数字调制器的结构及工作原理

数字调制器的结构及工作原理侯体康S1207W301在实际的通信系统中不少都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的某些参量随基带信号的变化而变化，即所谓调制。用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制，把频带数字信号还原成基带数字信号的反变换过程称为数字解调。通常把数字调制及数字解调合起来统称为数字调制。下面我们大致来介绍一下数字调制器的结构及其工作原理。（一）调制器的定义及结构原理调制器是邻频调制器的简称，也常被称作射频调制器或电视调制器,现也有俗被称为共享器、是有线前端电视机房的主要设备之一。调制器是调制式直流放大电路中的一个重要环节。由图1-1可见：欲放大的直流信号ui经过调制器后，变为交流信号UA；再经过交流放大器放大后，最后由解调器转换成直流输出信号UO；振荡器产生开关信号UC；用于控制调制器的取样动作。由于信号的放大任务主要由交流放大器完成，而交流放大器的零点漂移小到可以忽略不计，调制器与解调器的零漂也可以做得很小，所以，调制式直流放大器可用来放大微弱的直流信号。图1-1图1-2为调制器的原理图，如图所示：图1-2因为开关K负载并联，故称为并联制器。工作过程如下：若在0-T/2时间内K断开，则A点取得电平UmA；若在（T/2）-T时间内K接通，则A点接地；以后随差开关K周期地通断动作，在A点将得到一脉动的直流电压UA（如下图），UA可以分解为直流分量UAO和交流分量UA-O，经过隔直电容C后，UAO降落在电容器上，而交流分UA-被送到负载RL上去，即UO=UA-O调制器最基本功能是信号调制功能。即将视频/音频信号尽可能不失真地调制到载波上，以满足长距离传送和分配的要求。所以，国标规定正常的调制度为87.5%。伴音信号要于图像信号同时调制。为避免对图像信号的干扰，将伴音信号先调制在调频副载波上，然后放在图像频率的6.5MHz频点上，组成一个完整的电视频道。电视频道总带宽不能超过8MHz.，这就要求调制器有良好的滤波功能，滤波特性不仅要保证每个频道具有标准的残留边带特性，还要保证带外（包括邻频道内）没有任何杂散信号。下图为数字调制器结构框图：AK4.433MHZ2DPSK2.21MHZ1.1MHZ2FSK图1-3数字调制器结构框图码产生抽样码变换晶振分频器八选一内/外选择选择器移相÷2A÷2B射随器2FSK调制滤波器B滤波器A放大2PSK调制2ASK调制÷42ASK2DPSK2PSK2ASK调制（二）数字调制器的工作原理1.调制器的基本原理数字调制器使用数字信源模块和数字调制模块。信源模块向调制模块提供位同步信号和数字基带信号（NRN码）。调制模块将输入的NRN绝对码变为相对码、用键控法产生2ASK、2FSK、、2DPSK信号。数字调制单元的原理方框图如图2-1所示：CAR2DPSK-OUT2FSK-OUTNRZ-IN2ASKAKBKBS-IN图2-1数字调制器框图将晶振信号进行2分频、滤波后，得到2ASK的载频。放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，这两个信号就是2PSK、2DPSK的两个载波，2FSK信号的亮光载波频率分别为晶振频率的1/2和1/4，也是通过分频和滤波得到的。2PSK、2DPSK波形与信息代码的关系如图2-2所示。10110(2PSK信号波形)t(2DPSK信号波形)t图2-22PSK、2DPSK波形2PSK信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异是，2PSK信号相位变化180°，相同时2PSK信号相位不变，可简称为“异变同不变”。2DPSK信号晶体÷2（A）放大2PSK调制射随器÷2（B）滤波器滤波器2PSK调制码变换2ASK调制的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180°。码元为0时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1”变“0”不变。本文所讲的是是用码变换—2PSK调制方法产生2DPSK信号，原理框图及波形如图2-5所示。相对于绝对码AK、2PSK调制器的输出就是2DPSK信号，相对于相对码、2PSK调制器的输出是2PSK信号。图中设码元宽度等于载波周期，已调信号的相位变化与AK、BK的关系当然也符合上述规律的，即对于AK来说是“1变0不变”关系，对于BK来说是“异变同不变”关系，由AK至BK的变换也符合“1变0不变”规律。图2-3中调制后的信号波形也可能具有相反的相位，BK也可能具有相反的序列即00100，这取决于载波的参考相位以及异或门电路的初始状态。AKBK2DPSK（AK）BK-1，2PSK（BK）AK10110BK110112DPSK（AK）2PSK（BK）图2-32DPSK调制器从原理来说，受调载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。但实际上，大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。因为正弦信号形式简单，便与产生与接收。和模拟调制一样，数字调制也有调幅、调频和调相三中基本形式，并可以派生出多种形式。数字调制与模拟调制相比，其原理并没有什么区别。不过模拟调制是对载波的参量进行连续的调制，在接收端对载波信号的调制参量连续地进行估值；而数字调制都是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。因此，数字调制信号也叫键控信号。在二进制时有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、移相键控（PSK）三种基本信号形式，如图2-4所示：+Tπ2PSK调制1001s(t)t2ASKt振幅键控1001s(t)t2FSKtf1f2f2f1移频键控1001s(t)t2PSKt0ππ0移相键控图2-4三种调制波形根据已调信号的频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线性调制和非线性调制。在线性调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过频率位置搬移了；在非线性调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，不是简单的频谱搬移，而是有其他新的频率成分出现。振幅键控属于线性调制，而频移键控和相移键控属于非线性调制。可见，这些特点与模拟调制时也都是相同的。2.数字调制器的功能和要求如下：（1）频谱搬移。频谱搬移将传送信息的基带信号搬移到相应频段的信道上进行传输，以实现信源信号与客观信道的特性相匹配。频谱搬移是调制、解调原始的最基本功能。（2）抗干扰，即功率有效性。调制要求已调波功率谱的主瓣占有尽可能多的信号能量，且波瓣窄，具有快速滚降特性；另外要求带外衰减大，旁瓣小，这样对其他通路干扰小。（3）提高系统有效性，即频谱有效性。提高频带利用率，即单位频带内具有尽可能高的信息率（b/s/Hz）。一般的数字调制技术，如幅移键控（ASK）、相移键控（PSK）和频移键控（FSK），因传输效率低而无法满足移动通信的要求。为此，需要专门研究一些抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高的调制技术，尽可能地提高单位频带内传输数据的比特速率，以适应移动通信的要求。目前已在数字移动通信系统中得到广泛应用的数字调制方案分为如下两类：①恒包络调制技术（不管调制信号如何变化，载波振幅保持恒定）。恒包络调制技术有2FSK、MSK、GMSK、TFM和GTFM等。恒包络调制技术的功率放大器工作在C类，具有带外辐射低、接收机电路简单等优点，但其频带利用率比线性调制技术稍差一些。②线性调制技术（已调信号的幅度随调制信号线性变化）。使用多电平调制可以提高频谱效率。例如，在理想条件下，8PSK和16QAM系统的频谱效率分别可以达到3b/s/Hz和4b/s/Hz。若采用64QAM，低于模拟语音的频带宽度。但是，当频谱效率提高时，解调器的复杂度和比特差错率（BER）的增大已明显变成了制约因素。移动通信环境对利用幅度和相位携带信息的QAM也是一个严峻的挑战。为了寻求频谱效率和BER性能之间的折中，多载波调制（MCM）已成为移动通信应用研究的热点。其中，多载波16QAM调制技术将载波频道分为M个子信道，按频分设计M16QAM信道，能适应多径时延扩散且不需构造复杂的均衡器，已经在数字移动通信中使用；正交频分复用（OFDM）、多载波码分多址（MC-CDMA）等，亦已成为受到广泛关注的调制策略。