2.3 数据信号的频带传输

    概念：需要对基带信号进行调制以实现频谱搬移使信号频带适合于信道频带的传输方式称为频带传输。

2.3.1 频带传输系统的构成
 
         图2-37 频带传输系统的构成

2.3.2 数字调幅
    以基带数据信号控制一个载波的幅度，称为数字调幅，又称幅移键控，简写为ASK。
    1. ASK信号及功率谱分析
    图2-35所示是数字调幅系统基本构成框图，这里的调制信号是经过基带形成的数据序列。

    图2-35 数字调幅系统基本构成框图
    调制解调器本质上就是一个乘法器，已调信号可写为

            
    已调信号的功率谱密度为
 

    抑制载波的2ASK信号的功率谱密度

    2. 单边带和残余边带调制的概念
    (1）单边带调制信号的功率谱密度

    (2）残余边带调制信号的功率谱密度

    3. 正交幅度调制
    (1)基本原理
    正交调幅是一种幅度和相位联合调制。所谓正交调幅是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。在这种调制中，由于两路已调信号在相同带宽内频谱正交，因此，可以在同一频带内并行传输两路数据信息，因此频带利用率与单边带调制相同，QAM调制方式一般用于高速数据传输系统中。在QAM方式中，基带信号可以是二电平，也可以是多电平，若为多电平时，就构多进制正交幅度调制（MQAM）。
    正交幅度调制信号产生和解调原理图如图2-42所示。
    
    输入数据序列经串/并变换的A、B信号，如上图所示，A、B两路信号通过低通的基带形成，则形成s₁(t)和s₂(t)两路独立的波形。
        
    两路合成的输出信号为
       
    由于A路和B路的调制载波相位相差9^。，所以形成两路正交的频谱。
    （2）星座表示法

        图2-47 正交调幅信号产生电路方框图及星座图
    A、B二元码共有四种组合，即00，01，11，10。这四种组合所对应的相位矢量关系如图2-44 (b)所示。
    上面我们是用矢量表示QAM信号。如果只画出矢量端点，则如图2-44 (b)所示，称为 QAM的星座表示。如星座图上有四个星点，则称为4QAM。
    以上讨论的是A、B两路都传送二电平码的情况。
    如果采用两路四电平码送到A、B的调制器就能更进一步提高频带利用率。由于采用四电平基带信号，所以，每路在星座图上有四个点，于是可组成由16个点的星座图，如图6.7.4所示，这种正交调幅称为16QAM。同样，将两路8电平码送到A、B调制器，可得64点星座图，称为64QAM，更进一步还有128QAM等。正如前面所说，星座图上的点数越多，频带利用率越高，但抗干扰能力越差。这就要根据通信的要求、信道的噪声特性作具体的设计。
    
          图2-48 16个点的星座图
    (3) QAM的频带利用率
    QAM方式的主要特点是有较高的频带利用率。现在来分析如何考虑MQAM的频带利用率，这里的M为星点数。MQAM的频带利用率为
          
    还可以写成
        
    M越大，星座图上的点数越多，频带利用率越高，但抗干扰能力越差。

2.3.3 数字调相
    以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相，又称相移键控，简写为PSK。
    1. PSK信号及功率谱密度
    按PSK的基本定义可画出如图2-46所示数据信号与PSK信号的对应波形。图中2-46 (a)是信号序列；2-46 (b)是未调载波信号，2-44 (c)为二相绝对调相信号，记为2PSK；2-46 (d)为二相对调相信号，或称差分调相信号，记为2DPSK。
   
    数字调相信号功率谱密度就是载波频率为fc的抑制载波的双边带谱，与抑制载波的2ASK功率谱相同，也是双边带带宽。
    2.二相调相信号的产生和解调
    (1) 2PSK信号的产生和解调
    图2-50 (a)给出的是一种用相位选择法产生2 PSK信号的原理框图。
   
           图2-50 2PSK信号的产生和解调
    2PSK信号的解调存在一个问题，即2分频器电路输出存在相位不定性或称相位模糊问题。 当二分频器电路输出的相位为0⁰或180⁰不定时，相干解调的输出基带信号就会存在0或1倒相现象，这就是二相绝对调相，即2PSK方式不能直接应用的原因所在。解决这一问题的方法就是采用相对调相，即2DPSK方式。
    (2)2DPSK信号的产生和解调
    ① 2DPSK信号的产生
    根据2DPSK信号和2PSK信号的内在联系，只要将输入的基带数据序列变换成相对序列，即差分码序列，然后用相对序列去进行绝对调相，便可得到2DPSK信号。
    ② 2DPSK信号的解调
    2DPSK的解调通常采用极性比较法，极性比较法是对2DPSK信号先进行2PSK解调，然后用码变换器将差分码变为绝对码。在进行2PSK解调时，可能会出现“1”，“0”倒相现象，但变换为绝对码后的码序列是唯一的，即与倒相无关。
    3.多相调相及频带利用率
    (1)四相调相
    四相调相，即4PSK，是用载波的四种不同相位来表征传送的数据信息。如前所述，在4PSK调制中，首先对输入的二进制数据进行分组，将二位数字编成一组，即构成双比特码元。k比特码元有2^k种组合，即有2^k种不同状态，故可以用m= 2^k种不同相位或相位差来表示，对于k=2, 则m＝2²=4，故称为 四相调相。
    我们把组成双比特码元的前一信息比特用A代表，后一信息比特用B代表，并按格雷码排列，以便提高传输的可靠性。按国际统一标准规定，双比特码元与载波相位的对应关系有两种，称为A方式和B方式，它们的对应关系如表2-1所示，它们之间的矢量关系如图2-53所示。
          表2-1双比特码元与载波相位对应关系
   
    4PSK信号可采用调相法产生，产生4PSK信号原理图如图2-54 (a)所示。

             图2-57 4PSK信号产生原理图
    4PSK信号可用两路相干解调器分别解调，而后再进行并／串变换，变为串行码元序列，4PSK解调原理图如图2-55所示。
    
           图2-55 4PSK解调原理图
    (2)多相调相的频带利用率。
    多相调相的频带利用率为
        
    与MQAM方式的频带利用率是一样的，M越大，频带利用率越高，但多相调制时，M越大，已调载波的相位差越小，接收端在噪声干扰下越容易判错，使可靠性下降。

2.3.4 数字调频
    用基带数据信号控制载波的频率，称为数字调频，又称频移键控(FSK)。
    1.2FSK信号及功率谱密度
    (1)2FSK信号
    二进制移频键控就是用二进制数字信号控制载波频率，当传送“1”码时输出频率f₁；当传送“0”码时输出频率f₀ 。
    (2) 2FSK信号功率谱密度（相位不连续的）
    2FSK信号的功率谱密度，是两个不抑制载波的2ASK信号的功率谱密度的合成,如图2-61所示。
  
       图2-61 相位不连续的2FSK信号的功率谱密度
    2FSK信号功率谱密度的特点：
    （1）由连续谱和离散谱叠加而成。
    （2）若两个载波频率之差较小，连续谱呈现单峰；
    若两个载波频率之差较大，连续谱呈现双峰。
    2.2FSK信号的产生和解调
    (1)2FSK信号的产生
    2FSK信号的产生可用两个数字调幅信号相加的办法产生。如图2-58所示，就是相位不连续的2FSK信号产生的原理图。
       
   
          图2-62 2FSK信号的产生
    图2-62 (b)为相位连续的2FSK信号产生的原理图，利用数据信号的“1”和“0”的电压的不同控制一个可变频率的电压控制振荡器以产生两个不同频率的信号f₁和f₀，这时两个频率变化时相位就是连续的。
    (2) 2FSK信号的解调
    这里讨论两种简单的2FSK的解调方法，如图2-64所示。
   
          图2-64 2FSK的解调方法
    图2-60 (a)是采用分路选通滤波器进行2FSK信号的非相干解调，当2FSK信号的频偏较大时，可以把2FSK信号当作两路不同载频的2ASK信号接收。图2-60 (b)是采用鉴频解调方法的简单框图。
     
          图2-61 鉴频器及其特性

2.3.5 数字调制中的载波提取和形成
    采用相干解调时本地载波的获取方法。
    1.从已调信号中提取相干载波
    在数据传输中,载波频率分量本身不负载信息,所以,多数调制方式中都采用抑制载波频率分量的方式,即已调信号中不直接含有载波频率分量。这时,就无法直接从接收信号中提取载波的频率和相位信息。但是,对于某些信号。如2PSK,QAM等信号,只要对接收信号波形进行适当的非线性处理,就可以使处理后的信号中含有载波的频率和相位信息,这时,就可以通过提取方式获得接收端的相干载波。
  
    2.利用插入导频提取相干载波
    在某些情况下可能无法从接收的已调信号中获取所需要的相干载波的频率和相位信息,这时, 只能利用专门发送的插入导频来取得载波的信息。所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外德插入一个低功率的载波频率或与其有关的频率信号的线谱，其对应的正弦波就称为导频信号。在接收端利用窄带滤波器把它提取出来，经过适当的处理（锁相、变频、形成等）,即获得接收端的相干载波。