1、1 现代通信原理 第3章 现代新型调制技术概述 2 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 3.1 数字调制的优点 抗干扰性强 纠错能力强 具有信号恢复功能，在长距离传输后仍能保 持相同的信噪比 数据安全性，数据加密功能 更高的频谱利用率 低成本 与数据业务兼容 优异的话音质量 3 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 现代通信数字调制的基本要求：1、通信的传播条件极其恶劣，干扰问题也特别严重，所以常用通信中的数字调制技术必须具有优良的抗干扰、抗衰落性能。2、无线通信可供使用的频率资源却非常有限。通过改善调制技术而提高频谱利用率。(1)占用带宽要窄，且带外辐射要小
2、。（2）单位频带所容纳用户数多。3、具有良好的抗误码性能。4、其他：用户终端小高的功率效率 产业化问题成本低易于实现 4 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述?功率有效性 反映调制技术在低功率电平情况下保证系统误 码性能的能力。可表述成在接收机输入端特定 的误码概率下，每比特的信号能量与噪声功率 谱密度之比。0NEbp?5 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述?带宽有效性 在给定的带宽条件下每赫兹的数据通过率，反映调制技术在一定的频带内容纳数据的能力。式中：R为数据速率，B为调制射频RF信号占用带宽 B?BRB?6 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技
3、术概述?香农定理?式中，C为信道容量(单位为bit/s或b/s)，B为信道带宽(Hz)，S是信号功率，N是噪声功率。?最大可能的 为)1(log2NsBC?BMAX?)1(log2NsBCBMAX?7 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述?3.2 信号的表示 8 第3章 现代新型调制技术概述 9 第3章 现代新型调制技术概述 10 第3章 现代新型调制技术概述 I/Q调制器 11 第3章 现代新型调制技术概述 12 第3章 现代新型调制技术概述 13 第3章 现代新型调制技术概述 14 第3章 现代新型调制技术概述 15 第3章 现代新型调制技术概述 16 第第3章章 现代新型
4、调制技术概述现代新型调制技术概述?3.3 数字信号调制方法分类 17 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 近十年来陆续提出的调制技术，如最小频移键控（MSK）、高斯滤波最小频移键控（GMSK）、正交幅度调制（QAM）和正交频分复用调制（OFDM）等称为现代数字调制技术。18 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述?3.4 数字信号调制应用 19 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述?4G蜂窝移动通信系统 LTE 上行 OQPPSK 下行OFDM WLAN 802.11-2.4G 跳频FHSS PSK 802.11a-5G OFDM 802.11b
5、-2.4G(wifi)直序扩频DSSS PSK 802.11g-2.4G OFDM 蓝牙 GMSK Zigbee GFSK GPS BPSK 卫星通信 ASK 2FSK MSK 4FSK BPSK QPSK OQPSK 8PSK /4 QPSK 20 2-2-第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 21 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述?3.4 新型数字调制分类 1.可变速率调制 根据移动信道随机变化的情况自适应地改变无线传输速率：信道条件好时，用较高速率，信道条件差时，降低传输速率。这种调制方法可以在频谱效率和系统误码性能两个方面都达到令人满意的程度。可变速
6、率QAM调制，它保持数据传输的码元速率不变，即波特率不变，但根据信道条件的好坏，增加或减少每码元的电平数目。这等效于改变比特传输速率。22 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述?3.4 新型数字调制分类 2.多载波调制（MCM）多载波调制的原理是将所要传输的数据流分解成若干个比特流，每个子数据流具有低得多得传输比特速率，并且用这些数据流去并行调制若干个载波。多载波调制的主要优点是具有抗无线信道时间弥散的特性。多载波调制可通过多种技术途径来实现。包括：多音实现、正交频分复用（OFDM）、MC-CDMA、编码MCM。23 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述?3.4
7、 新型数字调制分类 3、恒定包络调制方式 恒定包络调制方式主要有MSK、TFM(平滑调频)、GMSK等，其中以GMSK为典型代表。其主要特点是这种已调信号具有包络幅度不变的特性，其发射功率放大器可以在非线性状态而不引起严重的频谱扩散；此外，这一类调制方式可用于非同步检测。这种调制方式的缺点是频带利用率较低，一般不超过1(bit/s)/Hz。24 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述?3.4 新型数字调制分类 4、线性调制方式 线性调制方式主要有各种进制的PSK和QAM等，其中以QPSK为典型代表。这一类调制方式的频带利用率般都大于1(bit/s)/Hz，而且随着调制电平数的增加
8、而增加。线性调制方式又可分为频谱高效和功率高效两种，理论上可以得到大于 2(bit/s)/Hz频带利用率的调制方式为频谱高效，如8PSK、16QAM、256QAM等。频谱高效调制方式是通过增加电平数来获得较高的频带利用率的，因此为得到同样的误码率，就需要较高的信噪比。在移动通信系统中，由于存在着严重的衰落现象和采用非线性同步检测，故所需要的信噪比较高。况且系统所能提供的能量又受到限制，所以频谱高效调制方式目前还不能用于移动通信系统中。功率高效调制为欲获得103误码率仅需14dB信噪比的调制方式，如BPSK和QPSK等。功率高效调制方式可达到的最高频带利用率为2(bit/s)/Hz。25 第第3
9、章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述?3.5 调制和解调电路识读 有了调制解调的方法，还需要依靠具体的电路去实现才能完成调制解调的任务，用于实现调制和解调功能的电路即称为调制解调电路。调制电路总是与振荡器、高频功放等电路结合在一起的，而解调电路则是无线接收、放大电路结合在一起，因此，调制解调电路的识读就离不开无线发射和接收系统的分析。26 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 无线收发系统既可以由分立元器件组成，也可以由无线收发芯片或无线收发模块组成，因此，需要区别以下三种情况进行调制解调电路的识读和讨论：无线收发芯片及模块中的调制解调电路；分立元器件组成的无线收发系
10、统的调制解调电路；由集成乘法电路组成的调制解调电路。27 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 一、无线收发芯片中的调制解调电路 完整的无线收发芯片和模块一定都包含调制解调电路，从应用的角度来看，只需要了解某个电路选用的是哪种调制和解调方法，与调制解调相关的主要特性指标是什么就够了，至于芯片所选择的具体电路则完全没有必要去关注。下面是几种常用射频芯片 28 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 集成发射芯片nRF902 ASK模式和FSK模式，ASK模式时最高传输速率为10kbit/s，FSK模式时最高传输速率为50kbit/s。无线发射模块F05E 所使用的调
11、制方法是ASK，最高传输速率是10kbit/s。无线接收模块3400 从其使用说明书可以读出，该模块的接收方式是ASK，最高传输速率为4.8kbit/s。29 1、变容二极管调频电路 变容二极管调频电路如图所示，图中BT1是陶瓷谐振器，型号ZTA13.0MT，Cj为变容二极管，型号1SV147，VT1为高频三极管，各电阻和电容的数值如下：R1=2.2k、R2=33k、R3=33k、R4=100k、C1=47p、C2=68p。二、分立元器件组成的调制电路 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 30 陶瓷谐振器和变容二极管 陶瓷谐振器也有两个谐振频率，当它们工作于这两个谐振频率之间
12、的频率范围内时，谐振器等效于一个电感。与石英晶体谐振器不同的是两个谐振频率之差fpfs比石英晶体大得多，大约是石英晶体谐振器的几十倍。陶瓷谐振器组成的振荡电路，频率可以达到60MHz，稳定度介于石英晶体和LC振荡电路之间 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 31 二极管除了单向导电性之外，还有一个重要的特性就是在反向偏置情况下它是一个电容量随偏置电压变化的电容。利用这一特性而作为电容器使用的二极管被称为变容二极管。变容二极管需要突出的是极间电容量的大小以及随反向电压变化的特性（例如是否线性，单位电压变化引起的电容量变化多大等）。因此，变容二极管是一种特制的二极管，从结构上看它
13、是二极管，从功能上看则是一种容量可变的电容器。1SV147反向偏置电压从1V增加到9V，电容量从45pF下降到10pF。第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 32 调频原理 晶体管VT1和电容C1、C2、陶瓷谐振器 BT1、变容管Cj组成振荡电路，其交流等效电路如右图所示，串联电容C1、C2两端接晶体管的集电极和基极，中心接发射极，可见该振荡电路为电容三点式振荡电路。第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 33 振荡频率决定于回路的谐振频率，电容 Cj与BT1相串联，振荡频率将随 Cj容量的变化而变化。当调制信号为正半周时，变容二极管的反偏电压增加，其电容减小，振
14、荡频率就变高；调制信号为负半周时，变容管反偏压减小，电容增大，使振荡频率变低。可见调频的原理是，用调制信号去改变加在变容二极管上的反向偏压，以改变其结电容的大小，从而改变高频振荡频率的大小，达到调频的目的。由于所选用的陶瓷谐振器ZTA13.0MT 的标称频率为13MHz，因此经调制后的已调波的频率在13MHz左右。第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 34 上述调频方法可用于无线话筒、无线耳机等场合，但实际应用时还需要解决振荡频率过低的问题。例如常用的FM话筒，使用的频段是 88MHz 108MHz 的国际调频广播频段。但陶瓷谐振器只能产生几十兆赫兹的振荡，因此需要通过倍频电路
15、提高已调波的频率，如图所示。选择L1和C3使其谐振频率等于92MHz，利用L1、C3谐振回路的选频作用，放大电路仅放大92MHz附近的信号，其他倍频则被抑制，这样就实现了倍频。经功率放大后，从天线发射出去的就是符合要求的88MHz108MHz 范围内的调频信号。13X7=91 第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 35 2、ASK调制电路 通过开关控制法产生 ASK波的电路如图所示，右边部分是正弦波振荡电路，左边部分为开关控制电路。振荡电路由声表面波谐振器ZC1、晶体管VT1、电容C1、C2、C3、电阻R1、R2和电感L组成，ZC1选用R315A，因此电路的振荡频率为315MH
16、z。开关控制电路由晶体管VT2、VT3及电阻R3、R4、R5组成。数字基带信号S(t)加到VT3的基极,控制VT3导通或截止。第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 36 上述电路配上发射天线（如图中虚线所示），即构成完整的无线发射系统，这种发射系统常用于短距离遥控，例如对玩具、家用电器的遥控。图所显示的即为由声表面波谐振器R315A组成的发射模块，调制方式为ASK方式，发射功率1W，电源电压69V，发射距离可达2000米（开阔地）。第第3章章 现代新型调制技术概述现代新型调制技术概述 37 第3章 现代新型调制技术概述 思考题：1、现代通信数字调制的基本要求有哪些？2、什么是功率有效性？如何表述？3、什么是带宽有效性？如何表述？4、不同现代通信系统常采用哪种数字信号调制方法？5、新型数字调制分为几类，每种分类如何定义？
