高频电子电路第9章数字调制解调

1、数字调制与解调前言 电视的实现，不仅扩大和延伸了人们的视野，而且以其形象、生动、及时的优点提高了信息传播的质量和效率。在当今社会，信息与电视是不可分割的。 多媒体的概念虽然与电视的概念不同，但在其综合文、图、声、像等作为信息传播媒体这一点上是完全相同的。 随着社会的不断进步，数字技术、数字视频技术、计算机技术等的发展也是日新月异，早已引起了世界各国的极大关注和巨大的投入，我国已做过多次数字电视的试播试验，有线数字电视已正式播出。世界上主要发达国家将在2010年前后全部播出数字电视，甚至停播传统的模拟电视。我国预计在2015年实现这一目标，提前的可能性也很大。数字调制与解调 众所周知，数字信号（

2、基带信号）未经调制是很难有效地进行无线传输或者远距离的有线传输。 因此，在数字电视等数字视频技术中，其发送端需要对基带信号做数字信号的调制处理；在接受端，需要对做数字信号解调处理。数字调制三种基本调制方式 数字幅度调制又称幅移键控（数字幅度调制又称幅移键控（ASKASK）。）。 （amplitude shift keying） 数字频率调制又称频移键控（FSK）。 （frequency shift keying） 数字相位调制又称相移键控（PSK）。 （phase shift keying） 此外，还有改进型的和复合的数字调制方式 （QAM,MQAM,QPSK等）。 幅移键控（ASK) 多进制

3、幅移键控（MASK） 正交幅度调制（QAM） 多电平正交调幅（MQAM）幅移键控（ASK) 幅移键控（ASK) ：是一种以数字信号对载频幅度进行控制的一种调制。幅移键控（ASK) 的调制框图如下图所示：()() * c o setstt幅移键控（ASK)的解调 幅移键控（ASK)有二种基本的解调方式： 非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法），其基本框图如下：半波或全波整流器抽样判决器低通滤波器带通滤波器定时脉冲非相干解调载波恢复抽样判决器低通滤波器相乘器带通滤波器定时脉冲cost相干解调二进制幅移键控 二进制幅移键控是出现得最早的一种调制方式，二进制数字调幅有二种情况： 一种是数字基

4、带信号为0,1的单极性调制； 一种是数字基带信号为-1，1的双极性调制。多进制幅移键控（MASK） 多进制（电平）幅移键控（MASK）则是以多个电平的矩形脉冲去对正弦（或余弦）载波进行的调幅，它的主要特点是频带利用率高。多电平幅移键控（MASK）调制框图：电平转换带通滤波相乘器costS(t)数字 信号多进制幅移键控（MASK） 在实际的数字电视系统或是通信系统中，多采用多进制（多电平）数字调制、解调方式。所谓多进制信号，就是指状态数大于2的基带数字信号（有时也称多元调制信号或多电平调制信号）。 符号中的M可为2，4，8，162N，若M=2，则表明高频载波被一种二进制代码所组成的2种电平（0，

5、1）所调制；若M=4，则表明高频载波被一种2bit二进制代码所组成的4种电平（00，01，10，11）所调制；若M=8，则表明高频载波被一种（ ）bit二进制代码所组成的 （ ）种电平所调制多进制幅移键控（MASK） 多电平数字调幅信号的表达式为： 其中,s(t) 为多进制基带数字信号；A, , 分别为余弦载波信号的振幅、角频率和初相角。 多进制幅移键控（MASK）的数字信号可以为单极性序列，也可为双极性序列，它们对载波所进行的幅度调制情况如下图所示：( )( )*cos()e ts tAt ASK方式的主要缺点是抗噪声性能较差，频带利用率不高，故较少采用。 在实际中应用较多的是正交幅度调制Q

6、AM及多进制（多电平）正交幅度调制MQAM。正交幅度调制（QAM） 正交幅度调制QAM是英文quadrature amplitude modulation的缩写，也称正交双边带调幅。这是以两路相关的数字基带信号分别对两个互为正交 （ ）的同频载波进行抑制载波的平衡调幅（双边带调幅）后，再将这两路已调信号叠加输出的过程。 QAM调制的显著特点是可以在同一频带内传输两路数据信号，因此其频带利用率高（提高了近2倍）。sin,costt正交幅度调制（QAM） 在彩色电视系统中，红色差、蓝色差信号就是先做正交平衡调幅，再以矢量和的方法形成色度信号的，对于PAL制而言，其相互关系为：F=Fu+Fv=U +

7、/-V 红、蓝色差信号的带宽各为1.3MHZ,其平衡调幅后的Fu，Fv带宽各为2.6MHZ，利用正交平衡调幅再做矢量相加变成色度信号后，其带宽仍为2.6MHZ，而不是5.2MHZ，使频带利用率提高了1倍。cos tsint正交调幅（QAM）的电路组成框图9753111 09876543211 086422()()kbbbb bstbbbb bbbbb bbbb bbbst222( )( )*cos()( )*sin2e ts tts tt cost正交路cos()sin2tt 1( )st2( )stkbe(t)2( )st串/并转换带通滤波器相加器乘法器低通滤波器低通滤波器乘法器11( )(

8、 )*cose ts tt同相路正交调幅（QAM）信号解调的电路框图QAM信号( )s tcost带通滤波并/串转换乘法器低通采样判决采样判决低通乘法器sint载波恢复1( )st2( )st1( )St2( )St112( ) ( )*cos( )*sin*cosS ts tts ttt正交调幅（QAM）信号的解调112( ) ( )*cos( )*sin*cosS ts tt s ttt11( )2s t121 ( )*cos22 ( )*sincos2s tts ttt （ 所需要信号，用低通取出）（不需要的高频信号，用低通滤波滤除） 图中所用的是同步检波电路，其关键点是要求相干载波（同

9、步检波的参考信号）要与输入QAM信号同步（即同频同相），否则会使解调输出的信号失真，且幅度减小。以图中S,1(t)为例：多电平正交调幅（MQAM） MQAM是多电平正交调幅之意，它的实现与QAM相似，唯一不同的是它的每路正交调幅不是针对1个比特位进行的，而是在一个点位传送区间内，同时对若干个比特（其值等于 ）进行的正交调幅。（符号中的M可为2，4，8，162N） MQAM信号可以看成是两个正交的抑制载波双边带调幅信号的相加。多电平正交调幅（MQAM）电路框图多电平正交调幅（MQAM）的矢量图 正交调制时，其两路载波应互为正交，相位差为900.如此引出MAQM信号的矢量问题和星座问题。 现以4Q

10、AM信号为例，对其矢量图做一简介:多电平正交调幅（MQAM）的星座图所谓星座图是指只画出MQAM矢量端点的一种图形，并且图中星点数与M值相等。(星座图上的各信号点之间的距离愈大，则其抗误码能力就愈强。)MQAM信号的频带宽度及频带利用率 数据传输速率： 数据传输速率是单位时间内传输的信息量，即传输二进制位数的多少，也称为比特率或码率。其单位是bit/s,kbit/s,Mbit/s,通常记作Rb(它不应该包括信道编码时所附加的监督码（冗余码）在内)。 Rb=1/T 即时间T内传输了一个二进制（0或1两个电平中的一个） 数据传输速率是单位时间内传输的信息量，即二进制位数的多少，有时也称为比特率或者

11、码率，单位为bit/s（它不包括信道编码是附加的冗余码），如果传输一个码元的速率为T，则数据传输速率为Rb=1/T（bit/s）; 数据调制速率是单位时间内传输的数字信号的码元数，有时也称为符号速率或传码率，单位为波特（Bd），如果传输一个数据码元持续的时间为T，则调制数率为NBd=1/T(Bd) 调制数率主要是用来反映信号波形变换的频繁程度，主要是用来表述多进制信号的，对于二进制的数字信号，其调制速率和传输速率是完全一样的，而对于多进制，数据传输速率和调制速率的关系为 数据有效传输速率即在单位时间内系统呢个传输的平均数据量，单位为bit /s。通信系统中所传输的数据除了信源所提供的数码外，系

12、统还要加入其他许多信息，如同步码元，差分控制码元，冗余码等，数据传输速率是针对数据源所提供的数据而言，不包括信道编码所加的冗余码，而数据有效传输率是针对系统中所传输的所有码元。MQAM信号的频带宽度及频带利用率 设未调制串行数据传输速率为Rb，经串/并转换后，数据分两路输出，速率降低了1 / 2，其值为Rb / 2，再经电平转换，使Rb的值降至 经串/并转换后，在不考虑数码高次谐波的近似条件下，每路数据符号的最高频率，即其频带宽度为 经每一路的平衡调幅后，信号的带宽近似为上述带宽（调制数据）的2倍，即为 在理想低通滤波的情况下，MQAM和MPSK的最高频带利用率均为MQAM信号的频带宽度及频带

13、利用率带宽为：最高频带利用率为： 例如：已知输入串行数据传输速率（码率），且输入数码的0，1概率相等，则16QAM已调信号的带宽使多少？最高频带利用率呢？MQAM的应用 无论是在模拟电视系统中，还是在数字电视系统中，MQAM都是非常有用的。 例如，前面所提到的模拟电视系统中对两色差信号的处理就是采用正交调幅（QAM）方式，将带宽分别为1.3MHZ的R-Y、B-Y两基带信号调制到同一彩色副载频上，使频带宽度至少由5.2MHZ（ R-Y、B-Y 分别调制）降至2.6MHZ，即降低了一半，使彩色电视能与黑白电视由兼容的可能。MQAM的应用 另外在有线数字电视系统中，常为16QAM,32QAM,64Q

14、AM, 64QAM与16QAM相比所传送的数据码率提高相近1.5倍的情况下，信号所占的带宽几乎没有改变。五、频移键控FSK及多进制（多电平）MFSK 频移键控FSK也称数字调频。 对于最简单的二电平的0，1数码而言，2FSK就是利用两个不同载频f1、f2表示数码0和1的过程和结果。 P225 2、2FSK信号的带宽及频带利用率 带宽： T为二进制码元的持续时间，在f2 与f1 比较接近时，若是则2FSK信号的带宽 此时频带利用率为Rb/B，其中Rb为信号的传输速率则信号频带利用率为 Rb/B=1/3bit.s-1/HZ 由此也可大致算出在带宽为B的模拟信道上采用2FSK时数据的最大传输速率为R

15、bm=B*1/3bit/sB= f2 -f1+2 fTB = f+ 2f= 3f=32、多进制频移键控指每一个不同电平的码元，需要一个不同频率的载波来描述。如4FSK就是以载频分别为f1、f2、f3、f4来表述的一个4电平数字信号。MFSK同样具有多进制调制信号的特点，但它有一显著的缺点，即MFSK所占的带宽较宽，其宽度为其中，为调制时所选用的最高载频；为调制时选用的最低载频，为未调制数字信号码元的带宽。由此可见，MFSK信号的频带较宽，频带的利用率不高。故MFSK一般在调制速率不高的传输系统中用1B=ffnf六、相移键控PSK及DPSK 相移键控是指载波信号的相位按数字调制信号（基带信号）变

16、化而变化的一种调制。 分为绝对调相和相对调相两种方式，分别以PSK和DPSK表示。六、相移键控PSK及DPSK 1.2PSK和2DPSK 2PSK是根据调制信号码元值的高低（0、1或正、负）而决定高载频波相位值的一种调相信号。 P228 2DPSK是以前一码元的载波相位为基准，再按后一码元的变化而决定后一码元载波的相位是否变化的一种调相波。 P228六、相移键控PSK及DPSK 2. 2DPSK调制，先将输入的二进制码做码型变换，转换成相对码的形式，转换原则为1变0不变，即当前码元是高电平1，后一码元是低电平0时，则相对码元依然保持为前一码源的高电平1，只有在后一码源为高电平1时，相对码元才由

17、0变成1或者成1变成0. 码元转换后，输出数码变换成相对码，和乘法器相乘就实现了相移键控，获得2DPSK信号。 2DPSK相对法数字调相器的组成框图及主要波形 P228六、相移键控PSK及DPSK 3. 2DPSK解调的关键点是同步检波所需要的载波是由2DPSK信号经过一个周期的延时得到的，经延时后的DPSK信号和没有延时的DPSK信号相乘，低通滤波，就可得到原信号的包络。 2DPSK差分同步解调器组成框图及主要点波形P228七、多进制相移键控MPSK（多相调相）是指将输入的二进制数码每K位（K=1.2.3）分成一组，构成K比特码元，这些码元即有M=2K个不同状态，然后再由不同相位或相位差的载

18、波来描述这些状态而形成已调信号。 表达式为：多进制已调信号可以看成是两个正交载波对数码进行幅移键控后进行的信号叠加。00000( )()cos()()coscossinsin)()cos()sincos;sinnnnnnnnnnnnnne tg tnTw tg tnTw tw ta g tnTw tb g tnTw tab七、多进制相移键控MPSK 1. 4相调相4PSK表明每组码元为2bit，共四种状态，要用四种不同相位的载波来描述四种不同的数码组合（00，01，10，11）。 4相调相4PSK中的相位关系P231 2. 4PSK信号的实质上是二路正交的2PSK信号叠加而成，因而4PSK信号

19、的产生与解调和2PSK相似。 4PSK信号的产生及解调P232七、多进制相移键控MPSK 3. 4DPSK信号产生的关键是对输入码元做串并转换后，需要将二路绝对码变换成相对码，然后再做不同处理。 4DPSK信号的产生P233 4. 4DPSK同步解调的关键问题是同步载波的产生，而相位比较法解调不需要本地载波发射器，二同步解调的同步信号直接由4DPSK信号延时得到。4DPSK信号的解调P234 5. 8PSK是指每组码元有3bit，共8中状态，需要8中不同相位的载波来描述。 8PSK信号 P235八、幅相键控APK 这是一种载波信号的幅度与相位同时受到数字基带信号控制的一种调制方式，也称数字符合

20、调制方式。 表达式为 可见APK信号可看做是两个正交载波调幅信号之和， 故APK又称为正交幅度调制信号，与QAM有相似之处，但它们的星座图有较大不同。 理论与实践均已证明，信号各星座间的距离愈大，信号的抗噪声（干扰）的性能就愈强。 MASK信号的矢量端点是在一条轴线上分布； MPSK信号的矢量端点是在一个同心圆上分布； MQAM信号的矢量端点是在互为正交的两条轴线上分布； 随着M值的增大，这些矢量端点间的最小距离均在减小。这一矛盾在APK信号中能得到较好的解决。 P236九、残留边带调制VSB及多电平MVSB 是一种介于双边带调制与单边带调制间的调制方式，从信号的频谱结构上来看，它占有已调信号

21、的全部上边带及部分下边带。 P236 2.残留边带信号一般用滤波法，残留边带信号的频谱表达式为 时域表达式为 残留边带信号的产生的组成框图 P237001( )( )()()2vsbvsbsHFF0( ) ( )cos*( )( )*( )vsbvsbdsbvsbstf tthtStht 3.残留边带信号解调一般用同步检波法，其数学表达式为 残留边带信号的同步解调框图P237 4.多电平残留边带调幅 需要将数字信号经过D/A转换，将其转换成M中电平的模拟信号，再用这些符号去对一个高频载波作残留边带调幅。0000( )( )*cos( )*( )*cos ( )cos*( )*cospvsbds

22、bvsbvsbstSttSthttf tthtt十、正交频分复用OFDM调制 这种调制方式最大优点是抗多径传输效应好，抗同频干扰能力强，特别适合地面数字电视信号的传输。 通常数字视频信号的码率十很高的，在作地面开路电视信号传送时，高速数据易受多径干扰等影响而发生严重的码间干扰，而使接收后的误码率增高。 多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。他认为声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车，当火车接近观察者时，其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。 所谓多普勒效应就是当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。 一般来说, 多路信号到达接收机的时间有先有后