第8章數(shù)字調(diào)制與解調(diào)

第8章

數(shù)字調(diào)制與解調(diào)復(fù)旦大學(xué)電子工程系陳光夢(mèng)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)2數(shù)字通信中的調(diào)制與解調(diào)簡(jiǎn)介調(diào)制信號(hào)是包含1、0序列的數(shù)字電平信號(hào)，稱為基帶信號(hào)載波的三個(gè)參量（幅度、頻率、相位）隨數(shù)字基帶信號(hào)變化，分別稱為幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying，簡(jiǎn)稱ASK）頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，簡(jiǎn)稱FSK）相移鍵控（PhaseShiftKeying，簡(jiǎn)稱PSK）2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)3基帶信號(hào)二元信號(hào)二進(jìn)制數(shù)字0和1各取一個(gè)離散電平，構(gòu)成二元信號(hào)波形，與普通數(shù)字電路的波形類(lèi)似多元信號(hào)將基帶信號(hào)流中連續(xù)的n個(gè)二進(jìn)制數(shù)字構(gòu)成一個(gè)符號(hào)，不同的符號(hào)取不同的離散電平，構(gòu)成多元信號(hào)流波形，其中有2n

個(gè)電平值2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制OOK(On-OffKeying）最基本的ASK調(diào)制信號(hào)基帶信號(hào)是二元信號(hào)碼流，已調(diào)波幅度在滿幅度和零之間變化。載波幅度為滿幅度(On)對(duì)應(yīng)數(shù)字1；載波幅度為零(Off)對(duì)應(yīng)數(shù)字0基帶信號(hào)已調(diào)波信號(hào)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)5OOK信號(hào)的調(diào)制方法用二極管作開(kāi)關(guān)的電路例子2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)6OOK信號(hào)的解調(diào)方法同步解調(diào)（相干解調(diào)）：用乘法器實(shí)現(xiàn)包絡(luò)解調(diào)（非相干解調(diào)）：2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)7頻移鍵控FSK基帶信號(hào)是二元信號(hào)碼流，已調(diào)波的頻率有兩個(gè)：對(duì)應(yīng)數(shù)字1，頻率為f1，對(duì)應(yīng)數(shù)字0，頻率為f2基帶信號(hào)已調(diào)波信號(hào)(相位連續(xù))已調(diào)波信號(hào)(相位不連續(xù))2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)8FSK信號(hào)的調(diào)制方法直接調(diào)頻：特點(diǎn)：相位連續(xù)頻率穩(wěn)定度不高2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)9頻率鍵控：2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)10FSK信號(hào)的解調(diào)方法同步解調(diào)（相干解調(diào)）：用乘法器實(shí)現(xiàn)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)11包絡(luò)解調(diào)（非相干解調(diào)）：2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)12OOK和FSK射頻模塊舉例FSK/ASK兩種調(diào)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(nèi)部集成了所有的RF功能模塊電路，外圍只須一個(gè)MCU、一個(gè)晶振、一個(gè)旁路電容和一個(gè)外置天線2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)15二進(jìn)制相移鍵控2PSK基帶信號(hào)是二元信號(hào)碼流，已調(diào)波相位隨基帶信號(hào)而變化。對(duì)應(yīng)數(shù)字1，已調(diào)波相位與參考相位同相，對(duì)應(yīng)數(shù)字0，已調(diào)波相位與參考相位反相基帶信號(hào)已調(diào)波信號(hào)相位參考信號(hào)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)16二進(jìn)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(hào)作一個(gè)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(duì)碼，這種調(diào)制方式稱為2DPSK基帶信號(hào)(絕對(duì)碼)已調(diào)波信號(hào)基帶信號(hào)(相對(duì)碼)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)17絕對(duì)碼-相對(duì)碼轉(zhuǎn)換電路2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)18相對(duì)碼-絕對(duì)碼轉(zhuǎn)換電路2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)19直接調(diào)相方式（乘法器實(shí)現(xiàn)）其中乘法器可用二極管環(huán)型調(diào)制電路二進(jìn)制差分相移鍵控的調(diào)制2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)20相位選擇方式（開(kāi)關(guān)切換）2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)21極性比較法解調(diào)（相干解調(diào)）二進(jìn)制差分相移鍵控的解調(diào)相位比較法解調(diào)（非相干解調(diào)）2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)22二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能誤碼率其中調(diào)制方式解調(diào)方式相干解調(diào)非相干解調(diào)ASKFSKPSK，r是信噪比2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)232023/2/6高頻電路基礎(chǔ)24頻帶寬度設(shè)傳輸?shù)拇a元寬度為T(mén)，則二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制后的信號(hào)帶寬為：ASK和PSK：FSK：2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)25多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的目的提高頻帶利用率，提高傳輸可靠性多進(jìn)制基帶信號(hào)將串行的基帶數(shù)字信號(hào)分組，每組包含2n個(gè)二進(jìn)制數(shù)，稱為一個(gè)符號(hào)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)264PSK（四進(jìn)制相移鍵控）基帶信號(hào)是4元信號(hào)碼流，對(duì)應(yīng)符號(hào)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(chǔ)274PSK的信號(hào)波形2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)284PSK調(diào)制電路I序列Q序列（4DPSK需要先對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行絕對(duì)碼-相對(duì)碼變換）2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)294PSK解調(diào)電路（4DPSK需要在最后對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行相對(duì)碼-絕對(duì)碼變換）2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)30載波恢復(fù)相干解調(diào)的關(guān)鍵是恢復(fù)載波。若發(fā)送的信號(hào)中已經(jīng)有載波分量，在接收端只要直接用鎖相環(huán)提?。ㄝd波跟蹤）即可。若發(fā)送的信號(hào)中沒(méi)有載波分量，則要從抑制載波的已調(diào)波中恢復(fù)參考載波信號(hào)，此時(shí)的載波提取電路一般包含兩部分：一、非線性運(yùn)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(fù)與解調(diào)同時(shí)完成。2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)31平方環(huán)2PSK信號(hào)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(hào)，最后分頻就得到恢復(fù)的載波2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)32對(duì)于4PSK信號(hào)其中a(t)=+1or-1，

b(t)=+1or-1可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行4次方。4次方后，a、b將都被轉(zhuǎn)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(hào)一般來(lái)說(shuō)，mPSK信號(hào)進(jìn)行m次方后都可以得到m倍載頻信號(hào)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)33COSTAS環(huán)假設(shè)鎖相環(huán)鎖定，則有2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)34此信號(hào)與調(diào)制無(wú)關(guān)，鎖相環(huán)鎖定在載波上解調(diào)信號(hào)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)35位同步信號(hào)提取位同步信號(hào)用于解調(diào)后的抽樣判決現(xiàn)代數(shù)字通信中幾乎都不單獨(dú)發(fā)送位同步信號(hào)，而是通過(guò)一定的編碼方法將位同步信號(hào)隱含在發(fā)送的信號(hào)流中包含位同步信號(hào)的編碼方式有多種接收端用鎖相環(huán)提取位同步信號(hào)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)36常見(jiàn)的編碼舉例2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)37位同步信號(hào)提取電路結(jié)構(gòu)邊緣檢測(cè)與變換，將包含同步信息的信號(hào)邊緣變換為脈沖鎖相環(huán)根據(jù)這些脈沖，恢復(fù)出同步信號(hào)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(guò)程不受影響由于恢復(fù)出的信號(hào)一般都是原同步信號(hào)的2倍頻，在二分頻時(shí)要校正其相位2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)38一個(gè)實(shí)際的位同步信號(hào)提取電路例子2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)39一個(gè)實(shí)際的位同步信號(hào)提取電路例子實(shí)測(cè)波形2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)40其他形式的數(shù)字調(diào)制方式簡(jiǎn)介最小偏移鍵控(MSK)和高斯最小偏移鍵控(GMSK)無(wú)論是2PSK、2DPSK，或者4PSK、4DPSK，都有一個(gè)缺點(diǎn)：相位不連續(xù)，造成已調(diào)信號(hào)的頻譜展寬或者發(fā)生頻譜再生，導(dǎo)致頻帶利用率低下MSK(MinimumShiftKeying)可以看作相位調(diào)制，也可以看作頻率調(diào)制。其最大特點(diǎn)就是保證已調(diào)波的相位連續(xù)，可以有效地克服PSK的上述缺陷。GMSK則通過(guò)對(duì)基帶信號(hào)用高斯濾波器進(jìn)行濾波，進(jìn)一步提高了MSK的帶外衰減，已經(jīng)應(yīng)用在GSM移動(dòng)通信上2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)41若將MSK看作一種二進(jìn)制頻移鍵控，基帶碼元的寬度為T(mén)，則MSK信號(hào)的兩個(gè)頻率分別為中心頻率為當(dāng)取N=1，m=0時(shí)，。假定載波的初始相位均為0，在一個(gè)碼元結(jié)束時(shí)，它們的相位分別為2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)42由于要求已調(diào)信號(hào)的相位連續(xù)，所以MSK信號(hào)的前后碼元之間存在一個(gè)相位約束：當(dāng)前后碼元相同（都為1或都為0）時(shí)，不改變載波相位；當(dāng)前后碼元不同時(shí)，載波相位要根據(jù)前一個(gè)碼元結(jié)束時(shí)的相位確定是否改變p。MSK調(diào)制的已調(diào)波波形2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)43QAM（正交幅度調(diào)制）16QAM的星座圖基帶信號(hào)是多元信號(hào)碼流，將每個(gè)符號(hào)分為兩組，分別對(duì)一對(duì)同頻正交信號(hào)進(jìn)行多元幅度調(diào)制，最后將兩個(gè)調(diào)幅信號(hào)疊加常見(jiàn)有16QAM、64QAM、128QAM等每個(gè)符號(hào)在載頻的相位空間中形成一個(gè)特定的位置，稱為“星座圖”2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)44QAM調(diào)制器結(jié)構(gòu)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)45QAM解調(diào)器結(jié)構(gòu)2023/2/6高頻電路基礎(chǔ)46正交頻分復(fù)用(OFDM)前面討論的數(shù)字調(diào)制都屬于串行傳輸體系。對(duì)應(yīng)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(guò)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(gè)獨(dú)立的載波調(diào)制，最后將多路載波疊加發(fā)射。OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultipl