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一、數(shù)字調(diào)制概念

       數(shù)字調(diào)制是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合信道特性波形的過(guò)程。基帶調(diào)制中這些波形通常具有整形脈沖的形式，而在帶通調(diào)制（Bandpass Modulation）中則利用整形脈沖去調(diào)制正弦信號(hào)，此正弦信號(hào)稱(chēng)為載波波形（CarrierWave），將載波轉(zhuǎn)換成電磁場(chǎng)（ElectromagneticField，EM）傳播到指定的地點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸。那么，為什么一定要通過(guò)載波來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸呢？是因?yàn)殡姶艌?chǎng)必須利用天線(xiàn)才能在空間傳輸，天線(xiàn)的尺寸主要取決于波長(zhǎng)λ及應(yīng)用的場(chǎng)合。對(duì)LoRa應(yīng)用來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)長(zhǎng)度一般為λ/4（針對(duì)室內(nèi)網(wǎng)關(guān)常用尺寸，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的天線(xiàn)尺寸會(huì)略小一些），式中波長(zhǎng)等于c/f，c是光速3×108m/s。假設(shè)發(fā)送一段LoRa基帶有效信號(hào)（f=5kHz），如果不通過(guò)載波而直接耦合到天線(xiàn)發(fā)送，計(jì)算一下天線(xiàn)有多長(zhǎng)？采用四分之一波長(zhǎng)作為天線(xiàn)的尺寸，對(duì)于5kHz的基帶信號(hào)，其尺寸為λ/4=1.5×104m，大概15km，為了在空間傳輸5kHz的信號(hào)，不用載波進(jìn)行調(diào)制，需要尺寸為15km的天線(xiàn)。當(dāng)然我們知道15km的天線(xiàn)是完全不可行的，如果使用15km的天線(xiàn)做LoRa項(xiàng)目還不如直接用有線(xiàn)連接來(lái)得方便，所以必須通過(guò)其他的方法將數(shù)據(jù)傳出去。但是，如果把基帶信號(hào)先調(diào)制在較高的載波頻率上，比如調(diào)制到470MHz的中國(guó)LoRa頻段上，那么天線(xiàn)的尺寸僅為16cm，很顯然這個(gè)尺寸的天線(xiàn)是可以實(shí)現(xiàn)的，遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)傳輸問(wèn)題也就迎刃而解了。

       在實(shí)際的應(yīng)用中，射頻信號(hào)通過(guò)頻帶傳輸?shù)姆绞街饕峭ㄟ^(guò)正弦載波進(jìn)行調(diào)制的，調(diào)制的功能如下：

使信號(hào)更適合于信道傳輸；

實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用提高通信系統(tǒng)的有效性；

提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力提高通信系統(tǒng)的可靠性。

       圖2-1所示為一個(gè)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的框圖，幾乎現(xiàn)在所有的無(wú)線(xiàn)通信都是按照這個(gè)框圖實(shí)現(xiàn)的。本節(jié)主要討論數(shù)字調(diào)制、數(shù)字解調(diào)和信道三部分，2.2節(jié)討論圖中數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的擴(kuò)頻調(diào)制和擴(kuò)頻解調(diào)部分，8.2.1小節(jié)討論圖中數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的多址連接問(wèn)題。

圖2-1   數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)框圖

 

       數(shù)字調(diào)制共有三種基本形式：振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）。而其中最簡(jiǎn)單、最基本的調(diào)制方式是2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK，這三類(lèi)數(shù)字調(diào)制經(jīng)過(guò)擴(kuò)展可以成為MASK、MFSK、MPSK/MDPSK等，這里列出的三種基礎(chǔ)調(diào)制方式和 擴(kuò)展調(diào)制方式包括市場(chǎng)上大多數(shù)電子產(chǎn)品的無(wú)線(xiàn)通信方法。其中市場(chǎng)上最常見(jiàn)的電子遙控玩具等低價(jià)無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品都使用2ASK技術(shù)，藍(lán)牙2.0采用2FSK技術(shù)，而W-iFi、ZigBee技術(shù)就采用了MPSK/MDPSK技術(shù)，而常見(jiàn)的LoRa芯片內(nèi)部也兼容2FSK或者M(jìn)FSK技術(shù)。

二、二進(jìn)制數(shù)字的調(diào)制

       常見(jiàn)二進(jìn)制調(diào)制方式是2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK，這三類(lèi)數(shù)字調(diào)制分別通過(guò)調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼傳輸，其波形如圖2-2所示。

1.二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）

       ASK即“幅移鍵控”又稱(chēng)為“振幅鍵控”，其概念是正弦載波的幅度隨著調(diào)制信號(hào)而變化，2ASK是二進(jìn)制振幅鍵控。圖2-3為2AKS調(diào)制波形圖。

圖2-2     常見(jiàn)二進(jìn)制調(diào)制波形對(duì)比圖

圖2-3    2ASK調(diào)制波形圖

       振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，則為二進(jìn)制振幅鍵控。設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列由0、1序列組控制正弦載波信號(hào)輸出。用二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)控制正弦載波的振幅，使其一一對(duì)應(yīng)變換。

“1”→Acosωct=e1（t）
“0”→0cosωct=e2（t）

       若發(fā)送0符號(hào)的概率為p，發(fā)送1符號(hào)的概率為1-p，且相互獨(dú)立。該2ASK的時(shí)間表達(dá)式為