數(shù)字信號的調制與解調

1、數(shù)字信號的調制與解調高頻電子技術1.1 數(shù)字信號調制方法分類 1、數(shù)字信號調制方法分類 近十年來陸續(xù)提出的調制技術，如最小頻移鍵控（MSK）、高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）、正交幅度調制（QAM）和正交頻分復用調制（OFDM）等稱為現(xiàn)代數(shù)字調制技術。 1.1 數(shù)字信號調制方法分類 2、數(shù)字信號調制的主要性能指標 比特率是指數(shù)字信號傳輸?shù)乃俾?，定義為每秒傳輸?shù)亩M制代碼的有效位數(shù)，單位是bit/s，表示每秒可傳輸多少個二進制位數(shù)。常用的比特率單位還有kbit/s和Mbit/s等。 (1)比特率和波特率 波特率指數(shù)字信號對載波的調制速率，它用單位時間內載波調制狀態(tài)改變次數(shù)來表示，其單位是baud

2、/s。 波特率和比特率是兩個不同的概念，但又有聯(lián)系。 如果數(shù)字信號所用的是二進制，波特率和比特率在數(shù)值上相等。 假如采用的是多進制，比特率（信號傳輸速率）和波特率（載波調制速率）在數(shù)值上也不相等。 1.1 數(shù)字信號調制方法分類 2、數(shù)字信號調制的主要性能指標 （2）頻譜效率頻譜效率定義為每赫茲(Hz)帶寬的傳輸頻道上可以傳輸?shù)臄?shù)字信息的比特率，單位是bit/s/Hz，頻譜效率主要用于衡量各種數(shù)字調制技術的效率。 （3）誤碼率 誤碼率是指在經(jīng)過通信系統(tǒng)的傳輸后，用戶接收到的數(shù)字碼流與信源發(fā)送出的原始碼流相比，發(fā)生錯誤的碼字數(shù)占信源發(fā)送出的總碼字數(shù)的比例。對于二進制數(shù)字信號，由于傳輸?shù)氖嵌M制比特

3、，因此誤碼率稱為誤比特率（BER）；對于多進制信號，誤碼率稱為誤碼字率（CER）。BER是英文Biterrorratio的縮寫，CER是英文Codeerrorratio的縮寫。 1.2 多進制和數(shù)字基帶信號的數(shù)學表達式 1、二進制和多進制數(shù) 用電壓波形來表示二進制數(shù)，常用的方法有兩種：單極性波形和雙極性波形。圖(a)所示的是用單極性波來表示二進制數(shù)，寬度為Tb的碼位有兩種狀態(tài)，高電平表示數(shù)字“1”，低電平代表數(shù)字“0”，電壓脈沖都是正的，表示二進制數(shù)的脈沖屬單極性波。 圖(b)用正電平表示“1”，而負電平表示“0”，這種表示二進制數(shù)所用的脈沖電壓有正負兩種極性，稱為雙極性波。 1.2 多進制和

4、數(shù)字基帶信號的數(shù)學表達式 1、二進制和多進制數(shù)用電壓波形來表示多進制數(shù)，一個碼位就必須具有多個不同的狀態(tài)，下面以4進制數(shù)的表示為例進行討論。 每個碼位分為4個離散的電平狀態(tài)，電平0，1，2和3，分別代表4進制數(shù)的0，1，2和3，用二進制數(shù)表示4進制數(shù)，即為00，01，10和11。作了這樣的規(guī)定以后，相應的波就可以用來表示多進制數(shù)。 1.2 多進制和數(shù)字基帶信號的數(shù)學表達式 1、二進制和多進制數(shù)無線通信中引入多元波來表達多進制數(shù)的目的是提高數(shù)字信號傳輸?shù)乃俾?。下面通過二進制和四進制數(shù)字傳輸?shù)谋容^來說明多進制數(shù)為何能夠提高傳輸速率。 (a)是用二進制數(shù)進行傳輸二進制數(shù)“101101”的波形圖 (b

5、)是用四進制數(shù)傳輸四進制數(shù)“011011100010（用二進制表示四進制數(shù)）的波形圖 在相同的時間間隔內(b)共傳輸了12位二進制數(shù),(a)只傳輸6位二進制數(shù)。 1.2 多進制和數(shù)字基帶信號的數(shù)學表達式 1、二進制和多進制數(shù)無線通信中引入多元波來表達多進制數(shù)的目的是提高數(shù)字信號傳輸?shù)乃俾?。下面通過二進制和四進制數(shù)字傳輸?shù)谋容^來說明多進制數(shù)為何能夠提高傳輸速率。 (a)是用二進制數(shù)進行傳輸二進制數(shù)“101101”的波形圖 (b)是用四進制數(shù)傳輸四進制數(shù)“011011100010（用二進制表示四進制數(shù)）的波形圖 在相同的時間間隔內(b)共傳輸了12位二進制數(shù),(a)只傳輸6位二進制數(shù)。 不過，多進

6、制數(shù)提高傳輸速率的同時也降低了抗干擾的能力。 1.2 多進制和數(shù)字基帶信號的數(shù)學表達式 2、數(shù)字基帶信號的表達式 （1）單極性波 定義函數(shù) 基帶信號的一個二進制數(shù)a0a1a2an可以表示為 例如， a0=1，a1=0，a2=1，a3=1，a4=0，a5=1代入上式，右圖的數(shù)字信號表示為1.2 多進制和數(shù)字基帶信號的數(shù)學表達式 （2）雙極性波信號雙極性波形時，設二進制數(shù)為a0a1a2an，這時基帶信號可以用函數(shù)S1(t)表示設二進制數(shù)為101001，表明a0=1，a1=0，a2=1，a3=0，a4=0，a4=1，代入上式可得1.3 數(shù)字信號調制 1、ASK調制信號的產生 以二進制幅移鍵控調制2A

7、SK信號的產生為例來說明。 （1）相乘法基帶信號S(t)和載波信號UcmCos(ct+)相乘，其輸出信號即為ASK調制信號uASK(t)。下面通過一個實例來說明。 1.3 數(shù)字信號調制 1、ASK調制信號的產生 相乘法實例輸入的基帶信號S(t)（二進制數(shù)“101101”）由下式表示 載波信號為UcmCos(ct+) ，兩者相乘： 上式畫圖，所得曲線如圖(c)所示。1.3 數(shù)字信號調制 1、ASK調制信號的產生 （2）開關控制法 載波信號發(fā)生電路產生等幅余弦波，經(jīng)開關控制形成ASK調制波，基帶信號為“1”時控制器開關接通輸出高頻振蕩，基帶信號為“0”時開關斷開，輸出信號電平為零，于是同樣得到右圖

8、所示的調制結果。1.3 數(shù)字信號調制 2、FSK調制信號的產生 振蕩器1和2分別產生角頻率為1和2的余弦波uc1(t)和uc2(t)，這兩個頻率不同的載波被送入由基帶信號控制的開關電路，當基帶信號為“1”時，開關電路接通K1，輸出信號為uc1(t)，其角頻率1，當基帶信號為“0”時，開關電路接通K2，輸出信號為uc2(t)，其角頻率為2，于是得到右圖所示的FSK調制波。1.3 數(shù)字信號調制 3、PSK調制信號的產生 （1）相乘法 讓雙極性的數(shù)字基帶信號S1(t)和載波信號相乘，即可得到PSK調制波，如圖所示。 下面通過實例說明FSK調制波的產生。 1.3 數(shù)字信號調制 3、PSK調制信號的產生

9、 相乘法實例 設基帶數(shù)字信號為101001，按照式（3.33），其表達式為 與載波信號uc(t)=UcmCosct相乘的結果為 1.3 數(shù)字信號調制 3、PSK調制信號的產生 (2)開關控制法 控制器有兩個輸入信號，一是角頻率為c的載波信號，二是經(jīng)過倒相運算的載波信號，控制信號即為基帶信號?；鶐盘枮楦唠娖健?”時，電子開關使載波信號與輸出端接通，輸出與載波信號同相位的波；基帶信號為低電平“0”時，電子開關使經(jīng)過倒相的載波與輸出端接通，輸出信號與載波有倒相關系，于是就形成相位隨基帶信號變化的PSK波。 1.4 數(shù)字信號解調 1、ASK信號解調 （1）非相干解調 待解調信號uASK(t)經(jīng)帶通濾

10、波器（BPF）濾除接收信號中的帶外信號和其它干擾，然后檢出信號的包絡線，再經(jīng)低通濾波器（LPF）濾除其中的高頻成分，即可復原基帶信號。 數(shù)字信號只有兩個（或多個）離散值，利用這個特點，采樣判別電路設定若干個門限值（例如二進制時，設定高電平的一半），然后將LPF的輸出信號與門限值逐一比較，根據(jù)比較結果再作出概率判斷，最后可獲最佳的復原。1.4 數(shù)字信號解調 1、ASK信號解調 (2)相干解調 讓已調信號與同步的載波信號相乘，所得的乘積包含基帶信號和其它高頻信號，用濾波器濾除高頻信號，即可復原基帶信號。 ASK調制波為 與信號Acos(ct+)相乘： 高頻成分1.4 數(shù)字信號解調 2、FSK信號解

11、調 （1）非相干解調 FSK已調波可表示為以下兩項之和 已調波經(jīng)濾波器BPF1和BPF2濾波后，式中第一項被送往包絡檢波器1，產生信號x1(t)；第二項送往包絡檢波器2，產生信號x2(t)，采樣判決電路對x1(t)和x2(t)進行采樣比較，x1(t)大于x2(t)，判定輸出信號S(t)為“1”，x1(t)小于x2(t)，S(t)為“0”，如此，即可檢出基帶信號。 1.4 數(shù)字信號解調 2、FSK信號解調 （2）相干解調 ACos1t和ACos1t是兩個與載波信號同步的余弦波，待解調的uASK(t)經(jīng)帶通濾波器濾去干擾的信號后分別與這兩個余弦波相乘，相乘后形成基帶信號和高頻信號之和，用低通濾波器

12、LPF1和LPF2濾除高頻成分，即可檢出基帶信號。采樣判別電路的作用與非相干解調類似。1.4 數(shù)字信號解調 3、PSK信號解調 ACosct是與載波信號同步的余弦波。頻移鍵控調制形成的已調信號為 它與ACosct相乘的結果產生S1(t)和高頻項 第二項為高頻成分，用低通濾波器濾除高頻成分，就可以得到基帶信號S1(t)（含比例系數(shù)）。 1.5 三種數(shù)字信號調制解調方法比較 1、帶寬 用Fmax表示數(shù)字基帶信號的最高頻率，則幅移鍵控調制（ASK）、頻移鍵控調制（FSK）和相移鍵控調制（PSK）的帶寬依次為2Fmax、2Fmax+（f2f1）和2Fmax。其中f2和f1分別為頻移調制時的兩個載波頻率?？梢奆SK的帶寬特性較差。 從誤碼率考慮，三種調制解調方法中，PSK的抗噪聲性能最好；