第8章數(shù)字調制與解調

第8章

數(shù)字調制與解調復旦大學電子工程系陳光夢2023/2/6高頻電路基礎2數(shù)字通信中的調制與解調簡介調制信號是包含1、0序列的數(shù)字電平信號，稱為基帶信號載波的三個參量（幅度、頻率、相位）隨數(shù)字基帶信號變化，分別稱為幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying，簡稱ASK）頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，簡稱FSK）相移鍵控（PhaseShiftKeying，簡稱PSK）2023/2/6高頻電路基礎3基帶信號二元信號二進制數(shù)字0和1各取一個離散電平，構成二元信號波形，與普通數(shù)字電路的波形類似多元信號將基帶信號流中連續(xù)的n個二進制數(shù)字構成一個符號，不同的符號取不同的離散電平，構成多元信號流波形，其中有2n

個電平值2023/2/6高頻電路基礎4二進制數(shù)字調制OOK(On-OffKeying）最基本的ASK調制信號基帶信號是二元信號碼流，已調波幅度在滿幅度和零之間變化。載波幅度為滿幅度(On)對應數(shù)字1；載波幅度為零(Off)對應數(shù)字0基帶信號已調波信號2023/2/6高頻電路基礎5OOK信號的調制方法用二極管作開關的電路例子2023/2/6高頻電路基礎6OOK信號的解調方法同步解調（相干解調）：用乘法器實現(xiàn)包絡解調（非相干解調）：2023/2/6高頻電路基礎7頻移鍵控FSK基帶信號是二元信號碼流，已調波的頻率有兩個：對應數(shù)字1，頻率為f1，對應數(shù)字0，頻率為f2基帶信號已調波信號(相位連續(xù))已調波信號(相位不連續(xù))2023/2/6高頻電路基礎8FSK信號的調制方法直接調頻：特點：相位連續(xù)頻率穩(wěn)定度不高2023/2/6高頻電路基礎9頻率鍵控：2023/2/6高頻電路基礎10FSK信號的解調方法同步解調（相干解調）：用乘法器實現(xiàn)2023/2/6高頻電路基礎11包絡解調（非相干解調）：2023/2/6高頻電路基礎12OOK和FSK射頻模塊舉例FSK/ASK兩種調制方式工作電壓：2.2V到5.4V輸出功率：433MHz頻段8dBm868/915MHz頻段6dBm接收靈敏度：-109dBm射頻輸出功率可軟件控制靜態(tài)功耗電流：0.3μA傳輸速率：OOK模式256KbpsFSK模式115.2Kbps內部集成了所有的RF功能模塊電路，外圍只須一個MCU、一個晶振、一個旁路電容和一個外置天線2023/2/6高頻電路基礎13ASK射頻模塊舉例MICRF102，ASK發(fā)射電路載波頻率300~470MHz，最大輸出功率2.5dBm，最大基帶數(shù)據(jù)率20kb/s2023/2/6高頻電路基礎14MICRF001，ASK接收電路接收頻率300～440MHz，接收靈敏度－95dBm，最大基帶數(shù)據(jù)率4.8kbps2023/2/6高頻電路基礎15二進制相移鍵控2PSK基帶信號是二元信號碼流，已調波相位隨基帶信號而變化。對應數(shù)字1，已調波相位與參考相位同相，對應數(shù)字0，已調波相位與參考相位反相基帶信號已調波信號相位參考信號2023/2/6高頻電路基礎16二進制差分相移鍵控2DPSK由于一般情況下接收端難以獲得參考相位，所以常常將基帶信號作一個變換：原始數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)數(shù)字1，則變換后的數(shù)據(jù)發(fā)生變化（0變1，或1變0）；原始數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)數(shù)字0，則變換后的數(shù)據(jù)不變。這樣變換后的碼流稱為相對碼，這種調制方式稱為2DPSK基帶信號(絕對碼)已調波信號基帶信號(相對碼)2023/2/6高頻電路基礎17絕對碼-相對碼轉換電路2023/2/6高頻電路基礎18相對碼-絕對碼轉換電路2023/2/6高頻電路基礎19直接調相方式（乘法器實現(xiàn)）其中乘法器可用二極管環(huán)型調制電路二進制差分相移鍵控的調制2023/2/6高頻電路基礎20相位選擇方式（開關切換）2023/2/6高頻電路基礎21極性比較法解調（相干解調）二進制差分相移鍵控的解調相位比較法解調（非相干解調）2023/2/6高頻電路基礎22二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的性能誤碼率其中調制方式解調方式相干解調非相干解調ASKFSKPSK，r是信噪比2023/2/6高頻電路基礎232023/2/6高頻電路基礎24頻帶寬度設傳輸?shù)拇a元寬度為T，則二進制數(shù)字調制后的信號帶寬為：ASK和PSK：FSK：2023/2/6高頻電路基礎25多進制數(shù)字調制多進制數(shù)字調制的目的提高頻帶利用率，提高傳輸可靠性多進制基帶信號將串行的基帶數(shù)字信號分組，每組包含2n個二進制數(shù)，稱為一個符號2023/2/6高頻電路基礎264PSK（四進制相移鍵控）基帶信號是4元信號碼流，對應符號00、01、10、11，載波的相位分別為225、135、315、45度2023/2/6高頻電路基礎274PSK的信號波形2023/2/6高頻電路基礎284PSK調制電路I序列Q序列（4DPSK需要先對基帶信號進行絕對碼-相對碼變換）2023/2/6高頻電路基礎294PSK解調電路（4DPSK需要在最后對基帶信號進行相對碼-絕對碼變換）2023/2/6高頻電路基礎30載波恢復相干解調的關鍵是恢復載波。若發(fā)送的信號中已經(jīng)有載波分量，在接收端只要直接用鎖相環(huán)提取（載波跟蹤）即可。若發(fā)送的信號中沒有載波分量，則要從抑制載波的已調波中恢復參考載波信號，此時的載波提取電路一般包含兩部分：一、非線性運算產(chǎn)生載頻，二、鎖相環(huán)的跟蹤提取載頻。很多情況下，載波恢復與解調同時完成。2023/2/6高頻電路基礎31平方環(huán)2PSK信號為其中a(t)=+1or-1，平方后為1由帶通濾波作為粗濾，然后鎖相環(huán)跟蹤，可以得到載波的2倍頻信號，最后分頻就得到恢復的載波2023/2/6高頻電路基礎32對于4PSK信號其中a(t)=+1or-1，

b(t)=+1or-1可以對信號進行4次方。4次方后，a、b將都被轉變?yōu)?1：由帶通濾波器濾出4倍頻成分，然后鎖相環(huán)跟蹤，可以得到載波的4倍頻信號一般來說，mPSK信號進行m次方后都可以得到m倍載頻信號2023/2/6高頻電路基礎33COSTAS環(huán)假設鎖相環(huán)鎖定，則有2023/2/6高頻電路基礎34此信號與調制無關，鎖相環(huán)鎖定在載波上解調信號2023/2/6高頻電路基礎35位同步信號提取位同步信號用于解調后的抽樣判決現(xiàn)代數(shù)字通信中幾乎都不單獨發(fā)送位同步信號，而是通過一定的編碼方法將位同步信號隱含在發(fā)送的信號流中包含位同步信號的編碼方式有多種接收端用鎖相環(huán)提取位同步信號2023/2/6高頻電路基礎36常見的編碼舉例2023/2/6高頻電路基礎37位同步信號提取電路結構邊緣檢測與變換，將包含同步信息的信號邊緣變換為脈沖鎖相環(huán)根據(jù)這些脈沖，恢復出同步信號由于這些脈沖是不均勻的，一般要在鎖相環(huán)前面加一定的同步措施，保證鎖相環(huán)的工作過程不受影響由于恢復出的信號一般都是原同步信號的2倍頻，在二分頻時要校正其相位2023/2/6高頻電路基礎38一個實際的位同步信號提取電路例子2023/2/6高頻電路基礎39一個實際的位同步信號提取電路例子實測波形2023/2/6高頻電路基礎40其他形式的數(shù)字調制方式簡介最小偏移鍵控(MSK)和高斯最小偏移鍵控(GMSK)無論是2PSK、2DPSK，或者4PSK、4DPSK，都有一個缺點：相位不連續(xù)，造成已調信號的頻譜展寬或者發(fā)生頻譜再生，導致頻帶利用率低下MSK(MinimumShiftKeying)可以看作相位調制，也可以看作頻率調制。其最大特點就是保證已調波的相位連續(xù)，可以有效地克服PSK的上述缺陷。GMSK則通過對基帶信號用高斯濾波器進行濾波，進一步提高了MSK的帶外衰減，已經(jīng)應用在GSM移動通信上2023/2/6高頻電路基礎41若將MSK看作一種二進制頻移鍵控，基帶碼元的寬度為T，則MSK信號的兩個頻率分別為中心頻率為當取N=1，m=0時，。假定載波的初始相位均為0，在一個碼元結束時，它們的相位分別為2023/2/6高頻電路基礎42由于要求已調信號的相位連續(xù)，所以MSK信號的前后碼元之間存在一個相位約束：當前后碼元相同（都為1或都為0）時，不改變載波相位；當前后碼元不同時，載波相位要根據(jù)前一個碼元結束時的相位確定是否改變p。MSK調制的已調波波形2023/2/6高頻電路基礎43QAM（正交幅度調制）16QAM的星座圖基帶信號是多元信號碼流，將每個符號分為兩組，分別對一對同頻正交信號進行多元幅度調制，最后將兩個調幅信號疊加常見有16QAM、64QAM、128QAM等每個符號在載頻的相位空間中形成一個特定的位置，稱為“星座圖”2023/2/6高頻電路基礎44QAM調制器結構2023/2/6高頻電路基礎45QAM解調器結構2023/2/6高頻電路基礎46正交頻分復用(OFDM)前面討論的數(shù)字調制都屬于串行傳輸體系。對應的還有并行傳輸體系，它將高速率的串行數(shù)據(jù)流經(jīng)過串-并變換，分割為若干路低速率的數(shù)據(jù)流，然后將每路低速率數(shù)據(jù)流用一個獨立的載波調制，最后將多路載波疊加發(fā)射。OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultipl