高频电路基础第8章数字调制与解调

1、第 8 章数字调制与解调2022-3-16高频电路基础2数字通信中的调制与解调简介l调制信号是包含1、0序列的数字电平信号，称为基带信号l载波的三个参量（幅度、频率、相位）随数字基带信号变化，分别称为l幅移键控（Amplitude Shift Keying，简称ASK）l频移键控（Frequency Shift Keying，简称FSK ）l相移键控（Phase Shift Keying，简称PSK ）2022-3-16高频电路基础3基带信号l二元信号二进制数字 0 和 1 各取一个离散电平，构成二元信号波形，与普通数字电路的波形类似l多元信号将基带信号流中连续的 n 个二进制数字构成一个符号

2、，不同的符号取不同的离散电平，构成多元信号流波形，其中有 2n 个电平值2022-3-16高频电路基础4二进制数字调制OOK ( On-Off Keying）最基本的ASK调制信号基带信号是二元信号码流，已调波幅度在满幅度和零之间变化。载波幅度为满幅度(On)对应数字1；载波幅度为零(Off)对应数字010011t基带信号已调波信号2022-3-16高频电路基础5OOK信号的调制方法载波基带信号vASK载波发生器开关基带信号vASK用二极管作开关的电路例子2022-3-16高频电路基础6OOK信号的解调方法l 同步解调（相干解调）：用乘法器实现l 包络解调（非相干解调）：取样判决器带通滤波器低

3、通滤波器参考信号vASK取样判决器带通滤波器低通滤波器vASK包络检波器2022-3-16高频电路基础7频移键控 FSK基带信号是二元信号码流，已调波的频率有两个：对应数字1，频率为f1，对应数字0，频率为f2基带信号已调波信号(相位连续)10011tt已调波信号(相位不连续)2022-3-16高频电路基础8FSK信号的调制方法l 直接调频：压控振荡器vFSK基带信号特点： 相位连续 频率稳定度不高2022-3-16高频电路基础9 频率键控：振荡器1信号选择器振荡器2vFSK基带信号振荡器可变分频器基带信号vFSK2022-3-16高频电路基础10FSK信号的解调方法l 同步解调（相干解调）：

4、用乘法器实现比较判决器f1带通滤波器低通滤波器f1参考信号f2带通滤波器低通滤波器f2参考信号vFSK2022-3-16高频电路基础11 包络解调（非相干解调）：比较判决器f1带通滤波器包络检波器f2带通滤波器vFSK包络检波器2022-3-16高频电路基础12OOK和FSK射频模块举例lFSK/ASK 两种调制方式l工作电压：2.2V 到 5.4Vl输出功率：433MHz 频段 8dBm 868/915MHz 频段 6dBml接收灵敏度：-109dBml射频输出功率可软件控制 l静态功耗电流：0.3A l传输速率：OOK 模式 256Kbps FSK 模式 115.2Kbpsl内部集成了所有

5、的RF功能模块电路，外围只须一个MCU、一个晶振、一个旁路电容和一个外置天线2022-3-16高频电路基础13ASK射频模块举例锁相环倍频电路（32）高频功率放大器天线自动调谐电路基带信号输入环形天线5V电源与偏置晶体振荡电路输出功率控制休眠模式控制MICRF102 ，ASK发射电路载波频率300470MHz，最大输出功率2.5dBm，最大基带数据率20kb/s2022-3-16高频电路基础14中频放大带通滤波峰值检波比较判决低通滤波晶体振荡器可编程的频率合成器AGC编程控制逻辑输出控制输入端5V射频放大MICRF001， ASK接收电路接收频率300440MHz，接收灵敏度95dBm，最大基

6、带数据率4.8kbps2022-3-16高频电路基础15二进制相移键控 2PSK基带信号是二元信号码流，已调波相位随基带信号而变化。对应数字1，已调波相位与参考相位同相，对应数字0，已调波相位与参考相位反相10011t基带信号已调波信号相位参考信号2022-3-16高频电路基础16二进制差分相移键控 2DPSK由于一般情况下接收端难以获得参考相位，所以常常将基带信号作一个变换：原始数据流中出现数字1，则变换后的数据发生变化（0变1，或1变0）；原始数据流中出现数字0，则变换后的数据不变。这样变换后的码流称为相对码，这种调制方式称为2DPSK10011基带信号(绝对码)已调波信号基带信号(相对码

7、)2022-3-16高频电路基础17绝对码-相对码转换电路绝对码相对码时钟001011D=1DAB绝对码时钟相对码AB2022-3-16高频电路基础18相对码-绝对码转换电路相对码绝对码时钟001011D=1DAB绝对码时钟相对码AB2022-3-16高频电路基础19绝对码-相对码变换振荡器cosCAt基带信号2DPSK单-双极性变换0,1-1,1 直接调相方式（乘法器实现）其中乘法器可用二极管环型调制电路载波双极性基带信号二进制差分相移键控的调制2022-3-16高频电路基础20绝对码-相对码变换振荡器移相切换开关cosCAtcos()CAt基带信号2DPSK 相位选择方式（开关切换）202

8、2-3-16高频电路基础21l极性比较法解调（相干解调）二进制差分相移键控的解调取样判决器带通滤波器低通滤波器参考信号vDPSK相对码-绝对码变换l相位比较法解调（非相干解调）取样判决器带通滤波器低通滤波器vDPSK延时2022-3-16高频电路基础22二进制数字调制系统的性能l误码率 其中调制方式解调方式相干解调非相干解调ASKFSKPSK1erfc/42r1erfc2r1erfc/22r1exp/42r1exp/22r1exp2r 22erfcexp()xxydy，r是信噪比2022-3-16高频电路基础23-1001020107106105104103101100102信噪比(dB)信噪

9、比(dB)误误码码率率ASK 相干解调ASK 非相干解调FSK 相干解调FSK 非相干解调PSK 相干解调PSK 非相干解调2022-3-16高频电路基础24l频带宽度2BWT设传输的码元宽度为 T，则二进制数字调制后的信号带宽为：ASK 和 PSK：FSK：122BWffT2022-3-16高频电路基础25多进制数字调制l多进制数字调制的目的提高频带利用率，提高传输可靠性l多进制基带信号将串行的基带数字信号分组，每组包含2n个二进制数，称为一个符号2022-3-16高频电路基础26l4PSK （四进制相移键控）基带信号是4元信号码流，对应符号00、01、10、11，载波的相位分别为225、1

10、35、315、45度11100100cosCtsinCt2022-3-16高频电路基础274PSK 的信号波形31545225451352254510111100110100参考相位4PSK 波形相移(度）符号2022-3-16高频电路基础284PSK 调制电路单-双极性变换单-双极性变换串-并变换2基带信号1010-11cosCtsinCt载波4PSKI 序列Q 序列（4DPSK需要先对基带信号进行绝对码-相对码变换）2022-3-16高频电路基础294PSK 解调电路BPF并-串变换1001cosCtsinCt同步参考信号4PSK2LPFLPF抽样判决抽样判决（4DPSK需要在最后对基带信

11、号进行相对码-绝对码变换）2022-3-16高频电路基础30载波恢复l相干解调的关键是恢复载波。l若发送的信号中已经有载波分量，在接收端只要直接用锁相环提取（载波跟踪）即可。l若发送的信号中没有载波分量，则要从抑制载波的已调波中恢复参考载波信号，此时的载波提取电路一般包含两部分：一、非线性运算产生载频，二、锁相环的跟踪提取载频。l很多情况下，载波恢复与解调同时完成。2022-3-16高频电路基础31平方环2PSK信号为( )( )cos()cv ta tt其中a(t) = +1 or -1，平方后为121( )1cos(22 )2cv tt由带通滤波作为粗滤，然后锁相环跟踪，可以得到载波的2倍

12、频信号，最后分频就得到恢复的载波2022-3-16高频电路基础32对于4PSK信号( )( )cos()( )sin()ccv ta ttb tt其中a(t) = +1 or -1， b(t) = +1 or -141( )12sin(2)1cos(4)2ccv tabtt 可以对信号进行4次方。4次方后，a、b将都被转变为+1：由带通滤波器滤出4倍频成分，然后锁相环跟踪，可以得到载波的4倍频信号一般来说，mPSK信号进行m次方后都可以得到m倍载频信号2022-3-16高频电路基础33COSTAS环112232( )( )cos()( )cos()( )sin()cococv ta ttv t

13、Vtv tVt假设锁相环锁定，则有2022-3-16高频电路基础3441212low freq51312low freq1( ) ( )( )( )cos()21( ) ( )( )( )sin()2oov tv tv ta t Vv tv tv ta t V22645122121( )( )( )( )sin2()81sin2()8oov tv tv ta t VV此信号与调制无关，锁相环锁定在载波上4121( )( )cos()( )2ov ta t Vk a t解调信号2022-3-16高频电路基础35位同步信号提取l位同步信号用于解调后的抽样判决l现代数字通信中几乎都不单独发送位同步信

14、号，而是通过一定的编码方法将位同步信号隐含在发送的信号流中l包含位同步信号的编码方式有多种l接收端用锁相环提取位同步信号2022-3-16高频电路基础36常见的编码举例2022-3-16高频电路基础37位同步信号提取电路结构 边缘检测与变换，将包含同步信息的信号边缘变换为脉冲 锁相环根据这些脉冲，恢复出同步信号 由于这些脉冲是不均匀的，一般要在锁相环前面加一定的同步措施，保证锁相环的工作过程不受影响 由于恢复出的信号一般都是原同步信号的2倍频，在二分频时要校正其相位2022-3-16高频电路基础38一个实际的位同步信号提取电路例子2022-3-16高频电路基础39一个实际的位同步信号提取电路例

15、子实测波形2022-3-16高频电路基础40其他形式的数字调制方式简介l最小偏移键控(MSK) 和高斯最小偏移键控(GMSK)无论是2PSK、2DPSK，或者4PSK、4DPSK，都有一个缺点：相位不连续，造成已调信号的频谱展宽或者发生频谱再生，导致频带利用率低下MSK (Minimum Shift Keying) 可以看作相位调制，也可以看作频率调制。其最大特点就是保证已调波的相位连续，可以有效地克服PSK的上述缺陷。GMSK则通过对基带信号用高斯滤波器进行滤波，进一步提高了MSK的带外衰减，已经应用在GSM移动通信上2022-3-16高频电路基础41若将MSK看作一种二进制频移键控，基带码

16、元的宽度为T，则MSK信号的两个频率分别为1211,44ccffffTT中心频率为1(),(0,1,2,3)4cmfNNmT为正整数，当取N=1，m=0时， 。1235,44ffTT12,22 TTf1f2假定载波的初始相位均为0，在一个码元结束时，它们的相位分别为 2022-3-16高频电路基础42由于要求已调信号的相位连续，所以MSK信号的前后码元之间存在一个相位约束：当前后码元相同（都为1或都为0）时，不改变载波相位；当前后码元不同时，载波相位要根据前一个码元结束时的相位确定是否改变 。MSK调制的已调波波形111000f1f22022-3-16高频电路基础43lQAM（正交幅度调制）c

17、osCtsinCt13-1-313-1-316QAM的星座图基带信号是多元信号码流，将每个符号分为两组，分别对一对同频正交信号进行多元幅度调制，最后将两个调幅信号叠加常见有 16QAM、64QAM 、128QAM等每个符号在载频的相位空间中形成一个特定的位置，称为“星座图”2022-3-16高频电路基础44电平变换电平变换串-并变换2基带信号离散电平cosCtsinCt载波QAM离散电平QAM调制器结构2022-3-16高频电路基础45BPF并-串变换cosCtsinCt同步参考信号QAM2LPFLPF多电平抽样判决多电平抽样判决nnQAM解调器结构2022-3-16高频电路基础46l正交频分复用(OFDM)前面讨论的数字调制都属于串行传输体系。对应的还有并行传输体系，它将高速率的串行数据流经过串-并变换，分割为若干路低速率的数据流，然后将每路低速率数据