二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制(2FSK)原理解析

數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控（FSK），二進(jìn)制頻移鍵控記作2FSK。數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。2FSK信號便是符號“1”對應(yīng)于載頻，而符號“0”對應(yīng)于載頻（與不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且與之間的改變是瞬間完成的。

從原理上講，數(shù)字調(diào)頻可用模擬調(diào)頻法來實(shí)現(xiàn)，也可用鍵控法來實(shí)現(xiàn)。模擬調(diào)頻法是利用一個(gè)矩形脈沖序列對一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，是頻移鍵控通信方式早期采用的實(shí)現(xiàn)方法。2FSK鍵控法則是利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通。鍵控法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、波形好、穩(wěn)定度高且易于實(shí)現(xiàn)，故應(yīng)用廣泛。2FSK信號的產(chǎn)生方法及波形示例如圖所示。圖中s(t)為代表信息的二進(jìn)制矩形脈沖序列，即是2FSK信號。

根據(jù)以上2FSK信號的產(chǎn)生原理，已調(diào)信號的數(shù)字表達(dá)式可以表示為 其中，s(t)為單極性非歸零矩形脈沖序列

為對s(t)逐碼元取反而形成的脈沖序列，即

是[[image:bk063764w-11.gif]的反碼，即若=0，則 =1；若=l，則=0，于是

2FSK信號的功率譜為

其功率譜曲線如圖所示，由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。其中，連續(xù)譜由兩個(gè)雙邊譜疊加而成，而離散譜出現(xiàn)在兩個(gè)載頻位置上，這表明2FSK信號中含有載波、的分量。

數(shù)字調(diào)頻信號的解調(diào)方法很多，如鑒頻法、相干檢測法、包絡(luò)檢波法、過零檢測法、差分檢測法等。相干解調(diào)2FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干的包絡(luò)檢測，但需要插入兩個(gè)相干載波電路較為復(fù)雜。包絡(luò)檢測無需相干載波，因而電路較為簡單。當(dāng)輸入信號的信噪比r很大時(shí)，兩者的相對差別不很明顯。一般而言，大信噪比時(shí)常用包絡(luò)檢測法，小信噪比時(shí)才用相干解調(diào)法。

二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制

數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控（FSK），二進(jìn)制頻移鍵控記作2FSK。數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。2FSK信號便是符號“1”對應(yīng)于載頻，而符號“0”對應(yīng)于載頻（與不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且與之間的改變是瞬間完成的。從原理上講，數(shù)字調(diào)頻可用模擬調(diào)頻法來實(shí)現(xiàn)，也可用鍵控法來實(shí)現(xiàn)。模擬調(diào)頻法是利用一個(gè)矩形脈沖序列對一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，是頻移鍵控通信方式早期采用的實(shí)現(xiàn)方法。2FSK鍵控法則是利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通。鍵控法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、波形好、穩(wěn)定度高且易于實(shí)現(xiàn)，故應(yīng)用廣泛。2FSK信號的產(chǎn)生方法及波形示例如圖5-7所示。圖中s(t)為代表信息的二進(jìn)制矩形脈沖序列，即是2FSK信號。

根據(jù)以上2FSK信號的產(chǎn)生原理，已調(diào)信號的數(shù)字表達(dá)式可以表示為

（5-1）

其中，s(t)為單極性非歸零矩形脈沖序列

（5-2）

（5-3）

g(t)是持續(xù)時(shí)間為 、高度為1的門函數(shù)；

為對s(t)逐碼元取反而形成的脈沖序列，即

（5-4）

是的反碼，即若 =0，則 =1；若=l，則 =0，于是

（5-5）

分別是第n個(gè)信號碼元的初相位。一般說來，鍵控法得到的與序號n無關(guān)，反映在上，僅表現(xiàn)出當(dāng)與改變時(shí)其相位是不連續(xù)的；而用模擬調(diào)頻法時(shí)，由于與改變時(shí)的相位是連續(xù)的，故不僅與第n個(gè)信號碼元有關(guān)，而且之間也應(yīng)保持一定的關(guān)系。

由式（5-1）可以看出,一個(gè)2FSK信號可視為兩路2ASK信號的合成，其中一路以s(t)為基帶信號、為載頻，另一路以為基帶信號、為載頻。

下圖給出的是用鍵控法實(shí)現(xiàn)2FSK信號的電路框圖，兩個(gè)獨(dú)立的載波發(fā)生器的輸出受控于輸入的二進(jìn)制信號，按“1”或“0”分別選擇一個(gè)載波作為輸出。

2 FSK信號的解調(diào)

數(shù)字調(diào)頻信號的解調(diào)方法很多，如鑒頻法、相干檢測法、包絡(luò)檢波法、過零檢測法、差分檢測法等。

1. 包絡(luò)檢波法

包絡(luò)檢波法可視為由兩路2ASK解調(diào)電路組成。這里，兩個(gè)帶通濾波器（帶寬相同，皆為相應(yīng)的2ASK信號帶寬；中心頻率不同,分別為（、）起分路作用，用以分開兩路2ASK信號，上支路對應(yīng) ，下支路對應(yīng)，經(jīng)包絡(luò)檢測后分別取出它們的包絡(luò)s(t)及；抽樣判決器起比較器作用，把兩路包絡(luò)信號同時(shí)送到抽樣判決器進(jìn)行比較，從而判決輸出基帶數(shù)字信號。若上、下支路s(t)及 的抽樣值分別用表示，則抽樣判決器的判決準(zhǔn)則為

圖2 2FSK信號包絡(luò)檢波方框圖

2. 相干檢測法

相干檢測的具體解調(diào)電路是同步檢波器，原理方框圖如圖5-10所示。圖中兩個(gè)帶通濾波器的作用同于包絡(luò)檢波法，起分路作用。它們的輸出分別與相應(yīng)的同步相干載波相乘，再分別經(jīng)低通濾波器濾掉二倍頻信號，取出含基帶數(shù)字信息的低頻信號，抽樣判決器在抽樣脈沖到來時(shí)對兩個(gè)低頻信號的抽樣值進(jìn)行比較判決（判決規(guī)則同于包絡(luò)檢波法），即可還原出基帶數(shù)字信號。

圖3 2FSK同步檢測方框圖

3. 過零檢測法單位時(shí)間內(nèi)信號經(jīng)過零點(diǎn)的次數(shù)多少，可以用來衡量頻率的高低。數(shù)字調(diào)頻波的過零點(diǎn)數(shù)隨不同載頻而異，故檢出過零點(diǎn)數(shù)可以得到關(guān)于頻率的差異，這就是過零檢測法的基本思想。過零檢測法方框圖及各點(diǎn)波形如圖4所示。2FSK輸入信號經(jīng)放大限幅后產(chǎn)生矩形脈沖序列，經(jīng)微分及全波整流形成與頻率變化相應(yīng)的尖脈沖序列，這個(gè)序列就代表著調(diào)頻波的過零點(diǎn)。尖脈沖觸發(fā)一寬脈沖發(fā)生器，變換成具有一定寬度的矩形波，該矩形波的直流分量便代表著信號的頻率，脈沖越密，直流分量越大，反映著輸入信號的頻率越高。經(jīng)低通濾波器就可得到脈沖波的直流分量。這樣就完成了頻率－幅度變換，從而再根據(jù)直流分量幅度上的區(qū)別還原出數(shù)字信號“1”和“0”。

圖4 過零檢測法方框圖及各點(diǎn)波形圖

4. 差分檢測法

差分檢波法基于輸入信號與其延遲τ的信號相比較，信道上的失真將同時(shí)影響相鄰信號，故不影響最終鑒頻結(jié)果。實(shí)踐表明，當(dāng)延遲失真為0時(shí)，這種方法的檢測性能不如普通鑒頻法，但當(dāng)信道有較嚴(yán)重延遲失真時(shí)，其檢測性能優(yōu)于鑒頻法。