《通信电路》课件第9章 .ppt
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1、第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.1 概概 述述 9.2 数字振幅调制与解调电路数字振幅调制与解调电路9.3 数字相位调制与解调电路数字相位调制与解调电路9.4 数字频率调制与解调电路数字频率调制与解调电路9.5 集成电路实例介绍集成电路实例介绍9.6 章末小结章末小结习习 题题第第9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.1 概概 述述 采用数字信号对载波进行调制,称为数字调制。数字调制信号可以是二进制的,也可以是多进制的。本书仅讨论二进制数字信号的调制与解调。载波一般仍采用正弦波信号。第第9 9章章 数字调
2、制与解调电路数字调制与解调电路 与模拟调制相同,数字调制仍然是用数字调制信号(或称为数字基带信号)去分别控制正弦载波的振幅、频率或相位三个参量。但是,由于数字信号仅有高、低电平两个离散状态,因此可以用正弦载波的某些离散状态来表示相应的数字信息“1”或“0”,例如载波的有或无,两种载波频率的跳变或载波两种相位的跳变等等。数字调制的三种基本类型仍然是振幅调制、频率调制和相位调制,而每种基本类型又包括多种实现方式。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 因为数字基带信号是编码后产生的二进制随机矩形信号,且往往具有直流和丰富的低频分量,所以分析它的频谱应该采用功率频谱,这一点是和模拟调制
3、与解调时不一样的。另外,数字振幅调制与解调、数字相位调制和解调以及相位不连续数字频率调制与解调等几种方式属于线性频率变换(或称为线性调制与解调),相位连续数字频率调制与解调等方式属于非线性频率变换(或称为非线性调制与解调),这一点也和模拟调制/解调有些差别。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 数字调制和解调涉及到的基本电路有放大器、滤波器、乘法器、振荡器、平衡调制器、检波器、限幅器、90相移器、加法器、载波提取电路、同步信号提取电路、微分或积分电路、取样判决电路和延时电路等等。这些电路中大部分是模拟电路,且在本书前几章已经介绍过了;少部分是数字电路,在“数字电路”课程中也已经
4、学习过了。所以,本章主要以方框图的形式对有关数字调制和解调电路进行讨论,一般不再涉及内部的具体电路。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 数字调制技术的优点在于抗干扰和噪声的能力强,可以同时传输各种不同速率或带宽的信号(例如声音、图像和数据信号等等),易于采用加密的方式传送信息。但是,由于数字基带信号的频谱较宽,因此如何充分有效地利用有限的频带是数字调制中重要的研究课题,这也是许多种调制方式产生的原因。限于篇幅,本章仅介绍了其中一些典型的调制和解调方式。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.2 数字振幅调制与解调电路数字振幅调制与解调电路 1.ASK信号的表
5、达式、波形、功率频谱和带宽信号的表达式、波形、功率频谱和带宽 设载波信号为uc(t)=cosct(此为振幅归一化信号,以后各信号类似),c=2fc,数字基带信号为单极性随机矩形脉冲序列 ,则ASK信号可写成()()nsns ta g tnTAK()()cosnscnuta g tnTt(9.2.1)第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 其中,g(t)是码元宽度为Ts,高度为1的非归零码矩形脉冲,an为二进制随机变量,且有 0 出现概率为P an=1 出现概率为1-P 根据随机信号分析的知识,s(t)的功率频谱密度表达式为 其中,fs=1/Ts=s/2,门函数g(t)的频谱即其傅
6、氏变换为2222()(1)()(1)(0)()sssP ff PP G ffPGf(9.2.2)sin()()sssfTG fTfT第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.2.1 ASK信号波形第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 可见,Ps(f)中前一项含有直流分量和连续交流分量,后一项是离散直流分量。ASK信号uAK(t)的双边功率频谱密度表达式为222221()(1)()41(1)(0)()()4AKsccsccPff PPG ffG fffPGffff(9.2.3)图9.2.2和图9.2.3分别给出了s(t)和uAK(t)的功率频谱。因为对称,故只画
7、出了uAK(t)的单边功率频谱。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.2.2 s(t)功率频谱第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.2.3 ASK信号单边功率频谱第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由图9.2.2和图9.2.3可以看出,振幅键控是将数字基带信号的功率频谱从位于直流附近的较低频段线性搬移到了位于载频附近的较高频率段,且振幅键控信号包含了离散的载频分量。这些与模拟普通调幅的原理是一致的。根据数字基带信号和振幅键控信号功率频谱的特点,通常将它们的带宽以功率频谱的主瓣宽度来定义,C称为“谱零点带宽”,因为功率频谱主瓣里包含了
8、大部分信号功率。由图9.2.2和图9.2.3可见,振幅键控信号的带宽为2fs,是数字基带信号带宽的两倍。这一点也与模拟普通调幅相同。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 2.振幅键控信号的产生和解调振幅键控信号的产生和解调 常用的ASK调制方法有两种:相乘法和通断键控法(OnOff Keying,简称OOK),如图9.2.4所示。前一种方法的原理和模拟振幅调制的相乘法原理相同。后一种方法的原理从ASK信号的时域波形可以很容易理解,即s(t)=1时控制开关闭合,输出载波信号;s(t)=0时控制开关断开,输出信号为0。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.2.
9、4 ASK调制方式(a)相乘法;(b)通断键控法第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 ASK解调通常也有两种方法:包络检波与同步检波,与模拟普通调幅波的解调基本相同。但是,由于数字振幅解调时从低通滤波器取出的仅仅是数字基带信号中的低频分量,其波形还不是矩形脉冲序列,因此还必须在每个码元的中间位置进行取样判决,才能恢复出发送端的数字基带信号。ASK的主要优点是实现简单,缺点是频带利用率和功率利用率不高。采用类似于模拟振幅调制的单边带方式和残留边带方式虽然可以有所改善,但后来逐渐被正交双边带调制方式代替了。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.3 数字相位调制与
10、解调电路数字相位调制与解调电路 9.3.1 相移键控相移键控 1.PSK信号的表达式、信号的表达式、波形、波形、功率频谱和带宽功率频谱和带宽 设载波为uc(t)=cosct,数字基带信号仍为 ,则相移键控(Phase Shift Keying,简称PSK)信号为()()nsns ta g tnTPK()()cosnscnutb g tnTt(9.3.1)第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.3.1给出了s(t)、uc(t)和uPK(t)的波形图。其中 bn=-1 当an=0时,出现概率为P 1 当an=1时,出现概率为1-P(9.3.2)第第9 9章章 数字调制与解调电路
11、数字调制与解调电路 图9.3.1 PSK和DPSK信号波形第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 uPK(t)的双边功率频谱密度表达式为22222()(1)()()1(12)(0)()()4PKsccsccPff PPG ffG fffPGffff 从式(9.3.1)和图9.3.1可以看出,PSK波形在s(t)中码元“1”和“0”起始时刻的初相位分别是0和,所以在每两个码元的交替时刻可能存在着相位突变,这与Ts和Tc(Tc=1/fc)之间的大小有关。(9.3.3)第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 比较式(9.3.3)和式(9.2.3),可见PSK和ASK的功率
12、频谱几乎相同,也是一种线性频谱搬移。除了各频率分量的大小略有不同外,最大的区别在于当P=0.5,即s(t)中“1”码与“0”码的概率相同时,PSK的功率频谱中无载频分量,此时的PSK相当于抑制载波的双边带调制,功率利用率较高。PSK的带宽也是以“谱零点带宽”来定义的,它的带宽也是2fs。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 2.PSK信号的产生和解调信号的产生和解调 PSK信号的产生有调相法和相位选择法两种,如图9.3.2所示。图9.3.2 PSK调制方式(a)调相法;(b)相位选择法第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 ()nsnb g tnT调相法是采用二极
13、管平衡调制器或乘法器进行调制的方法,其原理和模拟普通调幅的原理相似,不过先需要将单极性信号s(t)变换成双极性信号 。其中bn满足式(9.3.2)。从式(9.3.1)可以看出,PSK信号是双极性信号作用下的调幅信号。相位选择法是用s(t)控制两个门电路,分别选择让不同初相位的载波输出,然后用加法器将它们组合后形成PSK信号。s(t)=0时,门1导通,门2关闭;s(t)=1时,门1关闭,门2导通。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由于PSK信号中可能不存在载波信号,因此通常情况下将其视为抑制载波的双边带信号,因而只能采用同步检波的方法,如图9.3.3所示。与ASK信号的解调相
14、同,PSK信号的解调仍然必须采用取样判决电路。PSK的最大缺点是容易因“相位模糊”而产生解调出错。在PSK信号解调时,最关键的一点在于载波提取。采用8.4.3节介绍的平方环电路可以从PSK信号中提取载波,但这种方法可能产生载波的“相位模糊”。如果载波的初相位发生180的错误,则取样判决后的码元信息将完全相反。所以PSK很少应用。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.3.3 PSK信号同步检波第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 ()()cnsns tc g tnT()()dnsnstd g tnT9.3.2 差分相移键控差分相移键控 差分相移键控(Diff
15、erential Phase Shift Keying,简称DPSK)克服了“相位模糊”带来的的缺点,具有广泛的应用场合。DPSK信号与PSK信号的区别仅仅是,在调制前先要将数字基带信号s(t)通过差分编码电路转变为单极性差分码基带信号 ,再将sc(t)转变为双极性差分码基带信号sd(t),也就是说,将单极性绝对码序列an转变成双极性差分码序列dn。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 其中d n=-1 当cn=0时 1 当cn=1时 且有 cn=an cn-1 (9.3.4)DPSK信号波形如图9.3.1所示。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由图可见,D
16、PSK信号波形与PSK信号波形不同,它不是以每一码元起始时刻的相位是“0”或是“”来表示其信息是“1”或是“0”,而是以每一码元起始时刻相位是否有180跳变来表示其信息(有跳变是“1”,无跳变是“0”)。所以,DSPK信号解调时不需要某一个固定的载波相位初始值。只要相邻码元的载波相位关系不发生错误,即使接收端提取的载波与发送端载波有180的初始相位误差,也能进行正确解调。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 设差分译码电路输出yn与输入xn的关系式为 yn=xn xn-1 (9.3.5)若接收端产生的载波初相位正确,则解调后能得到单极性差分码序列cn,即xn=cn,代入式(9.
17、3.5)和(9.3.4),可求得 yn=cn cn-1=an cn-1 cn-1=an 0=an 若接收端产生的载波初相位与发送端反相,即xn=cn,则有 yn=cn cn-1=cn cn-1=an第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 所以,无论是否出现载波的“相位模糊”,接收端经过差分译码后都能恢复原始基带信号序列an。如果将sd(t)代替s(t)作为数字基带信号,则DPSK信号的功率频谱、带宽与PSK相同。DPSK信号解调方法主要有以下两种。(1)先采用PSK信号解调方式对DPSK信号进行解调,得到sc(t),然后再经过差分译码电路输出原始基带信号s(t)。第第9 9章章
18、数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.3.4 DPSK信号的一种解调方法:相位比较法第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 (2)将DPSK信号延迟一个码元间隔Ts,然后比较两个相邻码元的载波相位差而得到s(t),如图9.3.4所示。若相邻码元的载波相位差为0(即无跳变),则相乘后有cosctcosct=(1+cos2ct)/2,经低通滤波器后输出正的直流分量;若相邻码元的载波相位差为(即有跳变),则相乘后有cosctcos(ct+)=-(1+cos2ct)/2,经低通滤波器后输出负的直流分量。然后经取样判决后得出正电压为“0”,负电压为“1”。显然,这就是原始数字基带信号
19、s(t)的码元,不需要再进行差分译码了。但是,这种方法的困难在于如何精确地将接收信号延迟Ts时间。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 【例例9.1】已知数字基带信号序列s(t)=1 1 0 1 0 0 1 0 1,Ts=10 s,载波频率fc=200 kHz,画出对应的uPK(t)和uDPK(t)波形。若接收端提取的载波产生了180相移,PSK信号和DPSK信号解调后的数字基带信号序列有什么不同?画出有关波形。解:解:图9.3.5中(a)、(b)分别是发送端载波和s(t),(c)、(e)分别是对应的PSK信号和DPSK信号波形图,(f)是与发送端载波反相的载波波形图,(g)、
20、(h)和(j)分别是PSK信号与反相后的载波相乘、低通滤波和取样判决后恢复的基带信号波形图,(k)、(l)、(m)和(n)分别是DPSK信号与反相后的载波相乘、低通滤波、取样判决和差分译码后恢复的基带信号波形图。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.3.5例9.1图第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 数字频率调制的基本方式是频移键控(Frequency Shift Keying,简称FSK),其中又分成相位不连续频移键控(Discrete Phase FSK,简称DPFSK)和相位连续频移键控(Continuous Phase FSK,简称CPFSK)两
21、种。在CPFSK的基础上,又产生了多种新的调制方式,如MSK、GMSK等。除了DPFSK属于线性调制外,CPFSK、MSK和GMSK等均属于非线性调制。9.4 数字频率调制与解调电路数字频率调制与解调电路第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 9.4.1 相位不连续频移键控(相位不连续频移键控(DPFSK)1.DPFSK信号的表达式、信号的表达式、波形、波形、功率频谱和带宽功率频谱和带宽 设两个正弦信号分别为u1(t)=cos1t和u2(t)=cos2t,数字基带信号为 ,则DPFSK信号为()()nsns ta g tnT12()()cos()()cos()DFKnsnnsnn
22、nuta g tnTta g tnTt(9.4.1)其中,an的定义与式(9.2.1)相同,且an 是an的反码,n、n分别是第n个码元期间对应的两个正弦信号的初相位。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 可见,DPFSK信号是用两个不同角频率1、2(或不同频率f1、f2)的正弦波来分别传送相应的两个不同信息“0”和“1”,两个不同正弦波的振荡波形衔接时,它们的相位一般是不连续的,即n与n没有关联,n为不同值时n(或n)相互之间也无关联,如图9.4.1所示。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.1 DPFSK信号波形 第第9 9章章 数字调制与解调电路
23、数字调制与解调电路 根据式(9.4.1),DPFSK信号可以看成是两个ASK信号的叠加,其功率频谱密度表达式为2211222222211222221(1)()()41(1)()()41(1)(0)()()41(0)()()4DFKssssPf PPG ffG fff PPG ffG fff PPGfffff P Gffff(9.4.2)第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.2分别给出了h为不同值时DPFSK信号的单边功率频谱。设f2f1。定义频移键控指数为 21sffhf(9.4.3)第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.2 DPFSK信号单
24、边功率频谱第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 由式(9.4.2)和图9.4.2可以看出,DPFSK信号功率频谱具有以下几个特点。(1)DPFSK信号功率频谱由两个双边带连续频谱和离散频谱组成,离散频谱的位置处于f1、f2处,可以看成是两个ASK信号功率频谱的叠加。(2)若h值逐渐减小,即两个正弦波频率f1、f2的差值逐渐减小,则组成DPFSK信号的两个双边带频谱将逐渐靠拢叠加。参照ASK信号带宽的定义,可以得出DPFSK信号的带宽BW=|f2-f1|+2fs,比ASK、PSK和DPSK信号的带宽要宽一些。第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 图9.4.3 DP
25、FSK信号调制方法第第9 9章章 数字调制与解调电路数字调制与解调电路 2.DPFSK信号的产生和解调信号的产生和解调 DPFSK信号的产生通常采用频率键控法,其原理方框图见图9.4.3。频率键控法是用s(t)控制开关电路分别接通两个正弦波振荡器的输出,将它们相加后得到uDFK(t)。一方面,DPFSK信号可看成是两个ASK信号的叠加,所以可采用ASK信号的解调方式(如包络检波和同步检波)进行解调,不过需要先用两个带通滤波器分别取出两个正弦信号,然后分别进行检波后再作取样判决,从而恢复出原数字基带信号。另一方面,作为频率调制的DPFSK信号也可以采用模拟鉴频法等频率解调的方法。第第9 9章章
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