1、第 8 章數字調制與解調復旦大學電子工程系 陳光夢復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎2數字通信中的調制與解調簡介l調制信號是包含1、0序列的數字電平信號，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 ）復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎3基帶信號l二元信號二進制數字 0 和 1 各取一個離散電平，構成二元信號波形，與普通數字

2、電路的波形類似l多元信號將基帶信號流中連續(xù)的 n 個二進制數字構成一個符號，不同的符號取不同的離散電平，構成多元信號流波形，其中有 2n 個電平值復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎4二進制數字調制OOK ( On-Off Keying）最基本的ASK調制信號基帶信號是二元信號碼流，已調波幅度在滿幅度和零之間變化。載波幅度為滿幅度(On)對應數字1；載波幅度為零(Off)對應數字010011t基帶信號已調波信號復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎5OOK信號的調制方法載波基帶信號vASK載波發(fā)生器開關基帶信號vASK用二極管作開關的電路例子復旦大學電子工程系

3、 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎6OOK信號的解調方法l 同步解調（相干解調）：用乘法器實現l 包絡解調（非相干解調）：取樣判決器帶通濾波器低通濾波器參考信號vASK取樣判決器帶通濾波器低通濾波器vASK包絡檢波器復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎7頻移鍵控 FSK基帶信號是二元信號碼流，已調波的頻率有兩個：對應數字1，頻率為f1，對應數字0，頻率為f2基帶信號已調波信號(相位連續(xù))10011tt已調波信號(相位不連續(xù))復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎8FSK信號的調制方法l 直接調頻：壓控振蕩器vFSK基帶信號特點： 相位連續(xù) 頻率穩(wěn)定度不高復旦

4、大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎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vFSK復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎10FSK信號的解調方法l 同步解調（相干解調）：用乘法器實現比較判決器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vFSK復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎11 包絡解調（非相干解調）：比較判決器f1帶通濾波器包絡檢波器f2帶通濾波器vFSK包絡檢波器復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎12OOK和FSK射頻模塊舉例lFSK/ASK 兩種

5、調制方式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內部集成了所有的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復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎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

6、波頻率300470MHz，最大輸出功率2.5dBm，最大基帶數據率20kb/s復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎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，最大基帶數據率4.8kbps復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎15二進制相移鍵控 2PSK基帶信號是二元信號碼流，已調波相位隨基帶信號而變化。對應數字1，已調波相位與參考相位同相，對應數字0，已調波相位與參考相位反相10011t基帶信號已調波信號相

7、位參考信號復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎16二進制差分相移鍵控 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：原始數據流中出現數字1，則變換后的數據發(fā)生變化（0變1，或1變0）；原始數據流中出現數字0，則變換后的數據不變。這樣變換后的碼流稱為相對碼，這種調制方式稱為2DPSK10011基帶信號(絕對碼)已調波信號基帶信號(相對碼)復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎17絕對碼-相對碼轉換電路絕對碼相對碼時鐘001011D=1DAB絕對碼時鐘相對碼AB復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎18相對碼-絕對碼

8、轉換電路相對碼絕對碼時鐘001011D=1DAB絕對碼時鐘相對碼AB復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎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 直接調相方式（乘法器實現）其中乘法器可用二極管環(huán)型調制電路載波雙極性基帶信號二進制差分相移鍵控的調制復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎20絕對碼-相對碼變換振蕩器移相切換開關cosCAtcos()CAt基帶信號2DPSK 相位選擇方式（開關切換）復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎21l極性比較法解調（相干解調）二進制差分相移鍵控的解調取樣判決器帶通

9、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（非相干解調）取樣判決器帶通濾波器低通濾波器vDPSK延時復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎22二進制數字調制系統(tǒng)的性能l誤碼率 其中調制方式解調方式相干解調非相干解調ASKFSKPSK1erfc/42r1erfc2r1erfc/22r1exp/42r1exp/22r1exp2r 22erfcexp()xxydy，r是信噪比復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎23-1001020107106105104103101100102信噪比(dB)信噪比(dB)誤誤碼碼率率ASK 相干解調ASK

10、非相干解調FSK 相干解調FSK 非相干解調PSK 相干解調PSK 非相干解調復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎24l頻帶寬度2BWT設傳輸的碼元寬度為 T，則二進制數字調制后的信號帶寬為：ASK 和 PSK：FSK：122BWffT復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎25多進制數字調制l多進制數字調制的目的提高頻帶利用率，提高傳輸可靠性l多進制基帶信號將串行的基帶數字信號分組，每組包含2n個二進制數，稱為一個符號復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎26l4PSK （四進制相移鍵控）基帶信號是4元信號碼流，對應符號00、01、10、11，

11、載波的相位分別為225、135、315、45度11100100cosCtsinCt復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎274PSK 的信號波形31545225451352254510111100110100參考相位4PSK 波形相移(度）符號復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎284PSK 調制電路單-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行絕對碼-相對碼變換）復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎294PSK 解調電路BPF并-串變換1001c

12、osCtsinCt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號進行相對碼-絕對碼變換）復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎30載波恢復l相干解調的關鍵是恢復載波。l若發(fā)送的信號中已經有載波分量，在接收端只要直接用鎖相環(huán)提取（載波跟蹤）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波中恢復參考載波信號，此時的載波提取電路一般包含兩部分：一、非線性運算產生載頻，二、鎖相環(huán)的跟蹤提取載頻。l很多情況下，載波恢復與解調同時完成。復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎31平方環(huán)2PSK信號為( )( )cos()cv ta

13、 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倍頻信號，最后分頻就得到恢復的載波復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎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 可以對信號進行4次方。4次方后，a、b將都被轉變?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信號進行m次

14、方后都可以得到m倍載頻信號復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎33COSTAS環(huán)112232( )( )cos()( )cos()( )sin()cococv ta ttv tVtv tVt假設鎖相環(huán)鎖定，則有復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎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此信號與調制

15、無關，鎖相環(huán)鎖定在載波上4121( )( )cos()( )2ov ta t Vk a t解調信號復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎35位同步信號提取l位同步信號用于解調后的抽樣判決l現代數字通信中幾乎都不單獨發(fā)送位同步信號，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)提取位同步信號復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎36常見的編碼舉例復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎37位同步信號提取電路結構 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)根據這些脈沖，恢復出同步信

16、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復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎38一個實際的位同步信號提取電路例子復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎39一個實際的位同步信號提取電路例子實測波形復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎40其他形式的數字調制方式簡介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：相位不連續(xù)，造成已調信號的頻譜展寬或者發(fā)生頻

17、譜再生，導致頻帶利用率低下MSK (Minimum Shift Keying) 可以看作相位調制，也可以看作頻率調制。其最大特點就是保證已調波的相位連續(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行濾波，進一步提高了MSK的帶外衰減，已經應用在GSM移動通信上復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎41若將MSK看作一種二進制頻移鍵控，基帶碼元的寬度為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，當取N=1，m=0時， 。1235,44ffTT12,22 TTf1f2假定載波

18、的初始相位均為0，在一個碼元結束時，它們的相位分別為 復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎42由于要求已調信號的相位連續(xù)，所以MSK信號的前后碼元之間存在一個相位約束：當前后碼元相同（都為1或都為0）時，不改變載波相位；當前后碼元不同時，載波相位要根據前一個碼元結束時的相位確定是否改變 。MSK調制的已調波波形111000f1f2復旦大學電子工程系 陳光夢2022-3-5高頻電路基礎43lQAM（正交幅度調制）cosCtsinCt13-1-313-1-316QAM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行多元幅度調制，最后將兩個調幅信號疊加常見有 16QAM、64QAM 、128QAM等每個符號