ch5(2)_数字频率和相位调制

1、第第5章章 频带传输及调制技术频带传输及调制技术 5.2 5.2 二进制频率键控调制（二进制频率键控调制（2FSK2FSK） 5.2.1 2FSK5.2.1 2FSK信号的产生信号的产生 5.2.2 2FSK5.2.2 2FSK信号的解调信号的解调 5.2.3 2FSK5.2.3 2FSK所需带宽所需带宽 5.3 5.3 数字相位调制数字相位调制 5.3.1 5.3.1 二相绝对移相调制（二相绝对移相调制（2PSK2PSK） 5.3.2 5.3.2 二相相对移相调制（二相相对移相调制（2DPSK2DPSK）5.2 5.2 二进制频率键控调制（二进制频率键控调制（2FSK2FSK） 5.2.1

2、2FSK 5.2.1 2FSK信号的产生信号的产生 5.2.2 2FSK5.2.2 2FSK信号的解调信号的解调 5.2.3 2FSK5.2.3 2FSK所需带宽所需带宽 5.2.1 2FSK5.2.1 2FSK信号的产生信号的产生 用数字基带信号去控制正弦载波的频率，使载波用数字基带信号去控制正弦载波的频率，使载波信号的频率随基带信号的变化而变化，而载波振信号的频率随基带信号的变化而变化，而载波振幅保持不变。幅保持不变。 调制方法：直接法和间接法。调制方法：直接法和间接法。1.直接法直接法直接调频法是产生直接调频法是产生2FSK2FSK信号最简单的一种方法，它信号最简单的一种方法，它用数字基

3、带信号直接控制振荡电路的参数（用数字基带信号直接控制振荡电路的参数（L L或或C C的值）变化以达到改变频率的目的的值）变化以达到改变频率的目的 。直接调制数学表达式：直接调制数学表达式： 式中：式中：A为载波振幅，为载波振幅， 0是未调载波频率是未调载波频率 0为载波初相位为载波初相位 为频率偏移为频率偏移 d )(cos)(0d0tmtAtSdddd 基带信号为基带信号为 0 Tg(t) Tt0 1 g(t) p 0 p)- 1 ( 1 )()(SS其它的矩形脉冲是持续时间为概率为概率为nnSnanTtgatm当an=1时，VD1、VD2截止，振荡频率由L和C决定；当an=1时，等效电路；

4、当an=0时，VD1、VD2导通，频率由L、C、C1决定。 波形图波形图2. 频率选择法频率选择法 原理：原理：用基带信号去控制开关电路的变换以达到输出频率变化的目的。 适用于数字电路 。 实现电路。实现电路。 1m(t) if t)Acos(w 0m(t) if t)Acos(w 21 )(tFSKw1m(t)w2 波形图波形图 数学表达式数学表达式)cos()()cos()()(2211tnTtgatnTtgatSnsnsnp-1 1- 1 )()(概率为概率为概率为概率为 psnTtgnatm na其其中中 频率选择法：频率选择法： 原理图如下：原理图如下：频率选择法是用数字矩形脉冲（基

5、带信频率选择法是用数字矩形脉冲（基带信号）控制电子开关在两个振荡器进行转号）控制电子开关在两个振荡器进行转换。从而输出不同频率的信号的方法换。从而输出不同频率的信号的方法。5.2.2 2AFK信号的解调信号的解调1. 相干解调相干解调2.非相干解调非相干解调1.相干解调法相干解调法 相干解调法相干解调法（1）先S（t)用两个中心频率分别为1和2的带通滤波器把代表“1”和“0”的振荡分离出来，形成两个不同频率的2ASK信号。（2）再通过同步检波器，经抽样判决电路比较两路输出、的大小，最终决定输出是1还是0。若x(t)y(t)，输出0； x(t) y(t)，输出1。 2.非相干解调非相干解调 抗干

6、扰性不强，但无需本地相干载波，实抗干扰性不强，但无需本地相干载波，实现起来比较容易。现起来比较容易。 分路滤波解调法：用多路检波器代替分路滤波解调法：用多路检波器代替 鉴频器法鉴频器法 过零检测法过零检测法 差分检测法差分检测法 最佳非相干解调法最佳非相干解调法BPF抽样判决器包络检波器抽样脉冲抽样脉冲输入已调信号输入已调信号输出基带信号输出基带信号BPF包络检波器w2w1V1(t)V2(t)两个中心频率分别为f1和f2的窄带滤波器的作用是取出频率为f1或f2的高频信号判决的准则是当抽样值满足v1V2时判为f1频率代表的数字基带信号，当v1v2时判为f2频率代表的数字基带信号包络检波器将各自的

7、包络取出至抽样判决器，抽样判决在抽样脉冲到达时对包络的取值进行判决，BPF抽样判决器包络检波器抽样脉冲抽样脉冲输入已调信号输入已调信号输出基带信号输出基带信号BPF包络检波器w2w1(1) (1) 分路滤波解调法分路滤波解调法(2)最佳非相干解调法最佳非相干解调法 当已调信号中的两个载频的频差较小时，即时，分路滤波解调法中的带通滤波器不能很好的将信号分离，这时可采用最佳非相干解调法. 与分路滤波法相比，最佳非相干解调法将带通滤波器与分路滤波法相比，最佳非相干解调法将带通滤波器换成了匹配滤波器，使它对换成了匹配滤波器，使它对2FSK信号有良好的分路特信号有良好的分路特性，以消除两个支路之间的相互

8、干扰。性，以消除两个支路之间的相互干扰。( (动态滤波器）动态滤波器） 动态滤波器，当输入信号频率与某一路滤波动态滤波器，当输入信号频率与某一路滤波器频率相同时，在码元终止时刻，该路滤波器频率相同时，在码元终止时刻，该路滤波器的输出信号包络将达到最大值，而另一路器的输出信号包络将达到最大值，而另一路滤波器的输出信号包络为零。滤波器的输出信号包络为零。 (3) 鉴频器法鉴频器法 鉴频器的作用就是把输入信号的频率变化变换成输出电压瞬时幅度的变化，即鉴频器输出电压的瞬时幅度与输入已调波的瞬时频率偏移成正比。鉴频器可由一个带微分器的包络检波器组成。（参看补充教材P90） )()(0tmAtAd(4)

9、(4) 过零检测法过零检测法 过零检测法是根据2FSK信号的过零点数随载频不同而变化，通过检测2FSK信号的过零点数目来实现解调的方法。 5.2.3 2FSK5.2.3 2FSK所需带宽所需带宽 可以把他们当成同时存在的两个频率来研究。此时可可以把他们当成同时存在的两个频率来研究。此时可以把以把FSKFSK的频谱当成中心频率分别为的频谱当成中心频率分别为f fc0c0和和f fc1c1的两个的两个ASKASK频频谱的组合。谱的组合。FSKFSK所要求的带宽等于信号波特率加上频移值所要求的带宽等于信号波特率加上频移值（两个载波频率的差值），即（两个载波频率的差值），即 BW=BW=（f fc1c

10、1-f-fc0c0）+ +N Nbaudbaud (5.24)(5.24) 式中，式中，f fc1c1较高的载波频率，较高的载波频率，f fc0c0较低的载波频较低的载波频率。率。N Nbaudbaud波特率。波特率。 FSKFSK中波特率和带宽的关系如图中波特率和带宽的关系如图5.155.15所示。所示。 例例5 52 2一相位不连续的一相位不连续的2FSK2FSK信号，发信号，发“1”1”码时信号为码时信号为A Acos(2 000)cos(2 000)，发，发“0”0”码时信号为码时信号为A Acos(8 000cos(8 000，码元速率为，码元速率为600 Baud600 Baud，

11、则系统的频带宽度为多少？，则系统的频带宽度为多少？传输模式为全双工方式。传输模式为全双工方式。 解：根据正弦波角频率与频率之间的关系，解：根据正弦波角频率与频率之间的关系，=2f,=2f,所以两个信号的频率分别为所以两个信号的频率分别为1000Hz1000Hz和和4000Hz4000Hz。而波特率等于比特速率。而波特率等于比特速率（即码元速率），所以波特率为（即码元速率），所以波特率为600600波特。波特。 根据公式根据公式(5.24)(5.24)可知系统的带宽为可知系统的带宽为 BW=BW=（ f fc1c1- f- fc0c0）+ +N Nbaudbaud= =（4000-1000400

12、0-1000）+600=3600Hz+600=3600Hz。 由于系统采用的是由于系统采用的是全双工模式，所以，传全双工模式，所以，传输介质的带宽应为输介质的带宽应为7200Hz7200Hz。5.3 数字相位调制数字相位调制 用数字基带信号去控制正弦载波的相位，用数字基带信号去控制正弦载波的相位，使载波信号的相位随基带信号的变化而变使载波信号的相位随基带信号的变化而变化，分为：化，分为： 绝对相位调制和相对相位调制。5.3 5.3 数字相位调制数字相位调制 5.3.1 5.3.1 二相绝对移相调制（二相绝对移相调制（2PSK2PSK） 5.3.2 5.3.2 二相相对移相调制（二相相对移相调制

13、（2DPSK2DPSK）5.3.1 5.3.1 二相绝对移相调制（二相绝对移相调制（2PSK2PSK） 二进制二进制/二相绝对移相调制，用载波相位的二相绝对移相调制，用载波相位的不同值表示不同的数字信号，如不同值表示不同的数字信号，如0相位表示相位表示1，相位表示相位表示0，它们相位差为，它们相位差为 ，固定参，固定参考相位为考相位为0o所以称为绝对移相所以称为绝对移相. 1. 2PSK信号信号 2. 2PSK信号的产生 3. 2PSK信号的解调信号的解调 4.PSK4.PSK所需带宽所需带宽 1. 2PSK信号信号 1. 2PSK信号信号 波形图波形图 矢量图：矢量图： 参考相位参考相位 0

14、 panTnTtganTtgnTtgnssnsstPSK 1 1- p 1)(cos0wt)cos(w)()t)sin(sin(w-)t)cos(cos(w )( )tcos(w )( 0000000000)(概率为概率为概率为概率为相位）相位）和和有有个码元的载波相位（仅个码元的载波相位（仅为第为第为码元持续时间，为码元持续时间，为载频，为载频，其中，其中， 表达式2PSK信号信号 2PSK信号的产生：信号的产生： 调相法：调相法： 相位选择法：相位选择法：m(t) 码变换2PSKcos(w0t)单极性双极性调相法调相法2. 2PSK信号的产生信号的产生正极性时载波相正极性时载波相位不变，负

15、极性位不变，负极性时载波相位相反时载波相位相反w0t倒相器1m(t) if )Acos(wt 0m(t) if Acos(wt) )(tPSKm(t)0o相位选择法相位选择法2PSK信号的产生信号的产生w0t倒相器1m(t) if )Acos(wt 0m(t) if Acos(wt) )(tPSKm(t)0o相位选择法相位选择法 2PSK信号的解调：信号的解调： 相干解调法：3. 2PSK信号的解调信号的解调BPF乘法器乘法器抽样判决器LPF定时抽样定时抽样2PSK信号信号基带信号基带信号相干波发生器相干波发生器acbdfecos(w0t)2PSK信号信号BPF乘法器乘法器抽样判决器LPF定时

16、抽样定时抽样基带基带信号信号相干波发生器相干波发生器acbdfe11010010cos(w0t) 相干解调法缺点： 相位模糊。相位模糊。2PSK信号的解调关键是要产信号的解调关键是要产生相干载波，由于产生生相干载波，由于产生相干载波的相位具相干载波的相位具有不确定性有不确定性(由载波提取电路本身引起由载波提取电路本身引起的的），即可能出现即可能出现0或或两种相位状态两种相位状态（当本地载波与发端载波同频反相时，相当本地载波与发端载波同频反相时，相干解调会将干解调会将“1”判成判成“0”， “0”判成判成“1”） ，导致被接受的信号有可能检测，导致被接受的信号有可能检测出极性完全相反的两种基带脉

17、冲序列出极性完全相反的两种基带脉冲序列相对相移键控相对相移键控3. 2PSK信号的解调信号的解调抽样判决器定时脉冲cosct输出anx(t)z(t)y1(t)yi(t)(a)an10112PSK信号本地载波z(t)tttttx(t)ttt1000定时脉冲抽样值anan10112PSK信号本地载波z(t)tttttx(t)ttt1011定时脉冲抽样值an(b)(c)2PSK信号的解调(a) 方框图；(b)正常工作波形图； (c)反向工作波形图 BPTLPT4. PSK4. PSK所需带宽所需带宽 PSKPSK所需最小带宽的计算与所需最小带宽的计算与ASKASK所需最小带所需最小带宽的计算的原理相

18、同，宽的计算的原理相同，PSKPSK所需带宽的图形所需带宽的图形与与图图5.55.5相同。相同。 但是，正如我们所了解的，在但是，正如我们所了解的，在PSKPSK调制传输调制传输系统中的最大比特率要比系统中的最大比特率要比ASKASK大得多。因此，大得多。因此，尽管在相同的带宽下尽管在相同的带宽下ASKASK与与PSKPSK的最大波特的最大波特率相同，但率相同，但PSKPSK的比特率却可以是的比特率却可以是ASKASK的两的两倍或更多。倍或更多。 例例5 53 3 设某传输系统的带宽为设某传输系统的带宽为4000Hz4000Hz，分别求出分别求出2PSK2PSK、4PSK4PSK和和8PSK8

19、PSK的波特率的波特率和比特率。设数据采用半双工传送方和比特率。设数据采用半双工传送方式。式。 解解：在：在2PSK2PSK系统中，其波特率就等于系统系统中，其波特率就等于系统的带宽，因此可知，的带宽，因此可知，2PSK2PSK的波特率为的波特率为40004000。它的比特率也为它的比特率也为4000bps4000bps。 在在4PSK4PSK和和8PSK8PSK系统中，他们的波特率不变，系统中，他们的波特率不变，均为均为40004000，但比特率却是，但比特率却是2PSK2PSK的的2 2倍和倍和3 3倍，倍，分别为分别为8000bps8000bps和和12 000bps.12 000bps

20、.5.3.2 5.3.2 二相相对移相调制（二相相对移相调制（2DPSK2DPSK） 二相相对移相调制，参考相位是前一个相二相相对移相调制，参考相位是前一个相邻码元的相位，不再是固定的载波邻码元的相位，不再是固定的载波0相位相位. 1.2DPSK信号产生 2.2DPSK信号解调an平衡调相法平衡调相法 码变换2DPSK 2PSK调制绝对码绝对码相对码相对码1. 2DPSK1. 2DPSK信号产生信号产生既差分码：用比特开始时刻电平的跳变来表示“1”每个脉冲只决定于它所代表的码元的值，前后脉冲之间互不相关。信号波形：图 7 - 152DPSK信号调制过程波形图绝对码相对码载波DPSK信号1011

21、00100 解调解调 极性比较法极性比较法 相位比较法（差分相干解调法）相位比较法（差分相干解调法） ：直接进行直接进行前后码元的相位比较。前后码元的相位比较。2PSK信号信号相干解调相干解调码变换码变换m(t)2DPSKLPF抽样判决器抽样判决器m(t)2DPSK延迟延迟Tsy1(t)y2(t)z(t)x(t)2. 2DPSK2. 2DPSK信号解调信号解调相对码绝对码t10110ant2DPSK信号y1(t)ty2(t)tz(t)tx(t)t抽样脉冲ann波形图t10110 本本 章章 小小 结结 信号经调制后再传输的方式称为频带传输。在数据通信中采用的是数字调制，实现数字调制的方法有幅度

22、调制、频率调制、相位调制等。 幅度调制利用数字基带信号控制载波的幅度来传送信息。常用的幅度调制方式有二进制振幅键控调制（2ASK）、多进制振幅键控调制（MASK）、双边带抑制载波调制（DSBSC）及正交幅度调制（QAM）等。对于幅度调制信号的解调方法有两种，即相干解调和非相干解调。 频率调制利用数字基带信号控制载波的频率来传递信息。常用的频率调制方式有二进制频移键控调制（2FSK）、多进制频移键控调制（MFSK）及最小频移键控（MSK）等。对于频率调制信号的解调方法分为相干解调和非相干解调两类。非相干解调又包含最佳非相干解调法、分路滤波法、鉴频器法、过零检测法及差分检波法等多种方法。 相位调制利用数字基带信号控制载波的相位变化来传递信息。常用的相位调制方式有绝对移相的相移键控（PSK）和相对移相的相移键控（DPSK）。对于PSK信号采用相干解调方法，而DPSK信号的解调方法有极性比较法和相位比较法两种。 为了获得较好的频带利用率和功率利用率，可采用幅度相位混合调制（APK）方式，即对载波的振幅和相位同时进行数字调制的方式，适用于高效率的通信方式中. 例例1：