【正文】 標(biāo)志數(shù)字通信的開始。 20 世紀(jì) 60 年代以后集成電路、電子計(jì)算機(jī)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(dòng)電話在 90 年代中期 被數(shù)字移動(dòng)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(shì) 進(jìn)入 20 世紀(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)和光導(dǎo)纖維等現(xiàn)代技術(shù)成果的問世，通信技術(shù)在以下幾個(gè)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(shí)。 （ 2） 移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的出現(xiàn)，使人們隨時(shí)隨地可通信的 愿望可以實(shí)現(xiàn)。 （ 3） 光導(dǎo)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(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將通信技術(shù)推上了更高的層次，借助現(xiàn)代電信網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的融合，人們將世界變成了地球村。 （ 5） 微電子技術(shù)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(dòng)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(jì)數(shù)據(jù)，到 2022 年底移動(dòng)電話用戶近 4 億。 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和寬帶化的方向發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)通信的 要求越來越高，各種技術(shù)會(huì)不斷地應(yīng)用于通信領(lǐng)域，各種新的通信業(yè)務(wù)將不斷地被開發(fā)出來。到那時(shí)人們的生活將越來越離不開通信。 第三章 2ASK 2FSK 2PSK 的原理 調(diào)制與解調(diào)技術(shù)的基本概念及意義 調(diào)制即是用基帶數(shù)字信號(hào)去控制某一較高頻率的正弦或脈沖載波，使已調(diào)信號(hào)能通過帶限信道傳輸。那么，已調(diào)信號(hào)通過信道傳輸?shù)浇邮斩?，在接收端通過解調(diào)器把頻帶數(shù)字信號(hào)還原成基帶數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)的反變換稱為數(shù)字解調(diào)。通常，我們把數(shù)字調(diào)制與解調(diào)合起來稱為數(shù)字調(diào)制， 把包括調(diào)制和解調(diào)過程的傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸系統(tǒng)。 數(shù)字調(diào)制技術(shù)可以分為兩種類型：（ 1）利用模擬方法進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，即把數(shù)字基帶信號(hào)當(dāng)作模擬信號(hào)的特殊情況來處理；（ 2）利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)鍵控載波，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。第（ 2）種技術(shù)通常稱為鍵控法，比如對(duì)載波的振幅，頻率以及相位進(jìn)行鍵控，便可獲得振幅鍵控（ ASK），頻移鍵控（ FSK）及相移鍵控（ PSK）調(diào)制方式。鍵控法一般由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，它具有調(diào)制變換速率快，調(diào)制測(cè)試方便，體積小和設(shè)備可靠性高的特點(diǎn)。 3． 2 2ASK（ Amplitude Shift Keying）信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的原理 3． 2． 1 一般原理與實(shí)現(xiàn)方法 二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控是一種古老的調(diào)制方式 ,與是各種數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。振幅鍵控 (也稱幅移鍵控 ),記作 ASK(Amplitude Shift Keying)，或稱其為開關(guān)鍵控 (通斷鍵控 )，記作 OOK(On Off Keying)。二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控通常記作 2 ASK。 對(duì)于振幅鍵控這樣的線性調(diào)制來說，在二進(jìn)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(gè)連續(xù)的載波，使載波時(shí)斷時(shí)續(xù)地輸出。有載波 輸出時(shí)表示發(fā)送 1，無載波輸出時(shí)表示發(fā)送 0。根據(jù)線性調(diào)制的原理，一個(gè)二進(jìn)制的振幅鍵控信號(hào)可以表示成一個(gè)單極性矩形脈沖序列與一個(gè)正弦型載波的相乘，即 （ 31） 其中， g(t)是持續(xù)時(shí)間 Ts 的矩形脈沖， 為載波頻率， 為二進(jìn)制數(shù)字。 （ 32） 若令 （ 33） 則 式 變?yōu)? （ 34） 實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制的 一般原理圖如圖 321 所示 ↑ 圖 321 數(shù)字線性調(diào)制方框圖 圖中，基帶信號(hào)形成器把數(shù)字序列 { }轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了 2ASK。帶通濾波器濾出所需要的已調(diào)信號(hào)，防止帶外輻射影響鄰臺(tái)。 2ASK 信號(hào)的波形如圖 322 所示。 圖 322 2ASK 信號(hào)的產(chǎn)生及波形模型 2ASK 信號(hào)的功率譜及帶寬 若用 G(f)表示二進(jìn)制序列中一個(gè)寬度為 、高度為 1 的門函數(shù) g(t)所對(duì)應(yīng)的頻譜函數(shù)， (f)為的功率譜密度， （ f）為已調(diào)信號(hào) e(t)的功率譜密度，則有 （ 35） 2ASK 信號(hào)功率譜示意圖如圖 323 所示 圖 323 2ASK 信號(hào)功率譜示意圖 由圖 323 可見： （ 1）因?yàn)?2ASK 信號(hào)的功率譜密度 是相應(yīng)的單極性數(shù)字基帶信號(hào)功率譜密度 形狀不變的 平移到 處形成的，所以 2ASK 信號(hào)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(hào)基本脈沖的頻譜 G（ f）；它的離散譜是位于 處一對(duì)頻域沖擊函數(shù)，這意味著 2ASK 信號(hào)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(hào)實(shí)際上相當(dāng)于雙邊帶調(diào)幅（ DSB）信號(hào)。因此，由圖 223 可以看出， 2ASK 信號(hào)的帶寬 是單極性數(shù)字基帶信號(hào) 的兩倍。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)的基本脈沖是巨型不歸零脈沖時(shí)， ，于是 2ASK 信號(hào)的帶寬為 （ 36） 因?yàn)橄到y(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(hào)時(shí)，要求該系統(tǒng)的帶寬至少為 。 3． 2． 3 2ASK 信號(hào)的解調(diào)及系統(tǒng)的誤碼率 2ASK 信號(hào)的解調(diào)由振幅檢波器來完成，具體方法主要有兩種：非相干解調(diào)法（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)法（同步檢測(cè)法）。 包絡(luò)解調(diào)法的原理方框圖如圖 324 所示。帶通濾波器恰好使 2ASK 信號(hào)完整地通過，經(jīng)包絡(luò)檢測(cè)后，輸出其包 絡(luò)。低通濾波器的作用是濾除高頻雜波，使基帶包絡(luò)信號(hào)通過。抽樣判決器包括抽樣、判決及碼元形成，有時(shí)又稱譯碼器。不計(jì)噪聲影響時(shí)，帶通濾波器輸出為 2ASK 信號(hào)，即 y(t)= s(t) ，包絡(luò)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(fù)出數(shù)字序列 { }。 圖 324 2ASK 信號(hào)的包絡(luò)解調(diào) 相干解調(diào)原理方框圖如圖 325 所示。相干解調(diào)就是同步解調(diào)，同步解調(diào)時(shí)，接收機(jī)要產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號(hào)，稱其為同步載波或相干載波，利用此載波與收到的已調(diào)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(hào)的相干解調(diào) 包絡(luò)解調(diào)時(shí) 2ASK 系統(tǒng)的誤碼率的計(jì)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(shè)信號(hào)的幅度為 A，信道中存在著高斯白噪聲，當(dāng)帶通濾波器恰好讓 ASK 信號(hào)通過時(shí)，因?yàn)榘l(fā) 1時(shí)包絡(luò)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(shí)包絡(luò)的一維概率密度函數(shù)為瑞利分布，信 號(hào)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(shí)，取樣判決器的判決門限電平取為 A/2，當(dāng)包絡(luò)的抽樣值 A/2 時(shí)，判為 1；抽樣值 A/2 時(shí)，判決為 0。發(fā) 1錯(cuò)判為 0 的概率為 P（ 0/1），發(fā) 0錯(cuò)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(luò)解調(diào) 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(diào)時(shí)， 2ASK 系統(tǒng)的誤碼率的計(jì)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(hào)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(hào)與噪聲的混合物，其瞬時(shí)值的概率密度都是正態(tài)分布的，只是均值不同而已。當(dāng) P（ 0） =P（ 1） =1/2，假設(shè)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(shí)，相干檢測(cè)時(shí) 2ASK 系統(tǒng)的誤碼率為 （ 310） 3． 3 2FSK (Frequency Shift Keying) 信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的原理 一般原理與實(shí)現(xiàn)方法 數(shù)字頻率調(diào)制又稱為頻移鍵控，記作 FSK（ Frequency Shift Keying），二進(jìn)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(gè)取值。那么， 2FSK 信號(hào)便是符號(hào) 1對(duì)應(yīng)與載波 ，而符號(hào) 0對(duì)應(yīng)于載頻 （與 不同的另一個(gè)載頻）的已調(diào)波形，而且 與 之間的改變是瞬間來完成 的。從原理上講調(diào)頻可用模擬調(diào)頻來實(shí)現(xiàn)，也可用鍵控法來實(shí)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(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通的。 若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在 f1 和 f2 兩個(gè)頻率點(diǎn)之間變化，才產(chǎn)生二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)（ 2FSK 信號(hào)）。它的波形可以看作是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的疊加。若二進(jìn)制基帶信號(hào)的 1 符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率的 f1， 0 符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率的 f2，則二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 （ 311） 二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的時(shí)間波形如圖 331 所示 圖 331 二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的時(shí)間波形 式 中 （ 312） 2FSK 信號(hào)的功率譜及帶寬 2FSK信號(hào)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(duì)相位不連續(xù)的 2FSK 信號(hào)產(chǎn)生原理的分析，可以視其為兩個(gè) 2ASK 信號(hào)的疊加，其中一個(gè)載波為 ，另一個(gè)載波為 。因此，對(duì)相位不連續(xù)的 2FSK 信號(hào)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(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào) （ 314） 令概率 P= ，將二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)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(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的功率譜由離散譜和連續(xù)譜組成，其中，離散譜位于兩個(gè)載頻 和 處；連續(xù)譜由兩個(gè)中心位于 和 處的雙邊帶譜疊加形成的；若兩個(gè)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(jìn)制頻移鍵控信號(hào)功率譜第一個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔