二进制频移键控(2-FSK)

http://hi.baidu.com/wxqms/blog/item/babdfbfe649d483d5d60086a.html 二进制频移键控

　　binary frequency shift keying (2FSK)

　　二进制符号0对应于载波f1，符号1对应于载频f2，而且f1与f2之间的改变是瞬时完成的一种频移键控技术。它是数字传输中应用较广的一种方式。

频移键控

　　

频移键控，英文缩写FSK。

　　频移键控是利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0。用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。对二进制的频移键控，其有效带宽为B=2xF+2Fb,xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以的信号带宽比较大，频带利用率小。

二进制频移键控调制(2FSK)

数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2FSK信号的产生方法及波形示例如图所示。图中s(t)为代表信息的二进制矩形脉冲序列，即是2FSK信号。

根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为 其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列

为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即

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

2FSK信号的功率谱为

其功率谱曲线如图所示，由离散谱和连续谱两部分组成。其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上，这表明2FSK信号中含有载波、的分量。

数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。相干解调2FSK系统的抗噪声性能优于非相干的包络检测，但需要插入两个相干载波电路较为复杂。包络检测无需相干载波，因而电路较为简单。当输入信号的信噪比r很大时，两者的相对差别不很明显。一般而言，大信噪比时常用包络检测法，小信噪比时才用相干解调法。

二进制频移键控调制

数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2FSK信号的产生方法及波形示例如图5-7所示。图中s(t)为代表信息的二进制矩形脉冲序列，即是2FSK信号。

根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为

（5-1）

其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列

（5-2）

（5-3）

g(t)是持续时间为 、高度为1的门函数；

为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即

（5-4）

是的反码，即若 =0，则 =1；若=l，则 =0，于是

（5-5）

分别是第n个信号码元的初相位。一般说来，键控法得到的与序号n无关，反映在上，仅表现出当与改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于与改变时的相位是连续的，故不仅与第n个信号码元有关，而且之间也应保持一定的关系。

由式（5-1）可以看出,一个2FSK信号可视为两路2ASK信号的合成，其中一路以s(t)为基带信号、为载频，另一路以为基带信号、为载频。

下图给出的是用键控法实现2FSK信号的电路框图，两个独立的载波发生器的输出受控于输入的二进制信号，按“1”或“0”分别选择一个载波作为输出。

2 FSK信号的解调

数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。

1. 包络检波法

包络检波法可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同,分别为（、）起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应 ，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络s(t)及；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路s(t)及 的抽样值分别用表示，则抽样判决器的判决准则为

图2 2FSK信号包络检波方框图

2. 相干检测法

相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图5-10所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。

图3 2FSK同步检测方框图

3. 过零检测法单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法方框图及各点波形如图4所示。2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率－幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。

图4 过零检测法方框图及各点波形图

4. 差分检测法

差分检波法基于输入信号与其延迟τ的信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。

MSK

　　最小移频键控(MSK)是移频键控(FSK)的一种改进型。在FSK方式中，相邻码元的频率不变或者跳变一个固定值。 在两个相邻的频率跳变的码元之间，其相位通常是不连续的。MSK是对FSK信号作某种改进，使其相位始终保持连续不变的一种调制。

　　最小移频键控又称快速移频键控(FFSK)。这里“最小”指的是能以最小的调制指数(即0.5)获得正交信号;而“快速”指的是对于给定的频带，它能比PSK传送更高的比特速率。

调制指数

　　调制指数(h，单位为bit/Symbol)，也被称为带宽效率，是以bit/s/Hz为单位来度量。较高的h会有较高的设备费用、复杂性、线性、以及为了保持与低h系统相同的误比特率而引起的SNR的增加。

信噪比（SNR：Signal to Noise Ratio）

　指在规定输入电压下的输出信号电压与输入电压切断时，输出所残留之杂音电压之比，也可看成是最大不失真声音信号强度与同时发出的强度之间的比率，通常以S/N表示。一般用分贝（dB）为单位，越高表示音频产品越好，常见产品都选择60dB以上。

　　信噪比是判断声卡噪声能力的一个重要指标。SNR值越大声卡的滤波效果越好，一般是大于80分贝。

　　SNR的定义是有用信号功率与影响该信号的噪声功率的比值。如果比值大于1：1说明信号功率大于噪声功率。

　　在工程应用中，SNR的定义信号和噪声在功率上的比值。

　　

Psignal是信号的平均功率，Pnoise是噪声的平均功率。信号和噪声的平均功率的计算必须选取相同的时间长度和系统频率带宽。如果信号和噪声有相同的阻抗，那么上面的公式可以换算到以下：

　　

其中Asignal和Anoise分别是Psignal和Pnoise的平方根，代表信号和噪声的平均幅度。因为不同的信号有不同的范围，所以我们也经常用指数形式表示：

　　

GFSK

　　Gauss frequency Shift Keying.

　　高斯频移键控，在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。

　　，如：

　　ASK ——幅移键控调制，把二进制符号0和1分别用不同

　　的幅度来表示。

　　FSK ——频移键控调制，即用不同的频率来表示不同的

　　符号。如2KHz表示0，3KHz表示1。

　　GFSK——高斯频移键控，在调制之前通过一个高斯低通

　　滤波器来限制信号的频谱宽度

数字调制方法

　　ASK ——幅移键控调制ASK (Amplitude Shift Keying) ，把二进制符号0和1分别用不同的幅度来表示。

　　FSK ——频移键控调制FSK（Frequency-shift keying），即用不同的频率来表示不同的符号。如2KHz表示0，3KHz表示1。

　　GFSK——高斯频移键控GFSK（Gauss frequency Shift Keying），在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度

ook

　　On-Off Keying

　　OOK是ASK调制的一个特例，把一个幅度取为0，另一个幅度为非0，就是OOK。

　　二进制启闭键控（OOK：On-Off Keying）又名二进制振幅键控（2ASK），它是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭。该调制方式的出现比模拟调制方式还早，Morse码的无线电传输就是使用该调制方式。由于OOK的抗噪声性能不如其他调制方式，所以该调制方式在目前的卫星通信、数字微波通信中没有被采用，但是由于该调制方式的实现简单，在光纤通信系统中，振幅键控方式却获得广泛应用。该调制方式的分析方法是基本的，因而可从OOK调制方式入门来研究数字调制的基本理论。

　差分曼彻斯特编码

　（Manchester Encoding），也叫做相位编码(PE)；常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。但在不同的书籍中，曼彻斯特编码中，电平跳动表示的值不同，这里产生很多歧义:1、在网络工程师考试以及与其相关的资料中：

　　位中间电平从高到低跳变表示"0"；

　　位中间电平从低到高跳变表示"1"。

　　2、在一些《计算机网络》书籍中：

　　位中间 电平从高到低跳变表示"1"；

　　位中间电平从低到高跳变表示"0"。

　　在清华大学出版的《计算机通信与网络教程》《计算机网络（第4版）》也是这么说的，就以此为标准，我们就叫这为标准曼彻斯编码。至于第一种，我们在这里就叫它曼彻斯特编码。但是要记住，在不同的情况下懂得变通哦，否则会被老师扣分数的哦 。这两者恰好相反，千万别弄混淆了。

　　现在我们要讲的 就是差分曼彻斯特编码：

　　在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑"1"

　　在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑"0" ；

　　如右图

a)NRZ(不归零码)

　　b)曼彻斯特码

　　c)差分曼彻斯特码

　　 曼彻斯特编码又叫数字双相码。

　　差分曼彻斯特编码又叫条件双相码（CDP码）。

相关

　　【注意】：如果在最初信号的时候，即第一个信号时：

　　如果中间位电平从低到高，则表示0；

　　如果中间位电平从高到低，则表示1；

　　后面的（从第二个开始）就看每个信号位开始时有没有跳变来决定：

　　下面我们来举个例子，来比较标准曼彻斯特编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码：不论码元是1或者0，在每个码元正中间的时刻，一定有一次电平转换。

　　曼切斯特和差分曼切斯特编码是原理基本相同的两种编码，后者是前者的改进。他们的特征是在传输的每一位信息中都带有位时钟，因此一次传输可以允许有很长的数据位。

　　曼切斯特编码的每个比特位在时钟周期内只占一半，当传输“1”时，在的前一半为高电平，后一半为低电平；而传输“0”时正相反。这样，每个时钟周期内必有一次跳变，这种跳变就是位同步信号。

　　差分曼切斯特编码是曼切斯特编码的改进。它在每个时钟位的中间都有一次跳变，传输的是“1”还是“0”，是在每个位的开始有无跳变来区分的。

　　差分曼切斯特编码比曼切斯特编码的变化要少，因此更适合与传输高速的信息，被广泛用于宽带高速网中。然而，由于每个时钟位都必须有一次变化，所以这两种编码的效率仅可达到50%左右