現代通信原理第3章現代新型調制技術概述

1第3章現代新型調制技術概述3.1數字調制的優點抗干擾性強糾錯能力強具有信號恢復功能，在長距離傳輸后仍能保持相同的信噪比數據安全性，數據加密功能更高的頻譜利用率低成本與數據業務兼容優異的話音質量2第3章現代新型調制技術概述現代通信數字調制的基本要求：1、通信的傳播條件極其惡劣，干擾問題也特別嚴重，所以常用通信中的數字調制技術必須具有優良的抗干擾、抗衰落性能。2、無線通信可供使用的頻率資源卻非常有限。通過改善調制技術而提高頻譜利用率。(1)占用帶寬要窄，且帶外輻射要小。（2）單位頻帶所容納用戶數多。3、具有良好的抗誤碼性能。4、其他：用戶終端小→高的功率效率

產業化問題→成本低易于實現3第3章現代新型調制技術概述功率有效性反映調制技術在低功率電平情況下保證系統誤碼性能的能力。可表述成在接收機輸入端特定的誤碼概率下，每比特的信號能量與噪聲功率譜密度之比。4第3章現代新型調制技術概述帶寬有效性在給定的帶寬條件下每赫茲的數據通過率，反映調制技術在一定的頻帶內容納數據的能力。式中：R為數據速率，B為調制射頻RF信號占用帶寬5第3章現代新型調制技術概述香農定理式中，C為信道容量(單位為bit/s或b/s)，B為信道帶寬(Hz)，S是信號功率，N是噪聲功率。最大可能的為6第3章現代新型調制技術概述3.2信號的表示7第3章現代新型調制技術概述8第3章現代新型調制技術概述9第3章現代新型調制技術概述I/Q調制器10第3章現代新型調制技術概述11第3章現代新型調制技術概述12第3章現代新型調制技術概述13第3章現代新型調制技術概述14第3章現代新型調制技術概述15第3章現代新型調制技術概述3.3數字信號調制方法分類16第3章現代新型調制技術概述近十年來陸續提出的調制技術，如最小頻移鍵控（MSK）、高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）、正交幅度調制（QAM）和正交頻分復用調制（OFDM）等稱為現代數字調制技術。17第3章現代新型調制技術概述3.4數字信號調制應用18第3章現代新型調制技術概述4G蜂窩移動通信系統LTE上行OQPPSK下行OFDMWLAN802.11-2.4G跳頻FHSSPSK802.11a-5GOFDM802.11b-2.4G(wifi)直序擴頻DSSSPSK802.11g-2.4GOFDM藍牙GMSKZigbeeGFSKGPSBPSK衛星通信ASK2FSKMSK4FSKBPSKQPSKOQPSK8PSKπ/4–QPSK192-1第3章現代新型調制技術概述20第3章現代新型調制技術概述3.4新型數字調制分類1.可變速率調制根據移動信道隨機變化的情況自適應地改變無線傳輸速率：信道條件好時，用較高速率，信道條件差時，降低傳輸速率。這種調制方法可以在頻譜效率和系統誤碼性能兩個方面都達到令人滿意的程度。可變速率QAM調制，它保持數據傳輸的碼元速率不變，即波特率不變，但根據信道條件的好壞，增加或減少每碼元的電平數目。這等效于改變比特傳輸速率。21第3章現代新型調制技術概述3.4新型數字調制分類2.多載波調制（MCM）多載波調制的原理是將所要傳輸的數據流分解成若干個比特流，每個子數據流具有低得多得傳輸比特速率，并且用這些數據流去并行調制若干個載波。多載波調制的主要優點是具有抗無線信道時間彌散的特性。多載波調制可通過多種技術途徑來實現。包括：多音實現、正交頻分復用（OFDM）、MC-CDMA、編碼MCM。22第3章現代新型調制技術概述3.4新型數字調制分類3、恒定包絡調制方式恒定包絡調制方式主要有MSK、TFM(平滑調頻)、GMSK等，其中以GMSK為典型代表。其主要特點是這種已調信號具有包絡幅度不變的特性，其發射功率放大器可以在非線性狀態而不引起嚴重的頻譜擴散；此外，這一類調制方式可用于非同步檢測。這種調制方式的缺點是頻帶利用率較低，一般不超過1(bit/s)/Hz。23第3章現代新型調制技術概述3.4新型數字調制分類4、線性調制方式線性調制方式主要有各種進制的PSK和QAM等，其中以QPSK為典型代表。這一類調制方式的頻帶利用率般都大于1(bit/s)/Hz，而且隨著調制電平數的增加而增加。線性調制方式又可分為頻譜高效和功率高效兩種，理論上可以得到大于2(bit/s)/Hz頻帶利用率的調制方式為頻譜高效，如8PSK、16QAM、256QAM等。頻譜高效調制方式是通過增加電平數來獲得較高的頻帶利用率的，因此為得到同樣的誤碼率，就需要較高的信噪比。在移動通信系統中，由于存在著嚴重的衰落現象和采用非線性同步檢測，故所需要的信噪比較高。況且系統所能提供的能量又受到限制，所以頻譜高效調制方式目前還不能用于移動通信系統中。功率高效調制為欲獲得10－3誤碼率僅需14dB信噪比的調制方式，如BPSK和QPSK等。功率高效調制方式可達到的最高頻帶利用率為2(bit/s)/Hz。24第3章現代新型調制技術概述3.5調制和解調電路識讀

有了調制解調的方法，還需要依靠具體的電路去實現才能完成調制解調的任務，用于實現調制和解調功能的電路即稱為調制解調電路。調制電路總是與振蕩器、高頻功放等電路結合在一起的，而解調電路則是無線接收、放大電路結合在一起，因此，調制解調電路的識讀就離不開無線發射和接收系統的分析。

25第3章現代新型調制技術概述無線收發系統既可以由分立元器件組成，也可以由無線收發芯片或無線收發模塊組成，因此，需要區別以下三種情況進行調制解調電路的識讀和討論：無線收發芯片及模塊中的調制解調電路；分立元器件組成的無線收發系統的調制解調電路；由集成乘法電路組成的調制解調電路。26第3章現代新型調制技術概述一、無線收發芯片中的調制解調電路

完整的無線收發芯片和模塊一定都包含調制解調電路，從應用的角度來看，只需要了解某個電路選用的是哪種調制和解調方法，與調制解調相關的主要特性指標是什么就夠了，至于芯片所選擇的具體電路則完全沒有必要去關注。下面是幾種常用射頻芯片

27第3章現代新型調制技術概述集成發射芯片nRF902

ASK模式和FSK模式，ASK模式時最高傳輸速率為10kbit/s，FSK模式時最高傳輸速率為50kbit/s。無線發射模塊F05E

所使用的調制方法是ASK，最高傳輸速率是10kbit/s。無線接收模塊3400從其使用說明書可以讀出，該模塊的接收方式是ASK，最高傳輸速率為4.8kbit/s。28

1、變容二極管調頻電路

變容二極管調頻電路如圖所示，圖中BT1是陶瓷諧振器，型號ZTA13.0MT，Cj為變容二極管，型號1SV147，VT1為高頻三極管，各電阻和電容的數值如下：R1=2.2kΩ、R2=33kΩ、R3=33kΩ、R4=100kΩ、C1=47p、C2=68p。二、分立元器件組成的調制電路第3章現代新型調制技術概述29陶瓷諧振器和變容二極管陶瓷諧振器也有兩個諧振頻率，當它們工作于這兩個諧振頻率之間的頻率范圍內時，諧振器等效于一個電感。與石英晶體諧振器不同的是兩個諧振頻率之差fp－fs比石英晶體大得多，大約是石英晶體諧振器的幾十倍。陶瓷諧振器組成的振蕩電路，頻率可以達到60MHz，穩定度介于石英晶體和LC振蕩電路之間第3章現代新型調制技術概述30

二極管除了單向導電性之外，還有一個重要的特性就是在反向偏置情況下它是一個電容量隨偏置電壓變化的電容。利用這一特性而作為電容器使用的二極管被稱為變容二極管。

變容二極管需要突出的是極間電容量的大小以及隨反向電壓變化的特性（例如是否線性，單位電壓變化引起的電容量變化多大等）。因此，變容二極管是一種特制的二極管，從結構上看它是二極管，從功能上看則是一種容量可變的電容器。1SV147反向偏置電壓從1V增加到9V，電容量從45pF下降到10pF。第3章現代新型調制技術概述31調頻原理晶體管VT1和電容C1、C2、陶瓷諧振器BT1、變容管Cj組成振蕩電路，其交流等效電路如右圖所示，串聯電容C1、C2兩端接晶體管的集電極和基極，中心接發射極，可見該振蕩電路為電容三點式振蕩電路。第3章現代新型調制技術概述32振蕩頻率決定于回路的諧振頻率，電容Cj與BT1相串聯，振蕩頻率將隨Cj容量的變化而變化。當調制信號為正半周時，變容二極管的反偏電壓增加，其電容減小，振蕩頻率就變高；調制信號為負半周時，變容管反偏壓減小，電容增大，使振蕩頻率變低。可見調頻的原理是，用調制信號去改變加在變容二極管上的反向偏壓，以改變其結電容的大小，從而改變高頻振蕩頻率的大小，達到調頻的目的。由于所選用的陶瓷諧振器ZTA13.0MT的標稱頻率為13MHz，因此經調制后的已調波的頻率在13MHz左右。第3章現代新型調制技術概述33上述調頻方法可用于無線話筒、無線耳機等場合，但實際應用時還需要解決振蕩頻率過低的問題。例如常用的FM話筒，使用的頻段是88MHz～108MHz的國際調頻廣播頻段。但陶瓷諧振器只能產生幾十兆赫茲的振蕩，因此需要通過倍頻電路提高已調波的頻率，如圖所示。

選擇L1和C3使其諧振頻率等于92MHz，利用L1、C3諧振回路的選頻作用，放大電路僅放大92MHz附近的信號，其他倍頻則被抑制，這樣就實現了倍頻。經功率放大后，從天線發射出去的就是符合要求的88MHz～108MHz范圍內的調頻信號。13X7=91第3章現代新型調制技術概述34

2、ASK調制電路

通過開關控制法產生ASK波的電路如圖所示，右邊部分是正弦波振蕩電路，左邊部分為開關控制電路。振蕩電路由聲表面波諧振器ZC1、晶體管VT1、電容C1、C2、C3、電阻R1、R2和電感L組成，ZC1選用R315A，因此電路的振蕩頻率為315MHz。開關控制電路由晶體管VT2、VT3及電阻R3、R4、R5組成。數字基帶信號S(t)加到VT3的基極,控制VT3導通或截止。第3章現代新型調制技術概述35上述電路配上發射天線（如圖中虛線所示），即構成完整的無線發射系統，這種發射系統常用