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一、數(shù)字調(diào)制概念

       數(shù)字調(diào)制是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成適合信道特性波形的過程。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，此正弦信號稱為載波波形（CarrierWave），將載波轉(zhuǎn)換成電磁場（ElectromagneticField，EM）傳播到指定的地點就可以實現(xiàn)無線傳輸。那么，為什么一定要通過載波來實現(xiàn)基帶信號的無線傳輸呢？是因為電磁場必須利用天線才能在空間傳輸，天線的尺寸主要取決于波長λ及應(yīng)用的場合。對LoRa應(yīng)用來說，天線長度一般為λ/4（針對室內(nèi)網(wǎng)關(guān)常用尺寸，對于節(jié)點的天線尺寸會略小一些），式中波長等于c/f，c是光速3×108m/s。假設(shè)發(fā)送一段LoRa基帶有效信號（f=5kHz），如果不通過載波而直接耦合到天線發(fā)送，計算一下天線有多長？采用四分之一波長作為天線的尺寸，對于5kHz的基帶信號，其尺寸為λ/4=1.5×104m，大概15km，為了在空間傳輸5kHz的信號，不用載波進(jìn)行調(diào)制，需要尺寸為15km的天線。當(dāng)然我們知道15km的天線是完全不可行的，如果使用15km的天線做LoRa項目還不如直接用有線連接來得方便，所以必須通過其他的方法將數(shù)據(jù)傳出去。但是，如果把基帶信號先調(diào)制在較高的載波頻率上，比如調(diào)制到470MHz的中國LoRa頻段上，那么天線的尺寸僅為16cm，很顯然這個尺寸的天線是可以實現(xiàn)的，遠(yuǎn)距離的無線傳輸問題也就迎刃而解了。

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

使信號更適合于信道傳輸；

實現(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所示為一個數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的框圖，幾乎現(xiàn)在所有的無線通信都是按照這個框圖實現(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)的擴頻調(diào)制和擴頻解調(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）。而其中最簡單、最基本的調(diào)制方式是2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK，這三類數(shù)字調(diào)制經(jīng)過擴展可以成為MASK、MFSK、MPSK/MDPSK等，這里列出的三種基礎(chǔ)調(diào)制方式和 擴展調(diào)制方式包括市場上大多數(shù)電子產(chǎn)品的無線通信方法。其中市場上最常見的電子遙控玩具等低價無線通信產(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

       常見二進(jìn)制調(diào)制方式是2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK，這三類數(shù)字調(diào)制分別通過調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相實現(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”又稱為“振幅鍵控”，其概念是正弦載波的幅度隨著調(diào)制信號而變化，2ASK是二進(jìn)制振幅鍵控。圖2-3為2AKS調(diào)制波形圖。

圖2-2     常見二進(jìn)制調(diào)制波形對比圖

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)字基帶信號而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號為二進(jìn)制時，則為二進(jìn)制振幅鍵控。設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號序列由0、1序列組控制正弦載波信號輸出。用二進(jìn)制數(shù)字基帶信號控制正弦載波的振幅，使其一一對應(yīng)變換。

“1”→Acosωct=e1（t）
“0”→0cosωct=e2（t）

       若發(fā)送0符號的概率為p，發(fā)送1符號的概率為1-p，且相互獨立。該2ASK的時間表達(dá)式為