【文章內(nèi)容簡介】 速率高，即頻帶利用率高。M進制幅度調(diào)制信號的載波振幅有M種取值，在一個碼元期間內(nèi)，發(fā)送其中的一種幅度的載波信號。MASK已調(diào)信號的表示式為： (214)這里，為M進制數(shù)字基帶信號： (215)式(214)中，是高度為1,寬度為的門函數(shù)；有M種取值。　多進制頻移鍵控（MFSK）它是用M個不同的載波頻率代表M種數(shù)字信息。MFSK系統(tǒng)的組成方框圖如圖22所示。發(fā)送端采用鍵控選頻的方式，接收端采用非相干解調(diào)方式。圖22　多進制數(shù)字頻率調(diào)制的組成框圖串/并變換器和邏輯電路1將一組組輸入的二進制碼（每個碼元為一組）對應地轉(zhuǎn)換成有種狀態(tài)的一個多進制碼。這個狀態(tài)分別對應個不同的載波頻率。當某組位二進制碼到來時，邏輯電路1的輸出一方面接通某個門電路，讓相應的載頻發(fā)送出去，另一方面同時關閉其余所有的門電路。于是當一組組二進制碼元輸入時，經(jīng)相加器組合輸出的便是一個進制調(diào)頻波形。進制的解調(diào)部分由個帶通濾波器、包絡檢波器及一個抽樣判決器、邏輯電路2組成。各帶通濾波器的中心頻率分別對應發(fā)送端各個載頻。因而，當某一已調(diào)載頻信號到來時，在任一碼元持續(xù)時間內(nèi)，只有與發(fā)送端頻率相應的一個帶通濾波器能收到信號，其它帶通濾波器只有噪聲通過。抽樣判決器的任務是比較所有包絡檢波器輸出的電壓，并選出最大者作為輸出，這個輸出是一位與發(fā)端載頻相應的進制數(shù)。邏輯電路2把這個進制數(shù)譯成位二進制并行碼，并進一步做并/串變換恢復二進制信息輸出，從而完成數(shù)字信號的傳輸[5]?！《噙M制相移鍵控（MPSK）它是利用載波的多種不同相位狀態(tài)來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。與二進制數(shù)字相位調(diào)制相同，多進制數(shù)字相位調(diào)制也有絕對相位調(diào)制（MPSK）和相對相位調(diào)制（MDPSK）兩種。設載波為，則進制數(shù)字相位調(diào)制信號可表示為 (216)為第個碼元對應的相位，共有種不同取值。由于一般都是在范圍內(nèi)等間隔劃分相位的（這樣造成的平均差錯概率將最?。?，因此相鄰相移的差值為 (217)令，式(217)變?yōu)? (218)這里常把式(218)中第一項稱為同相分量，第二項稱為正交分量。由此可見，MPSK信號可以看成是兩個正交載波進行多電平雙邊帶調(diào)制所得兩路MASK信號的疊加。這樣，就為MPSK信號的產(chǎn)生提供了依據(jù)，實際中，常用正交調(diào)制的方法產(chǎn)生MPSK信號[6]。第3章　二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設計　2ASK系統(tǒng)設計　2ASK系統(tǒng)框圖設計圖31　2ASK系統(tǒng)框圖在2ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中，調(diào)制時，將基帶信號與載波相乘形成2ASK信號，解調(diào)時，讓已調(diào)信號通過帶通濾波器，然后通過相乘器與相干載波相乘，最后通過低通濾波器，經(jīng)抽樣判決，恢復出原基帶信號[7]?！?ASK系統(tǒng)仿真及波形分析圖32　2ASK系統(tǒng)仿真波形載波采用高頻正弦波，基帶信號經(jīng)調(diào)制以后，2ASK信號波形隨基帶信號變化，當調(diào)制信號為“1”時有載波信號，當調(diào)制信號為“0”時無載波，也就是說2ASK是用已調(diào)波幅度的變化來傳遞數(shù)字信息的。當2ASK信號經(jīng)過信道時會產(chǎn)生加性噪聲，通過帶通濾波器后濾除部分噪聲，在相乘器中與相干載波相乘進行整流，在經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量，抽樣判決后還原成原基帶信號。圖33　2ASK功率譜密度從圖32和圖33的仿真波形可以看出：第一，2ASK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成；連續(xù)譜取決于單個基帶信號碼元經(jīng)線性調(diào)制后的雙邊帶譜，而離散譜由載波分量確定。第二，2ASK信號的帶寬是基帶信號帶寬的2倍，若只計譜的主瓣（第一個譜零點位置）即2ASK信號的傳輸帶寬是碼元速率的兩倍?！?FSK系統(tǒng)設計　2FSK系統(tǒng)框圖設計圖34　2FSK調(diào)制框圖圖35　2FSK相干解調(diào)框圖2FSK系統(tǒng)分為調(diào)制系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)。圖34為2FSK的鍵控調(diào)制，即在二進制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關電路對兩個不同獨立頻率源進行選通，使其在每一個碼元期間輸出或兩個載波之一，例如，當基帶信號為“1”時選通載波頻率為，根據(jù)2FSK的時域表達式“1”的反碼為“0”，所以基帶信號經(jīng)過一個反相器繼而選通載波頻率，兩路信號在相加器內(nèi)疊加。圖35為2FSK相干解調(diào)原理框圖，其解調(diào)原理是由于2FSK可以看作是兩個頻率不同的2ASK信號的疊加，故其相干解調(diào)可以分解為上下兩路2ASK信號分別進行解調(diào)，每一支路的解調(diào)與2ASK相類似，然后進行判決[8]?！?FSK系統(tǒng)仿真及波形分析圖36　基帶信號與兩種載波的產(chǎn)生圖36中第一個波形是基帶信號的產(chǎn)生，第二個波形為基帶信號反碼的產(chǎn)生，即代表1和0的調(diào)制信號。第三波形和第四波形為兩種不同頻率載波信號的產(chǎn)生。圖37　2FSK產(chǎn)生和信號加噪圖37中第一部分是基帶信號與載波信號1相乘得到的波形，第二部分是基帶信號的反碼與載波信號2相乘得到的波形，第三部分是2FSK信號的波形，可以看出2FSK中載波的頻率受調(diào)制信號的控制，當基帶信號與兩種不同頻率的載波相乘時，形成了兩種不同頻率的2ASK信號，而2FSK則是兩種不同頻率2ASK信號的疊加，若設“1”對應載波頻率，“0”對應于載頻，可以看出在2FSK中載波的頻率隨二進制基帶信號和兩個頻率點之間變化。第四部分是2FSK信號經(jīng)過信道后產(chǎn)生噪聲的2FSK信號。圖38　2FSK相干解調(diào)后的波形圖38第一與第二部分分別是上圖中兩路不同載頻的信號經(jīng)過帶通濾波器并與相干載波相乘后的波形，可以看出2FSK是分為兩路2ASK進行解調(diào)的，抽樣判決后還原成原基帶信號。從圖38可以看出：2FSK信號的波形可以分解為兩個不同載頻的2ASK信號的疊加，根據(jù)載頻的不同來判斷發(fā)送的是0還是1，即說明2FSK是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息的。圖39　2FSK功率譜密度從圖39可以看出：第一，相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜由連續(xù)普和離散譜組成。其中，連續(xù)譜由兩個中心位于和處得雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個載頻和處；第二，連續(xù)譜的形狀隨著兩個載頻之差的大小而變化，若，連續(xù)譜在處出現(xiàn)單峰；若出現(xiàn)雙峰；第三，若以功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算2FSK信號的帶寬近似為　2PSK系統(tǒng)設計　2PSK系統(tǒng)框圖設計圖310　模擬調(diào)制法產(chǎn)生2PSK信號原理框圖圖311　2PSK信號相干解調(diào)原理框圖2PSK系統(tǒng)分為調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)，圖310是2PSK的模擬調(diào)制法產(chǎn)生2PSK信號的原理框圖，基帶信號經(jīng)碼型變換轉(zhuǎn)換成雙極性，這也是與2ASK唯一不同的地方。與載波相乘經(jīng)過乘法器得到2PSK信號。圖311是2PSK相干解調(diào)的原理框圖。相干解調(diào)器由帶通濾波器、相乘器、低通濾波器再經(jīng)抽樣判決組成。2PSK調(diào)制信號經(jīng)過帶通濾波器濾除信道中的噪聲，然后與相干載波相乘，經(jīng)過低通濾波器整流，抽樣判決后還原成原基帶信號[9]?！?PSK系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析圖312　2PSK信號的產(chǎn)生由圖312可以看出，2PSK信號是靠相位的變化來傳遞數(shù)字信息的，即基帶信號受載波的相位控制?！?”與“1”之間的相位相差。當2PSK經(jīng)過信道后有加性噪聲。圖313　2PSK的解調(diào)2PSK經(jīng)帶通濾波之后濾除部分噪聲，然后與相干載波相乘，再經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，抽樣判決解調(diào)后輸出。完成了2PSK的調(diào)制解調(diào)過程?？梢钥吹浇庹{(diào)后的信號與原基帶信號相同。圖314　2PSK功率譜密度從圖314可以看出：功率譜密度與2ASK的十分相似，帶寬也似基帶信號帶寬的兩倍。區(qū)別僅在于的當P=1/2時，其譜中無離散譜（即載波分量），此時2PSK信號實際上相當于抑制載波的雙邊帶信號?？梢钥醋魇请p極性基帶信號作用下的調(diào)幅信號?！?DPSK系統(tǒng)設計　2DPSK系統(tǒng)框圖設計圖315　2DPSK信號調(diào)制器原理圖316　2DPSK差分相干解調(diào)原理框圖圖315是2DPSK采用的鍵控法調(diào)制原理框圖。先對二進制數(shù)字基帶信號進行差分編碼，載波相位為0，載波經(jīng)180176。移向相位為，例如當經(jīng)過碼變換后的基帶信號為1時開關電路打到0相位，當基帶信號為0時打到相位，而后合成2PSK信號。圖316是2DPSK采用差分相干解調(diào)，用這種方法解調(diào)不需要專門的相干載波，只需要由收到的2DPSK信號延時一個碼元間隔，然后與2DPSK信號本身相乘[10]。　2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)波形仿真圖317　2DPSK的產(chǎn)生及碼反變換圖317中第一波形是基帶信號，第二波形是2DPSK已調(diào)信號，從波形中可以看出2DPSK也是靠相位的變化來傳輸數(shù)字信息的，經(jīng)過信道加入噪聲，但我們知道2DPSK是根據(jù)前后碼元相位載波相位變化來傳遞數(shù)字信息的所以要經(jīng)過碼反變換。圖318　2DPSK調(diào)制解調(diào)圖318中第一個波形是經(jīng)過帶通濾波器后波形濾除部分噪聲，然后與相干載波相乘，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量抽樣判決后是原基帶信號。第4章　多進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的仿真設計　4ASK系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析MASK是2ASK的推廣，以4ASK為例仿真，4ASK系統(tǒng)的調(diào)制與2ASK系統(tǒng)類似。調(diào)制器可采用乘法器，解調(diào)器也可采用相干與非相干兩種方法。圖41　4ASK仿真波形圖42　4ASK功率譜密度從圖41和圖42可以看出4ASK是由時間上互不重疊的個不同幅度的2ASK信號疊加而成。MASK信號的功率譜是這個2ASK信號的功率譜之和，因而具有與2ASK功率譜相似的形式。顯然，就MASK信號的帶寬而言，與其分解的任一個2ASK信號的帶寬是相同的，與2ASK信號相比較，當兩者碼元速率相等則兩者帶寬相等，當信息速率相等時MASK信號的帶寬只是2ASK信號帶寬的，故頻帶利用率提高?！?FSK系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析圖43　4FSK仿真波形圖44　4FSK功率譜密度MFSK的調(diào)制與頻譜與2ASK相類似。鍵控法產(chǎn)生的MFSK信號，可以看作由個幅度相同、載頻不同、時間上互不重疊的2ASK信號疊加的結(jié)果。MFSK信號頻譜帶寬為最高選用載頻與最低選用載頻之差加上兩倍的傳輸速率，若相鄰載頻之差等于兩倍的傳輸速率，即相鄰頻率的功率譜主瓣剛好互不重疊，這時的MFSK信號的帶寬為2M倍的傳輸速率，頻帶利用率分別為MASK頻帶利用率的1/M?！?PSK系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析圖45　4PSK基帶信號與功率譜圖及上下支路時域與功率譜波形圖46　上下支路頻帶時域及功率譜圖圖47　解調(diào)后4PSK上下支路基帶信號MPSK信號可以看成是兩個正交載波進行多電平雙邊帶調(diào)制所得兩路MASK信號的疊加。因此，MPSK的頻帶寬度應與MASK時的相同此時信息速率與MASK相同，是2ASK及2PSK的倍。也就是說，MPSK系統(tǒng)的頻帶利用率是2PSK的k倍。從圖45至圖47中可以看出QPSK信號有00、011四種狀態(tài)。它對輸入的二進制序列首先必須進行分組，每兩位碼元一組。即分成上下兩個支路，然后根據(jù)組合情況，用載波的四種相位表征它們。QPSK信號實際上是兩路正交雙邊帶信號。由于QPSK信號是兩個正交的2PSK信號的合成，所以，可仿照2PSK信號的相平解調(diào)法，用兩個正交的相干載波分別檢測A和B兩個分量，然后將其還原成串行二進制數(shù)字信號，以完成QPSK信號的解調(diào)。第5章　結(jié)論與展望本文主要研究了二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)及多進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)，對2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信號進行了波形及功率譜的仿真和它們的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真，以及以四進制為例仿真了多進制時間波形和功率譜密度，通過對上述內(nèi)容的分析可以清楚地看出數(shù)字頻帶調(diào)制的特點，比較它們的特性以便選取。根據(jù)各個調(diào)制系統(tǒng)的帶寬來分析它們的抗噪聲性能具體來說，在2ASK系統(tǒng)中利用模擬調(diào)制的方法實現(xiàn)了2ASK信號的產(chǎn)生以及利用了相干解調(diào)進行了解調(diào)，分析了它的功率譜密度；對2FSK所作的工作是利用matlab仿真了它的調(diào)制和解調(diào)及功率譜密度并對它的頻譜進行了分析；2PSK和2DPSK進行了同樣的工作，從以上這些內(nèi)容對比來看二進制數(shù)字調(diào)制中，從數(shù)據(jù)傳播速率來說PSKFSKASK。ASK抗噪聲性能最差，抗衰落能力不強，因而一般適應在恒參信道中使用，F(xiàn)SK抗噪聲能力較強，實現(xiàn)起來容易，PSK在有線信道上能實現(xiàn)高速傳播，但要求接收機上有穩(wěn)定的參考相位來分辨所使用各種相位，抗噪聲性能最好，抗衰減能力也強，實現(xiàn)起來較為復雜。而多進制與二進制系統(tǒng)相比提高了頻帶利用率但是實現(xiàn)上的復雜性加大，在相同信息速率下，多進制信號碼元持續(xù)時間比二進制的要寬，加寬碼元寬度會增加信號碼元能量也能減小因信道特性引起的碼間干擾的影響等。這些原理推廣到多進制提高了頻帶利用率。數(shù)字通信發(fā)展如新月異，大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展取代了復雜的電路，同時高效的數(shù)字壓縮技術以及光纖等大容量傳輸介質(zhì)的使用正逐漸使帶寬問題得到解決，加上數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸技術的不斷完善和成熟，使整個系統(tǒng)的傳輸有效性和可靠性大大加強，同時新的基帶、頻帶傳輸技術在不斷地開發(fā)和研究中，必將推動數(shù)字通信在各應用領域的快速發(fā)展。參考文獻[1] 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