數(shù)字信號的頻帶傳輸.ppt

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第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸,7.1 二進(jìn)制幅度鍵控(2ASK) 7.2 二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK) 7.3 二進(jìn)制相移鍵控(2PSK) 7.4 二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK) 7.5 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制,7.1二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK）,數(shù)字信號有兩種傳輸方式，一種是第6章討論的基帶傳輸方式，另一種就是本章要介紹的調(diào)制傳輸或稱為頻帶傳輸。,在通信系統(tǒng)中實(shí)際使用的信道多為帶通型，例如各個頻段的無線信道、限定頻率范圍的同軸電纜等。而我們知道數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻成分，只適合在低通型信道中傳輸（比如雙絞線），為了使數(shù)字信號能在帶通信道中傳輸，必須采用數(shù)字調(diào)制方式。那么為什么一定要在帶通型信道中傳輸數(shù)字信號呢？主要原因是帶通型信道比低通型信道帶寬大得多，可以采用頻分復(fù)用技術(shù)傳輸多路信號；另外，若要利用無線電信道，必須把低頻信號“變”成高頻信號。,在第2章我們已經(jīng)了解了模擬信號的各種調(diào)制方式，并完成了把低頻信號“搬移”到高頻處或指定頻段（為了頻分復(fù)用或無線電發(fā)射）的任務(wù)。同樣的概念依然適用于對數(shù)字信號的處理。用數(shù)字基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，使基帶信號的功率譜（頻譜）搬移到較高的載波頻率上，這種信號處理方式稱為數(shù)字調(diào)制，相應(yīng)的傳輸方式稱為數(shù)字信號的調(diào)制傳輸、載波傳輸或頻帶傳輸。,和模擬調(diào)制相似，數(shù)字調(diào)制所用的載波一般也是連續(xù)的正弦型信號，但調(diào)制信號則為數(shù)字基帶信號。理論上講，載波形式可以是任意的（比如三角波、方波等），只要適合在帶通信道中傳輸即可。之所以在實(shí)際通信中多選用正弦型信號，是因?yàn)樗哂行问胶唵?、便于產(chǎn)生和接收等特點(diǎn)。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）。,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。,7.1.12ASK調(diào)制的基本原理及波形表達(dá)式 在2ASK中，載波幅度隨著調(diào)制信號1和0的取值而在兩個狀態(tài)之間變化。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的控制下來實(shí)現(xiàn)通或斷。OOK信號的時域表達(dá)式為 sOOK(t)=anAcosωct (7―1) 這里，A為載波幅度，ωc為載波頻率， an為二進(jìn)制數(shù)字信息，an可表示為,出現(xiàn)概率為P,出現(xiàn)概率為1-P,(7―2),在一般情況下，調(diào)制信號是具有一定波形形狀的二進(jìn)制脈沖序列，可表示為,(7―3),這里，Ts為調(diào)制信號間隔，g(t)為單極性脈沖信號的時間波形，an為式（7―2）表示的二進(jìn)制數(shù)字信息。比如當(dāng)序列an為1001時所對應(yīng)的B(t)波形以及B(t)對載波信號進(jìn)行調(diào)制所得的OOK的典型波形如圖7―1所示。,圖7―1 OOK信號波形,二進(jìn)制幅度鍵控信號的一般時域表達(dá)式為,(7―4),此式為雙邊帶調(diào)幅信號的時域表達(dá)式，它說明2ASK（OOK）信號是雙邊帶調(diào)幅信號。,7.1.2 2ASK調(diào)制的頻域特性 若二進(jìn)制序列的功率譜密度為PB(ω)，2ASK信號的功率譜密度為PASK(ω)，則有,(7―5),由式（7―5）可知幅度鍵控信號的功率譜是基帶信號功系譜的線性搬移，所以2ASK調(diào)制為線性調(diào)制，其頻譜寬度是二進(jìn)制基帶信號的兩倍。圖7―2給出OOK信號的功率譜示意圖。由于基帶信號是矩形波，其頻譜寬度從理論上來說為無窮大，以載波ωc為中心頻率，在功率譜密度的第一對過零點(diǎn)之間集中了信號的主要功率，因此,通常取第一對過零點(diǎn)的帶寬作為傳輸帶寬，稱之為譜零點(diǎn)帶寬。,圖7―2 OOK信號的功率譜,由圖7―2（b）可知，OOK信號的譜零點(diǎn)帶寬Bs=2fs，fs為基帶信號的譜零點(diǎn)帶寬，在數(shù)量上與基帶信號的碼元速率Rs相同。這說明OOK信號的傳輸帶寬是碼元速率的2倍。 為了限制頻帶寬度，可以采用帶限信號作為基帶信號。圖7―3給出基帶信號為升余弦滾降信號時，2ASK信號的功率譜密度示意圖。,圖7―3 升余弦滾降基帶信號的2ASK信號功率譜,7.1.3 2ASK調(diào)制器 二進(jìn)制幅度鍵控的調(diào)制器可以用一個相乘器來實(shí)現(xiàn)，如圖7―4所示。對于OOK信號來說，相乘器可用一個開關(guān)電路來代替。,圖7.4 2ASK調(diào)制器,7.1.4 2ASK解調(diào)器 和模擬常規(guī)調(diào)幅信號的解調(diào)一樣，2ASK信號也有包絡(luò)檢波和相干解調(diào)兩種方式，兩種解調(diào)器的方框圖如圖7―5所示。由于被傳輸?shù)氖菙?shù)字信號1和0，因此，在每個碼元持續(xù)期間要用抽樣判決電路對低通濾波器的輸出作一次判決以確定信號取值。相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生一個本地的相干載波，由于設(shè)備復(fù)雜，因此在2ASK系統(tǒng)中很少使用。,圖7―5 2ASK解調(diào)器,7.2 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）,7.2.1 2FSK調(diào)制的基本原理及波形表達(dá)式 2FSK是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息的。在二進(jìn)制情況下，1對應(yīng)于載波頻率f1，0對應(yīng) 于載波頻率f2。2FSK信號在形式上如同兩個不同頻率交替發(fā)送的ASK信號相疊加，因此已調(diào)信號的時域表達(dá)式為,(7―6),這里，ω1=2πf1，ω2=2πf2， 是an的反碼, 和an可表示為,概率為P,概率為1-P,概率為P,概率為1-P,(7―7),在最簡單也是最常用的情況下，g(t)為單個矩形脈沖。2FSK信號的波形如圖7-6（a）所示，該波形可分解為圖（b）和圖（c）所示的波形。 2FSK信號還可以表示為,(7―8),設(shè)兩個載頻的中心頻率為fc，頻差為Δf即,（7―9）,（7―10）,圖 7-6,則我們定義調(diào)制指數(shù)（或頻移指數(shù)）h為,（7―11）,式中,Rs是數(shù)字基帶信號的速率。,7.2.2 2FSK調(diào)制的頻域特性 圖7―7給出了h＝0.5、h=0.7、h=1.5時2FSK信號的功率譜示意圖。功率譜以fc為中心對稱分布。在Δf較小時功率譜為單峰。隨著Δf的增大，f1和f2之間的距離增大，功率譜出現(xiàn)了雙峰，這時的頻帶寬度可近似表示為 B2FSK≈2BB+|f2-f1| （7―12） 式中,BB為基帶信號的帶寬。,圖7―7 2FSK信號功率譜,7.2.3 2FSK調(diào)制器 在FSK信號中，當(dāng)載波頻率發(fā)生變化時，一般來說載波的相位變化是不連續(xù)的。這種信號稱為相位不連續(xù)的FSK信號。相位不連續(xù)的FSK信號通常用頻率選擇法產(chǎn)生，方框圖如圖7-8所示，兩個獨(dú)立的振蕩器作為兩個頻率的載波發(fā)生器，它們受控于輸入的二進(jìn)制信號。二進(jìn)制信號通過兩個門電路控制其中一個載波信號通過。,圖7―8 2FSK調(diào)制器,7.2.4 2FSK解調(diào)器 2FSK信號的解調(diào)也有非相干和相干兩種。FSK信號可以看作是用兩個頻率源交替?zhèn)鬏數(shù)玫降?，所以FSK接收機(jī)由兩個并聯(lián)的ASK接收機(jī)組成。圖7―9示出非相干FSK和相干FSK接收機(jī)方框圖，其原理和ASK信號的解調(diào)相同。,圖7―9 2FSK解調(diào)器,2FSK信號還有其它的解調(diào)方法，其中過零檢測法是一種常用而簡便的解調(diào)方法。2FSK信號的過零點(diǎn)數(shù)隨載頻的變化而不同，因此，檢測出過零點(diǎn)數(shù)就可以得到載頻的差異，從而進(jìn)一步得到調(diào)制信號的信息。過零檢測法的原理框圖及各點(diǎn)波形如圖7―10所示。FSK信號經(jīng)限幅、微分、整流后形成與頻率變化相對應(yīng)的脈沖序列，由此再形成相同寬度的矩形波。此矩形波的低頻分量與數(shù)字信號相對應(yīng)，由低通濾波器濾出低頻分量，然后經(jīng)抽樣判決，即可得到原始的數(shù)字調(diào)制信號。,圖7―10 2FSK信號過零檢測法,7.3 二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）,7.3.1 2PSK調(diào)制的基本原理及波形表達(dá)式 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，這兩個相位通常相隔π弧度，例如用相位0和π分別表示1和0，所以這種調(diào)制又稱二相相移鍵控（BPSK）。二進(jìn)制相移鍵控信號的時域表達(dá)式為,(7―13),這里的an為雙極性數(shù)字信號，即,概率為P,概率為1-P,(7―14),如果g(t)是幅度為1，寬度為Ts的矩形脈沖，則 2PSK信號可表示為 s2PSK(t)=cosωct (7―15) 當(dāng)數(shù)字信號的傳輸速率Rs=1/Ts與載波頻率間有整 數(shù)倍關(guān)系時，2PSK信號的典型波形如圖7―11所示。,圖7―11 2PSK信號典型波形,7.3.2 2PSK調(diào)制的頻域特性 將式（7―13）所示的2PSK信號與式（7―4）所示的2ASK信號相比較，它們的表達(dá)式在形式上是相同的，其區(qū)別在于2PSK信號是雙極性不歸零碼的雙邊帶調(diào)制，而2ASK信號是單極性非歸零碼的雙邊帶調(diào)制。由于雙極性不歸零碼沒有直流分量，因此2PSK信號是抑制載波的雙邊帶調(diào)制。這樣，2PSK信號的功率譜與2ASK信號的功率譜相同，只是少了一個離散的載波分量，也屬于線性調(diào)制。,7.3.3 2PSK調(diào)制器 2PSK調(diào)制器可以采用相乘器，也可以采用相位選擇器，如圖7―12所示。,圖7―12 2PSK調(diào)制器,7.3.4 2PSK解調(diào)器 由于PSK信號的功率譜中無載波分量，因此必須采用相干解調(diào)的方式。在相干解調(diào)中，如何得到同頻同相的本地載波是個關(guān)鍵問題。只有對PSK信號進(jìn)行非線性變換，才能產(chǎn)生載波分量。常用的載波恢復(fù)電路有兩種，一種是圖7―13（a）所示的平方環(huán)電路，另一種是圖7―13（b）所示的科斯塔斯（Costas）環(huán)電路。 在以上兩種鎖相環(huán)中，設(shè)壓控振蕩器VCO輸出載波與調(diào)制載波之間的相位差為Δφ。,圖7―13 載波恢復(fù)電路,分析可知，在Δφ=nπ（n為任意整數(shù)）時,VCO都處于穩(wěn)定狀態(tài)。這就是說，經(jīng)VCO恢復(fù)出來的本地載波與所需要的相干載波可能同相，也可能反相。這種相位關(guān)系的不確定性，稱為0,π相位模糊度。 2PSK相干解調(diào)器如圖7―14所示。 2PSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程如表7―1所示。,圖7―14 2PSK相干解調(diào)器,表7―1 2PSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程,碼元相位表示碼元所對應(yīng)的PSK信號的相位，［φφ1］和［φφ2］表示相位為φ的PSK信號分別與相位為φ1和φ2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)字信號可能極性完全相反，形成1和0的倒置，引起信息接收錯誤。為了克服相位模糊度對于解調(diào)的影響，通常要采用差分相移鍵控的調(diào)制方法。,7.4 二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）,7.4.1 2DPSK調(diào)制的基本原理及波形表達(dá)式 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。而利用前后碼元載波相位相對數(shù)值的變化也同樣可以傳送數(shù)字信息，這種方法稱為相對調(diào)相。,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?；谶@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，記作2DPSK。2DPSK調(diào)制器方框圖及波形如圖7―15所示。,圖7―15 2DPSK調(diào)制器及波形,圖7―15 2DPSK調(diào)制器及波形,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 bn=an bn-1 式中, 為模2加，bn-1為bn的前一個碼元，最初的bn-1可任意設(shè)定。由已調(diào)信號的波形可知，在使用傳號差分碼的條件下，載波相位遇1變而遇0不變,載波相位的這種相對變化就攜帶了數(shù)字信息。,7.4.2 2DPSK解調(diào) 對DPSK信號可以采用相干解調(diào)。由于本地載波相位模糊度的影響，解調(diào)得到的相對碼 也是1和0倒置的。但由相對碼恢復(fù)為絕對碼時，要按以下規(guī)則進(jìn)行差分譯碼,式中, 是 的前一個碼元。這樣得到的絕對碼只是反映了相鄰兩個相位的變化，即改變或者不改變，所以不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象。DPSK信號的相干解調(diào)之所以能克服載波相位模糊的問題，就是因?yàn)閿?shù)字信息是用載波相位的相對變化來表示的。2DPSK的相干解調(diào)器和各點(diǎn)波形如圖7―16所示。 2DPSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程如表7―2所示。,圖7―16 2DPSK相干解調(diào)器及各點(diǎn)波形,表7―2 2DPSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程,DPSK信號的另一種解調(diào)方法是差分相干解調(diào)（又稱延遲解調(diào)），其方框圖和波形圖如圖7―17所示。用這種方法解調(diào)時不需要恢復(fù)本地載波，可由收到的信號單獨(dú)完成。將DPSK信號延時一個碼元間隔Ts，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。 只有DPSK信號才能采用這種解調(diào)方法。 2DPSK信號的調(diào)制和延遲解調(diào)過程如表7―3所示。,表7―3 2DPSK信號的調(diào)制和延遲解調(diào)過程,圖7―17 2DPSK差分相干解調(diào)器及各點(diǎn)波形,7.5 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)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。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，數(shù)字調(diào)制信號為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）。,當(dāng)信道頻帶受限時，采用M進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可以增大信息傳輸速率，提高頻帶利用率，這正是第1章中評價通信系統(tǒng)有效性時所提到的內(nèi)容，即在不提高波特率的前提下，采用多進(jìn)制信號提高比特率。,7.5.1多進(jìn)制幅度鍵控（MASK） 1．MASK信號的表達(dá) 在M進(jìn)制的幅度鍵控信號中，載波幅度有M種取值。當(dāng)基帶信號的碼元間隔為Ts時，M進(jìn)制幅度鍵控信號的時域表達(dá)式為,(7―16),式中，g(t)為基帶信號的波形,ωc為載波的角頻率， an為幅度值，an有M種取值。,2．MASK信號調(diào)制 由式（7―16）可知，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。為了了解MASK信號與2ASK信號的關(guān)系，圖7―18示意性畫出2ASK信號和4ASK信號的波形。圖7―18（a）為四電平基帶信號b(t)的波形，圖7―18（b）為4ASK信號的波形。圖7―18（b）所示的4ASK信號波形可等效為圖7―18（c）中的4種波形之和，其中3種波形分別是一個2ASK信號。 這就是說，MASK信號可以看成是由時間上互不相容的M-1個不同振幅值的2ASK信號的疊加。,所以MASK信號的功率譜，便是這M-1個信號的功率譜之和。盡管疊加后功率譜的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，但就信號的帶寬而言，當(dāng)碼元速率Rs相同時，MASK信號的帶寬與2ASK信號的帶寬相同，都是基帶信號帶寬的2倍。但是M進(jìn)制基帶信號的每個碼元攜帶有l(wèi)bM比特信息，這樣在帶寬相同的情況下，MASK信號的信息速率是2ASK信號的lbM倍。或者說在信息速率相同的情況下MASK信號的帶寬僅為2ASK信號的1/lbM。,MASK的調(diào)制方法與2ASK相同，但是首先要把基帶信號由二電平變?yōu)镸電平。將二進(jìn)制信息序列分為n個一組，n＝lbM，然后變換為M電平基帶信號。M電平基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，便可得到MASK信號。由于是多電平調(diào)制，因此要求調(diào)制器在調(diào)制范圍內(nèi)是線性的，即已調(diào)信號的幅度與基帶信號的幅度成正比。,【例題7―1】 對數(shù)字基帶序列為01111000010010110001進(jìn)行4ASK調(diào)制。 解 n＝lb4＝2，故首先將序列每兩個一組變換為4電平信號，即用4組二進(jìn)制碼對4種電平編碼。我們用00表示0，01表示1，10表示2，11表示3。當(dāng)然，編碼方式不唯一。則原序列變?yōu)樗碾娖叫蛄校?320102301（如圖7―18（a））對載波調(diào)制后，可得4MASK波形如圖7―18（b）所示。,圖 7―18,MASK調(diào)制中最簡單的基帶信號波形是矩形。為了限制信號頻譜也可以采用其它波形，例如升余弦滾降信號或部分響應(yīng)信號等。 3．MASK信號解調(diào) MASK信號的解調(diào)可以采用包絡(luò)檢波或相干解調(diào)的方法，其原理與2ASK信號的解調(diào)完全相同。,7.5.2多進(jìn)制相移鍵控（MPSK） 1．MPSK信號的表達(dá) 在M進(jìn)制相移鍵控（MPSK）中，載波相位有M種取值。當(dāng)基帶信號的碼元間隔為Ts時，MPSK信號可表示為,(7―17),式中，Es為信號在一個碼元間隔內(nèi)的能量，ωc為載波角頻率，φi為有M種取值的相位。,MPSK信號僅用相位攜帶基帶信號的數(shù)字信息，為了表達(dá)出基帶信號與載波相位的聯(lián)系，可將碼元持續(xù)時間為Ts的基帶信號用矩形函數(shù)表示，即,0≤t≤Ts,其它,(7―18),這樣MPSK信號的表達(dá)式又可寫為,(7―19),式中，矩形函數(shù)與基帶信號的碼元相對應(yīng)；φ(n)為載波在t=nTs時刻的相位，取式（7―17）中φi的某一種取值。φi有M種取值，通常是等間隔的，即,式中,θ為初相位。為計(jì)算方便，設(shè)θ=0，將式 （7―19）展開，得,(7―20),(7―21),令,代入式（7―21），可得,(7―22),式（7―22）中的每一項(xiàng)都是一個M電平雙邊帶調(diào)幅信號即MASK信號，但載波是正交的。這就是說，MPSK信號可以看成是兩個正交載波的MASK信號的疊加，所以MPSK信號的頻帶寬度應(yīng)與MASK信號的頻帶寬度相同。與MASK信號一樣，當(dāng)信息速率相同時，MPSK信號與2PSK信號相比，帶寬節(jié)省到1／lbM，即頻帶利用率提高了lbM倍。 式（7―22）可簡寫成,式中,(7―23),通常將式（7―23）的第一項(xiàng)稱為同相分量，第二項(xiàng)稱為正交分量。由此可知，MPSK信號可以用正交調(diào)制的方法產(chǎn)生。 MPSK信號是相位不同的等幅信號，所以用矢量圖可對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7―19中畫出M=2、4、8三種情況下的矢量圖。當(dāng)初始相位θ=0和θ=π／M時，矢量圖有不同的形式。2PSK信號的載波相位只有0和π兩種取值，或者只有π/2和3π/2兩種取值，它們分別對應(yīng)于數(shù)字信息1和0，見圖7―19（a）、（d）。,4PSK時，4種相位為0、π/2、π和3π/2，或者為π/4、3π/4、5π/4、7π/4，它們分別對應(yīng)數(shù)字信息11、01、00和10，見圖7―19（b）、(e)。8PSK時，8種相位分別為0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4，或者為π/8、3π/8、5π/8、7π/8、9π/8、11π/8、13π/8、15π/8，見圖7―19（c）、(f)。不同初始相位θ的MPSK信號原理上沒有差別，只是實(shí)現(xiàn)的方法稍有不同。產(chǎn)生有π／M初始相位的MPSK信號，同相路I(t)和正交路Q(t)均為M/2電平信號。,圖7―19 MPSK信號的矢量圖表示,2．MPSK信號調(diào)制 在MPSK信號的調(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。 4PSK又稱QPSK。QPSK信號的產(chǎn)生方法有正交調(diào)制法、相位選擇法和插入脈沖法，后兩種方法的載波采用方波。,QPSK正交調(diào)制器方框圖如圖7―20（a）所示。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I(t)和Q(t)，然后分別對同相載波cosωct和正交載波sinωct進(jìn)行調(diào)制,相加后即得到了QPSK信號。I(t)和Q(t)的典型波形如圖7―20（b）所示。,圖7―20 QPSK正交調(diào)制器,QPSK也可以用相位選擇法產(chǎn)生，用數(shù)字信號去選擇所需相位的載波，從而實(shí)現(xiàn)相移鍵控，其原理框圖如圖7―21所示。載波發(fā)生器產(chǎn)生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，每次選擇其中一種作為輸出，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。,圖7―21 相位選擇法產(chǎn)生的QPSK信號,8PSK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)制的每個碼元包含3個二進(jìn)制碼，稱為3比特碼元。8PSK調(diào)制方框圖如圖7―22（a）所示。輸入的二進(jìn)制信息序列經(jīng)串并變換，每次產(chǎn)生一個3位碼組b1b2b3，在b1b2b3的控制下，同相路和正交路分別產(chǎn)生一個四電平基帶信號I(t)和Q(t)。b1用于決定同相路信號的極性,b2決定正交路信號的極性,b3則用于確定同相路和正交路信號的幅度。,為保證已調(diào)信號的幅度相同，同相路與正交路的基帶信號幅度互相關(guān)聯(lián)，不能獨(dú)立選取。如圖7―22（b）所示，設(shè)8PSK信號幅度為1，則b3=1時同相路基帶信號應(yīng)為0.924，而正交路幅度為0.383。b3=0時同相路幅度為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b2決定。I(t)和Q(t)分別對同相載波和正交載波進(jìn)行幅度調(diào)制，得到2個4ASK信號，由式（7―23）可知，其疊加結(jié)果為8PSK信號。,圖7―22 8PSK正交調(diào)制器,圖7―22 8PSK正交調(diào)制器,3．MPSK信號解調(diào) 由式（7―22）可知MPSK信號等效于兩個正交載波的幅度調(diào)制，所以MPSK信號可以用兩個正交的本地載波信號實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)。以QPSK為例，圖7―23示出相干解調(diào)器的框圖。同相路和正交路分別設(shè)置兩個相關(guān)器。QPSK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積分器，在0～2Tb時間內(nèi)積分，分別得到I(t)和Q(t)，再經(jīng)抽樣判決和并串變換，即可恢復(fù)原始信息。 8PSK也可采用圖7―3所示的相干解調(diào)方式。但電平判決為四電平判決。8PSK還可采用其它相干解調(diào)方式。,圖7―23 QPSK相干解調(diào)器,在MPSK相干解調(diào)中恢復(fù)載波時，同樣存在相位模糊度問題。與BPSK一樣，對于M進(jìn)制調(diào)相也要采用相對調(diào)相的方法。對輸入的二進(jìn)制信息進(jìn)行串并變換時，同時進(jìn)行邏輯運(yùn)算，將其編為多進(jìn)制差分碼，然后再進(jìn)行絕對調(diào)相。解調(diào)時，可以采用相干解調(diào)和差分譯碼的方法，也可采用差分相干解調(diào)法。,7.5.3 多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK） 在MFSK中，載波頻率有M種取值。MFSK信號的表達(dá)式為,(7―24),式中，Es為單位符號的信號能量；ωi為載波角頻 率,有M種取值。,MFSK調(diào)制可用頻率選擇法實(shí)現(xiàn)，如圖7―24（a）所示。二進(jìn)制信息經(jīng)串并變換后形成M種形式，通過邏輯電路分別控制M個振蕩源。MFSK信號通常用非相干解調(diào)，如圖7-24（b）所示。,圖7―24 MFSK調(diào)制器及非相干解調(diào)器,圖7―24 MFSK調(diào)制器及非相干解調(diào)器,【例題7―2】 已知電話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，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 由數(shù)據(jù)信號的速率Rb和信道帶寬Bc，已調(diào)信號的頻帶利用率ηb應(yīng)為,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Bx，當(dāng)Bx≤Bc時方案才是可行的。,（1）設(shè)基帶信號是滾降系數(shù)為α(α≠0)的升余弦滾降信號，二進(jìn)制碼元速率為Rs，已調(diào)信號為4ASK和4PSK信號，α的取值應(yīng)滿足,即已調(diào)信號的帶寬,能滿足信道條件，且α≠0，方案是可行的。,（2）設(shè)基帶信號是矩形波。已調(diào)信號為8ASK和8PSK信號，已調(diào)信號的帶寬Bx取譜零點(diǎn)帶寬，即,由于2000Hz＜2400Hz，因此方案也是可行的。,【例題7―3】 帶通型信道的帶寬為3000Hz，基帶信號是二元NRZ碼。求2PSK和QPSK信號的頻帶利用率和最高信息速率。 解 當(dāng)2PSK信號的帶寬取譜零點(diǎn)帶寬時，頻帶利用率為,取信號的帶寬為信道帶寬，得最高信息速率為 Rb=η2PSKB2PSK=0.53000=1500(bit/s),MPSK信號的頻帶利用率是2PSK信號的lbM倍，所以QPSK信號的頻帶利用率為 ηQPSK=η2PSKlb4=0.52=1(bit/(s.Hz)) 同樣，取QPSK信號的帶寬為信道帶寬，得最高信息速率為 Rb=ηQPSKBQPSK=13000=3000(bit/s) 可見，在帶寬不變的前提下，多進(jìn)制調(diào)制信號提高了信息傳輸速率。,多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)在當(dāng)前的通信領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，比如我們通過電話線上網(wǎng)常用的1200b/s調(diào)制解調(diào)器Modem，其內(nèi)部對數(shù)字信號采用的就是4進(jìn)制調(diào)相技術(shù)，遵循的標(biāo)準(zhǔn)是Ball212A和CCITTV.22；而2400b/s的“貓”采用正交幅度調(diào)制技術(shù)(QAM，Quadrature Amplitude Modulation），其標(biāo)準(zhǔn)為V.22bis；還有執(zhí)行V.29標(biāo)準(zhǔn)的9600b/s調(diào)制解調(diào)器，執(zhí)行V.32標(biāo)準(zhǔn)采用格碼調(diào)制技術(shù)的更高速的調(diào)制解調(diào)器等等。有關(guān)調(diào)制解調(diào)器的詳細(xì)內(nèi)容可參閱計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方面的書籍。,