1、第第1010章章 脈沖調脈沖調第第1010章章 脈沖調脈沖調 10.1 脈沖模擬調制脈沖模擬調制10.2 脈沖數字調制脈沖數字調制10.3 基帶傳輸基帶傳輸10.4 載波傳輸載波傳輸10.5 脈沖數字調制應用脈沖數字調制應用第第1010章章 脈沖調脈沖調10.1 脈沖模擬調制脈沖模擬調制 10.1.1 采樣 1.自然采樣 (1)低通信號采樣。語音信號、圖像信號、生物電信號等等都是低通信號。這些信號都是時間上、取值上連續的模擬信號，故又把它們叫做模擬基帶信號。如一個低通信號f(t)，它的頻帶寬度為0fm。采樣脈沖為一個周期性的矩形脈沖序列s(t)。兩個信號相乘得到采樣信號fs(t)=f(t)s(

2、t)，如圖10.1所示。 第第1010章章 脈沖調脈沖調 稱這種采樣方式為自然采樣。根據“信號與系統”的知識可知，當( )( )( )( )2() ()21( )( )( )( )2() ()2ssnssssssnf tFAns tSSanTf tFFSnA fSaFn (10.11) 第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.1 自然采樣 tttf (t)s (t)fs (t)Ts第第1010章章 脈沖調脈沖調 其中，s為采樣角頻率,Ts=2/s。當采樣頻率fs2fm時，采樣信號的頻譜Fs()如圖10.2所示。 不失真的恢復基帶信號，采樣頻率fs一定要大于2fm，否則會產生頻譜的重疊，高頻端的頻

3、率分量就會疊加到低頻端上，從而引起失真。若是語音信號就會影響語音信號的可懂度。如信號頻率fm=60Hz，采樣頻率fs=100Hz，這樣恢復出來的信號就會出現40Hz的頻率成分，如圖10.3所示。 第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.2 自然采樣頻譜 000Fs ()S ()F ()4s3s4s3s2s2sssss2s2s3s3s4s4smm第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.3 fsud時，反饋控制邏輯電路輸出的數碼改為11000000。再經D/A變換，輸出的模擬電壓ud變成3UEF/4。 第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.14 2914芯片的框圖 2122發射濾波采樣保持D/A自動調

4、零23比較逐次逼近寄存寄存161718參考值A/D控制1514控制控制邏輯657增益 控制濾波緩沖D/A控制D/A423接收參考值寄存109813112012241數字地模擬地5 V5 V第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.15 逐次逼近型A/D變換原理框圖 采樣保持模擬信號電壓比較器逐次比較邏輯控制數字信號產生器usudD/A變換輸出第第1010章章 脈沖調脈沖調10.3 基帶傳輸基帶傳輸 二進制碼的兩種狀態用兩種電脈沖波形g1(t)和g2(t)表示。g1(t)代表1狀態，g2(t)代表0狀態。每個碼元所占據的時間叫做碼元周期，用T表示。這樣二進制的數字序列信號就可以表示為12( )()(

5、1)()kkks tu g tkTag tkT(10.31)第第1010章章 脈沖調脈沖調 式中k是碼元的序號。ak是第k個碼元的取值。ak的取值可以是1，也可以是0，若取1的概率為P，則取0的概率為(1-P)。 圖10.16示出了幾種常用的二進制傳輸代碼。圖10.16(a)是一組數字代碼。圖10.16(b)是用幅度為A、寬度等于T的正極性矩形脈沖表示1狀態；用幅度為0、寬度等于T的正矩形脈沖表示0狀態。這種傳輸代碼叫非歸零碼。圖10.16(c)示出的是歸零碼。 第第1010章章 脈沖調脈沖調 歸零碼與非歸零碼不同之處僅是碼元脈沖寬度不同，歸零碼的碼元脈沖寬度小于碼元周期T，是窄脈沖，如用占空

6、比為0.5的正矩形脈沖表示1，沒有脈沖表示0。圖10.16(d)示出的是傳號差分碼，它用電平變化表示1，電平不變表示0。圖10.16(e)是空號差分碼，它用電平不變表示1，電平變化表示0，正好與傳號差分碼相反。差分碼又叫相對碼，而歸零碼或非歸零碼往往又被稱為絕對碼，相對碼與絕對碼可以互相轉換。若絕對碼數字序列信號表示為 ak=a-k a-(k-1)a-2a-1a0a1a2ak第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.16 幾種常用的二進制傳輸代碼 (a) 數字代碼(b) 非歸零碼101100101(c) 歸零碼(d) 傳號差分碼(e) 空號差分碼(f) 分相碼(g) 傳號雙相碼(h) 空號雙相碼T

7、第第1010章章 脈沖調脈沖調 其中，ak為序號為k的碼元取值。相對碼數字序列信號表示為ak，ak是序號為k的相對碼碼元的取值。則由絕對碼轉換成傳號差分碼的關系式是11kkkaaa(10.32) 實現這種轉換的邏輯電路框圖如圖10.17所示。由絕對碼轉換成空號差分碼的關系式是1111kkkkkkaaaaaa或 (10.33) 第第1010章章 脈沖調脈沖調 實現這種碼型轉換的邏輯電路框圖如圖10.18所示。反過來，由傳號差分碼轉換成絕對碼的邏輯關系式是11kkkaaa(10.34) 圖10.17絕對碼轉換成傳號差分碼邏輯框圖圖10.18絕對碼轉換成空號差分碼邏輯框圖 11kkkaaa(10.3

8、5) 相應的邏輯電路框圖如圖10.20所示。第第1010章章 脈沖調脈沖調 圖10.17 絕對碼轉換成傳號差分碼邏輯框圖圖10.18 絕對碼轉換成空號差分碼邏輯框圖ak1延時 Ta k1a kak1延時 Ta k1a k第第1010章章 脈沖調脈沖調 圖10.19 由傳號差分碼轉換成絕對碼的邏輯框圖 圖10.20 由空號差分碼轉換成絕對碼邏輯框圖 ak1延時 Ta k1a kak1延時 Ta k1a k第第1010章章 脈沖調脈沖調 10.3.2 基帶傳輸系統 把以傳輸代碼表示的數字基帶信號直接送入到信道中進行傳輸的系統叫基帶傳輸系統。如市內電話、閉路電視、電纜電視、近距離計算機網的數據交換和

9、處理都可以是基帶傳輸系統?；鶐到y都是通過電纜信道，其數字信號傳送的距離不太遠。實現遠距離傳輸必須通過調制把基帶信號的頻譜變換到高頻處之后，通過無線信道或光纖信道傳輸。如微波中繼通信、多路載波電話、數字通信、衛星通信等都是載波傳輸系統。第第1010章章 脈沖調脈沖調 基帶傳輸是載波傳輸的基礎。基帶傳輸系統傳送的是數字基帶信號。在以傳輸碼表示的數字基帶信號中包含有直流和豐富的低頻分量，所以基帶傳輸系統是一個具有低通特性的系統。基帶系統的組成如圖10.21所示。圖10.21 基帶傳輸系統 信道信號形成器數字代碼信道接收濾波器采樣判決器干擾數字基帶信號第第1010章章 脈沖調脈沖調 放大補償電路又叫

10、補償器或均衡器，對接收到的信號進行加工，對由于信道的頻率特性而引入的失真進行補償。定時電路是從接收的信號中提取出碼元同步信號，保證在信噪比最大時對信號進行采樣。識別判決電路是把信號與門限電平進行比較，當高于門限電平時，判決電路控制再生電路形成一個脈沖。圖10.22電路的各點波形如圖10.23所示。圖10.23中的a是輸入信號，b是定時電路形成的碼元同步信號，c是判決電路輸出的脈沖，d是再生的信號波形。由此可見，中繼器的輸出完全恢復成了發射的數字信號。 第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.22 中繼器框圖 放大補償識別判決信號再生定時門限bca中繼器Td11 0 111 0 1第第1010章章

11、 脈沖調脈沖調圖10.23 中繼器框圖各點波形 101101發射的數字基帶信號門限接收信號碼元同步（定時信號）101101(a)(b)(c)(d)第第1010章章 脈沖調脈沖調10.4 載波傳輸載波傳輸 10.4.1 二進制振幅鍵控(2ASK) 用數字基帶信號去控制高頻正弦波的幅度就是振幅鍵控調制。最簡單的振幅鍵控信號的產生方法是用數字基帶信號s(t)與載波信號uC(t)相乘，如圖10.24所示。 第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.24 ASK信號產生框圖與波形 低通乘法器帶通s (t)uASK載波產生器uCs (t)tttuASKuC(t)第第1010章章 脈沖調脈沖調 二進制數字基帶信

12、號12( )()(1)()( )coskkkCCmCs ta g tkTag tkTutUt載波 C為載波角頻率。2ASK信號12()(1)() cosASKmkkCkuUa g tkTag tkTt(10.31) 第第1010章章 脈沖調脈沖調 二進制振幅鍵控信號的解調方法如圖10.25所示。信號經過信道加入了噪聲和干擾，經過帶通濾波器可濾除帶外干擾和噪聲，再通過包絡檢波器就可以得到基帶信號。但是由于帶內干擾與噪聲的存在和前端電路(濾波器、檢波器等電路)的頻率特性限制，使脈沖序列信號的前沿和后沿都變得平滑。在這種情況下，有可能把1錯判為0，把0錯判為1，從而造成誤碼。為了減少誤碼率，往往在解

13、調器中加入采樣和判決再生電路，利用鎖相的方法從輸入的信號中提取出碼元同步脈沖(又稱為位同步脈沖)，然后用位同步脈沖對包絡檢波器輸出信號采樣，之后再通過判決再生電路得到PCM信號uo，各點的波形如圖10.25(b)所示。 第第1010章章 脈沖調脈沖調 圖10.25 ASK解調 (a)解調框圖；(b)解調波形uASK帶通位同步形成包絡檢波低通采樣判決再生u1u2u3uo(a)第第1010章章 脈沖調脈沖調 圖10.25 ASK解調 (a)解調框圖；(b)解調波形u1u2u3uo門限(b)第第1010章章 脈沖調脈沖調 10.4.2 二進制頻率鍵控(2FSK) 二進制頻率鍵控是用數字基帶信號的兩種

14、狀態去控制載波的頻率。狀態為1，載波頻率為f1；狀態為0，載波的頻率為f2，如圖10.26所示。2FSK信號時域表達式可寫為1122( )()cos(1)() cosFSKkkkuta g tkTtag tkTt(10.32) 這種信號的帶寬等于基帶信號帶寬的兩倍再加(f2-f1)的差值。第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.26 FSK調制信號波形 ts (t)uFSKf1f2f1t第第1010章章 脈沖調脈沖調 頻率鍵控信號的產生方法很多。利用直接調頻電路是最簡單的一種方法。圖10.27示出的是一個變壓器耦合的LC振蕩器，振蕩器頻率是由LC并聯諧振回路的諧振頻率決定。它是用數字基帶信號s(

15、t)控制回路電容的大小，從而實現振蕩頻率的改變。當s(t)=1時，VD1、VD2截止，振蕩頻率由L和C1決定；當s(t)=0時，VD1、VD2導通，振蕩頻率由L、C1、C2決定。頻率鍵控信號的解調方法如圖10.28、圖10.29所示，前者是相干解調，后者是過零檢測法解調。圖10.29(a)中各點的波形如圖10.29(b)所示。 第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.27 FSK直接調頻電路 s (t)R1VD1VD2C3C2C1LR2C4 ECR3C5R4C6R5uo第第1010章章 脈沖調脈沖調 頻率鍵控信號的解調方法如圖10.28、圖10.29所示，前者是相干解調，后者是過零檢測法解調。圖

16、10.29(a)中各點的波形如圖10.29(b)所示。圖10.28 2FSK相干解調 乘法器帶通低通采樣判決乘法器帶通低通uFSKuocos1tcos2t12同步脈沖第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.29 2FSK過零檢測解調 限幅微分整流脈沖形成低通u2FSKuo654321(a)123456(b)第第1010章章 脈沖調脈沖調 10.4.3二進制相位鍵控(2PSK) 1.絕對調相(PSK) 絕對調相是以載波的相位為基準。數字信號的1狀態使已調波的相位與載波同相；數字信號的0狀態使已調波的相位與載波相差180，如圖10.30所示。這種信號的產生方法如圖10.31所示。首先將單極性數字基帶

17、信號通過電平轉換電路變成雙極性的數字脈沖序列信號，之后在乘法器中與載波信號相乘，正極性時載波相位不變，負極性時載波相位相反。第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.30 2PSK信號波形 s(t)1011001tuCtuPSKt018001800第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.31 2PSK信號產生原理框圖電平轉換乘法器雙極性單極性s(t)u2PSK載波發生器uC第第1010章章 脈沖調脈沖調 圖10.32示出了2PSK信號解調的框圖和各點的波形。解調電路中的本地信號必須與載波同步。本地信號通常是通過鎖相方法從PSK信號中提取得到的，它的初相不固定，有可能為0，也有可能為。兩種初相解調后的

18、脈沖數字信號0、1狀態正好相反，這樣究竟是正脈沖代表1，還是負脈沖代表1就不確定了，這當然是不允許的?？朔镜匦盘栂辔荒：龑ο喔山庹{影響最有效的方法是數字基帶信號采用差分碼，采用相對調相。第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.32 2PSK信號解調 乘法器碼元同步uPSK判決再生uCu1低通濾波器u2采樣uocosCt第第1010章章 脈沖調脈沖調uPSKu1u2uCtttt圖10.32 2PSK信號解調 第第1010章章 脈沖調脈沖調 2.相對調相(DPSK) 相對調相各碼元的載波相位不是以未調制的載波相位為基準，而是以相鄰的前一個碼元的載波相位為基準去確定后一個碼元載波相位的取值。當一個碼

19、元取值為1時，該碼元的載波相位與相鄰的前一個碼元載波相位相同，即0相移。當碼元取值為0時，該碼元的載波相位與相鄰的前一個碼元的載波相位相差180，如圖10.33所示。 第第1010章章 脈沖調脈沖調 圖10.33 2DPSK信號波形 t相對調相t載波t空號差分碼100100011t絕對碼010011010第第1010章章 脈沖調脈沖調 相位與相鄰的前一個碼元的載波相位相差180，如圖10.33所示。相對調相信號的產生方法如圖10.34所示。首先將絕對碼通過差分編碼電路變成雙極性的差分碼，之后與載波相乘就可得到2DPSK信號。 相對調相信號的解調方法有兩種方法，一種是同步解調，另一種是差動相干解

20、調。圖10.35示出的是同步解調的框圖。同步解調的關鍵是如何取出與載波同步的本地振蕩信號。目前最廣泛采用的本地振蕩信號提取方法是鎖相方法。有關鎖相知識在后續章節中將會介紹。 第第1010章章 脈沖調脈沖調 圖10.34 2DPSK信號產生原理圖碼型變換乘法器差分碼絕對碼s(t)u2DPSK載波發生器uC第第1010章章 脈沖調脈沖調圖10.35 2DPSK同步解調框圖 倍頻uCuDPS鎖相分頻低通判決再生碼型變換uo第第1010章章 脈沖調脈沖調 第二種解調方法是差動相干解調，框圖如圖10.36(a)所示，圖中各點的波形如圖10.36(b)所示。圖中的延時網絡把信號延時一個碼元周期T。延時后的

21、信號與延時網絡的輸入信號相比超前一個碼元周期，輸入為ak+1，延時網絡的輸出為ak。ak+1 與ak相乘，通過低通濾波、判決再生電路得到解調信號。差動相干解調方法是把前一個碼元的載波作為本地信號。這種方法直接得到的就是絕對碼。第第1010章章 脈沖調脈沖調 圖10.36 2DPSK差動解調 (a)解調框圖；(b)解調波形u2DPSK乘法器uC延時Tu1低通濾波uoa k(a)a kuCu2DPSKa k1Tu1uotttt1000100101001(b)a k1第第1010章章 脈沖調脈沖調10.5 脈沖數字調制應用脈沖數字調制應用 數字信號的傳輸多采用時分復用方式。所謂復用就是將語音、數據、

22、圖像等多路信號利用一個信道進行獨立的傳輸。如利用一根同軸電纜同時傳輸1920路電話，各路電話之間的傳送相互獨立、互不干擾。時分復用方式與頻分復用方式相比具有電路簡單可靠、對傳輸系統的非線性失真要求低等特點。時分復用方式各路信號采用不同的時間間隔傳送，時間上互不重疊。 第第1010章章 脈沖調脈沖調 圖10.37 幀與復幀結構F10F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F11F12F13F14F1516 幀 2 ms0 115161730 311 幀 32個時隙256 bit 125 s1 0 0 1 1 0 1 1同步時隙信息時隙11A10000偶幀同步1 1A1 1 1 1 1奇幀幀失步告警碼傳號標志F0a b c d a b c dF1CH1CH16a b c d a b c dF2