二进制幅移键控原理解析

1.一般原理与实现的方法

对于幅移键控这样的线性调制来说,在二进制里,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载波,使载波时断时续的输出。有载波输出时表示发送“1”,无载波输出时表示发送“0”。根据线性调制的原理,一个二进制的幅移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型载波的相乘,即

式中,g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲;ωc为载波频率;an为二进制数字。

若令

则式(6.2.1)变为

实现振幅调制的一般原理方框图如图6.2.1所示。

图6.2.1　数字振幅调制原理方框图

图中,基带信号形成器把数字序列{an}转换成所需的单极性基带矩形脉冲序列s(t),s(t)与载波相乘后即把s(t)的频谱搬移到±fc附近,实现了2ASK。带通滤波器滤出所需的已调信号,防止带外辐射影响邻台。

2ASK信号之所以称为OOK信号,这是因为幅移键控的实现可以用开关电路来完成。开关电路是以数字基带信号为门脉冲来选通载波信号,从而在开关电路输出端得到2ASK信号。实现2ASK信号的模型框图及波形如图6.2.2所示。

图6.2.2　2ASK信号的产生及波形模型

2.2ASK信号的功率谱及带宽

若用G(f)表示二进制序列中一个宽度为Ts、高度为1的门函数g(t)所对应的频谱函数,ps(f)为s(t)的功率谱密度函数,p2ASK(f)为已调信号e(t)的功率谱密度函数,则有

2ASK信号功率谱示意图如图6.2.3所示。由图可见:

图6.2.3　2ASK信号的功率谱(www.xing528.com)

(1)因为2ASK信号的功率谱密度p2ASK(f)是相应的单极性数字基带信号功率谱密度ps(f)形状不变地平移至±fc处形成的,所以2ASK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱两部分组成。它的连续谱取决于数字基带信号基本脉冲的频谱G(f);它的离散谱是位于±fc处一对频域冲击函数,这意味着2ASK信号中存在着可作载频同步的载波频率fc的成分。

(2)基于同样的原因可以知道,上面所述的2ASK信号实际上相当于双边带调幅(DSB)信号。因此,由图6.2.3可以看出,2ASK信号的带宽B2ASK是单极性数字基带信号Bg的两倍。当数字基带信号的基本脉冲是矩形不归零脉冲时,Bg=1/Ts。于是2ASK信号的带宽为

因为系统的传码率Rs=1/Ts(Baud),故2ASK系统的频带利用率为

这意味着用2ASK方式传送码元速率为Rs的数字信号时,要求该系统的带宽至少为2Rs(Hz)。

由此可见,这种2ASK调幅的频带利用率较低,即在给定信道带宽的条件下,它的单位频带内所能传送的数码率较低。为了提高频带利用率,可以用单边带调幅。从理论上说,单边带调幅的频带利用率可以比双边带调幅提高一倍,即其每单位带宽所能传输的数码率可达1Baud/Hz。

由于具体技术的限制,要实现理想的单边带调幅是极为困难的。因此,实际上广泛应用的是残留边带调制,其频带利用率略低于1Baud/Hz。

数字信号的单边带调制和残留边带调制的原理与模拟信号的调制原理是相同的,因此这里不再赘述。

2ASK信号的主要优点是易于实现,其缺点是抗干扰能力较差,主要应用在低速数据传输中。

3.2ASK信号的解调

2ASK信号的解调由振幅检波器完成,具体方法主要有两种:包络解调法和相干解调法。

包络解调法的原理方框图如图6.2.4所示。带通滤波器恰好使2ASK信号完整地通过,经包络检测后,输出其包络。低通滤波器的作用是滤除高频杂波,使基带包络信号通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成,有时又称译码器。定时抽样脉冲是很窄的脉冲,通常位于每个码元的中央位置,其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时,带通滤波器输出为2ASK信号,即y(t)=s(t)cosωct,包络检波器输出为s(t),经抽样、判决后将码元再生,即可恢复出数字序列{an}。

图6.2.4　2ASK信号的包络解调

相干解调原理方框图如图6.2.5所示。相干解调又称为同步解调。同步解调时,接收机要产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号,称其为同步载波或相干载波。利用此载波与收到的已调波相乘,乘法器输出为

图6.2.5　2ASK信号的相干解调

式中,第一项是基带信号,第二项是以2ωc为载波的成分,两者频谱相差很远。经低通滤波后,即可输出s(t)/2信号。低通滤波器的截止频率取得与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想,低通滤波器输出波形有失真,经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。

虽说2ASK信号中确实存在着载波分量,原则上讲可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波。但是,在实践中从2ASK信号提取载波需要相应的电路,将会给设备增加复杂性。因此,目前在实际设备中,为了简化设备,很少采用同步检波来解调2ASK信号。