多进制数字频率调制技术优化方案

多进制数字频率调制简称多频制,是2FSK方式的推广。它用多个频率的正弦振荡分别代表不同的数字信息。MFSK信号的表达式为

式中,Es为单位符号的信号能量;ωi为载波角频率,有M种取值。

多频制系统的组成方框图如图6.6.2所示。调制器是用频率选择法实现的,解调器是用非相干检测——包络检测法实现的,因而它属于非线性调制系统。

图6.6.2　多频制系统的组成方框图

图中,串/并变换器和逻辑电路将一组组输入二进制码(n个码元为一组)对应地转换成有多种状态的一个个的多进制码(共M=2n个状态)。这M个状态分别对应M种频率。当某组n位二进制码到来时,逻辑电路的输出一方面接通某个门电路,让相应的载频发送出去;另一方面却同时关闭其余所有的门电路,于是当一组组二进制码元输入时,经加法器组合输出的便是一个多进制频率调制的波形。

多频制的解调部分由M个带通滤波器、包络检波器及一个抽样判决器、逻辑电路、并/串变换器组成。各带通滤波器的中心频率分别是各个载频。因而,当某一已调载频信号到来时,只有一个带通滤波器有信号及噪声通过,其他带通滤波器只有噪声通过。抽样判决器的任务就是在某时刻比较所有包络检波器输出的电压,判决哪一路最大,也就是判决对方送来的是什么频率,并选出最大者作为输出,这个输出相当于多进制的某一码元。逻辑电路把这个输出译成用n位二进制并行码表示的M进制数,再送并/串变换器变成串行的二进制输出信号,从而完成数字信号的传输。

键控法产生的MFSK信号,其相位是不连续的,可用DPMFSK表示。它可以看作由M个振幅相同、载频不同、时间上互不相容的2ASK信号叠加的结果。设MFSK信号码元的宽度为T′s,即码元速率f′s=1/T′s(B),则MFSK信号的带宽为

式中,fM为最高频率;f1为最低频率。

设fD=(fM-f1)/2为最大频偏,则上式可表示为

DPMFSK信号功率谱P(f)与f的关系曲线如图6.6.3所示。

图6.6.3　DPMFSK信号的功率谱

若相邻载频之差等于2f′s,即相邻频率的功率谱主瓣刚好互不重叠,这时的MFSK信号的带宽及频带利用率分别为

式中,M=2n,n=2,3,…。可见,MFSK信号的带宽随频率数M的增大而线性增宽,频带利用率明显下降。

上面所讨论的MFSK调制系统,就信息速率而言,与二进制的信息速率是相等的。二进制的码元速率为fs,也就是说,它的信息速率也是fs,因而多进制的码元速率f′s与二进制码元速率的关系为f′s=fs/n(n=logM)。此时二者带宽的关系为(www.xing528.com)

频带利用率的关系为

式(6.6.18)和式(6.6.19)中已设2FSK信号的两个载频之差为2fs,此时的带宽B2FSK=4fs。

式(6.6.19)说明,当频率数大于4以后,MFSK的频带利用率低于2FSK系统的频带利用率。与MASK的频带利用率比较,其关系为

这说明,MFSK的频带利用率总是低于MASK的频带利用率。

当,k为正整数时,M种发送信号波形之间互相正交,称为正交MFSK。此时,采用非相干解调,可求得MFSK信号的误码率为

式中,Es为平均信号能量;n0为噪声的单边功率谱密度;r为接收信噪比。其误比特率为

式中,n=logM。当M很大时可进一步近似为

由上述结论可见,当M一定时,r越大,Ps越小;当r一定时,M越大,Ps越大。而且误比特率与误码率之间的关系与MASK的不同。

MFSK信号具有以下特点:

①在传信率一定时,由于采用多进制,每个码元包含的信息量增加,码元宽度增宽,因而在信号电平一定时每个码元的能量增加。

②一个频率对应一个二进制码元组合,因此,总的判决次数比二进制时减少了。

③码元加宽后可有效地减少由于多径效应造成的码间串扰的影响,从而提高衰落信道时的抗干扰能力。

MFSK信号的主要缺点是信号频带宽,频带利用率低。

MFSK一般用于调制速率(载频变化率)不高的短波、衰落信道上的数字通信。