高频007-第7章课件.ppt

1、第 7 章 数字调制解调电路,7.1 概述 7.2 二进制振幅键控(ASK)调制与解调 7.21 ASK调制 7.22 ASK解调 7.3 二进制频移键控(FSK)调制与解调 7.3.1 FSK信号的产生 7.3.2 FSK信号的解调 7.4 二进制相位键控(PSK)调制与解调7.4.1 绝对调相相对调相,数据通信是计算机技术和通信技术相结合的产物，是计 算机与计算机之间的通信，或终端与计算机之间的通信。数 字调制与解调电路是数据通信系统必不可少的重要部件。 本章主要介绍幅度调制（ASK）、频率调制（FSK）、相 位调制（PSK）、调制与解调电路。,内 容 提 要,数字信号对载波的调制与模拟信

2、号对载波的调制类似， 它同样可以去控制正弦振荡的振幅、频率或相位的变化。但 由于数字信号的特点时间和取值的离散性，使受控参数 离散化而出现“开关控制”，称为“键控法”。 数字信号对载波振幅调制称为振幅键控，即ASK （Ampl-itude-Shift Keying），对载波频率调制称为频移键 控，即FSK（Frequency-Shift Keying），对载波相位调制称 为相移键控（即相位键控）PSK（Phase-Shift Keying）。,7.1 概述,数字信号可以是二进制的，也可以是多进制的。若数字 信号u(t)是二进制，则ASK、FSK、PSK实现原理框图及键控 信号的输出波形可由图7

3、.1表示。,图7.1 二进制数字调制的波形和方框图,7.2.1 ASK调制 ASK有两种实现方法：乘法器实现法和键控法。 1.乘法器实现法 乘法器实现法的调制方框图如图7.2所示。 图7.2(a)为ASK调制器框图，它的输入是随机信息序 列，以Ak所示。经过基带信号形成器，产生波形序列， 设形成器的基本波形为g(t)，则波形序列为,7.2 二进制振幅键控(ASK)调制与解调,7.2.1,图7.2 乘法实现器,式中，TB为码元宽度；Ak是第k个输入随机信息。乘法 器后的带通滤波器用来滤除高频谐波和低频干扰。带通滤波 器的输出就是振幅键控信号，用uASK(t)表示。,乘法器常采用环形调制器，如图7

4、.3所示。四只二极管 VD1、VD2、VD3、VD4首尾相联构成环形，故得名环形调制器。 用于ASK调制的环形调制器，载波应加在1、2端，在5、6端 接基带信号，并且基带信号要始终大于或等于零，即5端的 电压必须始终高于或等于6端的电压。由于5端的电压始终高 于或等于6端的电压，因此二极管VD2、VD4始终截止，在实际 电路中VD2、VD4可省去，但环形调制器的四只二极管往往做 成组件，因此VD2、VD4仍画在图7.3中。它们的存在对ASK调 制没有影响。ASK调制产生的波形如图7.2(b)所示。,图7.3 环形调制器,2.键控法 键控法是产生ASK信号的另一种方法。二元制ASK又称 为通断控

5、制（OOK）。最典型的实现方法是用一个电键来控 制载波振荡器的输出而获得。图7.4所示为该方法的原理框 图。,为适应自动发送高速数据的要求，键控法中的电键可以 利用各种形式的受基带信号控制的电子开关来实现，代替电 键产生ASK信号，,图7.4 键控法产生ASK信号原理图,7.2.2 ASK解调 振幅键控信号解调有两种方法，即同步解调法和包络解 调法。,图7.6 ASK同步解调方框图,1.同步解调 同步解调也称相干解调，其方框原理如图7.6所示。,图中uASK(t)信号经过带通滤波器抑制来自信道的干扰， 相乘器进行频谱反向搬移，以恢复基带信号。低通滤波器用 来抑制相乘器产生的高次谐波干扰。 解调

6、的相干载波用2cos2fct，幅度系数2是为了消除推 导结果中的系数，对原理没有影响，下面对它的工作原理及 解调性能进行分析。 发“1”码时的情况 发“1”码时，输入的ASK信号为Acos2fct，它能顺利地 通过带通滤波器。n(t)为零均值的高斯白噪声，经过带通滤 波器后变为窄带高斯噪声，用ni(t)表示为,因此发“1”码时，带通滤波器输出信号为,7.2.2,7.2.3,经乘法器后输出为,7.2.4,经过低通滤波器后，后两项滤除。设输出信号为x(t)， 则（x(t)也就是取样判决器的输入信号）,7.2.5,发“0”时的情况 发“0”码时，ASK信号输入为0，噪声仍然存在，此时 取样判决器的输

7、入信号x(t)为： x(t)=nc(t) 7.2.6,x(t)=,A+nc(t) 发“1”码 nc(t) 发“0”码,7.2.7,下面讨论判决问题。 若没有噪声，上式简化为,x(t)=,A 发“1”码 0 发“0”码,7.2.8,综合上面的分析，可得,此时判决电平取0A的中间 值A/2，大于A/2判为“1”码，小 于A/2判为“0”码。在无噪声时, 判决一定是正确的，因此7.6的框 图能正确解调。若噪声存在，x(t) 如上式所示。式中nc(t)是均值为 零的低通型高斯噪声。nc(t)和A+ nc(t)的概率密度分布曲线如图7.7 所示。误码率根据下式计算：,图7.7 ASK同步解调 取样判决器

8、,7.2.9,式中P(0)、P(1)分别为发“0”码和发“1”码的概率； P(0/1)是发“1”码时误判为“0”码的概率；P(1/0)是发 “0”码时误判为“1”码的概率。 由于正态分布曲线的对称性，故 P(0/1)=P(1/0)，而且P(1)+P(0)=1，,发“1”码时的情况 包络检波器的输入为ni(t)=Acos2fct+n(t)，ni(t)为信号 为信号加窄带高斯噪声，输出为信号加窄带高斯噪声的包络, 它服从莱斯分布，如图7.9所示，其概率密度为,2.包络解调 包络解调是一种非相干解调，框图如图7.8所示。,图7.8 ASK包络检波,图7.9 ASK包络解调取样判决器,7.2.10,发

9、“0”码时的情况 包络检波器输入为ni(t)，输出则为ni(t)的包络，即噪声的,包络，它服从瑞利分布，如图7.9所示。其概率密度为,7.2.11,与同步解调类似，为使误码率最小，判决电平应取f0(x) 和f1(x)的交点的横坐标值，如图中x=bopt，bopt为最佳门限， 经分析，得到当信噪比r1(即大信噪比)时，,7.2.12,频移键控(FSK)是用不同频率的载波来传送数字信号， 用数字基带信号控制载波信号的频率。二进制频移键控是用 两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平。接收端收 到不同的载波信号再进行逆变换成为数字信号，完成信息传 输过程。 7.3.1 FSK信号的产生 FSK信号

10、的产生有两种方法，直接调频法和频率键控法。,7.3 二进制频移键控(FSK)调制与解调,1.直接调频法 直接调频法是用数字基带信号直接控制载频振荡器的振 荡频率。图7.10所示是直接调频法的具体电路之一。二极管 VD1、VD2的导通与截止受数字基带信号控制，当基带信号为 负时（相当于“0”码），VD1、VD2导通，C1经VD2与LC槽路并 联，使振荡频率降低（设此时频率为f1），当基带信号为正 时（相当于“1”码），VD1、VD2截止，C1不并入槽路，振荡 频率提高（设为f2），从而实现了调频，这种方法产生的调 频信号是相位连续的。直接调频法还有许多实现电路，虽然 实现方法简单，但频率稳定度不

11、高，同时频率转换速度不能 做得太快。,图7.10 直接调频法电路及波形,2.频率键控法 频率键控法也称频率选择法，图7.11是它实现的原理框 图。它有两个独立的振荡器，数字基带信号控制转换开关， 选择不同频率的高频振荡信号实现FSK调制。,图7.11 频率键控法的原理框图,键控法产生的FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没 有过渡频率，它的转换速度快，波形好。频率键控法在转换 开关发生转换的瞬间，两个高频振荡的输出电压通常不可能,相等，于是uFSK(t)信号在基带信息变换时电压会发生跳变， 这种现象也称为相位不连续，这是频率键控特有的情况。 图7.12是利用两个独立分频器，以频率键控法来实现

12、FSK调制的原理电路图。 在图7.12中，与非门3和4起到了转换开关的作用。当数 字基带信号为“1”时，与非门4打开，f1输出，当数字基带 信号为“0”时，与非门3打开，f2输出，从而实现了FSK调 制。 键控法也常常利用数字基带信号去控制可变分频器的分 频比来改变输出载波频率，从而实现FSK调制。图7.13是一,图7.12 独立分频器的键控法FSK调制,FSK信号有相位不连续和相位连续两种情况，相位不连 续的FSK信号可以视为两个频率分别为f1和f2的ASK信号的叠 加，如图7.14所示。,图7.14 FSK信号为两个不同频率的ASK信号叠加,7.3.2 FSK信号的解调 数字频率键控（FS

13、K）信号常用的解调方法有很多种如 同步（相干）解调法、过零检测法和差分检波法等。,图7.15 FSK信号同步解调方框图,1.同步解调法 同步解调法，FSK信号解调原理方框如图7.15所示。,从图7.15可见，FSK信号的同步解调器分成上、下两个 支路，输入的FSK信号经过f1和f2两个带通滤波器后变成了 上、下两路ASK信号，之后其解调原理与ASK类似，但判决需 对上、下两支路比较来进行。假设上支路低通滤波器输出为 X1，下支路低通滤波器输出为x2，则判决准则是：,x1-x20 判输入为f1信号 x1-x20 判输入为f2信号,7.3.1,当输入的FSK信号振荡频率为f1时，上支路经带通后有

14、正弦信号Acos2f1t存在，与ASK系统接收到“1”码时的情况 相似，经过低通滤波器，x1=A。而下支路带通滤波器输出为,0，与ASK系统接收到“0”码时情况相似，故x2=0，显然 x1-x2=A-00，按判决准则判输入为f1；反之，当输入为f2时, x1=0，x2=A，x1-x2=0-A0，按判决准则应判输入为f2。因此 可以判决出FSK信号。 2.包络解调法 FSK信号包络解调方框图如7.16所示。从图7.16可见， FSK信号包络解调相当于两路ASK信号包络解调。用两个窄 带的分路滤波器分别滤出频率为f1和f2的高频脉冲，经包络检 波后分别取出它们的包络。把两路输出同时送到抽样判决器

15、进行比较，从而判决输出基数数字信号。,图7.16 FSK信号包络解调方框图,设频率f1代表数字信号1；f2代表0，则抽样判决器的判决 准则：,x1-x20 判输入为f1信号 x1-x20 判输入为f2信号,式中x1和x2分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值。 这里的抽样判决器，要比较x1、x2的大小，或者说把差值 x1-x2与零电平比较。因此，有时称这种比较判决器的判决门 限为零电平。 当FSK信号为f1时，上支路相当于ASK系统接收“1”码的 情况，其输出x1为正弦波加窄带高斯噪声的包络，它服从莱 斯分布。而下支路相当于ASK系统接收“0”码的情况，输出 x2为窄带高斯噪声的包络，它服从瑞利

16、分布。如果FSK信号 为f2，上、下支路的情况正好相反，此时上支路输出的瞬时 值服从瑞利分布，下支路输出的瞬时值服从莱斯分布。,由以上分析可知，无论输出的FSK信号是f1还是f2，两路 输出总是一路为莱斯分布，另一路为瑞利分布，而判决准则 仍为7.3.1式，因此可判决出FSK信号。 3.过零检测法 过零检测法方框图如图7.17所示，它是利用信号波形在 单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。输入的 uFSK信号经限幅放大后成为矩形脉冲波，再经微分电路得到 双向尖脉冲，然后整流得单向尖脉冲，每个尖脉冲表示信号 一个过零点，尖脉冲的重复频率就是信号频率的二倍。,图7.17 FSK过零检测法方

17、框图及波形,将尖脉冲去触发一单稳电路，产生一定宽度的矩形脉冲序 列，该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比，即与输入信 号频率成正比。所以经过低通滤波器输出的平均分量的变化 反映了输入信号频率的变化，这样就把码元“1”和“0”在 幅度上区分开来，恢复出数字基带信号。,数字相位调制（相位键控）是用数字基带信号控制载波 的相位，使载波的相位发生跳变的一种调制方式。二进制相 位键控用同一个载波的两种相位来代表数字信号。由于PSK 系统抗噪声性能优于ASK和FSK，而且频带利用率较高，所以 在中、高速数字通信中被广泛采用。 7.4.1 绝对调相和相对调相 数字调相（相位键控）常分为：绝对调相，记为CPS

18、K; 相对调相，记为DPSK。对于二进制的绝对调相记为2CPSK; 相对调相记为2DPSK。,7.4 二进制相位键控(PSK)调制与解调,1.绝对调相（CPSK） 所谓绝对调相，即CPSK，是利用载波的不同相位去直接 传送数字信息的一种方式。对二进制CPSK，若用相位代表 “0”码，相位0代表“1”码，即规定数字基带信号为“0” 码时，已调信号相对于载波的相位为；数字基带信号为 “1”码时，已调信号相对于载波相位为同相。按此规定， 2CPSK信号的数学表示式为,Acos(2fct+0) 为“1”码 Acos(2fct+0+) 为“0”码,u2CPSK=,7.4.1,式中0为载波的初相位。受控载

19、波在0、两个相位上 变化，例如图7.18所示。其中，图(a)为数字基带信号S(t) （也称绝对码），图(b)为载波，图(c)为2CPSK绝对调相波 形，图(d)为双极性数字基带信号。 从图7.18可见，2CPSK信号可以看成是双极性基带信号 乘以载波而产生的，即 u2CPSK(t)=u(t)Acos(2fct+0) 7.4.2 式中u(t)为双极性基带信号，其波形如图7.18(d)所示。 关于CPSK波形的特点，必须强调的是：CPSK波形相位 是相对于载波相位而言的。因此画CPSK波形时，必须先把,载波画好，然后根据相位的规定，才能画出它的波形。,图7.18 2CPSK信号,2.相对调相（DP

20、SK） 相对调相（相对移相），即DPSK，也称为差分调相，这 种方式用载波相位的相对变化来传送数字信号，即利用前后 码之间载波相位的变化表示数字基带信号的。所谓相位变化 又有向量差和相位差两种定义方法。向量差是指前一码元的 终相位与本码元初相位比较，是否发生相位变化。而相位差 是指前后两码元的初相位是否发生了变化，图7.19给出了两 种定义的DPSK的波形。从图7.19还可以看出，对同一个基带 信号，按向量差和相位差画出的DPSK波形是不同的。例如, 在相位差法中，在绝对码出现“1”码时，DPSK的载波初相位,图7.19 两种定义的DPSK波形,即前后两码元的初相位相对改变。出现“0”码时，D

21、PSK 的载波相位即前后两码元的初相位相对不变。在向量差法中, 在绝对码出现“1”码时，DPSK的载波初相位相对前一码元 的终相位改变。出现“0”码时，DPSK的载波初相位相对 前一码元的终相位连续不变。如图7.19中所示。在画DPSK波 形形，第一个码元波形的相位可任意假设。 由以上分析可以看出，绝对移相波形规律比较简单，而 相对移相波形规律比较复杂。绝对相移是用已调载波的不同 相位来代表基带信号的，在解调时，必须要先恢复载波，然 后把载波与CPSK信号进行比较，才能恢复基带信号。由于,接收端恢复载波常常要采用二分频电路，它存在相位模糊， 即用二分频电路恢复的载波有时与发送载波同相，有时反相

22、, 而且还会出现随机跳变，这样就给绝对移相信号的解调带来 困难。而相对移相，基带信号是由相邻两码元相位的变化来 表示，它与载波相位无直接关系，即使采用同步解调，也不 存在相位模糊问题，因此在实际设备中，相对移相得到了广 泛运用。 3.CPSK和DPSK信号的产生 DPSK信号应用较多，但由于它的调制规律比较复杂， 难以直接产生，目前产生DPSK信号大多数通过码变换加,CPSK调制方法而获得。 CPSK调制有直接调相法和相位选择法两种方法。 直接调相法 直接调相法的电路如图7.20所示，它是一个典型的环形 调制器。在CPSK调制中，1、2端接载波信号，5、6端接双极 性基带信号，3、4端输入，V

23、D1、VD2、VD3和VD4起着倒接开关 的作用。当基带信号为正时，VD1、VD3导通，输出载波与输 入载波反相，从而实现了CPSK调制。,图7.20 直接调相法的电路,相位选择法 相位选择电路如图7.21所示，设振荡器产生的载波信号 为Acos(2fct)，它加到与门1，同时该振荡信号经倒相器变为 Acos(2fct+)，加到与门2，基带信号和它的倒相信号分别,作为与门1及与门2的选通信号。基带信号为1码时，与门1选 通，输出为Acos(2fct)；基带信号为“0”码时，与门2选 通，输出为Acos(2fct+)，即可得到CPSK信号。,图7.21 相位选择器,4.DPSK信号的解调 DPS

24、K信号的解调方法有两种：极性比较法（又称同步 解调或相干解调）和相位比较法（是一种非相干解调）。,极性比较法电路 极性比较法电路如图7.29所示。由图7.29可见，输入的 CPSK信号经带通后加到乘法器，乘法器将输入信号与载波极 性比较。极性比较电路符合绝对移相定义（因绝对移相信号 的相位是相对于载波而言的），经低通和取样判决电路后还 原基带信号。,图7.29 极性比较法电路,若输入为DPSK信号，经图7.29电路解调，还原的是相对 码。要得到原基带信号，还必须经相对码绝对码变换器， 该变换器电路如图7.26所示。因此DPSK信号极性比较法解调 电路如图7.30所示。,图7.30 DPSK信号比较法解调电路,由图7.30不难看出，极性比较原理是将DPSK信号与参考 载波进行相位比较，恢复出相对码，然后进行差分译码，由 相对码还原成绝对码，得到原绝对码基带信号。 DPSK解调器由三部分组成，乘法器和载波提取电路实际 上就是相干检测器。后面的相对码（差分码）绝对码的变 换电路，即相对码（差分码）译码器，其余部分完成低通判 决任务。 比较图7.29与图7.22，发现两者电路完全相同，它们的 差别仅在于图7.29输入信号为uCPSK(