高频电子技术ppt课件

第9章 数字调制与解调,如同模拟信号需要调制一样，数字信号也需要调制。由于数字信号具有丰富的低频成分，不适宜直接进行无线传输或长距离电缆传输，因此必须对数字基带信号进行调制。 数字调制是指调制信号是数字信号，载波为余弦波的调制。,1,数字调制称为“键控”,数字调制的调制信号是1和0的离散取值，所以把数字调制称为“键控”。与模拟调制一样，数字信号可以对载波的振幅、频率和相位进行调制，分别称为振幅键控(ASK: amplitude shift keying)、移频键控(FSK: frequency shift keying)和移相键控(PSK: phase shift keying)。,2,数字调制的分类,前面已经谈到，数字调制的基本类型有振幅键控、移频键控和移相键控。又根据数字调制信号是二进制数字信号还是多进制数字信号分为二进制数字调制和多进制数字调制；根据传递信息是利用载波参量的绝对值还是载波参量的相对变化，又可分为绝对调制和相对调制。,3,现代通信系统广泛采用数字调制技术。这是因为与模拟调制相比，数字调制具有抗干扰能力强、保密性能好，可以同时传递语音、图像和数据等优点。随着大规模集成电路（Very Large Scale Integrated circuit，VLSI）和数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）技术的发展，使数字调制系统向着更为可靠和小型化发展，而且，除了用硬件实现外，还广泛采用软件实现，使其具有更大的灵活性。,4,1二进制调制和多进制调制 二进制调制中，信号参数只有两种可能的取值，二进制信号对载波进行调制，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。图9-1给出了二进制振幅键控，移频键控和移相键控的波形图。 多进制调制中，信号参数有M种可能取值，在实际应用中，通常取M=，n为大于1的正整数。M进制调制可以使信息传输率增加，提高频带利用率，其代价是增加了信号功率和实现上的复杂性。,5,图9-1二进制调制波形图,6,2绝对调制和相对调制 绝对调制是利用载波参数的绝对值来传递信息。例如，利用载波幅度的绝对跳变的ASK、利用载波频率值的绝对跳变的FSK、利用载波相位值的绝对跳变的PSK等。图9-1中的ASK、FSK、PSK三种波形均属于绝对调制。 相对调制是利用载波参数的相对变化来传递信息。例如，差分移相键控（DPSK）是以相邻的前一个码元的载波信号相位为基准，当码元为“1”时，载波相位取与前一个码元的载波相位相同，而当码元为“0”时，载波相位取与前一个码元的载波相位相差180。，如图9-1e所示。相对调制的优点是，解调时可以不需要载波提取，则电路简单且可以减小误码。,7,8,1二进制振幅键控的调制 用一个相乘器将数字基带信号和载波相乘，就可以产生二进制振幅键控信号，其数学模型如图9-2 a所示。也可直接用数字基带信号去控制一个电子开关，当出现l码时，开关拨向载波端，输出载波；当出现0码时，开关拨向接地端，无载波输出，从而获得2ASK信号。如图9-2b所示。,9,图9-2二进制幅度键控(2ASK)的调制,10,2二进制振幅键控的解调 二进制振幅键控信号的解调一般可采用包络检波方式，其电路框图如图9-3所示。2ASK信号通过带通滤波器滤波后，经二极管检波，再由低通滤波器滤除残余高频后，送到抽样判决器然后获得解调输出，图中的抽样判决对于提高数字信号的接收性能是十分必要的。,11,图9-3二进制幅度键控(2ASK)信号的解调,12,由前面介绍的模拟调制系统可知，经检波器解调出的信号，就是原调制信号。如果在整个传输系统中（包括发射机、传输媒介和接收机），一旦产生失真和干扰，它们对解调信号的影响一般是无法清除的，这正是模拟调制的缺点。而在数字调制系统中，如果同样产生了上述失真和干扰，可以采用抽样判决技术不失真地重现原调制信号。如二进制调制信号数字序列为1001，则对应的2ASK信号如图9-4a所示，解调后的波形如图9-4b，可见存在着失真和干扰，图9-4c是与数字信号同步的窄脉冲时钟信号，用它对解调信号在最大值上抽样，抽样后的信号为一振幅不同的周期性脉冲序列，如图9-4d所示。然后将它与判决电平Uo比较，当振幅大于Uo时，判为1，否则判为0，图9-4e为判决后的窄脉冲序列。由它再去触发单稳电路，便可以重现原调制信号波形，如图9-4f所示。可见，只要失真和干扰在抽样脉冲出现期间，其抽样信号的振幅不超过Uo，就不会误判，可以准确地恢复原调制信号。,13,图9-4 抽样判决不失真地重现原调制信号,14,15,二进制移频键控信号的产生 二进制移频键控信号可以用模拟调频电路产生，但由于载波频率不需随调制信号连续变化，而只有两种取值，所以可用更简单的方法实现。可以用两个振荡器分别产生频率为f1和f2的载波，在二进制调制信号的控制下，按1或0分别选择一个载波输出，最后合成的信号就是2FSK已调信号，图9-5就是二进制移频键控调制电路的框图。,16,图9-5二进制移频键控(2FSK)调制电路框图,17,二进制移频键控信号的解调 由以上二进制移频键控信号的数学表达式及波形可见，它可以看成是两个不同载波的振幅键控已调信号之和，所以，2FSK信号的解调，可以使用和2ASK信号解调完全相同的方法，只是使用两路解调电路而已。例如使用包络检波的解调电路如图9-6所示。,18,图9-6二进制移频键控(2FSK)解调器框图,19,如前所述，2FSK信号是由两个频率分别为f1和f2的2ASK信号合成的。用两个中心频率分别为f1和f2的带通滤波器对2FSK信号进行滤波，可以将其分离成两个2ASK信号。然后对每个2ASK进行解调，并将两个解调输出送到相减器。相减后的信号是双极性信号，在取样脉冲的控制下进行判决就可完成2FSK信号的解调。,20,21,1二进制移相键控调制器 二进制移相键控调制器组成的框图如图9-7所示，载波发生器和移相电路分别产生两个同频反相的余弦波，由数字基带信号控制电子开关进行选通：当信码为1时，输出0相载波；当信码为0时，输出相载波，从而获得2PSK信号。,22,图9-7二进制移相键控(2PSK)调制器组成框图,23,2二进制移相键控解调器 二进制移相键控信号的解调可用同步（相干）解调，同步（相干）解调器的框图如图9-8所示。,24,图9-8二进制移相键控(2PSK)解调器组成框图,25,图9-9 二进制移相键控解调器各点的波形,26,从图9-9可以看出，当本地恢复载波与2PSK信号的载波同相时，经同步（相干）解调器解调出的信码与发送信码完全相同（不考虑传输误码）。但本地恢复载波也可能与2PSK信号的载波反相，这时经相干解调器解调出的信码与发送信码的极性完全相反，形成1和0的倒置。这对于数字信号的传输来说当然是不能允许的。 为了克服这种因本地恢复载波相位不确定性而造成相干解调1和0的倒置现象，通常采用差分相移键控的方法。,27,9.5二进制差分移相键控的产生与解调 二进制差分移相键控（DPSK）信号的相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。由于它是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，因而称为绝对移相键控。利用载波相位的相对数值也同样可以传送数字信息，这种利用前后码元的载波相位相对变化传送数字信息的方式称为差分移相键控。 二进制差分移相键控属于相对调制。图9-1e已给出了DPSK信号的波形图。 二进制差分移相键控信号的产生 为了产生二进制差分移相键控信号，先要将原调制信号的二进制码变换为差分码，然后再用产生BPSK信号一样的调相器进行绝对调相。2DPSK调制器的组成框图如图9-10所示，与2PSK所不同的是在电路加了一个“码变换器”，用于将绝对码变为相对（差分）码，然后再进行绝对调相。,28,图9-10二进制差分移相键控(DPSK)调制器组成框图,29,二进制差分移相键控信号的解调 二进制差分移相键控信号的解调可采用同步（相干）解调，2DPSK信号同步（相干）解调器如图9-11所示。,30,图9-11二进制差分移相键控(DPSK)解调器组成框图,31,2DPSK解调器各点色波形如图9-12所示。由图9-12可看出，对于2DPSK信号来说，不管本地恢复载波的相位与2DPSK信号的载波同相还是反相，在不考虑传输误码的情况下，其解调结果的信码与发送信码完全一致。因此，在现代数字通信中广泛采用DPSK信号传输信息。,32,图9-12 二进制差分移相键控解调器各点的波形,33,9.6多进制数字调制与解调 二进制数字调制的基带信号只有0，1两种状态。在二进制系统中，随传码率的提高，所需信道带宽增加。采用多进制可降低码元速率，减小信道带宽。 多进制数字调制中，有多进制振幅键控（MASK），又称多电平振幅调制，它是用高频载波的多个振幅去代表数字信息；多进制移频键控（MFSK），又称多元调频，它用多个载波频率与多种数字信息相对应；多进制移相键控（MPSK），也称多元调相，它利用具有多个相位状态的正弦波来代表多组二进制信息码元。也有把携带信息的两个参数组合起来进行调制的，例如将振幅和相位组合得到多进制幅相键控（MPSK）或它的特殊形式多进制正交振幅调制（MQAM）等。多进制调制中，信号参数有M种可能取值，在实际应用中，通常取M=，n为大于1的正整数。下面就比较常用的四进制移相键控（QPSK）调制与解调作简单介绍。,34,四进制移相键控信号的产生 根据四进制移相键控QPSK信号的特点，QPSK信号的产生可以由两个二进制调相电路组成，如图9-13所示。输入的二进制数字信号B（t）首先经串并变换电路分成速率减半的两路数字信号和。它们分别按和规则变换，然后两路信号分别对正交载波信号和进行双边带调制，产生相互正交的BPSK信号，最后在相加器中相加，获得QPSK信号。,35,图9-13 QPSK信号的产生,36,四进制移相键控信号的解调 四进制移相键控QPSK信号的解调是其产生的逆过程。可以用两个正交的载波信号进行同步（相干）解调。同步解调首先要提取载波，再经2移相网络产生正交载波信号，分两路同步解调，再通过取样判决电路分别获得和信号，最后通过并串联变换电路还原成原始的二进制数字信号，电路框图如图9-14所示。,37,图9-14 QPSK信号的解调,38,4其他多进制调制 除了四进制移相键控外，多进制移相键控还可以有8PSK、16PSK等，但是移相数目越多，电路实现就越困难。随着大规模集成电路和数字信号处理技术的发展，特别是速度快、容量大的现场可编程序门阵列器件FPGA和CPLD的出现，使多进制移相键控调制解调电路可以编程固化在单片FPGA和CPLD芯片内实现，从而使系统结构简化，并且降低了成本。 在多进制调制方式中还有一种调制方式正得到日益广泛的应用，就是多进制正交调幅（MQAM）。正交调幅（QAM）实际上是振幅移相调制，即数字基带信号同时控制载波的振幅和相位，使数字信息包含在载波的幅度和相位中。正交调幅可以使频带利用率提高一倍。正交调幅采用多进制方式，就是多进制正交调幅（MQAM）。其中M可取4、16、32、64、128和256等，最常用的是16和64进制，即16 QAM和64QAM。MQAM比相应多进制的MPSK调制抗干扰能力强，故在现代通信领域中受到重视。MQAM信号的调制与解调也可以同QPSK信号的调制与解调一样，可采用正交调制与同步（相干）解调，只是电路更复杂一些。有兴趣的读者可参阅相关的资料。,39,本章小结 1数字调制的调制信号是1和0的离散取值，所以把数字调制称为键控。与模拟调制一样，数字信号可以对载波的振幅、频率和相位进行调制，分别称为振幅键控（ Amplitude Shift Keying，ASK）、移频键控（ Frequency Shift Keying，FSK）和移相键控（ Phase Shift Keying，PSK）。 2二进制振幅键控是用二进制调制信号控制载波的幅度，使其随二进制1和0的数字基带信号变化。用一个相乘器将数字基带信号和载波相乘，就可以产生2ASK信号。二进制振幅键控（2ASK）信号的解调一般可采用包络检波方式。 3二进制移频键控（2FSK）是用二进制调制信号控制载波的频率，使其随调制信号l或0变化。二进制移频键控信号可以用模拟调频电路产生，也可用两个振荡器分别产生频率为f1和f2的载波，在二进制调制信号的控制下，按1或0分别选择一个载波输出，最后合成的信号就是2FSK已调信号。二进制移频键控（2FSK）信号可以看成是两个不同载波的振幅键控已调信号之和，2FSK信号的解调，可以使用和2ASK信号解调完全相同的方法，只是使用两路解调电路而已。,40,4二进制移相键控（2PSK或BPSK）是使载波相位随调制信号1或0变化而变化的调制方式。如当调制信号为1时，载波相移0；当调制信号为0时，载波相移180。BPSK信号可以看成是由二进制调制信号与载波信号相乘产生的双边带抑制载波调幅波，所以，BPSK信号可以采用乘法器产生，而它的解调可采用同步（相干）检波。 5用前后码元的载波相位相对变化传送数字信息的方式称为差分移相键控。二进制差分移相键控（DPSK）属于相对调制。为了产生DPSK信号，先要将原调制信号的二进制码变换为差分码，然后再用产生BPSK信号一样的调相器进行绝对调相。 二进制差分移相键控（DPSK）信号的解调可采用同步（相干）解调。 6多进制数字调制中，有多进制振幅键控（MASK），它用高频载波的多个振幅去代表数字信息；多进制移频键控（MFSK），它用多个载波频率与多种数字信息对应；多进制移相键控（MPSK），它利用具有多个相位状态的正弦波来代表多组二进制信息码元。也有把携带信息的两个参数组合起来进行调制的，例如将振幅和相位组合得到多进制幅相键控（MPSK）或它的特殊形式多进制正交振幅调制（MQAM）等。,41,