自電子學(xué)早期以來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，本地和全球通信的界限開(kāi)始受到侵蝕，導(dǎo)致世界更小，因此更容易分享知識(shí)和信息。貝爾和馬可尼的開(kāi)創(chuàng)性工作構(gòu)成了當(dāng)今信息時(shí)代的基石，并為電信的未來(lái)鋪平了道路。

傳統(tǒng)上，本地通信是通過(guò)有線進(jìn)行的，因?yàn)檫@提供了一種確?？煽啃畔鬏?shù)慕?jīng)濟(jì)有效的方法。然而，對(duì)于遠(yuǎn)距離通信，需要通過(guò)無(wú)線電波傳輸信息。雖然從硬件的角度來(lái)看這很方便，但無(wú)線電波傳輸引起了人們對(duì)信息損壞的懷疑;傳輸通常依賴(lài)于大功率發(fā)射器來(lái)克服天氣條件、大型建筑物和其他電磁源的干擾。

各種調(diào)制技術(shù)在成本效益和接收信號(hào)質(zhì)量方面提供了不同的解決方案，但直到最近，仍然在很大程度上是模擬的。頻率調(diào)制和相位調(diào)制對(duì)噪聲具有一定的抗擾度，而幅度調(diào)制則更容易解調(diào)。然而，最近隨著低成本微控制器的出現(xiàn)以及家用移動(dòng)電話和衛(wèi)星通信的引入，數(shù)字調(diào)制越來(lái)越受歡迎。數(shù)字調(diào)制技術(shù)具有傳統(tǒng)微處理器電路相對(duì)于模擬電路的所有優(yōu)勢(shì)。通信鏈路中的任何缺陷都可以使用軟件消除。信息現(xiàn)在可以加密，糾錯(cuò)可以確保接收到的數(shù)據(jù)更加可信，使用DSP可以減少分配給每個(gè)服務(wù)的有限帶寬。

與傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)一樣，數(shù)字調(diào)制可以使用幅度、頻率或相位調(diào)制，具有不同的優(yōu)勢(shì)。由于頻率和相位調(diào)制技術(shù)提供了更高的抗噪聲能力，因此它們是當(dāng)今使用的大多數(shù)服務(wù)的首選方案，將在下面詳細(xì)討論。

數(shù)字頻率調(diào)制

傳統(tǒng)模擬頻率調(diào)制（FM）的簡(jiǎn)單變化可以通過(guò)將數(shù)字信號(hào)施加到調(diào)制輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，輸出采用兩個(gè)不同頻率的正弦波形式。要解調(diào)該波形，只需將信號(hào)通過(guò)兩個(gè)濾波器，然后將結(jié)果轉(zhuǎn)換回邏輯電平即可。傳統(tǒng)上，這種調(diào)制形式被稱(chēng)為頻移鍵控（FSK）。

數(shù)字相位調(diào)制

在頻譜上，數(shù)字相位調(diào)制或相移鍵控（PSK）與頻率調(diào)制非常相似。它涉及改變發(fā)射波形的相位而不是頻率，這些有限的相位變化代表數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在最簡(jiǎn)單的形式中，通過(guò)使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在兩個(gè)頻率相同但相位相反的信號(hào)之間切換，可以生成相位調(diào)制波形。如果將所得波形乘以等頻的正弦波，則會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)分量：一個(gè)是接收頻率兩倍的余弦波形，另一個(gè)是幅度與相移余弦成正比的頻率無(wú)關(guān)項(xiàng)。因此，濾除高頻項(xiàng)會(huì)在傳輸之前產(chǎn)生原始調(diào)制數(shù)據(jù)。這很難從概念上描繪出來(lái)，但數(shù)學(xué)證明將在后面展示。

四相移調(diào)制

將PSK的上述概念更進(jìn)一步，可以假設(shè)相移的數(shù)量不僅限于兩種狀態(tài)。發(fā)射的“載波”可以經(jīng)歷任意數(shù)量的相變，通過(guò)將接收到的信號(hào)乘以相同頻率的正弦波，將相移解調(diào)為與頻率無(wú)關(guān)的電壓電平。

四相移鍵控（QPSK）確實(shí)如此。使用QPSK，載波經(jīng)歷四個(gè)相位變化（四個(gè)符號(hào)），因此每個(gè)符號(hào)可以表示2個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位。雖然這最初看起來(lái)微不足道，但現(xiàn)在已經(jīng)假設(shè)了一種調(diào)制方案，使載波能夠傳輸2位信息而不是1位信息，從而有效地將載波的帶寬加倍。

相位調(diào)制以及QPSK如何解調(diào)的證明如下所示。

證明從定義歐拉關(guān)系開(kāi)始，從中可以導(dǎo)出所有三角恒等式。

歐拉關(guān)系如下：

現(xiàn)在考慮將兩個(gè)正弦波相乘，因此：

從公式1可以看出，將兩個(gè)正弦波相乘（一個(gè)正弦是輸入信號(hào)，另一個(gè)是接收器混頻器的本地振蕩器）得到兩倍于輸入頻率

（幅度的一半）疊加在輸入幅度一半的直流失調(diào)上。

同樣，將 sin ωt 乘以 cos ωt 得到：

這使得輸出頻率（正弦2ωt）是輸入頻率的兩倍，沒(méi)有直流偏移。

現(xiàn)在可以公平地假設(shè)將sin ωt乘以任何相移正弦波（sin ωt + ?）會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“解調(diào)”波形，其輸出頻率是輸入頻率的兩倍，其直流偏移根據(jù)相移?而變化。

為了證明這一點(diǎn)：

因此，上述假設(shè)可以通過(guò)將載波與正弦波本振相乘并濾除高頻項(xiàng)來(lái)解調(diào)為變化的輸出電壓。不幸的是，相移僅限于兩個(gè)象限;π/2的相移與-π/2的相移無(wú)法區(qū)分。因此，為了準(zhǔn)確解碼所有四個(gè)象限中存在的相移，需要將輸入信號(hào)乘以正弦和余弦波形，濾除高頻并重建數(shù)據(jù)。在上述數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展的證明如下所示。

因此：

SPICE仿真驗(yàn)證了上述理論。 圖1所示為簡(jiǎn)單解調(diào)器電路的框圖。輸入電壓QPSK IN是一個(gè)1MHz正弦波，其相位每45μs偏移135°、225°、315°和5°。

圖1.

圖2和圖3顯示了“同相”波形V。我和“正交”波形 VQ分別。兩者都具有2MHz的頻率，直流偏移與相移成正比，證實(shí)了上述數(shù)學(xué)原理。

圖2.

圖3.

圖4是QPSK IN相移和解調(diào)數(shù)據(jù)的相量圖。

圖4.

上述理論是完全可以接受的，從載波中移除數(shù)據(jù)似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，即低通濾波混頻器的輸出并將四個(gè)電壓重建回邏輯電平。實(shí)際上，使接收器本振與輸入信號(hào)完全同步并不容易。如果本振與輸入信號(hào)同相變化，則相量圖上的信號(hào)將經(jīng)歷相位旋轉(zhuǎn)，其幅度與相位差成正比。此外，如果本振的相位和頻率相對(duì)于輸入信號(hào)不固定，則相量圖上將持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

因此，前端解調(diào)器的輸出通常饋入ADC，由本振相位或頻率誤差引起的任何旋轉(zhuǎn)都會(huì)在DSP中消除。

直接轉(zhuǎn)換為基帶的有效方法是使用直接變頻調(diào)諧器IC。

上述器件是Maxim Integrated快速擴(kuò)展的RF芯片組的一部分。Maxim擁有70種高速工藝、52多種高頻標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和<>種ASIC，致力于成為RF/無(wú)線、光纖/電纜和儀器儀表市場(chǎng)的主要參與者。

審核編輯：郭婷