现代通信原理

现代通信原理 （第3版）

第4章数字频带调制

本章学习要求： 掌握：二进制幅度键控2ASK、频率键控2FSK和相位键控2PSK三种基本调制方式的原理、调制和解调电路形式掌握：相干调制和键控调制两种方法掌握：相干解调和非相干解调两种方法掌握：相位连续的移频键控CPFSK、最小移频键控MSK、高斯最小移频键控GMSK等掌握：相位键控有绝对移相和相对移相两种方案，其中相对移相可以克服传输过程中可能出现的相位模糊现象了解：多进制数字调制

4.1 幅度键控ASK系统 1、根据幅度调制原理，一个二进制的幅度键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦载波的乘积。 2、二进制幅度键控信号的产生方法（调制方法）图（a）采用模拟幅度调制的方法，属于相干调制；图（b）键控方法，其开关电路受控制；图（c）为及的波形。二进制幅度键控信号由于始终有一个信号的状态为零，即处于断开状态，故常称之为通断键控（OOK）信号。

3、ASK信号有两种基本的解调方法： 非相干解调（包络检波法）相干解调（同步检测法）

4．2．1 频移键控FSK 1、键控法——利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同且彼此独立的频率源分别进行选通。 2、二进制移频键控2FSK信号的产生及波形 4．2 频移键控FSK系统

非相干检测法和相干检测法 其他解调方法，比如鉴频法、过零检测法及差分检波法等。过零检测法：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。差分检波法：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（平衡调制器），另一路经时延后送到乘法器与直接送入的调制信号相乘后，再经低通滤波器便可提取出解调信号。 4．2．2 频移键控FSK的解调

4．2．3 相位连续的频移键控CPFSK 1、利用两个独立的振荡源产生的相位不连续的FSK信号。而频率转换点上相位的不连续一般都会使功率谱产生大的旁瓣分量，经带限后会引起包络的起伏。为了克服这个缺点，必须控制相位的连续性，这种形式的数字频率调制就称为相位连续的频移键控CPFSK。

4．2．4．1 最小移频键控（MSK）方式 1、最小移频键控（MSK）信号是CPFSK信号当频差等于码元速率 / 的一半时的特例。 2、单个码元时间 3、多个码元时间 1 T s 4．2．4 MSK与GMSK调制系统

4．2．4．2 高斯最小移频键控（GMSK）方式 • 1、MSK调制方式最突出的优点就是信号具有恒定振幅以及信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。然而，在一些通信场合如移动通信系统中，对信号带外辐射功率的限制是十分严格的，其衰减必须达到70~80dB以上，MSK信号无法满足这样苛刻的要求。针对上述要求，提出了高斯最小移频键控（GMSK）方式。 • 2、高斯低通滤波器必须满足下列几点要求： • 带宽窄； • 具有尖锐的截止特性，即其频谱曲线边缘陡峭； • 能保持输出脉冲的面积不变。

4．3 相移键控PSK系统4．3．1 绝对相移键控PSK 1、二进制移相键控（2PSK或BPSK）方式是载波信号的相位按基带脉冲信号的码元变化规律而改变的一种数字调制方式。 2、2PSK信号在一个码元持续时间内的统计表示式为： 3、绝对移相—以载波的不同相位直接表示相应数字信息的相位键控方式。其信息与相位的关系可表示如下：或：

4、2PSK调制器可以采用相干调制法，利用相乘器来实现；也可以采用键控法，即通过相位选择器完成调制过程。 2PSK信号的调制方框图

5、 2PSK方式的“倒π”或“相位模糊”现象，有时也称之为反向工作 • 采用绝对移相调制方式的系统中，由于发送端是以某一个相位作基准的，因而在接收系统中也必须有这样一个固定的基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化（1相位变为π相位或π相位变为0相位），则恢复的数字信息就会相应发生0变为1或1变为0的情况。 • 实际通信过程中，由于某种突然的干扰，系统中的分频器器件可能发生状态转换、锁相环的稳定状态也可能发生转移等，都会导致参考基准相位出现跳变，且不易被发觉，使接收端仍然按照原来的基准相位解调，从而使恢复出的信码与原始信码正好相反。

4．3．2 绝对相移键控PSK的解调 2PSK信号的解调采用相干解调法，其相应的方框图如图（a）所示。相干解调实际上起鉴相作用，相干解调中的“相乘—低通”又可用各种鉴相器替代，如图（b）所示。

4.3.3 二进制相对相移键控2DPSK 1、2DPSK方式是利用前后相邻两个码元的载波相位的变化来表示所传送的数字信息的一种调制方式。 2、设为本码元的初始相位与前一码元的初始相位之差，则2DPSK的调制规则为： 3、2DPSK的调制可通过在2PSK调制器之前加一个绝对码变相对码的码变换器即可，其调制方框图如图所示。或：

4.3.4 相对相移键控DPSK的解调 2DPSK信号的解调可采用极性比较法（或相干解调器），但它的解调输出是相对码，必须再进行一次码变换才能得到输入的绝对码序列，其原理如图（a）所示。差分相干解调方法，是通过直接比较前后码元的相位差而实现解调的，故又称之为相位比较解调法，其原理如图（b）所示。

4．4 QPSK系统 4．4．1 QPSK、QDPSK调制 1、多进制数字相位调制是利用载波的多种不同相位（或相位差）来表示数字信息的调制方式。 2、多进制相位调制可分为绝对移相和相对（差分）移相两种。 3、多相调制信号的波形可以看作是对两个正交载波进行多电平双边带调制所得的信号之和。多相调制中，使用最广泛的是四相制和八相制，即取M=4或8。 4、四相调制时首先应该对输入二进制序列分组，把每两个码元编为一组；然后再用四种不同的载波相位去表示它们。 5、四相调制也分为四相绝对移相调制（又称四相绝对移相键控）4PSK或QPSK和四相相对移相调制（又称四相相对移相键控）4DPSK或QDPSK两种。

4.4.1.1 四相绝对移相键控（QPSK） 1、四相绝对移相调制利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个二进制码元信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。 2、设组成双比特码元的前一位码元为a，后一位为b，可以将该双比特码元表示为ab。由于ab通常是按格雷码（即反射码）的规则排列的，相应的矢量关系如图所示。图(a)表示A方式时QPSK信号的矢量图，(b)表示B方式时QPSK信号的矢量图。

3、实现QPSK的调制方法有调相法和相位选择法。3、实现QPSK的调制方法有调相法和相位选择法。（1）调相法用调相法产生QPSK信号的组成方框图如图(a)所示。图中，串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。调相法的组成方框图如下图所示。

2 2、相位选择法 相位选择法产生QPSK信号的组成方框图如图所示。图中，四相载波发生器分别送出调相所需的四种不同相位的载波。按串/并变换器输出的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。

4.4.1.2 相对移相键控（QDPSK） 1、QPSK信号的调制—先将输入的双比特码元经码变换器变为双比特的相对码，再用此双比特相对码进行四相绝对移相，则所得到的输出信号便是四相相对移相信号。 2、一般常用码变换器加调相电路或码变换器加相位选择电路来实现。 3、码变换器加调相电路该方式产生QDPSK信号的组成框图如图所示。

4、码变换加相位选择 码变换加相位选择产生QDPSK信号的组成框图与上图所示相位选择法产生QPSK信号的组成方框图完全相同。逻辑选相电路的功能：完成选择载波的相位实现将绝对码转换成相对码 5、四相绝对移相与四相相对移相在四相绝对移相时，直接用输入双比特码去选择载波的相位；在四相相对移相时，需要将输入的绝对双比特码元先转换成相应的相对双比特码，再用去选择载波的相位，便可产生QDPSK信号。

4．4．2 QPSK、QDPSK的解调4．4．2．1 QPSK信号的解调四相绝对移相信号由两个2PSK信号相干解调器构成，其组成方框图如图所示。图中的并/串变换器的作用与调制器中的串/并变换器相反，它是用来将上、下支路所得到的并行数据恢复成串行数据的。

4.4.2.2 QDPSK信号的解调 QDPSK信号的解调方法有极性比较法和相位比较法两种。两种解调方法的组成方框图如图所示。极性比较法原理方框图

相位比较法原理方框图

4．5 多元数字频带调制 1、多进制数字调制是利用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率或相位。 2、三种基本方式有多进制数字振幅调制、多进制数字频率调制以及多进制数字相位调制。 3、多进制数字调制具有以下两个特点：（1）在相同的码元传输速率下，多进制系统的信息传输速率比二进制系统的高；（2）在相同的信息速率下，由于多进制码元传输速率比二进制的低，因而多进制信号码元的持续时间（码元宽度）要比二进制的长，增大码元宽度，就会增加码元的能量，并能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。

4．5．1 多电平调幅MASK 1、多电平调幅MASK也称多电平振幅调制，在单位频带内的信息传输速率较高。其根本原因是：第一，可以比二进制系统有高得多的信息传输速率；第二，在相同的码元传输速率下，多电平调制信号的带宽与二电平的相同。 2、MASK信号可利用乘法器来实现解调可采用相干解调和非相干解调两种方式。

4．5．2 其它多元调制方式 多频制系统的组成方框图如图所示。

4．6 数字电视系统 4．6．1 数字电视简介 4．6．1．1 数字电视的概念 1、数字电视是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码，转换成用二进制数表示的数字信号，然后进行各种功能的处理、传输、记录、存储、监测和控制的一种全数字处理过程的端到端系统。 2、包括电视节目的录制、播出到发射和接收，全部采用数字编码与数字传输技术。

3、数字电视系统主要具有如下技术优势： 采用先进的图像压缩编码技术，大大降低每套节目占用的频带宽度，频带利用率高。采用大规模集成电路，使数字电视系统结构更进一步简化，成本进一步降低，可靠性更高；伴音质量大幅度提高；系统抗干扰力强，图像清晰；通过实现加密/解密、加扰/解扰技术，开展各类收费业务，并通过条件接收系统实现对用户的良好管理；图像、声音、图文、数据等都以数字方式按一定规则被复用成同一数据流进行传送，促进了“三网合一”，大大扩展了其服务内容，为视频点播、高速上网、电视购物、电子游戏等各种综合业务和交互式业务的开展打下了坚实的基础。

4．6．1．2 和传统模拟电视的区别 数字电视与模拟电视的最大区别在于：数字电视载波传输的为数字信号，模拟电视载波传输的为模拟信号。 4．6．1．3 数字电视行业发展状况数字电视在世界范围内的供需数量上已有很大的增长，数字电视市场已经全面启动。预计未来四年内，全球数字电视的出货量将以每年44.5%的幅度递增。到2008年，全球数字电视出货量有望增至8660万台。

4．6．2 数字电视传输4．6．2．1 数字电视广播原理音频和视频信号被相关设备转换成数字信号后，将按照相关编码规则进行压缩编码。附加数据信号可以是电子节目指南EPG、业务信息SI等，它们与压缩后的音频和视频信号一起进行数据复接。经过相应的信道编码后，以QAM、QPSK、OFDM等方式进行数据流调制，然后经过卫星、地面或者电缆进行传输。

4．6．2．2 数字电视信号传输 按照传输数字电视信号的不同信道，数字电视可分为有线数字电视、地面数字电视、卫星数字电视三种传输方式。 1．有线数字电视采用正交振幅调制QAM，其调制效率高，要求传输途径的信噪比高，适合在传输环境好的光纤和同轴电缆中传输。 2．地面数字电视由于地面传输环境较复杂，信号在此传输路径上由于建筑物等遮挡而产生回波反射等，地面数字电视的实现技术难度相对要大得多。 3．卫星数字电视卫星数字电视主要采用键控移相调制QPSK（Quaternary Phase-shift Keying），其调制效率高，对传输途径的信噪比要求低，适合卫星广播。

4．6．3 数字电视编码 实现数字电视的数据压缩主要从两方面着手： 1、对于信源编码过程中的数据压缩，四个活动图像及声音编码的正式国际标准，分别称为MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4和MPEG-7。 2、对于信号数据压缩方法，目前欧洲DVB数字电视系统、数字卫星电视系统（DVB-S）采用正交相移键控调制（OPSK）；数字有线电视系统（DVB-C）采用正交调幅调制（QAM）；数字地面开路电视系统（DVB-T）则采用了更为复杂的编码正交频分复用调制（COFDM）。

4．6．3．1 MPEG-1编码 1、MPEG-1标准在数字存储介质中实现对活动图像和声音的压缩编码，其最高编码码率为1.5Mb/s，标准的正式规范在ISO/IEC11172中。 2、MPEG-1所支持的输入图像格式是SIF格式。 4．6．3．2 MPEG-2编码 1、MPEG-2采用不同的层、级组合来满足从家庭质量到广播级质量以及高清晰度电视质量的不同要求。 2、MPEG-2标准是：针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，编码码率3Mb/s～100Mb/s，标准的正式规范在ISO/IEC13818中。

4．6．3．3 MPEG-4编码 1、MPEG-4标准是：视频编码经历了H.261、MPEG-1到MPEG-2的变迁。 2、MPEG-4，对视像内容来说，分为自然视频内容、自然和合成混合图像内容两部分。自然视频内容的类又分如下五类： ①简单视像类——用于移动通信； ②简单可分级视像类（用于有质量分级的互联网软件解码）； ③核心视像类，对简单视像类补充任意形状和随时间缩放的对象的编码，用于互联网多媒体应用； ④主视像类，对核心视像类补充隔行、半透明和子图画对象编码，用于交互多媒体质量的广播和DVD的应用； ⑤N-比特视像类，对核心视像类对象的样本量化深度进行调节，可有4到12比特量化的核心视像类，用于监视等应用。

4．6．3．4 MPEG-7编码 1、MPEG-7标准可分为正式元素和非正式元素两部分。正式的基本元素有：描述子、描述方案、描述定义语言和编码的描述。非正式的基本元素有：描述子值、特性、描述和编码的描述。 2、MPEG-7目前的应用主要有节目制作管理和节目资源管理，数据库中相关素材直到相关音视频对象的检索，业务端到终端交互业务，版权识别，自生成数据库等方面。

4．6．4数字电视机顶盒4.6.4.1 数字电视机顶盒功能数字电视机顶盒能接收MPEG-2数字电视传输流的各种数据信息，通过解调、解复用、解码和视音频编码，在模拟彩色电视机上观看数字电视节目和各种数据信息。电子节目指南系统交互应用高速数据广播因特网接入和电子邮件软件在线升级有条件接收

4. 6. 4. 2机顶盒工作原理 数字电视机顶盒接收数字电视节目，处理数据业务和完成多种应用的解析。各类信源在进入有线电视网络之前经过两级编码：第一级是视音频信号的信源编码，并将所有信源封装成传输流；第二级是传输用的信道编码。与前端相应，数字电视机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调，接着还原压缩的信源编码信号，恢复原始视音频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。

4.6.4.3 机顶盒硬件系统 数字电视机顶盒硬件系统：网络接口模块；信源数据传输流解复用器；条件接收模块；视音频解码器；后处理、嵌入式CPU与存储器模块；接口电路。

4.6.4.4 顶盒软件系统 机顶盒主控制器的工作就是通过软件的执行来完成的。机顶盒软件系统一般采用实时操作系统，主要完成进程调度、中断管理、内存分配、进程间通信、异常处理、时钟提取等工作，包括硬件驱动部分、图形接口、应用程序编程接口、解复用和数据表提取模块、应用程序编程接口、条件接收驱动、音频解码和视频解码驱动等几个主要的功能模块。

小结主要介绍了二进制幅度键控2ASK、频率键控2FSK和相位键控2PSK三种基本调制方式的原理、调制和解调电路形式。三种调制均有相干调制和键控调制两种方法，解调也相应有相干解调和非相干解调两种方法。相位连续的移频键控CPFSK、最小移频键控MSK、高斯最小移频键控GMSK等则是在基本2FSK调制的基础上派生出来的。根据数字信息与相位之间的关系，相位键控有绝对移相和相对移相两种方案，其中相对移相可以克服传输过程中可能出现的相位模糊现象，因此其性能优于绝对移相调制方式。

多进制数字调制QPSK就是四进制相移调制， 多进制幅度调制MASK和多进制频率调制MFSK等。相同码元速率下，多进制调制比二进制调制信息速率更高；在相同信息速率下，多进制调制码元较宽，使得码元的抗干扰能力更强。

实验实训4 2FSK/2PSK/2DPSK调制解调系统 一、实验目的通过观察、调试2FSK/2PSK/2DPSK信号的产生及其解调过程，加深理解2FSK/2PSK/2DPSK调制工作原理，以及利用锁相环解调FSK的原理和实现方法。二、实验原理 1．2FSK/2PSK/2DPSK调制原理 • 2FSK信号用载波频率的变化来表征被传信息的状态，可以将看成两个分别以和为载频、以和为被传二进制序列的两路2ASK信号的叠加。 • 2FSK信号的产生：（1）频率选择法；（2）载波调频法。

频率选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（或）时，2FSK信号的相位通常是不连续的，不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法在一个直接调频器中产生2FSK信号，已调信号的相位始终连续。频率选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（或）时，2FSK信号的相位通常是不连续的，不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法在一个直接调频器中产生2FSK信号，已调信号的相位始终连续。本实验采用载波调频法，抗噪声和抗衰减性能较强，在中低速数据传输系统中得到了较为广泛的应用。 2PSK信号用载波的相位表征被传输信息的状态，2DPSK利用前后相邻码元的相对载波相位值来表示数字信息，故2DPSK波形的同一个相位不一定对应相同的数字信息符号。相对移相信号可以看成是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。

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