第8章数字调制与解调

第8章

数字调制与解调复旦大学电子工程系陈光梦2023/2/6高频电路基础2数字通信中的调制与解调简介调制信号是包含1、0序列的数字电平信号，称为基带信号载波的三个参量（幅度、频率、相位）随数字基带信号变化，分别称为幅移键控（AmplitudeShiftKeying，简称ASK）频移键控（FrequencyShiftKeying，简称FSK）相移键控（PhaseShiftKeying，简称PSK）2023/2/6高频电路基础3基带信号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，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2023/2/6高频电路基础4二进制数字调制OOK(On-OffKeying）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0基带信号已调波信号2023/2/6高频电路基础5OOK信号的调制方法用二极管作开关的电路例子2023/2/6高频电路基础6OOK信号的解调方法同步解调（相干解调）：用乘法器实现包络解调（非相干解调）：2023/2/6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)已调波信号(相位不连续)2023/2/6高频电路基础8FSK信号的调制方法直接调频：特点：相位连续频率稳定度不高2023/2/6高频电路基础9频率键控：2023/2/6高频电路基础10FSK信号的解调方法同步解调（相干解调）：用乘法器实现2023/2/6高频电路基础11包络解调（非相干解调）：2023/2/6高频电路基础12OOK和FSK射频模块举例FSK/ASK两种调制方式工作电压：2.2V到5.4V输出功率：433MHz频段8dBm868/915MHz频段6dBm接收灵敏度：-109dBm射频输出功率可软件控制静态功耗电流：0.3µA传输速率：OOK模式256KbpsFSK模式115.2Kbps内部集成了所有的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2023/2/6高频电路基础13ASK射频模块举例MICRF102，ASK发射电路载波频率300~470MHz，最大输出功率2.5dBm，最大基带数据率20kb/s2023/2/6高频电路基础14MICRF001，ASK接收电路接收频率300～440MHz，接收灵敏度－95dBm，最大基带数据率4.8kbps2023/2/6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基带信号已调波信号相位参考信号2023/2/6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2DPSK基带信号(绝对码)已调波信号基带信号(相对码)2023/2/6高频电路基础17绝对码-相对码转换电路2023/2/6高频电路基础18相对码-绝对码转换电路2023/2/6高频电路基础19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二进制差分相移键控的调制2023/2/6高频电路基础20相位选择方式（开关切换）2023/2/6高频电路基础21极性比较法解调（相干解调）二进制差分相移键控的解调相位比较法解调（非相干解调）2023/2/6高频电路基础22二进制数字调制系统的性能误码率其中调制方式解调方式相干解调非相干解调ASKFSKPSK，r是信噪比2023/2/6高频电路基础232023/2/6高频电路基础24频带宽度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：2023/2/6高频电路基础25多进制数字调制多进制数字调制的目的提高频带利用率，提高传输可靠性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2023/2/6高频电路基础264PSK（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、135、315、45度2023/2/6高频电路基础274PSK的信号波形2023/2/6高频电路基础284PSK调制电路I序列Q序列（4DPSK需要先对基带信号进行绝对码-相对码变换）2023/2/6高频电路基础294PSK解调电路（4DPSK需要在最后对基带信号进行相对码-绝对码变换）2023/2/6高频电路基础30载波恢复相干解调的关键是恢复载波。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。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。很多情况下，载波恢复与解调同时完成。2023/2/6高频电路基础31平方环2PSK信号为其中a(t)=+1or-1，平方后为1由带通滤波作为粗滤，然后锁相环跟踪，可以得到载波的2倍频信号，最后分频就得到恢复的载波2023/2/6高频电路基础32对于4PSK信号其中a(t)=+1or-1，

b(t)=+1or-1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2023/2/6高频电路基础33COSTAS环假设锁相环锁定，则有2023/2/6高频电路基础34此信号与调制无关，锁相环锁定在载波上解调信号2023/2/6高频电路基础35位同步信号提取位同步信号用于解调后的抽样判决现代数字通信中几乎都不单独发送位同步信号，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包含位同步信号的编码方式有多种接收端用锁相环提取位同步信号2023/2/6高频电路基础36常见的编码举例2023/2/6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2023/2/6高频电路基础38一个实际的位同步信号提取电路例子2023/2/6高频电路基础39一个实际的位同步信号提取电路例子实测波形2023/2/6高频电路基础40其他形式的数字调制方式简介最小偏移键控(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(MinimumShiftKeying)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2023/2/6高频电路基础41若将MSK看作一种二进制频移键控，基带码元的宽度为T，则MSK信号的两个频率分别为中心频率为当取N=1，m=0时，。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2023/2/6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p。MSK调制的已调波波形2023/2/6高频电路基础43QAM（正交幅度调制）16QAM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”2023/2/6高频电路基础44QAM调制器结构2023/2/6高频电路基础45QAM解调器结构2023/2/6高频电路基础46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流用一个独立的载波调制，最后将多路载波叠加发射。OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultipl