1、調制解調原理調制解調原理Eric LiuhuiEverybody plays fool, sometimes.An Introduction of Modulation and Demodulation主要內容主要內容 前話 信號與調制 基帶調制信號 帶通模擬調制 帶通數字調制 后話前前 話話通訊以人為本傳播（六觸） 檢測（六根） 色 聲 香 味 法 觸 眼 耳 鼻 舌 意 身 現代通訊 將頻率拓展開來，從DC到THz，幾乎就是全部現代電子通訊。 聲納，探測和雷達 4D電影？似乎就是OSI的協議結構 未見應用 請將你的手機設到振動位置 Communication在分析和處理問題時，每個人都有一

2、個自覺和不自覺的哲學。前前 話話（續）（續） 傳播本應無極限 電/光信號（場）可以在雙絞線、同軸電纜、波導、光纜、大氣、真空中傳播； 聲音可以在金屬、大氣、水中傳播。 領悟才顯真功夫 信號的變化可以傳遞信息 檢測信號的變化就可以檢測到信息。信 源信 道信 宿通訊：主要是恢復信源加載的信息探測：主要是檢測信道加載的信息信源和信道都可以做為加載信息（噪聲）的途徑實際上卻受到各種限制和影響。在各種限制和影響中，實現信息的準確傳遞。什么是調制？什么是調制？ 對信號的參數進行調制。 基帶信號的脈幅、脈寬、脈位。 帶通信號的幅度、頻率和相位。 改變信號的參數就是調制，檢測信號參數的變化就是解調。任何一種可

3、以可靠檢測到的信號特征的變化，都可以攜帶信息。傅里葉級數表示信號傅里葉級數表示信號（數學分析模型）（數學分析模型） 正交函數（atb) 正交傅里葉級數 極坐標傅里葉級數dtttmabn)()(0， nmKn， n=m0000sincos)(nnnntnQtnItw100)cos()(nntnDnDtwetjnwtn0)(nnetjnwCtw0)(ftjfteftj2sin2cos2復指數函數是一種正交函數歐拉公式信號的坐標表示信號的坐標表示 極坐標和垂直坐標0000sincos)(nnnntnQtnItw100)cos()(nntnDnDtw矩形脈沖的級數綜合矩形脈沖的級數綜合 級數（諧波）次

4、數取得越多，越接近原始波形。脈沖的沿越是陡峭，所含的高頻分量越豐富。信號波形合成信號波形合成（時域綜合）（時域綜合） 利用正交函數合成波形函數 發生器1函數 發生器2函數 發生器Na1a2aN時 鐘1(t)2(t)N(t)etjnwtn0)(f2信號的頻譜信號的頻譜 信號的傅里葉變換，完成時域到頻域的變換。f2dttwfWeftj2)()(ftjfteftj2sin2cos2efjfWfW)(| )(|)()()()(fjYfXfW傅里葉變換提供了頻域分析和綜合的手段。脈沖函數及其頻譜脈沖函數及其頻譜 脈沖函數的頻譜tA2S(t)2 A ffAfXsinf X(f) 1 2 3 4 6 5 7

5、 -1 -2 -3 -4 -6 -5 -7 正弦函數及其頻譜正弦函數及其頻譜 正弦函數的頻譜ATtS(t)fS(f)1/T-1/TA)1(2)1(2| )(|TfATfAfX基帶信號和帶通信號基帶信號和帶通信號 基帶信號（Baseband) 信號的能量集中在直流（零頻）附近。 一般只能做有線傳輸。 UBW是一種無線傳輸的情況。 帶通信號（Passband） 能量只集中在一個載波頻率附近。 模擬調制：模擬基帶信號（連續信號）對載波進行調制； 數字調制：數字基帶信號（有限符號集）對載波進行調制； 用作無線傳輸和長距離有線傳輸。信號的劃分不是絕對的。幾種帶通調制信號波形幾種帶通調制信號波形 幅度調制

6、、頻率調制和相位調制、幅相調制幅度調制頻率調制相位調制幅相調制單載波調制（單載波調制（SC） 單載波調制ftjfteftj2sin2cos2f2多載波調制（多載波調制（OFDM） 多載波調制方法（OFDM）頻域綜合頻域綜合 傅里葉變換提供了另外一種信號分析和綜合的途徑。)()()(tstwtws)(*)()(tstwtws)(*)()(fStWfWs)()()(fSfWfWs頻域綜合IFFTWs(f)ws(t)常見調制信號分類常見調制信號分類基帶調制信號 PAM,PCM,DPCM,DM,PWM及PPM。帶通模擬調制信號 AM,DSB-SC,SSB,VSB,PM及FM。帶通數字調制信號 ASK(

7、OOK),BPSK,QPSK,MPSK,FSK,MSK,QAM,DSSS,FHSS及OFDM。基帶調制信號基帶調制信號 脈沖幅度調制（PAM） 脈沖編碼調制（PCM） 差分脈沖編碼調制（ DPCM ） 增量調制（DM） 脈寬調制（PWM）和脈位調制（PPM） 線路編碼 濾波與碼間干擾 噪聲與誤碼 眼圖脈沖幅度調制（脈沖幅度調制（PAM） 通過對模擬基帶信號進行采樣得到PAM信號； PAM信號提供了從模擬信號（連續時間）到離散信號轉化； 采樣輸出的信號：模擬到離散 DAC輸出的信號：離散到模擬時 鐘S(t)w(t)ws(t)=w(t)s(t)PAM的信號波形的信號波形 PAM提供了時分復用解決方

8、法。0ws(t)t0w(t)t0t模擬基帶信號抽樣沖擊脈沖PAM信號kskTsthkTswtw)()()()()()(tstwtwskkTsthts)()()(twPAM的頻譜的頻譜 PAM的頻譜比模擬信號寬，傳輸質量低于模擬信號； PAM的解調可以通過低通濾波器直接取出直流附近頻譜，即可恢復模擬信號。)( fW)(*)()(fSfWfWsksskfffHTfS)()(1)(kssskffWfHTfW)()(1)(rfrfTfHTss)sin(| )(|10fs2fs3fs-3fs-2fs-fs-BB1fffs=4B, /Ts=1/3PAM信號的解調信號的解調 使用低通，直接取出直流附近頻譜。

9、 使用乘法檢波，取出nfs處的頻譜 去除線路傳播時在直流附近感染的噪聲低通濾波器 H(f)PAM模擬信號低通濾波器 H(f)PAM模擬信號PAMw(t)Cw(t)振蕩器 o=nscos(ns) 脈沖編碼調制（脈沖編碼調制（PCM） 對PAM信號進行量化和編碼后，就可以得到PCM。瞬時抽樣和保持模擬信號量化器，M個量化電平PAM編碼器量化PAMPCM連續時間到離散時間連續幅度到離散幅度信源編碼，如格雷碼量化臺階可以不均勻，如律和A律PCM信號波形信號波形 PCM信號波形 信號比特率R=nfs n=log2M 檢測 DAC后還原PAM信號。 再經低通還原模擬信號。模擬信號PAM信號PCM信號用多個

10、二進制位表示一個PAM脈沖差分脈沖編碼調制（差分脈沖編碼調制（DPCM） 只傳輸相鄰兩個碼沖的差值。 減少冗余和降低信號帶寬。 8bit4bit, 64kbps32kbps抽樣器模擬信號M量化器PAM編碼器量化DPAMDPAM預測器+DPCM增量調制（增量調制（DM） 一種極端的DPCM信號，1bit增量。 實現十分簡單,成本低。DM信號信號 DM的信號。 兩類量化噪聲。 斜率過載噪聲 顆粒噪聲 選取合適的量化臺階模擬信號VIN(t)積分器Vi(t)輸出信號VOUT(t)斜率過載噪聲顆粒噪聲自適應增量調制（自適應增量調制（ADM） 量化臺階可變：脈寬調制（脈寬調制（PWM）和脈位調制（）和脈位

11、調制（PPM） 脈寬調制和碼位調制統稱為脈沖時間調制（PTM）。 脈寬調制（PWM）也稱為脈沖持續期調制（PDM）。PWM和和PPM PWM和PPM可以通過積分器進行檢測。 PWM可以采用低通直接濾波進行檢測。 PWM的應用 電源控制 - DAC 數字鑒相器 PPM的應用 數字AGC 超寬帶（UBW)位（位（bit）與符號（）與符號（symbol） 位（bit） 二進制單位，包括0，1。 符號（symbol) 一個PAM脈沖理解為一個符號。多電平的PAM脈沖需要多個二進制位來表示。 位速率是符號速率1/n，n=log2m。二電平符號速率 = 位速率。線路編碼（線路編碼（Line Coding）

12、 信號電平 單極性信號（Unipolar） +A, 0 極性信號（Polar） +A，-A 雙極性（Bipolar） +A, 0, -A 編碼方式 不歸零碼（NRZ), 在脈沖持續期間一直保持信號電平。 歸零碼（RZ)，在脈沖持續期間，信號電平恢復到0。 曼徹斯特碼（Manchester），將一個二進制位用兩個二進制位表示，10表示1, 01表示0. 差分編碼 en=dn en-1 不需要區分電路極性，有線線路可反接，可反相。常用在無線中常用在有線中常用在網線中-Tbdnenen-1幾種典型二進制線路碼幾種典型二進制線路碼 單極性NRZ 極性NRZ（NRZ-L） 單極性RZ 雙極性RZ（RZ-

13、AMI) 曼徹斯特NRZ直流分量大，TTL檢錯能力，時鐘易恢復，但是怕連0碼。可以改進成HDBn碼時鐘易恢復，但是帶寬要求高。能量集中在0頻附近，誤碼性能好需直流耦合，易于恢復時鐘二進制線路碼的功率譜（二進制線路碼的功率譜（PSD） 歸零碼的在直流附近無能量，可用交流耦合，不歸零碼能量集中在零頻附近，需直流耦合。單極性NRZ，極性NRZ，雙極性RZ的第一零點帶寬為R單極性RZ，曼徹斯特NRZ的第一零點帶寬為2R單極性RZ濾波（濾波（Filtering) 為什么要濾波？ 實際上模擬信號的帶寬是很寬的，遠超出我們需要的帶寬。 傳輸信道的帶寬是有限的。 信號采樣過程造成頻譜混疊。 接收端濾除傳輸信道

14、感染的帶外噪聲和干擾。 濾波不應該造成碼間干擾（ISI） 奈奎斯特第一準則。0, 00,)(kkCkThsefs碼間干擾（碼間干擾（ISI) ISI-在最佳采樣時刻疊加了相鄰脈沖的信號。 不合適的信道濾波。 ISI需要采用均衡器糾正。0, 00,)(kkCkThse理想低通濾波器理想低通濾波器 滿足ISI要求。 理想低通難以實現。 時域擴展。升余弦（升余弦（Raised Cosine）濾波）濾波 時域擴展時間的兩次方率衰減。 滾降系數，又稱超越帶寬。濾波造成了峰值功率比的變化。均衡（均衡（Equalizing） 在時域對脈沖進行均衡，一般采用抽頭移位寄存器結構，抽頭系數由具體的均衡算法給出來。

15、相信均衡器專題講座中會有更精彩的介紹。噪聲與誤碼噪聲與誤碼 隨機噪聲符合正態分布。誤碼率誤碼率 以0、1兩電平為例，0電平因疊加噪聲可能超過1/2被誤判為1，造成誤碼。其中：所以：誤碼率（續）誤碼率（續） 可以繪出誤碼曲線計算誤碼率：計算信噪比：實際應用中，信噪比和濾波器、檢測方法有關。判決電平為6時的誤碼？眼圖（眼圖（Eye Diagram) 眼圖容易觀察信號質量。 水平方向為脈沖周期的倍數。 信號重復掃描，通過示波器余輝觀察。最佳采樣時刻噪聲邊際3 電平眼圖采樣定時靈敏度濾波器對眼圖的影響濾波器對眼圖的影響 濾波器滾降系數越小，對定時的要求越高。=100%=25%=25%噪聲和干擾對眼圖的

16、影響噪聲和干擾對眼圖的影響 噪聲和干擾都可以造成誤碼。碼同步碼同步 雙極性NRZ碼的同步。w1(t)w2(t)w3(t)w4(t)w1(+NTs+)w1(+NTs-)超前樣本：w1(+NTs-)滯后樣本：w1(+NTs+)超前滯后同步環最佳抽樣時刻樣本：w1(0+NTs)最佳抽樣相位：00Ts|w1(0+NT s+)| |w1(0+NT s-)| w2(t)=|w1(+NT s-)| -|w1(+NT s+)| w3(t)=, 取平均后控制VCCw4(t)= （ 0+NT s）正電壓VCC頻率增大負電壓VCC頻率減小抽樣點波形抽樣點波形 |w1(+NT s-)| 和|w1(+NT s+)|相等

17、，VCC控制電壓為0，頻率不變。 |w1(+NT s-)| 高于|w1(+NT s+)|，VCC控制電壓為正，頻率增大。 |w1(+NT s-)| 低于|w1(+NT s+)|，VCC控制電壓為負，頻率增大。|w1(+NT s-)|w1(+NT s+)|w1(0+NT s)|采樣滯后采樣超前擾碼（擾碼（Scramble） 長時間連續電平傳輸，信號不反轉將失去時鐘信息。 需要對信號進行隨機化（Randomization）處理，以使信號反轉頻率提高。134xxy帶通模擬調制帶通模擬調制線性調制（Linear Modulation） 調幅信號（AM） 雙邊帶載波抑制調制信號（DSB-SC） 單邊帶調

18、制信號（SSB） 殘余邊帶調制信號（VSB） 正交調幅信號（QM）角調制（Angle Modulation） 調頻信號（FM） 調相信號（PM）帶通信號的通用表達帶通信號的通用表達 通用表達式： 幾種調制形式的包絡函數：tjcetgts)(Re)()()(tmgtg其中：g(t)為復包絡信號，m(t)為基帶信號調制類型復包絡映射函數AMDSB-SCSSBPMFMQM)(1)(tmAtgc)()(tmAtgc)()()(tmjtmAtgc)()()(21tjmtmAtgc)()(tmjDcpeAtgtdmfjDceAtg)()(調幅信號（調幅信號（AM） 調幅信號)(maxmaxtmAAAcc)

19、(minmintmAAAcc2)(min)(max2minmaxtmtmAAAc正調制度（指數）：負調制度（指數）：總調制度（指數）：頻譜：AM信號調制信號調制 指數律調制 可變增益放大器調制 開關調制AM的檢測的檢測 1，可采用包絡檢波。 由二極管取出上半部分波形半余弦脈沖取樣PAM。 低通恢復基帶信號。AM的檢測（續）的檢測（續） 使用乘積檢波。AM總結：1. 調制解調簡單。 2. 是基帶信號兩倍的帶寬。 3. 存在載波分量，電源效率低。也可稱為DSB-WC/LC雙邊帶載波抑制調制信號（雙邊帶載波抑制調制信號（DSB-SC） 沒有載波分量，相當于=的AM信號。頻譜：相位反轉如果m(t)取極

20、性NRZ碼+1,-1，就成為BPSK信號。DSB信號調制信號調制 平衡調制器 二極管環調制器相當于載波抑制的平衡混平器。DSB-SC解調解調 因為載波被抑制了，首先需要恢復載波。如果載波不同步，角為變量，造成幅度衰落，無法恢復調制信號。載波同步，角為0，濾除高次項，可恢復調制信號DSB-SC載波恢復載波恢復 載波的恢復必須使用載波恢復環路。 使用平方環恢復載波。缺點：180度相位模糊，采用差分編碼，或加入同步字可以消除DSB-SC載波恢復載波恢復 科斯塔斯（Costas）環恢復載波。缺點：也存在180度相位模糊DSB-SC變通變通 加入導頻簡化解調。調制時加入微弱載波分量解調時用窄帶濾波器取出

21、載波DSB-SC總結：1. 沒有載波分量，電源效率低。 2. 是基帶信號兩倍的帶寬。 3. 調制解調復雜，加入導頻可簡化解調。相當于1的AM信號，是AM和DSB-SC的折衷。單邊帶調制信號（單邊帶調制信號（SSB） DSB的信號載波兩邊頻譜是對稱的，實際上只需要任何一邊的頻譜就可以恢復完整信息。上邊帶調制（USB）：下邊帶調制（LSB）：頻譜：頻譜：SSB調制調制 使用濾波器直接濾除邊帶。 使用Hilbert變換，鏡像抑制邊帶。相當于鏡像抑制混頻器SSB調制（續）調制（續） 韋佛（Weaver，1956）法產生SSB信號。W是基帶信號帶寬SSB解調解調 相干解調。殘余邊帶調制信號（殘余邊帶調制

22、信號（VSB） VSB既節省了帶寬，又容易檢測。 當存在一個大載波信號時，可以采用包絡檢波。VSB濾波器特性濾波器特性 VSB濾波器滿足：DSB頻譜濾波器傳輸函數VSB頻譜VSB濾波器限制VSB乘積檢波乘積檢波 乘積檢波器VSB信號實例信號實例 NSTC的電視信號正交調幅信號（正交調幅信號（QM） QM信號的調制。QM信號解調信號解調 QM信號的解調。角度調制（角度調制（Angle Modulation) 角度調制信號表達式: 調相（PM）信號： 以PM來看調頻（FM）信號，相位是頻率的積分：最大相移：最大頻偏：以FM看PM，頻率是相位的微分：角度調制（續）角度調制（續） 瞬時頻率。 瞬時相位。 調制常數（modulation Constant)M(t)歸一化后，取出系數最大偏移 = 調制常數和歸一化系數的乘積in角度調制（續）角度調制（續） 調制度（Modulation