第5章 数字信号的频带传输

——相干解调（极性比较法） 2PSK信号的解调只能采用相干解调的 方法，其方框图及波形如图5-23所示。
图 5 23
2
PSK
信 号 的 解 调
② 2DPSK信号的解调
——极性比较法和差分检测法 极性比较——码变换法即是2PSK解调 加差分译码，其方框图如图5-24（a）所示， 2DPSK解调器将输入的2DPSK信号还原成 相对码{bn}，再由差分译码器把相对码转 换成绝对码，输出{an}。
（2） 双边带（DSB）信号
在图5-2中，如果输入的基带信号没有 直流分量，或将直流分量抑制掉，且H（ω） 同上，则得到的输出信号便是无载波分量 的双边带调制信号，或称双边带抑制载波 （DSB-SC）调制信号，简称DSB信号。
图5-2 线性调制器的一般模型
（3） 单边带（SSB）信号
双边带调制信号包含有两个边带，即 上、下边带。由于这两个边带包含的信息 相同，因而，从信息传输的角度来考虑， 传输一个边带就够了。所谓单边带调制， 就是只产生一个边带的调制方式。
5.2 二进制数字调制
数字调制信号，在二进制时有振幅键 控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键 控（PSK）三种基本信号形式，如图5-7所 示。 根据已调信号的频谱结构特点的不同， 数字调制也可分为线性调制和非线性调制。 这种把基带数字信号变换为频带数字 信号的过程称为数字调制，反之，称为数 字解调。
已调信号可以看成是两个不同载频的幅度 键控已调信号之和，由此可求得它的功率 谱密度。
3. 二进制移相键控及二进制差
分相位键控（2PSK及2DPSK）
（1） 绝对移相和相对移相的概念 ① 绝对移相（2PSK）
二进制移相键控中，载波的相位随数 字基带信号1或0而改变。通常用相位0表示 数字信号“0”，用相位π表示数字信号 “1”。则已调信号可表示为 e0（t）=cos（ωct+φi），且φi=0或π 则有e0（t）=±cosωct。
（2） 2FSK信号的解调
二进制频移键控信号的解调方法很多， 常采用非相干检测法（包络检测法）和相 干检测法（同步检波法），还有过零检测 法、差分检波法等。 ① 包络检测法 2FSK信号的包络检测方框图及波形 图如图5-16所示。用两个窄带的分路滤波 器分别滤出频率为f1及f2的高频脉冲，经包 络检测后分别取出它们的包络。
1. 幅度调制的原理
若基带信号为m（t），则幅度调制信 号（已调信号）一般可表示成
Sm（t）=Am（t）· cos（ωct+φ0）
（1） 调幅（AM）信号
如果输入的基带信号m（t）带直流分 量，则它可以表示为m0与m‘（t）之和，其 中， m0 是m（t）的直流分量，m’（t）是 表示消息变化的交流分量。
图5-24 2DPSK信号的解调方框图
（4） 2PSK和2DPSK信号的
功率谱及带宽
先讨论2PSK信号的频谱。将2ASK
和2PSK的表达式比较可见，它们形式
上是完全相同的，所不同的只是an的取
值。前者an为单极性，后者an为双极性。
由以上分析可以看出: 第一，二相绝对移相信号的功率谱密 度同样由离散谱与连续谱两部分组成，但 当双极性基带信号以相等的概率(P=1/2)出 现时，将不存在离散谱部分，其连续谱部 分与2ASK信号的连续谱基本相同（仅相差 一个常数因子）。 第二，2PSK信号的带宽也与2ASK信 号的相同，即带宽B2PSK=B2ASK=2fs。
5.1 调制与解调原理 5.2 二进制数字调制 5.3 二进制数字调制
系统的抗噪声性能
5.4 多进制数字调制 5.5 改进的数字调制技术
5.1 调制与解调原理
载波选用正弦型载波，基带信号为模 拟信号，设正弦型载波为
s（t）=Acos（ωct+φ0）
式中 A ωc φ0 ——载波的幅度 ——载波角频率 ——载波的初始相位
图5-7 正弦载波的三种键控波形
1. 二进制振幅键控（2ASK）
二进制数字振幅键控是数字调制中出 现最早的，也是最简单的，是研究其他各 种数字调制的基础。振幅键控，记作ASK （Amplitude Shift Keying），或称为开关 键控（通断键控），记作OOK（On Off Keying）。二进制数字振幅键控通常记作 2ASK。
（4） 残留边带（VSB）信号
残留边带调制是介于双边带与单边带 之间的一种线性调制。它既克服了双边带 调制信号占用频带宽的缺点，又解决了单 边带信号实现上的难题。
2. 幅度调制信号的解调原理
对幅度调制信号，解调的基本方法有 两种：一种是包络检波法，一种是相干解 调（或称同步解调）。
（1） 包络检波法
数 字 频率 调 制又 称 移频 键 控 ， 记 作
FSK（Frequency Shift Keying），二进制
移频键控记作2FSK。
（1） 2FSK信号的调制方法
前面已提到，2FSK信号可以采用模 拟调频法和数字键控法来产生。模拟调 频法：用数字基带矩形脉冲控制一个振荡 器的某些参数（例如电容C），可直接改 变振荡频率，使输出得到不同频率的已调 信号。 数字键控法：它是用数字矩形脉冲控 制电子开关，使电子开关在两个独立的振 荡器之间进行转换，从而在输出端得到不 同频率的已调信号。
1. 多进制数字振幅调制的原
理及抗噪声性能
（1） 多进制数字振幅调制的原理
多进制数字振幅调制又称多电平调 制。这种方式在原理上是通断键控 （OOK）方式的推广。
（2） MASK信号的带宽及频带利用率
包络检波法的原理方框图如图5-11所 示。带通滤波器恰好使2ASK信号完整地通 过，经包络检测后，输出其包络。
图5-11 2ASK信号的包络检波
（3） 2ASK信号的功率谱及带宽
下面分析二进制振幅键控信号的频谱。 由于二进制振幅键控信号是随机的、功率 型的信号，故研究频谱特性时，应该讨论 它的功率谱密度。 ① 因为2ASK信号的功率谱密度PE（f） 是相应的单极性数字基带信号功率谱密度 Ps（f）形状不变地平移至±fc 处形成的， 所以2ASK信号的功率谱密度由连续谱和离 散谱两部分组成。
（2） 2PSK和2DPSK信号的调制
模拟调相法：原理框图如图5-22（a）
所示，码变换器（即差分编码器）是用来
完成绝对码波形到相对码波形变换的，去
掉码变换器，则可进行2PSK信号的调制。
图5-22 2PSK和2DPSK调制方框图
（3） 2PSK和2DPSK信号的解调
① 2PSK信号的解调
5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能
1. 振幅键控（2ASK）系统的抗噪声性能
由于信道加性噪声被认为只对信号的 接收产生影响，故分析系统的抗噪声性能也 只要考虑接收部分即解调器。先做如下假设： 信道噪声是均值为0，方差为σ2n的加性高斯 白噪声；信道是恒参信道，且认为发送信号 经传输后除有固定衰耗外未受到畸变；发送 信号0，1等概率出现。
（1） 2ASK的调制方法
一般说来，数字信号的调制方法有两 种类型： ①利用模拟方法去实现数字调制，即 把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况 来处理； ②利用数字信号的离散值特点键控载 波，从而实现数字调制。
（2） 2ASK的解调方法
如同AM信号的解调方法一样，OOK 信号也有两种基本的解调方法：非相干解 调（包络检波法）和相干解调（同步检测 法）。
（4） 设备的复杂程度
对于二进制振幅键控、移频键控及移 相键控这三种方式来说，发送端设备的复 杂程度相差不多，而接收端的复杂程度则 与所选用的调制和解调方式有关。对于同 一种调制方式，相干解调的设备要比非相 干解调时复杂；而同为非相干解调时， 2DPSK的设备最复杂，2FSK次之，OOK最 简单。不言而喻，设备越复杂，其造价就 越贵。
图 5 16
-
2
FSK
信 号 包 络 检 波 方 框 图 及 波 形 图
② 同步检波法
2FSK信号的同步检波原理方框
图如图5-17所示。
③ 过零检测法
过零检测法是一种常用而简便 的解调方法。
图5-17 2FSK信号同步检波方框图
（3） 2FSK信号的功率谱及带宽
由式（5-15）可知，二进制移频键控
② 相对移相（2DPSK）
——差分相位键控 2DPSK方式是利用前后相邻码元的相 对载波相位值去表示数字信息的一种方式。 由图5-20可以看出，2DPSK的波形与 2PSK的不同，2DPSK波形的同一相位并不 对应相同的数字信息符号，而前后码元相 对相位的差才惟一决定信息符号。
图5-20 2PSK及2DPSK信号的波形
5.4 多进制数字调制
由于多进制数字已调信号的
被调参数有多个可能取值，因此，
与二进制数字调制相比，多进制
数字调制具有以下几个特点。
① 在码元速率（传码率）相同条件下， 可以提高信息速率（传信率）。 ② 在信息速率相同条件下，可降低码 元速率，以提高传输的可靠性。 ③ 在接收机输入信噪比相同条件下， 多进制系统的误码率比相应的二进制系统 要高。 ④ 设备复杂。
② 2ASK信号的带宽B2ASK是单极性数 字基带信号带宽fs的两倍。当数字基带信号 的基本脉冲是矩形不归零脉冲时，fs=1/Ts。 于是2ASK信号的带宽为
B2ASK=2fs=2/Ts
2ASK信号的主要优点是易于实现， 其缺点是抗干扰能力不强，主要应用在低 速数据传输中。
2. 二进制移频键控（2FSK）
对 调 幅 （ AM） 信 号 ， 当 满 足 m0>｜ m＇（t）｜max时，不会发生过调制现 象，此时用包络检波的方法很容易恢复原 始基带信号m（t）。
（2） 相干解调（同步解调）
双边带信号不能用包络检波来解调， 可采用以下方法，将已调信号SDSB（t）乘 上一个同频同相的载波，得
由上式可知，用一个低通滤滤器就可以将 第1项与第2项分离，无失真地恢复出原始 基带信号m（t）。