第7章 数字调制解调电路

第7章数字调制解调电路7.1概述7.2二进制振幅键控(ASK)调制与解调7.21ASK调制7.22ASK解调7.3二进制频移键控(FSK)调制与解调7.3.1FSK信号的产生7.3.2FSK信号的解调7.4二进制相位键控(PSK)调制与解调7.4.1绝对调相相对调相7.5多进制数字调制系统7.5.1多进制数字振幅调制(MASK)系统7.5.2多进制数字频率调制(MFSK)系统7.5.3多进制数字相位调制(MPSK)系统7.6正交振幅调制7.6.1信号的产生与解调7.6.28QAM7.6.316QAM7.7其他形式的数字调制7.7.1时频调制(TFSK)7.7.2时频相调制(TFPSK)数据通信是计算机技术和通信技术相结合的产物，是计算机与计算机之间的通信，或终端与计算机之间的通信。数字调制与解调电路是数据通信系统必不可少的重要部件。本章主要介绍幅度调制（ASK）、频率调制（FSK）、相位调制（PSK）、调制与解调电路。内容提要数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调制类似，它同样可以去控制正弦振荡的振幅、频率或相位的变化。但由于数字信号的特点——时间和取值的离散性，使受控参数离散化而出现“开关控制”，称为“键控法”。数字信号对载波振幅调制称为振幅键控，即ASK（Ampl-itude-ShiftKeying），对载波频率调制称为频移键控，即FSK（Frequency-ShiftKeying），对载波相位调制称为相移键控（即相位键控）PSK（Phase-ShiftKeying）。7.1概述数字信号可以是二进制的，也可以是多进制的。若数字信号u(t)是二进制，则ASK、FSK、PSK实现原理框图及键控信号的输出波形可由图7.1表示。为了进一步提高系统的频带利用率，对于高速数字调制，常采用多幅调制MASK多相调制MPSK等。图7.1二进制数字调制的波形和方框图7.2.1ASK调制ASK有两种实现方法：乘法器实现法和键控法。1.乘法器实现法乘法器实现法的调制方框图如图7.2所示。图7.2(a)为ASK调制器框图，它的输入是随机信息序列，以｛Ak｝所示。经过基带信号形成器，产生波形序列，设形成器的基本波形为g(t)，则波形序列为7.2二进制振幅键控(ASK)调制与解调)()(kBkkTtgAtu7.2.1图7.2乘法实现器式中，TB为码元宽度；Ak是第k个输入随机信息。乘法器后的带通滤波器用来滤除高频谐波和低频干扰。带通滤波器的输出就是振幅键控信号，用uASK(t)表示。乘法器常采用环形调制器，如图7.3所示。四只二极管VD1、VD2、VD3、VD4首尾相联构成环形，故得名环形调制器。用于ASK调制的环形调制器，载波应加在1、2端，在5、6端接基带信号，并且基带信号要始终大于或等于零，即5端的电压必须始终高于或等于6端的电压。由于5端的电压始终高于或等于6端的电压，因此二极管VD2、VD4始终截止，在实际电路中VD2、VD4可省去，但环形调制器的四只二极管往往做成组件，因此VD2、VD4仍画在图7.3中。它们的存在对ASK调制没有影响。ASK调制产生的波形如图7.2(b)所示。图7.3环形调制器2.键控法键控法是产生ASK信号的另一种方法。二元制ASK又称为通断控制（OOK）。最典型的实现方法是用一个电键来控制载波振荡器的输出而获得。图7.4所示为该方法的原理框图。为适应自动发送高速数据的要求，键控法中的电键可以利用各种形式的受基带信号控制的电子开关来实现，代替电键产生ASK信号，图7.5所示就是以数字电路实现键控产生ASK信号的实例。该电路是用基带信号控制与非门的开闭，实现ASK调制。图7.4键控法产生ASK信号原理图图7.5数字电路实现ASK调制7.2.2ASK解调振幅键控信号解调有两种方法，即同步解调法和包络解调法。图7.6ASK同步解调方框图1.同步解调同步解调也称相干解调，其方框原理如图7.6所示。图中uASK(t)信号经过带通滤波器抑制来自信道的干扰，相乘器进行频谱反向搬移，以恢复基带信号。低通滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰。解调的相干载波用2cos2πfct，幅度系数2是为了消除推导结果中的系数，对原理没有影响，下面对它的工作原理及解调性能进行分析。⑴发“1”码时的情况发“1”码时，输入的ASK信号为Acos2πfct，它能顺利地通过带通滤波器。n(t)为零均值的高斯白噪声，经过带通滤波器后变为窄带高斯噪声，用ni(t)表示为因此发“1”码时，带通滤波器输出信号为tftntftntncscci2sin)(2cos)()(7.2.27.2.3tftntftnAtntfAcsccic2sin)(2cos)]([)(2cos经乘法器后输出为7.2.4tftntftnAtnAtftftntftnAcscccccscc4sin)(4cos)]([)]([2cos2}2sin)(2cos)]({[经过低通滤波器后，后两项滤除。设输出信号为x(t)，则（x(t)也就是取样判决器的输入信号）)()(tnAtxc7.2.5⑵发“0”时的情况发“0”码时，ASK信号输入为0，噪声仍然存在，此时取样判决器的输入信号x(t)为：x(t)=nc(t)7.2.6x(t)=A+nc(t)发“1”码nc(t)发“0”码7.2.7下面讨论判决问题。若没有噪声，上式简化为x(t)=A发“1”码0发“0”码7.2.8综合上面的分析，可得此时判决电平取0～A的中间值A/2，大于A/2判为“1”码，小于A/2判为“0”码。在无噪声时,判决一定是正确的，因此7.6的框图能正确解调。若噪声存在，x(t)如上式所示。式中nc(t)是均值为零的低通型高斯噪声。nc(t)和A+nc(t)的概率密度分布曲线如图7.7所示。误码率根据下式计算：图7.7ASK同步解调取样判决器)1/0()1()0/1()0(PPPPPe7.2.9式中P(0)、P(1)分别为发“0”码和发“1”码的概率；P(0/1)是发“1”码时误判为“0”码的概率；P(1/0)是发“0”码时误判为“1”码的概率。由图7.7可知，当判决电平为A/2对，正好是f1(x)与f0(x)交点的横坐标，由于正态分布曲线的对称性，故P(0/1)=P(1/0)，而且P(1)+P(0)=1，所以通常取判决电平为A/2。⑴发“1”码时的情况包络检波器的输入为ni(t)=Acos2πfct+n(t)，ni(t)为信号为信号加窄带高斯噪声，输出为信号加窄带高斯噪声的包络,它服从莱斯分布，如图7.9所示，其概率密度为2.包络解调包络解调是一种非相干解调，框图如图7.8所示。图7.8ASK包络检波图7.9ASK包络解调取样判决器2222)(2021)()(naxnneaxIxxf7.2.10⑵发“0”码时的情况包络检波器输入为ni(t)，输出则为ni(t)的包络，即噪声的包络，它服从瑞利分布，如图7.9所示。其概率密度为7.2.1122220)(nxnexxf与同步解调类似，为使误码率最小，判决电平应取f0(x)和f1(x)的交点的横坐标值，如图中x=bopt，bopt为最佳门限，经分析，得到当信噪比r1(即大信噪比)时，2Abopt7.2.12频移键控(FSK)是用不同频率的载波来传送数字信号，用数字基带信号控制载波信号的频率。二进制频移键控是用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平。接收端收到不同的载波信号再进行逆变换成为数字信号，完成信息传输过程。7.3.1FSK信号的产生FSK信号的产生有两种方法，直接调频法和频率键控法。7.3二进制频移键控(FSK)调制与解调1.直接调频法直接调频法是用数字基带信号直接控制载频振荡器的振荡频率。图7.10所示是直接调频法的具体电路之一。二极管VD1、VD2的导通与截止受数字基带信号控制，当基带信号为负时（相当于“0”码），VD1、VD2导通，C1经VD2与LC槽路并联，使振荡频率降低（设此时频率为f1），当基带信号为正时（相当于“1”码），VD1、VD2截止，C1不并入槽路，振荡频率提高（设为f2），从而实现了调频，这种方法产生的调频信号是相位连续的。直接调频法还有许多实现电路，虽然实现方法简单，但频率稳定度不高，同时频率转换速度不能做得太快。图7.10直接调频法电路及波形2.频率键控法频率键控法也称频率选择法，图7.11是它实现的原理框图。它有两个独立的振荡器，数字基带信号控制转换开关，选择不同频率的高频振荡信号实现FSK调制。图7.11频率键控法的原理框图键控法产生的FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过渡频率，它的转换速度快，波形好。频率键控法在转换开关发生转换的瞬间，两个高频振荡的输出电压通常不可能相等，于是uFSK(t)信号在基带信息变换时电压会发生跳变，这种现象也称为相位不连续，这是频率键控特有的情况。图7.12是利用两个独立分频器，以频率键控法来实现FSK调制的原理电路图。在图7.12中，与非门3和4起到了转换开关的作用。当数字基带信号为“1”时，与非门4打开，f1输出，当数字基带信号为“0”时，与非门3打开，f2输出，从而实现了FSK调制。键控法也常常利用数字基带信号去控制可变分频器的分频比来改变输出载波频率，从而实现FSK调制。图7.13是一图7.12独立分频器的键控法FSK调制图7.13利用可变分频器实现FSK调制个11/13可控分频器原理图。当数字基带信号为“1”时，第四级双稳态电路输出的反馈脉冲被加到第一级和第二级双稳态电路上，此时分频比为13；当基带信号为“0”时，第四级双稳态电路输出的反馈脉冲被加到第一级和第三级双稳电路上，分频比为11。由于分频比改变，使输出信号频率变化，从而实现FSK调制。采用可变分频器产生的FSK信号相位通常是连续的，因此在基带信息变化时，FSK信号会出现过渡频率。为减小过渡时间，可变分频器应工作于较高的频率，而在改变分频器后在插入固定分频器，使输出频率满足FSK信号要求的频率。FSK信号有相位不连续和相位连续两种情况，相位不连续的FSK信号可以视为两个频率分别为f1和f2的ASK信号的叠加，如图7.14所示。图7.14FSK信号为两个不同频率的ASK信号叠加7.3.2FSK信号的解调数字频率键控（FSK）信号常用的解调方法有很多种如同步（相干）解调法、过零检测法和差分检波法等。图7.15FSK信号同步解调方框图1.同步解调法同步解调法，FSK信号解调原理方框如图7.15所示。从图7.15可见，FSK信号的同步解调器分成上、下两个支路，输入的FSK信号经过f1和f2两个带通滤波器后变成了上、下两路ASK信号，之后其解调原理与ASK类似，但判决需对上、下两支路比较来进行。假设上支路低通滤波器输出为X1，下支路低通滤波器输出为x2，则判决准则是：x1-x20判输入为f1信号x1-x20判输入为f2信号7.3.1当输入的FSK信号振荡频率为f1时，上支路经带通后有正弦信号Acos2πf1t存在，与ASK系统接收到“1”码时的情况相似，经过低通滤波器，x1=A。而下支路带通滤波器输出为0，与ASK系统接收到“0”码时情况相似，故x2=0，显然x1-x2=A-00，按判决准则判输入为f1；反之，当输入为f2时,x1=0，x2=A，x1-x2=0-A0，按判决准则应判输入为f2。因此可以判决出FSK信号。2.包络解调法FSK信号包络解调方框图如7.16所示。从图7.16可见，FSK信号包络解调相当于两路ASK信号包络解调。用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1和f2的高频脉冲，经包络检波后分别取出它们的包络。把两路输出同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基数数字信号。图7.16FSK信号包络解调方框图设频率f1代表数字信号1；f2代表0，则抽样判决器的判决准则：x1-x20判输入为f1信号x1-x20判输入为f2信号式中x1和x2分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值。这里的抽样判决器，要比较x1、x2的大小，或者说把差值x1