第四章 数字信号的频带传输要点
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数字信号的频带传输
基带信号
0
1
0
0
1
1
1
0
0
调幅
2ASK信号的一般表达式：
e2ASK (t ) st cosc t
其中
s(t ) an g (t nTs )
n
Ts － 码元持续时间；
g(t) － 持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假设是高度为1，
宽度等于Ts的矩形脉冲；
an － 第N个符号的电平取值，若取
在相邻码元之间必定有相位突跳。在接收端检测此相位突跳就能确定每个码 元的起止时刻。
2DPSK信号的产生方法
(a)绝对码
(b)相对码
1 0
参考
1 0
0 0
1 1
0 1
1
(c)2DPSK
t
产生方法：
① 将绝对码进行码变换（差分编码）得到相对码（差分码）； 2DPSK ② 然后进行绝对调相。 图中的码变换（绝对码→相对码）规则为：
是利用包络检波器或波形整流器对幅度键控信号进行检 波以恢复基带信号的方法
2ASK信号解调方法
-- 非相干解调(包络检波法) -- 相干解调(同步检测法)
地 载 波 （ 称 为 相 干 载 波 ）
同 步 （ 同 频 同 相 ） 的 本 与 接 收 的 已 调 载 波 严 格
sm ( t ) cosct s( t ) cos2 ct s( t ) / 2 (cos2ct ) / 2
1
(c)2DPSK
t
Note
数字信息与 之间的关系也可定义为
1 0, 表示数字信息“ ” ， 表示数字信息“0”
2DPSK信号的矢量图
参考相位
0
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调幅
2ASK信号的一般表达式：
e2ASK (t ) st cosc t
其中
s(t ) an g (t nTs )
n
Ts － 码元持续时间；
g(t) － 持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假设是高度为1，
宽度等于Ts的矩形脉冲；
an － 第N个符号的电平取值，若取
在相邻码元之间必定有相位突跳。在接收端检测此相位突跳就能确定每个码 元的起止时刻。
2DPSK信号的产生方法
(a)绝对码
(b)相对码
1 0
参考
1 0
0 0
1 1
0 1
1
(c)2DPSK
t
产生方法：
① 将绝对码进行码变换（差分编码）得到相对码（差分码）； 2DPSK ② 然后进行绝对调相。 图中的码变换（绝对码→相对码）规则为：
是利用包络检波器或波形整流器对幅度键控信号进行检 波以恢复基带信号的方法
2ASK信号解调方法
-- 非相干解调(包络检波法) -- 相干解调(同步检测法)
地 载 波 （ 称 为 相 干 载 波 ）
同 步 （ 同 频 同 相 ） 的 本 与 接 收 的 已 调 载 波 严 格
sm ( t ) cosct s( t ) cos2 ct s( t ) / 2 (cos2ct ) / 2
1
(c)2DPSK
t
Note
数字信息与 之间的关系也可定义为
1 0, 表示数字信息“ ” ， 表示数字信息“0”
2DPSK信号的矢量图
参考相位
模块六数字信号的频带传输课件
电话网络
在电话网络中，采用脉冲编码调 制（PCM）等技术将模拟语音信 号转换为数字信号进行传输，提
高通话质量和网络效率。
有线电视网络
在有线电视网络中，采用数字调制 技术将数字视频信号转换为适合同 轴电缆或光纤传输的模拟信号，实 现高清电视节目的传输。
以太网
在以太网等局域网中，利用数字基 带传输技术将数字信号直接传输到 目的地，实现高速数据交换和文件 共享等功能。
光纤通信系统中的数字信号频带传输
波分复用技 术
在光纤通信系统中，采用波分复用（WDM）等技术将多个数字信 号调制到不同波长的光载波上进行传输，提高光纤的传输容量和利 用率。
光放大器
利用光放大器对光纤中传输的数字信号进行放大和补偿，延长光纤 的传输距离和提高信号质量。
光交换技术
在光网络中，采用光交换技术对数字信号进行路由选择和交换，实现 光层上的高速数据传输和灵活组网。
PSK调制原理
调制方式
相移键控（PSK）是一种数字调制方式，通过改变载波的相位来传递数字信息。
调制原理
在PSK调制中，二进制数字信号“0”和“1”分别对应载波的两种不同相位状态。当发送 “1”时，载波相位发生180度的变化；当发送“0”时，载波相位保持不变。
优缺点
PSK调制具有较高的频谱利用率和抗干扰能力，适用于高速率、远距离的数字通信系统。 此外，PSK调制还具有实现简单、成本低的优点。然而，PSK调制对相位噪声和频偏较为 敏感，因此需要采取一定的措施来减小这些影响。
80%
高速化
随着通信技术的不断发展，数字 信号的频带传输速度将不断提高， 满足日益增长的信息传输需求。
100%
宽带化
为了适应多媒体信息的传输需求， 频带宽度将不断拓展，实现更高 速率的信息传输。
数字信号的频带传输
2、2ASK调制与解调
(a)
开关
载波 发生器
S
e(t)
s(t)
(b()a)
1 图 40-4 AS1K波形1产生器0 框图0
（1） 产生 二进制振幅键控信号的产生方
法(调制方法)有两种，如图4-4所示。 其中，图（a）采用模拟调制方式的 ASK调制方法。相乘器将数字基带信 号（单极性NRZ码）和高频载波相 乘，得到ASK信号；图（b）采用数 字键控方法，由数字基带信号去控制 一个开关电路。当出现1码时开关S闭 合，有高频载波输出；出现0码时开 关S断开，无高频载波输出。
相乘。我们知道二进制NRZ波形的频谱如书上P58图4-6（a）所 示，乘法器可以使信号的频谱搬移到载波的两边，因此可得到 ASK信号的频谱如图4-6(b)所示，从中可以得到一个重要的结 论：ASK信号的频带宽度是基带信号的2倍。
2020/1/4
常州信息职业技术学院 电子系 张立中
12
4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）
力较差，它的功率利用率和频带利用率都不高，故在数字通信
中应用得不多，一般都是与具他种调制方式合用。
2020/1/4
常州信息职业技术学院 电子系 张立中
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4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）
书上P58例4-1：假设电话信道具有理想的带通特性，频率范 围为300-3400Hz，试问该信道在单向传输ASK信号时最大的传输 码率为多少？
2020/1/4
常州信息职业技术学院 电子系 张立中
6
4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）
4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）
4 1、信.号波形
图 4-3 所示是一个ASK
信号波形的例子。正弦载
数字信号的频带传输详解
为数字调幅，又称幅移键控，简写为ASK。
Amplitude Shift Keying
一、数字幅度调制
二进制幅移键控(2ASK) OOK
基本思想：利用数字基带信号键控载波幅度的变化，即传
送“1;φc)，传送“0”信号 无载波输出。
以概率 P 发送“ 1”时 Acos(c t c ), 2 ASK信号波形：eOOK (t ) 0， 以概率1 P 发送“0”时
t
(c) s2 t cos 2t
1
t
2FSK实现方法（一）
相位连续的2FSK信号
压控振 荡器
21
2FSK实现方法（二）
22
相位连续性
23
三、数字调相
概念 —— 以基带数据信号控制载波的相位，称为数
字调相，又称相移键控，简写为PSK。
Phase Shift Keying
基本思想：
利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息“1”和“0”
数字基带调制信号 以2ωc为载波频率 的高频信号
将此信号通过低通滤波器就可以滤除第二项，只输出第一项，从 而得到原调制信号。
二、数字调频
概念 —— 以基带数据信号控制载波的频率，称为数
字调频，又称频移键控，简写为FSK。 Frequency Shift Keying
二进制频移键控(2FSK)
基本原理
数字信号的频带传输
1
基带和频带传输模型
数字信号 码型生成器 数字信道 接收 滤波器 抽样判决器
噪声
数字基带传输模型
数字基带 信号 调 制 器 信道 接收 滤波器 解 调 器 抽 样 判 决 器
噪声
频带传输模型
2
基本概念
Amplitude Shift Keying
一、数字幅度调制
二进制幅移键控(2ASK) OOK
基本思想：利用数字基带信号键控载波幅度的变化，即传
送“1;φc)，传送“0”信号 无载波输出。
以概率 P 发送“ 1”时 Acos(c t c ), 2 ASK信号波形：eOOK (t ) 0， 以概率1 P 发送“0”时
t
(c) s2 t cos 2t
1
t
2FSK实现方法（一）
相位连续的2FSK信号
压控振 荡器
21
2FSK实现方法（二）
22
相位连续性
23
三、数字调相
概念 —— 以基带数据信号控制载波的相位，称为数
字调相，又称相移键控，简写为PSK。
Phase Shift Keying
基本思想：
利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息“1”和“0”
数字基带调制信号 以2ωc为载波频率 的高频信号
将此信号通过低通滤波器就可以滤除第二项，只输出第一项，从 而得到原调制信号。
二、数字调频
概念 —— 以基带数据信号控制载波的频率，称为数
字调频，又称频移键控，简写为FSK。 Frequency Shift Keying
二进制频移键控(2FSK)
基本原理
数字信号的频带传输
1
基带和频带传输模型
数字信号 码型生成器 数字信道 接收 滤波器 抽样判决器
噪声
数字基带传输模型
数字基带 信号 调 制 器 信道 接收 滤波器 解 调 器 抽 样 判 决 器
噪声
频带传输模型
2
基本概念
模块六 数字信号的频带传输
4.建议学时 ：14学时
5.推荐学习方法
⑴学习时要注意对比和前后联系，区分各 种调制技术的特点及应用。 ⑵结合波形图、电路框图等来理解各种调 制技术。 ⑶理论学习要注意结合给出的案例来理解。 ⑷重视实践训练，通过调制解调过程中关 键信号的测试和分析来加强理解。
6.必须掌握的理论知识
移动通信系统中 的调制技术
在现代移动通信系统中，几乎全部都采用了数字调制技术，它 是实现高速，高效的移动通信系统的重要保证。 目前应用于移动通信系统的调制技术主要可分为两大类：线性 调制技术和非线性调制技术（恒包络调制技术）。 线性调制技术主要有：PSK、QPSK、OQPSK、π/4-QPSK、 QAM、16QAM、64QAM、256QAM等。 非线性调制技术主要有：MSK、TFM、GMSK。
6.6现代数字调制技术
6.6.5 OFDM 技术 OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。OFDM 是一种多载 波数字通信调制技术，属于复用方式。它是由多载波调制（MCM） 技术发展而来，应用已有近40 年的历史。它开始主要用于军用的 无线高频通信系统。这种多载波传输技术在无线数据传输方面的应 用是近十年来的新发展。由于其具有频谱利用率高、抗噪性能好等 特点，适合高速数据传输，已被普遍认为是第四代移动通信系统最 热门的技术之一。 OFDM 的另一个优点在于每个载波所使用的调制方法可以不同。 各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如 BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM 等，实现频谱利用率 和误码率之间的最佳平衡为原则。
数字基带信号、基带传输以及频带传输和结构
码字： -1 0 0 0 –1 +1 0 0 0 +1 -1 +1 -1 0 0 –1 +1 -1
PST码
全称是成对选择三进码。
其编码过程：先将二进制 的代码划分乘2个码元为 一组的码组序列，然后 再将每一码组编码成两 个三进制数字（+，,0）,其组合有9种,选择 其中4种
二进制 +模式 -模式 代码
单极性归零码与单极性不归零码的区别是归零码码 元宽度小于码元间隔，每个码元脉冲在下一个码 元到来之前回到零电平
10 0
10 0
11
码元宽度
设码元间隔为Tb，归零 码宽度为，则称/Tb 为占空比，/Tb=0.5
称为半占空码。
码元间隔
(4) 双极性归零码（BRZ）
它是双极性码的归零形式；每个码元内的脉冲都 回到零点平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的 间隔。
00 -+ -+ 01 0+ 010 +0 -0 11 +- +-
代码：01 00 11 10 10 11 00
+模式 0+ -+ +- -0 +0 +- -+
-模式 0- -+ +- +0 -0 +- -+
为了防止PST码的直流漂移，当在一个码 组中仅发送单个脉冲（如10或者01）时， 两个模式应该交替变换
因而无定时信号；
Ps (
f
)
1 4
fbTb2
sin
fTb
fTb
1(
4
f
)
Tb 4
Sa2 (
fTb )
1(
4
PST码
全称是成对选择三进码。
其编码过程：先将二进制 的代码划分乘2个码元为 一组的码组序列，然后 再将每一码组编码成两 个三进制数字（+，,0）,其组合有9种,选择 其中4种
二进制 +模式 -模式 代码
单极性归零码与单极性不归零码的区别是归零码码 元宽度小于码元间隔，每个码元脉冲在下一个码 元到来之前回到零电平
10 0
10 0
11
码元宽度
设码元间隔为Tb，归零 码宽度为，则称/Tb 为占空比，/Tb=0.5
称为半占空码。
码元间隔
(4) 双极性归零码（BRZ）
它是双极性码的归零形式；每个码元内的脉冲都 回到零点平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的 间隔。
00 -+ -+ 01 0+ 010 +0 -0 11 +- +-
代码：01 00 11 10 10 11 00
+模式 0+ -+ +- -0 +0 +- -+
-模式 0- -+ +- +0 -0 +- -+
为了防止PST码的直流漂移，当在一个码 组中仅发送单个脉冲（如10或者01）时， 两个模式应该交替变换
因而无定时信号；
Ps (
f
)
1 4
fbTb2
sin
fTb
fTb
1(
4
f
)
Tb 4
Sa2 (
fTb )
1(
4
第4章 数字信号的频带传输
基本概念:数字调制系统基本原理:二进制数字调制原理(交互演示)二进制振幅键控(2ASK)信号的调制和解调二进制移频键控(2FSK)信号的调制和解调二进制移相键控(2PSK)信号的调制和解调二进制差分移相键控(2DPSK)信号的调制和解调二进制数字调制系统的抗噪声性能通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声的能力。
在数字通信系统中，它通常采用误码率来衡量。
2ASK系统的抗噪声性能2ASK信号采用包络检波法解调时，其输出误码率为（）2ASK信号采用包络检波法解调时，其输出误码率为其中，为信噪比。
最佳判决门限为2FSK系统的抗噪声性能2FSK信号采用包络检波法解调时，其输出误码率为2FSK信号采用同步检测法解调时，其输出误码率为其中，为信噪比。
2PSK与2DPSK系统的抗噪声性能2PSK信号采用同步检测法解调时，其输出误码率为2DPS信号采用差分相干解调法，其输出误码率为2DPSK信号采用相干解调法时，其输出误码率为二进制数字调制系统的性能比较可以从以下几个方面，讨论二进制数字调制系统的性能:已调信号的频带宽度误码率对信道特性变化的敏感性多进制数字调制系统在现代数字通信系统中，多进制数字调制方式应用非常广泛，其中包括多调制数字振幅调制、多进制数字频率调制以及多进制数字相位调制。
与二进制数字调制系统相比，多进制数字调制系统具有以下三个特点:(1)在相同的码元传输速率下，多进制数字调制系统的信息传输速率高于二进制数字调制系统，其关系式为:(为进制数)(2)在相同的信息传输速率下，多进制数字调制系统的码元传输速率低于二进制数字调制系统，其关系式为:(为进制数)(3)在相同的噪声下，多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数字调制系统。
多进制数字调制系统中，多进制数字相位调制和多进制星座调制应用更为广泛。
进制数字相位调制系统，载波的相位有种取值，MPSK系统是利用载波的种相位来表征数字信息。
进制相位调制信号的时域表达式为(6.6-9)其中，为基带信号波形，为受调的载波相位;; 。
数字通信原理与技术 第四章 模拟信号的数字传输
第3页
2013-05-15
3、研究数字基带传输系统的目的
1）在利用对称电缆构成的近程数据通信系统中，广泛 采用了这种传输方式；
2）数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也 就是说基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考 虑的问题；
3）任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基 带传输系统来研究；
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一、几种常见的基带信号码型
z 单极性不归零码 z 双极性不归零码 z 单极性归零码 z 双极性归零码 z 差分码 z 极性交替转换码（AMI） z 三阶高密度码（HDB3） z 数字双相码（Manchester）码 z CMI码 z 多进制（电平）码
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低频成分较小，且没有直流分量。
以上波形都以矩形脉冲为例，矩形脉冲各码型的变换较易实 现，但高频分量丰富，占用频带较宽。实际上，基带传输系 统中的码型不仅可以用矩形脉冲，而且还可以是其他波形。 常用的还有升余弦、三角波。
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9）多元码
3
00
2
01
1
10 11
10 t
0
Tb 2Tb 3Tb 4Tb 5Tb
模拟信号→ A/D →PCM码组 上述信号所占据的频谱是从直流或低频开始的，故称数 字基带信号。
第2页
2013-05-15
2、数字信号的传输：
1）基带传输——数字基带信号不加调制在某些 具有低通特性的有线信道中传输，特别是传输距离 不太远的情况下；
2）频带传输——数字基带信号对载波进行调制 后再进入带通型信道中传输。
1、时域表达式
设 g(t)为构成信号的基本脉冲波形， Tb为码元间隔,
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4） 2ASK信号的解调
? 相干解调与非相干解调的比较：
相干解调的缺点是接收端要产生一个与发射端同频同相 的载波，使接收设备复杂。包络检波无此要求，设备简单。 但抗噪性能稍差于相干解调。
? 例题：已知某 2ASK系统，码元速率 Rs=1200B，载波频 率为fc=2400HZ ，设数字基带信息为 10110，试画出 2ASK 信号的波形。
4.2.2 二进制频移键控(2FSK）
1）概念：就是利用不同频率的载波来传送数字信号。 2）2ASK信号的产生：在两个码元转换时刻，前后码元的相位
不连续
f(t)
f c1 )
f c2
S(t)
基带信号
2）2FSK信号的产生：
振荡器1
f1
选通开关
反相器
e2FSK (t) 相加器
振荡器2 f2
选通开关
3） 2FSK调制波功率谱
s (t) cos
（2）键控法
cos ? c t
乘法器
? ct
开关电路
e 2 ASK
(t)
e 2 ASK ( t )
s (t )
2）2ASK信号的产生：
?
对于二进制数字信号调幅有两种情况：一是调制信
号为单极性脉冲序列，其调制信号和已调ASK信号波形；另
一种是调制信号为双极性脉冲序列 ，其调制信号和已调ASK
B 2 FSK ? | f 2 ? f1 | ? 2 R B ? ( 2 ? h ) R B
式中，RB=Fb 是基带信号的带宽，h=|f2- f1|/RB为偏移率(调制指数)
（3）为了便于接收端解调，要求 2FSK信号的两个频率 f1, f2间要有 足够的间隔。对于采用带通滤波器来分路的解调方法，通常取 |f2f1|=(3～5)RB。于是，2FSK信号的带宽为
相干解调就是同步解调，同步解调时，接收机要产生一个与 发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干 载波，利用此载波与收到的已调波相乘， 相乘器输出为
z(t) ? y(t) ?cos ? ct ? s(t) ?cos 2 ? ct
?
s(t) ?1 [1 ? 2
cos 2?
ct] ?
1 2
s(t) ?
1 s(t) cos 2?
2
ct
4） 2ASK信号的解调
? 式中，第一项是基带信号 ，第二项是以 2ωc为载波的
成分，两者频谱相差很远。 经低通滤波后，即可输
出s(t)/2 信号。 低通滤波器的截止频率取得与基带
数字信号的最高频率相等。 由于噪声影响及传输特 性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判 决、 整形后再生数字基带脉冲。
带通 滤波器
a
全波
b
整流器
低通 滤波器
c
抽样
判决器
定时 脉冲
d
输出
2ASK信号的包络解调（非相干解调）
包络解调法（非相干解调法）
1
0
0
1
a t
b t
c t
d
1
0
0
1
t
4） 2ASK信号的解调
2ASK信号的相干解调
【相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相 干（同频同相）的参考信号与载频相乘。】
4） 2ASK信号的解调
第四章 数字信号的频带传输
? 4.1 频带传输的基本概念 ? 4.2 二进制数字调制与解调 ? 4.3 多进制数字调制与解调 ? 4.4 其他数字调制
4.1 频带传输的基本概念
（1）应用频带传输的原因
1）对于无线信道，由于数字基带信号的频率较低，天线无法制作。 2）通过调制可以把多路信号彼此分开，从而利用单一信道传输多路 信号。 3）在实际通信中，多数信道不能直接传输基带信号。因为数字基带 信号具有丰富的低频成分，要求信道具有低通特性，而大多数信道具有 带通特性。 因此需要对基带信号进行调制，使信号频带适合于信道带宽。频带传 输系统与基带传输系统的区别在于频带传输系统在发送端增加了调制， 而在接收端增加了解调用以恢复基带信号。
制后的载波参量只有几个有限的数值，故称键控）
4.2 二进制数字调制与解调
? 4.2.1 二进制振幅键控(2ASK）： 1）概念：就是用数字基带信号去控制载波的幅度变化。 2）2ASK信号的产生：
1
0
0
1
s ?t ?
Ts
t
载波 t
2ASK t
2）2ASK信号的产生： （1）模拟调制法（相乘器法）
二进制 不归零信号
信号波形。
未调载波 单极性不归零码 已调载波 s(t) 双极性不归零码 已调载波 s(t)
2）2ASK信号的产生：
1
1
1
0
0
1
1
1
0
0
pE单(f)
3） 2ASK 调制波功率谱
A2 ?(f-fc)
8
pEQ(f)
fc-2fsfc-fs fc fc+fsfc+2fs
fc-2fsfc-fs fc fc+fsfc+2fs
B 2 FSK ? ( 5 ~ 7 ) R B
波频率分量。图 (b)是由双极性信号作调制信号，由于双极性信号中 不含有直流分量，即G(0)=0，所以，已调信号的功率谱中就不含有
ωc的载波频率分量，称为抑制载频的双边带调制。
4） 2ASK信号的解调
? 2ASK信号的解调方法主要有两种： 包络解调法（非相干解 调法）和相干解调法
e2 ASK (t )
3） 2ASK调制波功率谱
? 由图可知，2ASK功率谱有如下特点： (1) 2ASK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱组成； (2) 由于2ASK信号的功率谱是双边带谱，所以， 2ASK信号的带宽是
基带信号带宽的两倍。 ? 上图 (a)是单极性信号作调制信号时的功率谱，由于单极性信号中
含有直流分量，即G(0)≠0，所以已调信号的功率谱中就含有 ωc的载
ห้องสมุดไป่ตู้
（2）调制的概念与分类
? 调制的概念：就是用基带信号对高频载波的某些参量 （幅度、频率、相位）进行控制，使这些参量随基带信 号的变化而变化。
? 调制的分类： 模拟调制：调幅(AM)、调频(FM)、调相（PM） 数字调制：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、
相移键控（PSK） 说明：（由于数字信号具有时间和取值离散的特点，使调
3） 2FSK调制波功率谱
2FSK调制波功率谱特点：
(1) 相位不连续 2FSK信号的功率谱与 2ASK信号的功率谱相似，同样由 离散谱和连续谱两部分组成。其中，连续谱与 2ASK信号的相同，而离
散谱是位于±f1、±f2处的两对冲击， 这表明 2FSK信号中含有载波 f1 、f2的分量。
(2) 若仅计算2FSK信号功率谱第一个零点之间的频率间隔， 则该2FSK 信号的频带宽度为