二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制

1、數(shù)字與數(shù)據(jù)通信技術(shù)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 由于數(shù)字通信具有建網(wǎng)靈活，容易采用數(shù)字差錯(cuò)控制技術(shù)和數(shù)字加密，便于集成化，并能夠進(jìn)入ISDN，所以數(shù)字調(diào)制技術(shù)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中。 數(shù)字調(diào)制用數(shù)字基帶信號(hào)改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某一個(gè)參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制。隨著數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展的需要，也可以用數(shù)字基帶信號(hào)去改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某幾個(gè)參數(shù)，產(chǎn)生新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。 對(duì)于數(shù)字調(diào)制技術(shù)一般分為兩種類型：一是將數(shù)字基帶信號(hào)當(dāng)作模擬信號(hào)的特殊情況處理，就可用模擬方法去實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制；二是利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)鍵控載波，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制

2、，稱這種方法為鍵控法。 所謂“鍵控”是指一種如同“開(kāi)關(guān)”控制的調(diào)制方式。比如對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，由于調(diào)制信號(hào)只有兩個(gè)狀態(tài)，調(diào)制后的載波參量也只能具有兩個(gè)取值，其調(diào)制過(guò)程就像用調(diào)制信號(hào)去控制一個(gè)開(kāi)關(guān)，從兩個(gè)具有不同參量的載波中選擇相應(yīng)的載波輸出，從而形成已調(diào)信號(hào)?！版I控”就是這種數(shù)字調(diào)制方式的形象描述。 與模擬調(diào)制中的幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制相對(duì)應(yīng)，數(shù)字調(diào)制也分為三種基本方式：幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。1.1 二進(jìn)制幅度鍵控(2ASK) 二進(jìn)制幅移鍵控是利用載波幅度隨著二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)1和0的取值而在兩個(gè)狀態(tài)之間變化的調(diào)制方法。二進(jìn)制幅度鍵控中最簡(jiǎn)單的形式稱為

3、通斷鍵控（OOK），即載波在數(shù)字信號(hào)1或0的控制下來(lái)使開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)通或斷，如圖5.10(a)所示。產(chǎn)生2ASK信號(hào)的具體電路很多，但可用如圖5.10(b)所示電路模型實(shí)現(xiàn)，即將調(diào)制器用一個(gè)乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸出2ASK信號(hào),波形圖如圖5.10(c)所示。1.二進(jìn)制幅移鍵控信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法2ASK信號(hào)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：SASK(t)=e(t)cosCt （5.3） 2ASK信號(hào)的解調(diào)具體方法主要有兩種： 非相干解調(diào)法和相干解調(diào)法。2.二進(jìn)制幅移鍵控信號(hào)的解調(diào)cosCte(t)乘法器e(t)SASK(t)coscttcosCtte(t)tSASK(t)圖5.10 2ASK調(diào)制方法及波形(a)OOK示意圖(b)2

4、ASK調(diào)制框圖(c)波形圖(1) 非相干解調(diào)法 包絡(luò)檢波法是常用的一種非相干解調(diào)的方法，包絡(luò)檢波器往往是半波或者全波整流器，整流后通過(guò)低通濾波器濾波（平滑），即可獲得原來(lái)基帶信號(hào)e(t)。2ASK信號(hào)的包絡(luò)解調(diào)與AM信號(hào)的解調(diào)有相似之處，但不同的是2ASK信號(hào)解調(diào)在低通濾波器后增加抽樣判決器和定時(shí)脈沖，這樣才能將信號(hào)恢復(fù)為數(shù)字信號(hào)并提高接收機(jī)的性能，如圖5.11所示。 相干解調(diào)又稱同步解調(diào)，要實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，在接收端要有一個(gè)與發(fā)送端載波同頻同相的載波信號(hào)，稱為同步載波或相干載波。通過(guò)相乘器（即解調(diào)器）解調(diào)出原基帶信號(hào)，然后通過(guò)低通濾波器即可濾出基帶信號(hào)，如圖5.12所示。由于相干解調(diào)需要在接收端

5、產(chǎn)生一個(gè)本地的相干載波，設(shè)備復(fù)雜，因此在2ASK系統(tǒng)中很少使用。(2) 相干解調(diào)法帶通濾波器半/全波整流器低通濾波器抽樣判決器定時(shí)脈沖SASK(t)x(t)y(t)e(t)tSASK(t)tx(t)ty(t)te(t)圖5.11 非相干解調(diào)原理框圖及波形從圖5.12可知，由乘法器輸出的信號(hào) 式中，第一項(xiàng)是基帶信號(hào)，第二項(xiàng)是以2C為載波的成分，兩者頻譜相差很遠(yuǎn)。 經(jīng)低通濾波后，即可輸出e(t)/2 信號(hào)。由于噪聲影響及傳輸特性的不理想，低通濾波器輸出波形有失真，經(jīng)抽樣判決、 整形后再生為數(shù)字基帶脈沖。 （5.4）帶通濾波器低通濾波器抽樣判決器定時(shí)脈沖SASK(t)x(t)y(t)e(t)cosc

6、t圖5.12 相干解調(diào)原理框圖 對(duì)于2ASK信號(hào)，若Pe(f)為e(t)的功率譜密度，Ps(f)為已調(diào)信號(hào)S(t)的雙邊功率譜密度，則有 PS(f) = 0.25PE(f+fc) + PE(f-fc) (5.5) 若數(shù)字基帶信號(hào)為1和0等概率出現(xiàn)的單極性矩形隨機(jī)脈沖序列(碼元間隔為Tb時(shí))，有由上式可畫(huà)出2ASK信號(hào)功率譜示意圖如圖 5.13 所示。 3. 2ASK信號(hào)的功率譜及帶寬（5.6）PS(f)fcffc2fb圖5.13 ASK信號(hào)的功率譜0 2ASK的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。連續(xù)譜取決于單個(gè)矩形脈沖經(jīng)線性調(diào)制后的雙邊帶譜，而離散譜則由載波分量確定。 2ASK信號(hào)的帶寬 B=2fb

7、 =2/Tb (5.7)ASK系統(tǒng)的頻帶利用率（5.8） 由此可見(jiàn)，這種2ASK調(diào)幅的頻帶利用率低， 即在給定信道帶寬的條件下，它的單位頻帶內(nèi)所能傳送的數(shù)碼率較低。 從圖5.13可知，如已調(diào)信號(hào)的功率譜中不含有fc的載波頻率分量，稱為抑制載頻的雙邊帶調(diào)制。 二進(jìn)制幅移鍵控方式在數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)較早，主要優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，但其缺點(diǎn)是抗干擾能力不強(qiáng)，功率利用率和頻帶利用率較低，所以主要應(yīng)用在低速數(shù)據(jù)傳輸中或者與其他調(diào)制方式結(jié)合應(yīng)用。1.2 二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK) 二進(jìn)制頻移鍵控是利用載波的頻率變化來(lái)傳遞二進(jìn)制數(shù)字信息的調(diào)制方法。在二進(jìn)制情況下，1碼元對(duì)應(yīng)于載波頻率f1，0碼元對(duì)應(yīng)于載波頻率f2。根

8、據(jù)FSK信號(hào)在碼元變換點(diǎn)相位變化的不同情況，頻移鍵控信號(hào)可分為相位連續(xù)的FSK信號(hào)和相位不連續(xù)的FSK信號(hào)。相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)在形式上如同兩個(gè)不同頻率交替發(fā)送的2ASK信號(hào)相疊加。 相位連續(xù)的FSK信號(hào)通常由如圖5.14(a)所示的調(diào)頻電路產(chǎn)生，其輸出的已調(diào)信號(hào)波形如圖5.14(b)所示。相位不連續(xù)的FSK信號(hào)可由如圖5.15(a)頻移鍵控法產(chǎn)生，其已調(diào)波形如圖5.15(b)所示。頻移鍵控法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，波形好，頻率穩(wěn)定度高，電路不是很復(fù)雜，故得到廣泛應(yīng)用。 1.二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制原理SFSK(t)e(t)振 蕩電 路tSFSK(t)(a)FSK信號(hào)產(chǎn)生(b)波形圖圖5.14 相位

9、連續(xù)的FSK信號(hào)產(chǎn)生及波形te(t) 1 1 0 1振蕩器f1振蕩器f2門1門2反相器二進(jìn)制信號(hào)e(t)SFSK(t)(a)FSK信號(hào)產(chǎn)生(b) 波形圖te(t) 1 1 0 1tSFSK(t)圖5.15 相位不連續(xù)的FSK信號(hào)產(chǎn)生及波形2.二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的解調(diào) 對(duì)于相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)可以看成兩個(gè)2ASK信號(hào)的疊加，用兩路ASK信號(hào)的解調(diào)構(gòu)成FSK信號(hào)的解調(diào)。FSK信號(hào)的解調(diào)分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)。非相干解調(diào)采用包絡(luò)解調(diào)，其原理與ASK信號(hào)的解調(diào)相同，如圖5.16所示。相干解調(diào)原理及波形如圖5.17所示。 相位不連續(xù)的 2FSK信號(hào)可視其為兩個(gè)2ASK信號(hào)的疊加，其中一個(gè)載波為f1

10、，另一個(gè)載波為f2。因此，對(duì)相位不連續(xù)的 2FSK信號(hào)的功率譜就可像 2ASK那樣，分別在頻率軸上搬移然后再疊加。其功率譜曲線（正頻域）如圖5.18 所示。3.二進(jìn)制頻移鍵控的功率譜及帶寬(1) 相位不連續(xù)的2FSK情況帶通濾波器1包絡(luò)檢波器抽樣判決器x1(t)y1(t)e(t)帶通濾波器2包絡(luò)檢波器抽樣脈沖SFSK(t)x2(t)y2(t)tSFSK(t)tx1(t)tx2(t)ty1(t)ty2(t)t抽樣脈沖1 1 0 1te(t)圖5.16 2FSK的包絡(luò)檢波原理框圖及各點(diǎn)的波形SFSK(t)cosC2tcosC1t帶通濾波器1低通濾波器e(t)帶通濾波器2低通濾波器抽樣判決器抽樣脈沖

11、圖5.17 2FSK的相干解調(diào)原理框圖f1 f2ffbP(f)圖5.18 相位不連續(xù)2FSK的功率譜從圖5.18看出： 1）相位不連續(xù) 2FSK信號(hào)的功率譜與 2ASK信號(hào)的功率譜相似，同樣由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。當(dāng)頻差f =|f2 -f1|較小時(shí)，連續(xù)頻譜只有單峰；但頻差加大相隔較遠(yuǎn)時(shí)為雙峰。 2）第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間頻率間隔，即帶寬為 B = |f2 -f1| + 2fb = ( 2 + h )fb (5.9)（5.10）式中的h稱為調(diào)頻指數(shù)，定義為(2) 相位連續(xù)的2FSK情況 相位連續(xù)的2FSK信號(hào)的功率譜，不可直接通過(guò)基帶信號(hào)頻譜在頻率軸上搬移，也不能用這種搬移后頻譜的線性疊加來(lái)描繪

12、。 因此對(duì)相位連續(xù)的2FSK信號(hào)頻譜的分析是十分復(fù)雜的，在此不分析。圖5.19 給出了幾種不同調(diào)頻指數(shù)下相位連續(xù)的2FSK信號(hào)功率譜密度曲線。 fcfh=0.5h=0.7h=1.5 圖5.19相位連續(xù)的2FSK信號(hào)功率譜1.3 二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)1.2PSK信號(hào)調(diào)制 二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）是用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)控制載波的兩個(gè)相位來(lái)傳遞信息的調(diào)制方式。通常這兩個(gè)相位相隔，例如1和0用相位0和分別表示，當(dāng)然反之也可，所以這種調(diào)制又稱二相相移鍵控（BPSK）。如圖5.20所示為2PSK波形。在2PSK信號(hào)中，調(diào)制信號(hào)的1和0對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)確定不變的載波相位（比如0和），由于它是利用載波相位絕對(duì)

13、數(shù)值的變化傳送數(shù)字信息的，因此又稱為絕對(duì)調(diào)相。 2PSK調(diào)制器可以采用相乘器，如圖5.21(a)所示，但注意調(diào)制信號(hào)必須是雙極性不歸零碼。如果基帶信號(hào)是單極性碼，則需轉(zhuǎn)換為雙極性碼。2PSK調(diào)制器也可以用相位選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5.21(b)所示。1 1 0 1 0 0 1 1te(t)tcosCtSPSK(t)t圖5.20 2PSK信號(hào)的波形電平轉(zhuǎn)換coscte(t)SPSK(t)單極性NRZ雙極性NRZSPSK(t)振蕩器f反相器門1門2反相器二進(jìn)制信號(hào)e(t)相 0相 圖5.21 2PSK調(diào)制器框圖(a) 采用相乘器的2PSK調(diào)制器框圖(b) 用相位選擇器的2PSK調(diào)制器框圖2. 2PSK

14、信號(hào)的解調(diào) 2PSK信號(hào)解調(diào)只能采用相干解調(diào)方法，相干解調(diào)所需的本地載波可以單獨(dú)產(chǎn)生也可從輸入信號(hào)中提取。 從2PSK調(diào)制波形已知，2PSK信號(hào)是以一個(gè)固定初相的載波為參考而形成。因此，解調(diào)時(shí)必須有與此同頻同相的同步載波。在解調(diào)系統(tǒng)中，恢復(fù)同步載波出現(xiàn)與調(diào)制系統(tǒng)中載波相位相差1800稱為相位模糊，用此恢復(fù)的載波解調(diào)時(shí)就容易造成錯(cuò)誤判決。從圖5.22看出，如果本地參考載波倒相，判決器輸出數(shù)字信號(hào)全錯(cuò)，與發(fā)送數(shù)碼完全相反，這種情況稱為反向工作或者稱之為倒“”現(xiàn)象。反向工作時(shí)的波形見(jiàn)圖 5.22(c)。2PSK的主要缺點(diǎn)是解調(diào)系統(tǒng)載波容易產(chǎn)生相位模糊， 造成反向工作。 這也是它實(shí)際應(yīng)用較少的主要原因

15、。 不過(guò)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中BPSK獲得廣泛應(yīng)用。 在圖5.22(a)所示的解調(diào)原理框圖中，可以用鑒相器代替“相乘-低通”，這樣解調(diào)過(guò)程實(shí)際上是已調(diào)信號(hào)2PSK與本地載波信號(hào)進(jìn)行比較過(guò)程，所以也稱為極性比較法解調(diào)。帶通濾波器低通濾波器抽樣判決器定時(shí)脈沖SPSK(t)x(t)y(t)e/(t)本地載波恢復(fù)1 1 0 1 0 te(t)t本地載波SPSK(t)ttx(t)ty(t)t抽樣脈沖t本地載波SPSK(t)ttx(t)ty(t)t抽樣脈沖0 0 1 0 1 te(t)(a)框圖（b）正常工作波形圖（c）反相工作波形圖圖5.22 2PSK相干解調(diào)框圖及各點(diǎn)波形圖1.4 二進(jìn)制差分相移鍵控(2DP

16、SK) 為了克服相位模糊對(duì)輸出信號(hào)的影響，通常采用差分相移鍵控（DPSK）。DPSK利用前后碼元載波相位相對(duì)數(shù)值的變化傳送數(shù)字信息，這種方法又稱為相對(duì)調(diào)相。 對(duì)于相對(duì)調(diào)相假若規(guī)定：已調(diào)信號(hào)（2DPSK信號(hào)）與前一已調(diào)信號(hào)相位比較，相對(duì)相位不變表示數(shù)字信號(hào)“0”， 相對(duì)相位改變表示數(shù)字信號(hào)“1”， 如圖 5.23 所示。 由于假設(shè)的初始參考相位有兩種可能，因此相對(duì)相移波形也有兩種形式，如圖 5.23 中的2DPSK1、2DPSK2所示，顯然，兩者相位相反。然而，從圖5.23可以看出， 無(wú)論是2DPSK1，還是2DPSK2，數(shù)字信號(hào)“1”總是與相鄰碼元相位突變相對(duì)應(yīng)， 數(shù)字信號(hào)“0”總是與相鄰碼元

17、相位不變相對(duì)應(yīng)。1. 2DPSK信號(hào)的調(diào)制 相對(duì)調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程是，首先對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，即由絕對(duì)碼變?yōu)橄鄬?duì)碼（差分碼），然后再進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相?；谶@種形成過(guò)程的二相相對(duì)調(diào)相信號(hào)稱為二進(jìn)制差分相移鍵控信號(hào)（2DPSK或BDPSK）。2DPSK調(diào)制器方框圖及波形如圖5.23所示。 差分碼可取傳號(hào)差分碼或空號(hào)差分碼。傳號(hào)差分碼的編碼規(guī)則為 從式中, 為模2相加，bn-1為bn的前一個(gè)碼元，最初的bn-1可任意設(shè)定。（5.11）差分編碼cosctanSDPSK(t)絕對(duì)碼相對(duì)碼極性變換bn帶通濾波器圖5.23 2DPSK調(diào)制原理框圖及波形10010110an11100100bn1載波2DP

18、SK1信號(hào)0 0 0 1 1 0 1 1bn22DPSK2信號(hào)2. 2DPSK信號(hào)的解調(diào) 2DPSK的解調(diào)一般采用相干解調(diào)器和差分相干解調(diào)（又稱延遲解調(diào)）。2DPSK的相干解調(diào)其實(shí)就是2PSK解調(diào)加差分譯碼， 其方框圖見(jiàn)圖 5.24所示。由于有差分譯碼器把2PSK解調(diào)器輸出的相對(duì)碼轉(zhuǎn)換成絕對(duì)碼，即使2PSK解碼器的相干載波倒相，使輸出的bn變?yōu)閎n的反碼。由于差分譯碼器的功能是bnbn-1=an,，bn反向后，仍使等式成立。 因此，在解調(diào)中即使相干載波倒相，2DPSK解調(diào)器仍然能輸出正常代碼，解調(diào)過(guò)程的波形圖見(jiàn)圖5.24。由于相對(duì)移相制無(wú)相位模糊問(wèn)題， 因此得到廣泛的應(yīng)用。 2DPSK信號(hào)的差分相干解調(diào)方法解調(diào)時(shí)是直接比較前后碼元的相位差，從而恢復(fù)出原始信息代碼，不需要再進(jìn)行碼變換。差分相干解調(diào)將DPSK信號(hào)延時(shí)一個(gè)碼元間隔Tb，然后與DPSK信號(hào)本身相乘（相乘器起相位比較的作用），相乘結(jié)果經(jīng)低通濾波后再抽樣判決即可恢復(fù)出原始數(shù)字信息，無(wú)需再進(jìn)行碼的變換，如圖5.25所示。帶通濾波器低通濾波器抽樣判決器定時(shí)脈沖SDPSK(t)ABan本地載波恢復(fù)差分譯碼器CCSDPSK(t)載波AB10010110an圖5