数字调制技术研究[文献综述]

文献综述

电子信息工程

数字调制技术研究

摘要：本文章介绍了调制的分类，2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK数字调制技术的基本原理，并对不同调制技术的性能进行了比较，从而便于在实际应用中选择合适的调制技术。

关键字：调制技术；2ASK；2FSK；2PSK；2DPSK

1 引言

随着数字通信的迅速发展，各种数字调制方式也在不断地改进和发展[1]。调制技术是实现现代通信的重要手段。通过调制，改变信号的传输频率和所占频带宽度，从而易于在电导体、光纤或电磁波空间传输，改善信号的抗噪声性能。

2 调制分类

调制就是按调制信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。按照调制载波的不同，可以分为正弦载波调制和用脉冲串或一组数字信号作为载波的脉冲调制[2-3]。对于脉冲调制，通常也分为两种方式：用连续型的调制信号去改变脉冲参数的脉冲模拟调制和用连续调制信号的数字化形式（通过模/数转换）去形成一系列脉冲组的脉冲编码调制（脉冲数字调制）。按调制信号的不同，可以把它分为模拟调制和数字调制。所谓模拟调制，就是调制信号为连续型的模拟信号；数字调制是调制信号为脉冲型的数字信号。根据数字基带信号改变载波参数的不同，数字调制又可以分为幅移键控（ASK）调制、频移键控（FSK）调制和相移键控（PSK）调制。

3二进制数字调制的基本原理

3.1 2ASK（二进制幅移键控）原理

在幅移键控中，载波幅度随调制信号而变化，即用二进制数字信号的“1”和“0”控制载波的通和断，所以又称之为通-断键控信号（OOK信号）[4-6]。2ASK的典型波形图如图1所示，即码元为“1”时，让正弦载波信号通过；码元为“0”时，不让正弦载波信号通过。

图1 2ASK典型波形图

二进制幅移键控信号可以采用两种产生方式：模拟调制法和键控法。

通常采用相干解调和非相干解调这两种解调方式从二进制幅移键控信号中恢复原始的基带信号。相干解调时为了不失真地恢复调制信号，要求本地载波和接收信号的载波必须保持同频同相；非相干解调就是在接收端解调信号时不需要本地载波，而是利用已调信号中的包络信号来恢复原始信号。

2ASK相干解调：输入端都有一个带通滤波器使2ASK信号完整地通过，然后再通过乘法器与同频正弦载波相乘之后通过低通滤波器滤除高频杂波，最后再通过抽样判决器包括抽样、判决及码元形成，经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。

2ASK非相干解调：输入端都有一个带通滤波器使2ASK信号完整地通过，经包络检波器后，输出其包络之后通过低通滤波器滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过最后再通过抽样判决器包括抽样、判决及码元形成，经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。

3.2 2FSK（二进制频移键控）原理

2FSK是基带信号来控制所传送的载波频率[4～6]。二进制数字信号的“1”对应载波频率f1，“0”对应于载频f2，其波形图如图2所示。

图2 2FSK波形图

2FSK可以采用两种产生方式：模拟调制法和键控法[1]。

2FSK有多种方法解调，如相干解调法、非相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等。这里主要讨论过零检测法和差分检波法。大家都知道，数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异。这就是过零点检测法的基本思想。

输入信号经限幅后产生矩形波序列，经微分整流形成与频率变化相应的脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。将其变换成具有一定宽度的矩形波，并经低通滤波器滤除高次谐波，便能得到对应于原数字信号的基带脉冲信号。而差分检波法的原理是输入信号经接收滤波器滤除带外无用信号后被分成两路，一路直接送到乘法器，另一路经时延送到乘法器，相乘后再经低通滤波器提取信号。

3.3 2PSK（二进制移相键控）原理

利用载波的不同相位直接去表示数字信息的过程就叫做绝对调相[7-10]。在2PSK中，同一载波的两种不同相位，随着调制信号1和0而改变。如果用载波的初始相位0和π分别表示码元0和1，2PSK信号波形如图3所示。

图3 2PSK的波形

相位选择法产生2PSK信号的原理框图如图4所示

图4 2PSK产生原理框图

2PSK信号同样可采用相干解调的方式，另一种方法与模拟调相波的解调一样，采用鉴相器进行解调。鉴相器的作用实质上是把输入已调信号与本地载波信号的极性进行比较，这种解调方式通常称为极性比较法。

3.4 2DPSK（二进制差分相位键控）原理

二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息[11-13]。

相对调相是利用前后的相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信号。相位差是指本码元的初相与前一码元的初相（或终相）的相位差。2DPSK的波形如图5所示：

图5 2DPSK的波形

2DPSK 波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码的相对相位才唯一确定信息符号。这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK 方式中的“倒π”现象和“反向工作”发生[1～4]。

2DPSK的产生基本上类似于2PSK，只是调制信号需要经过码型变换，将绝对码变为相对码。

2DPSK信号的解调有两种方式，一种是极性比较法解调，另一种是相位比较法解调。

极性比较法解调实际上是间接产生法相对调相的反过程，即先按绝对调相接收，2DPSK 信号解调为相对码基带信号，然后经过码变换器将相对码变换为绝对码。调制信号经过带通滤波器与载波信号相乘后，去掉了调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，对此信号进行抽样判断，再经过逆差分变换电路，就可以得到基带信号了。

相位比较法解调直接使用相位比较器比较前、后码元载波的相位差而实现解调，故又称差分相干解调法。此方法不需要恢复本地载波，只需将DPSK信号延迟一个码元间隔Ts，然后与DPSK信号本身相乘。相乘结果反映了码元的相对相位关系，经过低通滤波器后可直接进行抽样判决恢复出原始数字信号，而不需要差分译码。

4.二进制数字调制性能比较

当码元宽度为Ts时，2ASK系统和2PSK系统的频带宽度近似为2/Ts，2FSK系统的宽带近似为|f2-f1|+2/Ts >2/Ts。因此，从频带宽度或频带利用率上看，2FSK系统最不可取。

在采用不同的调制方式时，r相同时，PSK、DPSK的误码率小于FSK，但FSK系统的误码率又小于ASK系统。在误码率相同条件下，相干PSK要求r最小，FSK系统次之，ASK系统要求r最大，它们之间分别相差3dB。而PSK系统的抗噪声性能最好，但会出现倒π现象，因而实际中很少采用，而更多的是应用DPSK系统。二进制调制系统的性能比较如表1所示[1～4]。

在E/n相同时，采用最佳接收时，PSK系统的性能最佳，其次是FSK，ASK系统的性能