調(diào)制解調(diào)技術(shù)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u26207第一節(jié)數(shù)字信號調(diào)制技術(shù) 114844第二節(jié)模擬信號調(diào)制技術(shù) 35097第三節(jié)模擬信號解調(diào)技術(shù) 8第一節(jié)數(shù)字信號調(diào)制技術(shù)數(shù)字基帶信號可以在一些有線信道中直接傳輸，比如電話光纜。但是在帶通信道中，數(shù)字信號是無法直接傳輸?shù)?。而現(xiàn)如今無線、微波、衛(wèi)星等主流通信方式一般都是帶通信道，所以對于數(shù)字基帶信號，想要在無線信道中傳輸，必須經(jīng)過調(diào)制。數(shù)字信號調(diào)制就是通過基帶數(shù)字信號，去調(diào)制載波的某些參量。數(shù)字信號通常是幾個(gè)離散的值，所以數(shù)字信號調(diào)制通常是類似于將數(shù)字信號看作開關(guān)，去控制載波中的變量，因此數(shù)字調(diào)制方式又被稱為“鍵控”。數(shù)字信號調(diào)制主要分為以下三種調(diào)制方法：移幅鍵控(又稱振幅鍵控，AmplitudeShiftKeying，ASK)，頻移鍵控(FrequencyShiftkeying，F(xiàn)SK)，相移鍵控(PhaseShiftKeying，PSK)。移幅鍵控是將載波中的振幅看作變量，頻率、相位看作是常量，數(shù)字信號是通過載波的幅度變化來傳遞的。通常二進(jìn)制數(shù)字信號可以采用移幅鍵控來調(diào)制。移幅鍵控可以使用一個(gè)乘法器將基帶信號和載波相乘實(shí)現(xiàn)或者將基帶數(shù)字信號當(dāng)作開關(guān)控制載波振幅的涌現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)，圖2.1是使用乘法器實(shí)現(xiàn)移幅鍵控的原理圖。二進(jìn)制基帶信號波形、載波波形以及調(diào)制后的ASK波形如圖2.2所示。可以看出載波信號為正弦信號，當(dāng)基帶數(shù)字信號為1時(shí)，載波正常傳播，當(dāng)信號為0時(shí)，載波振幅為0。圖2.1ASK調(diào)制原理(乘法器)圖2.2ASK信號示意圖頻移鍵控是將頻率看成變量，而幅度、相位當(dāng)作常量，利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信號。頻移鍵控是將二進(jìn)制數(shù)字信號當(dāng)作一個(gè)選擇器來實(shí)現(xiàn)。在調(diào)制時(shí)，有兩種頻率的載波可供選擇，數(shù)字信號的0和1分別對應(yīng)著這兩種載波，隨著數(shù)字信號的變化，交替發(fā)送兩個(gè)不同頻率的載波。頻移鍵控的原理圖如圖2.3所示，an是基帶數(shù)字信號。圖2.4為頻移鍵控調(diào)制后的波形圖，第一行和第四行為頻率不同的載波，第二行為二進(jìn)制數(shù)字信號，第三行為調(diào)制后的波形圖。圖2.3FSK原理圖圖2.4FSK波形圖相移鍵控是將載波中的頻率、振幅當(dāng)作常量，而相位看作是變量，利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信號。在相移鍵控信號中，二進(jìn)制數(shù)字信號的0和1分別表示載波的相位0和π或者是π2和?π2圖2.5PSK調(diào)制原理圖圖2.6PSK波形圖以上列舉了三種最基礎(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制方式，其他的調(diào)制方式，比如多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)、最小頻移鍵控(MSK)、高斯濾波的最小頻移鍵控(GMSK)、差分相移鍵控(DPSK)、正交相移鍵控(QPSK)、正交頻分復(fù)用(OFDM)等本文不做詳細(xì)介紹。第二節(jié)模擬信號調(diào)制技術(shù)模擬信號調(diào)制是指利用低頻連續(xù)的模擬基帶信號去調(diào)制高頻的載波。載波通常是頻率、幅度、相位固定的高頻連續(xù)正弦信號或是余弦信號。因此，根據(jù)載波的三個(gè)參數(shù)可以將模擬信號調(diào)制分為兩個(gè)方法：幅度調(diào)制(AmplitudeModulation，AM)和角度調(diào)制。模擬信號調(diào)制被廣泛應(yīng)用于廣播電視系統(tǒng)。一、幅度調(diào)制幅度調(diào)制是利用連續(xù)模擬信號改變載波幅度的一種調(diào)制方法，這種方法將載波中的幅度看作因變量，連續(xù)模擬信號看作自變量，頻率、相位當(dāng)作常量。幅度調(diào)制實(shí)現(xiàn)了基帶信號頻譜的線性搬移，是一種線性調(diào)制。幅度調(diào)制分為常規(guī)調(diào)幅(AM)、單邊帶調(diào)制(SSB)、雙邊帶調(diào)制(DSB)和殘留邊帶調(diào)制(VSB)。REF_Ref13256\r\h[6]本文主要介紹常規(guī)調(diào)幅(AM)?；鶐M信號可以用式(2-1)來表示： (2-1) 載波信號可以用式(2-2)表示： (2-2)為了方便計(jì)算，假設(shè)基帶模擬信號和載波信號之間的初始相位差。在調(diào)制時(shí)，如果基帶模擬信號均值為0，那么還需要添加一個(gè)直流偏置A0，將直流偏置A0和基帶信號相加得到，再與載波信號相乘便可以得到AM調(diào)制的信號。AM調(diào)制信號時(shí)域表達(dá)式如式(2-3)所示： (2-3)如此一來，基帶模擬信號對載波信號的AM調(diào)制就成功了。通過公式可以看出，想要實(shí)現(xiàn)AM調(diào)制需要一個(gè)加法器將直流偏置和基帶模擬信號相加，還需要一個(gè)乘法器將載波信號和相加結(jié)果相乘，最終得到AM調(diào)制信號。AM調(diào)制原理圖如圖2.7所示。正常AM調(diào)制后波形圖如圖2.8所示，紅色的線為基帶模擬信號，白色的線為AM調(diào)制后的信號。圖2.7AM調(diào)制原理圖圖2.8正常AM調(diào)制波形圖在幅度調(diào)制中，引入了調(diào)幅系數(shù)的概念。調(diào)幅系數(shù)m可以用式(2-4)表示： (2-4)調(diào)幅系數(shù)不僅能用來體現(xiàn)調(diào)制過程中基帶模擬信號改變載波幅度的程度，還能體現(xiàn)AM調(diào)制的效率以及功率分配。當(dāng)調(diào)幅系數(shù)時(shí)，屬于正常調(diào)幅狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，屬于臨界狀態(tài)，被稱為滿調(diào)幅；當(dāng)時(shí)，會發(fā)生調(diào)幅失真，被稱為過調(diào)幅。過調(diào)幅會導(dǎo)致接收端解調(diào)失真，無法完全解調(diào)出正確信號，導(dǎo)致信息傳遞有誤，所以AM調(diào)制通常要保證調(diào)幅系數(shù)。圖2.9為AM調(diào)制的臨界狀態(tài)，圖2.10為過調(diào)幅狀態(tài)。從圖2.9可以看出，當(dāng)橫坐標(biāo)在0.003-0.004之間時(shí)，載波的幅度為0。從圖2.10可以看出，當(dāng)橫坐標(biāo)為0.003-0.004之間時(shí)，載波本該繼續(xù)變小的幅度的在這個(gè)區(qū)間反而變大了，這塊區(qū)域就失真了，會導(dǎo)致后續(xù)解調(diào)出現(xiàn)問題。圖2.9AM調(diào)制的臨界狀態(tài)圖2.10AM調(diào)制的失真狀態(tài)通過AM信號的表達(dá)式，計(jì)算它的均方值，可以得到AM信號的功率： (2-5)公式中是載波功率，是邊帶功率，也就是調(diào)制功率。而AM調(diào)制信號的調(diào)制效率可以由式(2-6)表示： (2-6)由于調(diào)幅系數(shù)，故，所以調(diào)制效率。由此可以看出，AM調(diào)制的有用信號功率所占比例很低，最多占總功率的50%，所以AM調(diào)制信號功率的利用率是十分低的。也正是因?yàn)檫@種功率上的浪費(fèi)，使得AM信號在解調(diào)的時(shí)候是比較簡單的。二、角度調(diào)制角度調(diào)制是利用連續(xù)模擬信號改變載波角度的調(diào)制方法，角度調(diào)制主要包括頻率調(diào)制(FrequencyModulation，F(xiàn)M)和相位調(diào)制(PhaseModulation，PM)。頻率調(diào)制是利用連續(xù)模擬信號改變載波頻率的一種調(diào)制方法。這種方法將載波中的頻率看作因變量，連續(xù)模擬信號看作自變量，幅度、相位當(dāng)作常量。而相位調(diào)制是利用基帶模擬信號的瞬時(shí)值改變載波的瞬時(shí)相位的調(diào)制方法。對于正弦載波來說，相位的變化會影響頻率的變化，頻率的變化會引起相位的變化，二者都能夠影響角度，所謂將頻率調(diào)制和相位調(diào)制統(tǒng)稱為角度調(diào)制REF_Ref13256\r\h[6]。和幅度調(diào)制不同，角度調(diào)制后的信號并不是基帶模擬信號頻譜的線性搬移，因此屬于一種非線性調(diào)制。本文主要對頻率調(diào)制進(jìn)行介紹。和AM調(diào)制一樣，基帶信號用來表示，載波用來表示。先假設(shè)經(jīng)過頻率調(diào)制后的FM信號如下所示： (2-7)根據(jù)此式可以得出瞬時(shí)相位為，瞬時(shí)相位偏移為，瞬時(shí)角頻率為瞬時(shí)相位的微分，可以表示為。瞬時(shí)頻率則為，可以看出瞬時(shí)頻率的變化僅與有關(guān)，就是瞬時(shí)角頻偏，為了實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制的效果，需要基帶模擬信號和瞬時(shí)角頻偏構(gòu)成某種線性關(guān)系。為此引入了調(diào)頻靈敏度Kf這一概念?；鶐M信號和瞬時(shí)角頻偏的線性關(guān)系可以用式(2-8)表示： (2-8)由此式可以看出，調(diào)頻靈敏度Kf反映了載波的瞬時(shí)角頻偏隨著基帶模擬信號幅度的線性變化程度。有了調(diào)頻靈敏度，那么瞬時(shí)相位偏移就能用下式表示： (2-9)由式(2-7)和式(2-9)可以得出： (2-10)將基帶模擬信號表達(dá)式分別帶入式(2-9)和式(2-10)中，可得： (2-11) (2-12)在式(2-11)中，被稱為最大角頻偏，最大角頻偏和基帶模擬信號角頻率(或是最大頻偏和基帶模擬信號頻率)的比值被稱為調(diào)頻指數(shù)，表達(dá)式如下： (2-13)式(2-12)為FM調(diào)制后信號的時(shí)域表達(dá)式，根據(jù)carson公式可以得出調(diào)制后信號的帶寬： (2-14)當(dāng)調(diào)頻指數(shù)遠(yuǎn)小于1時(shí)，已調(diào)信號帶寬，這種調(diào)頻稱為窄帶調(diào)頻(NBFM)；當(dāng)調(diào)頻指數(shù)遠(yuǎn)大于1時(shí)，已調(diào)信號帶寬，這種調(diào)頻稱為寬帶調(diào)頻(WBFM)。目前最常用到的調(diào)制FM信號的方法是正交調(diào)制(I/Q調(diào)制)。將式(2-10)展開，可以得到： (2-15)其中被稱為I路信號，被稱為Q路信號，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制時(shí)，可以將基帶模擬信號積分后分別進(jìn)行余弦和正弦變換得到I路信號和Q路信號，再通過乘法器分別和載波以及相位差為90°的載波相乘，最后通過加法器相加得到調(diào)制后信號。FM正交調(diào)制原理圖如圖2.11所示，F(xiàn)M調(diào)制后信號波形圖如圖2.12所示。圖中白線為基帶模擬信號，紅線為調(diào)制后信號，可以看出載波在基帶信號幅度大時(shí)頻率高，幅度小時(shí)頻率低。圖2.11FM正交調(diào)制原理圖圖2.12FM調(diào)制波形圖FM調(diào)制相比于AM調(diào)制，帶寬更大，擁有較強(qiáng)的抗干擾能力，擁有較高的信噪比，信號解調(diào)后基本無雜音，被廣泛使用于廣播電臺領(lǐng)域。第三節(jié)模擬信號解調(diào)技術(shù)解調(diào)就是調(diào)制的反過程，調(diào)制是將低頻基帶信號加載到高頻載波的操作，解調(diào)則是將基帶低頻信號從已調(diào)制的高頻信號中分離出來，以此獲得需要的信息。解調(diào)根據(jù)是否需要原始載波信息分為兩種：相干解調(diào)和非相干解調(diào)。相干解調(diào)，又可以稱為同步檢波(解調(diào)可稱為檢波)，這種解調(diào)技術(shù)需要調(diào)制時(shí)載波的全部信息，用一個(gè)和調(diào)制載波完全同步的信號作為相干載波，利用相干載波去得到原始基帶信號。以AM調(diào)制信號為例子，式(2-3)為AM調(diào)制后的信號時(shí)域表達(dá)式： (2-3)將已調(diào)信號和相干載波()相乘,此時(shí)的表達(dá)式可以變成： (2-14)式(2-14)經(jīng)過變換，可以得到： (2-15) 由式(2-15)可以看出載波和原始基帶信號已經(jīng)被分離了，此時(shí)使用一個(gè)低通濾波器(LPF)將載波部分過濾掉，再將直流偏置減去，就可以得到原始基帶信號了。相干解調(diào)原理圖如圖2.13所示：圖2.13相干解調(diào)原理圖通過上述介紹，可以看出由于采用了和載波同頻同相的相干載波，適用于所有經(jīng)過線性調(diào)制信號的解調(diào)，同時(shí)解調(diào)效果也是非常不錯(cuò)，但是由于相干解調(diào)必須知道調(diào)制載波的參數(shù)，在實(shí)際使用中并不方便。所以引入了非相干解調(diào)這一方法。非相干解調(diào)，又稱包絡(luò)檢波，和相干解調(diào)最大的區(qū)別在于不需要調(diào)制載波的所有參數(shù)。包絡(luò)指將高頻信號的峰值連起來形成的線，體現(xiàn)了調(diào)制后高頻信號幅度的變化。包絡(luò)檢波就是將已調(diào)信號的包絡(luò)分離出來再進(jìn)行處理。對于幅度調(diào)制的信號而言，包絡(luò)就是基帶信號，所以包絡(luò)檢波在AM信號解調(diào)中最常用到。AM調(diào)制信號表達(dá)式如式(2-3)所示： (2-3)其中就是包絡(luò)，為了提取包絡(luò)，可以將已調(diào)信號進(jìn)行一次希爾伯特變換(Hilbert),變換如下： (2-16)將原有已調(diào)信號作為復(fù)數(shù)信號的實(shí)部，經(jīng)過希爾伯特變換的信號作為復(fù)數(shù)信號的虛部，再將這個(gè)復(fù)數(shù)信號轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)形式，即可獲取信號幅度變化，也就是包絡(luò)，最后減去直流偏置即可得到包絡(luò)檢波后的信號，也就是從高頻已調(diào)信號獲取了需要的基帶信號。非相干解調(diào)不需要和載波同頻同相的相干載波，也不需要乘法器將相干載波和已調(diào)信號相乘，處理復(fù)雜度比較低，實(shí)現(xiàn)起來較為容易也沒有太多限制，但是相比于相干解調(diào)來說，非相干解調(diào)的性能是有所下降的。和上文FM調(diào)制中介紹的正交調(diào)制相對應(yīng)，還有一種解調(diào)方法是正交解調(diào)，正交解調(diào)是將已調(diào)信號轉(zhuǎn)化為I/Q信號再進(jìn)行處理的解調(diào)方式。以FM調(diào)制信號為例，F(xiàn)M調(diào)制后信號表達(dá)式如式(2-10)所示： (2-10)將已調(diào)信號與載波同頻率的余弦分量相乘，可以得到： (2-17)用低通濾波器將二倍載波頻率的分量過濾出去，就可以得到I路信號： (2-18)用同樣的方式，將已調(diào)信號與載波同頻率的正弦分量相乘，可以得到: (2-19)用低通濾波器將二倍載波頻率的分量過濾出去，就可以得到Q路信號： (2-20)隨后對I、Q信號的比值求反正切，就可以得到基帶信號，表達(dá)式如下： (2-21)由式(2-21)變換可以得到： (2-22)兩邊同時(shí)求導(dǎo)，可以得到： (2-23)正交解調(diào)的原理圖如圖2.14所示：圖2.14正交解調(diào)原理圖正交解調(diào)在如今是很常用的解調(diào)手段，很多軟件無線電硬件接收的信號就是I/Q信號，所以直接使用正交解調(diào)更為方便。參考文獻(xiàn)查光明,倪成凱,孫科維.軟件無線電的興起、特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].云南民族學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003(03):4-8.謝小娟.基于LabVIEW的軟件無線電調(diào)制解調(diào)和信號識別技術(shù)研究[D].南