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1、第7章 数字频带传输系统,本章教学目的与要求： 1、掌握三种基本二进制数字频带调制方式（2ASK、 2FSK、2PSK/2DPSK）的调制和解调原理、带宽。 2、掌握三种方式的误码率信噪比公式，会计算。 3、了解多进制数字频带调制系统原理和抗噪性， 了解改进的数字调制系统（MSK、QAM）。,主要外语词汇,幅移键控 ASK（Amplitude-Shift Keying） 通断键控 OOK（On-Off Keying） 频移键控 FSK（Frequency-Shift Keying） 相移键控 PSK（Phase-Shift Keying） 差分（相对）相移键控 DPSK（Differentia
2、l Phase-Shift Keying） 正交相移键控 QPSK（Quadriphase-Shift Keying）,最小频移键控 MSK（Minimum Shift Keying） 正交振幅调制 QAM（Quadrature-Amplitude Modulation） M进制振幅键控 MASK（M-ary Amplitude Shift Keying）,本章主要内容,7.1 二进制数字振幅键控 7.2 二进制数字频率键控 7.3 二进制数字相位键控 7.4 二进制数字调制系统的抗噪声性能 7.5 多进制数字调制系统 7.6 其他数字调制系统,作业题,P183 9（2ASK、2FSK波形示意
3、图）， 20， 25， 28， 30， 39,基带信号可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输，但不可能在无线信道直接传输。 即使可以在有线信道传输，但一对线路上只能传输一路信号，对信道的利用是很不经济的。,概述：基带信号,概述：调制和解调,概述：调制在通信系统中的作用,调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求 容易辐射 实现频率分配 实现多路复用 减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力,概述：调制的基本特征和分类,概述：调制的基本特征和分类,引言,一、什么是载波数字调制？ 载波数字调制将数字基带信号的信息转载到高频载波上去的处理过程。,载波数字调制系统 （数字频带调制系统）,
4、二、为什么要进行频带调制？,1、基带传输损耗大、易误码。 基带传输一般用于局域网，较少用于长途传输。 2、便于利用各种模拟信道资源传输数字信号。 如：有线电话网、有线电视网、无线通信网 （包括微波与卫星通信）,三、怎样进行频带调制？,高频载波C(t)=ACOS(c t + 0 )为等幅单频余弦电波。 需要让载波携带的数字基带信号信息，只有0和1两种。 可以携带数字基带信号信息的参量有幅度、频率和相位。 因此可设计出三种调制方案： 1、让载波幅度A 按数字信号的代码变化 数字调幅； 2、让载波频率c按数字信号的代码变化 数字调频； 3、让载波相位 0 按数字信号的代码变化 数字调相。,调制信号为
5、二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。, 7.1 二进制数字振幅键控,一、2ASK信号一般原理与调制方法 1、时域表示及波形,数字幅度调制又称幅度键控，记作ASK（Amplitude shift-keying），二进制幅度键控记作2ASK。,2ASK是利用代表数字信息（“0”或“1”）的基带矩形脉冲去键控一个连续的正弦型载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。,数字基带信号 g(t)是宽度为Tb、高度为A的矩形脉冲。 式中a n为数字序列a n的第n个码元。显然，上式给出的表达是单极
6、性不归零码。,载波 C(t)=COS(ct+ 0 ) ， 初始相位 0 0 已调波,二进制振幅键控信号的时间波型,特点：“1”码期间有等幅正弦波输出，相当于开关开通； “0”码期间无输出，相当于开关切断。 因此，数字调幅又称为开关键控(通断键控)，记作 OOK(On Off Keying)。,2、调制方法：,(,),(,),二、2ASK信号的功率谱和带宽,2ASK是单极性不归零码与载波相乘所得。我们知道，当信号乘以COS C t 后，其频谱为线性搬移：,其功率谱密度为：,基带信号（单极性不归零码）功率谱：,二元数字调幅信号功率谱：,基带信号频谱,基带信号功率谱密度,2ASK信号功率谱密度,结论
7、: (1) 2ASK信号的功率谱是信号s(t) 功率谱的线性搬移，属线性调制； (2) 2ASK信号的功率谱包含连续和离散两部分； (3) 2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍。 有效带宽取第一零点处带宽，基带带宽Bm = fb； 2ASK带宽则为 B2ASK= 2Bm = 2fb= 2/Tb=2Rb 2ASK信号频带利用率 =Rb / B2ASK=Rb / 2 Rb =1/2（Baud / Hz）,三、2ASK信号的解调,与模拟调制系统一样，数字调制系统的解调也有相干和非相干两种方式，把搬移到高频段的频谱再搬回原点。 相干解调用于线性调制信号，如ASK和PSK； 非相干解调主要用于FSK，
8、也可用于ASK。,与模拟解调的不同点仅仅在于多了一个抽样判决。,2ASK非相干解调流程框图,1、非相干解调（包络检波法）,a,b,c,d,2ASK非相干解调各步波形,2、相干解调（同步检测法）,ASK相干解调流程框图 与模拟解调的不同点仅仅在于多了一个抽样判决。,2ASK相干解调各步波形,相乘器输出为,经LPF，滤除 2C 频率分量，x(t) = s(t) / 2 。 对x(t) 进行抽样，取得样值x 。 当x 判决门限，判为“0”码。, 7.2 二进制数字频率键控,一、2FSK信号的一般原理与调制方法 1、时域表示及波形,数字频率调制又称频率键控，记作FSK（ Frequency shift
9、-keying ），二进制频率键控记作2FSK。,2FSK系统是利用二进制数字基带信号控制载波频率进行频谱变换的过程。,它相当于载波在两种不同频率之间进行切换，故称频移键控 (FSK Frequency ShiftKeying)。,二进制基带信号只有两种代码，所以调频时，载波频率只能被置于两种频率，即：,即用频率为f1的载波代表“1”码，用频率为f2的载波代表“0”码，或相反。,载波在两种不同频率之间进行切换 生成2FSK信号的波形,另一方面，2FSK调制信号也可以看作两个2ASK调制信号的叠加：,相位连续和相位不连续,这种键控切换方式，只要码元间隔时间Tb一到，载波立即发生切换，造成S2FS
10、K(t)波形不连续，称之为相位不连续的FSK调制。相位不连续会引起带宽增大。 为了波形连续，又发明了相位连续的FSK调制。首先，两个不同频率的载波应来自同一振荡源(晶振)，由不同的分频倍程所得；其次，还要恰当选择1和 2 ，使一个码元时段产生的相移之差为2的整数倍，即 (1 - 2 ) Tb = 2n。,2、调制方法：,(a) 模拟调频法,(b) 频率键控法,二、2FSK信号的功率谱和带宽,2FSK信号可以看作两个2ASK信号的合成：,两者恰好互补，没有重复出现的时段。 因此，2FSK信号功率谱密度可看作两个2ASK信号功率谱密度的叠加：,因此，2FSK信号带宽为 B=|f2-f1|+2fb
11、，主要取决于两中心频率之差。以fb（基带信号带宽）为单位来度量时，可定义 h=|f2-f1| / fb 叫调制指数，则 B= (h +2) fb 。,我们希望2FSK信号占用的频带窄一点，也就是h 小一点，但是h 太小了，两个主峰交迭，将来难以解调(无法分开)，下图示出不同的h 值的交迭状况。实验发现，取 h = 2 4 是适宜的，这时两主峰之间至少相距一个fb，由此可知， BFSK= (4 6) fb。,不同h值对FSK功率谱的交迭情况,三、2FSK信号的解调 1、过零检测法（属非相干解调） ：,过零检测法原理框图和各点时间波形,2、差分检波法（属相干解调）,设接收的2FSK信号为： 式中a
12、n=0时取“+”号， an=1时取“-”号。 经延时后变为：,二者相乘为： 经低通滤波后为： 调节延时，使 在频偏较小时： 于是，由正负号就可判定： 负值判为“0” ；正值判为“1” 。,2FSK滤波检测法解调框图,3、滤波检测法（属非相干解调）:,抽样值V2,抽样值V1,4、相干解调法（同步检波）, 7.3 二进制数字相位键控,一、2PSK信号一般原理与调制方法,用载波的两种相位（0和）去对应基带信号的“0” 与 “1”两种码元。因此二元数字调相就是让载波在两种相位间切换，故称相移键控。,数字相位调制又称相移键控，记作PSK（ Phase shift-keying ），二进制相位键控记作2P
13、SK。,载波在两种不同相位之间进行切换生成2PSK信号(数字键控法),例如，用初始相位0表示“1”码， 初始相位表示“0”码。,用双极性不归零基带信号进行调幅生成2PSK信号(模拟调制法),2PSK还可以看作双极性不归零码基带信号的数字调幅， 即基带信号 与载波 cosc t 的乘积。,二、2PSK信号的解调（相干解调）,2PSK相干解调原理图和各点时间波形,相干解调需要一个与发送端同频同相的本地载波，此载波应由收端的载波提取电路提取。 这里出现一个问题：接收到的2PSK信号中含有两种载波相位，本地载波究竟与哪个同步？这从接收到的2PSK信号中是无法决定的。并且若载波提取不完善，会存在相位偏差
14、。 这样，若载波同步错了，那么解调后所有的“1”码都变成了“0”码，所有的“0”码都变成了“1”码，极性完全相反，形成“1”和 “0”的倒置，这个问题称“0模糊”（反向工作）。这是2PSK信号采用相干解调必须解决的问题。,本地载波的0模糊，造成判定结果完全相反：,用0相载波解调与用相载波解调的比较,三、二元差分相移键控 2DPSK ( Differential Phase-Shift Keying ),1、2DPSK调制： 为了解决“0模糊”问题，在进行数字调相之前先进行差分编码，再对差分码进行二元数字调相，称为二元差分调相。,2DPSK调制（模拟法）流程框图,2DPSK调制（键控法）流程框图
15、,2DPSK不会存在“0模糊”问题，这是由于即使本地载波倒相，那么前后码元都倒相，但它们的相位差并没有变，而2DPSK正是由前后码元的相对相移表示数字信号的。,2、 2DPSK解调： 2DPSK绝对相干解调（极性比较码变换法）：,由于差分码是靠相邻码元的变化与否来决定“1”码和“0”码的，不论0相位还是相位，相邻码元的变化关系是一样的。所以，接收端无论用0相载波还是相载波解调，尽管得到的差分码不同，但经差分逆变换后，二者得到的结论完全相同。,2DPSK绝对相干解调波形, 2DPSK相对相干解调（差分相干解调）：,既然2DPSK靠相邻码元的变化来决定“1”码和“0”码，那么用相邻波形直接相乘就能
16、得到变化与否的信息了，完全可以省去产生本地载波的复杂环节，于是设计出下图所示的相对相干解调方式：,2DPSK相对相干解调流程框图 （相位比较法）,设前一码元 S1(t)=ACOS(c t + 1 ) 后一码元 S2(t)=ACOS(c t + 2 ) 两者相乘，得 S1(t) S2(t) =A2COS( 1 - 2 ) + COS( 2c t + 1 + 2 )/2 通过LPF，得 v(t)= A2COS( 1 - 2 )/2 = A2COS() /2 判定： = 0，v(t)=A2/2（抽样值 0），表明前后码元相同，判定为“0”码； = ，v(t) = - A2/2（抽样值 0），表明前后
17、码元不同，判定为“1”码；,从2PSK信号和2DPSK信号的波形来说，都可等效为双极性不归零基带信号的幅度调制，表达式相同，S2PSK(t)=S(t)cosct 。不同在于2DPSK信号中的S(t)为由2PSK信号的基带信号变换而来的差分码数字信号。 所以， 2PSK信号与2DPSK信号功率谱密度相同。,四、 2PSK信号和2DPSK信号的功率谱和带宽,乘以余弦调制后功率谱密度为:,双极性不归零码的功率谱为：,除了没有冲激项之外，功率谱与P2ASK(f)完全相同。因此2PSK信号和2DPSK信号的带宽仍然是基带带宽的两倍: B2PSK= B2DPSK= B2ASK= 2fb= 2/Tb=2Rb
18、,二进制数字频带调制信号波形,例, 7.4 二进制数字调制系统的抗噪声性能,一、2ASK系统的抗噪声性能：,接收端收到的2ASK信号为,信道噪声为高斯白噪声，经BPF后形成窄带高斯白噪声：,BPF输出是2ASK信号和窄带高斯白噪声的叠加，在一个码元周期Tb内：,1、相干解调时2ASK系统误码率,y(t)与相干载波cosct 相乘后的波形z(t)为 z(t)= y(t)cosct = A+nc(t)cos2ct - ns(t)sinctcosct nc(t) cos2ct - ns(t) sinct cosct = A+nc(t) + A+nc(t) cos2ct-ns(t) sin2ct /
19、2，发送“1”符号 nc(t)+nc(t) cos2ct-ns(t) sin2ct / 2 ，发送“0”符号,z(t)经LPF后，在抽样判决器输入端得到：,x(t)值的一维概率密度为：,设Vb为判决门限电平值 （阈值电平），判决规则为： xVb ，判为“1”码 xVb ，判为“0”码,P x Vb | 0 =P(1 | 0)表示发出“0”码而错判为“1”码的概率。 总误码率为 Pe= P(1) P( 0 | 1 ) + P(0) P( 1 | 0 ) = P( 0 | 1 ) + P( 1 | 0 ) / 2 （信源等概）,由概率密度分布图不难看出，最佳判决门限为： Vb*= A / 2 ，此
20、时误码率（阴影面积）最小。 此时， P( 0 | 1 ) = P( 1 | 0 ) ，则,误差函数 补误差函数,则误码率为,信噪比为 （Vb= A / 2）,则,2ASK系统相干解调时误码率,当信噪比远大于1时，上式近似为：,2、非相干解调（包络检波）时2ASK系统误码率,BPF输出是2ASK信号和窄带高斯白噪声的叠加，在一个码元周期Tb内：,经包络检波器检测，输出包络信号： 发“1”时，包络是窄带高斯噪声加正弦波的包络，一维概率密度函数服从（广义瑞利分布）莱斯分布： I0(x)为零阶修正贝赛尔函数。 发“0”时，包络是窄带高斯噪声的包络，一维概率密度函数服从瑞利分布：,设Vb为判决门限电平值
21、 （阈值电平），判决规则为： vVb ，判为“1”码 vVb ，判为“0”码,总误码率为 Pe= P(1) P( 0 | 1 ) + P(0) P( 1 | 0 ) = P( 0 | 1 ) + P( 1 | 0 ) / 2 （信源等概）,由概率密度分布图不难看出，最佳判决门限Vb*应取在两曲线交点的横坐标处，才能使误码率（阴影面积）最小。,此时有 f1 (Vb*)=f0 (Vb *) 可得,发“1”时，当信噪比= (A2/2n2)1的大信噪比情况下，有,最佳判决门限为： Vb*= A / 2,误码率为,前项为 后项为,信噪比为 （Vb= A / 2）,则,前项为 后项为,2ASK系统非相干解
22、调时误码率,当信噪比远大于1时，上式近似为：,二、二进制数字调制系统比较,传输带宽和频带利用率 频带利用率：,误码率和信号功率 1、信噪比增大，误码率降低； 2、对于同一调制方式不同检测方法，相干检测的抗噪声性能优于非相干检测。 3、在相同误码率条件下，相干检测时，对信噪比的要求是：2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB；非相干检测时，对信噪比的要求是：2DPSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。 2ASK : 2FSK : 2PSK = 4 : 2 : 1,误码率Pe与信噪比r的关系曲线,信道特性对调制系统的影响 信道特性变化的灵敏度对最佳判决门限有一定的影响。
23、 2ASK系统最差。2FSK系统和2PSK系统较好。 设备复杂性与成本 在高速数据传输中，相干2PSK及2DPSK用得较多，而在中、低速数据传输中，特别是在衰落信道中，相干2FSK用得较为普遍。, 7.5 多进制数字调制系统,用二进制序列“0”和“1”分别对应载波的两种状态（如2ASK的两种幅度、2FSK的两种频率、2PSK的两种相位），这样的调制叫二元调制。 为了提高传信率，比如用四进制数去对应载波的四种状态，就可进行四元调制，一位四进制码相当于二位二进制码，传信率就会加倍。同理，还可以设计出更多进制的数字调制系统。,与二进制数字调制系统相比，多进制数字调制系统具有以下几个特点： 在码元速率
24、(传码率)相同条件下，可以提高信息速率(传信率)，从而提高系统的有效性。当码元速率相同时，M进制数字传输系统的信息速率是二进制的 log2M 倍。 (Rb = RB log2M) 在信息速率相同条件下，可降低码元速率，此时M进制码元宽度是二进制的log2M 倍，这样增加了每个码元的能量，减小了码间串扰的影响，从而提高了传输的可靠性。 在接收机输入信噪比相同条件下， 多进制数字传输系统的误码率比相应的二进制系统要高。 与二进制比较，增加了发射功率和实现上的复杂性。,用多进制的数字基带信号调制载波，就可以得到多进制数字调制信号。 通常，取多进制数M为2的幂次（M2 k）。当携带信息的参数分别为载波
25、的幅度、频率或相位时，数字调制信号为M进制幅度键控（MASK：M-ary Amplitude Shift Keying）、M进制频移键控（MFSK）或M进制相移键控（MPSK）。,一、M进制幅移键控（MASK）,用载波幅度的M个量化电平来对应M进制数字码元，叫M元数字调幅。 MASK信号相当于M电平的基带信号对载波进行双边带调幅。 SMASK(t) = S(t) cosct MASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍。 BMASK = 2 fb ，其中fb = 1 / Tb 是多进制码元速率。 MASK同样可以采用相干或非相干解调，相干解调时系统的误码率为,（a）四电平基带信号S(t)的波形,（b
26、）4ASK信号的波形,SMASK(t)可看成M-1个时间不重合，振幅不同的2ASK信号的叠加。 MASK的解调方法同样可以采用相干或非相干解调，不同在于抽样判定时需要M-1个判决门限电平（阈值）来区分M个不同的量化电平。 为保持与2ASK相同的分辨能力，每个电平台阶就应取与二元电平同样的大小，则总的信号幅度就会大大增加，消耗能量就会大增。 如果保持信号幅度不变，则每个量化台阶距离就会变小，则量化误差必然大大增加。 可见提高传信率是以提供更大能量或牺牲可靠性为代价换来的。,二、M进制频移键控（MFSK）,选择M个不同的载波频率去对应M进制数字信号，叫M元数字调频。 MFSK同样可以采用相干或非相
27、干解调，相干解调时系统的误码率为 非相干解调时系统的误码率为,MFSK系统的组成方框图,上图是多进制数字频率调制系统的组成方框图。 发送端采用键控选频的方式， 在一个码元期间Tb内只有M个频率中的一个被选通输出。 接收端采用非相干解调方式，输入的MFSK信号通过M个中心频率分别为f1 , f2 , , fM 的带通滤波器，分离出发送的M个频率。再通过包络检波器、抽样判决器和逻辑电路，从而恢复出二进制信息。 多进制数字频率调制信号的带宽近似为 BMFSK = | fM - f1 | + 2fb 。可见，MFSK信号具有较宽的频带，因而它的信道频带利用率不高。多进制数字频率调制一般在调制速率不高的
28、场合应用。,三、M进制相移键控 ( MPSK ),用载波的M个相位来对应M进制数字码元，构成M进制数字调相。 同理，它提高了传信率，也有效的节省了频带，所付出的代价是减小了相位之间的差别（2PSK相差180度，而4PSK相差90度），抗干扰能力减弱。 下面以四相制为例介绍MPSK原理。,形式一 /2体系,（4相）,（2相）,（8相）,形式二 /4体系,调相有两种方法：相位选择合成法和正交调相法。 1、相位选择合成法：直接用数字信号选择所需相位的载波以产生四相制信号。,四进制码，实际是用2位二进制码表示的。常采用的作法是将二进制码流两两分组，进行串/并变换，变为两路并行传输，叫“双比特码”。分别
29、记作A路和B路。,4PSK可以用相位选择法产生，用数字信号去选择所需相位的载波，从而实现相移键控，其原理框图如图所示。载波发生器产生4种相位的载波，输入的数字信息经串/并变换成为双比特码，经逻辑选择电路，每次选择其中一种作为输出，然后经过带通滤波器滤除高频分量。这是一种全数字化的方法，适合于载波频率较高的场合。,相位选择法产生4PSK信号,2、正交调相法：,4PSK正交调制器方框图如图所示。输入的串行二进制码经串/并变换，分为两路速率减半的序列，通过单/双极性变换器分别产生双极性二电平信号aAn(t)和aBn(t)，然后分别对同相载波cosct 和正交载波sinct 进行调制,相加后即得到了4
30、PSK信号。,设M=4（四进制），k = 45,135, -135, - 45。,MPSK信号可表示为,3、4PSK的解调：,采用相干解调，用本地载波去相乘，自然把四个相位区分开来了。,通过LPF后，上下两路分别为 cosk 和 sink 。于是可根据两抽样值的正负判定相位，也可根据极性正负决定双比特码的值。,判决法则：“”判为“1” “”判为“0”,与二元调相2PSK存在“0模糊”相似，四元调相4PSK也存在“四相模糊”问题。 所谓“四相模糊”指4PSK存在四种相位，我们的本地载波与哪一个同相位呢?不同的参考相位，将会使判定结果完全不同(有四种结果)。 为此，同二元差分调相一样，也采用四元差
31、分调相4DPSK来解决这个问题。,四、多元差分调相:,4DPSK信号（ /2体系）产生原理图,4DPSK信号相干解调 (极性比较法) 加码反变换器原理图（/4体系）,4DPSK信号差分正交解调 (相位比较法) （/4体系）,4PSK信号的功率谱密度 下图给出了信息速率相同的信号单边功率谱,M越大，功率谱主瓣越窄，从而频带利用率越高, 7.6 其他数字调制方式,一、多元正交幅度调制 （MQAM ：Quadrature-Amplitude Modulation）,1、正交调相原理: 理论上早已证明，信道中同时传输相同频率的两个正交信号(如正弦和余弦)是不会发生的混淆的，它们占用一个信号的带宽传输。
32、 因此，人们常用一对正交载波去调制两个信号叠加后传输。 e0(t)=mI(t) cosct mQ(t) sinct,更常见的做法是把一个信号终串/并变换后，分别用正弦载波和余弦载波去各调一路然后合并。 正如在四元调相中所作过的那样，那里是对双极性不归零码去调制。如果改用单极性不归零码，则成为四元正交调幅（ 4QAM ）。 QAM是利用正交载波对两路信号分别进行双边带调制形成的。 只要使用正交调制，必然引入多种相位，调相是不可少的。因此，正交调幅必然是幅相联合键控。,调制解调原理方框图 (a) QAM调制框图； (b)QAM解调框图,4QAM调制解调过程各点波形,信号矢量端点的分布图称为星座图。
33、通常，可以用星座图来描述QAM信号的信号空间分布状态。 对于M=16的16QAM来说，有多种分布形式的信号星座图。 两种具有代表意义的信号星座图如图 所示。,(a) 方型16QAM星座（标准型16QAM） ； (b) 星型16QAM星座,16QAM的星座图,星型16QAM信号平均功率是方型16QAM信号平均功率的1.4倍。 另外，两者的星座结构也有重要的差别。 一是星型16QAM只有两个振幅值，而方型16QAM有三种振幅值； 二是星型16QAM只有8种相位值，而方型16QAM有12种相位值。 这两点使得在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。,M=4, 16, 32, , 2
34、56时，MQAM信号的星座图如图 所示。其中，M=4, 16, 64, 256 时星座图为矩形，而M=32, 128 时星座图为十字形。 前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息； 后者M为2的奇次方，即每个符号携带奇数个比特信息。,MQAM信号的 星座图,16QAM和16PSK矢量图 (a) 16QAM； (b) 16PSK,16QAM星点最小距离为0.47A 。 16PSK星点最小距离为0.39A 。 两者比较， 16QAM 比16PSK的分辨力提高了。,幅相联合键控,二、最小频移键控(MSK),数字频率调制和数字相位调制，由于已调信号包络恒定， 因此有利于在非线性特性的信道中传输
35、。由于一般移频键控信号相位不连续、频偏较大等原因，使其频谱利用率较低。 本节将讨论的MSK（Minimum Frequency Shift Keying）是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。 MSK称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控(FFSK)。 所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)获得正交信号； 而“快速”是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。,在一个码元时间Tb内，MSK信号可表示为,其中 kTbt(k+1)Tb ， k=0, 1, ,式中， (t)称为附加相位函数；c为载波角频率；Tb为码元宽度；
36、ak为第k个输入码元，取值为1； k为第k个码元的相位常数，在时间kTbt(k+1)Tb中保持不变，其作用是保证在t=kTb时刻信号相位连续。,瞬时角频率为,则MSK信号的两个频率分别为 ak= +1（传号频率 ） ak=1（空号频率 ） 中心频率（常称此为载频） 最小频差为 调制指数,MSK信号波形举例,附加相位函数,ak= +1， (t)增大 /2 ；ak=1 ， (t)减小 /2 。,附加相位函数 (t)的波形图,MSK的相位网格图,从以上分析总结得出，MSK信号具有以下特点： （1）MSK信号是恒定包络信号； （2） MSK信号的相位是分段线性变化的，同时在码元转换时刻相位仍是连续的。
37、以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性地变化 /2 ； （3） 在一个码元期间内， 信号应包括四分之一载波周期的整数倍，信号的频率偏移等于1/4Tb ，相应的调制指数h=0.5 。,由图 可以看出，与2PSK相比，MSK信号的功率谱更加紧凑， 其第一个零点出现在0.75/Tb处，而2PSK的第一个零点出现在1/Tb处。这表明，MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比2PSK信号的窄；当(f-fc)时，MSK的功率谱以(f-fc)-4的速率衰减，它要比2PSK的衰减速率快得多，因此对邻道的干扰也较小。,MSK信号的归一化功率谱,MSK信号调制器原理图,MSK信号相干解调器原理图,高斯最小移
38、频键控(GMSK),由上一节分析可知，MSK调制方式的突出优点是已调信号具有恒定包络，且功率谱在主瓣以外衰减较快。 但是，在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求必须衰减70dB以上。从MSK信号的功率谱可以看出，MSK信号仍不能满足这样的要求。 高斯最小移频键控(GMSK)就是针对上述要求提出来的。GMSK调制方式能满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，它以其良好的性能而被泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)所采用。,MSK调制是调制指数为0.5的二进制调频，基带信号为矩形波形。为了压缩MSK信号的功率谱，可在MSK调制前加入预调制滤波器，对矩形波形进行滤波，得到一种新型的基
39、带波形， 使其本身和尽可能高阶的导数都连续，从而得到较好的频谱特性。 为了有效地抑制MSK信号的带外功率辐射，预调制滤波器应具有以下特性： (1) 带宽窄并且具有陡峭的截止特性； (2) 脉冲响应的过冲较小； (3) 滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于/2的相移。 其中条件(1)是为了抑制高频分量；条件(2)是为了防止过大的瞬时频偏；条件(3)是为了使调制指数为0.5。 一种满足上述特性的预调制滤波器是高斯低通滤波器。,GMSK(GaussianFiltered Minimum Shift Keying) 调制原理图,正弦载波数字调制小结,正弦载波数字调制是提高数字信息传输有效性和可靠性的重
40、要手段； 在AWGN（加性高斯白噪声）信道条件下，2PSK的误码性能最优，其次是2DPSK、2FSK和2ASK； 从实现调制系统的复杂性看，基于非相干解调的2FSK和2ASK系统的复杂性较低，2PSK或2DPSK系统的实现成本要高一些；从对频谱的利用效率看，2PSK、2DPSK、2ASK系统比2FSK要高。,数字调制系统的基本作用是将数字信息序列映射为合适的信号波形，以便发射到（无线）信道中去。 数字调制系统对频谱资源的利用程度和抗噪声能力是我们考察数字调制方式的重要指标。 因此，本章在详细说明基本调制方式的原理后，还介绍了一些比基本调制系统抗噪声性能和/或频谱利用率更高的调制方式，主要包括：
41、多进制的调制（MASK、MFSK、MPSK等）、QAM、MSK和GMSK等。,AWGN信道条件下，且频带利用率相同，进制数大于四时，QAM比MPSK的抗噪声性能优，功率利用率高； MSK和GMSK等调制方式与普通的ASK、FSK、PSK或DPSK和QAM调制方式相比，已调信号对邻道的干扰小，有效提高了频谱资源的使用效率。,数字调制理论与技术发展迅速，人们探索性能更佳的新调制方式的工作从未停止过，目前研究热点和比较流行的调制方式有： TCM（格状编码调制）：在普通56kbps调制解调器中得到应用） OFDM（正交频分复用调制）：在ADSL（非对称数字用户环）系统和短波调制解调器中得到广泛应用） CDMA（码分多址）：在移动通信系统中得到应用） CCK（补码键控调制）：在无线局域网（WLAN）中广泛使用）,