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一、數字調制概念

       數字調制是將數字信號轉換成適合信道特性波形的過程?；鶐д{制中這些波形通常具有整形脈沖的形式，而在帶通調制（Bandpass Modulation）中則利用整形脈沖去調制正弦信號，此正弦信號稱為載波波形（CarrierWave），將載波轉換成電磁場（ElectromagneticField，EM）傳播到指定的地點就可以實現無線傳輸。那么，為什么一定要通過載波來實現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及應用的場合。對LoRa應用來說，天線長度一般為λ/4（針對室內網關常用尺寸，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，不用載波進行調制，需要尺寸為15km的天線。當然我們知道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據傳出去。但是，如果把基帶信號先調制在較高的載波頻率上，比如調制到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的，遠距離的無線傳輸問題也就迎刃而解了。

       在實際的應用中，射頻信號通過頻帶傳輸的方式主要是通過正弦載波進行調制的，調制的功能如下：

使信號更適合于信道傳輸；

實現信道復用提高通信系統(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所示為一個數字調制系統(tǒng)的框圖，幾乎現在所有的無線通信都是按照這個框圖實現的。本節(jié)主要討論數字調制、數字解調和信道三部分，2.2節(jié)討論圖中數字調制系統(tǒng)的擴頻調制和擴頻解調部分，8.2.1小節(jié)討論圖中數字調制系統(tǒng)的多址連接問題。

圖2-1   數字調制系統(tǒng)框圖

 

       數字調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、最基本的調制方式是2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK，這三類數字調制經過擴展可以成為MASK、MFSK、MPSK/MDPSK等，這里列出的三種基礎調制方式和 擴展調制方式包括市場上大多數電子產品的無線通信方法。其中市場上最常見的電子遙控玩具等低價無線通信產品都使用2ASK技術，藍牙2.0采用2FSK技術，而W-iFi、ZigBee技術就采用了MPSK/MDPSK技術，而常見的LoRa芯片內部也兼容2FSK或者MFSK技術。

二、二進制數字的調制

       常見二進制調制方式是2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK，這三類數字調制分別通過調幅、調頻、調相實現數據編碼傳輸，其波形如圖2-2所示。

1.二進制振幅鍵控（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制信號而變化，2ASK是二進制振幅鍵控。圖2-3為2AKS調制波形圖。

圖2-2     常見二進制調制波形對比圖

圖2-3    2ASK調制波形圖

       振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數字基帶信號而變化的數字調制。當數字基帶信號為二進制時，則為二進制振幅鍵控。設發(fā)送的二進制符號序列由0、1序列組控制正弦載波信號輸出。用二進制數字基帶信號控制正弦載波的振幅，使其一一對應變換。

“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的時間表達式為