基本的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

基本的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第1頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2第6章基本的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)6.1概述6.2二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)6.3二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)6.4二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)6.5二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)6.6二進(jìn)制數(shù)字鍵控傳輸系統(tǒng)性能比較6.7多進(jìn)制數(shù)字鍵控第2頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一36.1概述為什么要研究調(diào)制傳輸問(wèn)題？

1.數(shù)字基帶信號(hào)只適合低通信道數(shù)字基帶信號(hào)的功率集中在中低頻段，因此只適合在低通型信道中傳輸。適合低通型信號(hào)傳輸?shù)男诺篮苌?，如同軸電纜和雙絞線(xiàn)等。第3頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一42.低通型信道有較大的缺點(diǎn)

1）損耗大，并且頻率越高損耗越大。

2）難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

3）傳輸頻帶窄，不能很好利用頻率資源。

4）成本高。第4頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5第5頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一63.常見(jiàn)的實(shí)際信道大都是帶通型的例如各個(gè)頻段的無(wú)線(xiàn)信道、限定頻率范圍的同軸電纜、光纖信道等，都是帶通型信道，不能傳輸數(shù)字基帶信號(hào)。

4.帶通傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

1）充分利用寶貴的頻率資源

2）絕對(duì)帶寬非常寬,可實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸。

5.數(shù)字基帶信號(hào)不能直接進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸基帶信號(hào)是低頻信號(hào)，直接進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸所要求的天線(xiàn)尺寸非常大，難于實(shí)現(xiàn)。

6.數(shù)字基帶信號(hào)不能直接進(jìn)行光纖通信第6頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7數(shù)字調(diào)制就是將數(shù)字符號(hào)變成適合于信道的波形。載波一般也是連續(xù)的高頻正(余)弦波形。調(diào)制信號(hào)為數(shù)字基帶信號(hào)。調(diào)制的過(guò)程就是利用基帶信號(hào)控制載波的參數(shù)，使載波的參數(shù)攜帶基帶信息。由于數(shù)字信息是離散的，因此，調(diào)制后的載波參數(shù)只有有限個(gè)數(shù)值。數(shù)字調(diào)制的過(guò)程類(lèi)似于用數(shù)字信息控制開(kāi)關(guān)，從幾個(gè)具有不同參量的獨(dú)立震蕩源中選擇參量，因此，又稱(chēng)鍵控。第7頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一8信號(hào)的頻域特性信道的頻域特性調(diào)制的原理調(diào)制的目的調(diào)制的過(guò)程用基帶信號(hào)控制載波的參量離散數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制的區(qū)別第8頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一9數(shù)字載波傳輸系統(tǒng)方框圖抽樣判決器基帶脈沖生成器載波調(diào)制器信道載波解調(diào)器數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字頻帶信號(hào)比特流已調(diào)信號(hào)第9頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一10數(shù)字調(diào)制的基本分類(lèi)

幅度鍵控(ASK)

頻移鍵控(FSK)

相移鍵控(PSK)絕對(duì)相移鍵控(BPSK)差分相移鍵控(DPSK)載波信號(hào)：調(diào)制的分類(lèi)：按照基帶信號(hào)控制載波信號(hào)參數(shù)的不同第10頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一116.2二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）幅度鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying)：利用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波的幅度。6.2.1基本原理已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式第11頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一12

這種二進(jìn)制振幅鍵控的輸出波形是斷續(xù)的正弦波，所以也可稱(chēng)為通-斷鍵控OOK(On-OffKeying)。2ASK信號(hào)的波形第12頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一13

在一般情況下，調(diào)制信號(hào)是具有一定波形形狀的二進(jìn)制脈沖序列其中，T為調(diào)制信號(hào)間隔，g(t)為單極性脈沖信號(hào)的時(shí)間波形，an為二進(jìn)制數(shù)字信息。二進(jìn)制幅度鍵控信號(hào)的一般時(shí)域表達(dá)式為由此，2ASK信號(hào)是雙邊帶調(diào)幅信號(hào)。第13頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一14調(diào)制器相乘法：A(t)可以是非矩形脈沖開(kāi)關(guān)法：A(t)必須是矩形脈沖第14頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一15解調(diào)器ASK信號(hào)的解調(diào)：非相干解調(diào)和相干解調(diào)1、非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）包絡(luò)檢波器往往是半波或全波整流器，整流后通過(guò)低通濾波器濾波(平滑)即可獲得原基帶信號(hào)A(t).包絡(luò)檢波第15頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一16s(t)全波整流低通濾波第16頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一172、相干解調(diào)要實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，在收端要有一個(gè)與發(fā)端相同的載頻信號(hào)，叫相干載波。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)。第17頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一18經(jīng)低通濾波器濾波后，濾出1/2A(t)信號(hào)，就是原發(fā)端的基帶信號(hào)。兩種解調(diào)方法中，包絡(luò)檢波的輸出噪聲干擾稍大一些，換句話(huà)說(shuō)這種方式的信噪比稍低一些，但包絡(luò)檢波設(shè)備比較簡(jiǎn)單，不象相干解調(diào)那樣，需要有穩(wěn)定的本地相干載波。設(shè)接收的已調(diào)波為通過(guò)收端相乘器后，有第18頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一19s(t)和本地載波相乘低通濾波第19頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一206.2.2功率譜密度

一個(gè)信號(hào)可在時(shí)域內(nèi)表示，它可以表示信號(hào)電壓、電流、功率等參量隨時(shí)間變化的情況。但僅僅分析信號(hào)的時(shí)域特性是不夠的，為了分析一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)，還要將信號(hào)在頻域內(nèi)表示，也就是頻譜分析。從頻譜圖上可方便又清楚地表示出該信號(hào)所包含的各頻率分量和各分量幅值的大小。由頻譜圖可看出信號(hào)能量在頻率軸上的分布，確定信號(hào)所占的頻帶，估計(jì)對(duì)鄰近波道的干擾等等，這些在電路設(shè)計(jì)時(shí)是十分有用的。第20頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一21

頻譜圖中的曲線(xiàn)頻譜圖中F(f)的幅度及相位隨頻率變化的曲線(xiàn)是各個(gè)頻率分量幅度頂點(diǎn)的包絡(luò)線(xiàn)。

負(fù)頻率及頻譜應(yīng)該指出，負(fù)頻率是不存在的。之所以畫(huà)出負(fù)頻率及其頻譜，因?yàn)樗窃谶M(jìn)行數(shù)學(xué)分析時(shí)得到的結(jié)果，用以表示一種數(shù)學(xué)形式。所以信號(hào)的頻譜圖只需畫(huà)單邊頻譜函數(shù)曲線(xiàn)就可以了，也就是畫(huà)出f＞0的部分(正頻率部分)就可以了。第21頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一22

若A(t)的功率譜密度為PA(f)，2ASK信號(hào)的功率譜密度為PASK(f)，則PA(f)可由上章內(nèi)容推出，例如單極性NRZ的功率譜2ASK信號(hào)第22頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一232ASK信號(hào)的功率譜B=2fc=2/T譜零點(diǎn)帶寬：第一對(duì)過(guò)零點(diǎn)的帶寬第23頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一24升余弦滾降基帶信號(hào)的2ASK信號(hào)功率譜

為了限制頻帶可以采用限帶信號(hào)作為基帶信號(hào)。第24頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一25“0”、“1”等概率時(shí)，由上一章5.5節(jié)二進(jìn)制單極性不歸零基帶信號(hào)的功率譜密度PA(f)，得出2ASK信號(hào)功率譜(6.2-8)第25頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一26頻譜特性2ASK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成，其中連續(xù)譜取決于g(t)經(jīng)線(xiàn)性調(diào)制后的雙邊帶譜G(f)，離散譜則取決于載頻f0。2ASK信號(hào)的頻譜只是將基帶信號(hào)的頻譜沿頻率軸平移了f0，而基帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)并不改變，因此ASK是線(xiàn)性調(diào)制。2ASK信號(hào)的帶寬等于基帶信號(hào)帶寬的2倍。頻帶利用率僅為直接傳輸基帶信號(hào)的1/2。第26頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一27直流分量

當(dāng)基帶信號(hào)中有直流分量時(shí)，經(jīng)ASK調(diào)制后變成了載波成分(頻率為f0)，功率譜中含有載頻成分，可見(jiàn)ASK方式能比較容易地傳輸基帶信號(hào)的直流分量。第27頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一28

ASK信號(hào)具有兩個(gè)邊帶，都含有相同的信息，頻帶利用率較低。為了提高信道頻帶利用率，經(jīng)常要進(jìn)行一些處理。一種采用單邊帶傳輸，即只傳送一個(gè)邊帶。通常對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行某種處理，使其低頻分量盡可能小，從而使已調(diào)ASK信號(hào)的上下邊帶之間有一個(gè)明顯的分界。這樣就能用普通濾波器切除一個(gè)邊帶分量，從而實(shí)現(xiàn)單邊帶傳輸，其頻譜利用率是雙邊帶傳輸?shù)膬杀?。頻帶利用率和邊帶第28頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一29還有一種就是采用殘余邊帶調(diào)制，它是介于雙邊帶和單邊帶之間的一種調(diào)制方法，它讓已調(diào)雙邊帶信號(hào)通過(guò)一只殘余邊帶濾波器，只使它的一個(gè)邊帶的絕大部分和另一邊帶的小部分通過(guò)，形成所謂的殘余邊帶調(diào)制信號(hào)。其頻帶利用率略小于單邊帶調(diào)制的。第29頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一306.2.3誤碼率

我們討論在加性高斯白噪聲信道中2ASK信號(hào)的誤碼率。

2ASK信號(hào)的解調(diào)方法有兩種，包絡(luò)檢波法和相干解調(diào)法。這兩種方法中接收信號(hào)都要先通過(guò)一個(gè)帶通濾波器，此濾波器的帶寬剛好使信號(hào)的有用頻譜通過(guò)并阻止帶外噪聲通過(guò)。下面分別討論上述兩種解調(diào)方法的誤碼率。第30頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一312ASK信號(hào)的相干解調(diào)窄帶高斯噪聲Bs：基帶信號(hào)帶寬第31頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一32p0(x)：發(fā)送“0”，解調(diào)器輸出信號(hào)x(t)的概率密度函數(shù)。p1(x)：發(fā)送“1”，解調(diào)器輸出信號(hào)x(t)的概率密度函數(shù)。第32頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一33相干接收時(shí)ASK系統(tǒng)的誤比特率

載波不為0時(shí)的ASK信號(hào)稱(chēng)為峰值信號(hào)，解調(diào)器輸入的峰值信噪比，簡(jiǎn)稱(chēng)接收信噪比r>>1時(shí)，近似為(6.2-26)第33頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一342ASK信號(hào)的非相干解調(diào)窄帶高斯噪聲Bs：基帶信號(hào)帶寬第34頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一35p0(V)：發(fā)送“0”，包絡(luò)V的概率密度函數(shù)。p1(V)：發(fā)送“1”，包絡(luò)V的概率密度函數(shù)。

窄帶高斯噪聲經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波的非線(xiàn)性處理后，抽樣值不再是高斯分布了。第35頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一36非相干ASK的誤比特率信噪比很高的條件下(r>>1)，誤碼率為(6.2-46)(6.2-45)第36頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一37

兩種解調(diào)方法，包絡(luò)檢波的輸出噪聲干擾稍大一些，抗噪聲性能要稍差一些。但包絡(luò)檢波設(shè)備比較簡(jiǎn)單，不象相干解調(diào)那樣，需要有穩(wěn)定的本地相干載波。所以在實(shí)際的ASK系統(tǒng)中，很少使用相干解調(diào)。第37頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一38第38頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一39頻移鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)

利用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波的頻率。6.3.1基本原理6.3二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）第39頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一40

頻移鍵控是利用載波的頻率變化來(lái)傳遞數(shù)字信息。二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào),碼元的“1”和“0”分別用不同頻率的正弦波來(lái)傳送。若1對(duì)應(yīng)于載波頻率f1,0對(duì)應(yīng)于載波頻率f0。2FSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式如下第40頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一41

二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)也可以看成兩個(gè)不同載頻的ASK信號(hào)之和第41頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一42第42頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一432FSK信號(hào)的產(chǎn)生主要有兩種方法直接調(diào)頻法就是用二進(jìn)制基帶脈沖信號(hào)去調(diào)制一個(gè)調(diào)頻器，使其能夠輸出兩個(gè)不同頻率的碼元。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度較差?；鶐}沖序列調(diào)頻器調(diào)頻法開(kāi)關(guān)法調(diào)制器第43頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一44

開(kāi)關(guān)法(數(shù)字鍵控法、頻率選擇法)

用基帶信號(hào)控制開(kāi)關(guān)電路，去選擇兩個(gè)獨(dú)立頻率源的振蕩作為輸出。該方法轉(zhuǎn)換速度快，波形好，頻率穩(wěn)定度較高。A(t)開(kāi)關(guān)電路頻率源1頻率源0s(t)f1f0第44頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一45兩種調(diào)制方法的區(qū)別調(diào)頻法：相鄰碼元之間相位連續(xù)。開(kāi)關(guān)法：載波頻率發(fā)生變化時(shí)，載波的相位一般不連續(xù)。

這兩種方法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)的波形基本相同，只有一點(diǎn)差異。第45頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一462FSK信號(hào)的解調(diào)方法很多非相干解調(diào)法相干解調(diào)法鑒頻法過(guò)零檢測(cè)法差分檢波法等包絡(luò)檢波法解調(diào)器第46頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一47

相干解調(diào)法

相干載波(cos1t和cos0t)必須從接收信號(hào)中提取，并且和信號(hào)碼元同頻同相。這就增加了接收設(shè)備的復(fù)雜程度。這里的抽樣判決器是比較哪一個(gè)輸入樣值大，此時(shí)可不專(zhuān)門(mén)設(shè)置門(mén)限電平。第47頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一48

非相干解調(diào)法在初始相位無(wú)法預(yù)知時(shí)，無(wú)法得到相干載波，只能采用非相干解調(diào)。包絡(luò)檢波法這里的抽樣判決器也是比較哪一個(gè)輸入樣值大，此時(shí)可不專(zhuān)門(mén)設(shè)置門(mén)限電平。第48頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一492FSK信號(hào)f0帶通濾波f1帶通濾波第49頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一500支路包絡(luò)檢波1支路包絡(luò)檢波兩支路比較判決第50頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一51b.過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法

第51頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一52FSK波形限幅器波形第52頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一53微分器整流器第53頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一54寬脈沖發(fā)生器低通濾波器第54頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一55鑒頻法由于鑒頻器的諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，鑒頻器輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍等因素，鑒頻器的允許相對(duì)頻差就不能太大。一般要使Q≤f0/f。解決方法是將2FSK信號(hào)經(jīng)過(guò)一次頻率變換，使數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的頻譜搬移到較高頻段，以減小相對(duì)頻差,使允許的Q值提高。第55頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一56c.差分檢波法

輸入信號(hào)被分為兩路：一路直接送到乘法器(平衡調(diào)制器)，另一路經(jīng)時(shí)延T送到乘法器，相乘后再經(jīng)低通濾波器提取信號(hào)。

應(yīng)當(dāng)指出，鑒頻法、過(guò)零檢測(cè)法和差分檢波法都需要對(duì)輸出波形進(jìn)行抽樣判決。第56頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一572FSK信號(hào)在數(shù)字通信中應(yīng)用較為廣泛。 ITU推薦在話(huà)音頻帶內(nèi)傳輸速率低于1200bit/s時(shí)采用2FSK體制。

此外，2FSK可以用非相干方式接收，接收時(shí)不必利用信號(hào)的相位信息。故在條件惡劣的衰落信道中，如短波無(wú)線(xiàn)信道中，接收信號(hào)的相位有隨機(jī)抖動(dòng)，振幅也有隨機(jī)起伏，這種信號(hào)就特別適用。第57頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一586.3.2功率譜密度

二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)可以看成兩個(gè)不同載頻的ASK信號(hào)之和

前面已經(jīng)知道，一個(gè)2ASK信號(hào)的功率譜密度可以表示為第58頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一59因此2FSK信號(hào)的功率譜密度應(yīng)該是兩個(gè)不同頻率的2ASK信號(hào)的功率譜密度之和(6.3-3)第59頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一602FSK信號(hào)的功率譜Bs2fc+|f1-f0|第60頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一61第61頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一62頻譜特性2FSK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。其中，連續(xù)譜由兩個(gè)雙邊譜疊加而成，而離散譜則出現(xiàn)在載頻上。與基帶信號(hào)相比，頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，是非線(xiàn)性調(diào)制。若兩個(gè)載頻之差較小時(shí)，連續(xù)譜出現(xiàn)單峰；若載頻之差逐步增大，即f1與f2的距離增加，則連續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰。第62頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一632FSK信號(hào)的中心頻率fs稱(chēng)為視在載頻，為設(shè)f1>f0，定義調(diào)制指數(shù)(或頻移指數(shù))h為基帶信號(hào)帶寬BA=fc，2FSK信號(hào)帶寬為第63頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一64為了便于接收端解調(diào)，常要求f0、f1之間要有足夠的間隔，一般，頻移指數(shù)h取3~52FSK調(diào)制信號(hào)帶寬約為基帶信號(hào)帶寬的5~7倍，頻帶利用率約為基帶信號(hào)頻帶利用率的1/7~1/5，效率比較低。第64頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一65第65頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一66例設(shè)有一2FSK傳輸系統(tǒng)，其信號(hào)的頻率分別等于f0=980Hz，f1=1580Hz。碼元速率RB=300Baud。試求此2FSK信號(hào)的帶寬。解

第66頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一676.3.3最小頻率間隔若f0和f1的間隔大于2fc，則可以通過(guò)濾波器來(lái)分離它們，但相應(yīng)的此時(shí)帶寬較大，頻帶利用率較低。若頻率間隔小于2fc，又無(wú)法通過(guò)濾波器分離。在原理上，若兩個(gè)信號(hào)互相正交，則可以通過(guò)相關(guān)器把它們完全分離。正交條件第67頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一68在初始相位已知，1-0=0的條件下，滿(mǎn)足兩路信號(hào)正交時(shí)的最小頻率間隔

|f1-f0|min=1/(2T)=fc/2。此時(shí)，調(diào)制指數(shù)這種調(diào)制指數(shù)為0.5的特殊2FSK稱(chēng)為最小移頻鍵控(MSK)，帶寬B=2.5fc，是可實(shí)現(xiàn)的頻移鍵控FSK的最小帶寬。第68頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一69相干FSK的誤比特率接收信噪比非相干FSK的誤比特率(包絡(luò)檢波)比較可得，相干方式略?xún)?yōu)于非相干方式。6.3.4誤碼率第69頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一70相干檢測(cè)法和包絡(luò)檢波法的誤碼率比較：相同信噪比條件下，相干檢測(cè)的誤碼率低于包絡(luò)檢波法，即相干檢測(cè)性能優(yōu)于包絡(luò)檢波。在大信噪比條件下兩者相差不很大。實(shí)際應(yīng)用中，多采用包絡(luò)檢波法。第70頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一712FSK與2ASK信號(hào)的誤碼率比較：包絡(luò)檢波2ASK：差3dB 2FSK：相干檢測(cè)2ASK： 差3dB2FSK：第71頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一72相移鍵控PSK(PhaseShiftKeying)

利用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波的相位。6.4.1基本原理6.4二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)第72頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一73

二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)，碼元的“1”和“0”分別用兩個(gè)不同的初始相位來(lái)表示，這兩個(gè)相位通常相隔rad，如用初始相位為0表示碼元“0”，用初始相位為表示碼元“1”。這種以載波初始相位的不同，直接表示相應(yīng)數(shù)字信息的相位鍵控信號(hào)，通常稱(chēng)為絕對(duì)相移鍵控(BPSK)信號(hào)，時(shí)域表達(dá)式如下第73頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一74

上面兩個(gè)碼元的相位相差，故波形形狀相同,極性相反。因此,2PSK信號(hào)可表示為

從上式可以看出，2PSK就是一個(gè)基帶信號(hào)為雙極性的特殊2ASK信號(hào)。第74頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一75第75頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一76其中an為雙極性數(shù)字信號(hào)一般的基帶信號(hào)是具有一定波形形狀的二進(jìn)制脈沖序列，此時(shí)，時(shí)域表示式可寫(xiě)為若g(t)是幅度為1寬度為T(mén)的矩形脈沖第76頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一77

將2PSK信號(hào)和2ASK信號(hào)比較可得，它們的表達(dá)式在形式上是相同的。區(qū)別在于，2ASK信號(hào)是單極性脈沖序列的雙邊帶調(diào)制，2PSK信號(hào)是雙極性脈沖序列的雙邊帶調(diào)制。由于雙極性脈沖序列沒(méi)有直流分量，所以2PSK信號(hào)是抑制載波的雙邊帶調(diào)制。這樣，2PSK信號(hào)的功率譜與2ASK信號(hào)的功率譜相同，只是少了一個(gè)離散的載波分量。6.4.2功率譜第77頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一782PSK信號(hào)的功率譜密度Bs=2fc第78頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一79頻譜特性當(dāng)基帶信號(hào)“0”和“1”等概率出現(xiàn)時(shí)，無(wú)離散譜，2PSK信號(hào)的功率譜只有連續(xù)譜，可以看作抑制載波的雙邊帶調(diào)制。2PSK信號(hào)的帶寬等于基帶信號(hào)帶寬的2倍。頻帶利用率僅為直接傳輸基帶信號(hào)的1/2。第79頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一802PSK和2ASK信號(hào)波形關(guān)系A(chǔ)2AA(a)2ASK(c)載波(b)2PSK第80頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一812PSK信號(hào)主要有兩種產(chǎn)生方法相乘法相乘法相位選擇法調(diào)制和解調(diào)調(diào)制器第81頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一82相位選擇法用基帶信號(hào)控制一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，以選擇輸入信號(hào)，開(kāi)關(guān)電路的輸入信號(hào)是相位相差的同頻載波。

兩種方法的復(fù)雜程度差不多，并且都可以用數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)。第82頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一83解調(diào)器2PSK信號(hào)不能采用包絡(luò)檢波法，通常采用相干解調(diào)方式。相干解調(diào)法第83頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一842PSK相干接收的誤比特率接收信噪比當(dāng)信噪比很大時(shí)，即r>>1時(shí)6.4.3誤碼率第84頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一852PSK、2FSK與2ASK相干檢測(cè)誤碼率比較2ASK：2FSK：2PSK：在相干檢測(cè)條件下，為了得到相同的誤碼率，2FSK的功率需要比2PSK的功率大3dB；而2ASK則需比2PSK大6dB。第85頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一86解調(diào)器2PSK信號(hào)的功率譜中無(wú)載波分量，所以不能采用包絡(luò)檢波法，通常采用相干解調(diào)方式。相干解調(diào)法第86頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一872PSK存在的問(wèn)題

要實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，如何獲得相干載波是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)前面對(duì)2PSK信號(hào)功率譜的分析可知：PSK信號(hào)的功率譜中沒(méi)有離散的載頻分量，不能直接提取相干載波。因此，只有對(duì)PSK信號(hào)進(jìn)行非線(xiàn)性變換，才能產(chǎn)生載波分量。常用的載波恢復(fù)電路有兩種，見(jiàn)7.2.2節(jié)：平方環(huán)電路科斯塔斯(Costas)環(huán)電路第87頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一88平方變換法提取載波平方后若用一窄帶濾波器將20頻率分量濾出，再進(jìn)行二分頻，就可獲得所需的相干載波。1.平方環(huán)

此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶信號(hào)的載波同步。雙邊帶信號(hào)第88頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一89若m(t)=±1，則s(t)信號(hào)就成為2PSK，這時(shí)

從中可用窄帶濾波器濾出2f0成分。在實(shí)際中，伴隨信號(hào)一起進(jìn)入接收機(jī)的還有加性高斯白噪聲，為了改善平方變換法的性能，使恢復(fù)的相干載波更為純凈，窄帶濾波器常用鎖相環(huán)代替，稱(chēng)為平方環(huán)法提取載波。第89頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一90平方環(huán)法提取載波

由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶功能，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能。因此，平方環(huán)法提取載波得到了較廣泛的應(yīng)用。第90頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一91VCO輸出乘法器輸出經(jīng)低通濾波后ud僅與相位差有關(guān)，它通過(guò)環(huán)路濾波器去控制壓控振蕩器的相位和頻率。環(huán)路濾波器是一個(gè)低通濾波器，只允許接近直流的電壓通過(guò)。由鎖相環(huán)理論可知，一個(gè)周期內(nèi)，鎖相環(huán)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)有兩個(gè)，取值可能為0或。然后再將VCO的輸出經(jīng)過(guò)二分頻后，就是所需的相干載波。第91頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一92這意味著恢復(fù)出的載波可能與理想載波同相，也可能反相。這種相位關(guān)系的不確定性，稱(chēng)為0，的相位模糊。當(dāng)=0時(shí)，二分頻的輸出為當(dāng)=時(shí)，二分頻的輸出為第92頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一932.科斯塔斯(Costas)環(huán)法

科斯塔斯(Costas)環(huán)又叫同相正交環(huán)法。在此環(huán)路中，壓控振蕩器(VCO)提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號(hào)分別在同相和正交兩個(gè)鑒相器中進(jìn)行鑒相，經(jīng)低通濾波之后的輸出均含調(diào)制信號(hào)，兩者相乘后可以消除調(diào)制信號(hào)的影響，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與相位差有關(guān)的控制壓控，從而準(zhǔn)確地對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。第93頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一94VCO輸出相乘和濾波后v5和v6相乘后第94頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一95

當(dāng)m(t)為矩形脈沖的雙極性數(shù)字基帶信號(hào)時(shí)，m

2(t)=1。即使m(t)不為矩形脈沖序列，式中的m

2(t)可以分解為直流和交流分量。由于鎖相環(huán)作為載波提取環(huán)時(shí)，其環(huán)路濾波器的帶寬設(shè)計(jì)的很窄，只有m(t)中的直流分量可以通過(guò)，因此u可寫(xiě)成

比較可知，平方環(huán)和科斯塔斯環(huán)具有相同的u-特性曲線(xiàn)。第95頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一96

由上圖可知，=n（n為任意整數(shù)）為PLL的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。PLL工作時(shí)可能鎖定在任何一個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)上，考慮到在載波周期2內(nèi)取值可能為0或，這意味著恢復(fù)出的載波可能與理想載波同相，也可能反相。這種相位關(guān)系的不確定性，稱(chēng)為0，的相位模糊。第96頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一97

這種0，的相位模糊，是用PLL從抑制載波的雙邊帶信號(hào)（2PSK或DSB）中提取載波時(shí)不可避免的共同問(wèn)題。它不但在上述兩種環(huán)路中存在，在其他類(lèi)型的載波恢復(fù)環(huán)路，如逆調(diào)制環(huán)、判決反饋環(huán)、松尾環(huán)等性能更好的環(huán)路中，也同樣存在；不但在2PSK時(shí)存在，在多相移相信號(hào)（MPSK）也同樣存在相位模糊度問(wèn)題。下面來(lái)分析一下這種0，的相位模糊現(xiàn)象給解調(diào)帶來(lái)的影響。第97頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一98相干解調(diào)器輸入的絕對(duì)相移鍵控信號(hào)為第98頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一99信碼an10110100111已調(diào)信號(hào)相位00000本地載波相位100000000000[1]極性++++判決結(jié)果an110110100111本地載波相位2[2]極性+++++++判決結(jié)果an201001011000第99頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一100

碼元相位表示碼元所對(duì)應(yīng)的PSK信號(hào)的相位，[·1]和[·2]表示相位為的PSK信號(hào)分別與相位為1和2的本地載波相乘。這樣我們看到本地載波相位的不確定性造成了解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)可能極性完全相反，形成1和0的倒置。當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180o倒相時(shí)，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象通常稱(chēng)為“倒”現(xiàn)象。第100頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一101相干解調(diào)主要存在兩個(gè)難點(diǎn)：第一、難以確定本地載波的相位。這又有兩方面的原因。

1)載波恢復(fù)中存在相位模糊的問(wèn)題。由此，系統(tǒng)中存在“倒”現(xiàn)象，最終導(dǎo)致通信出錯(cuò)。這對(duì)于數(shù)字信號(hào)的傳輸來(lái)說(shuō)當(dāng)然不能允許。

2)信道存在不穩(wěn)定性，使接收信號(hào)的相位產(chǎn)生隨機(jī)起伏，若接收端產(chǎn)生的本地載波參考相位不能及時(shí)跟蹤其變化，也會(huì)造成同樣的相位顛倒。第101頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一102

第二、在隨機(jī)信號(hào)碼元序列中有可能出現(xiàn)信號(hào)波形長(zhǎng)時(shí)間地為連續(xù)的正(余)弦波形，致使在接收端的無(wú)法辨認(rèn)碼元的起止時(shí)刻。這樣抽樣判決時(shí)刻也就隨之不能正確決定。因此，2PSK信號(hào)雖然是最基本的PSK調(diào)制方式，但它卻難以實(shí)用。為了克服相位模糊度對(duì)于解調(diào)的影響,通常要采用差分相移鍵控的調(diào)制方法。第102頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1032PSK和2ASK、2FSK相比，有很好的誤碼率性能，但是，在2PSK傳輸系統(tǒng)中存在相位不確定性，并將造成接收碼元“0”和“1”的顛倒，造成誤碼。這個(gè)問(wèn)題將直接影響到2PSK信號(hào)用于長(zhǎng)距離傳輸。為了克服此缺點(diǎn)，并保存2PSK信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，將2PSK信號(hào)改進(jìn)為二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)體制。差分相移鍵控又稱(chēng)相對(duì)相移鍵控。本節(jié)將詳細(xì)討論2DPSK的原理和性能。6.5二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)第103頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1046.5.1基本原理前面討論的2PSK信號(hào)中，相位變化是以未調(diào)載波的相位作為參考基準(zhǔn)的。它是利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值傳送數(shù)字信息，因而又稱(chēng)為絕對(duì)調(diào)相。

2DPSK是利用前后碼元載波相位的相對(duì)變化來(lái)傳遞信息。即本碼元初相與前一碼元初相的差來(lái)表示信息，因而又稱(chēng)相對(duì)調(diào)相。設(shè)為當(dāng)前碼元與前一碼元的相位之差：第104頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一105信號(hào)可以表示為 式中，0

＝2f0為載波的角頻率；

為前一碼元的相位。例基帶信號(hào)111001101111001101

00

0

00

0

初始相位02DPSK碼元相位(+)000000000第105頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一106DPSK信號(hào)波形第106頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1072DPSK信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程2）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(chēng)為二進(jìn)制差分相移鍵控信號(hào)，記作2DPSK。1）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)。差分可取傳號(hào)差分碼或空號(hào)差分碼。傳號(hào)差分碼的編碼規(guī)則為第107頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一108絕對(duì)碼an10010110差分碼bn011100100絕對(duì)調(diào)相規(guī)則差分編碼規(guī)則2DPSK相位00000第108頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一109第109頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一110初值bn-1=0初值bn-1=1絕對(duì)碼an10010111001011差分碼bn01110010100011002DPSK相位00000000

由此可見(jiàn)，對(duì)于相同的基帶輸入碼元序列，由于初始相位的不同，碼元的相位可以不同，也就是說(shuō)，碼元的相位并不直接代表基帶信號(hào)，相鄰碼元的相位差才代表基帶信號(hào)。第110頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一111調(diào)制器第111頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一112解調(diào)器相干解調(diào)法（極性比較法）

1）相干解調(diào)2）差分譯碼第112頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一113第113頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一114逆碼變換器第114頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一115絕對(duì)碼an10110100111差分碼bn011011000101碼元相位000000本地載波相位1000000000000[1]極性++++++判決結(jié)果bn1100100111010譯碼結(jié)果an10110100111若本地載波和發(fā)送端載波相位相同第115頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一116絕對(duì)碼an10110100111差分碼bn011011000101碼元相位000000本地載波相位2[2]極性++++++判決結(jié)果bn2011011000101譯碼結(jié)果an10110100111若本地載波和發(fā)送端載波相位相差第116頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一117相位比較法（延遲解調(diào)、差分相干解調(diào))

用這種方法解調(diào)時(shí)不需要恢復(fù)本地載波，只需由收到的信號(hào)單獨(dú)完成。DPSK信號(hào)延時(shí)一個(gè)碼元間隔T，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。差分相干解調(diào)又稱(chēng)延遲解調(diào)，只有DPSK信號(hào)才能采用這種方法解調(diào)。第117頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一118第118頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一119絕對(duì)碼an10110100111差分碼bn011011000101碼元相位000000延遲碼元相位D000000[D]極性++++結(jié)果an10110100111

延遲解調(diào)不需要相干載波，但此方法對(duì)延遲單元的延時(shí)精度要求很高，較難做到，且誤碼率也較差，所以應(yīng)用較少。第119頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一120

對(duì)于2DPSK信號(hào)，我們可以用矢量圖來(lái)表示信號(hào)碼元。圖中以橫座標(biāo)為參考相位，即前一碼元的相位，當(dāng)前碼元的相位可能為0或。ITU-T規(guī)定，該方式稱(chēng)為A方式。A方式和B方式00參考相位前一碼元相位第120頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一121

按照這種定義，在某個(gè)長(zhǎng)碼元序列中，信號(hào)波形的相位可能仍沒(méi)有突跳點(diǎn)。這樣，2DPSK信號(hào)雖然解決了載波相位不確定性的問(wèn)題，但是碼元的定時(shí)問(wèn)題仍沒(méi)有解決。0-/2參考相位(前一碼元相位)/2

為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用右圖所示的相移方式。第121頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一122

此時(shí)，當(dāng)前碼元相對(duì)于前一碼元的相位改變/2。因此，在相鄰碼元之間必定有相位突跳。在接收端檢測(cè)此相位突跳就能確定碼元的起止時(shí)刻。

ITU-T規(guī)定，該方式稱(chēng)為B方式。由于它的優(yōu)點(diǎn)，B方式目前被廣泛采用。第122頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1236.5.2功率譜密度2DPSK信號(hào)的功率譜密度和2PSK信號(hào)的功率譜密度完全一樣。第123頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一124絕對(duì)碼an10110100111發(fā)送碼元相位000000接收碼元相位’0000000結(jié)果an11010100111發(fā)生單個(gè)錯(cuò)誤6.5.3誤碼率由于采用差分碼，傳輸中一位單獨(dú)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致最后結(jié)果錯(cuò)兩位第124頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1252DPSK相位比較法檢測(cè)的誤比特率當(dāng)相干檢測(cè)的誤碼率很小時(shí)相干檢測(cè)（極性比較法）的誤比特率

2DPSK相干檢測(cè)前半部分與2PSK相同，只需再考慮逆碼變換器引入的誤碼率第125頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1266.6二進(jìn)制數(shù)字鍵控傳輸系統(tǒng)性能比較

前面已經(jīng)分別研究了二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的幾種主要性能，比如系統(tǒng)的頻帶寬度、調(diào)制與解調(diào)方法及誤碼率。下面就針對(duì)這幾個(gè)方面的性能作一簡(jiǎn)要比較。第126頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1271.誤碼率鍵控體制誤碼率公式相干2ASK非相干2ASK相干2FSK非相干2FSK相干2PSK延遲2DPSK第127頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一128由上表可以得出如下幾點(diǎn)一般結(jié)論：

1、在同一類(lèi)型的鍵控系統(tǒng)中，抗噪聲性能相干方式略?xún)?yōu)于非相干方式。它們基本上是和的關(guān)系，隨著r→，它們將趨于同一個(gè)極限值。

2、不同類(lèi)型的鍵控方式相比較，在相同誤比特率的條件下，在峰值信噪比的要求上2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。由此，在抗加性高斯白噪聲方面，相干2PSK的抗噪聲性能最好，2FSK次之，2ASK最差。

第128頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一129-6-30369121518信噪比r(dB)110-110-210-310-410-510-610-7Pe非相干ASK相干ASK非相干FSK相干FSK相干DPSK非相干DPSKPSK第129頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一130

當(dāng)發(fā)射機(jī)有嚴(yán)格功率限制時(shí)，可考慮采用相干接收。因?yàn)樵诮o定碼元速率和誤碼率的條件下，相干接收要求的信噪比較非相干接收小。例如從宇宙飛船上發(fā)回遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，飛船發(fā)射功率是有限的移動(dòng)通信中，手機(jī)依靠電池供電，能量有限，要想在有限的功率下獲得較好的通信質(zhì)量，就可考慮用相干解調(diào)第130頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1312.頻帶寬度(頻帶利用率)基帶信號(hào)采用NRZ碼，基帶信號(hào)譜零點(diǎn)帶寬為fc=1/T，和碼元速率RB在數(shù)量上相同。2ASK系統(tǒng)2FSK系統(tǒng)2PSK系統(tǒng)

因此，從頻帶利用率上看，2FSK系統(tǒng)最不可取。第131頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1323.性能穩(wěn)定性及可靠性

（對(duì)信道特性變化的敏感性）

在實(shí)際通信中，很多信道屬于隨參信道，信道參數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化，表現(xiàn)在信道的衰減隨時(shí)間變化，即信道中存在衰落現(xiàn)象。因此，在選擇數(shù)字調(diào)制方式時(shí)，還應(yīng)考慮它的各種特性（如最佳判決門(mén)限等）對(duì)信道特性的變化是否敏感。第132頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一133

對(duì)于2ASK系統(tǒng)。判決器的最佳判決門(mén)限為a/2(當(dāng)發(fā)送碼元0、1等概率時(shí))，它與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度有關(guān)。當(dāng)信道特性發(fā)生變化時(shí)，接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度a將隨著發(fā)生變化；相應(yīng)的判決器的最佳判決門(mén)限也將隨之而變。這時(shí)，接收機(jī)不容易保持在最佳判決門(mén)限狀態(tài)，從而導(dǎo)致誤碼率增大。因此，就對(duì)信道特性變化的敏感性而言，2ASK的性能最差。由此，在衰落信道中，2ASK的性能最差。第133頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一134

在2FSK系統(tǒng)中，相干檢波和包絡(luò)檢波時(shí)都不需要人為地設(shè)置判決門(mén)限，它是直接比較兩路解調(diào)輸出的大小來(lái)作出判決。因此受信道特性變化的影響較小。在2PSK系統(tǒng)中，判決器的最佳判決門(mén)限為零，與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)。因此，它不隨信道特性的變化而變化。這時(shí)，接收機(jī)容易保持在最佳判決門(mén)限狀態(tài)。由此，對(duì)于衰落信道，信號(hào)幅度會(huì)發(fā)生變化，因此不適合ASK方式。第134頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一135

此外，信道特性的變化也會(huì)導(dǎo)致傳輸函數(shù)的相位變化，因此也對(duì)PSK信號(hào)有影響。所以，F(xiàn)SK信號(hào)在這種信道中的魯棒性(robustness)最好。當(dāng)信道存在嚴(yán)重的衰落時(shí)，通常采用非相干接收，因?yàn)檫@里的接收端不容易得到相干解調(diào)所需的相干載波。綜上所述，衰落信道中比較適合非相干FSK方式。第135頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1364.設(shè)備的復(fù)雜程度

對(duì)于二進(jìn)制振幅鍵控、頻移鍵控及相移鍵控這三種方式來(lái)說(shuō)，發(fā)送端設(shè)備的復(fù)雜程度相差不多，而接收端的復(fù)雜程度則與所選用的調(diào)制和解調(diào)方式有關(guān)。對(duì)于同一種調(diào)制方式，相干解調(diào)的設(shè)備要比非相干解調(diào)時(shí)復(fù)雜；而同為非相干解調(diào)時(shí)，2DPSK的設(shè)備最復(fù)雜，2FSK次之，2ASK最簡(jiǎn)單。不言而喻，設(shè)備越復(fù)雜，其造價(jià)就越昂貴。如相干解調(diào)，通常在高質(zhì)量的數(shù)字通信系統(tǒng)中才采用。第136頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一137

上面從幾個(gè)方面對(duì)各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行了比較?？梢钥闯?，在選擇調(diào)制和解調(diào)方式時(shí)，要考慮的因素是比較多的。通常，只有對(duì)系統(tǒng)的要求作全面的考慮，并且抓住其中最主要的要求，才能作出比較恰當(dāng)?shù)木駬?。如果抗噪聲性能是主要的，則應(yīng)考慮相干2PSK和2DPSK，而2ASK最不可取。如果帶寬是主要的要求，則應(yīng)考慮相干2PSK、2DPSK及2ASK，而2FSK最不可取。如果設(shè)備的復(fù)雜性是一個(gè)必須考慮的重要因素，則非相干方式比相干方式更為適宜。第137頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一138相干PSK、2DPSK：主要用于中速和中高速數(shù)據(jù)傳輸(一般指1200bit/s～4800bit/s的速率范圍)；非相干2FSK：主要用于中、低速數(shù)據(jù)傳輸(低于1200bit/s的話(huà)音頻帶內(nèi))，特別是在衰落信道中傳送數(shù)據(jù)時(shí)，它有著廣泛的應(yīng)用。（因?yàn)檫@時(shí)在接收端不易得到相干解調(diào)所需要的相干載波）移動(dòng)通信中則主要以多進(jìn)制PSK為主目前用得最多的數(shù)字調(diào)制方式主要是：第138頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1396.7多進(jìn)制數(shù)字鍵控

前面我們?cè)敿?xì)討論了基本的二進(jìn)制鍵控體制。這是學(xué)習(xí)和研究數(shù)字鍵控的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上現(xiàn)在來(lái)簡(jiǎn)要討論多進(jìn)制鍵控體制。1)

由此可知，在信息速率不變的情況下，通過(guò)增加進(jìn)制數(shù)M，可以降低碼元傳輸速率，從而減小信號(hào)帶寬，節(jié)約頻帶資源，提高系統(tǒng)頻帶利用率。第139頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一140

由此可知，在碼元傳輸速率不變的情況下，通過(guò)增加進(jìn)制數(shù)M，可以增大信息傳輸速率，從而在相同的帶寬中傳輸更多的信息量。2)3)在相同的噪聲下，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)?；蛘哒f(shuō)為了得到相同誤碼率，需要更高的信噪比，即需要更大的信號(hào)功率，這就是為了傳輸更多信息量所需要付出的代價(jià)。第140頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一141

多進(jìn)制鍵控實(shí)質(zhì)上是二進(jìn)制鍵控體制的推廣。用多進(jìn)制的數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制載波，就可以得到多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)。通常，取多進(jìn)制數(shù)M為2的冪次(M=2n)。當(dāng)攜帶信息的參數(shù)分別為載波的幅度、頻率或相位時(shí)，數(shù)字調(diào)制信號(hào)為M進(jìn)制幅度鍵控(MASK)、M進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)或M進(jìn)制相移鍵控(MPSK)。此外還有許多性能更為優(yōu)越的調(diào)制方式，代表的有正交振幅調(diào)制(QAM)，交錯(cuò)正交相移鍵控(OQPSK)，最小頻移鍵控(MSK)，正弦頻移鍵控(SFSK)，平滑調(diào)頻(TFM)，高斯最小頻移鍵控(GMSK)。第141頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一142

前面說(shuō)多進(jìn)制調(diào)制就是用多進(jìn)制的數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制載波。但是，進(jìn)入調(diào)制器的信號(hào)仍然是二進(jìn)制信息，所以，首先要對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行一次進(jìn)制轉(zhuǎn)換。常用的有兩種轉(zhuǎn)換方式：電平變換和串并變換。1、電平變換。就是二電平信號(hào)到多電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換。例如，四進(jìn)制調(diào)制，將輸入信號(hào)兩個(gè)一組進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。1302102電平變換01110010010010011100進(jìn)制轉(zhuǎn)換011100130第142頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1432、串并轉(zhuǎn)換例如，四進(jìn)制調(diào)制，輸入基帶信號(hào)是01110010010010，首先進(jìn)行串并變換，把輸入的信號(hào)變成兩路信號(hào)a和b。a=0101001b=1100100串并變換01110010010010011110011110

此時(shí)，對(duì)應(yīng)a、b的不同取值，輸出符號(hào)就有四種狀態(tài)，00、01、10和11，用a和b去控制載波，載波參數(shù)就會(huì)有四種變化狀態(tài)，這也就是四進(jìn)制調(diào)制了。第143頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1441．基本原理在M進(jìn)制的幅度鍵控信號(hào)中,載波幅度有M種取值。當(dāng)基帶信號(hào)的碼元間隔為T(mén)s時(shí)，M進(jìn)制幅度鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為式中，g(t)為基帶信號(hào)的波形,ωc為載波的角頻率，an為幅度值，an有M種取值。6.7.1多進(jìn)制幅度鍵控（MASK）第144頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1454ASK信號(hào)的波形第145頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一146

由上述公式和波形圖可知，MASK信號(hào)相當(dāng)于M電平的基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行雙邊帶調(diào)幅。因此，多進(jìn)制振幅鍵控又稱(chēng)為多電平調(diào)制，它是2ASK體制的推廣。MASK信號(hào)可以看成是由時(shí)間上互不相容的M-1個(gè)不同振幅值的2ASK信號(hào)的疊加。所以MASK信號(hào)的功率譜，便是這M-1個(gè)信號(hào)的功率譜之和。盡管疊加后功率譜的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，但就信號(hào)的帶寬而言，當(dāng)碼元速率Rs相同時(shí)，MASK信號(hào)的帶寬與2ASK信號(hào)的帶寬相同，都是基帶信號(hào)帶寬的2倍。第146頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一147

和2ASK相比，這種體制的優(yōu)點(diǎn)在于信息傳輸速率高。M進(jìn)制的基帶信號(hào)的每個(gè)碼元攜帶有l(wèi)og2M比特信息，這樣在帶寬相同的情況下，MASK信號(hào)的信息速率是2ASK信號(hào)的log2M倍?；蛘哒f(shuō)在信息速率相同的情況下MASK信號(hào)的帶寬僅為2ASK信號(hào)的1/log2M。

MASK的調(diào)制方法與2ASK相同，但是首先要把基帶信號(hào)由二電平變?yōu)镸電平。然后再用M電平基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，便可得到MASK信號(hào)。第147頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一148MASK的解調(diào)可以采用包絡(luò)檢波或者相干解調(diào)，原理和2ASK信號(hào)解調(diào)原理完全相同。

MASK信號(hào)由于是用信號(hào)振幅傳遞信息的，受信道衰落影響大，故在遠(yuǎn)距離傳輸中應(yīng)用較少。它的抗噪聲性能隨著進(jìn)制數(shù)M的增加而逐漸變差。第148頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1496.7.2多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)

在M進(jìn)制的頻移鍵控信號(hào)中，載波頻率有M種取值。當(dāng)基帶信號(hào)的碼元間隔為T(mén)s時(shí)，MFSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為式中，Es為單位符號(hào)的信號(hào)能量，i為載波角頻率，有M種取值。第149頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一150

這時(shí)仍和2FSK時(shí)的條件相同，即要求每個(gè)載頻之間的距離足夠大，使不同頻率的碼元頻譜能夠用濾波器分離開(kāi)，或者說(shuō)使用不同頻率的碼元相互正交。由于MFSK的碼元采用M個(gè)不同頻率的載波，所以它占用較寬的頻帶。設(shè)f1為其最低載頻，fM為其最高載頻，則MFSK信號(hào)帶寬近似為fM-f1+2/T。第150頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一151MFSK調(diào)制可用頻率選擇法實(shí)現(xiàn)。二進(jìn)制信息經(jīng)串并變換后形成M種形式，通過(guò)邏輯電路分別控制M個(gè)振蕩源。MFSK調(diào)制器第151頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一152MFSK非相干解調(diào)器MFSK信號(hào)通常用非相干解調(diào)。如圖，用M路帶通濾波器分離M個(gè)不同頻率的碼元。第152頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1536.7.3多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)1．MPSK信號(hào)的表達(dá)

在M進(jìn)制的相移鍵控信號(hào)中，載波相位有M種取值。當(dāng)基帶信號(hào)的碼元間隔為T(mén)s時(shí)，MPSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為式中，Es為信號(hào)在一個(gè)碼元間隔內(nèi)的能量,c為載波角頻率,n為有M種取值的相位第153頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一154MPSK信號(hào)是僅用相位攜帶基帶信號(hào)的數(shù)字信息，為了表達(dá)出基帶信號(hào)與載波相位的聯(lián)系，可設(shè)碼元持續(xù)時(shí)間為T(mén)s的基帶信號(hào)波形為g(t)，這樣MPSK信號(hào)的表達(dá)式又可寫(xiě)為式中，n為載波在t=nTs時(shí)刻的相位，有M種取值，通常是等間隔的第154頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一155其中,為初相位，設(shè)=0，將前式展開(kāi)得令則MPSK的表達(dá)式可化為第155頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一156

上式中的每一項(xiàng)都是一個(gè)M電平雙邊帶調(diào)幅信號(hào)，即MASK信號(hào)，但載波是正交的。因此，MPSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)正交載波的MASK信號(hào)的疊加，所以MPSK和MASK信號(hào)的帶寬相同。上式可簡(jiǎn)寫(xiě)成式中同相分量正交分量第156頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一157

由上述分析可知，MPSK信號(hào)可以用正交調(diào)制的方法產(chǎn)生。

MPSK體制中，M通常取2n，即2,4,8,16等值。下面我們主要以M=4為例作進(jìn)一步分析。4相相移鍵控(4PSK)常稱(chēng)為正交相移鍵控QPSK(Quadriphase-shiftKeying)。它的每個(gè)碼元含有兩比特信息，現(xiàn)用ab代表這兩個(gè)比特。故ab有四種組合，即00、01、10、11。它們的相位n之間的關(guān)系通常按格雷碼變化，其編碼規(guī)則和矢量圖如下所示。表中給出了A和B兩種編碼方式。第157頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一158abnA方式B方式110/401/23/4005/4103/27/4第158頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一159MPSK信號(hào)的矢量圖表示第159頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一160

從上圖可以看到，在MPSK信號(hào)的調(diào)制中，隨著M值的增加，相位之間的相位差減小，使系統(tǒng)的可靠性降低。因此MPSK調(diào)制中最常用的是4PSK和8PSK。不同的初始相位得到不同形式的MPSK信號(hào)，但這些信號(hào)在原理上沒(méi)有差別，后面可以看到，它們只是實(shí)現(xiàn)的方法稍有不同。第160頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1612．MPSK信號(hào)調(diào)制

QPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法a.正交調(diào)制法正交調(diào)制法相位選擇法第161頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一162串并變換和電平產(chǎn)生波形第162頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一163

上述QPSK正交調(diào)制器框圖中，輸入的串行二進(jìn)制碼經(jīng)串并變換，分為兩路速率減半的序列，電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號(hào)I(t)和Q(t)，然后分別對(duì)同相載波cosct和正交載波sinct進(jìn)行調(diào)制，相加后即得到了QPSK信號(hào)。

按這種方式產(chǎn)生的QPSK信號(hào)符合前面B方式編碼規(guī)則。第163頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一164由于已調(diào)信號(hào)功率譜的副瓣很大，經(jīng)常在兩個(gè)支路加入升余弦特性低通濾波器（LPF），以減小已調(diào)信號(hào)的副瓣。但此時(shí)的包絡(luò)就是非恒定的。第164頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一165b.相位選擇法

QPSK的相位選擇法，就是用數(shù)字信號(hào)去選擇所需相位的載波，從而實(shí)現(xiàn)相移鍵控。這種方式可以產(chǎn)生按A方式編碼的QPSK信號(hào)。它是一種全數(shù)字化的方法，適合于載波頻率較高的場(chǎng)合。第165頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1668PSK是另一種常用的多相鍵控。它是用載波的8種相位代表八進(jìn)制碼元。八進(jìn)制的每個(gè)碼元包含3個(gè)二進(jìn)制碼，稱(chēng)為3比特碼元，用b1b2b3表示。

下面我們考慮如何利用正交調(diào)制法產(chǎn)生8PSK信號(hào)，即如何用同相分量和正交分量合成需要的調(diào)制信號(hào)。此時(shí)，輸入的二進(jìn)制信息序列經(jīng)串并變換，每次產(chǎn)生一個(gè)3位碼組b1b2b3，在b1b2b3的控制下，同相路和正交路分別產(chǎn)生一個(gè)四電平信號(hào)I(t)和Q(t)。第166頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一167同相分量極性正：b1=1負(fù)：b1=0同相分量幅度大：b3=1?。篵3=0正交分量極性正：b2=1負(fù)：b2=0正交分量幅度大：b3=0?。篵3=1第167頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1688PSK正交調(diào)制器第168頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一169第169頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一170

為保證已調(diào)信號(hào)的幅度相同，同相路與正交路的基帶信號(hào)幅度互相關(guān)聯(lián)，不能獨(dú)立選取。設(shè)8PSK信號(hào)幅度為1，則b3=1時(shí)同相路基帶信號(hào)應(yīng)為0.924，而正交路幅度為0.383。b3=0時(shí)同相路幅度為0.383，而正交路幅度為0.924。這樣I(t)的極性和幅度由b1b3決定，Q(t)的極性和幅度由b2b3決定。I(t)和Q(t)分別對(duì)同相載波和正交載波進(jìn)行幅度調(diào)制，得到2個(gè)4ASK信號(hào)，其疊加結(jié)果為8PSK信號(hào)。第170頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1713、MPSK信號(hào)的解調(diào)由上式，MPSK信號(hào)等效于兩個(gè)2PSK信號(hào)的疊加。所以MPSK信號(hào)可以用相干解調(diào)法，即用兩路正交的相干載波，分離出這兩路2PSK信號(hào)。解調(diào)后的兩路基帶信號(hào)碼元a和b，經(jīng)過(guò)并/串變換后，成為串行數(shù)據(jù)輸出。第171頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一172第172頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1738PSK也可采用上圖所示的相干解調(diào)方式。但電平判決為四電平判決。

MPSK也稱(chēng)為多進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控，在它的相干解調(diào)中恢復(fù)載波時(shí)，同樣存在相位模糊度問(wèn)題。與2PSK一樣，對(duì)于M進(jìn)制調(diào)相也可以采用相對(duì)調(diào)相的方法，稱(chēng)為多進(jìn)制差分相移鍵控MDPSK。第173頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1746.7.4多進(jìn)制差分相移鍵控(MDPSK)

仍然以四進(jìn)制DPSK信號(hào)為例作進(jìn)一步討論。四進(jìn)制DPSK通常記為QDPSK。參照前面A方式對(duì)QPSK信號(hào)編碼的規(guī)則，可以寫(xiě)出QDPSK信號(hào)的編碼規(guī)則。abnA方式00010/211013/2其中，n是相對(duì)于前一碼元的相位變化。第174頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一175差分編碼絕對(duì)調(diào)相第175頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一176anbnn000

下面我們考慮碼變換的規(guī)則。碼變換的功能是使由cd產(chǎn)生的絕對(duì)相移符合由ab產(chǎn)生的相對(duì)相移的規(guī)則。此時(shí)cd的變換結(jié)果必須要根據(jù)前一時(shí)刻已調(diào)載波的情況來(lái)取值，下面是碼變換關(guān)系。n-1cn-1dn-1000/210113/201n0/23/2cndn00101101第176頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一177anbnn10/211n-1cn-1dn-1000/210113/201000/210113/201n/23/203/20/2cndn1011010011010010第177頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一178anbnn103/2n-1cn-1dn-1000/210113/201n3/20/2cndn01001011

要注意的是，電路中用于相乘的信號(hào)應(yīng)該是雙極性NRZ矩形脈沖，所以cd要變成雙極性碼字。變換規(guī)則：二進(jìn)制碼元“0”

“+1”二進(jìn)制碼元“1”“1”第178頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一179QDPSK信號(hào)解調(diào)方法極性比較法相位比較法極性比較法第179頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一180相位比較法第180頁(yè)，共200頁(yè)，2023年，2月20日，星期一181

例已知電話(huà)信道的可用傳輸頻帶為600～3000Hz。為了傳輸3000bit/s的數(shù)據(jù)信號(hào)，設(shè)計(jì)物理可實(shí)現(xiàn)的幅度鍵控和相移鍵控的傳輸方案。解：已知Rb,采用二進(jìn)制調(diào)制，信號(hào)帶寬要大于奈奎斯特帶寬

當(dāng)前可用頻帶為Bc=2400Hz，所以必須采用多進(jìn)制調(diào)制。設(shè)傳輸方案所需的帶寬為B