第一章 绪论
随着人类步入21世纪，社会信息化和经济全球化的步伐明显加快，人们的工作、学习、生活和社会活动比以往任何时候都更需要信息，也更依赖于信息。通信技术，尤其是数字通信技术，已经成为当今社会人们获取、传输和利用信息的重要手段。以通信、计算机和信号处理等技术为核心的信息技术业成为衡量一个国家综合实力的重要方面。
人们常用语音、文字、数据、图形、图像等方式来表达和传递信息，有时也用收发双方预先约定的编码来表达和交换信息，收发双方之间的这种信息传递的过程就是“通信”。在通信领域，人们常将完成信息传递和交换的所有技术设备（含传输媒介）的总和称为通信系统，这包括构成系统的硬件、软件，甚至是操作或使用系统的人。
一个数字通信系统的模型可由图1-1-1表示。
图1-1-1 数字通信系统模型
从消息传输角度看，该系统包括了两个重要的变换:
1、 消息与数字基带信号之间的变换；
2 、数字基带信号与信道信号之间的变换。
通常，前一个变换由发收终端设备来完成，它把无论是离散的还是连续的消息转换成数字的基带信号；而后一变换则由调制和解调器完成。然而，在数字通信中并非所有通信系统都要经过以上两个变换过程，在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，可以不经过调制和解调过程而让数字基带信号直接进行传输，我们称之为数字信号的基带传输。数字信号在时域上是成离散性的且都只是1和0两种状态，在短距离传送时可采用基带传输，当要进行远距离传输是就要采取频带传输方式了。频带传输（又称数字调制）是把数字信号调制到载波上再送入传输信道中，数字信号的频带传输与基带传输的主要区别就是增加了调制与解调的环节，即在复接器后增加了一个调制器，在分接器前增加了一个解调器而已。数字调制与模拟调制都属于正弦波调制，即被调制的信号（载波）均为高频正弦波，但是数字调制的调制信号是数字信号，而模拟调制信号是模拟信号。由于数字信号只有1和0两个离散值，这就像用数字信号去控制开关选择具有不同参量的震荡一样，为此把数字信号的调制方式称为键控。基本的调制方式有幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
将数字消息变换为相应的数字信号，以适合在带通型信道中传送。因此，需要用数字信号对载波进行调制，已调信号是高频的窄带信号，即已调信号的带宽远远小于载波的频率。
方法:用数字消息控制载波的一个或几个参数。常用的载波信号为正弦型信号，其中为为载波的振幅,为载波的角频率,为载波的初始相位。
幅度键控(ASK)：用数字消息控制载波的振幅。
移频键控(FSK):用数字消息控制载波的(角)频率。
移相键控(PSK):用数字消息控制载波的相位。
数字消息的状态(取值)是离散的，可数的(有限的),相应的数字已调信号的可取形式也是离散的。可分为二进制数字调制和多进制数字调制。本篇范文重点讨论二进制数字调制系统的原理及其控噪声性能，并简要介绍多进制数字调制的原理。
第二章 二进制幅度键控(2ASK)
用基带数字信号对高频载波信号的幅度进行控制的方式成为幅度键控，也叫数字调幅，简称ASK。
2.12ASK信号的产生
2ASK信号的产生有两种方法:
相乘电路法:
图2-1-1 二进制振幅键控(2ASK)信号的产生方法之一:相乘电路法
通-断键控法:
图2-1-2 二进制振幅键控(2ASK)信号的产生方法之二:键控法
图2-1-2中，当基带信号为高电平时，开关电路如图所示，当基带信号为低电平时，开关处于断开状态，二进制振幅键控信号状态为零，此时二进制振幅键控信号又常称为通-断键控信号(OOK信号)。
2.22ASK信号的波形
图2-2-1 二进制振幅键控(2ASK)信号的波形图
2.32ASK信号的解调
2ASK(OOK)信号的解调通常有两种方法:
非相干解调法(包络检波法)
图2-3-1 二进制振幅键控信号的非相干接收系统方框图
图2-3-2 二进制振幅键控信号的相干接收系统方框图
二进制振幅调制2ASK是数字调制中最简单的一种，但因其抗噪声性能较差，故在实际系统中很少采用，但我们可以从2ASK的原理引出其他的数字调制方式。 在光纤通信系统中，对光载波的调制可采用ASK,典型的做法是:在给定的频率下，以光的出现和消失来表示二进制数字。
2.42ASK信号的功率谱密度
2ASK信号的功率谱的特点
2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成
2ASK信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两倍
2.52ASK系统的抗噪声性能
通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声的能力。在数字通信中，信道加性噪声有可能使传输码元产生错误。这种传输错误通常用误码率来衡量。所以，我们在分析数字调制系统的抗噪声性能时，就是求出系统在加性噪声作用下的总误码率。2ASK包络检波法的误码率和2ASK相干解调法的误码率分别见附录。
结论:
1、从附录中，我们可以看出:在相同的信噪比下，2ASK信号相干解调时的总误码率低于包络检波法时的总误码率，但两者的误码性能相差并不大，且两者的最佳判决门限电平都依赖于接收信号的包络值，这个特性使得2ASK不适用于变参信道，只能用在像电缆一类的恒参信道中。
2、包络检波法由于不需要稳定的本地相干载波信号，实现起来比相干解调法简单。
第三章 二进制频移键控（2FSK）
用基带数字信号控制载波频率，称为频移键控（FSK）。当传送“1”码时送出一个频率，传送“0”码时送出另一个频率，称为二元移频键控（2FSK）。
3.12FSK信号的产生
方法一：
用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频。
图3-1-1 2FSK信号的产生(一)
方法二:键控法
图3-1-2 2FSK信号的产生(二)
键控法是利用矩形脉冲来控制开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。
3.22FSK信号的波形
2FSK信号波形可看作两个2ASK信号波形的合成。下图是相位连续的2FSK信号波形。
3.32FSK信号的解调
一、 非相干解调:
对于2FSK信号，实际中常采用非相干解调的方法。非相干解调如图3-3-1所示。
图3-2-1 2FSK波形
图3-3-1 2FSK的非相干解调方框图
2FSK信号相当于两路不同载频的2ASK信号，利用中心频率为和的带宽为带通滤波器对已调信号分路接收，再经包络检波和相减电路，最后作取样判决。
抽样判决规则：
若 ，则判;若，则判。
图3-3-2 2FSK相干解调法
二、2FSK信号的相干解调
图3-3-3 2FSK的相干解调方框图
若收端能产生与接收的2FSK信号的频率和相位一致的载频，就能实现2FSK信号的相干解调。上图给出相干解调的原理图。3.42FSK信号的功率谱密度
2FSK信号的功率谱密度也由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个双边带谱叠加而成，而离散谱出现在和的两个载频位置上。
若两个载频之差较小，如小于，则连续谱呈现单峰；如载频之差增大，则连续谱将出现双峰。如图所示：
图3-4-1 相位不连续2FSK信号的功率谱示意图
3.52FSK信号的抗噪声性能
我们已经分析了数字调制系统的抗噪声性能，就是求出系统在加性噪声作用下的总误码率。二进制移频键控(2FSK)系统的总误码率：2FSK包络检波法的误码率和2FSK相干解调法的误码率见附录。
结论:
1、 从附录可以看出，我们可以看出:在大信噪比下，2FSK的包络检波系统和相干解调系统相比，在性能上相差很小。
2、 包络检波法由于不需要稳定的本地相干载波信号，实现起来比相干解调法简单。所以实际的2FSK系统常采用包络检波法。
第四章 二进制相移键控
4.1二进制绝对相移键控（2PSK）
数字信号的“1”都对应于已调信号中的载波0相位；数字信号的“0”都对应于已调信号中载波相位，反之亦然。这种调相方式称为“绝对调相 ”。又称二相绝对调相（2PSK）。
注意：
1、无论哪一种对应关系，已调信号的相位变化都是相对于一个固定的参考相位未调载波的相位来取值。 2、在实际应用中，存在相干载波相位模糊问题，即在二相绝对调相接收中可能出现倒现象。为此，也可采用差分编码，这里通常称为相对(差分）移相，每一个码元中载波相位的变化不是以固定相位作参考，而是以前一码元载波的相位为参考。
4.1.12PSK信号的产生
第一种方法:键控法
图4-1-1 2PSK信号的的键控法框图
第二种方法:相乘电路法
图4-1-2 2PSK信号的相乘电路法
4.1.22PSK信号的波形
4.1.32PSK信号的解调
因2PSK已调信号的包络幅度不变，所以不能采用包络检波法， 通常采用相干解调法解出2PSK的已调信号。
图4-1-4 2PSK信号的相干解调框图
抽样判决规则:
2PSK解调中的“倒”现象: 因此，实际中一般不采用2PSK方式，为了克服2PSK的“倒”现象，提出了差分移相键控，即2DPSK。
4.1.42PSK信号的功率谱密度
在2PSK信号的时域表达式为
其中为双极性不归零脉冲序列，则2PSK信号的功率谱密度为
因为为双极性不归零脉冲序列，根据以前学过知识可得
(4.1-1)
当时，2PSK信号的功率谱密度为
因为的频谱为
将式上式代入(4.1-1)，得到
2PSK信号的功率谱密度的特点：
1、当双极性基带信号“0”和“1”等概率出现，即P=0.5时，无离散谱，也即“0”，“1”等概率的抑制载频2ASK。但2ASK信号总是存在离散谱，而2PSK信号可能无离散谱（P=0.5时）。
已调信号的带宽是基带信号的2倍。
4.1.52PSK信号的抗噪声性能
从前面的分析可知，单从信号波形上看，无论是绝对移相信号还是相对移相信号，都是一对倒相信号的序列。因此，在讨论移相键控系统的抗噪声性能时，假设发送端发出的信号为
(4.1-2)
其中
这里，当用表示绝对移相信号时，上式中的“1”和“0”就是原始的信息码(绝对码);当用表示相对移相信号时，上式中的“1”和“0”不再是原始的信息码(绝对码)，而是由绝对码变换成相对码后的“1”和“0”。 通常采用相干解调法和差分相干解调法对式(4.1-2)中移相信号进行解调，以下我们就不详细讨论采用这两种解调方法下系统的抗噪声性能。
4.2二进制相对相移键控（2DPSK）
当数字信号为“1”时，码元中载波的相位相对于前一个码元的载波相位变化π；当数字信号为“0”时，码元中载波的相位相对于前一个码元的载波相位不变化，反之亦然。这种调相方式称为二相相对调相（2DPSK）。
二进制移相键控2PSK是利用载波相位的绝对数值来传送数字信息，也称为绝对移相。而2DPSK则是利用相邻的码元之间的载波相位差来传送消息，即相对移相。
举例说明：假设相位值用相位偏移,
如果 ，则
如果，则
4.2.12DPSK的产生
* 将绝对码变换成相对码
* 对相对码进行绝对移相键控(2PSK) (1) 相对码的产生方法:
根据:
得到
图4-2-1 绝对码变相对码的方框图
(2) 2DPSK信号的产生
图4-2-2 2DPSK信号的调制方框图
图4-2-2中，波形变换器用来完成单极性不归零波形到双极性波形的变换，其变换关系为，因为，所以有。相对移相信号可以看成是把信息码(绝对码)变换成相对码，然后再对相对码进行绝对移相形成的。
结论:
在2DPSK中，数字信息是利用相邻的码元之间的相位差来传送，因此即使本地相干载波的相位“倒”，但并不影响相对关系，虽然解调得到的相对码是，但经差分译码后得到的绝对码不会出现的倒置现象，从而克服了2PSK方式中的“倒”现象。
4.2.22DPSK信号的波形
4.2.32DPSK信号的解调
(1)相干解调法(极性比较法)
图4-2-4 2DPSK信号的相干解调方框图
2DPSK的解调结果不受本地载波的相位“倒”的影响。
下面给出证明
假设由于某种原因，使本地载波的相位改变了，即本地载波变成了，则
(双极性波形)
(单极性波形)
解调器的输出为:
(2) 差分相干解调法
图4-2-5 2DPSK信号的差分相干解调方框图
2DPSK的差分相干解调法，不需要专门的本地相干载波，将2DPSK信号延时一个码元间隔后与2DPSK信号本身相乘，相乘的结果反映了前后码元的相对相位关系，经低通滤波器后送到抽样判决器，抽样判决器抽样的结果即为原始数字信息，不需要差分译码。只有2DPSK信号才能采用这种方法解调，因为它是以前一个码元的载波相位作为参考相位，而不是未调载波的相位。 采用差分相干解调法的2DPSK方式，虽然不需要本地相干载波，但需要能够精确地延迟一个码元间隔的延迟电路，延迟电路的精度要求很准，实际实现时，延时线不好作，而且2DPSK的抗噪声性能不如2PSK。
4.3二进制数字调制系统的性能比较
对于二进制数字调制系统的性能，主要从以下几个方面:
1、已调信号的频带宽度
2、误码率
3、对信道特性变化的敏感性
这里不一一加以说明，只给出结论：当信道存在严重的衰落时，通常采用非相干接收，因为这时在接收端不容易得到相干解调所需的相干载波。当发射机有严格的功率限制时，可适当考虑采用相干接收。因为在给定的码元传输速率及误码率的条件下，相干接收所要求的信噪比较非相干接收小。 目前，用得最多的数字调制方式是相干2DPSK和非相干2FSK。相干2DPSK主要用在高速数据传输;非相干2FSK则主要用在中、低速数据传输。
致谢
本文是在导师冯小平的悉心指导和亲切关怀下完成的。三年来，导师在学习、生活和工作上所给予我的关怀和帮助，特别是她严谨的治学风范和献身教育与科学的崇高敬业精神，学生永远铭记在心，在范文完成之际，特向她致意深切的谢意！
同时，我也深深地感谢在我学习期间关心支持和帮助过我的同学及同我一起工作的同事，在此向他们致以最诚挚的谢意！
参考文献
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