【正文】 第 2章 調(diào)制解調(diào) 概述 數(shù)字幅度調(diào)制（ 2ASK）與數(shù)字頻率調(diào)制 (2FSK) 數(shù)字相位調(diào)制 (2PSK、 QPSK、 OQPSK) 擴(kuò)展頻譜調(diào)制 多載波調(diào)制 思考題與習(xí)題 概 述 （ 復(fù)習(xí) ） 調(diào)制 的目的是 把要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)母哳l信號 。 該信號稱為 已調(diào)信號 。 調(diào)制 過程用于通信系統(tǒng)的 發(fā)送端 。 在接收端需將已調(diào)信號還原成要傳輸?shù)脑夹盘?， 該過程稱為 解調(diào) 。 載波調(diào)制 是用（ 待傳輸?shù)?） 基帶信號 的變化規(guī)律 ，去 改變 高頻載波某些參數(shù) 的過程。 高頻載波 可以分為兩類： 一類用 正弦型 信號，稱為 正弦載波調(diào)制 ； 一類用 脈沖串 ，稱為 脈沖調(diào)制 。 基帶信號 也可分為兩類： 一類是 模擬信號 ，即基帶信號的取值是連續(xù)的，稱為 模擬調(diào)制 ； 另類是 數(shù)字信號 ，即基帶信號的取值是離散的，稱為 數(shù)字調(diào)制 。 ——模擬調(diào)制 指利用 輸入的模擬信號 直接調(diào)制 (或改變 )高頻載波(正弦波 )的 振幅 、 頻率 或 相位 ， 從而得到： 模擬調(diào)幅 (AM)、 模擬調(diào)頻 (FM) 模擬調(diào)相 (PM)信號 。 ——數(shù)字調(diào)制 指 利用輸入的數(shù)字信號來 控制 高頻載波 的振幅 、 頻率或相位 。 常用的數(shù)字調(diào)制有： 移幅鍵控 （ 2ASK） 移頻鍵控 (2FSK)、 MSK、 GMSK 移相鍵控 (2PSK)、 4相移相鍵控 （ QPSK、 OQPSK） 、 正交振幅調(diào)制 QAM等 。 移動通信信道的 基本特征 是： 第一 ， 帶寬有限 ， 它取決于使用的頻率資源和信道的傳播特性； 第二 ， 干擾和噪聲影響大 ， 這主要是移動通信工作的電磁環(huán)境所決定的； 第三 ， 存在著多徑衰落 。 針對移動通信信道的特點 ， 要求已調(diào)信號應(yīng)具有 高的頻譜利用率 和 較強(qiáng)的 抗干擾 、 抗衰落 的能力 。 高的頻譜利用率 要求已調(diào)信號所占的 帶寬窄 。 它意味著已調(diào)信號頻譜的 主瓣要窄 ， 同時 副瓣的幅度要低 (即輻射到相鄰頻道的 干擾 功率要小 )。 高的抗干擾和抗多徑性能 要求在惡劣的信道環(huán)境下 ， 經(jīng)過調(diào)制解調(diào)后的 輸出 信噪比 (S/N)較高 或 誤碼率較低 。 模擬調(diào)制與解調(diào)原理（ 復(fù)習(xí) ） 高頻載波 選用 正弦型載波 ， 基帶信號 為 模擬信號 ，設(shè)正弦型載波為： s（ t） =Acos（ ωct+φ0） 式中： A —— ωc —— φ0 ——載波的初始相位 Φ（ t） =（ ωc t +φ0） ——載波的瞬時相位 一、 幅度調(diào)制的原理 若基帶信號為 m（ t），則幅度調(diào)制信號（已調(diào)信號）一般可表示成： 時域信號 ： Sm（ t） =A m（ t） cos（ ωct+φ0） 頻域信號 ： （ 1） 調(diào)幅（ AM 如果輸入的基帶信號 m（ t）帶直流分量 ，則它可以表示為 m0與 m‘（ t）之和，其中， m0是 m（ t）的直流分量， m’（ t）是表示消息變化的交流分量。 調(diào)制后的信號 ： 具有載波分量的雙邊帶信號 AM。 （ 2） 雙邊帶（ DSB）信號 如果輸入的基帶信號沒有直流分量 m0 (或?qū)⒅绷鞣至恳种频?)，則調(diào)制得到的輸出信號便是 無載波分量的雙邊帶調(diào)制信號 ，或稱 抑制載波雙邊帶（ DSBSC）調(diào)制信號 ，簡稱 DSB信號。 （ 3） 單邊帶（ SSB 雙邊帶 DSB調(diào)制信號包含有兩個邊帶，即上、下邊帶。由于這 兩個邊帶包含的信息相同 ，因而，從信息傳輸?shù)慕嵌葋砜紤]，傳輸一個邊帶就夠了。 即所謂 單邊帶調(diào)制 ，就是對 DSB信號用一個帶通濾波 （ 4） 殘留邊帶（ VSB 殘留邊帶調(diào)制是介于雙邊帶與單邊帶之間的一種線性調(diào)制。它既克服了雙邊帶調(diào)制信號占用頻帶寬的缺點，又解決了單邊帶信號實現(xiàn)上的難題。 二、 幅度調(diào)制信號的解調(diào)原理 對幅度調(diào)制信號，解調(diào)的基本方法有兩種：一種是包絡(luò)檢波法 ，一種是 相干解調(diào) （或稱 同步解調(diào) ）。 （ 1） 包絡(luò)檢波法（已調(diào)信號 含高頻載波分量 對調(diào)幅（ AM）信號 ，當(dāng)滿足 m0｜ m＇（ t）｜ max時，不會發(fā)生過調(diào)制現(xiàn)象，此時用包絡(luò)檢波的方法很容易恢復(fù)原始基帶信號 m（ t）。 （ 2） 相干解調(diào)（同步解調(diào)） 雙邊帶信號不能用包絡(luò)檢波來解調(diào)，可采用以下方法，將已調(diào)信號 SDSB（ t）乘上一個同頻同相的載波，得： 由上式可知， 用一個低通濾濾器 就可以將第 1項與第 2項分離，無失真地恢復(fù)出原始基帶信號 m（ t）。 下面以調(diào)頻為例說明調(diào)制解調(diào)過程及其信號特征和性能 。 設(shè) 高頻載波信號 為： )co s ()( 0?? ?? tUtu cc式中 ， Uc——載波信號的振幅 ， ωc——載波信號的角頻率 ， θ0——載波信號的初始相位 。 Φ（ t） =（ ωc t +θ0） ——載波的瞬時相位 模擬調(diào)頻與調(diào)相 當(dāng)用 調(diào)制信號 去控制 高頻載波 的相位或頻率，載波的瞬時相位及瞬時頻率就會發(fā)生變化，則被調(diào)制的高頻載波就會攜帶調(diào)制信號信息。 設(shè) 調(diào)制信號為 um(t), 則調(diào)頻信號的瞬時角頻率與輸入信號的關(guān)系為 )()( tukdt td mf?? (2 3) ??? dukt t mf )()( 0??(2 4) 因而調(diào)頻信號的形式為 ? ???????????mmfffccFMmmtmfccFMUkmtmtUtutUtuduktUtu????????????? ?s i nc o s)(c o s)()(c o s)(0(2 5) (2 6) (2 7) (2 8) 為 調(diào)制指數(shù) 。 將式 (2 7)展開成級數(shù)得 ? ? ? ?? ? ? ?})2(s i n)()2(s i n)()(s i n)()(s i n)(s i n)({)(22110???????????tmJtmJtmJtmJtmJUtucfcfcfcfcfcFM?????????式中， Jk(mf)為 k階第一類貝塞爾函數(shù)： (2 9) ???????02)!(!)2/()1()(jkjfjfk jkjmmJ (2 10) 圖 2 1 FM信號的頻譜 (mf=2) oUcUc / 2?c?J2( mf)J1( mf)J0( mf)J1( mf)J2( mf)振幅?2 ? B ＝ 2( mf＋ 1) ? 若 以 90%能量所包括的譜線寬度 (以載頻為中心 )作為調(diào)頻信號的帶寬 ， 則可以證明調(diào)頻信號的帶寬為 B = 2(mf+1)Fm = 2(Δfm+Fm) (2 11) 若 以 99%能量計算 ， 則調(diào)頻信號的帶寬為 mff FmmB ???? )1(2(2 12) 數(shù)字調(diào)制信號，在二進(jìn)制時有振幅鍵控（ 2ASK）、移頻鍵控（ 2FSK）和移相鍵控（ 2PSK）三種基本信號形式，如圖 22所示。 根據(jù)已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)特點的不同，數(shù)字調(diào)制也可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制。 這種 把基 帶數(shù)字信號 變換為 頻帶數(shù)字信號 的過程稱為 數(shù)字調(diào)制 ， 反之，稱為數(shù)字解調(diào)。 數(shù)字幅度調(diào)制（ 2ASK）與數(shù)字頻率調(diào)制 (2FSK) 圖 22 正弦載波的三種鍵控波形 一、 二進(jìn)制振幅鍵控（ 2ASK） 二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控是數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早的，也是最簡單的，是研究其他各種數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。振幅鍵控，記作ASK（ Amplitude Shift Keying），或稱為開關(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 2ASK。 （ 1） 2ASK的調(diào)制方法 一般說來，數(shù)字信號的調(diào)制方法有兩種類型： ①利用模擬方法去實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，即把數(shù)字基帶信號當(dāng)作模擬信號的特殊情況來處理； ②利用數(shù)字信號的離散值特點鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。 （ 2） 2ASK的解調(diào)方法 如同 AM信號的解調(diào)方法一樣， OOK信號也有兩種基本的解調(diào)方法： 非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法 ）和 相干解調(diào) （同步檢測法）。 包絡(luò)檢波法的原理方框圖如圖 23所示。帶通濾波器恰好使 2ASK信號完整地通過，經(jīng)包絡(luò)檢測后，輸出其包絡(luò)。 圖 23 2ASK信號的包絡(luò)檢波 （ 3） 2ASK信號的功率譜及帶寬 下面分析二進(jìn)制振幅鍵控信號的頻譜。由于二進(jìn)制振幅鍵控信號是隨機(jī)的、功率型的信號，故研究頻譜特性時，應(yīng)該討論它的功率譜密度。 ① 因為 2ASK信號的功率譜密度 PE（ f）是相應(yīng)的單極性數(shù)字基帶信號功率譜密度 Ps（ f）形狀不變地平移至 177。 fc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。 ② 2ASK信號的帶寬 B2ASK是單極性數(shù)字 基帶信號帶寬 fs的兩倍 。當(dāng)數(shù)字基帶信號的基本脈沖是矩形不歸零脈沖時，fs=1/Ts。于是 2ASK信號的帶寬為 B2ASK=2fs=2/Ts 2ASK信號的主要優(yōu)點是易于實現(xiàn)，其缺點是抗干擾能力不強(qiáng)，主要應(yīng)用在低速數(shù)據(jù)傳輸中。 二、 二進(jìn)制移頻鍵控（ 2FSK） 數(shù)字頻率調(diào)制又稱移頻鍵控，記作 FSK（ Frequency Shift Keying），二進(jìn)制移頻鍵控記作 2FSK。 （ 1） 2FSK 前面已提到， 2FSK信號 可以采用模擬調(diào)頻法 和 數(shù)字鍵控法 模擬調(diào)頻法： 用數(shù)字基帶矩形脈沖控制一個振蕩器的某些參數(shù)（例如電容 C），可直接改變振蕩頻率，使輸出得到不同頻率的已調(diào)信號。 數(shù)字鍵控法： 它是用數(shù)字矩形脈沖控制電子開關(guān)，使電子開關(guān)在兩個獨立的振蕩器之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而在輸出端得到不同頻率的已調(diào)信號。 （ 2） 2FSK 二進(jìn)制頻移鍵控信號的解調(diào)方法很多，常采用非相干檢測法（包絡(luò)檢測法）和相干檢測法（同步檢波法），還有過零 ① 2FSK信號的包絡(luò)檢測方框圖及波形圖如圖 24所示。用兩個窄帶的分路濾波器分別濾出頻率為 f1及 f2的高頻脈沖，經(jīng)包絡(luò)檢測后分別取出它們的包絡(luò)。 圖24 2FSK信號包絡(luò)檢波方框圖及波形圖 ② 同步檢波法（相干解調(diào)） 2FSK信號的同步檢波原理方框圖如圖 25所示。 ③ 過零檢測法 過零檢測法是一種常用而簡便的解調(diào)方法。 圖 25 2FSK信號同步檢波方框圖 （ 3） 2FSK信號的功率譜及帶寬 圖 2 – 3 FSK信號的功率譜 Ps( f )f0＝f2－ f1f1－ fsf1f0f2f2＋ fso f221ff ?B2FSK=2fs+|f2f1| fs= fb， 輸入數(shù)據(jù)速率 輸入數(shù)據(jù)流的比特寬度數(shù)據(jù)速率， bTbTbfbfffh 1,12 ???h= h= h= 定義調(diào)制指數(shù) h： B2FSK=2fb+|f2f1| f 1 － fs f 1 f 0 f 2 f 2 ＋ fs fs= fb 三、最小移頻鍵控（ MSK） 最小移頻鍵控是移頻鍵控（ FSK）的一種改進(jìn)型，是使FSK信號相位始終保持連續(xù)變化的一種調(diào)制。 MSK又稱快速頻移鍵控（ FFSK），“快速”二字指的是這種調(diào)制方式對于給定的頻帶，它能比 2FSK傳輸更高速的數(shù)據(jù)；而最小頻移鍵控中的“最小”二字指的是這種調(diào)制方式能以 最小的調(diào)制指數(shù)（ h=）獲得 正交的調(diào)制信號 。 （ 1） MSK的原理 由以