高頻電子電路第9章數(shù)字調(diào)制解調(diào)

1、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)前言 電視的實現(xiàn)，不僅擴大和延伸了人們的視野，而且以其形象、生動、及時的優(yōu)點提高了信息傳播的質(zhì)量和效率。在當今社會，信息與電視是不可分割的。 多媒體的概念雖然與電視的概念不同，但在其綜合文、圖、聲、像等作為信息傳播媒體這一點上是完全相同的。 隨著社會的不斷進步，數(shù)字技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù)、計算機技術(shù)等的發(fā)展也是日新月異，早已引起了世界各國的極大關(guān)注和巨大的投入，我國已做過多次數(shù)字電視的試播試驗，有線數(shù)字電視已正式播出。世界上主要發(fā)達國家將在2010年前后全部播出數(shù)字電視，甚至停播傳統(tǒng)的模擬電視。我國預(yù)計在2015年實現(xiàn)這一目標，提前的可能性也很大。數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 眾所周知，數(shù)字信號（

2、基帶信號）未經(jīng)調(diào)制是很難有效地進行無線傳輸或者遠距離的有線傳輸。 因此，在數(shù)字電視等數(shù)字視頻技術(shù)中，其發(fā)送端需要對基帶信號做數(shù)字信號的調(diào)制處理；在接受端，需要對做數(shù)字信號解調(diào)處理。數(shù)字調(diào)制三種基本調(diào)制方式 數(shù)字幅度調(diào)制又稱幅移鍵控（數(shù)字幅度調(diào)制又稱幅移鍵控（ASKASK）。）。 （amplitude shift keying） 數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控（FSK）。 （frequency shift keying） 數(shù)字相位調(diào)制又稱相移鍵控（PSK）。 （phase shift keying） 此外，還有改進型的和復合的數(shù)字調(diào)制方式 （QAM,MQAM,QPSK等）。 幅移鍵控（ASK) 多進制

3、幅移鍵控（MASK） 正交幅度調(diào)制（QAM） 多電平正交調(diào)幅（MQAM）幅移鍵控（ASK) 幅移鍵控（ASK) ：是一種以數(shù)字信號對載頻幅度進行控制的一種調(diào)制。幅移鍵控（ASK) 的調(diào)制框圖如下圖所示：()() * c o setstt幅移鍵控（ASK)的解調(diào) 幅移鍵控（ASK)有二種基本的解調(diào)方式： 非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測法），其基本框圖如下：半波或全波整流器抽樣判決器低通濾波器帶通濾波器定時脈沖非相干解調(diào)載波恢復抽樣判決器低通濾波器相乘器帶通濾波器定時脈沖cost相干解調(diào)二進制幅移鍵控 二進制幅移鍵控是出現(xiàn)得最早的一種調(diào)制方式，二進制數(shù)字調(diào)幅有二種情況： 一種是數(shù)字基

4、帶信號為0,1的單極性調(diào)制； 一種是數(shù)字基帶信號為-1，1的雙極性調(diào)制。多進制幅移鍵控（MASK） 多進制（電平）幅移鍵控（MASK）則是以多個電平的矩形脈沖去對正弦（或余弦）載波進行的調(diào)幅，它的主要特點是頻帶利用率高。多電平幅移鍵控（MASK）調(diào)制框圖：電平轉(zhuǎn)換帶通濾波相乘器costS(t)數(shù)字 信號多進制幅移鍵控（MASK） 在實際的數(shù)字電視系統(tǒng)或是通信系統(tǒng)中，多采用多進制（多電平）數(shù)字調(diào)制、解調(diào)方式。所謂多進制信號，就是指狀態(tài)數(shù)大于2的基帶數(shù)字信號（有時也稱多元調(diào)制信號或多電平調(diào)制信號）。 符號中的M可為2，4，8，162N，若M=2，則表明高頻載波被一種二進制代碼所組成的2種電平（0，

5、1）所調(diào)制；若M=4，則表明高頻載波被一種2bit二進制代碼所組成的4種電平（00，01，10，11）所調(diào)制；若M=8，則表明高頻載波被一種（ ）bit二進制代碼所組成的 （ ）種電平所調(diào)制多進制幅移鍵控（MASK） 多電平數(shù)字調(diào)幅信號的表達式為： 其中,s(t) 為多進制基帶數(shù)字信號；A, , 分別為余弦載波信號的振幅、角頻率和初相角。 多進制幅移鍵控（MASK）的數(shù)字信號可以為單極性序列，也可為雙極性序列，它們對載波所進行的幅度調(diào)制情況如下圖所示：( )( )*cos()e ts tAt ASK方式的主要缺點是抗噪聲性能較差，頻帶利用率不高，故較少采用。 在實際中應(yīng)用較多的是正交幅度調(diào)制Q

6、AM及多進制（多電平）正交幅度調(diào)制MQAM。正交幅度調(diào)制（QAM） 正交幅度調(diào)制QAM是英文quadrature amplitude modulation的縮寫，也稱正交雙邊帶調(diào)幅。這是以兩路相關(guān)的數(shù)字基帶信號分別對兩個互為正交 （ ）的同頻載波進行抑制載波的平衡調(diào)幅（雙邊帶調(diào)幅）后，再將這兩路已調(diào)信號疊加輸出的過程。 QAM調(diào)制的顯著特點是可以在同一頻帶內(nèi)傳輸兩路數(shù)據(jù)信號，因此其頻帶利用率高（提高了近2倍）。sin,costt正交幅度調(diào)制（QAM） 在彩色電視系統(tǒng)中，紅色差、藍色差信號就是先做正交平衡調(diào)幅，再以矢量和的方法形成色度信號的，對于PAL制而言，其相互關(guān)系為：F=Fu+Fv=U +

7、/-V 紅、藍色差信號的帶寬各為1.3MHZ,其平衡調(diào)幅后的Fu，F(xiàn)v帶寬各為2.6MHZ，利用正交平衡調(diào)幅再做矢量相加變成色度信號后，其帶寬仍為2.6MHZ，而不是5.2MHZ，使頻帶利用率提高了1倍。cos tsint正交調(diào)幅（QAM）的電路組成框圖9753111 09876543211 086422()()kbbbb bstbbbb bbbbb bbbb bbbst222( )( )*cos()( )*sin2e ts tts tt cost正交路cos()sin2tt 1( )st2( )stkbe(t)2( )st串/并轉(zhuǎn)換帶通濾波器相加器乘法器低通濾波器低通濾波器乘法器11( )(

8、 )*cose ts tt同相路正交調(diào)幅（QAM）信號解調(diào)的電路框圖QAM信號( )s tcost帶通濾波并/串轉(zhuǎn)換乘法器低通采樣判決采樣判決低通乘法器sint載波恢復1( )st2( )st1( )St2( )St112( ) ( )*cos( )*sin*cosS ts tts ttt正交調(diào)幅（QAM）信號的解調(diào)112( ) ( )*cos( )*sin*cosS ts tt s ttt11( )2s t121 ( )*cos22 ( )*sincos2s tts ttt （ 所需要信號，用低通取出）（不需要的高頻信號，用低通濾波濾除） 圖中所用的是同步檢波電路，其關(guān)鍵點是要求相干載波（同

9、步檢波的參考信號）要與輸入QAM信號同步（即同頻同相），否則會使解調(diào)輸出的信號失真，且幅度減小。以圖中S,1(t)為例：多電平正交調(diào)幅（MQAM） MQAM是多電平正交調(diào)幅之意，它的實現(xiàn)與QAM相似，唯一不同的是它的每路正交調(diào)幅不是針對1個比特位進行的，而是在一個點位傳送區(qū)間內(nèi)，同時對若干個比特（其值等于 ）進行的正交調(diào)幅。（符號中的M可為2，4，8，162N） MQAM信號可以看成是兩個正交的抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號的相加。多電平正交調(diào)幅（MQAM）電路框圖多電平正交調(diào)幅（MQAM）的矢量圖 正交調(diào)制時，其兩路載波應(yīng)互為正交，相位差為900.如此引出MAQM信號的矢量問題和星座問題。 現(xiàn)以4Q

10、AM信號為例，對其矢量圖做一簡介:多電平正交調(diào)幅（MQAM）的星座圖所謂星座圖是指只畫出MQAM矢量端點的一種圖形，并且圖中星點數(shù)與M值相等。(星座圖上的各信號點之間的距離愈大，則其抗誤碼能力就愈強。)MQAM信號的頻帶寬度及頻帶利用率 數(shù)據(jù)傳輸速率： 數(shù)據(jù)傳輸速率是單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，即傳輸二進制位數(shù)的多少，也稱為比特率或碼率。其單位是bit/s,kbit/s,Mbit/s,通常記作Rb(它不應(yīng)該包括信道編碼時所附加的監(jiān)督碼（冗余碼）在內(nèi))。 Rb=1/T 即時間T內(nèi)傳輸了一個二進制（0或1兩個電平中的一個） 數(shù)據(jù)傳輸速率是單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚炊M制位數(shù)的多少，有時也稱為比特率或者

11、碼率，單位為bit/s（它不包括信道編碼是附加的冗余碼），如果傳輸一個碼元的速率為T，則數(shù)據(jù)傳輸速率為Rb=1/T（bit/s）; 數(shù)據(jù)調(diào)制速率是單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)字信號的碼元數(shù)，有時也稱為符號速率或傳碼率，單位為波特（Bd），如果傳輸一個數(shù)據(jù)碼元持續(xù)的時間為T，則調(diào)制數(shù)率為NBd=1/T(Bd) 調(diào)制數(shù)率主要是用來反映信號波形變換的頻繁程度，主要是用來表述多進制信號的，對于二進制的數(shù)字信號，其調(diào)制速率和傳輸速率是完全一樣的，而對于多進制，數(shù)據(jù)傳輸速率和調(diào)制速率的關(guān)系為 數(shù)據(jù)有效傳輸速率即在單位時間內(nèi)系統(tǒng)呢個傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)量，單位為bit /s。通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)除了信源所提供的數(shù)碼外，系

12、統(tǒng)還要加入其他許多信息，如同步碼元，差分控制碼元，冗余碼等，數(shù)據(jù)傳輸速率是針對數(shù)據(jù)源所提供的數(shù)據(jù)而言，不包括信道編碼所加的冗余碼，而數(shù)據(jù)有效傳輸率是針對系統(tǒng)中所傳輸?shù)乃写a元。MQAM信號的頻帶寬度及頻帶利用率 設(shè)未調(diào)制串行數(shù)據(jù)傳輸速率為Rb，經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)分兩路輸出，速率降低了1 / 2，其值為Rb / 2，再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換，使Rb的值降至 經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后，在不考慮數(shù)碼高次諧波的近似條件下，每路數(shù)據(jù)符號的最高頻率，即其頻帶寬度為 經(jīng)每一路的平衡調(diào)幅后，信號的帶寬近似為上述帶寬（調(diào)制數(shù)據(jù)）的2倍，即為 在理想低通濾波的情況下，MQAM和MPSK的最高頻帶利用率均為MQAM信號的頻帶寬度及頻帶

13、利用率帶寬為：最高頻帶利用率為： 例如：已知輸入串行數(shù)據(jù)傳輸速率（碼率），且輸入數(shù)碼的0，1概率相等，則16QAM已調(diào)信號的帶寬使多少？最高頻帶利用率呢？MQAM的應(yīng)用 無論是在模擬電視系統(tǒng)中，還是在數(shù)字電視系統(tǒng)中，MQAM都是非常有用的。 例如，前面所提到的模擬電視系統(tǒng)中對兩色差信號的處理就是采用正交調(diào)幅（QAM）方式，將帶寬分別為1.3MHZ的R-Y、B-Y兩基帶信號調(diào)制到同一彩色副載頻上，使頻帶寬度至少由5.2MHZ（ R-Y、B-Y 分別調(diào)制）降至2.6MHZ，即降低了一半，使彩色電視能與黑白電視由兼容的可能。MQAM的應(yīng)用 另外在有線數(shù)字電視系統(tǒng)中，常為16QAM,32QAM,64Q

14、AM, 64QAM與16QAM相比所傳送的數(shù)據(jù)碼率提高相近1.5倍的情況下，信號所占的帶寬幾乎沒有改變。五、頻移鍵控FSK及多進制（多電平）MFSK 頻移鍵控FSK也稱數(shù)字調(diào)頻。 對于最簡單的二電平的0，1數(shù)碼而言，2FSK就是利用兩個不同載頻f1、f2表示數(shù)碼0和1的過程和結(jié)果。 P225 2、2FSK信號的帶寬及頻帶利用率 帶寬： T為二進制碼元的持續(xù)時間，在f2 與f1 比較接近時，若是則2FSK信號的帶寬 此時頻帶利用率為Rb/B，其中Rb為信號的傳輸速率則信號頻帶利用率為 Rb/B=1/3bit.s-1/HZ 由此也可大致算出在帶寬為B的模擬信道上采用2FSK時數(shù)據(jù)的最大傳輸速率為R

15、bm=B*1/3bit/sB= f2 -f1+2 fTB = f+ 2f= 3f=32、多進制頻移鍵控指每一個不同電平的碼元，需要一個不同頻率的載波來描述。如4FSK就是以載頻分別為f1、f2、f3、f4來表述的一個4電平數(shù)字信號。MFSK同樣具有多進制調(diào)制信號的特點，但它有一顯著的缺點，即MFSK所占的帶寬較寬，其寬度為其中，為調(diào)制時所選用的最高載頻；為調(diào)制時選用的最低載頻，為未調(diào)制數(shù)字信號碼元的帶寬。由此可見，MFSK信號的頻帶較寬，頻帶的利用率不高。故MFSK一般在調(diào)制速率不高的傳輸系統(tǒng)中用1B=ffnf六、相移鍵控PSK及DPSK 相移鍵控是指載波信號的相位按數(shù)字調(diào)制信號（基帶信號）變

16、化而變化的一種調(diào)制。 分為絕對調(diào)相和相對調(diào)相兩種方式，分別以PSK和DPSK表示。六、相移鍵控PSK及DPSK 1.2PSK和2DPSK 2PSK是根據(jù)調(diào)制信號碼元值的高低（0、1或正、負）而決定高載頻波相位值的一種調(diào)相信號。 P228 2DPSK是以前一碼元的載波相位為基準，再按后一碼元的變化而決定后一碼元載波的相位是否變化的一種調(diào)相波。 P228六、相移鍵控PSK及DPSK 2. 2DPSK調(diào)制，先將輸入的二進制碼做碼型變換，轉(zhuǎn)換成相對碼的形式，轉(zhuǎn)換原則為1變0不變，即當前碼元是高電平1，后一碼元是低電平0時，則相對碼元依然保持為前一碼源的高電平1，只有在后一碼源為高電平1時，相對碼元才由

17、0變成1或者成1變成0. 碼元轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)碼變換成相對碼，和乘法器相乘就實現(xiàn)了相移鍵控，獲得2DPSK信號。 2DPSK相對法數(shù)字調(diào)相器的組成框圖及主要波形 P228六、相移鍵控PSK及DPSK 3. 2DPSK解調(diào)的關(guān)鍵點是同步檢波所需要的載波是由2DPSK信號經(jīng)過一個周期的延時得到的，經(jīng)延時后的DPSK信號和沒有延時的DPSK信號相乘，低通濾波，就可得到原信號的包絡(luò)。 2DPSK差分同步解調(diào)器組成框圖及主要點波形P228七、多進制相移鍵控MPSK（多相調(diào)相）是指將輸入的二進制數(shù)碼每K位（K=1.2.3）分成一組，構(gòu)成K比特碼元，這些碼元即有M=2K個不同狀態(tài)，然后再由不同相位或相位差的載

18、波來描述這些狀態(tài)而形成已調(diào)信號。 表達式為：多進制已調(diào)信號可以看成是兩個正交載波對數(shù)碼進行幅移鍵控后進行的信號疊加。00000( )()cos()()coscossinsin)()cos()sincos;sinnnnnnnnnnnnnne tg tnTw tg tnTw tw ta g tnTw tb g tnTw tab七、多進制相移鍵控MPSK 1. 4相調(diào)相4PSK表明每組碼元為2bit，共四種狀態(tài)，要用四種不同相位的載波來描述四種不同的數(shù)碼組合（00，01，10，11）。 4相調(diào)相4PSK中的相位關(guān)系P231 2. 4PSK信號的實質(zhì)上是二路正交的2PSK信號疊加而成，因而4PSK信號

19、的產(chǎn)生與解調(diào)和2PSK相似。 4PSK信號的產(chǎn)生及解調(diào)P232七、多進制相移鍵控MPSK 3. 4DPSK信號產(chǎn)生的關(guān)鍵是對輸入碼元做串并轉(zhuǎn)換后，需要將二路絕對碼變換成相對碼，然后再做不同處理。 4DPSK信號的產(chǎn)生P233 4. 4DPSK同步解調(diào)的關(guān)鍵問題是同步載波的產(chǎn)生，而相位比較法解調(diào)不需要本地載波發(fā)射器，二同步解調(diào)的同步信號直接由4DPSK信號延時得到。4DPSK信號的解調(diào)P234 5. 8PSK是指每組碼元有3bit，共8中狀態(tài)，需要8中不同相位的載波來描述。 8PSK信號 P235八、幅相鍵控APK 這是一種載波信號的幅度與相位同時受到數(shù)字基帶信號控制的一種調(diào)制方式，也稱數(shù)字符合

20、調(diào)制方式。 表達式為 可見APK信號可看做是兩個正交載波調(diào)幅信號之和， 故APK又稱為正交幅度調(diào)制信號，與QAM有相似之處，但它們的星座圖有較大不同。 理論與實踐均已證明，信號各星座間的距離愈大，信號的抗噪聲（干擾）的性能就愈強。 MASK信號的矢量端點是在一條軸線上分布； MPSK信號的矢量端點是在一個同心圓上分布； MQAM信號的矢量端點是在互為正交的兩條軸線上分布； 隨著M值的增大，這些矢量端點間的最小距離均在減小。這一矛盾在APK信號中能得到較好的解決。 P236九、殘留邊帶調(diào)制VSB及多電平MVSB 是一種介于雙邊帶調(diào)制與單邊帶調(diào)制間的調(diào)制方式，從信號的頻譜結(jié)構(gòu)上來看，它占有已調(diào)信號

21、的全部上邊帶及部分下邊帶。 P236 2.殘留邊帶信號一般用濾波法，殘留邊帶信號的頻譜表達式為 時域表達式為 殘留邊帶信號的產(chǎn)生的組成框圖 P237001( )( )()()2vsbvsbsHFF0( ) ( )cos*( )( )*( )vsbvsbdsbvsbstf tthtStht 3.殘留邊帶信號解調(diào)一般用同步檢波法，其數(shù)學表達式為 殘留邊帶信號的同步解調(diào)框圖P237 4.多電平殘留邊帶調(diào)幅 需要將數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成M中電平的模擬信號，再用這些符號去對一個高頻載波作殘留邊帶調(diào)幅。0000( )( )*cos( )*( )*cos ( )cos*( )*cospvsbds

22、bvsbvsbstSttSthttf tthtt十、正交頻分復用OFDM調(diào)制 這種調(diào)制方式最大優(yōu)點是抗多徑傳輸效應(yīng)好，抗同頻干擾能力強，特別適合地面數(shù)字電視信號的傳輸。 通常數(shù)字視頻信號的碼率十很高的，在作地面開路電視信號傳送時，高速數(shù)據(jù)易受多徑干擾等影響而發(fā)生嚴重的碼間干擾，而使接收后的誤碼率增高。 多普勒效應(yīng)是為紀念Christian Doppler而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。他認為聲波頻率在聲源移向觀察者時變高，而在聲源遠離觀察者時變低。一個常被使用的例子是火車，當火車接近觀察者時，其汽鳴聲會比平常更刺耳。你可以在火車經(jīng)過時聽出刺耳聲的變化。同樣的情況還有：警車的警報聲和賽車的發(fā)動機聲。 所謂多普勒效應(yīng)就是當發(fā)射源與接收體之間存在相對運動時，接收體接收的發(fā)射源發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，接收頻率與發(fā)射頻率之差稱為多普勒頻移。 一般來說, 多路信號到達接收機的時間有先有后