§４—１二進制數(shù)字調(diào)制§４—２多進制數(shù)字調(diào)制§４—３定時和同步原理學(xué)習(xí)目標１．掌握二進制幅移鍵控（２ＡＳＫ）的工作原理。２．掌握二進制頻移鍵控（２ＦＳＫ）的工作原理。３．掌握二進制相移鍵控（２ＰＳＫ和２ＤＰＳＫ）的工作原理。§４—１二進制數(shù)字調(diào)制一、調(diào)制概述１．基帶信號調(diào)制的過程和作用下圖說明了基帶信號的特征，無論是模擬基帶信號還是數(shù)字基帶信號都有這樣的特點：其頻譜是包括（或不包括）直流分量的低通頻譜，最高頻率和最低頻率之比遠大于１。基帶信號的特征如圖所示是調(diào)制解調(diào)信號的變換過程，從中可以看出調(diào)制在通信中的作用主要有以下幾個方面：（１）調(diào)制將基帶信號頻譜搬移到一定的頻帶范圍以適應(yīng)信道的要求。（２）經(jīng)過調(diào)制后的頻帶信號更容易輻射，從而滿足無線通信的要求。（３）實現(xiàn)頻率分配。（４）實現(xiàn)多路復(fù)用。（５）減少噪聲和干擾的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。調(diào)制解調(diào)信號的變換過程２．調(diào)制的類型如圖所示為調(diào)制的基本過程。根據(jù)輸入信號s（t）的不同，可以將調(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。調(diào)制的基本過程如圖所示，如果調(diào)制以后的頻譜和原始信號頻譜呈線性搬移關(guān)系，則這種調(diào)制為線性調(diào)制。線性調(diào)制和非線性調(diào)制３．?dāng)?shù)字調(diào)制的種類數(shù)字調(diào)制用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳送的信息，其過程類似于對高頻載波信號進行開關(guān)控制的工作狀態(tài)，所以數(shù)字調(diào)制通常稱為數(shù)字鍵控。數(shù)字調(diào)制的種類二、二進制幅移鍵控2ASK（通斷鍵控OOK）用數(shù)字基帶信號對載波幅度進行調(diào)制的方式稱為幅移鍵控。幅移鍵控（也稱振幅調(diào)制）記作ASK，或稱其為開關(guān)鍵控（通斷鍵控），記作OOK（On－OffKeying）。二進制幅移鍵控通常記作2ASK。１．基本原理及其產(chǎn)生方法（１）基本原理2ASK的原理是利用代表數(shù)字信息的“0”或“1”碼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”碼，無載波輸出時表示發(fā)送“0”碼，如圖所示。２ＡＳＫ信號波形示意圖（２）產(chǎn)生方法１）模擬振幅調(diào)制法。通過乘法器直接將高頻載波和二進制數(shù)字基帶信號（單極性不歸零碼波形）相乘得到2ASK信號。２）數(shù)字鍵控法。由二進制數(shù)字基帶信號去控制一個開關(guān)電路，當(dāng)信碼為“1”時，開關(guān)接通，有高頻載波輸出；當(dāng)信碼為“0”時，開關(guān)斷開，無高頻載波輸出。２ＡＳＫ波形的產(chǎn)生方法ａ）模擬振幅調(diào)制法ｂ）數(shù)字鍵控法在實際應(yīng)用中，2ASK信號的實現(xiàn)方法如圖所示。２ＡＳＫ信號的實現(xiàn)方法２．2ASK信號的解調(diào)方法從已調(diào)信號中恢復(fù)基帶信號的過程稱為解調(diào)，它是調(diào)制的逆過程，有兩種基本解調(diào)方法，即非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢波法）。簡單來說，非相干解調(diào)是指接收端不需要恢復(fù)載波信號即可實現(xiàn)解調(diào)，而相干解調(diào)則是在接收端必須恢復(fù)與發(fā)送端一致的載波才能實現(xiàn)解調(diào)。（１）2ASK信號的非相干解調(diào)非相干解調(diào)又稱包絡(luò)檢波法，其原理如圖所示。低通濾波器的作用是濾除高頻雜波，使基帶信號（包絡(luò)）通過。２ＡＳＫ信號的非相干解調(diào)如圖所示是2ASK信號的非相干解調(diào)的各點波形。２ＡＳＫ信號的非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）框圖中各點波形ａ）通過帶通濾波器后的波形ｂ）全波整流后的波形ｃ）包絡(luò)檢波器檢出的包絡(luò)ｄ）取樣判決后恢復(fù)的波形（２）2ASK信號的相干解調(diào)相干解調(diào)就是同步解調(diào)，如圖所示。采用相干解調(diào)接收端必須提供一個與2ASK信號載波保持同頻、同相的相干載波信號，可以通過窄帶濾波器或鎖相環(huán)來提取同步載波。２ＡＳＫ信號的相干解調(diào)（同步解調(diào)）２ＡＳＫ信號的相干解調(diào)框圖中各點波形三、二進制頻移鍵控（2FSK）用數(shù)字基帶信號對載波頻率進行調(diào)制的方式稱為頻移鍵控，頻移鍵控（也稱為頻率調(diào)制）記作FSK，二進制數(shù)字頻移鍵控通常記作2FSK。１．基本原理及其產(chǎn)生方法（１）基本原理

2FSK的原理是用載波的頻率變化傳送數(shù)字信號，即用所傳送的數(shù)字信號控制載波的頻率變化，而載波的幅度則保持不變。如圖所示為2FSK信號波形示意圖。２ＦＳＫ信號波形示意圖（２）產(chǎn)生方法１）模擬調(diào)頻法。所謂模擬調(diào)頻法就是用輸入的基帶脈沖去控制一個振蕩器的某種參數(shù)而達到改變振蕩器頻率的目的，其電路框圖如圖ａ所示。２）頻率選擇法。2FSK信號的另一種產(chǎn)生方法是頻率選擇法，即利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通，如圖ｂ所示。２ＦＳＫ波形的產(chǎn)生方法ａ）模擬調(diào)頻法ｂ）頻率選擇法２．2FSK信號的解調(diào)方法2FSK信號同樣有兩種基本的解調(diào)方法，即相干解調(diào)（相干接收法）和非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）。頻率選擇法產(chǎn)生２ＦＳＫ信號的電路原理圖及各點波形ａ）電路原理ｂ）各點波形（１）相干解調(diào)相干解調(diào)法的電路原理框圖如圖所示。圖中接收信號通過并聯(lián)的兩路帶通濾波器濾波，與接收機電路產(chǎn)生的本地相干載波相乘并經(jīng)過包絡(luò)檢波后，在本地的定時取樣脈沖的控制下進行取樣判決。這種方式設(shè)計出來的接收機都比較復(fù)雜。２ＦＳＫ相干解調(diào)電路原理框圖（２）非相干調(diào)解———分路濾波包絡(luò)檢波法分路濾波包絡(luò)檢波法的電路原理框圖如圖所示。分路濾波包絡(luò)檢波法的缺點是頻帶利用率低，但比較容易實現(xiàn)，主要用于解調(diào)相位不連續(xù)的2FSK信號。２ＦＳＫ信號分路濾波包絡(luò)檢波法電路原理框圖及各點波形ａ）電路原理ｂ）各點波形（３）非相干解調(diào)———過零檢測法如圖所示為過零檢測法的電路原理框圖。過零檢測法的電路原理框圖過零檢測法電路原理框圖中各點波形如圖所示。過零檢測法各點波形３．2FSK的應(yīng)用ITU-T的V.21標準即是2FSK技術(shù)在傳真機上的應(yīng)用，它描述了用于在電話網(wǎng)中進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿?00bps的Modem的技術(shù)參數(shù)，其主呼頻率為1270Hz（1碼）、1070

Hz（0碼），被呼頻率為2225Hz（1碼）、2025Hz（0碼），這樣主叫和被叫各有一對頻率的信號在同一條電話線上雙向傳輸而互不干擾。四、二進制相移鍵控（2PSK）１．基本原理及其產(chǎn)生方法（１）絕對相移鍵控（PSK）絕對相移鍵控就是利用同一載波的不同相位去直接傳送數(shù)字信號，而載波振幅和頻率保持不變的一種方法。2PSK波形示意圖如圖所示，圖中所有數(shù)字信號“１”碼對應(yīng)載波信號的π相位，而“０”碼對應(yīng)載波信號的０相位（反之亦可）。２ＰＳＫ波形示意圖二進制相移鍵控信號的產(chǎn)生方法主要有兩種：模擬調(diào)相法和相移鍵控法（見圖）。2PSK模擬調(diào)相法的框圖如圖ａ所示，2PSK相移鍵控法的框圖如圖ｂ所示。２ＰＳＫ信號的產(chǎn)生方法ａ）模擬調(diào)相法ｂ）相移鍵控法（２）相對相移鍵控（DPSK）相對相移鍵控也稱差分相移鍵控，它用載波相位的相對變化來傳送數(shù)字信號，即數(shù)字１和０信號的相位不是以某個固定的相位（如載波的相位）為基準，而是以相鄰的前一碼元的相位為基準。2DPSK波形示意圖如圖所示。２ＤＰＳＫ波形示意圖2DPSK信號的產(chǎn)生方法有模擬調(diào)相法和相移鍵控法，如圖所示，一般采用相移鍵控法，即先將絕對碼轉(zhuǎn)換為相對碼，然后使用該相對碼進行絕對調(diào)相。所謂絕對碼是指每一脈沖只決定本身的值，與前后碼元無關(guān)；而相對碼則是指用前后脈沖的差別來傳輸數(shù)字信息。２ＤＰＳＫ信號的產(chǎn)生方法ａ）模擬調(diào)相法ｂ）相移鍵控法絕對碼和相對碼是可以互相轉(zhuǎn)換的，實現(xiàn)的方法是使用模二加法器和延遲器（延遲一個碼元寬度Tb），如圖所示。絕對碼與相對碼的互相轉(zhuǎn)換電路ａ）絕對碼轉(zhuǎn)換為相對碼ｂ）相對碼轉(zhuǎn)換為絕對碼如圖所示為信碼為00111001的2PSK和2DPS波形。信碼為００１１１００１的２ＰＳＫ和２ＤＰＳＫ波形２．相移鍵控矢量圖為了便于理解相移鍵控，一般將每個碼元用圖所示的矢量圖表示。根據(jù)ITU-T建議，圖ａ稱為Ａ方式，圖ｂ稱為Ｂ方式。在Ａ方式中，每個碼元的載波相位相對基準相位可?。盎颚校辉冢路绞街?，每個碼元的載波相位相對基準相位可取。

２ＰＳＫ矢量圖ａ）Ａ方式ｂ）Ｂ方式３．相移鍵控的解調(diào)（１）絕對相移鍵控的解調(diào)絕對相移鍵控（2PSK）的解調(diào)原理框圖如圖所示。２ＰＳＫ的解調(diào)原理框圖二進制絕對相移鍵控解調(diào)各點波形如圖所示。2PSK信號相干解調(diào)的過程實際上是輸入信號與本地載波信號進行極性比較的過程，這種解調(diào)方法通常稱為極性比較法。２ＰＳＫ解調(diào)各點波形在2PSK解調(diào)中，關(guān)鍵是恢復(fù)發(fā)送端的載波信號。通常的方法是倍頻—分頻法，如圖所示。倍頻—分頻法提取相干載波法框圖（２）相對相移鍵控的解調(diào)１）極性比較法解調(diào)實際上是產(chǎn)生相對相移鍵控的反過程，即先按絕對相移鍵控接收，將2DPSK信號解調(diào)為相對碼基帶信號，然后經(jīng)過碼型變換器將相對碼變換為絕對碼。極性比較法解調(diào)原理框圖及各點波形如圖所示。極性比較法解調(diào)原理框圖及各點波形ａ）原理框圖ｂ）各點波形２）相位比較法解調(diào)直接使用相位比較器比較前、后碼元載波的相位差而實現(xiàn)解調(diào)，故又稱為差分相干解調(diào)，如圖所示。相位比較法解調(diào)ＤＰＳＫ原理框圖上圖中取樣判決器的判決原則如下：取樣值大于0時判“0”，取樣值小于0時判“1”。如圖所示為相位比較法解調(diào)DPSK原理框圖中各點波形。相位比較法解調(diào)ＤＰＳＫ原理框圖中各點波形相位比較法解調(diào)ＤＰＳＫ原理框圖中各點波形極性比較法解調(diào)與相位比較法解調(diào)這兩種解調(diào)方案，都能進行DPSK解調(diào)，都不存在相位倒置問題。五、二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較１．頻帶寬度當(dāng)碼元寬度為TS時，2ASK系統(tǒng)、2PSK系統(tǒng)和2DPSK系統(tǒng)的帶寬均為2／TS，2FSK系統(tǒng)的帶寬為｜f２－f1｜＋２／TS。也就是說，當(dāng)傳輸碼率相同時，PSK、DPSK、ASK系統(tǒng)具有相同的帶寬，而FSK系統(tǒng)的頻帶利用率最低。２．設(shè)備的復(fù)雜性對于二進制幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控三種調(diào)制方式來說，發(fā)送端設(shè)備的復(fù)雜性相差不多。而接收端的復(fù)雜程度則與所選用的調(diào)制和解調(diào)方式有關(guān)。對于同一種調(diào)制方式，采用相干解調(diào)的設(shè)備要比非相干解調(diào)時復(fù)雜，而同為非相干解調(diào)時，2DPSK的設(shè)備最復(fù)雜，2FSK次之，2ASK最簡單。綜上所述，在選擇調(diào)制、解調(diào)方式時，就系統(tǒng)的抗噪聲性能而言，2PSK系統(tǒng)最好，但會出現(xiàn)倒相問題，所以2DPSK系統(tǒng)更實用。如果對數(shù)據(jù)傳輸率要求不高（1200bps或以下），特別是在衰落信道中傳送數(shù)據(jù)，則2FSK系統(tǒng)可作為首選。學(xué)習(xí)目標１．掌握多進制幅移鍵控（ＭＡＳＫ）的概念。２．掌握多進制頻移鍵控（ＭＦＳＫ）的概念。３．掌握多進制相移鍵控（ＭＰＳＫ）的概念。４．了解其他數(shù)字調(diào)制技術(shù)。§４—２多進制數(shù)字調(diào)制一、多進制幅移鍵控（MASK）多進制幅移鍵控（MASK）又稱多電平調(diào)幅，使用多進制數(shù)字基帶信號調(diào)制發(fā)送載波的幅度參數(shù)，產(chǎn)生多電平調(diào)幅信號。MASK是一種高效率的傳輸方式，它在單位頻帶內(nèi)的信息傳輸速率較高。但由于它的抗噪聲能力較差，尤其是抗衰落的能力不強，因而一般只適宜在恒參信道下采用，比如常見的明線、對稱電纜和同軸電纜等有線信道。在M進制幅移鍵控信號中，載波幅度有M種。當(dāng)M＝４時，MASK信號的波形如圖所示。４ＡＳＫ波形示意圖ａ）多進制基帶信號ｂ）４ＡＳＫ的已調(diào)波形二、多進制頻移鍵控（MFSK）多進制頻移鍵控（MFSK）簡稱多頻調(diào)制，它用M個不同頻率的載波代表Ｍ種數(shù)字信號，是2FSK的直接推廣。MFSK是無線通信中廣泛采用的一種調(diào)制方式，它的主要缺點是信號頻帶寬、頻帶利用率低。因此，MFSK多用于調(diào)制速率較低及多徑延時比較嚴重的信道，如無線短波信道。三、多進制相移鍵控（MPSK）多進制相移鍵控又稱多相制，是二進制相移鍵控的推廣。它是利用載波的多種不同的相位狀態(tài)來表征數(shù)字信息的調(diào)制方法。多進制相移鍵控的基本規(guī)則是用多進制數(shù)字脈沖信號作為調(diào)制信號，控制同一頻率載波的相位，產(chǎn)生多種不同相位的同頻多相信號。MPSK信號還可以用矢量圖來描述，在矢量圖中通常以未調(diào)制載波相位作為參考矢量。如圖中分別畫出了M＝２、M＝４、M＝８三種情況下的矢量圖。二相、四相、八相數(shù)字調(diào)制矢量圖ａ）Ａ方式相移系統(tǒng)ｂ）Ｂ方式相移系統(tǒng)二進制數(shù)字調(diào)制相位邏輯見表，四進制數(shù)字調(diào)制相位邏輯見，八進制數(shù)字調(diào)制相位邏輯見表。二進制數(shù)字調(diào)制相位邏輯四進制數(shù)字調(diào)制相位邏輯八進制數(shù)字調(diào)制相位邏輯１．四相相移鍵控（4PSK、QPSK）四相相移鍵控（4PSK）可以由一個正交調(diào)制而得到，因此又稱它為正交相移鍵控（QPSK）。如圖所示為用模擬調(diào)相法產(chǎn)生Ｂ方式4PSK信號的原理框圖。用模擬調(diào)相法產(chǎn)生Ｂ方式４ＰＳＫ信號的原理框圖用相移鍵控法產(chǎn)生4PSK信號的原理框圖如圖所示。用相移鍵控法產(chǎn)生４ＰＳＫ信號的原理框圖由于四相絕對相移信號可以看成兩個正交2PSK信號的合成，對應(yīng)圖中Ｂ方式的4PSK信號的解調(diào)，可以采用與2PSK信號類似的解調(diào)方法進行解調(diào)。Ｂ方式４ＰＳＫ信號相干解調(diào)的原理框圖２．四相相對相移鍵控（QDPSK）所謂四相相對相移鍵控是利用前后碼元之間的相對相位變化來表示數(shù)字信息的。四、其他數(shù)字調(diào)制技術(shù)簡介１．多進制正交幅度調(diào)制（QAM）正交幅度調(diào)制（QAM）是幅度與相位相結(jié)合的調(diào)制方式，這種方式屬于數(shù)字復(fù)合調(diào)制方式，一般稱為幅相鍵控（APK）調(diào)制。它是利用兩個獨立的基帶波形對兩個相互正交的載波進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，即利用已調(diào)信號在相同帶寬內(nèi)的頻譜正交來實現(xiàn)兩路數(shù)字信號的傳輸。ＱＡＭ調(diào)制和解調(diào)的原理框圖ａ）ＱＡＭ調(diào)制ｂ）ＱＡＭ解調(diào)２．最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制和高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）（１）MSK調(diào)制MSK是FSK的一種改進形式。由于MSK的頻偏量小，并且在兩個相鄰碼元的頻率跳變處的相位是連續(xù)的，所以MSK信號的諧波分量小，對鄰道干擾小，占用的頻帶窄。（２）GMSK調(diào)制盡管MSK具有包絡(luò)恒定、帶寬相對較窄和能相干解調(diào)等優(yōu)點，但它不能滿足諸如移動通信中對帶外輻射的嚴格要求，所以還必須對MSK做進一步的改進。高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）就是在MSK調(diào)制器之前，用高斯低通濾波器對輸入數(shù)據(jù)進行處理。３．正交頻分復(fù)用（OFDM）正交頻分復(fù)用（OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，它利用載波間的正交性進一步提高頻譜利用率，而且可以抗窄帶干擾和抗多徑衰落。（１）OFDM的基本原理OFDM的基本原理如圖所示。OFDM的基本思想是將一個寬頻信道分成若干個正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進行傳輸。ＯＦＤＭ的基本原理（２）OFDM與傳統(tǒng)FDM的區(qū)別１）傳統(tǒng)FDM：為避免載波間干擾，需要在相鄰的載波間保留一定的保護間隔，如圖所示，大大降低了頻譜效率。ＦＤＭ載波排列２）OFDM：各（子）載波重疊排列，同時保持（子）載波的正交性（通過FFT實現(xiàn)），如圖所示，從而在相同帶寬內(nèi)容納數(shù)量更多的（子）載波，提升頻譜效率。ＯＦＤＭ載波排列學(xué)習(xí)目標１．了解定時系統(tǒng)的作用及種類。２．了解同步系統(tǒng)的作用及種類?！欤础扯〞r和同步原理一、定時系統(tǒng)定時就是提供嚴格的定時脈沖控制數(shù)字通信系統(tǒng)各部分功能部件始終按規(guī)定的節(jié)拍工作。定時系統(tǒng)提供取樣、分路、編碼、譯碼、標志信號系統(tǒng)以及匯總、分離等部件的指令脈沖，以使整體各部分都能在規(guī)定的時間內(nèi)準確、協(xié)調(diào)地工作。這些定時脈沖主要有三類：供取樣與分路用的取樣脈沖；供編碼與解碼用的位脈沖；供標志信號用的復(fù)幀脈沖。二、同步系統(tǒng)１．載波同步當(dāng)采用同步解調(diào)或相干檢測時，接收端必須提供一個與發(fā)送載波同頻、