調(diào)制解調(diào)原理 part 1

1、調(diào)制解調(diào)原理調(diào)制解調(diào)原理Eric LiuhuiEverybody plays fool, sometimes.An Introduction of Modulation and Demodulation主要內(nèi)容主要內(nèi)容 前話 信號與調(diào)制 基帶調(diào)制信號 帶通模擬調(diào)制 帶通數(shù)字調(diào)制 后話前前 話話通訊以人為本傳播（六觸） 檢測（六根） 色 聲 香 味 法 觸 眼 耳 鼻 舌 意 身 現(xiàn)代通訊 將頻率拓展開來，從DC到THz，幾乎就是全部現(xiàn)代電子通訊。 聲納，探測和雷達 4D電影？似乎就是OSI的協(xié)議結構 未見應用 請將你的手機設到振動位置 Communication在分析和處理問題時，每個人都有一

2、個自覺和不自覺的哲學。前前 話話（續(xù)）（續(xù)） 傳播本應無極限 電/光信號（場）可以在雙絞線、同軸電纜、波導、光纜、大氣、真空中傳播； 聲音可以在金屬、大氣、水中傳播。 領悟才顯真功夫 信號的變化可以傳遞信息 檢測信號的變化就可以檢測到信息。信 源信 道信 宿通訊：主要是恢復信源加載的信息探測：主要是檢測信道加載的信息信源和信道都可以做為加載信息（噪聲）的途徑實際上卻受到各種限制和影響。在各種限制和影響中，實現(xiàn)信息的準確傳遞。什么是調(diào)制？什么是調(diào)制？ 對信號的參數(shù)進行調(diào)制。 基帶信號的脈幅、脈寬、脈位。 帶通信號的幅度、頻率和相位。 改變信號的參數(shù)就是調(diào)制，檢測信號參數(shù)的變化就是解調(diào)。任何一種可

3、以可靠檢測到的信號特征的變化，都可以攜帶信息。傅里葉級數(shù)表示信號傅里葉級數(shù)表示信號（數(shù)學分析模型）（數(shù)學分析模型） 正交函數(shù)（atb) 正交傅里葉級數(shù) 極坐標傅里葉級數(shù)dtttmabn)()(0， nmKn， n=m0000sincos)(nnnntnQtnItw100)cos()(nntnDnDtwetjnwtn0)(nnetjnwCtw0)(ftjfteftj2sin2cos2復指數(shù)函數(shù)是一種正交函數(shù)歐拉公式信號的坐標表示信號的坐標表示 極坐標和垂直坐標0000sincos)(nnnntnQtnItw100)cos()(nntnDnDtw矩形脈沖的級數(shù)綜合矩形脈沖的級數(shù)綜合 級數(shù)（諧波）次

4、數(shù)取得越多，越接近原始波形。脈沖的沿越是陡峭，所含的高頻分量越豐富。信號波形合成信號波形合成（時域綜合）（時域綜合） 利用正交函數(shù)合成波形函數(shù) 發(fā)生器1函數(shù) 發(fā)生器2函數(shù) 發(fā)生器Na1a2aN時 鐘1(t)2(t)N(t)etjnwtn0)(f2信號的頻譜信號的頻譜 信號的傅里葉變換，完成時域到頻域的變換。f2dttwfWeftj2)()(ftjfteftj2sin2cos2efjfWfW)(| )(|)()()()(fjYfXfW傅里葉變換提供了頻域分析和綜合的手段。脈沖函數(shù)及其頻譜脈沖函數(shù)及其頻譜 脈沖函數(shù)的頻譜tA2S(t)2 A ffAfXsinf X(f) 1 2 3 4 6 5 7

5、 -1 -2 -3 -4 -6 -5 -7 正弦函數(shù)及其頻譜正弦函數(shù)及其頻譜 正弦函數(shù)的頻譜ATtS(t)fS(f)1/T-1/TA)1(2)1(2| )(|TfATfAfX基帶信號和帶通信號基帶信號和帶通信號 基帶信號（Baseband) 信號的能量集中在直流（零頻）附近。 一般只能做有線傳輸。 UBW是一種無線傳輸?shù)那闆r。 帶通信號（Passband） 能量只集中在一個載波頻率附近。 模擬調(diào)制：模擬基帶信號（連續(xù)信號）對載波進行調(diào)制； 數(shù)字調(diào)制：數(shù)字基帶信號（有限符號集）對載波進行調(diào)制； 用作無線傳輸和長距離有線傳輸。信號的劃分不是絕對的。幾種帶通調(diào)制信號波形幾種帶通調(diào)制信號波形 幅度調(diào)制

6、、頻率調(diào)制和相位調(diào)制、幅相調(diào)制幅度調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制幅相調(diào)制單載波調(diào)制（單載波調(diào)制（SC） 單載波調(diào)制ftjfteftj2sin2cos2f2多載波調(diào)制（多載波調(diào)制（OFDM） 多載波調(diào)制方法（OFDM）頻域綜合頻域綜合 傅里葉變換提供了另外一種信號分析和綜合的途徑。)()()(tstwtws)(*)()(tstwtws)(*)()(fStWfWs)()()(fSfWfWs頻域綜合IFFTWs(f)ws(t)常見調(diào)制信號分類常見調(diào)制信號分類基帶調(diào)制信號 PAM,PCM,DPCM,DM,PWM及PPM。帶通模擬調(diào)制信號 AM,DSB-SC,SSB,VSB,PM及FM。帶通數(shù)字調(diào)制信號 ASK(

7、OOK),BPSK,QPSK,MPSK,FSK,MSK,QAM,DSSS,FHSS及OFDM?；鶐д{(diào)制信號基帶調(diào)制信號 脈沖幅度調(diào)制（PAM） 脈沖編碼調(diào)制（PCM） 差分脈沖編碼調(diào)制（ DPCM ） 增量調(diào)制（DM） 脈寬調(diào)制（PWM）和脈位調(diào)制（PPM） 線路編碼 濾波與碼間干擾 噪聲與誤碼 眼圖脈沖幅度調(diào)制（脈沖幅度調(diào)制（PAM） 通過對模擬基帶信號進行采樣得到PAM信號； PAM信號提供了從模擬信號（連續(xù)時間）到離散信號轉(zhuǎn)化； 采樣輸出的信號：模擬到離散 DAC輸出的信號：離散到模擬時 鐘S(t)w(t)ws(t)=w(t)s(t)PAM的信號波形的信號波形 PAM提供了時分復用解決方

8、法。0ws(t)t0w(t)t0t模擬基帶信號抽樣沖擊脈沖PAM信號kskTsthkTswtw)()()()()()(tstwtwskkTsthts)()()(twPAM的頻譜的頻譜 PAM的頻譜比模擬信號寬，傳輸質(zhì)量低于模擬信號； PAM的解調(diào)可以通過低通濾波器直接取出直流附近頻譜，即可恢復模擬信號。)( fW)(*)()(fSfWfWsksskfffHTfS)()(1)(kssskffWfHTfW)()(1)(rfrfTfHTss)sin(| )(|10fs2fs3fs-3fs-2fs-fs-BB1fffs=4B, /Ts=1/3PAM信號的解調(diào)信號的解調(diào) 使用低通，直接取出直流附近頻譜。

9、 使用乘法檢波，取出nfs處的頻譜 去除線路傳播時在直流附近感染的噪聲低通濾波器 H(f)PAM模擬信號低通濾波器 H(f)PAM模擬信號PAMw(t)Cw(t)振蕩器 o=nscos(ns) 脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCM） 對PAM信號進行量化和編碼后，就可以得到PCM。瞬時抽樣和保持模擬信號量化器，M個量化電平PAM編碼器量化PAMPCM連續(xù)時間到離散時間連續(xù)幅度到離散幅度信源編碼，如格雷碼量化臺階可以不均勻，如律和A律PCM信號波形信號波形 PCM信號波形 信號比特率R=nfs n=log2M 檢測 DAC后還原PAM信號。 再經(jīng)低通還原模擬信號。模擬信號PAM信號PCM信號用多個

10、二進制位表示一個PAM脈沖差分脈沖編碼調(diào)制（差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM） 只傳輸相鄰兩個碼沖的差值。 減少冗余和降低信號帶寬。 8bit4bit, 64kbps32kbps抽樣器模擬信號M量化器PAM編碼器量化DPAMDPAM預測器+DPCM增量調(diào)制（增量調(diào)制（DM） 一種極端的DPCM信號，1bit增量。 實現(xiàn)十分簡單,成本低。DM信號信號 DM的信號。 兩類量化噪聲。 斜率過載噪聲 顆粒噪聲 選取合適的量化臺階模擬信號VIN(t)積分器Vi(t)輸出信號VOUT(t)斜率過載噪聲顆粒噪聲自適應增量調(diào)制（自適應增量調(diào)制（ADM） 量化臺階可變：脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）和脈位調(diào)制（）和脈位

11、調(diào)制（PPM） 脈寬調(diào)制和碼位調(diào)制統(tǒng)稱為脈沖時間調(diào)制（PTM）。 脈寬調(diào)制（PWM）也稱為脈沖持續(xù)期調(diào)制（PDM）。PWM和和PPM PWM和PPM可以通過積分器進行檢測。 PWM可以采用低通直接濾波進行檢測。 PWM的應用 電源控制 - DAC 數(shù)字鑒相器 PPM的應用 數(shù)字AGC 超寬帶（UBW)位（位（bit）與符號（）與符號（symbol） 位（bit） 二進制單位，包括0，1。 符號（symbol) 一個PAM脈沖理解為一個符號。多電平的PAM脈沖需要多個二進制位來表示。 位速率是符號速率1/n，n=log2m。二電平符號速率 = 位速率。線路編碼（線路編碼（Line Coding）

12、 信號電平 單極性信號（Unipolar） +A, 0 極性信號（Polar） +A，-A 雙極性（Bipolar） +A, 0, -A 編碼方式 不歸零碼（NRZ), 在脈沖持續(xù)期間一直保持信號電平。 歸零碼（RZ)，在脈沖持續(xù)期間，信號電平恢復到0。 曼徹斯特碼（Manchester），將一個二進制位用兩個二進制位表示，10表示1, 01表示0. 差分編碼 en=dn en-1 不需要區(qū)分電路極性，有線線路可反接，可反相。常用在無線中常用在有線中常用在網(wǎng)線中-Tbdnenen-1幾種典型二進制線路碼幾種典型二進制線路碼 單極性NRZ 極性NRZ（NRZ-L） 單極性RZ 雙極性RZ（RZ-

13、AMI) 曼徹斯特NRZ直流分量大，TTL檢錯能力，時鐘易恢復，但是怕連0碼?？梢愿倪M成HDBn碼時鐘易恢復，但是帶寬要求高。能量集中在0頻附近，誤碼性能好需直流耦合，易于恢復時鐘二進制線路碼的功率譜（二進制線路碼的功率譜（PSD） 歸零碼的在直流附近無能量，可用交流耦合，不歸零碼能量集中在零頻附近，需直流耦合。單極性NRZ，極性NRZ，雙極性RZ的第一零點帶寬為R單極性RZ，曼徹斯特NRZ的第一零點帶寬為2R單極性RZ濾波（濾波（Filtering) 為什么要濾波？ 實際上模擬信號的帶寬是很寬的，遠超出我們需要的帶寬。 傳輸信道的帶寬是有限的。 信號采樣過程造成頻譜混疊。 接收端濾除傳輸信道

14、感染的帶外噪聲和干擾。 濾波不應該造成碼間干擾（ISI） 奈奎斯特第一準則。0, 00,)(kkCkThsefs碼間干擾（碼間干擾（ISI) ISI-在最佳采樣時刻疊加了相鄰脈沖的信號。 不合適的信道濾波。 ISI需要采用均衡器糾正。0, 00,)(kkCkThse理想低通濾波器理想低通濾波器 滿足ISI要求。 理想低通難以實現(xiàn)。 時域擴展。升余弦（升余弦（Raised Cosine）濾波）濾波 時域擴展時間的兩次方率衰減。 滾降系數(shù)，又稱超越帶寬。濾波造成了峰值功率比的變化。均衡（均衡（Equalizing） 在時域?qū)γ}沖進行均衡，一般采用抽頭移位寄存器結構，抽頭系數(shù)由具體的均衡算法給出來。

15、相信均衡器專題講座中會有更精彩的介紹。噪聲與誤碼噪聲與誤碼 隨機噪聲符合正態(tài)分布。誤碼率誤碼率 以0、1兩電平為例，0電平因疊加噪聲可能超過1/2被誤判為1，造成誤碼。其中：所以：誤碼率（續(xù)）誤碼率（續(xù)） 可以繪出誤碼曲線計算誤碼率：計算信噪比：實際應用中，信噪比和濾波器、檢測方法有關。判決電平為6時的誤碼？眼圖（眼圖（Eye Diagram) 眼圖容易觀察信號質(zhì)量。 水平方向為脈沖周期的倍數(shù)。 信號重復掃描，通過示波器余輝觀察。最佳采樣時刻噪聲邊際3 電平眼圖采樣定時靈敏度濾波器對眼圖的影響濾波器對眼圖的影響 濾波器滾降系數(shù)越小，對定時的要求越高。=100%=25%=25%噪聲和干擾對眼圖的

16、影響噪聲和干擾對眼圖的影響 噪聲和干擾都可以造成誤碼。碼同步碼同步 雙極性NRZ碼的同步。w1(t)w2(t)w3(t)w4(t)w1(+NTs+)w1(+NTs-)超前樣本：w1(+NTs-)滯后樣本：w1(+NTs+)超前滯后同步環(huán)最佳抽樣時刻樣本：w1(0+NTs)最佳抽樣相位：00Ts|w1(0+NT s+)| |w1(0+NT s-)| w2(t)=|w1(+NT s-)| -|w1(+NT s+)| w3(t)=, 取平均后控制VCCw4(t)= （ 0+NT s）正電壓VCC頻率增大負電壓VCC頻率減小抽樣點波形抽樣點波形 |w1(+NT s-)| 和|w1(+NT s+)|相等

17、，VCC控制電壓為0，頻率不變。 |w1(+NT s-)| 高于|w1(+NT s+)|，VCC控制電壓為正，頻率增大。 |w1(+NT s-)| 低于|w1(+NT s+)|，VCC控制電壓為負，頻率增大。|w1(+NT s-)|w1(+NT s+)|w1(0+NT s)|采樣滯后采樣超前擾碼（擾碼（Scramble） 長時間連續(xù)電平傳輸，信號不反轉(zhuǎn)將失去時鐘信息。 需要對信號進行隨機化（Randomization）處理，以使信號反轉(zhuǎn)頻率提高。134xxy帶通模擬調(diào)制帶通模擬調(diào)制線性調(diào)制（Linear Modulation） 調(diào)幅信號（AM） 雙邊帶載波抑制調(diào)制信號（DSB-SC） 單邊帶調(diào)

18、制信號（SSB） 殘余邊帶調(diào)制信號（VSB） 正交調(diào)幅信號（QM）角調(diào)制（Angle Modulation） 調(diào)頻信號（FM） 調(diào)相信號（PM）帶通信號的通用表達帶通信號的通用表達 通用表達式： 幾種調(diào)制形式的包絡函數(shù)：tjcetgts)(Re)()()(tmgtg其中：g(t)為復包絡信號，m(t)為基帶信號調(diào)制類型復包絡映射函數(shù)AMDSB-SCSSBPMFMQM)(1)(tmAtgc)()(tmAtgc)()()(tmjtmAtgc)()()(21tjmtmAtgc)()(tmjDcpeAtgtdmfjDceAtg)()(調(diào)幅信號（調(diào)幅信號（AM） 調(diào)幅信號)(maxmaxtmAAAcc)

19、(minmintmAAAcc2)(min)(max2minmaxtmtmAAAc正調(diào)制度（指數(shù)）：負調(diào)制度（指數(shù)）：總調(diào)制度（指數(shù)）：頻譜：AM信號調(diào)制信號調(diào)制 指數(shù)律調(diào)制 可變增益放大器調(diào)制 開關調(diào)制AM的檢測的檢測 1，可采用包絡檢波。 由二極管取出上半部分波形半余弦脈沖取樣PAM。 低通恢復基帶信號。AM的檢測（續(xù)）的檢測（續(xù)） 使用乘積檢波。AM總結：1. 調(diào)制解調(diào)簡單。 2. 是基帶信號兩倍的帶寬。 3. 存在載波分量，電源效率低。也可稱為DSB-WC/LC雙邊帶載波抑制調(diào)制信號（雙邊帶載波抑制調(diào)制信號（DSB-SC） 沒有載波分量，相當于=的AM信號。頻譜：相位反轉(zhuǎn)如果m(t)取極

20、性NRZ碼+1,-1，就成為BPSK信號。DSB信號調(diào)制信號調(diào)制 平衡調(diào)制器 二極管環(huán)調(diào)制器相當于載波抑制的平衡混平器。DSB-SC解調(diào)解調(diào) 因為載波被抑制了，首先需要恢復載波。如果載波不同步，角為變量，造成幅度衰落，無法恢復調(diào)制信號。載波同步，角為0，濾除高次項，可恢復調(diào)制信號DSB-SC載波恢復載波恢復 載波的恢復必須使用載波恢復環(huán)路。 使用平方環(huán)恢復載波。缺點：180度相位模糊，采用差分編碼，或加入同步字可以消除DSB-SC載波恢復載波恢復 科斯塔斯（Costas）環(huán)恢復載波。缺點：也存在180度相位模糊DSB-SC變通變通 加入導頻簡化解調(diào)。調(diào)制時加入微弱載波分量解調(diào)時用窄帶濾波器取出

21、載波DSB-SC總結：1. 沒有載波分量，電源效率低。 2. 是基帶信號兩倍的帶寬。 3. 調(diào)制解調(diào)復雜，加入導頻可簡化解調(diào)。相當于1的AM信號，是AM和DSB-SC的折衷。單邊帶調(diào)制信號（單邊帶調(diào)制信號（SSB） DSB的信號載波兩邊頻譜是對稱的，實際上只需要任何一邊的頻譜就可以恢復完整信息。上邊帶調(diào)制（USB）：下邊帶調(diào)制（LSB）：頻譜：頻譜：SSB調(diào)制調(diào)制 使用濾波器直接濾除邊帶。 使用Hilbert變換，鏡像抑制邊帶。相當于鏡像抑制混頻器SSB調(diào)制（續(xù)）調(diào)制（續(xù)） 韋佛（Weaver，1956）法產(chǎn)生SSB信號。W是基帶信號帶寬SSB解調(diào)解調(diào) 相干解調(diào)。殘余邊帶調(diào)制信號（殘余邊帶調(diào)制

22、信號（VSB） VSB既節(jié)省了帶寬，又容易檢測。 當存在一個大載波信號時，可以采用包絡檢波。VSB濾波器特性濾波器特性 VSB濾波器滿足：DSB頻譜濾波器傳輸函數(shù)VSB頻譜VSB濾波器限制VSB乘積檢波乘積檢波 乘積檢波器VSB信號實例信號實例 NSTC的電視信號正交調(diào)幅信號（正交調(diào)幅信號（QM） QM信號的調(diào)制。QM信號解調(diào)信號解調(diào) QM信號的解調(diào)。角度調(diào)制（角度調(diào)制（Angle Modulation) 角度調(diào)制信號表達式: 調(diào)相（PM）信號： 以PM來看調(diào)頻（FM）信號，相位是頻率的積分：最大相移：最大頻偏：以FM看PM，頻率是相位的微分：角度調(diào)制（續(xù)）角度調(diào)制（續(xù)） 瞬時頻率。 瞬時相位。 調(diào)制常數(shù)（modulation Constant)M(t)歸一化后，取出系數(shù)最大偏移 = 調(diào)制常數(shù)和歸一化系數(shù)的乘積in角度調(diào)制（續(xù)）角度調(diào)制（續(xù)） 調(diào)制度（Modulation