【正文】 第 7 章 數(shù)字調(diào)制解調(diào)電路 概述 二進制振幅鍵控 (ASK)調(diào)制與解調(diào) ASK調(diào)制 ASK解調(diào) 二進制頻移鍵控 (FSK)調(diào)制與解調(diào) FSK信號的產(chǎn)生 FSK信號的解調(diào) 二進制相位鍵控 (PSK)調(diào)制與解調(diào) 絕對調(diào)相相對調(diào)相 多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng) 多進制數(shù)字振幅調(diào)制 (MASK)系統(tǒng) 多進制數(shù)字頻率調(diào)制 (MFSK)系統(tǒng) 多進制數(shù)字相位調(diào)制 (MPSK)系統(tǒng) 正交振幅調(diào)制 信號的產(chǎn)生與解調(diào) 8 QAM 16 QAM 其他形式的數(shù)字調(diào)制 時頻調(diào)制 (TFSK) 時頻相調(diào)制 (TFPSK) 數(shù)據(jù)通信是計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計 算機與計算機之間的通信，或終端與計算機之間的通信。數(shù) 字調(diào)制與解調(diào)電路是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)必不可少的重要部件。 本章主要介紹幅度調(diào)制（ ASK）、頻率調(diào)制（ FSK）、相 位調(diào)制（ PSK）、調(diào)制與解調(diào)電路。 內(nèi) 容 提 要 數(shù)字信號對載波的調(diào)制與模擬信號對載波的調(diào)制類似， 它同樣可以去控制正弦振蕩的振幅、頻率或相位的變化。但 由于數(shù)字信號的特點 —— 時間和取值的離散性，使受控參數(shù) 離散化而出現(xiàn)“開關(guān)控制”，稱為“鍵控法”。 數(shù)字信號對載波振幅調(diào)制稱為振幅鍵控， 即 ASK （ AmplitudeShift Keying）， 對載波頻率調(diào)制稱為頻移鍵 控，即 FSK（ FrequencyShift Keying）， 對載波相位調(diào)制稱 為相 移鍵控（即相位鍵控） PSK（ PhaseShift Keying）。 概述 數(shù)字信號可以是二進制的，也可以是多進制的。若數(shù)字 信號 u(t)是二進制，則 ASK、 FSK、 PSK實現(xiàn)原理框圖及鍵控 信號的輸出波形可由 圖 。為了進一步提高系統(tǒng)的頻 帶利用率，對于高速數(shù)字調(diào)制，常采用多幅調(diào)制 MASK多相調(diào) 制 MPSK等。 圖 二進制數(shù)字調(diào)制的波形和方框圖 ASK調(diào)制 ASK有兩種實現(xiàn)方法： 乘法器實現(xiàn)法 和 鍵控法 。 乘法器實現(xiàn)法的調(diào)制方框圖如 圖 。 圖 (a)為 ASK調(diào)制器框圖，它的輸入是隨機信息序 列，以｛ Ak｝所示。經(jīng)過基帶信號形成器，產(chǎn)生波形序列， 設(shè)形成器的基本波形為 g(t)，則波形序列為 二進制振幅鍵控 (ASK)調(diào)制與解調(diào) )()( ? ??kBk kTtgAtu 圖 乘法實現(xiàn)器 式中， TB為碼元寬度； Ak是第 k個輸入隨機信息。乘法 器后的帶通濾波器用來濾除高頻諧波和低頻干擾。帶通濾波 器的輸出就是振幅鍵控信號，用 uASK(t)表示。 乘法器常采用環(huán)形調(diào)制器，如 圖 。四只二極管 VD VD VD VD4首尾相聯(lián)構(gòu)成環(huán)形，故得名環(huán)形調(diào)制器。 用于 ASK調(diào)制的環(huán)形調(diào)制器，載波應加在 2端，在 6端 接基帶信號，并且基帶信號要始終大于或等于零，即 5端的 電壓必須始終高于或等于 6端的電壓。由于 5端的電壓始終高 于或等于 6端的電壓，因此二極管 VD VD4始終截止，在實際 電路中 VD VD4可省去，但環(huán)形調(diào)制器的四只二極管往往做 成組件，因此 VD VD4仍畫在圖 。它們的存在對 ASK調(diào) 制沒有影響。 ASK調(diào)制產(chǎn)生的波形如 圖 (b)所示。 圖 環(huán)形調(diào)制器 鍵控法是產(chǎn)生 ASK信號的另一種方法。二元制 ASK又稱 為通斷控制（ OOK）。最典型的實現(xiàn)方法是用一個電鍵來控 制載波振蕩器的輸出而獲得。 圖 圖。 為適應自動發(fā)送高速數(shù)據(jù)的要求，鍵控法中的電鍵可以 利用各種形式的受基帶信號控制的電子開關(guān)來實現(xiàn)，代替電 鍵產(chǎn)生 ASK信號， 圖 ASK信號的實例。該電路是用基帶信號控制與非門的開閉， 實現(xiàn) ASK調(diào)制。 圖 鍵控法產(chǎn)生 ASK信號原理圖 圖 數(shù)字電路實現(xiàn) ASK調(diào)制 ASK解調(diào) 振幅鍵控信號解調(diào)有兩種方法，即同步解調(diào)法和包絡解 調(diào)法。 圖 ASK同步解調(diào)方框圖 同步解調(diào)也稱相干解調(diào)，其方框原理如圖 。 圖中 uASK(t)信號經(jīng)過帶通濾波器抑制來自信道的干擾， 相乘器進行頻譜反向搬移，以恢復基帶信號。低通濾波器用 來抑制相乘器產(chǎn)生的高次諧波干擾。 解調(diào)的相干載波用 2cos2π fct，幅度系數(shù) 2是為了消除推 導結(jié)果中的系數(shù)，對原理沒有影響，下面對它的工作原理及 解調(diào)性能進行分析。 ⑴發(fā)“ 1”碼時的情況 發(fā)“ 1”碼時，輸入的 ASK信號為 Acos2πfct，它能順利地 通過帶通濾波器。 n(t)為零均值的高斯白噪聲，經(jīng)過帶通濾 波器后變?yōu)檎瓗Ц咚乖肼?，?ni(t)表示為 因此發(fā)“ 1” 碼時，帶通濾波器輸出信號為 tftntftntn cscci ?? 2s i n)(2c o s)()( ?? tftntftnAtntfA csccic ??? 2s i n)(2c o s)]([)(2c o s ???? 經(jīng)乘法器后輸出為 tftntftnAtnA tftftntftnAcscccccscc?????4s i n)(4c o s)]([)]([ 2c o s2}2s i n)(2c o s)]({[??????? 經(jīng)過低通濾波器后，后兩項濾除。設(shè)輸出信號為 x(t)， 則（ x(t)也就是取樣判決器的輸入信號） )()( tnAtx c?? ⑵ 發(fā)“ 0”時的情況 發(fā)“ 0” 碼時， ASK信號輸入為 0，噪聲仍然存在，此時 取樣判決器的輸入信號 x(t)為： x(t)=nc(t) x(t)= A+nc(t) 發(fā)“ 1”碼 nc(t) 發(fā)“ 0”碼 下面討論判決問題。 若沒有噪聲，上式簡化為 x(t)= A 發(fā)“ 1”碼 0 發(fā)“ 0”碼 綜合上面的分析，可得 此時判決電平取 0～ A的中間 值 A/2，大于 A/2判為“ 1” 碼，小 于 A/2判為“ 0” 碼。在無噪聲時 , 判決一定是正確的，因此 圖能正確解調(diào)。若噪聲存在， x(t) 如上式所示。式中 nc(t)是均值為 零的低通型高斯噪聲。 nc(t)和 A+ nc(t)的概率密度分布曲線如圖 所示。誤碼率根據(jù)下式計算： 圖 ASK同步解調(diào) 取樣判決器 )1/0()1()0/1()0( PPPPP e ?? 式中 P(0)、 P(1)分別為發(fā)“ 0” 碼和發(fā)“ 1” 碼的概率； P(0/1)是發(fā)“ 1” 碼時誤判為“ 0” 碼的概率； P(1/0)是發(fā) “ 0” 碼時誤判為“ 1” 碼的概率。 由 圖 ，當判決電平為 A/2對，正好是 f1(x)與 f0(x)交點的橫坐標，由于正態(tài)分布曲線的對稱性，故 P(0/1)=P(1/0)，而且 P(1)+P(0)=1，所以通常取判決電平為 A/2。 ⑴ 發(fā)“ 1”碼時的情況 包絡檢波器的輸入為 ni(t)=Acos2πfct+n(t)， ni(t)為信號 為信號加窄帶高斯噪聲，輸出為信號加窄帶高斯噪聲的包絡 , 它服從萊斯分布，如 圖 ，其概率密度為 包絡解調(diào)是一種非相干解調(diào)，框圖如圖 。 圖 ASK包絡檢波 圖 ASK包絡解調(diào)取樣判決器 222 2)(2021 )()(naxnneaxIxxf ?????? ⑵ 發(fā)“ 0”碼時的情況 包絡檢波器輸入為 ni(t)，輸出則為 ni(t)的包絡，即噪聲的 包絡，它服從瑞利分布，如 圖 。其概率密度為 22 220 )(nxnexxf ???? 與同步解調(diào)類似，為使誤碼率最小，判決電平應取 f0(x) 和 f1(x)的交點的橫坐標值，如圖中 x=bopt， bopt為最佳門限， 經(jīng)分析，得到當信噪比 r1(即大信噪比 )時， 2Abopt ? 頻移鍵控 (FSK)是用不同頻率的載波來傳送數(shù)字信號， 用數(shù)字基帶信號控制載波信號的頻率。二進制頻移鍵控是用 兩個不同頻率的載波來代表數(shù)字信號的兩種電平。接收端收 到不同的載波信號再進行逆變換成為數(shù)字信號，完成信息傳 輸過程。 FSK信號的產(chǎn)生 FSK信號的產(chǎn)生有兩種方法，直接調(diào)頻法和頻率鍵控法。 二進制頻移鍵控 (FSK)調(diào)制與解調(diào) 直接調(diào)頻法是用數(shù)字基帶信號直接控制載頻振蕩器的振 蕩頻率 。 圖 。二極管 VD VD2的導通與截止受數(shù)字基帶信號控制，當基帶信號為 負時（相當于“ 0” 碼）， VD VD2導通， C1經(jīng) VD2與 LC槽路并 聯(lián)，使振蕩頻率降低（設(shè)此時頻率為 f1），當基帶信號為正 時（相當于“ 1” 碼）， VD VD2截止， C1不并入槽路，振蕩 頻率提高（設(shè)為 f2），從而實現(xiàn)了調(diào)頻，這種方法產(chǎn)生的調(diào) 頻信號是相位連續(xù)的。直接調(diào)頻法還有許多實現(xiàn)電路，雖然 實現(xiàn)方法簡單，但頻率穩(wěn)定度不高，同時頻率轉(zhuǎn)換速度不能 做得太快。 圖 直接調(diào)頻法電路及波形 頻率鍵控法也稱頻率選擇法，圖 圖。它有兩個獨立的振蕩器，數(shù)字基帶信號控制轉(zhuǎn)換開關(guān)， 選擇不同頻率的高頻振蕩信號實現(xiàn) FSK調(diào)制。 圖 頻率鍵控法的原理框圖 鍵控法產(chǎn)生的 FSK信號頻率穩(wěn)定度可以做得很高并且沒 有過渡頻率，它的轉(zhuǎn)換速度快，波形好。頻率鍵控法在轉(zhuǎn)換 開關(guān)發(fā)生轉(zhuǎn)換的瞬間，兩個高頻振蕩的輸出電壓通常不可能 相等，于是 uFSK(t)信號在基帶信息變換時電壓會發(fā)生跳變， 這種現(xiàn)象也稱為相位不連續(xù)