高頻電子技術課件

1、第9章 數(shù)字調(diào)制與解調(diào),如同模擬信號需要調(diào)制一樣，數(shù)字信號也需要調(diào)制。由于數(shù)字信號具有豐富的低頻成分，不適宜直接進行無線傳輸或長距離電纜傳輸，因此必須對數(shù)字基帶信號進行調(diào)制。 數(shù)字調(diào)制是指調(diào)制信號是數(shù)字信號，載波為余弦波的調(diào)制,1,高頻電子技術,數(shù)字調(diào)制稱為“鍵控,數(shù)字調(diào)制的調(diào)制信號是1和0的離散取值，所以把數(shù)字調(diào)制稱為“鍵控”。與模擬調(diào)制一樣，數(shù)字信號可以對載波的振幅、頻率和相位進行調(diào)制，分別稱為振幅鍵控(ASK: amplitude shift keying)、移頻鍵控(FSK: frequency shift keying)和移相鍵控(PSK: phase shift keying,2,

2、高頻電子技術,數(shù)字調(diào)制的分類,前面已經(jīng)談到，數(shù)字調(diào)制的基本類型有振幅鍵控、移頻鍵控和移相鍵控。又根據(jù)數(shù)字調(diào)制信號是二進制數(shù)字信號還是多進制數(shù)字信號分為二進制數(shù)字調(diào)制和多進制數(shù)字調(diào)制；根據(jù)傳遞信息是利用載波參量的絕對值還是載波參量的相對變化，又可分為絕對調(diào)制和相對調(diào)制,3,高頻電子技術,現(xiàn)代通信系統(tǒng)廣泛采用數(shù)字調(diào)制技術。這是因為與模擬調(diào)制相比，數(shù)字調(diào)制具有抗干擾能力強、保密性能好，可以同時傳遞語音、圖像和數(shù)據(jù)等優(yōu)點。隨著大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integrated circuit，VLSI）和數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）技術

3、的發(fā)展，使數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)向著更為可靠和小型化發(fā)展，而且，除了用硬件實現(xiàn)外，還廣泛采用軟件實現(xiàn)，使其具有更大的靈活性,4,高頻電子技術,1二進制調(diào)制和多進制調(diào)制 二進制調(diào)制中，信號參數(shù)只有兩種可能的取值，二進制信號對載波進行調(diào)制，載波的幅度、頻率或相位只有兩種變化狀態(tài)。圖9-1給出了二進制振幅鍵控，移頻鍵控和移相鍵控的波形圖。 多進制調(diào)制中，信號參數(shù)有M種可能取值，在實際應用中，通常取M=，n為大于1的正整數(shù)。M進制調(diào)制可以使信息傳輸率增加，提高頻帶利用率，其代價是增加了信號功率和實現(xiàn)上的復雜性,5,高頻電子技術,圖9-1二進制調(diào)制波形圖,6,高頻電子技術,2絕對調(diào)制和相對調(diào)制 絕對調(diào)制是利用載波

4、參數(shù)的絕對值來傳遞信息。例如，利用載波幅度的絕對跳變的ASK、利用載波頻率值的絕對跳變的FSK、利用載波相位值的絕對跳變的PSK等。圖9-1中的ASK、FSK、PSK三種波形均屬于絕對調(diào)制。 相對調(diào)制是利用載波參數(shù)的相對變化來傳遞信息。例如，差分移相鍵控（DPSK）是以相鄰的前一個碼元的載波信號相位為基準，當碼元為“1”時，載波相位取與前一個碼元的載波相位相同，而當碼元為“0”時，載波相位取與前一個碼元的載波相位相差180。，如圖9-1e所示。相對調(diào)制的優(yōu)點是，解調(diào)時可以不需要載波提取，則電路簡單且可以減小誤碼,7,高頻電子技術,8,高頻電子技術,1二進制振幅鍵控的調(diào)制 用一個相乘器將數(shù)字基帶

5、信號和載波相乘，就可以產(chǎn)生二進制振幅鍵控信號，其數(shù)學模型如圖9-2 a所示。也可直接用數(shù)字基帶信號去控制一個電子開關，當出現(xiàn)l碼時，開關撥向載波端，輸出載波；當出現(xiàn)0碼時，開關撥向接地端，無載波輸出，從而獲得2ASK信號。如圖9-2b所示,9,高頻電子技術,圖9-2二進制幅度鍵控(2ASK)的調(diào)制,10,高頻電子技術,2二進制振幅鍵控的解調(diào) 二進制振幅鍵控信號的解調(diào)一般可采用包絡檢波方式，其電路框圖如圖9-3所示。2ASK信號通過帶通濾波器濾波后，經(jīng)二極管檢波，再由低通濾波器濾除殘余高頻后，送到抽樣判決器然后獲得解調(diào)輸出，圖中的抽樣判決對于提高數(shù)字信號的接收性能是十分必要的,11,高頻電子技術

6、,圖9-3二進制幅度鍵控(2ASK)信號的解調(diào),12,高頻電子技術,由前面介紹的模擬調(diào)制系統(tǒng)可知，經(jīng)檢波器解調(diào)出的信號，就是原調(diào)制信號。如果在整個傳輸系統(tǒng)中（包括發(fā)射機、傳輸媒介和接收機），一旦產(chǎn)生失真和干擾，它們對解調(diào)信號的影響一般是無法清除的，這正是模擬調(diào)制的缺點。而在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，如果同樣產(chǎn)生了上述失真和干擾，可以采用抽樣判決技術不失真地重現(xiàn)原調(diào)制信號。如二進制調(diào)制信號數(shù)字序列為1001，則對應的2ASK信號如圖9-4a所示，解調(diào)后的波形如圖9-4b，可見存在著失真和干擾，圖9-4c是與數(shù)字信號同步的窄脈沖時鐘信號，用它對解調(diào)信號在最大值上抽樣，抽樣后的信號為一振幅不同的周期性脈沖序列

7、，如圖9-4d所示。然后將它與判決電平Uo比較，當振幅大于Uo時，判為1，否則判為0，圖9-4e為判決后的窄脈沖序列。由它再去觸發(fā)單穩(wěn)電路，便可以重現(xiàn)原調(diào)制信號波形，如圖9-4f所示?？梢?，只要失真和干擾在抽樣脈沖出現(xiàn)期間，其抽樣信號的振幅不超過Uo，就不會誤判，可以準確地恢復原調(diào)制信號,13,高頻電子技術,圖9-4 抽樣判決不失真地重現(xiàn)原調(diào)制信號,14,高頻電子技術,15,高頻電子技術,二進制移頻鍵控信號的產(chǎn)生 二進制移頻鍵控信號可以用模擬調(diào)頻電路產(chǎn)生，但由于載波頻率不需隨調(diào)制信號連續(xù)變化，而只有兩種取值，所以可用更簡單的方法實現(xiàn)?？梢杂脙蓚€振蕩器分別產(chǎn)生頻率為f1和f2的載波，在二進制調(diào)制

8、信號的控制下，按1或0分別選擇一個載波輸出，最后合成的信號就是2FSK已調(diào)信號，圖9-5就是二進制移頻鍵控調(diào)制電路的框圖,16,高頻電子技術,圖9-5二進制移頻鍵控(2FSK)調(diào)制電路框圖,17,高頻電子技術,二進制移頻鍵控信號的解調(diào) 由以上二進制移頻鍵控信號的數(shù)學表達式及波形可見，它可以看成是兩個不同載波的振幅鍵控已調(diào)信號之和，所以，2FSK信號的解調(diào)，可以使用和2ASK信號解調(diào)完全相同的方法，只是使用兩路解調(diào)電路而已。例如使用包絡檢波的解調(diào)電路如圖9-6所示,18,高頻電子技術,圖9-6二進制移頻鍵控(2FSK)解調(diào)器框圖,19,高頻電子技術,如前所述，2FSK信號是由兩個頻率分別為f1和

9、f2的2ASK信號合成的。用兩個中心頻率分別為f1和f2的帶通濾波器對2FSK信號進行濾波，可以將其分離成兩個2ASK信號。然后對每個2ASK進行解調(diào)，并將兩個解調(diào)輸出送到相減器。相減后的信號是雙極性信號，在取樣脈沖的控制下進行判決就可完成2FSK信號的解調(diào),20,高頻電子技術,21,高頻電子技術,1二進制移相鍵控調(diào)制器 二進制移相鍵控調(diào)制器組成的框圖如圖9-7所示，載波發(fā)生器和移相電路分別產(chǎn)生兩個同頻反相的余弦波，由數(shù)字基帶信號控制電子開關進行選通：當信碼為1時，輸出0相載波；當信碼為0時，輸出相載波，從而獲得2PSK信號,22,高頻電子技術,圖9-7二進制移相鍵控(2PSK)調(diào)制器組成框圖

10、,23,高頻電子技術,2二進制移相鍵控解調(diào)器 二進制移相鍵控信號的解調(diào)可用同步（相干）解調(diào)，同步（相干）解調(diào)器的框圖如圖9-8所示,24,高頻電子技術,圖9-8二進制移相鍵控(2PSK)解調(diào)器組成框圖,25,高頻電子技術,圖9-9 二進制移相鍵控解調(diào)器各點的波形,26,高頻電子技術,從圖9-9可以看出，當本地恢復載波與2PSK信號的載波同相時，經(jīng)同步（相干）解調(diào)器解調(diào)出的信碼與發(fā)送信碼完全相同（不考慮傳輸誤碼）。但本地恢復載波也可能與2PSK信號的載波反相，這時經(jīng)相干解調(diào)器解調(diào)出的信碼與發(fā)送信碼的極性完全相反，形成1和0的倒置。這對于數(shù)字信號的傳輸來說當然是不能允許的。 為了克服這種因本地恢復

11、載波相位不確定性而造成相干解調(diào)1和0的倒置現(xiàn)象，通常采用差分相移鍵控的方法,27,高頻電子技術,9.5二進制差分移相鍵控的產(chǎn)生與解調(diào) 二進制差分移相鍵控（DPSK）信號的相位變化是以未調(diào)載波的相位作為參考基準的。由于它是利用載波相位的絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息，因而稱為絕對移相鍵控。利用載波相位的相對數(shù)值也同樣可以傳送數(shù)字信息，這種利用前后碼元的載波相位相對變化傳送數(shù)字信息的方式稱為差分移相鍵控。 二進制差分移相鍵控屬于相對調(diào)制。圖9-1e已給出了DPSK信號的波形圖。 二進制差分移相鍵控信號的產(chǎn)生 為了產(chǎn)生二進制差分移相鍵控信號，先要將原調(diào)制信號的二進制碼變換為差分碼，然后再用產(chǎn)生BPSK信號一樣

12、的調(diào)相器進行絕對調(diào)相。2DPSK調(diào)制器的組成框圖如圖9-10所示，與2PSK所不同的是在電路加了一個“碼變換器”，用于將絕對碼變?yōu)橄鄬Γú罘郑┐a，然后再進行絕對調(diào)相,28,高頻電子技術,圖9-10二進制差分移相鍵控(DPSK)調(diào)制器組成框圖,29,高頻電子技術,二進制差分移相鍵控信號的解調(diào) 二進制差分移相鍵控信號的解調(diào)可采用同步（相干）解調(diào)，2DPSK信號同步（相干）解調(diào)器如圖9-11所示,30,高頻電子技術,圖9-11二進制差分移相鍵控(DPSK)解調(diào)器組成框圖,31,高頻電子技術,2DPSK解調(diào)器各點色波形如圖9-12所示。由圖9-12可看出，對于2DPSK信號來說，不管本地恢復載波的相位

13、與2DPSK信號的載波同相還是反相，在不考慮傳輸誤碼的情況下，其解調(diào)結(jié)果的信碼與發(fā)送信碼完全一致。因此，在現(xiàn)代數(shù)字通信中廣泛采用DPSK信號傳輸信息,32,高頻電子技術,圖9-12 二進制差分移相鍵控解調(diào)器各點的波形,33,高頻電子技術,9.6多進制數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 二進制數(shù)字調(diào)制的基帶信號只有0，1兩種狀態(tài)。在二進制系統(tǒng)中，隨傳碼率的提高，所需信道帶寬增加。采用多進制可降低碼元速率，減小信道帶寬。 多進制數(shù)字調(diào)制中，有多進制振幅鍵控（MASK），又稱多電平振幅調(diào)制，它是用高頻載波的多個振幅去代表數(shù)字信息；多進制移頻鍵控（MFSK），又稱多元調(diào)頻，它用多個載波頻率與多種數(shù)字信息相對應；多進制移相

14、鍵控（MPSK），也稱多元調(diào)相，它利用具有多個相位狀態(tài)的正弦波來代表多組二進制信息碼元。也有把攜帶信息的兩個參數(shù)組合起來進行調(diào)制的，例如將振幅和相位組合得到多進制幅相鍵控（MPSK）或它的特殊形式多進制正交振幅調(diào)制（MQAM）等。多進制調(diào)制中，信號參數(shù)有M種可能取值，在實際應用中，通常取M=，n為大于1的正整數(shù)。下面就比較常用的四進制移相鍵控（QPSK）調(diào)制與解調(diào)作簡單介紹,34,高頻電子技術,四進制移相鍵控信號的產(chǎn)生 根據(jù)四進制移相鍵控QPSK信號的特點，QPSK信號的產(chǎn)生可以由兩個二進制調(diào)相電路組成，如圖9-13所示。輸入的二進制數(shù)字信號B（t）首先經(jīng)串并變換電路分成速率減半的兩路數(shù)字信號

15、和。它們分別按和規(guī)則變換，然后兩路信號分別對正交載波信號和進行雙邊帶調(diào)制，產(chǎn)生相互正交的BPSK信號，最后在相加器中相加，獲得QPSK信號,35,高頻電子技術,圖9-13 QPSK信號的產(chǎn)生,36,高頻電子技術,四進制移相鍵控信號的解調(diào) 四進制移相鍵控QPSK信號的解調(diào)是其產(chǎn)生的逆過程。可以用兩個正交的載波信號進行同步（相干）解調(diào)。同步解調(diào)首先要提取載波，再經(jīng)2移相網(wǎng)絡產(chǎn)生正交載波信號，分兩路同步解調(diào)，再通過取樣判決電路分別獲得和信號，最后通過并串聯(lián)變換電路還原成原始的二進制數(shù)字信號，電路框圖如圖9-14所示,37,高頻電子技術,圖9-14 QPSK信號的解調(diào),38,高頻電子技術,4其他多進制

16、調(diào)制 除了四進制移相鍵控外，多進制移相鍵控還可以有8PSK、16PSK等，但是移相數(shù)目越多，電路實現(xiàn)就越困難。隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，特別是速度快、容量大的現(xiàn)場可編程序門陣列器件FPGA和CPLD的出現(xiàn)，使多進制移相鍵控調(diào)制解調(diào)電路可以編程固化在單片F(xiàn)PGA和CPLD芯片內(nèi)實現(xiàn)，從而使系統(tǒng)結(jié)構簡化，并且降低了成本。 在多進制調(diào)制方式中還有一種調(diào)制方式正得到日益廣泛的應用，就是多進制正交調(diào)幅（MQAM）。正交調(diào)幅（QAM）實際上是振幅移相調(diào)制，即數(shù)字基帶信號同時控制載波的振幅和相位，使數(shù)字信息包含在載波的幅度和相位中。正交調(diào)幅可以使頻帶利用率提高一倍。正交調(diào)幅采用多進制方式，

17、就是多進制正交調(diào)幅（MQAM）。其中M可取4、16、32、64、128和256等，最常用的是16和64進制，即16 QAM和64QAM。MQAM比相應多進制的MPSK調(diào)制抗干擾能力強，故在現(xiàn)代通信領域中受到重視。MQAM信號的調(diào)制與解調(diào)也可以同QPSK信號的調(diào)制與解調(diào)一樣，可采用正交調(diào)制與同步（相干）解調(diào)，只是電路更復雜一些。有興趣的讀者可參閱相關的資料,39,高頻電子技術,本章小結(jié) 1數(shù)字調(diào)制的調(diào)制信號是1和0的離散取值，所以把數(shù)字調(diào)制稱為鍵控。與模擬調(diào)制一樣，數(shù)字信號可以對載波的振幅、頻率和相位進行調(diào)制，分別稱為振幅鍵控（ Amplitude Shift Keying，ASK）、移頻鍵控（

18、 Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）和移相鍵控（ Phase Shift Keying，PSK）。 2二進制振幅鍵控是用二進制調(diào)制信號控制載波的幅度，使其隨二進制1和0的數(shù)字基帶信號變化。用一個相乘器將數(shù)字基帶信號和載波相乘，就可以產(chǎn)生2ASK信號。二進制振幅鍵控（2ASK）信號的解調(diào)一般可采用包絡檢波方式。 3二進制移頻鍵控（2FSK）是用二進制調(diào)制信號控制載波的頻率，使其隨調(diào)制信號l或0變化。二進制移頻鍵控信號可以用模擬調(diào)頻電路產(chǎn)生，也可用兩個振蕩器分別產(chǎn)生頻率為f1和f2的載波，在二進制調(diào)制信號的控制下，按1或0分別選擇一個載波輸出，最后合成的信號就是2FSK已調(diào)信號。二進制移頻鍵控（2FSK）信號可以看成是兩個不同載波的振幅鍵控已調(diào)信號之和，2FSK信號的解調(diào)，可以使用和2ASK信號解調(diào)完全相同的方法，只是使用兩路解調(diào)電路而已,40,高頻電子技術,4二進制移相鍵控（2PSK或BPSK）是使載波相位隨調(diào)制信號1或0變化而變化的調(diào)制方式。如當調(diào)制信號為1時，載波相移0；當調(diào)制信號為0時，載波相移180。BPSK信號可以看成是由二進制調(diào)制信號與載波信號相乘產(chǎn)生的雙邊帶抑制載波調(diào)幅波，所以，BPSK信號可以采用乘法器產(chǎn)生，而它的解調(diào)可采用同步（相干）檢波。 5用前后碼元的載波相位相對變化傳送數(shù)字信息的方式稱為差分移相鍵控。二進制差分移相鍵控（DPSK）屬于相