通信电路 沈伟慈 第9章

1、第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.1 概概 述述 9.2 数字振幅调制与解调电路数字振幅调制与解调电路9.3 数字相位调制与解调电路数字相位调制与解调电路9.4 数字频率调制与解调电路数字频率调制与解调电路9.5 集成电路实例介绍集成电路实例介绍9.6 章末小结章末小结习习 题题第第9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.1 概概 述述 采用数字信号对载波进行调制， 称为数字调制。 数字调制信号可以是二进制的， 也可以是多进制的。 本书仅讨论二进制数字信号的调制与解调。 载波一般仍采用正弦波信号。第第9 9章

2、章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 与模拟调制相同， 数字调制仍然是用数字调制信号（或称为数字基带信号）去分别控制正弦载波的振幅、 频率或相位三个参量。 但是， 由于数字信号仅有高、 低电平两个离散状态， 因此可以用正弦载波的某些离散状态来表示相应的数字信息“1”或“0”， 例如载波的有或无， 两种载波频率的跳变或载波两种相位的跳变等等。 数字调制的三种基本类型仍然是振幅调制、 频率调制和相位调制， 而每种基本类型又包括多种实现方式。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 因为数字基带信号是编码后产生的二进制随机矩形信号， 且往往具有直流和丰富的低频分量， 所以分析它的频谱

3、应该采用功率频谱， 这一点是和模拟调制与解调时不一样的。 另外， 数字振幅调制与解调、 数字相位调制和解调以及相位不连续数字频率调制与解调等几种方式属于线性频率变换（或称为线性调制与解调）， 相位连续数字频率调制与解调等方式属于非线性频率变换（或称为非线性调制与解调）， 这一点也和模拟调制/解调有些差别。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 数字调制和解调涉及到的基本电路有放大器、 滤波器、 乘法器、 振荡器、 平衡调制器、 检波器、 限幅器、 90相移器、 加法器、 载波提取电路、 同步信号提取电路、 微分或积分电路、 取样判决电路和延时电路等等。 这些电路中大部分是模拟电

4、路， 且在本书前几章已经介绍过了； 少部分是数字电路， 在“数字电路”课程中也已经学习过了。 所以， 本章主要以方框图的形式对有关数字调制和解调电路进行讨论， 一般不再涉及内部的具体电路。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 数字调制技术的优点在于抗干扰和噪声的能力强， 可以同时传输各种不同速率或带宽的信号（例如声音、 图像和数据信号等等）， 易于采用加密的方式传送信息。 但是， 由于数字基带信号的频谱较宽， 因此如何充分有效地利用有限的频带是数字调制中重要的研究课题， 这也是许多种调制方式产生的原因。 限于篇幅， 本章仅介绍了其中一些典型的调制和解调方式。第第9 9章章 数字

5、调制与解调电路数字调制与解调电路 9.2 数字振幅调制与解调电路数字振幅调制与解调电路 1. ASK信号的表达式、信号的表达式、 波形、波形、 功率频谱和带宽功率频谱和带宽 设载波信号为uc（t）=cosct （此为振幅归一化信号， 以后各信号类似）， c=2fc， 数字基带信号为单极性随机矩形脉冲序列 ， 则ASK信号可写成( )()nsns ta g tnT( )()cosAKnscnuta g tnTt（9.2.1） 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 其中， g（t）是码元宽度为Ts， 高度为1的非归零码矩形脉冲， an为二进制随机变量， 且有 0 出现概率为P an

6、= 1 出现概率为1-P 根据随机信号分析的知识， s（t）的功率频谱密度表达式为 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.2.1 ASK信号波形 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 根据随机信号分析的知识， s（t）的功率频谱密度表达式为 （9.2.2） 其中， fs=1/Ts=s/2， 门函数g（t）的频谱即其傅氏变换为2222( )(1)( )(1)(0)( )sssP ff PP G ffPGfsin( )()sssfTG fTfT第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 可见， Ps（f）中前一项含有直流分量和连续交流分量， 后一项是

7、离散直流分量。 ASK信号uAK（t）的双边功率频谱密度表达式为222221( )(1)()41(1)(0)()()4AKsccsccPff PPG ffG fffPGffff (9.2.3) 图9.2.2和图9.2.3分别给出了s（t）和uAK（t）的功率频谱。 因为对称， 故只画出了uAK（t）的单边功率频谱。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.2.2 s（t）功率频谱第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.2.3 ASK信号单边功率频谱第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由图9.2.2和图9.2.3可以看出， 振幅键控是将数字

8、基带信号的功率频谱从位于直流附近的较低频段线性搬移到了位于载频附近的较高频率段，且振幅键控信号包含了离散的载频分量。 这些与模拟普通调幅的原理是一致的。根据数字基带信号和振幅键控信号功率频谱的特点， 通常将它们的带宽以功率频谱的主瓣宽度来定义，C称为“谱零点带宽”， 因为功率频谱主瓣里包含了大部分信号功率。 由图9.2.2和图9.2.3可见， 振幅键控信号的带宽为2fs， 是数字基带信号带宽的两倍。 这一点也与模拟普通调幅相同。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 2.振幅键控信号的产生和解调 常用的ASK调制方法有两种：相乘法和通断键控法（OnOff Keying， 简称OO

9、K）， 如图9.2.4所示。 前一种方法的原理和模拟振幅调制的相乘法原理相同。 后一种方法的原理从ASK信号的时域波形可以很容易理解， 即s（t）=1时控制开关闭合， 输出载波信号； s（t）=0时控制开关断开， 输出信号为0。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.2.4 ASK调制方式 （a） 相乘法； （b）通断键控法第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 ASK解调通常也有两种方法： 包络检波与同步检波， 与模拟普通调幅波的解调基本相同。 但是， 由于数字振幅解调时从低通滤波器取出的仅仅是数字基带信号中的低频分量， 其波形还不是矩形脉冲序列， 因此还必

10、须在每个码元的中间位置进行取样判决， 才能恢复出发送端的数字基带信号。 ASK的主要优点是实现简单， 缺点是频带利用率和功率利用率不高。 采用类似于模拟振幅调制的单边带方式和残留边带方式虽然可以有所改善， 但后来逐渐被正交双边带调制方式代替了。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.3 数字相位调制与解调电路数字相位调制与解调电路 9.3.1 相移键控相移键控 1. PSK信号的表达式、信号的表达式、 波形、波形、 功率频谱和带宽功率频谱和带宽 设载波为uc（t）=cosct， 数字基带信号仍为 ， 则相移键控（Phase Shift Keying， 简称PSK）信号为( )

11、()nsns ta g tnT( )() cosPKnscnutb g tnTt(9.3.1) 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.3.1给出了s（t）、 uc（t）和uPK（t）的波形图。其中 bn= -1 当an=0时， 出现概率为P 1 当an=1时， 出现概率为1-P （9.3.2） 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.3.1 PSK和DPSK信号波形第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 uPK(t)的双边功率频谱密度表达式为22222( )(1)()()1(12 )(0)()()4PKsccsccPff PPG ffG

12、fffPGffff 从式（9.3.1）和图9.3.1可以看出， PSK波形在s（t）中码元“1”和“0”起始时刻的初相位分别是0和， 所以在每两个码元的交替时刻可能存在着相位突变， 这与Ts和Tc（Tc=1/fc）之间的大小有关。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 比较式（9.3.3）和式（9.2.3）， 可见PSK和ASK的功率频谱几乎相同， 也是一种线性频谱搬移。 除了各频率分量的大小略有不同外， 最大的区别在于当P=0.5， 即s（t）中“1”码与“0”码的概率相同时， PSK的功率频谱中无载频分量， 此时的PSK相当于抑制载波的双边带调制， 功率利用率较高。 PSK的

13、带宽也是以“谱零点带宽”来定义的， 它的带宽也是2fs。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 2. PSK信号的产生和解调信号的产生和解调 PSK信号的产生有调相法和相位选择法两种， 如图9.3.2所示。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.3.2 PSK调制方式 （a）调相法； （b）相位选择法第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 ()nsnb g tnT调相法是采用二极管平衡调制器或乘法器进行调制的方法，其原理和模拟普通调幅的原理相似， 不过先需要将单极性信号s（t）变换成双极性信号 。 其中bn满足式（9.3.2）。 从式（9.3.1

14、）可以看出， PSK信号是双极性信号作用下的调幅信号。相位选择法是用s（t）控制两个门电路， 分别选择让不同初相位的载波输出， 然后用加法器将它们组合后形成PSK信号。 s（t）=0时， 门1导通， 门2关闭； s（t）=1时， 门1关闭，门2导通。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由于PSK信号中可能不存在载波信号， 因此通常情况下将其视为抑制载波的双边带信号， 因而只能采用同步检波的方法， 如图9.3.3所示。 与ASK信号的解调相同， PSK信号的解调仍然必须采用取样判决电路。 PSK的最大缺点是容易因“相位模糊”而产生解调出错。 在PSK信号解调时， 最关键的一点在

15、于载波提取。 采用8.4.3节介绍的平方环电路可以从PSK信号中提取载波， 但这种方法可能产生载波的“相位模糊”。 如果载波的初相位发生180的错误， 则取样判决后的码元信息将完全相反。 所以PSK很少应用。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.3.3 PSK信号同步检波第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 ( )()cnsns tc g tnT( )()dnsnstd g tnT9.3.2 差分相移键控差分相移键控 差分相移键控（Differential Phase Shift Keying，简称DPSK）克服了“相位模糊”带来的的缺点， 具有广泛的应用

16、场合。 DPSK信号与PSK信号的区别仅仅是， 在调制前先要将数字基带信号s（t）通过差分编码电路转变为单极性差分码基带信号 ， 再将sc（t）转变为双极性差分码基带信号sd(t)， ，也就是说， 将单极性绝对码序列an转变成双极性差分码序列dn。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 其中d n= -1 当cn=0时 1 当cn=1时 且有 cn=an cn-1 (9.3.4) DPSK信号波形如图9.3.1所示。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由图可见，DPSK信号波形与PSK信号波形不同， 它不是以每一码元起始时刻的相位是“0”或是“”来表示其信息是

17、“1”或是“0”， 而是以每一码元起始时刻相位是否有180跳变来表示其信息（有跳变是“1”， 无跳变是“0”）。 所以， DSPK信号解调时不需要某一个固定的载波相位初始值。 只要相邻码元的载波相位关系不发生错误， 即使接收端提取的载波与发送端载波有180的初始相位误差， 也能进行正确解调。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 设差分译码电路输出yn与输入xn的关系式为 yn=xn xn-1 （9.3.5） 若接收端产生的载波初相位正确， 则解调后能得到单极性差分码序列cn， 即xn=cn， 代入式（9.3.5）和（9.3.4）， 可求得 yn=cn cn-1=an cn-1

18、cn-1=an 0=an 若接收端产生的载波初相位与发送端反相， 即xn=cn ， 则有 yn=cn cn-1 =cn cn-1=an第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 所以， 无论是否出现载波的“相位模糊”， 接收端经过差分译码后都能恢复原始基带信号序列an。 如果将sd （t）代替s（t）作为数字基带信号， 则DPSK信号的功率频谱、 带宽与PSK相同。 DPSK信号解调方法主要有以下两种。 （1） 先采用PSK信号解调方式对DPSK信号进行解调， 得到sc（t）， 然后再经过差分译码电路输出原始基带信号s（t）。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9

19、.3.4 DPSK信号的一种解调方法： 相位比较法第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 （2） 将DPSK信号延迟一个码元间隔Ts，然后比较两个相邻码元的载波相位差而得到s（t）， 如图9.3.4所示。 若相邻码元的载波相位差为0（即无跳变）， 则相乘后有cosctcosct=（1+cos2ct）/2， 经低通滤波器后输出正的直流分量； 若相邻码元的载波相位差为（即有跳变）， 则相乘后有cosctcos(ct+)=-（1+cos2ct）/2， 经低通滤波器后输出负的直流分量。 然后经取样判决后得出正电压为“0”， 负电压为“1”。 显然，这就是原始数字基带信号s（t）的码元，

20、不需要再进行差分译码了。 但是， 这种方法的困难在于如何精确地将接收信号延迟Ts时间。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 【例9.1】 已知数字基带信号序列s(t)=1 1 0 1 0 0 1 0 1， Ts=10 s， 载波频率fc=200 kHz， 画出对应的uPK(t)和uDPK（t）波形。 若接收端提取的载波产生了180相移， PSK信号和DPSK信号解调后的数字基带信号序列有什么不同？画出有关波形。解：解： 图9.3.5中（a）、（b）分别是发送端载波和s（t），（c）、（e）分别是对应的PSK信号和DPSK信号波形图， （f）是与发送端载波反相的载波波形图，（g）

21、、（h）和（j）分别是PSK信号与反相后的载波相乘、 低通滤波和取样判决后恢复的基带信号波形图，（k）、（l）、 （m）和（n）分别是DPSK信号与反相后的载波相乘、 低通滤波、 取样判决和差分译码后恢复的基带信号波形图。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.3.5例9.1图第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 数字频率调制的基本方式是频移键控（Frequency Shift Keying,简称FSK ）， 其中又分成相位不连续频移键控（Discrete Phase FSK， 简称DPFSK）和相位连续频移键控（Continuous Phase FSK，

22、简称CPFSK）两种。 在CPFSK的基础上， 又产生了多种新的调制方式， 如MSK、 GMSK等。 除了DPFSK属于线性调制外， CPFSK、 MSK和GMSK等均属于非线性调制。9.4 数字频率调制与解调电路数字频率调制与解调电路第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.4.1 相位不连续频移键控相位不连续频移键控 1. DPFSK信号的表达式、信号的表达式、 波形、波形、 功率频谱和带宽功率频谱和带宽 设两个正弦信号分别为u1(t)=cos1t和u2(t)=cos2t， 数字基带信号为 ， 则DPFSK信号为( )()nsns ta g tnT12( )() cos()

23、() cos()DFKnsnnsnnnuta g tnTta g tnTt (9.4.1) 其中， an的定义与式（9.2.1）相同， 且an 是an的反码， n、 n分别是第n个码元期间对应的两个正弦信号的初相位。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 可见， DPFSK信号是用两个不同角频率1、 2（或不同频率f1、 f2）的正弦波来分别传送相应的两个不同信息“0”和“1”， 两个不同正弦波的振荡波形衔接时， 它们的相位一般是不连续的， 即n与n没有关联， n为不同值时n（或n）相互之间也无关联， 如图9.4.1所示。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图

24、9.4.1 DPFSK信号波形 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 根据式（9.4.1）， DPFSK信号可以看成是两个ASK信号的叠加， 其功率频谱密度表达式为2211222222211222221(1)()()41(1)()()41(1)(0)()()41(0)()()4DFKssssPf PPG ffG fff PPG ffG fff PPGfffff P Gffff (9.4.2) 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.2分别给出了h为不同值时DPFSK信号的单边功率频谱。 设f2f1。 定义频移键控指数为 21sffhf （9.4.3） 第

25、第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.2 DPFSK信号单边功率频谱第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由式（9.4.2）和图9.4.2可以看出， DPFSK信号功率频谱具有以下几个特点。 （1） DPFSK信号功率频谱由两个双边带连续频谱和离散频谱组成， 离散频谱的位置处于f1、 f2处， 可以看成是两个ASK信号功率频谱的叠加。 （2） 若h值逐渐减小， 即两个正弦波频率f1、 f2的差值逐渐减小， 则组成DPFSK信号的两个双边带频谱将逐渐靠拢叠加。 参照ASK信号带宽的定义， 可以得出DPFSK信号的带宽BW=|f2-f1|+2fs， 比ASK

26、、 PSK和DPSK信号的带宽要宽一些。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.3 DPFSK信号调制方法第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 2. DPFSK信号的产生和解调信号的产生和解调 DPFSK信号的产生通常采用频率键控法， 其原理方框图见图9.4.3。 频率键控法是用s（t）控制开关电路分别接通两个正弦波振荡器的输出， 将它们相加后得到uDFK（t）。一方面， DPFSK信号可看成是两个ASK信号的叠加， 所以可采用ASK信号的解调方式（如包络检波和同步检波）进行解调， 不过需要先用两个带通滤波器分别取出两个正弦信号， 然后分别进行检波后再

27、作取样判决， 从而恢复出原数字基带信号。 另一方面， 作为频率调制的DPFSK信号也可以采用模拟鉴频法等频率解调的方法。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 采用第一种解调方式时， 为了便于用滤波器分离出两个正弦信号， DPFSK信号的两个频率f1和f2之间的频差应该足够大， 使其两部分频谱的叠加部分足够少。 如果采用两个带通滤波器进行分路的解调方法， 通常取|f2-f1|=4fs， 因此相应带宽BW=6fs， 是ASK信号带宽的3倍。 DPFSK信号解调方法的原理方框图如图9.4.4所示。 由于DPFSK信号在不同码元交替时刻相位不连续， 将造成相位突变， 导致较强的高频谐波

28、分量产生， 形成较明显的杂波干扰。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.4 DPFSK信号解调方法 (a) 包络检波; (b) 同步检波; (c) 锁相鉴频 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 （9.4.4）uCFKn（t）=cos(c+)t+n nTst(n+1)Ts; n=0，1，29.4.2 相位连续频移键控相位连续频移键控CPFSK 1. CPFSK信号的表达式、波形、功率频谱和带宽信号的表达式、波形、功率频谱和带宽 CPFSK信号仍然可以用式（9.4.1）表示，不同之处在于，n与n不仅与其序号有关，而且相互之间应有一定关系，保证在相邻码元

29、交替时刻，前后两个正弦波的相位相同，从而实现相位连续。根据相位连续的特点，CPFSK信号在第n个码元期间的表达式可以写成第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 当bn=1时， 当bn=-1时， 2122scschh(9.4.5) 其中， =bn(2-1)/2， bn的定义同式（9.3.2）， 表明是双极性数字基带信号。 c=2fc=（1+2）/2， 1=2f1和2=2f2分别是两个正弦信号角频率， 且有21。 n是第n个码元期间CPFSK信号表达式的相位常数。 根据式（9.4.3）可得到第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由于在t=nTs时刻相位连续， 故相邻两

30、个码元期间信号的相位在t=nTs时相等， 满足1111()()22()nsnsscncnnnnnbhb hnTnTnhbb所以 当bn=bn-1时， n=n-1当bnbn-1时， n=n-12nh (9.4.6) 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 CPFSK信号也可以表示为一个瞬时频率受双极性数字基带信号 控制的调频信号, 即( )()bnsns tb g tnT0( )cos( )tCFKcfbuttksd（9.4.7） CPFSK信号波形如图9.4.5所示。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.5 CPFSK信号波形第第9 9章章 数字调制与

31、解调电路数字调制与解调电路 由式（9.4.7）可知， CPFSK类似于模拟调频， 是非线性调制。 CPFSK信号的功率频谱分析很复杂， 图9.4.6给出了在频移键控指数h取不同值时相对应的单边功率频谱。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.6 CPFSK信号单边功率频谱第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由图9.4.6可以看出， CPFSK信号功率频谱具有以下几个特点。 （1） 功率频谱由对称于fc的连续频谱组成。 （2） 若h值逐渐减小，即两个正弦波频率的差值逐渐减小，则功率频谱将逐渐向fc收缩，其大致形状从双主峰变成马鞍形，再变成单主峰； 若h值

32、逐渐增大，则功率频谱将逐渐扩展，并向f1、f2两个频率点集中；当h值较大时，将与DPFSK信号功率频谱特性基本相似。CPFSK信号的带宽在h值较大时（h2），约为|f2-f1|+2fs=（h+2)fs；在h值较小时，约为2fs左右；在h=0.60.7时，约为1.5fs。所以，CPFSK信号的带宽可以比DPFSK信号的带宽窄。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 2. CPFSK信号的产生和解调信号的产生和解调 由式（9.4.7）可知， CPFSK信号的产生和解调可以采用第7章介绍的模拟FM信号调频和鉴频的方法。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 ( )cos

33、()(1) ;0,1,2,4nsMKncnssbuttnTtnT n 9.4.3 最小频移键控最小频移键控 1. MSK信号的表达式、信号的表达式、 波形、波形、 功率频谱和带宽功率频谱和带宽 （Minimum frequency Shift Keying，简称MSK）是CPFSK在h=0.5时的一种特殊形式。 参照式（9.4.4）、 （9.4.5）和（9.4.6）， MSK信号在第n个码元期间的表达式为 （9.4.8） 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 当bn bn-1时， 当bn=1时， 2=c+ 当bn=-1时， 1=c -当 bn=bn-1时， n=n-1 4s4s

34、n=n-1 n为偶数 n=n-1(模为2） n为奇数 （9.4.9） 若设0=0， 则n只有0和两个值（模为2）。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 222cos 2 ()/16( )14()/csMKscsfffPfffff（9.4.10） 分析表明，当h=0.5，1，1.5等值时（h值越小， 表示频差2-1越小）， 组成CPFSK信号两个角频率为1和2的正弦分量之间的相关系数为零， 即这两个分量正交。 所以， MSK是一种两个组成信号分量满足正交条件， 且频差最小的CPFSK， 故而得名。MSK信号功率频谱如图9.4.7所示。 MSK信号的功率频谱密度表达式为 第第9

35、9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由图9.4.7可见， MSK信号的主要能量位于较宽的主瓣内，主瓣宽度为1.5fs， 中心频率位于fc处， 但离散频率分量fc不存在， 这从式（9.4.10）中可以明显看出。在主瓣以外， 副瓣下降得很快。 经计算，包含99%功率的带宽为1.17fs， -3 d B带宽为0.59fs。 因为MSK信号带宽很窄， 在相同的频带内可以比一般FSK信号传输更高速率的码元， 所以又称为快速频移键控FFSK。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.7 MSK信号功率频谱第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 ( )cosco

36、scos ( )sinsin ( )4nsMKncnccbuttttttt因为n=0或， 故sinn=0。 因为bn=1， 故coscos,sinsin4444cos ( )cos()coscos44sin ( )sin()sincos44nssnssnnssnnnssnnnbbtttbtbtttbttbt 2. MSK信号的产生和解调信号的产生和解调 将式（9.4.8）展开， 有所以第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 最后可得 ( )coscoscossinsin44coscossinsin( )( )44cos,cosssMKnncnncssncncIQnnnnnuttt

37、bttIttQttu tutIQb （9.4.11） 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 cos4stsin4stMSK信号参数有以下几个特点： （1） 从式（9.4.11）可知， MSK信号由两个相互正交的载波分量（同相分量uI （t）和正交分量uQ（t）组成。 由于I n和Qn的取值均为1， 和 是频率相同而相位差为/2的正弦信号， 因此每一个载波分量又可以分别看成是一个双边带调幅信号。 两个双边带调幅信号的边频均为固定的f1=fc-fs/4和f2=fc+fs/4两个值， 但其幅度的两个取值1和-1受数字基带信号bn的控制。 载频fc已被抑制。第第9 9章章 数字调制与解

38、调电路数字调制与解调电路 综上所述， MSK可以看成是一种特殊的正交振幅调制。 由于在一路信号带宽内可以实现两路相互正交信号的同时传输， 因此使频带利用率提高了一倍。 这是正交调幅的优点。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 （2） 因为bn=1， 所以在一个码元期间内， 附加相移 是随时间线性增长的， 其增量为( )4nsnbtt42ssT (9.4.12)当bn=1时，=/2； 当bn=-1时， =-/2。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 （3） 从式（9.4.9）和（9.4.11）可以看出， 仅当n为奇数， 且bnbn-1时， nn-1， 才有I

39、nI n-1， 即I n才有可能发生变化， 所以I n的变化周期是2Ts或2Ts的整数倍， 且变化时刻t=（2m-1）Ts， m=1， 2， 3，； 仅当n为偶数， 且bnbn-1时， n=n-1， 才有QnQn-1， 即Qn才有可能发生变化， 所以Qn的变化周期也是2Ts或2Ts的整数倍， 且变化时刻t=2mTs， m=1， 2， 3， 。 不过， I n与Qn是否变化， 还取决于bn和n的值。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 根据以上分析， 图9.4.8给出了MSK调制电路的方框图。 其中串/并变换电路是根据bn和n的值， 在n为奇数和偶数时分别产生In和Qn， 然后分

40、别传达到两条支路上。 n为偶数时， In保持不变； n为奇数时， Qn保持不变。同相支路和正交支路上的In、 Qn分别进行两次相乘， 然后将得到的同相信号和正交信号相加就是MSK信号了。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.8 MSK调制电路原理图第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 可以将MSK信号看成是调频信号而采用模拟鉴频电路进行解调， 也可以将其看成是两个相互正交的双边带调幅信号的叠加而采用同步检波方式进行乘积解调。 由于MSK信号中无载波分量， 因此同步解调需要先采用平方环或科斯塔斯环等方法从输入MSK信号中提取载波分量cosct， 然后将输

41、入MSK信号中两个相互正交的分量看成是两个双边带调幅信号， 分别进行同步检波、 取样判决取出I n和Qn， 然后经并/串变换电路恢复原数字信号序列bn。 同步解调方框图见图9.4.9。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.9 MSK信号的同步解调 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 cos,sin,cos,sin,coscos,sinsin,( )444444ssssssnnncncMKttttttIQIt Qt ut【例9.2】 已知输入双极性数字基带信号序列bn=1 -1 1 1 1 -1 -1 1 -1 1， n=0， 1， ， 且0=0。

42、将bn先经过差分编码电路转换为双极性信号序列d n， 然后再送入图9.4.8所示MSK调制器中进行调制。 求对应的信号序列d n、 I n和Qn， 相位序列n， MSK信号频率序列fn， 画出附加相位变化轨迹（t）。 若Ts=62.5 s， fc=20 kHz， 画出下列有关波形：第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 解：解： 根据差分编码公式d n=bn d n-1可以求得d n。 根据式（9.4.9）可以求得n和fn。 根据本小节对式（9.4.9）和（9.4.11）的分析可以求得In和Qn。 根据式（9.4.12）可以求出每个码元期间附加相移增量， 并由此画出（t）。 注意

43、在以上求解过程中（除了求d n外）应该将有关公式和分析结果中的bn改成d n， 因为输入数据已从bn转变为d n了。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 输出MSK信号uMK（t）的波形类似一个相位连续的FSK信号， 它的两个频率分别是f1和f2，即为1216,1644ssccffffkHz ffkHz 求解结果如表例9.4.1所示。若Ts=62.5 s, fc=20 kHz, 则波形图如图例9.4.10所示。 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 表例9.2 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.10第第9 9章章 数字调制与解调电路

44、数字调制与解调电路 9.4.4 高斯滤波的最小频移键控高斯滤波的最小频移键控(GMSK) 1. GMSK信号的特点、功率频谱和带宽信号的特点、功率频谱和带宽 MSK信号的功率频谱比较紧凑，但仍嫌不好。从图例9.4.10所示MSK相位变化图(t)上可见， 虽然相位变化是连续的，但在相邻码元交替时刻相位曲线是一个拐点， 不平滑， 故仍可能产生高频杂波。 其原因和输入数字基带信号的波形有关。由于随机矩形脉冲序列具有较宽的频谱， 因此作为调制信号将导致MSK信号在主瓣之外衰减较慢。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 GMSK（Gaussian filtered MSK）是MSK的一种

45、改进方式，即让数字基带信号先经过高斯低通滤波器后再进行MSK调制。 高斯滤波器的传递函数为22( )exp()fH fa (9.4.13) 其中, BG ， BG是高斯滤波器3 dB带宽。 21 2n第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.11是高斯滤波器在BG/fs取不同值时对宽度为Ts的单个矩形脉冲的响应波形gG（t）。 fs=1/Ts。 BG/fs=即高斯滤波器带宽无穷大， 相当于无滤波器， 也就是MSK情况。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.11 高斯滤波器的矩形脉冲响应 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 单极性

46、数字基带信号s（t）经高斯滤波器后的输出信号为( )()2sGnGsnTsta gtnT (9.4.14) 其中， 是中心位于 处的高斯形脉冲。 参照式（9.4.7）和（9.4.8）， 可以写出GMSK信号的表达式， 即()2sGsTgtnT1()2stnT( )cos( )4tsGMKcGuttsd（9.4.15）第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.12是在BG/fs取不同值时GMSK信号的功率频谱。 由图9.4.11和9.4.12可以明显看出，随着BG/fs的逐渐减小， 经过高斯滤波器后的调制信号波形gG（t）将变得比较平缓， 带宽变窄， 功率频谱衰减很快。 分

47、析GMSK信号的相位变化轨迹可知， 它不是一条折线， 而是一条较平滑的曲线， 在码元交替时刻也是平滑过渡的。 表9.4.2是GMSK信号中包含不同给定百分比功率时所占用的归一化带宽一览表。 此处的归一化带宽是将2fs定义为1。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.12 GMSK信号的功率频谱 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 表9.4.2 GMSK在给定百分比功率情况下的归一化占用带宽 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 ( )()42tssnGsnTta gnTd（9.4.16） 2. GMSK信号的产生和解调信号的产生和解调

48、GMSK信号的产生可以采用锁相调频法和正交调制法等多种方法， 这里仅介绍正交调制法。 式（9.4.15）可以写成 uGMK（t）=cosct+(t) =cos(t) cosct-sin(t) sinct 其中第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由式（9.4.16）可知， 采用类似MSK正交调制的方法可以产生GMSK信号。 其中cos（t）和sin（t）两个信号可以通过另外一种方法波形存储和表格检索法取得。 这种方法的原理是， 根据（t）的变化特点， 事先对一个码元期间内所有可能出现的cos（t）和sin（t）波形进行取样量化并存储在两个表格中， 即余弦表cos（）和正弦表si

49、n（）， 调制时根据输入信号sG（t）的特点进行寻址访问， 从检索表中取出相应波形的数据， 再经D/A转换电路转变成相应的模拟信号cos（t）和sin（t）。 图9.4.13给出了调制电路方框图。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.13 GMSK的正交调制第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 GMSK信号的解调也可以采用与MSK信号相似的同步解调和非同步解调方法。实际运用时， 由于信号衰落的影响， 同步载波信号的提取比较困难， 因此可能增大误码率， 所以主要采用非同步的频率检波电路或延时差分检波电路。 1比特延时差分检波电路是延时差分检波电路中的一种

50、， 图9.4.14给出了电路原理图。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.14 1比特延时差分检波电路第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 低通滤波器的输出为u2（t）=cosct+(t)sinc(t-Ts)+(t-Ts) 设经过中频滤波器和限幅电路之后的输入GMSK信号为u1（t）=cosct+(t)， 则相乘后的信号为31( )sin()2cssu tTT其中(Ts)=(t)-(t-Ts)。当cTs=2n，n为整数时，)(sin21)(s3Ttu第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由式（9.4.16）可知，当an=1时，（t）逐渐

51、增加， (Ts)0；当an1时，(t)逐渐减小，(Ts)0。 所以， 令判决门限为零， 则有u3（t）0时，判为“+1”； u3（t）0时， 判为“0”。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.5.1 MC3356宽带宽带FSK接收电路接收电路 MC3356包括振荡器、 混频器、 六级限幅中频放大器、 正交移相式鉴频器、 音频缓冲放大器和数据整形比较器等部分，具有FSK（包括DPFSK和CPFSK）信号解调等多种功能，数据速率可达500 kb/s。 图9.5.1是其内部组成方框图和外部接线图。9.5 集成电路实例介绍集成电路实例介绍第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与

52、解调电路 图9.5.1 MC3356内部组成方框图和外部接线图 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 FSK信号从GFDAB脚输入， 信号幅度应在10 V10 mV（均方根值）范围内。 输入信号与内部振荡信号混频后， 经、 脚之间外接的陶瓷带通滤波器取出中频， 从、 脚送入限幅中放。 限幅中放输出分两路， 一路直接输入双差分模拟乘法器， 另一路经内部5 pF电容和、 11脚之间外接LC元件组成的90频相转换网络后， 作为模拟乘法器的另一输入。 片内电阻和12脚外接电容组成了低通滤波器， 从模拟乘法器输出中提取解调后的低频分量， 然后从16、 17脚送入整形比较器， 最后由18脚

53、输出二进制数字信号， 即FSK信号中的基带信号。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.5.2 MAX2450正交调制正交调制/解调电路解调电路 MAX2450是低功耗正交调制/解调电路，可作为DPSK、MSK和GMSK中的器件，适用于数字无绳电话机、 GSM移动电话机以及其它数字通信和双向寻呼机。 MAX2450包括振荡器、90相移器、 正交调制器和正交解调器等部分，调制器输入带宽和解调器输出带宽可分别高达15 MHz和9 MHz。 图9.5.2是其内部功能方框图。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.5.2 MAX2450内部功能方框图 第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 调制时，通过11、12脚外接晶体，片内振荡器产生的载波信号可以经过90相移器产生与其正交的另一个载波信号。 从、 脚和、 脚分别输入两组数字调制信号In和Qn，然