二進制頻移鍵控調制(2FSK)原理解析

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

從原理上講，數字調頻可用模擬調頻法來實現，也可用鍵控法來實現。模擬調頻法是利用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調頻，是頻移鍵控通信方式早期采用的實現方法。2FSK鍵控法則是利用受矩形脈沖序列控制的開關電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通。鍵控法的特點是轉換速度快、波形好、穩定度高且易于實現，故應用廣泛。2FSK信號的產生方法及波形示例如圖所示。圖中s(t)為代表信息的二進制矩形脈沖序列，即是2FSK信號。

根據以上2FSK信號的產生原理，已調信號的數字表達式可以表示為 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，由離散譜和連續譜兩部分組成。其中，連續譜由兩個雙邊譜疊加而成，而離散譜出現在兩個載頻位置上，這表明2FSK信號中含有載波、的分量。

數字調頻信號的解調方法很多，如鑒頻法、相干檢測法、包絡檢波法、過零檢測法、差分檢測法等。相干解調2FSK系統的抗噪聲性能優于非相干的包絡檢測，但需要插入兩個相干載波電路較為復雜。包絡檢測無需相干載波，因而電路較為簡單。當輸入信號的信噪比r很大時，兩者的相對差別不很明顯。一般而言，大信噪比時常用包絡檢測法，小信噪比時才用相干解調法。

二進制頻移鍵控調制

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

根據以上2FSK信號的產生原理，已調信號的數字表達式可以表示為

（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)是持續時間為 、高度為1的門函數；

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個信號碼元的初相位。一般說來，鍵控法得到的與序號n無關，反映在上，僅表現出當與改變時其相位是不連續的；而用模擬調頻法時，由于與改變時的相位是連續的，故不僅與第n個信號碼元有關，而且之間也應保持一定的關系。

由式（5-1）可以看出,一個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現2FSK信號的電路框圖，兩個獨立的載波發生器的輸出受控于輸入的二進制信號，按“1”或“0”分別選擇一個載波作為輸出。

2 FSK信號的解調

數字調頻信號的解調方法很多，如鑒頻法、相干檢測法、包絡檢波法、過零檢測法、差分檢測法等。

1. 包絡檢波法

包絡檢波法可視為由兩路2ASK解調電路組成。這里，兩個帶通濾波器（帶寬相同，皆為相應的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 ，下支路對應，經包絡檢測后分別取出它們的包絡s(t)及；抽樣判決器起比較器作用，把兩路包絡信號同時送到抽樣判決器進行比較，從而判決輸出基帶數字信號。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則為

圖2 2FSK信號包絡檢波方框圖

2. 相干檢測法

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

圖3 2FSK同步檢測方框圖

3. 過零檢測法單位時間內信號經過零點的次數多少，可以用來衡量頻率的高低。數字調頻波的過零點數隨不同載頻而異，故檢出過零點數可以得到關于頻率的差異，這就是過零檢測法的基本思想。過零檢測法方框圖及各點波形如圖4所示。2FSK輸入信號經放大限幅后產生矩形脈沖序列，經微分及全波整流形成與頻率變化相應的尖脈沖序列，這個序列就代表著調頻波的過零點。尖脈沖觸發一寬脈沖發生器，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，從而再根據直流分量幅度上的區別還原出數字信號“1”和“0”。

圖4 過零檢測法方框圖及各點波形圖

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影響相鄰信號，故不影響最終鑒頻結果。實踐表明，當延遲失真為0時，這種方法的檢測性能不如普通鑒頻法，但當信道有較嚴重延遲失真時，其檢測性能優于鑒頻法。