高頻電路基礎(chǔ)第8章數(shù)字調(diào)制與解調(diào)

1、第 8 章數(shù)字調(diào)制與解調(diào)2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)2數(shù)字通信中的調(diào)制與解調(diào)簡介l調(diào)制信號是包含1、0序列的數(shù)字電平信號，稱為基帶信號l載波的三個參量（幅度、頻率、相位）隨數(shù)字基帶信號變化，分別稱為l幅移鍵控（Amplitude Shift Keying，簡稱ASK）l頻移鍵控（Frequency Shift Keying，簡稱FSK ）l相移鍵控（Phase Shift Keying，簡稱PSK ）2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)3基帶信號l二元信號二進(jìn)制數(shù)字 0 和 1 各取一個離散電平，構(gòu)成二元信號波形，與普通數(shù)字電路的波形類似l多元信號將基帶信號流中連續(xù)的 n 個二進(jìn)制數(shù)字構(gòu)成一個符號

2、，不同的符號取不同的離散電平，構(gòu)成多元信號流波形，其中有 2n 個電平值2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制OOK ( On-Off Keying）最基本的ASK調(diào)制信號基帶信號是二元信號碼流，已調(diào)波幅度在滿幅度和零之間變化。載波幅度為滿幅度(On)對應(yīng)數(shù)字1；載波幅度為零(Off)對應(yīng)數(shù)字010011t基帶信號已調(diào)波信號2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)5OOK信號的調(diào)制方法載波基帶信號vASK載波發(fā)生器開關(guān)基帶信號vASK用二極管作開關(guān)的電路例子2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)6OOK信號的解調(diào)方法l 同步解調(diào)（相干解調(diào)）：用乘法器實(shí)現(xiàn)l 包絡(luò)解調(diào)（非相干解調(diào)）：取樣判決器帶通濾波器低

3、通濾波器參考信號vASK取樣判決器帶通濾波器低通濾波器vASK包絡(luò)檢波器2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)7頻移鍵控 FSK基帶信號是二元信號碼流，已調(diào)波的頻率有兩個：對應(yīng)數(shù)字1，頻率為f1，對應(yīng)數(shù)字0，頻率為f2基帶信號已調(diào)波信號(相位連續(xù))10011tt已調(diào)波信號(相位不連續(xù))2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)8FSK信號的調(diào)制方法l 直接調(diào)頻：壓控振蕩器vFSK基帶信號特點(diǎn)： 相位連續(xù) 頻率穩(wěn)定度不高2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)9 頻率鍵控：振蕩器1信號選擇器振蕩器2vFSK基帶信號振蕩器可變分頻器基帶信號vFSK2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)10FSK信號的解調(diào)方法l 同步解調(diào)（相干解調(diào)）：

4、用乘法器實(shí)現(xiàn)比較判決器f1帶通濾波器低通濾波器f1參考信號f2帶通濾波器低通濾波器f2參考信號vFSK2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)11 包絡(luò)解調(diào)（非相干解調(diào)）：比較判決器f1帶通濾波器包絡(luò)檢波器f2帶通濾波器vFSK包絡(luò)檢波器2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)12OOK和FSK射頻模塊舉例lFSK/ASK 兩種調(diào)制方式l工作電壓：2.2V 到 5.4Vl輸出功率：433MHz 頻段 8dBm 868/915MHz 頻段 6dBml接收靈敏度：-109dBml射頻輸出功率可軟件控制 l靜態(tài)功耗電流：0.3A l傳輸速率：OOK 模式 256Kbps FSK 模式 115.2Kbpsl內(nèi)部集成了所有

5、的RF功能模塊電路，外圍只須一個MCU、一個晶振、一個旁路電容和一個外置天線2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)13ASK射頻模塊舉例鎖相環(huán)倍頻電路（32）高頻功率放大器天線自動調(diào)諧電路基帶信號輸入環(huán)形天線5V電源與偏置晶體振蕩電路輸出功率控制休眠模式控制MICRF102 ，ASK發(fā)射電路載波頻率300470MHz，最大輸出功率2.5dBm，最大基帶數(shù)據(jù)率20kb/s2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)14中頻放大帶通濾波峰值檢波比較判決低通濾波晶體振蕩器可編程的頻率合成器AGC編程控制邏輯輸出控制輸入端5V射頻放大MICRF001， ASK接收電路接收頻率300440MHz，接收靈敏度95dBm，最大基

6、帶數(shù)據(jù)率4.8kbps2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)15二進(jìn)制相移鍵控 2PSK基帶信號是二元信號碼流，已調(diào)波相位隨基帶信號而變化。對應(yīng)數(shù)字1，已調(diào)波相位與參考相位同相，對應(yīng)數(shù)字0，已調(diào)波相位與參考相位反相10011t基帶信號已調(diào)波信號相位參考信號2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)16二進(jìn)制差分相移鍵控 2DPSK由于一般情況下接收端難以獲得參考相位，所以常常將基帶信號作一個變換：原始數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)數(shù)字1，則變換后的數(shù)據(jù)發(fā)生變化（0變1，或1變0）；原始數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)數(shù)字0，則變換后的數(shù)據(jù)不變。這樣變換后的碼流稱為相對碼，這種調(diào)制方式稱為2DPSK10011基帶信號(絕對碼)已調(diào)波信號基帶信號(相對碼

7、)2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)17絕對碼-相對碼轉(zhuǎn)換電路絕對碼相對碼時鐘001011D=1DAB絕對碼時鐘相對碼AB2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)18相對碼-絕對碼轉(zhuǎn)換電路相對碼絕對碼時鐘001011D=1DAB絕對碼時鐘相對碼AB2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)19絕對碼-相對碼變換振蕩器cosCAt基帶信號2DPSK單-雙極性變換0,1-1,1 直接調(diào)相方式（乘法器實(shí)現(xiàn)）其中乘法器可用二極管環(huán)型調(diào)制電路載波雙極性基帶信號二進(jìn)制差分相移鍵控的調(diào)制2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)20絕對碼-相對碼變換振蕩器移相切換開關(guān)cosCAtcos()CAt基帶信號2DPSK 相位選擇方式（開關(guān)切換）202

8、2-3-16高頻電路基礎(chǔ)21l極性比較法解調(diào)（相干解調(diào)）二進(jìn)制差分相移鍵控的解調(diào)取樣判決器帶通濾波器低通濾波器參考信號vDPSK相對碼-絕對碼變換l相位比較法解調(diào)（非相干解調(diào)）取樣判決器帶通濾波器低通濾波器vDPSK延時2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)22二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能l誤碼率 其中調(diào)制方式解調(diào)方式相干解調(diào)非相干解調(diào)ASKFSKPSK1erfc/42r1erfc2r1erfc/22r1exp/42r1exp/22r1exp2r 22erfcexp()xxydy，r是信噪比2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)23-1001020107106105104103101100102信噪比(dB)信噪

9、比(dB)誤誤碼碼率率ASK 相干解調(diào)ASK 非相干解調(diào)FSK 相干解調(diào)FSK 非相干解調(diào)PSK 相干解調(diào)PSK 非相干解調(diào)2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)24l頻帶寬度2BWT設(shè)傳輸?shù)拇a元寬度為 T，則二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制后的信號帶寬為：ASK 和 PSK：FSK：122BWffT2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)25多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制l多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的目的提高頻帶利用率，提高傳輸可靠性l多進(jìn)制基帶信號將串行的基帶數(shù)字信號分組，每組包含2n個二進(jìn)制數(shù)，稱為一個符號2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)26l4PSK （四進(jìn)制相移鍵控）基帶信號是4元信號碼流，對應(yīng)符號00、01、10、11，載波的相位分別為225、1

10、35、315、45度11100100cosCtsinCt2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)274PSK 的信號波形31545225451352254510111100110100參考相位4PSK 波形相移(度）符號2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)284PSK 調(diào)制電路單-雙極性變換單-雙極性變換串-并變換2基帶信號1010-11cosCtsinCt載波4PSKI 序列Q 序列（4DPSK需要先對基帶信號進(jìn)行絕對碼-相對碼變換）2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)294PSK 解調(diào)電路BPF并-串變換1001cosCtsinCt同步參考信號4PSK2LPFLPF抽樣判決抽樣判決（4DPSK需要在最后對基帶信

11、號進(jìn)行相對碼-絕對碼變換）2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)30載波恢復(fù)l相干解調(diào)的關(guān)鍵是恢復(fù)載波。l若發(fā)送的信號中已經(jīng)有載波分量，在接收端只要直接用鎖相環(huán)提?。ㄝd波跟蹤）即可。l若發(fā)送的信號中沒有載波分量，則要從抑制載波的已調(diào)波中恢復(fù)參考載波信號，此時的載波提取電路一般包含兩部分：一、非線性運(yùn)算產(chǎn)生載頻，二、鎖相環(huán)的跟蹤提取載頻。l很多情況下，載波恢復(fù)與解調(diào)同時完成。2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)31平方環(huán)2PSK信號為( )( )cos()cv ta tt其中a(t) = +1 or -1，平方后為121( )1cos(22 )2cv tt由帶通濾波作為粗濾，然后鎖相環(huán)跟蹤，可以得到載波的2倍

12、頻信號，最后分頻就得到恢復(fù)的載波2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)32對于4PSK信號( )( )cos()( )sin()ccv ta ttb tt其中a(t) = +1 or -1， b(t) = +1 or -141( )12sin(2)1cos(4)2ccv tabtt 可以對信號進(jìn)行4次方。4次方后，a、b將都被轉(zhuǎn)變?yōu)?1：由帶通濾波器濾出4倍頻成分，然后鎖相環(huán)跟蹤，可以得到載波的4倍頻信號一般來說，mPSK信號進(jìn)行m次方后都可以得到m倍載頻信號2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)33COSTAS環(huán)112232( )( )cos()( )cos()( )sin()cococv ta ttv t

13、Vtv tVt假設(shè)鎖相環(huán)鎖定，則有2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)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此信號與調(diào)制無關(guān)，鎖相環(huán)鎖定在載波上4121( )( )cos()( )2ov ta t Vk a t解調(diào)信號2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)35位同步信號提取l位同步信號用于解調(diào)后的抽樣判決l現(xiàn)代數(shù)字通信中幾乎都不單獨(dú)發(fā)送位同步信

14、號，而是通過一定的編碼方法將位同步信號隱含在發(fā)送的信號流中l(wèi)包含位同步信號的編碼方式有多種l接收端用鎖相環(huán)提取位同步信號2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)36常見的編碼舉例2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)37位同步信號提取電路結(jié)構(gòu) 邊緣檢測與變換，將包含同步信息的信號邊緣變換為脈沖 鎖相環(huán)根據(jù)這些脈沖，恢復(fù)出同步信號 由于這些脈沖是不均勻的，一般要在鎖相環(huán)前面加一定的同步措施，保證鎖相環(huán)的工作過程不受影響 由于恢復(fù)出的信號一般都是原同步信號的2倍頻，在二分頻時要校正其相位2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)38一個實(shí)際的位同步信號提取電路例子2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)39一個實(shí)際的位同步信號提取電路例

15、子實(shí)測波形2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)40其他形式的數(shù)字調(diào)制方式簡介l最小偏移鍵控(MSK) 和高斯最小偏移鍵控(GMSK)無論是2PSK、2DPSK，或者4PSK、4DPSK，都有一個缺點(diǎn)：相位不連續(xù)，造成已調(diào)信號的頻譜展寬或者發(fā)生頻譜再生，導(dǎo)致頻帶利用率低下MSK (Minimum Shift Keying) 可以看作相位調(diào)制，也可以看作頻率調(diào)制。其最大特點(diǎn)就是保證已調(diào)波的相位連續(xù)，可以有效地克服PSK的上述缺陷。GMSK則通過對基帶信號用高斯濾波器進(jìn)行濾波，進(jìn)一步提高了MSK的帶外衰減，已經(jīng)應(yīng)用在GSM移動通信上2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)41若將MSK看作一種二進(jìn)制頻移鍵控，基帶碼

16、元的寬度為T，則MSK信號的兩個頻率分別為1211,44ccffffTT中心頻率為1(),(0,1,2,3)4cmfNNmT為正整數(shù)，當(dāng)取N=1，m=0時， 。1235,44ffTT12,22 TTf1f2假定載波的初始相位均為0，在一個碼元結(jié)束時，它們的相位分別為 2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)42由于要求已調(diào)信號的相位連續(xù)，所以MSK信號的前后碼元之間存在一個相位約束：當(dāng)前后碼元相同（都為1或都為0）時，不改變載波相位；當(dāng)前后碼元不同時，載波相位要根據(jù)前一個碼元結(jié)束時的相位確定是否改變 。MSK調(diào)制的已調(diào)波波形111000f1f22022-3-16高頻電路基礎(chǔ)43lQAM（正交幅度調(diào)制）c

17、osCtsinCt13-1-313-1-316QAM的星座圖基帶信號是多元信號碼流，將每個符號分為兩組，分別對一對同頻正交信號進(jìn)行多元幅度調(diào)制，最后將兩個調(diào)幅信號疊加常見有 16QAM、64QAM 、128QAM等每個符號在載頻的相位空間中形成一個特定的位置，稱為“星座圖”2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)44電平變換電平變換串-并變換2基帶信號離散電平cosCtsinCt載波QAM離散電平QAM調(diào)制器結(jié)構(gòu)2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)45BPF并-串變換cosCtsinCt同步參考信號QAM2LPFLPF多電平抽樣判決多電平抽樣判決nnQAM解調(diào)器結(jié)構(gòu)2022-3-16高頻電路基礎(chǔ)46l正交頻分復(fù)用(OFDM)前面討論的數(shù)字調(diào)制都屬于串行傳輸體系。對應(yīng)的還有并行傳輸體系，它將高速率的串行數(shù)據(jù)流經(jīng)過串-并變換，分割為若干路低速率的數(shù)據(jù)流，然后將每路低速率數(shù)據(jù)