2.4 數(shù)字信號的頻帶傳輸

數(shù)字傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)。基帶傳輸是指基帶信號直接在信道上傳輸?shù)姆绞健ｎl帶傳輸是指基帶信號經(jīng)過調(diào)制后，將基帶信號的頻帶搬移到適合在信道傳輸?shù)念l帶上，然后在信道上傳輸?shù)姆绞健ｎl帶傳輸系統(tǒng)也稱為數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。

數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制都屬于正弦波調(diào)制，即載波均為高頻正弦波，所不同的是數(shù)字調(diào)制的調(diào)制信號是數(shù)字信號，而模擬調(diào)制的調(diào)制信號是模擬信號。數(shù)字調(diào)制過程可用鍵控法（即相當(dāng)于電鍵開關(guān)控制的方法）實現(xiàn)，由基帶信號對載波的振幅、頻率及相位進行調(diào)制，得到三種最基本的數(shù)字調(diào)制方式：幅度鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）及移相鍵控（PSK）。

2.4.1 二進制幅度鍵控信號的調(diào)制與解調(diào)

用基帶數(shù)字信號對高頻載波信號的幅度進行控制的方式稱為幅度鍵控，也稱為數(shù)字調(diào)幅，簡記為ASK。2ASK（二進制數(shù)字調(diào)幅）的實現(xiàn)方法如圖2.31（a）所示。它利用二進制數(shù)字信號D（t）控制開關(guān)的通與斷。當(dāng)D（t）=1時，開關(guān)接通，載波信號通過開關(guān)電路輸出；D（t）=0時，開關(guān)斷開，載波信號不能通過開關(guān)電路輸出，即輸出為零。fm（t）輸出波形如圖2.31（b）所示。收信端可根據(jù)fm（t）信號的幅度有無還原為1碼或0碼的原基帶信號。這種調(diào)制方法雖然在數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早、實現(xiàn)最簡單，但由于它抗噪聲能力較差，所以在數(shù)字通信中用得不多。

2ASK信號的解調(diào)，可以用相干解調(diào)或非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）實現(xiàn)，相干解調(diào)和非相干解調(diào)原理框圖如圖2.32所示。與模擬信號的解調(diào)不同的是，在解調(diào)數(shù)字信號的電路中，要設(shè)置抽樣判決器。

2.4.2 二進制移頻鍵控信號的調(diào)制與解調(diào)

用基帶數(shù)字信號對高頻載波信號的頻率進行控制的方式稱為移頻鍵控，也稱為數(shù)字調(diào)頻，簡記為FSK。二進制數(shù)字調(diào)頻（2FSK）的實現(xiàn)方法如圖2.33（a）所示。高頻載波信號有兩個f1（t）和f2（t），兩者頻率分別為f1和f2。當(dāng)數(shù)字信號D（t）=1時，開關(guān)電路輸出f1（t）；當(dāng)數(shù)字信號D（t）=0時，開關(guān)電路輸出f2（t），從而將二進制的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為兩個不同頻率的載頻信號。fm（t）輸出波形如圖2.33（b）所示。收信端可根據(jù)收到的信號頻率f1或f2還原為1碼或0碼的原基帶信號。這種調(diào)制方式簡單，抗干擾能力強，但占用頻帶寬。

2FSK信號的解調(diào)借用了2ASK信號的解調(diào)電路，所以也有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方式，如圖2.34（a）、圖2.34（b）所示。

考慮到成本等綜合因素，在2FSK系統(tǒng)中也很少使用相干解調(diào)。以圖2.33（b）非相干解調(diào)原理框圖為例，畫出了各點波形，如圖2.33（c）所示。圖中的抽樣判決電路是一個比較器，在判決時刻對上下兩支路低通濾波器送出的信號電平進行比較，如果上支路輸出的信號大于下支路，判為“1”碼；反之，判為“0”碼。

解調(diào)2FSK信號還可以用鑒頻法、過零檢測法及差分檢波法等。

過零檢測法的基本思想是，利用不同頻率的正弦波在一個碼元間隔內(nèi)過零點數(shù)目的不同，來檢測已調(diào)波中頻率的變化，其波形如圖2.35所示。

在圖2.35中，限幅器將接收序列整形為矩形脈沖，送入微分整流器，得到尖脈沖（尖脈沖的個數(shù)代表了過零點數(shù)）。因為在一個碼元間隔內(nèi)尖脈沖數(shù)目的多少直接反映著載波頻率的高低，所以只要將其展寬為具有相同寬度的矩形脈沖，經(jīng)低通濾波器濾除高次諧波后，兩種不同的頻率就轉(zhuǎn)換成了兩種不同幅度的信號（見圖中f點的波形），送入抽樣判決器即可恢復(fù)原信息序列。

2.4.3 二進制移相鍵控信號的調(diào)制與解調(diào)

用基帶數(shù)字信號對高頻載波信號的相位進行控制的方式稱為移相鍵控，也稱為數(shù)字調(diào)相，簡記為PSK。二進制數(shù)字調(diào)相（2PSK）的實現(xiàn)方法如圖2.36（a）所示。當(dāng)D（t）=1時，f（t）通過開關(guān)直接輸出；D（t）=0時，f（t）經(jīng)反相器反相輸出。若f（t）的初始相位為0°，則輸出fm（t）的波形如圖2.36（b）所示。收信端可根據(jù)收到信號相位的不同還原為原基帶信號。這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)數(shù)字信息的相位鍵控，通常稱為絕對移相方式。

采用絕對移相方式時，由于發(fā)送端是以某一相位作為基準(zhǔn)，所以在接收端也必須有這樣一個固定的基準(zhǔn)相位作為參考。如果參考相位發(fā)生變化，則恢復(fù)的數(shù)字信息就會發(fā)生錯誤，從而造成錯誤的接收。如上述信號，若參考相位由0°變?yōu)?span id="9hjkm3t" class="italic">π后，接收的信息就會變?yōu)?11001。為解決絕對調(diào)相的問題，常用相對移相方式，簡記為DPSK。

相對調(diào)相是利用載波信號的相對相位關(guān)系表示數(shù)字信號的1或0，其參考相位是相鄰的前一個碼元的相位，而不是以固定的相位作為參考。二進制相對調(diào)相信號波形如圖2.37所示。當(dāng)D（t）=1時，載波信號相位相對于前一個碼元相位變化180°；當(dāng)D（t）=0時，載波信號相位相對于前一個碼元相位不變。收信端可根據(jù)收到的前后碼元信號相位的變化情況進行比較后恢復(fù)成原來的二進制基帶信號。因為DPSK在抗噪聲性能及相對頻帶利用率方面比FSK優(yōu)越，所以廣泛用于數(shù)字通信中。

2DPSK信號的解調(diào)有兩種方案。

① 在PSK相干解調(diào)電路抽樣判決器的后面加差分譯碼（以抵消在調(diào)制器輸入端差分編碼的影響），解調(diào)電路及各點波形如圖2.38所示。由圖可見，經(jīng)差分譯碼后恢復(fù)的原數(shù)據(jù)序列中不存在倒相問題。

②DPSK解調(diào)的另一方案是差分相干解調(diào)，它將DPSK接收信號與自身延時一個碼元間隔后的信號按位相乘。相乘結(jié)果反映了前后碼元的相對相位關(guān)系，經(jīng)低通濾波后再抽樣判決就可直接恢復(fù)出原信息序列。差分相干解調(diào)原理框圖及各點波形如圖2.39所示。圖中抽樣判決器的判決原則：抽樣值大于0時判“0”，抽樣值小于0時判“1”。

比較這兩種解調(diào)方案，它們的解調(diào)波形雖然一致，都不存在相位倒置問題，但差分相干解調(diào)電路中不需要本地參考載波和差分譯碼，是一種經(jīng)濟可靠的解調(diào)方案，得到了廣泛的應(yīng)用。需要注意的是，調(diào)制端的載波頻率應(yīng)設(shè)置成碼元速率的整數(shù)倍。

2.4.4 正交移相鍵控（QPSK）

為了減少傳輸信號的頻帶，提高頻帶利用率，在工程中常采用QPSK信號。

QPSK（QuadraturePSK，正交移相鍵控）又稱為四相鍵控（4-PSK），它是用載波的四種相位狀態(tài)對應(yīng)兩位二進制信息碼的組合，即00、01、10和11。QPSK可看成是載波相互正交的兩個2PSK信號之和。

QPSK有兩種系統(tǒng)，一種是已調(diào)波相位φi取為π/2的整數(shù)倍，即φi與二進制信息的對應(yīng)關(guān)系為0°→00、90°→01、180°→11、270°→10，稱為π/2系統(tǒng)的QPSK；另一種是已調(diào)波相位φi取為π/4的奇數(shù)倍，即φi與二進制信息的對應(yīng)關(guān)系為45°→00、135°→01、225°→11、315°→10，稱為π/4系統(tǒng)的QPSK。QPSK調(diào)制器原理電路及其相位如圖2.40所示。

由圖2.40可以看出，基帶碼元經(jīng)串并轉(zhuǎn)換電路之后分成兩個支路，每個支路再分別按2PSK的方式進行調(diào)制。但兩個支路的相位不同，它們互為正交，即相位相差90°。一個稱為同相支路，即I支路；另一個稱為正交支路，即Q支路。兩個支路分別調(diào)制后，再將調(diào)制后的信號合并相加就得到了QPSK。

由于QPSK調(diào)制方法比較兼顧功率效率和頻譜效率，因此目前多用于衛(wèi)星系統(tǒng)中。

2.4.5 最小頻移鍵控（MSK）和高斯最小頻移鍵控（GMSK）

MSK是一種能夠產(chǎn)生恒定包絡(luò)，連續(xù)相位信號的調(diào)制，稱為最小頻移鍵控，是2FSK的一種特殊情況，它具有正交信號的最小頻差，在相鄰符號交界處相位保持連續(xù)。MSK占用的帶寬較寬，不適合寬帶傳輸，因此在信道間隔較小的情況下，鄰道干擾要求較高時，MSK不能滿足要求，通常采用GMSK調(diào)制。

GMSK是一種提高MSK性能的簡便調(diào)制技術(shù)，其框圖如圖2.41所示。

GMSK在MSK之前，增加一次濾波后再進行MSK調(diào)制。經(jīng)高斯濾波器后形成的高斯脈沖包絡(luò)無陡峭邊沿，基帶波形的相位連續(xù)性得到了進一步提高，波形更加平滑，相鄰信道干擾進一步降低，適用于窄帶的移動通信中。

在實際的數(shù)字移動通信（GSM）中所采用的調(diào)制方式GMSK是通過在載波頻率上增加或減少67.708kHz來表示“0”和“1”的，其數(shù)據(jù)比特率被選擇為正好是頻偏的4倍，這可以減小頻譜的擴散，增加信道的有效性。

GMSK已確定為歐洲第一代移動通信的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式。