《數(shù)字通信技術(shù)》課件第四章 數(shù)字信號頻帶傳輸

第四章數(shù)字信號的頻帶傳輸

4.1數(shù)字頻帶傳輸在大多數(shù)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，通常選擇正弦波信號為載波，這一點與模擬調(diào)制沒有什么本質(zhì)的差異，它們均屬于正弦波調(diào)制。然而數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制又有不同點，其不同點在于模擬調(diào)制需要對載波信號的參量連續(xù)進(jìn)行調(diào)制，在接收端需要對載波信號的已調(diào)參量連續(xù)進(jìn)行估值；而在數(shù)字調(diào)制中則可用載波信號參量的某些離散狀態(tài)來表征所傳輸?shù)男畔?，在接收端也只要對載波信號的調(diào)制參量有限個離散值進(jìn)行判決，以便恢復(fù)出原始信號。4.2二進(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)字基帶信號改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某一個參數(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)字基帶信號去改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某幾個參數(shù)，產(chǎn)生新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。

對于數(shù)字調(diào)制技術(shù)一般分為兩種類型：一是將數(shù)字基帶信號當(dāng)作模擬信號的特殊情況處理，就可用模擬方法去實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制；二是利用數(shù)字信號的離散取值特點鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，稱這種方法為鍵控法。

所謂“鍵控”是指一種如同“開關(guān)”控制的調(diào)制方式。比如對于二進(jìn)制數(shù)字信號，由于調(diào)制信號只有兩個狀態(tài)，調(diào)制后的載波參量也只能具有兩個取值，其調(diào)制過程就像用調(diào)制信號去控制一個開關(guān)，從兩個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?！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）。4.2.1一般原理與實現(xiàn)方法

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1和0的取值而在兩個狀態(tài)之間變化的調(diào)制方法。二進(jìn)制幅度鍵控中最簡單的形式稱為通——斷鍵控（OOK），即載波在數(shù)字信號1或0的控制下來使開關(guān)實現(xiàn)通或斷，如圖4.10(a)所示。產(chǎn)生2ASK信號的具體電路很多，但可用如圖4.10(b)所示電路模型實現(xiàn)，即將調(diào)制器用一個乘法器來實現(xiàn)。輸出2ASK信號,波形圖如圖4.10(c)所示。1.二進(jìn)制幅移鍵控信號實現(xiàn)方法2ASK信號其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：SASK(t)=e(t)cosωCt（4.3）2ASK信號的解調(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)制幅移鍵控信號的解調(diào)cosωCte(t)乘法器e(t)SASK(t)cosωcttcosωCtte(t)tSASK(t)圖4.102ASK調(diào)制方法及波形(a)OOK示意圖(b)2ASK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，整流后通過低通濾波器濾波（平滑），即可獲得原來基帶信號e(t)。2ASK信號的包絡(luò)解調(diào)與AM信號的解調(diào)有相似之處，但不同的是2ASK信號解調(diào)在低通濾波器后增加抽樣判決器和定時脈沖，這樣才能將信號恢復(fù)為數(shù)字信號并提高接收機的性能，如圖4.11所示。

相干解調(diào)又稱同步解調(diào)，要實現(xiàn)相干解調(diào)，在接收端要有一個與發(fā)送端載波同頻同相的載波信號，稱為同步載波或相干載波。通過相乘器（即解調(diào)器）解調(diào)出原基帶信號，然后通過低通濾波器即可濾出基帶信號，如圖4.12所示。由于相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生一個本地的相干載波，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脈沖SASK(t)x(t)y(t)e(t)tSASK(t)tx(t)ty(t)te(t)圖4.11非相干解調(diào)原理框圖及波形從圖4.12可知，由乘法器輸出的信號

式中，第一項是基帶信號，第二項是以2ωC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。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。（4.4）帶通濾波器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖SASK(t)x(t)y(t)e(t)cosωct圖4.12相干解調(diào)原理框圖

對于2ASK信號，若Pe(f)為e(t)的功率譜密度，Ps(f)為已調(diào)信號S(t)的雙邊功率譜密度，則有

PS(f)=0.25[PE(f+fc)+PE(f-fc)](4.5)

若數(shù)字基帶信號為1和0等概率出現(xiàn)的單極性矩形隨機脈沖序列(碼元間隔為Tb時)，有由上式可畫出2ASK信號功率譜示意圖如圖4.13所示。3.2ASK信號的功率譜及帶寬（4.6）PS(f)fcffc2fb圖5.13ASK信號的功率譜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信號的帶寬B=2fb=2/Tb(4.7)ASK系統(tǒng)的頻帶利用率（4.8）

由此可見，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4.13可知，如已調(diào)信號的功率譜中不含有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)點是易于實現(xiàn)，但其缺點是抗干擾能力不強，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。4.3數(shù)字頻率調(diào)制(2FSK)

二進(jìn)制頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞二進(jìn)制數(shù)字信息的調(diào)制方法。在二進(jìn)制情況下，1碼元對應(yīng)于載波頻率f1，0碼元對應(yīng)于載波頻率f2。根據(jù)FSK信號在碼元變換點相位變化的不同情況，頻移鍵控信號可分為相位連續(xù)的FSK信號和相位不連續(xù)的FSK信號。相位不連續(xù)的2FSK信號在形式上如同兩個不同頻率交替發(fā)送的2ASK信號相疊加。相位連續(xù)的FSK信號通常由如圖4.14(a)所示的調(diào)頻電路產(chǎn)生，其輸出的已調(diào)信號波形如圖4.14(b)所示。相位不連續(xù)的FSK信號可由如圖4.15(a)頻移鍵控法產(chǎn)生，其已調(diào)波形如圖4.15(b)所示。頻移鍵控法的特點是轉(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信號產(chǎn)生(b)波形圖圖4.14相位連續(xù)的FSK信號產(chǎn)生及波形te(t)1101振蕩器f1振蕩器f2門1門2反相器＋二進(jìn)制信號e(t)SFSK(t)(a)FSK信號產(chǎn)生(b)波形圖te(t)1101tSFSK(t)圖4.15相位不連續(xù)的FSK信號產(chǎn)生及波形2.二進(jìn)制頻移鍵控信號的解調(diào)

對于相位不連續(xù)的2FSK信號可以看成兩個2ASK信號的疊加，用兩路ASK信號的解調(diào)構(gòu)成FSK信號的解調(diào)。FSK信號的解調(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信號可視其為兩個2ASK信號的疊加，其中一個載波為f1，另一個載波為f2。因此，對相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜就可像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4.18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1101te(t)圖4.162FSK的包絡(luò)檢波原理框圖及各點的波形SFSK(t)cosωC2tcosωC1t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圖5.172FSK的相干解調(diào)原理框圖f1

f2ffbP(f)圖4.18相位不連續(xù)2FSK的功率譜從圖4.18看出：

1）相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜與2ASK信號的功率譜相似，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，連續(xù)頻譜只有單峰；但頻差加大相隔較遠(yuǎn)時為雙峰。

2）第一個過零點之間頻率間隔，即帶寬為

B=|f2-f1|+2fb=(2+h)fb(4.9)（4.10）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信號的功率譜，不可直接通過基帶信號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描繪。因此對相位連續(xù)的2FSK信號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信號功率譜密度曲線。fcfh=0.5h=0.7h=1.5

圖4.19相位連續(xù)的2FSK信號功率譜4.4數(shù)字相位調(diào)制(2PSK)1.2PSK信號調(diào)制

二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）是用二進(jìn)制數(shù)字信號控制載波的兩個相位來傳遞信息的調(diào)制方式。通常這兩個相位相隔π，例如1和0用相位0和π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信號中，調(diào)制信號的1和0對應(yīng)的是兩個確定不變的載波相位（比如0和π），由于它是利用載波相位絕對數(shù)值的變化傳送數(shù)字信息的，因此又稱為絕對調(diào)相。

2PSK調(diào)制器可以采用相乘器，如圖4.21(a)所示，但注意調(diào)制信號必須是雙極性不歸零碼。如果基帶信號是單極性碼，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實現(xiàn)，如圖4.21(b)所示。11010011te(t)tcosωCtSPSK(t)t圖4.202PSK信號的波形電平轉(zhuǎn)換cosωcte(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e(t)π相0相圖4.212PSK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信號的解調(diào)2PSK信號解調(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產(chǎn)生也可從輸入信號中提取。從2PSK調(diào)制波形已知，2PSK信號是以一個固定初相的載波為參考而形成。因此，解調(diào)時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)時就容易造成錯誤判決。從圖4.22看出，如果本地參考載波倒相，判決器輸出數(shù)字信號全錯，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“π”現(xiàn)象。反向工作時的波形見圖4.22(c)。2PSK的主要缺點是解調(diào)系統(tǒng)載波容易產(chǎn)生相位模糊，造成反向工作。這也是它實際應(yīng)用較少的主要原因。不過在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中BPSK獲得廣泛應(yīng)用。在圖4.22(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)過程實際上是已調(diào)信號2PSK與本地載波信號進(jìn)行比較過程，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脈沖SPSK(t)x(t)y(t)e/(t)本地載波恢復(fù)11010te'(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00101te'(t)(a)框圖（b）正常工作波形圖（c）反相工作波形圖圖4.222PSK相干解調(diào)框圖及各點波形圖4.4二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)

為了克服相位模糊對輸出信號的影響，通常采用差分相移鍵控（DPSK）。DPSK利用前后碼元載波相位相對數(shù)值的變化傳送數(shù)字信息，這種方法又稱為相對調(diào)相。對于相對調(diào)相假若規(guī)定：已調(diào)信號（2DPSK信號）與前一已調(diào)信號相位比較，相對相位不變表示數(shù)字信號“0”，相對相位改變π表示數(shù)字信號“1”，如圖4.23所示。由于假設(shè)的初始參考相位有兩種可能，因此相對相移波形也有兩種形式，如圖4.23中的2DPSK1、2DPSK2所示，顯然，兩者相位相反。然而，從圖5.23可以看出，無論是2DPSK1，還是2DPSK2，數(shù)字信號“1”總是與相鄰碼元相位突變相對應(yīng)，數(shù)字信號“0”總是與相鄰碼元相位不變相對應(yīng)。1.2DPSK信號的調(diào)制

相對調(diào)相信號的產(chǎn)生過程是，首先對數(shù)字基帶信號進(jìn)行差分編碼，即由絕對碼變?yōu)橄鄬Υa（差分碼），然后再進(jìn)行絕對調(diào)相。基于這種形成過程的二相相對調(diào)相信號稱為二進(jìn)制差分相移鍵控信號（2DPSK或BDPSK）。2DPSK調(diào)制器方框圖及波形如圖4.23所示。

差分碼可取傳號差分碼或空號差分碼。傳號差分碼的編碼規(guī)則為

從式中,⊕為模2相加，bn-1為bn的前一個碼元，最初的bn-1可任意設(shè)定。（4.11）差分編碼cosωct{an}SDPSK(t)絕對碼相對碼極性變換{bn}帶通濾波器圖4-232DPSK調(diào)制原理框圖及波形10010110{an}11100100{bn}1載波2DPSK1信號00011011{bn}22DPSK2信號2.2DPSK信號的解調(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)其實就是2PSK解調(diào)加差分譯碼，其方框圖見圖5.24所示。由于有差分譯碼器把2PSK解調(diào)器輸出的相對碼轉(zhuǎn)換成絕對碼，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bn⊕bn-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)過程的波形圖見圖4.24。由于相對移相制無相位模糊問題，因此得到廣泛的應(yīng)用。2DPSK信號的差分相干解調(diào)方法解調(diào)時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信號延時一個碼元間隔Tb，然后與DPSK信號本身相乘（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，無需再進(jìn)行碼的變換，如圖4.25所示。帶通濾波器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖SDPSK(t)AB{an}本地載波恢復(fù)差分譯碼器CCSDPSK(t)載波AB10010110{an}圖4.242DPSK相干解調(diào)原理框圖及波形圖圖4.252DPSK差分相干解調(diào)原理框圖及波形圖帶通濾波器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖SDPSK(t)BC{an}延遲TbASDPSK(t)B10010110{an}AC抽樣脈沖3.二進(jìn)制相移鍵控信號的功率譜及帶寬

由于2PSK、2DPSK信號波形特點，已調(diào)2PSK信號、2DPSK信號頻譜成分和帶寬一致它們與雙極性2ASK已調(diào)信號功率譜相似甚至相同的。當(dāng)0和1碼元出現(xiàn)的概率相同時，無離散分量，此時二相相移鍵控信號實際上相當(dāng)于抑制載波的雙邊帶信號了。因此，2PSK信號和2DPSK信號的帶寬也是碼元速率的兩倍，即B=2fb。4.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制

在評價通信系統(tǒng)有效性時了解到，在不提高波特率的前提下，采用多進(jìn)制信號可提高比特率log2M倍。因此，當(dāng)信道頻帶受限時，采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制來增大信息傳輸速率，提高頻帶利用率，但是是以增加信號功率和實現(xiàn)上的復(fù)雜性為代價，而且其抗噪聲性能低于二進(jìn)制。用多進(jìn)制的數(shù)字基帶信號調(diào)制載波，就可以得到多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號。當(dāng)已調(diào)信號攜帶信息的參數(shù)分別為載波的幅度、頻率或相位時，數(shù)字調(diào)制信號分別為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）。

多進(jìn)制幅移鍵控又稱為多電平調(diào)幅。MASK信號相當(dāng)于M電平的基帶信號對載波進(jìn)行雙邊帶調(diào)幅。圖4.26畫出四電平的MASK已調(diào)信號波形圖。4.3.1多進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控(MASK)

te(t)01012tS4ASK(t)tS0(t)tS3(t)tS1(t)tS4(t)圖4.264ASK信號波形3

從圖4.26可看出，MASK信號可以看成是由時間上互不重疊的M個不同振幅值的2ASK信號的疊加而形成的。MASK信號的功率譜，就由M個2ASK信號的功率譜之和組成。盡管疊加后功率譜的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，但就信號的帶寬而言，當(dāng)碼元速率RB相同時，MASK信號的帶寬與2ASK信號的帶寬相同，即B=2RB。但在信息速率相等的情況下，MASK信號的帶寬僅為2ASK信號帶寬的1/log2M。

MASK的調(diào)制與2ASK的調(diào)制方法相同，可由乘法器實現(xiàn)。MASK得解調(diào)可采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種形式。【例4.1】設(shè)傳碼率為200Bd，如采用二進(jìn)制2ASK系統(tǒng)，其帶寬和信息速率為多少？如改為采用八進(jìn)制8ASK系統(tǒng)，其帶寬和信息速率又為多少？解：根據(jù)已知條件知RB=200Bd

采用二進(jìn)制2ASK系統(tǒng)，帶寬B=2RB=400Hz

信息速率Rb=RBlog22=200bit/s采用八進(jìn)制8ASK系統(tǒng)，帶寬B=2RB=400Hz

信息速率Rb=RBlog28=600bit/s4.5.2多進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控(MFSK)

多進(jìn)制數(shù)字頻率鍵控簡稱多頻制，是2FSK方式的簡單推廣。MFSK用多個頻率不同的正弦波分別代表不同的數(shù)字信息，在某一碼元時間內(nèi)只發(fā)送其中一個對應(yīng)頻率的正弦波。一般的MFSK系統(tǒng)如圖4.27所示。MFSK的調(diào)制可采用鍵控法產(chǎn)生MFSK信號，但其相位是不連續(xù)的，如圖4.27(a)所示。MFSK信號的解調(diào)通常采用非相干解調(diào)，原理框圖如圖4.27(b)所示。因為相干解調(diào)實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，要求有精確相位的參考信號，所以很少采用。MFSK信號可以看作由M個振幅相同、載頻不同、時間上互不重疊的2ASK信號疊加形成。MFSK信號的帶寬隨頻率數(shù)M的增大而線性增寬，頻帶利用率明顯下降。因此，MFSK多用于調(diào)制速率不高的傳輸系統(tǒng)中。12

M12

M

12

M12

n并/串轉(zhuǎn)換邏輯電路輸出包絡(luò)檢波帶通f1抽樣判決包絡(luò)檢波帶通f1包絡(luò)檢波帶通f1

串/并轉(zhuǎn)換邏輯電路輸入門電路1f1門電路2f2門電路MfM+接收濾波器信道(a)調(diào)制器實現(xiàn)框圖(b)非相干解調(diào)實現(xiàn)框圖圖4.27MFSK系統(tǒng)原理框圖4.5.3多進(jìn)制數(shù)字相移鍵控(MPSK)

多進(jìn)制數(shù)字調(diào)相又稱多相制，它是利用不同的相位來表征數(shù)字信息的一種調(diào)制方式。如果用載波有M種相位，那么就可以表示n比特碼元的2n組合狀態(tài)，故有M=2n。假若有四種相位，就可以表示二比特的四種組合狀態(tài)。多進(jìn)制相移鍵控分為多進(jìn)制絕對相移鍵控和多進(jìn)制相對相移鍵控兩種。在實際通信中大多采用相對相移鍵控。1.多進(jìn)制相移鍵控信號的表示對于MPSK信號可表示為

SMPSK(t)=Acos(ωct+θn)(4.12)設(shè)A=1,則有SMPSK(t)=cosθncosωct-sinθnsinωct=ancosωct-bnsinωct(4.13)

式（4.13）中的第一項稱為同相分量，第二項稱為正交分量，因此MPSK信號可以看成是兩個正交載波進(jìn)行多電平雙邊帶調(diào)制后所得兩路MASK信號的疊加。MPSK信號可以用正交調(diào)制的方法產(chǎn)生。其帶寬和MASK信號帶寬相同。

MPSK信號是相位不同的等幅信號，所以用矢量圖也可對MPSK信號進(jìn)行形象而簡單的描述。在矢量圖中通常以0相位載波作為參考矢量。圖5.28中畫出M=2、4、8時不同初始相位情況下的矢量圖。

從圖4.28的矢量圖看出，相鄰已調(diào)波矢量對應(yīng)的多比特碼之間僅有1位碼不同。在多相調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)時，這種碼型有利于減少相鄰相位角誤判而造成的誤碼，可提高數(shù)字信號頻帶傳輸?shù)目煽啃浴D4.28MPSK信號矢量圖參考相位10π相A0相M=2,θ=0參考相位10π/2相A

0相M=2,θ=π/2參考相位0011π相0相1001

相相M=4,θ=π/2相相11000110相相參考相位M=4,θ=π/4相101相相110000011相相參考相位111001π相010100

相0相M=8,θ=π/8相相相010相相111000011101相001110100相參考相位相M=8,θ=π/4--2.四相絕對相移鍵控（QPSK）在多相相移鍵控中常用的是四相相移鍵控和八相相移鍵控。四相相移鍵控即4PSK又稱為QPSK，用四種不同的載波相位攜帶數(shù)字信息，其信號矢量圖見圖5.28所示。四相相移鍵控具有較高的頻譜利用率和較強的抗干擾性，同時在電路實現(xiàn)上比較簡單，成為某些通信系統(tǒng)的一種主要調(diào)制方式。π/4QPSK是目前微波、衛(wèi)星數(shù)字通信和數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中常用的一種載波傳輸方式。以四相相移鍵控（QPSK）為例介紹多相相移鍵控的調(diào)制與解調(diào)。（1）QPSK信號的調(diào)制QPSK信號的產(chǎn)生方法有正交調(diào)制法、相位選擇法等方法。正交調(diào)制法也稱直接調(diào)相法，如圖4.29所示為M=4，θ=π/4體系的QPSK信號產(chǎn)生原理框圖。將輸入的串行二進(jìn)制碼經(jīng)串并變換，分為AB兩路速率減半的序列，電平產(chǎn)生器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號，然后分別對同相載波cosωct和正交載波sinωct進(jìn)行調(diào)制,每一路的工作與2PSK相同，然后兩路調(diào)制后的信號相加即得到了QPSK信號。如果產(chǎn)生M=4，θ=π/2體系的QPSK信號，只需將載波分別移相±π/4后分別送入A路和B路的相乘器，調(diào)制后合成即可。兩個調(diào)制系統(tǒng)雙比特碼與已調(diào)波起始相位的對應(yīng)關(guān)系如表5.1所示。cosωct圖4.29QPSK信號（π/4體系）的正交調(diào)制原理框圖10π/2

B0SQPSK(t)輸入串/并變換電平產(chǎn)生電平產(chǎn)生π/2相移10πA011000110ABA路B路表4.1四相調(diào)制已調(diào)波相位表π/2體系π/4體系雙比特碼元已調(diào)波起始相位雙比特碼元已調(diào)波起始相位ABAB00011π/410π/2013π/411π005π/4013π/2107π/4

用相位選擇法也可以產(chǎn)生QPSK，用數(shù)字信號去選擇所需相位的載波，從而實現(xiàn)相移鍵控，其原理框圖如圖4.30所示。四相載波發(fā)生器產(chǎn)生QPSK所需的4種相位的載波，輸入的數(shù)字信息經(jīng)串/并變換成為雙比特碼，經(jīng)邏輯選擇電路，每隔Tb時間選擇其中一種相位的載波作為輸出，然后經(jīng)過帶通濾波器濾除高頻分量。這是一種全數(shù)字化的方法，適合于載波頻率較高的場合。450135022503150串/并轉(zhuǎn)換邏輯選相電路四相載波產(chǎn)生器帶通濾波器輸入輸出

圖4.30相位選擇法產(chǎn)生QPSK信號（π/4體系）原理框圖（2）QPSK信號的解調(diào)QPSK信號的解調(diào)采用正交相干解調(diào)法，又稱極性比較法。因為QPSK信號就是兩個正交2PSK信號組合而成，所以QPSK信號可以用兩個正交的本地載波信號實現(xiàn)相干解調(diào)。如圖4.31所示為相干解調(diào)器的框圖。QPSK信號經(jīng)信號分離器后的同相A路和正交B路信號同時送到解調(diào)器的兩個信道，在相乘器中與對應(yīng)的載波相乘，并從中取出基帶信號送到低通濾波器，再經(jīng)抽樣判決后分別得到A路和B路的二進(jìn)制信號，通過并/串變換，即可恢復(fù)原始信息。

從2PSK信號的解調(diào)已知，在解調(diào)過程中存在相位模糊的問題。QPSK也存在此問題，因此，在實際應(yīng)用中大多采用的四相相對相移鍵控（4DPSK或QDPSK）。QDPSK信號的產(chǎn)生采取的是碼變換加QPSK的方法，如圖4.32所示。3.四相相對相移鍵控（QDPSK）圖4.32QDPSK信號（π/2體系）的調(diào)制原理框圖輸入C路D路SQDPSK(t)C1000111001電平產(chǎn)生電平產(chǎn)生π/4cosωctB串/并變換碼變換A-π/4D10并/串轉(zhuǎn)換帶通濾波器信號分離器載波恢復(fù)π/2相移低通濾波器抽樣判決定時信號低通濾波器抽樣判決定時信號QPSK信號輸出圖4.31QPSK信號（π/4體系）相干解調(diào)原理框圖AB4.6

現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)

隨著現(xiàn)代數(shù)字新通信系統(tǒng)的開發(fā)和研究取得巨大進(jìn)展，要求既要傳輸數(shù)字化的信令，又要傳輸數(shù)字化的信息，一般的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，如ASK、FSK和PSK因傳輸效率低而無法滿足現(xiàn)代通信的需要，因此專門研究出一些抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高的調(diào)制技術(shù)，盡可能地提高單位頻帶內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的比特率，以適用于現(xiàn)代通信的要求。

如果單獨使用幅度或者相位攜帶信息時，隨著M進(jìn)制的增大，抗干擾性能下降。針對多進(jìn)制調(diào)制存在的問題提出復(fù)合調(diào)制方法。幅相鍵控（APK）是對載波的幅度和相位兩參量同時進(jìn)行調(diào)制的一種數(shù)字復(fù)合調(diào)制方式。當(dāng)APK信號為兩個多進(jìn)制正交調(diào)制信號之和時又稱為正交振幅調(diào)制常稱為正交幅度鍵控調(diào)制（QAM）。1正交振幅調(diào)制(QAM)

QAM的多進(jìn)制體制MQAM，M值可以很大，如M=1024，即1024QAM。因此，MQAM是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、xDSL接入網(wǎng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

正交振幅調(diào)制是利用兩個同頻，相位差為π/2的正交載波對兩種信號分別進(jìn)行雙邊帶抑制載波調(diào)幅的一種調(diào)制方法。圖4.35(a)為16QAM調(diào)制原理框圖。將輸入的二進(jìn)制序列信號經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行2-4電平變換，形成4電平基帶信號，通過低通濾波器再分別與同相載波和正交載波相乘，最后將兩路調(diào)制后的信號相加可得到16QAM信號。在數(shù)字微波通信中16QAM信號的產(chǎn)生多采用四相疊加法，在此不介紹。1．MQAM的調(diào)制解調(diào)原理16QAM信號的解調(diào)同樣可以采用正交相干解調(diào)方法，如圖5.35(b)所示。在抽樣判決后需經(jīng)過4-2電平轉(zhuǎn)換，然后再串/并轉(zhuǎn)換輸出二進(jìn)制數(shù)字信號。QAM信號00011110A10110100B(a)調(diào)制原理框圖圖4.3516QAM調(diào)制解調(diào)原理框圖A路B路SQAM(t)π/2相移輸入串/并變換2-4電平轉(zhuǎn)換2-4電平轉(zhuǎn)換低通濾波器低通濾波器cosωct帶通濾波器信號分離器載波恢復(fù)π/2相移低通濾波器抽樣判決定時信號低通濾波器抽樣判決定時信號并/串轉(zhuǎn)換輸出4-2電平變換4-2電平變換(b)解調(diào)原理框圖2.MQAM信號的矢量表示

從圖4.35(a)框圖了解到，AB兩路同時對同相載波和正交載波進(jìn)行的MASK調(diào)制，兩路輸出信號合成矢量如圖4.36(a)，為16矢量，它有3種幅度，12種相位。一般MQAM采用星座圖來描述信號空間分布狀態(tài)。所謂星座圖為信號矢量端點分布圖。圖4.36(b)為16MQAM星座圖，由于星點分布為矩形，所以稱為矩形星座又稱標(biāo)準(zhǔn)型16QAM星座。圖4.36(c)的星點分布成星形稱為星形的16QAM，他有2種幅度，8種相位。MQAM已調(diào)波的頻譜取決于兩個正交通道上的基帶信號頻譜。其帶寬為兩倍基帶信號帶寬。在理想情況下，頻帶利用率最高為log2M(bit/s.Hz)。當(dāng)收發(fā)基帶濾波器合成響應(yīng)為升余弦滾降特性時，頻帶利用率為(bit/s.Hz)。

M進(jìn)制越大，星座圖的星點越多，頻帶利用率越高。星點之間距離愈遠(yuǎn)，抗干擾能力越強。1010111110111110001001100011011111011001110010000001010100000100(a)矢量圖(b)

標(biāo)準(zhǔn)型16QAM星座圖4.3616QAM矢量圖和星座圖(c)

星形的16QAM星座圖3

最小頻移鍵控(MSK)

對于頻移鍵控2FSK信號的產(chǎn)生，如果采用如圖4.15所示電路，由于載波由兩個獨立振蕩電路產(chǎn)生，因此在頻率轉(zhuǎn)換點上相位是不連續(xù)的。相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜有很大的旁瓣分量，造成對鄰近信號干擾，帶限后會引起包絡(luò)起伏變化，為了不失真?zhèn)鬏?，對信道的線性特性要求就很苛刻。最小頻移鍵控MSK又稱快速頻率鍵控是2FSK的改進(jìn)型，MSK使得兩個頻率在相鄰的跳變碼元之間相位保持連續(xù)的一種調(diào)制方式。當(dāng)兩頻率為正交時2FSK信號的頻差△