【正文】 標志數(shù)字通信的開始。 20 世紀 60 年代以后集成電路、電子計算機的出現(xiàn)，使得數(shù)字通信迅速發(fā)展。在 70 年代末在全球發(fā)展起來的模擬移動電話在 90 年代中期 被數(shù)字移動電話所代替，現(xiàn)有的模擬電視也正在被數(shù)字電視所代替。數(shù)字通信的高速率和大容量等各方面的優(yōu)越性也使人們看到了它的發(fā)展前途。 數(shù)字通信的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 進入 20 世紀以來，隨著晶體管、集成電路的出現(xiàn)與普及、無線通信迅速發(fā)展。特別是在 20 世紀后半葉，隨著人造地球衛(wèi)星的發(fā)射，大規(guī)模集成電路、電子計算機和光導纖維等現(xiàn)代技術成果的問世，通信技術在以下幾個不同方向都取得了巨大的成功。 （ 1） 微波中繼通信使長距離、大容量的通信成為了現(xiàn)實。 （ 2） 移動通信和衛(wèi)星通信的出現(xiàn)，使人們隨時隨地可通信的 愿望可以實現(xiàn)。 （ 3） 光導纖維的出現(xiàn)更是將通信容量提高到了以前無法想象的地步。 （ 4） 電子計算機的出現(xiàn)將通信技術推上了更高的層次，借助現(xiàn)代電信網(wǎng)和計算機的融合，人們將世界變成了地球村。 （ 5） 微電子技術的發(fā)展，使通信終端的體積越來越小，成本越來越低，范圍越來越廣。例如， 2022 年我國的移動電話用戶首次超過了固定電話用戶。根據(jù)國家信息產(chǎn)業(yè)部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，到 2022 年底移動電話用戶近 4 億。 隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，通信技術正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化和寬帶化的方向發(fā)展。隨著科學技術的進步，人們對通信的 要求越來越高，各種技術會不斷地應用于通信領域，各種新的通信業(yè)務將不斷地被開發(fā)出來。到那時人們的生活將越來越離不開通信。 第三章 2ASK 2FSK 2PSK 的原理 調制與解調技術的基本概念及意義 調制即是用基帶數(shù)字信號去控制某一較高頻率的正弦或脈沖載波，使已調信號能通過帶限信道傳輸。那么，已調信號通過信道傳輸?shù)浇邮斩?，在接收端通過解調器把頻帶數(shù)字信號還原成基帶數(shù)字信號，這種數(shù)字信號的反變換稱為數(shù)字解調。通常，我們把數(shù)字調制與解調合起來稱為數(shù)字調制， 把包括調制和解調過程的傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字信號的頻帶傳輸系統(tǒng)。 數(shù)字調制技術可以分為兩種類型：（ 1）利用模擬方法進行數(shù)字調制，即把數(shù)字基帶信號當作模擬信號的特殊情況來處理；（ 2）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)字調制。第（ 2）種技術通常稱為鍵控法，比如對載波的振幅，頻率以及相位進行鍵控，便可獲得振幅鍵控（ ASK），頻移鍵控（ FSK）及相移鍵控（ PSK）調制方式。鍵控法一般由數(shù)字電路實現(xiàn)，它具有調制變換速率快，調制測試方便，體積小和設備可靠性高的特點。 3． 2 2ASK（ Amplitude Shift Keying）信號調制與解調的原理 3． 2． 1 一般原理與實現(xiàn)方法 二進制數(shù)字振幅鍵控是一種古老的調制方式 ,與是各種數(shù)字調制的基礎。振幅鍵控 (也稱幅移鍵控 ),記作 ASK(Amplitude Shift Keying)，或稱其為開關鍵控 (通斷鍵控 )，記作 OOK(On Off Keying)。二進制數(shù)字振幅鍵控通常記作 2 ASK。 對于振幅鍵控這樣的線性調制來說，在二進制里， 2 ASK 是利用代表數(shù)字信息 0或 1的基帶矩形脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波，使載波時斷時續(xù)地輸出。有載波 輸出時表示發(fā)送 1，無載波輸出時表示發(fā)送 0。根據(jù)線性調制的原理，一個二進制的振幅鍵控信號可以表示成一個單極性矩形脈沖序列與一個正弦型載波的相乘，即 （ 31） 其中， g(t)是持續(xù)時間 Ts 的矩形脈沖， 為載波頻率， 為二進制數(shù)字。 （ 32） 若令 （ 33） 則 式 變?yōu)? （ 34） 實現(xiàn)振幅調制的 一般原理圖如圖 321 所示 ↑ 圖 321 數(shù)字線性調制方框圖 圖中，基帶信號形成器把數(shù)字序列 { }轉成為所需要的單極性基帶矩形脈沖序列s(t)與載波相乘后即把 s(t)的頻譜搬移到 附近，實現(xiàn)了 2ASK。帶通濾波器濾出所需要的已調信號，防止帶外輻射影響鄰臺。 2ASK 信號的波形如圖 322 所示。 圖 322 2ASK 信號的產(chǎn)生及波形模型 2ASK 信號的功率譜及帶寬 若用 G(f)表示二進制序列中一個寬度為 、高度為 1 的門函數(shù) g(t)所對應的頻譜函數(shù)， (f)為的功率譜密度， （ f）為已調信號 e(t)的功率譜密度，則有 （ 35） 2ASK 信號功率譜示意圖如圖 323 所示 圖 323 2ASK 信號功率譜示意圖 由圖 323 可見： （ 1）因為 2ASK 信號的功率譜密度 是相應的單極性數(shù)字基帶信號功率譜密度 形狀不變的 平移到 處形成的，所以 2ASK 信號的功率譜密度由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。它的連續(xù)譜取決于數(shù)字基帶信號基本脈沖的頻譜 G（ f）；它的離散譜是位于 處一對頻域沖擊函數(shù)，這意味著 2ASK 信號中存在著可做載頻同步的載波頻率 的成分。 （ 2）基于同樣的原因，我們可以知道，上面所述的 2ASK 信號實際上相當于雙邊帶調幅（ DSB）信號。因此，由圖 223 可以看出， 2ASK 信號的帶寬 是單極性數(shù)字基帶信號 的兩倍。當數(shù)字基帶信號的基本脈沖是巨型不歸零脈沖時， ，于是 2ASK 信號的帶寬為 （ 36） 因為系統(tǒng)的傳碼率 =1/ （ Baud），故 2ASK 系統(tǒng)的頻帶利用率為 （ 37） 這意味著用 2ASK 方式傳送碼元速率為 的數(shù)字信號時，要求該系統(tǒng)的帶寬至少為 。 3． 2． 3 2ASK 信號的解調及系統(tǒng)的誤碼率 2ASK 信號的解調由振幅檢波器來完成，具體方法主要有兩種：非相干解調法（包絡檢波法）和相干解調法（同步檢測法）。 包絡解調法的原理方框圖如圖 324 所示。帶通濾波器恰好使 2ASK 信號完整地通過，經(jīng)包絡檢測后，輸出其包 絡。低通濾波器的作用是濾除高頻雜波，使基帶包絡信號通過。抽樣判決器包括抽樣、判決及碼元形成，有時又稱譯碼器。不計噪聲影響時，帶通濾波器輸出為 2ASK 信號，即 y(t)= s(t) ，包絡檢波器輸出為s(t),經(jīng)過抽樣、判決后將碼元再生，即可恢復出數(shù)字序列 { }。 圖 324 2ASK 信號的包絡解調 相干解調原理方框圖如圖 325 所示。相干解調就是同步解調，同步解調時，接收機要產(chǎn)生一個與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號，稱其為同步載波或相干載波，利用此載波與收到的已調載波相乘，相乘輸出為 （ 38） 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、整形后再生數(shù)字基帶脈沖。 圖 325 2ASK 信號的相干解調 包絡解調時 2ASK 系統(tǒng)的誤碼率的計算是根據(jù)發(fā) 1和發(fā) 0兩種情況下產(chǎn)生誤碼率之和而得來的。設信號的幅度為 A，信道中存在著高斯白噪聲，當帶通濾波器恰好讓 ASK 信號通過時，因為發(fā) 1時包絡的一維概率密度函數(shù)為萊斯分布，其主要能量集中在 1 附近，而發(fā) 0時包絡的一維概率密度函數(shù)為瑞利分布，信 號能量主要集中在 0附近，但是，這兩種分布在 A/2 附近產(chǎn)生重疊，見圖 326。若發(fā) 1的概率為 P（ 1），發(fā) 0 的概率為 P（ 0），并且 P（ 1） = P（ 0） =1/2 時，取樣判決器的判決門限電平取為 A/2，當包絡的抽樣值 A/2 時，判為 1；抽樣值 A/2 時，判決為 0。發(fā) 1錯判為 0 的概率為 P（ 0/1），發(fā) 0錯判為 1概率為 P（ 1/0），則系統(tǒng)的總誤碼率為 （ 39） 由此可見，包絡解調 2ASK 系統(tǒng)的誤碼率隨輸入信噪比 r 的增大近似地按指 數(shù)規(guī)律下降。 相干解調時， 2ASK 系統(tǒng)的誤碼率的計算是考慮經(jīng)過帶通濾波器、乘法器以及低通濾波器以后，信號和噪聲均已檢出并輸入抽樣判決器，無論是發(fā)送 1還是 0，判決器輸入信號與噪聲的混合物，其瞬時值的概率密度都是正態(tài)分布的，只是均值不同而已。當 P（ 0） =P（ 1） =1/2，假設判決門限電平為 A/2， x A/2 判為 1，x A/2 判決為 0，發(fā) 1判為 0的概率為 P（ 0/1），發(fā) 0判為 1的概率為 P（ 0/1），這時，相干檢測時 2ASK 系統(tǒng)的誤碼率為 （ 310） 3． 3 2FSK (Frequency Shift Keying) 信號調制與解調的原理 一般原理與實現(xiàn)方法 數(shù)字頻率調制又稱為頻移鍵控，記作 FSK（ Frequency Shift Keying），二進制頻移鍵控記作 2FSK。數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來傳送數(shù)字信息的，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率，由于數(shù)字只有有限個取值。那么， 2FSK 信號便是符號 1對應與載波 ，而符號 0對應于載頻 （與 不同的另一個載頻）的已調波形，而且 與 之間的改變是瞬間來完成 的。從原理上講調頻可用模擬調頻來實現(xiàn)，也可用鍵控法來實現(xiàn)，后者較為簡便。 2FSK 鍵控法就是利用受矩形脈沖序列控制的開關電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通的。 若正弦載波的頻率隨二進制基帶信號在 f1 和 f2 兩個頻率點之間變化，才產(chǎn)生二進制頻移鍵控信號（ 2FSK 信號）。它的波形可以看作是兩個不同載波的二進制振幅鍵控信號的疊加。若二進制基帶信號的 1 符號對應于載波頻率的 f1， 0 符號對應于載波頻率的 f2，則二進制頻移鍵控信號的時域表達式為 （ 311） 二進制頻移鍵控信號的時間波形如圖 331 所示 圖 331 二進制頻移鍵控信號的時間波形 式 中 （ 312） 2FSK 信號的功率譜及帶寬 2FSK信號的功率譜密度有兩種情況分別為相位不連續(xù)的 2FSK功率譜密度相位連續(xù)的 2FSK 功率譜密度。 (1)相位不連續(xù)的 2FSK 由前面對相位不連續(xù)的 2FSK 信號產(chǎn)生原理的分析，可以視其為兩個 2ASK 信號的疊加，其中一個載波為 ，另一個載波為 。因此，對相位不連續(xù)的 2FSK 信號的功率譜就可以像 2ASK 那樣，分別在頻率軸上搬移然后再疊加。 （ 313） 其中 和 為兩路二進制數(shù)字基帶信號 （ 314） 令概率 P= ，將二進制數(shù)字基帶信號的功率譜密度公式代入上式可得 （ 315） 由上式可得，相位不連續(xù)的二進制頻移鍵控信號的功率譜由離散譜和連續(xù)譜組成，其中，離散譜位于兩個載頻 和 處；連續(xù)譜由兩個中心位于 和 處的雙邊帶譜疊加形成的；若兩個載波頻差小于 ，則連續(xù)譜在 處出現(xiàn)單峰；若載波頻差大于 ，則連續(xù)譜出現(xiàn)雙峰。若以二進制頻移鍵控信號功率譜第一個零點之間的頻率間隔