4.1 幅度键控ASK系统 4.2 频率键控FSK系统4.3 相位键控PSK系统4.4 QPSK系统4.5 多元数字频带调制第 4 章 数字频带调制引 言实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓正弦载波调制。实际上，在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。和模拟调制一样，数字调制也有调幅、调频和调相三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。数字调制与模拟调制相比，基本原理并没有什么区别。数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息。因此，数字调制信号也称为键控信号。在二进制时有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）三种基本信号形式。4.1 幅度键控ASK系统一、2ASK信号的表示设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为(1-P)，且相互独立。该二进制符号序列可表示为：s(t)= 其中： 0, 发送概率为P1, 发送概率为1-PTs是二进制基带信号时间间隔，g(t)是持续时间为Ts 的矩形脉冲。 an=则二进制振幅键控信号可表示为： e0(t)=s(t)cosct=二进制振幅键控信号时间波形如图4.1 所示。由图可以看出，2ASK信号的时间波形e0(t)随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）。cosct 表示数码“1” 0 表示数码“0”二、2ASK信号的调制2ASK信号的产生方法如图4.1所示，1、采用模拟调制方法实现，如图(a) ，2、采用数字键控方法实现，如图(b) 。乘法器载波1001 1 0 0 11001 图4.1 二进制幅度键控（2ASK）信号的产生及输出波形二进制振幅键控信号时间波形三、2ASK信号的解调1、相干解调，如图（b）；2、非相干解调，如图（a）。图4.2 二进制振幅键控信号的接收系统组成方框图 2ASK信号非相干解调过程的时间波形四、2ASK信号的带宽1、2ASK信号的频谱2、2ASK信号的带宽由上图可看到：2ASK信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两倍；即：2ASK信号的传输带宽是码元速率的2倍。e2FSK(t)=42 频移键控FSK系统 421 频移键控FSK一、2FSK信号的表示若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为：=cos1t 表示数码“1” cos2t 表示数码“0”二、2FSK信号的产生 1、采用模拟调频电路来实现，如图4.4（a）； 2、采用数字键控的方法来实现，如图4.4（b）。模拟 调频器载波 1载波 2图4.4 二进制移频键控2FSK信号的产生及波形1 0 0 1 422 频移键控FSK的解调1、非相干解调，如图 （a）；2、相干解调，如图（b）；3、过零检测法；4、差分检波法。图4.5 二进制移频键控信号常用的接收系统 s1(t)s2(t)s1(t)s2(t)抽样判决标准：s1(t) s2(t) 输出数码“1”s1(t) s2(t) 输出数码“0”2FSK非相干解调过程的时间波形 s1(t)s2(t)0图4.6 过零检测法的方框图及各点的波形 带通低通图4.7 差分检波法原理方框图差分检波法的解调的原理如下：设输入为 Acos(0+)t，它与延时之波形的乘积为：Acos(0+)t Acos(0+)(t-)=(A2/2)cos(0+)+(A2/2)cos2(0+)t - (0+)若用低通滤波器除去倍频分量，则其输出为：V= (A2/2)cos(0+)= (A2/2)cos0 cos- sin0 sin 可见，V是角频率偏移的函数，但却不是 一个简单的函数关系。现在我们适当地选择， 使 cos0=0则则有 sin0=1，故此时有：V= - (A2/2) sin 当0=/2或V= +(A2/2) sin 当0= -/2若角频偏较小，即1，则有V - (A2/2) 当0=/2或V +(A2/2) 当0= -/2由此可见，当满足条件cos0=0及 1时，输出电压V将与角频偏呈线性关系（即鉴频特性）。2FSK信号的功率谱密度对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加，其中一个频率为f1，另一个频率为f2。因此，相位不连续的2FSK信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的2ASK信号功率谱密度的叠加。 2FSK信号的带宽约为： 4.3 相移键控PSK系统4.3.1 绝对相移键控PSK（2PSK或BPSK） 一、2PSK信号的表示二进制移相键控（2PSK）信号的时域表达式为e2PSK(t)= g(t-nTs)cosct 其中，an应选择双极性，即 an=+1, 概率为P-1, 概率为（1-P） 若g(t)是脉宽为Ts, 高度为1的矩形脉冲时，则有 e2PSK(t)= cosct, 概率为P-cosct, 概率为（1-P）即发送二进制符号0时（an取+1），已调信号取0相位； 发送二进制符号1时（an取-1），e2PSK(t)取相位。这种以载 波的不同相位直接表示相应数字信息的相位键控方式，称为 绝对移相，其信息与相位的关系可表示如下： 0, 发送 0 符号180, 发送 1 符号或反之。n=图 4.12 2PSK信号的波形图 4.13 2PSK信号的调制方框图 二、2PSK的调制 1）采用相干调制的方法产生，如图(a)； 2）采用数字键控的方法产生，如图(b) 。 电平 转换相乘载波载波相移s(t)单极性e0(t)4.3.2 绝对相移键控PSK的解调2PSK信号的解调，一般采用相干解调法，其 相应的方框图如图4.14（a）所示。又考虑到相干 解调在这里实际上起鉴相作用，故相干解调中的“ 相乘低通”又可用各种鉴相器替代，如图4.14（b）所示，图中的解调过程，实质上是输入已调信号 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。图4.14 2PSK信号的解调方框图带通相乘器低通抽样判决器带通鉴相器抽样判决器2PSK信号相干解调各点时间波形 图4.15 2PSK信号的调制和解调过程的波形2PSK信号相干解调各点时间波形如上图所示。当恢复的相干载波产生180倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部 出错。 这种现象通常称为“倒”现象。由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒”现象，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。2PSK的带宽：（与2ASK的相同） 4.3.3 二进制相对相移键控2DPSK 为了解决2PSK信号解调过程的“倒”现象，提出了二进制差分相位键控(2DPSK)。 一、2DPSK信号的相位关系 2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为，可定义一种数字信息与之间的关系为： = 或相反 则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相 位关系如下所示:二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 02DPSK信号相位： 0 0 0 0 0 0或 0 0 0 0 0 0 表示数字信息“0” 表示数字信息“1”设初相设2PSK信号的0相位代表0码，相位代表1码；而2DPSK按=代表数码1， =0代表数码0，可画出同一数字信息序列的2PSK及2DPSK信号波形如图4.16所示。由图4.16可以看出，2DPSK的波形与2PSK的波形是不同的，2DPSK波形中相位相同并不一定对应着相同的数字信息符号，而前后码元之间的相位之差才唯一代表 信息符号。说明2DPSK信号解调时并不需要象2PSK信号那样依赖于某一固定的载波相位参考值，只要能鉴别出前后码元之间的相对相位关系，就可以正确恢复出原始 数字信息。因此，采用2DPSK调制避免了2PSK方式中的倒现象。参考相位图4.16 2PSK和2DPSK信号的波形二、2DPSK信号的产生 2DPSK信号的实现方法可以采用：对绝对码作相对相移对相对码作绝对相移1、首先对二进制数字基带信号(绝对码)进行码变换，即将绝对码转换为相对码，然后对相对再进行绝对调相，从而产生 2DPSK信号。若设 an为绝对码，bn为相对码（差分码）则 bn=anbn-12、键控法。电平 转换相乘载波码变换载波相移码变换图4.18 2DPSK的调制方框图2DPSK信号调制过程波形图1 0 0 1 0 1 1 0设初态为0 an bn 参考 三、2PSK与2DPSK的相位选择1、 A方式：这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取0、两种取值，故相对移相时，若后一码元的载波相位相对于前一码元相位差为0，则前后两码元载波的相位就是连续的；反之，载波相位将在两码元之间发生突跳。2、 B方式。这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取两种，故相对移相时，无论哪种码元情况，相邻两个码元之间的载波相位必然发生跳变。这样，接收端就可以很容易地通过检测该接收信号的相位变化来确定每个码元的起止时刻，获得码元定时信息，这正是B 方式被广泛采用的主要原因之一。图4.17 二进制移相键控信号相位矢量4.3.4 相对相移键控DPSK的解调 1、相干解调方式(极性比较法)：解调原理是对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码；对相对码再进行码反变换，变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。2、差分相干解调（相位比较法）：解调原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干