易改所示）。但中心頻率易改變，

56、變， 故通常采用故通常采用鎖相環(huán)調制器鎖相環(huán)調制器，如圖，如圖5.27所示。所示。(2)GMSK的調制與解調的調制與解調 圖圖5.27 鎖相環(huán)鎖相環(huán)GMSK調制器調制器 鎖相環(huán)鎖相環(huán)GMSK調制器由調制器由/2相移的二相移相鍵控（相移的二相移相鍵控（BPSK）調制器后面接一個鎖相環(huán)組成，其中調制器后面接一個鎖相環(huán)組成，其中/2相移的相移的BPSK是保證是保證每個碼元相位變化為每個碼元相位變化為/2，而鎖相環(huán)對，而鎖相環(huán)對BPSK的相位突跳進的相位突跳進行平滑，使得在碼元轉換點處相位連續(xù)，沒有尖角。因此，行平滑，使得在碼元轉換點處相位連續(xù)，沒有尖角。因此，最重要的是正確選擇鎖相環(huán)的最重要的是正確

57、選擇鎖相環(huán)的傳輸函數傳輸函數，滿足輸出功率譜特，滿足輸出功率譜特性要求。性要求。 現有的電話線路主要用于傳送模擬信號，而計算機所能處現有的電話線路主要用于傳送模擬信號，而計算機所能處理的是數字信號。理的是數字信號。 由由計算機送出的數字信號直接送到電話線計算機送出的數字信號直接送到電話線路傳送，勢必產生大量的誤碼，致使數據通信無法進行。路傳送，勢必產生大量的誤碼，致使數據通信無法進行。 四、調制解調器（四、調制解調器（MODEMMODEM） 1調制解調器的作用調制解調器的作用 把以數字形式表示的信息變換成適合電話網傳輸的模擬信把以數字形式表示的信息變換成適合電話網傳輸的模擬信號（即前邊介紹的載

58、波傳輸技術），這一變換稱之為號（即前邊介紹的載波傳輸技術），這一變換稱之為調制調制。接。接收時把收到的模擬信號進行收時把收到的模擬信號進行解調解調，恢復成原始的數字信號。實，恢復成原始的數字信號。實現這一變換與反變換的設備稱之為現這一變換與反變換的設備稱之為調制解調器調制解調器(MODEM)，如，如圖圖5.28所示。所示。 問題：問題： 解決方法解決方法： 圖圖5.28 數據信號在電話信道上的傳輸數據信號在電話信道上的傳輸 圖中圖中DTE為數據終端設備，例如上網用的計算機。調制為數據終端設備，例如上網用的計算機。調制解調器（解調器（MODEM）是電話網中進行數據傳輸不可缺少的設）是電話網中進行

59、數據傳輸不可缺少的設備，是數字信號頻帶傳輸應用的一種實例，當然它的載波頻備，是數字信號頻帶傳輸應用的一種實例，當然它的載波頻率應該是在音頻信號范圍內。率應該是在音頻信號范圍內。 (1)高速與低速高速與低速 2調制解調器的類型調制解調器的類型 按傳輸速率分類，則可分成：按傳輸速率分類，則可分成：低速低速(600bit/s)、中速、中速(1200、4800、5600bit/s)、高速、高速(9600、14400、19200bit/s)、寬帶、寬帶(19200bit/s)(2)同步與異步同步與異步 按同步方式分類，則速率在按同步方式分類，則速率在1200 bit/s以下的調制解調器以下的調制解調器均

60、為異步式或起止式，內部沒有時鐘，而是在每一個字符前均為異步式或起止式，內部沒有時鐘，而是在每一個字符前后加上起、停位來控制同步。運行速率在后加上起、停位來控制同步。運行速率在2400 bit/s以上的均以上的均為同步方式，允許數據或字符無間隔地傳輸。為同步方式，允許數據或字符無間隔地傳輸。 (3)內置與外置內置與外置 內置即插在計算機里邊，內置無獨立電源，通過內置即插在計算機里邊，內置無獨立電源，通過ISA接接口與電腦相連，安裝時要打開機箱。外置即可放在計算機口與電腦相連，安裝時要打開機箱。外置即可放在計算機外邊，即插即用，具有獨立電源，裝拆比較方便外邊，即插即用，具有獨立電源，裝拆比較方便