二進制移頻鍵控信號相位連續性的研究

郭麗萍，李婷，李春杰，張維維

（大連民族學院信息與通信工程學院，遼寧大連 116605）

二進制移頻鍵控信號相位連續性的研究

郭麗萍，李婷，李春杰，張維維

（大連民族學院信息與通信工程學院，遼寧大連 116605）

通過對實際硬件電路的研究，分析了同源載波的移頻鍵控中產生相位不連續的原因，并對相位連續和相位不連續的二進制移頻鍵控信號的功率譜及其頻帶利用率進行了分析比較。

數字調制;載波;移頻鍵控;相位的連續性

數字信號的傳輸有兩種方式，一種是以數字基帶的形式進行傳輸，一種是對數字基帶信號進行調制后再傳輸。但在實際通信中，有不少信道不能直接傳送基帶信號，必須用基帶信號對載波的某些參量進行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化，也就是所謂的正弦載波調制。之所以選擇正弦信號作為載波，是因為正弦信號形式簡單，便于產生和接收。以正弦波為載波的數字調制系統，與模擬調制系統一樣，也有調幅、調頻、調相這三種基本形式，并可以派生出多種其他形式［1］。

數字調制與模擬調制相比，其原理并沒有什么區別。不過模擬調制是對載波信號的參量進行連續調制，在接收端則對載波信號的調制參量連續地進行估值;而數字調制是用載波信號的某些離散狀態來表征所傳送的信息，在接收端也只要對載波信號的離散調制參量進行檢測。數字調制信號，在二進制時有振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）三種基本信號形式。

數字頻率調制（移頻鍵控（FSK））是數據通信中使用較早的一種通信方式。由于這種調制解調方式容易實現，抗噪聲和抗衰減性能較強，因此在數字通信中用的較為廣泛［1］。在話帶內進行數據傳輸時，國際電報電話咨詢委員會（CCITT）推薦在話音頻帶內低于1 200 bit/s數據率時使用FSK方式。在衰落信道中傳輸數據時，也被廣泛采用。數字調頻（2FSK），是利用載波的頻率變化來傳遞數字信息。鍵控法產生的2FSK信號如圖1，所產生的2FSK信號又分為相位不連續和相位連續兩種情況。若兩個振蕩頻率f1，f2分別由不同的獨立振蕩器提供，則它們之間相位互不相關，這就叫相位不連續的2FSK信號（或叫做相位離散2FSK信號）;若兩個振蕩頻率f1，f2由同一振蕩源提供，只是對其中一個載波頻率進行分頻，這樣產生的兩個載頻的相位是連續的，所產生的信號叫做相位連續的2FSK信號。2FSK產生的電路框圖如圖1。

圖1 鍵控法產生2FSK信號電路框圖

設信息源發出的數字基帶信號是由二進制符號0、1組成的序列，那么，2FSK信號便是0符號對應于載頻f1，而1符號對應于載頻f2（與f1不同的另一個載頻）的已調波形，而且f1與f2之間的改變是瞬間完成的。

根據2FSK信號的產生原理，已調信號的數學表達式就不難寫出，即

式中eo（t）即是2FSK信號，ɡ（t）為單個矩形脈沖，脈寬為Ts.

φn，θn分別是第n個信號碼元的初相位。

一般來說，在鍵控法中，不同源的兩路載波對基帶信號進行調制時得到的φn、θn是與序列n無關的，反映在eo（t）上，表現為f1與f2改變時其相位是不連續的;在碼元邊界，當相位不連續時，信號的頻譜將展寬，包絡也將出現起伏，這是通信中不希望并想盡量避免的。而用模擬調頻法或用鍵控法時兩路載波是同源的時，則f1與f2改變時已調信號的相位是連續的［2］。

理論上雖然如此，但在實際的電路實現時，有時候雖然是一個振蕩源產生的載波，但由于器件的時延等多方面的原因，也會產生相位不連續的2FSK信號。如下面的FSK調制電路中，兩路載波采用同源載波，FSK調制的電原理框圖如圖2，其中32KHz方波和16KHz方波是從同一個振蕩源產生，經分頻得來。

圖2 2FSK調制電原理框圖

其電原理圖如圖3。

圖3 2FSK調制電路圖

在圖3中，電路中的兩路載頻（f1，f2）由同一個振蕩源產生，經過分頻，產生32KHz和16KHz的載頻輸入。兩路載頻分別經射隨器、選頻濾波、射隨電路，再分別送至選通模擬開關1和2（CD4066）。

輸入的數字基帶信號（矩形脈沖）分成兩路，一路控制f1=32KHz的載頻（ω1=2πf1），另一路經倒相去控制f2=16KHz的載頻（ω2=2πf2）。當基帶信號為“1”時，模擬開關1打開，模擬開關2關閉，此時輸出f1=32KHz的載頻。當基帶信號為“0”時，模擬開關1關閉，模擬開關2開通，此時輸出f2=16KHz的載頻。于是可在輸出端得到已調的2FSK信號:理論上應該得到的波形如圖4，實際輸出的波形如圖5。

本電路所采用的選通模擬開關為CMOS模擬開關CD4066。該模擬開關具有功耗低、速度快、無機械觸點、體積小和使用壽命長等特點。CD4066是一個14管腳的芯片，每個封裝內部含有4個獨立的模擬開關，有輸入、輸出、控制三個端子，其中輸入端和輸出端可互換。當控制端加高電平時，開關導通;當控制端為低電平時，開關截止。模擬開關導通時，導通電阻為幾十歐姆;模擬開關截止時，呈現高阻狀態，可以看成是開路。此模擬開關既可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號，可傳輸的模擬信號的上限頻率為40MHz。

圖4 相位連續的FSK信號

圖5 相位不連續的FSK信號

需要特別說明的是，當控制端的高電平到來時，輸出信號與輸入信號相比，有25ns的時延。如圖6給出了CD4066芯片輸入信號和輸出信號的時延示意圖。從右圖中可以清楚地看出輸入信號VIS和輸出信號VOS之間的時延。這正是同源載波的FSK信號產生相位不連續的主要原因。

圖6 輸入輸出信號的時延圖

另外，把數字基帶信號分成兩路去分別控制兩路載波，產生32kHz信號的那一路沒有經過反相器，而產生16kHz信號的那一路經過了一個反相器，此反相器的導通也會產生一個時延。該時延與前面介紹的輸入輸出信號時延累積相加，使最后輸出的FSK信號產生了相位的不連續。

從以上分析可見，即使是從同一振蕩源產生的兩路載波，由于硬件電路中器件的原因，也會造成FSK已調信號的相位不連續。為解決相位不連續現象，可以對電路進行改進，例如可以選用輸入輸出時延更小的器件，或者在32kHz那一路加兩個反相器以抵消16kHz那一路的時延等。

相位不連續的2FSK信號的帶寬△f約為

在調制指數h較小的條件下，相位連續的FSK信號具有能量集中，包絡恒定，抗干擾能力強的特點，目前用得較多的是h=0.5的相位連續的FSK方式，即最小移頻鍵控方式（MSK），有時也稱為快速移頻鍵控（FFSK）。而相位不連續的2FSK信號存在離散譜線，頻偏較大，浪費功率，頻譜利用率較低等特點。所以在大多數的通信場合，都使用相位連續的FSK信號。而相位不連續的FSK信號只適用于設備要求簡單的通信場合。但即使是同一個振蕩源產生的兩路載波，也可能造成FSK信號相位的不連續。所以應針對產生相位不連續的原因，對電路進行相應的修改以解決相位不聯系的問題。

［1］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京:國防工業出版社，2006.

［2］王興亮.現代通信原理與技術［M］.北京:電子工業出版社，2009.

Study on the Continuity of the Phases of 2FSK

GUO Li－ping，LI Ting，LI Chun－jie，ZHANG Wei－wei
（College of Information and Communications Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China）

Through studying the actual circuits，we analyze the reason that the phases of FSK with carriers from the same source are not continuous.Meanwhile，we also compare and analyze the power spectrum and the bandwidth of the two kinds of FSK:the continuous phase of FSK and the discontinuous phase of FSK.

digital modulation;carrier;FSK;continuity of phases

TN911

A

1009－315X（2012）03－0217－04

2011－06－24;最后

2012－03－20

郭麗萍（1966－），女，河北樂亭人，高級工程師，主要從事電子與通信研究。

（責任編輯 劉敏）