调制解调原理 part 1

1、调制解调原理调制解调原理Eric LiuhuiEverybody plays fool, sometimes.An Introduction of Modulation and Demodulation主要内容主要内容 前话 信号与调制 基带调制信号 带通模拟调制 带通数字调制 后话前前 话话通讯以人为本传播（六触） 检测（六根） 色 声 香 味 法 触 眼 耳 鼻 舌 意 身 现代通讯 将频率拓展开来，从DC到THz，几乎就是全部现代电子通讯。 声纳，探测和雷达 4D电影？似乎就是OSI的协议结构 未见应用 请将你的手机设到振动位置 Communication在分析和处理问题时，每个人都有一

2、个自觉和不自觉的哲学。前前 话话（续）（续） 传播本应无极限 电/光信号（场）可以在双绞线、同轴电缆、波导、光缆、大气、真空中传播； 声音可以在金属、大气、水中传播。 领悟才显真功夫 信号的变化可以传递信息 检测信号的变化就可以检测到信息。信 源信 道信 宿通讯：主要是恢复信源加载的信息探测：主要是检测信道加载的信息信源和信道都可以做为加载信息（噪声）的途径实际上却受到各种限制和影响。在各种限制和影响中，实现信息的准确传递。什么是调制？什么是调制？ 对信号的参数进行调制。 基带信号的脉幅、脉宽、脉位。 带通信号的幅度、频率和相位。 改变信号的参数就是调制，检测信号参数的变化就是解调。任何一种可

3、以可靠检测到的信号特征的变化，都可以携带信息。傅里叶级数表示信号傅里叶级数表示信号（数学分析模型）（数学分析模型） 正交函数（atb) 正交傅里叶级数 极坐标傅里叶级数dtttmabn)()(0， nmKn， n=m0000sincos)(nnnntnQtnItw100)cos()(nntnDnDtwetjnwtn0)(nnetjnwCtw0)(ftjfteftj2sin2cos2复指数函数是一种正交函数欧拉公式信号的坐标表示信号的坐标表示 极坐标和垂直坐标0000sincos)(nnnntnQtnItw100)cos()(nntnDnDtw矩形脉冲的级数综合矩形脉冲的级数综合 级数（谐波）次

4、数取得越多，越接近原始波形。脉冲的沿越是陡峭，所含的高频分量越丰富。信号波形合成信号波形合成（时域综合）（时域综合） 利用正交函数合成波形函数 发生器1函数 发生器2函数 发生器Na1a2aN时 钟1(t)2(t)N(t)etjnwtn0)(f2信号的频谱信号的频谱 信号的傅里叶变换，完成时域到频域的变换。f2dttwfWeftj2)()(ftjfteftj2sin2cos2efjfWfW)(| )(|)()()()(fjYfXfW傅里叶变换提供了频域分析和综合的手段。脉冲函数及其频谱脉冲函数及其频谱 脉冲函数的频谱tA2S(t)2 A ffAfXsinf X(f) 1 2 3 4 6 5 7

5、 -1 -2 -3 -4 -6 -5 -7 正弦函数及其频谱正弦函数及其频谱 正弦函数的频谱ATtS(t)fS(f)1/T-1/TA)1(2)1(2| )(|TfATfAfX基带信号和带通信号基带信号和带通信号 基带信号（Baseband) 信号的能量集中在直流（零频）附近。 一般只能做有线传输。 UBW是一种无线传输的情况。 带通信号（Passband） 能量只集中在一个载波频率附近。 模拟调制：模拟基带信号（连续信号）对载波进行调制； 数字调制：数字基带信号（有限符号集）对载波进行调制； 用作无线传输和长距离有线传输。信号的划分不是绝对的。几种带通调制信号波形几种带通调制信号波形 幅度调制

6、、频率调制和相位调制、幅相调制幅度调制频率调制相位调制幅相调制单载波调制（单载波调制（SC） 单载波调制ftjfteftj2sin2cos2f2多载波调制（多载波调制（OFDM） 多载波调制方法（OFDM）频域综合频域综合 傅里叶变换提供了另外一种信号分析和综合的途径。)()()(tstwtws)(*)()(tstwtws)(*)()(fStWfWs)()()(fSfWfWs频域综合IFFTWs(f)ws(t)常见调制信号分类常见调制信号分类基带调制信号 PAM,PCM,DPCM,DM,PWM及PPM。带通模拟调制信号 AM,DSB-SC,SSB,VSB,PM及FM。带通数字调制信号 ASK(

7、OOK),BPSK,QPSK,MPSK,FSK,MSK,QAM,DSSS,FHSS及OFDM。基带调制信号基带调制信号 脉冲幅度调制（PAM） 脉冲编码调制（PCM） 差分脉冲编码调制（ DPCM ） 增量调制（DM） 脉宽调制（PWM）和脉位调制（PPM） 线路编码 滤波与码间干扰 噪声与误码 眼图脉冲幅度调制（脉冲幅度调制（PAM） 通过对模拟基带信号进行采样得到PAM信号； PAM信号提供了从模拟信号（连续时间）到离散信号转化； 采样输出的信号：模拟到离散 DAC输出的信号：离散到模拟时 钟S(t)w(t)ws(t)=w(t)s(t)PAM的信号波形的信号波形 PAM提供了时分复用解决方

8、法。0ws(t)t0w(t)t0t模拟基带信号抽样冲击脉冲PAM信号kskTsthkTswtw)()()()()()(tstwtwskkTsthts)()()(twPAM的频谱的频谱 PAM的频谱比模拟信号宽，传输质量低于模拟信号； PAM的解调可以通过低通滤波器直接取出直流附近频谱，即可恢复模拟信号。)( fW)(*)()(fSfWfWsksskfffHTfS)()(1)(kssskffWfHTfW)()(1)(rfrfTfHTss)sin(| )(|10fs2fs3fs-3fs-2fs-fs-BB1fffs=4B, /Ts=1/3PAM信号的解调信号的解调 使用低通，直接取出直流附近频谱。

9、 使用乘法检波，取出nfs处的频谱 去除线路传播时在直流附近感染的噪声低通滤波器 H(f)PAM模拟信号低通滤波器 H(f)PAM模拟信号PAMw(t)Cw(t)振荡器 o=nscos(ns) 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM） 对PAM信号进行量化和编码后，就可以得到PCM。瞬时抽样和保持模拟信号量化器，M个量化电平PAM编码器量化PAMPCM连续时间到离散时间连续幅度到离散幅度信源编码，如格雷码量化台阶可以不均匀，如律和A律PCM信号波形信号波形 PCM信号波形 信号比特率R=nfs n=log2M 检测 DAC后还原PAM信号。 再经低通还原模拟信号。模拟信号PAM信号PCM信号用多个

10、二进制位表示一个PAM脉冲差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM） 只传输相邻两个码冲的差值。 减少冗余和降低信号带宽。 8bit4bit, 64kbps32kbps抽样器模拟信号M量化器PAM编码器量化DPAMDPAM预测器+DPCM增量调制（增量调制（DM） 一种极端的DPCM信号，1bit增量。 实现十分简单,成本低。DM信号信号 DM的信号。 两类量化噪声。 斜率过载噪声 颗粒噪声 选取合适的量化台阶模拟信号VIN(t)积分器Vi(t)输出信号VOUT(t)斜率过载噪声颗粒噪声自适应增量调制（自适应增量调制（ADM） 量化台阶可变：脉宽调制（脉宽调制（PWM）和脉位调制（）和脉位

11、调制（PPM） 脉宽调制和码位调制统称为脉冲时间调制（PTM）。 脉宽调制（PWM）也称为脉冲持续期调制（PDM）。PWM和和PPM PWM和PPM可以通过积分器进行检测。 PWM可以采用低通直接滤波进行检测。 PWM的应用 电源控制 - DAC 数字鉴相器 PPM的应用 数字AGC 超宽带（UBW)位（位（bit）与符号（）与符号（symbol） 位（bit） 二进制单位，包括0，1。 符号（symbol) 一个PAM脉冲理解为一个符号。多电平的PAM脉冲需要多个二进制位来表示。 位速率是符号速率1/n，n=log2m。二电平符号速率 = 位速率。线路编码（线路编码（Line Coding）

12、 信号电平 单极性信号（Unipolar） +A, 0 极性信号（Polar） +A，-A 双极性（Bipolar） +A, 0, -A 编码方式 不归零码（NRZ), 在脉冲持续期间一直保持信号电平。 归零码（RZ)，在脉冲持续期间，信号电平恢复到0。 曼彻斯特码（Manchester），将一个二进制位用两个二进制位表示，10表示1, 01表示0. 差分编码 en=dn en-1 不需要区分电路极性，有线线路可反接，可反相。常用在无线中常用在有线中常用在网线中-Tbdnenen-1几种典型二进制线路码几种典型二进制线路码 单极性NRZ 极性NRZ（NRZ-L） 单极性RZ 双极性RZ（RZ-

13、AMI) 曼彻斯特NRZ直流分量大，TTL检错能力，时钟易恢复，但是怕连0码。可以改进成HDBn码时钟易恢复，但是带宽要求高。能量集中在0频附近，误码性能好需直流耦合，易于恢复时钟二进制线路码的功率谱（二进制线路码的功率谱（PSD） 归零码的在直流附近无能量，可用交流耦合，不归零码能量集中在零频附近，需直流耦合。单极性NRZ，极性NRZ，双极性RZ的第一零点带宽为R单极性RZ，曼彻斯特NRZ的第一零点带宽为2R单极性RZ滤波（滤波（Filtering) 为什么要滤波？ 实际上模拟信号的带宽是很宽的，远超出我们需要的带宽。 传输信道的带宽是有限的。 信号采样过程造成频谱混叠。 接收端滤除传输信道

14、感染的带外噪声和干扰。 滤波不应该造成码间干扰（ISI） 奈奎斯特第一准则。0, 00,)(kkCkThsefs码间干扰（码间干扰（ISI) ISI-在最佳采样时刻叠加了相邻脉冲的信号。 不合适的信道滤波。 ISI需要采用均衡器纠正。0, 00,)(kkCkThse理想低通滤波器理想低通滤波器 满足ISI要求。 理想低通难以实现。 时域扩展。升余弦（升余弦（Raised Cosine）滤波）滤波 时域扩展时间的两次方率衰减。 滚降系数，又称超越带宽。滤波造成了峰值功率比的变化。均衡（均衡（Equalizing） 在时域对脉冲进行均衡，一般采用抽头移位寄存器结构，抽头系数由具体的均衡算法给出来。

15、相信均衡器专题讲座中会有更精彩的介绍。噪声与误码噪声与误码 随机噪声符合正态分布。误码率误码率 以0、1两电平为例，0电平因叠加噪声可能超过1/2被误判为1，造成误码。其中：所以：误码率（续）误码率（续） 可以绘出误码曲线计算误码率：计算信噪比：实际应用中，信噪比和滤波器、检测方法有关。判决电平为6时的误码？眼图（眼图（Eye Diagram) 眼图容易观察信号质量。 水平方向为脉冲周期的倍数。 信号重复扫描，通过示波器余辉观察。最佳采样时刻噪声边际3 电平眼图采样定时灵敏度滤波器对眼图的影响滤波器对眼图的影响 滤波器滚降系数越小，对定时的要求越高。=100%=25%=25%噪声和干扰对眼图的

16、影响噪声和干扰对眼图的影响 噪声和干扰都可以造成误码。码同步码同步 双极性NRZ码的同步。w1(t)w2(t)w3(t)w4(t)w1(+NTs+)w1(+NTs-)超前样本：w1(+NTs-)滞后样本：w1(+NTs+)超前滞后同步环最佳抽样时刻样本：w1(0+NTs)最佳抽样相位：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）正电压VCC频率增大负电压VCC频率减小抽样点波形抽样点波形 |w1(+NT s-)| 和|w1(+NT s+)|相等

17、，VCC控制电压为0，频率不变。 |w1(+NT s-)| 高于|w1(+NT s+)|，VCC控制电压为正，频率增大。 |w1(+NT s-)| 低于|w1(+NT s+)|，VCC控制电压为负，频率增大。|w1(+NT s-)|w1(+NT s+)|w1(0+NT s)|采样滞后采样超前扰码（扰码（Scramble） 长时间连续电平传输，信号不反转将失去时钟信息。 需要对信号进行随机化（Randomization）处理，以使信号反转频率提高。134xxy带通模拟调制带通模拟调制线性调制（Linear Modulation） 调幅信号（AM） 双边带载波抑制调制信号（DSB-SC） 单边带调

18、制信号（SSB） 残余边带调制信号（VSB） 正交调幅信号（QM）角调制（Angle Modulation） 调频信号（FM） 调相信号（PM）带通信号的通用表达带通信号的通用表达 通用表达式： 几种调制形式的包络函数：tjcetgts)(Re)()()(tmgtg其中：g(t)为复包络信号，m(t)为基带信号调制类型复包络映射函数AMDSB-SCSSBPMFMQM)(1)(tmAtgc)()(tmAtgc)()()(tmjtmAtgc)()()(21tjmtmAtgc)()(tmjDcpeAtgtdmfjDceAtg)()(调幅信号（调幅信号（AM） 调幅信号)(maxmaxtmAAAcc)

19、(minmintmAAAcc2)(min)(max2minmaxtmtmAAAc正调制度（指数）：负调制度（指数）：总调制度（指数）：频谱：AM信号调制信号调制 指数律调制 可变增益放大器调制 开关调制AM的检测的检测 1，可采用包络检波。 由二极管取出上半部分波形半余弦脉冲取样PAM。 低通恢复基带信号。AM的检测（续）的检测（续） 使用乘积检波。AM总结：1. 调制解调简单。 2. 是基带信号两倍的带宽。 3. 存在载波分量，电源效率低。也可称为DSB-WC/LC双边带载波抑制调制信号（双边带载波抑制调制信号（DSB-SC） 没有载波分量，相当于=的AM信号。频谱：相位反转如果m(t)取极

20、性NRZ码+1,-1，就成为BPSK信号。DSB信号调制信号调制 平衡调制器 二极管环调制器相当于载波抑制的平衡混平器。DSB-SC解调解调 因为载波被抑制了，首先需要恢复载波。如果载波不同步，角为变量，造成幅度衰落，无法恢复调制信号。载波同步，角为0，滤除高次项，可恢复调制信号DSB-SC载波恢复载波恢复 载波的恢复必须使用载波恢复环路。 使用平方环恢复载波。缺点：180度相位模糊，采用差分编码，或加入同步字可以消除DSB-SC载波恢复载波恢复 科斯塔斯（Costas）环恢复载波。缺点：也存在180度相位模糊DSB-SC变通变通 加入导频简化解调。调制时加入微弱载波分量解调时用窄带滤波器取出

21、载波DSB-SC总结：1. 没有载波分量，电源效率低。 2. 是基带信号两倍的带宽。 3. 调制解调复杂，加入导频可简化解调。相当于1的AM信号，是AM和DSB-SC的折衷。单边带调制信号（单边带调制信号（SSB） DSB的信号载波两边频谱是对称的，实际上只需要任何一边的频谱就可以恢复完整信息。上边带调制（USB）：下边带调制（LSB）：频谱：频谱：SSB调制调制 使用滤波器直接滤除边带。 使用Hilbert变换，镜像抑制边带。相当于镜像抑制混频器SSB调制（续）调制（续） 韦佛（Weaver，1956）法产生SSB信号。W是基带信号带宽SSB解调解调 相干解调。残余边带调制信号（残余边带调制

22、信号（VSB） VSB既节省了带宽，又容易检测。 当存在一个大载波信号时，可以采用包络检波。VSB滤波器特性滤波器特性 VSB滤波器满足：DSB频谱滤波器传输函数VSB频谱VSB滤波器限制VSB乘积检波乘积检波 乘积检波器VSB信号实例信号实例 NSTC的电视信号正交调幅信号（正交调幅信号（QM） QM信号的调制。QM信号解调信号解调 QM信号的解调。角度调制（角度调制（Angle Modulation) 角度调制信号表达式: 调相（PM）信号： 以PM来看调频（FM）信号，相位是频率的积分：最大相移：最大频偏：以FM看PM，频率是相位的微分：角度调制（续）角度调制（续） 瞬时频率。 瞬时相位。 调制常数（modulation Constant)M(t)归一化后，取出系数最大偏移 = 调制常数和归一化系数的乘积in角度调制（续）角度调制（续） 调制度（Modulation