CH4.1-2 幅度调制(40).ppt

CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调14.1 4.1 概概 述述信信源源输输出出的的消消息息信信号号一一般般具具有有从从零零频频开开始始的的较较宽宽的的频频谱谱，而而且且在在频频谱谱的的低低端端分分布布较较大大的的能能量量，所所以以称称为为基基带带信信号号，不不宜直接在信道中传输。宜直接在信道中传输。为为了了便便于于传传输输、提提高高抗抗干干扰扰能能力力和和有有效效利利用用带带宽宽，通通常常需需要要通通过过调调制制将将信信号号的的频频谱谱搬搬移移到到适适合合信信道道和和噪噪声声特特性性的的频频率范围内进行传输。率范围内进行传输。在在通通信信系系统统的的接接收收端端对对已已调调信信号号进进行行解解调调，恢恢复复出出原原来来的消息。的消息。4 调制解调原理调制解调原理CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调2（1 1 1 1）调制的定义）调制的定义）调制的定义）调制的定义?调调制制：就就是是用用待待传传送送信信号号去去控控制制某某个个高高频频信信号号的的幅幅度度、相相位位、频频率率等等参参量量变变化化的的过过程程，即即用用一个信号去装载一个信号去装载(携带携带/运输运输)另一信号。另一信号。在在频频域域上上，调调制制完完成成的的则则主主要要是是频频谱谱/功功率率谱谱的的搬搬移移，即即通通过过调调制制将将基基带带信信号号的的频频谱谱/功功率率谱搬移谱搬移到以载波频率为中心的频段。到以载波频率为中心的频段。这这这这里里里里：控控控控制制制制信信信信号号号号称称称称为为为为调调调调制制制制信信信信号号号号，被被被被控控控控制制制制信信信信号号号号称为载波称为载波称为载波称为载波。如，如，如，如，单一频率正弦波或周期脉冲波等。单一频率正弦波或周期脉冲波等。单一频率正弦波或周期脉冲波等。单一频率正弦波或周期脉冲波等。2.调制的必要性/目的CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调3（2 2 2 2）调制的必要性）调制的必要性）调制的必要性）调制的必要性/目的目的目的目的?A.A.便于发送便于发送便于发送便于发送对对无无线线传传输输信信号号而而言言，信信号号需需要要通通过过发发射射天天线线发发送送出出去去。根根据据天天线线理理论论，发发射射天天线线的的尺尺度度与与信信号号的的波波长长满满足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射。即足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射。即如：如：如：如：GSMGSM手机的工作频段为手机的工作频段为 900/1800MHz900/1800MHzB.提高信道的利用率CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调4B.B.提高信道的利用率提高信道的利用率提高信道的利用率提高信道的利用率以以无无线线电电广广播播的的中中波波波波段段为为例例：可可用用波波段段范范围围为为 530KHz1600KHz530KHz1600KHz，而而语语音音信信号号的的频频率率范范围围为为3003003400Hz3400Hz，经经调调制制后后每每一一个个广广播播电电台台频频道道的的带带宽宽为为9K9K。530KHz530KHz1600KHz1600KHz300 9000300 9000这一中波波段中就均匀分布着多个电台这一中波波段中就均匀分布着多个电台!上述即为上述即为上述即为上述即为频分复用频分复用频分复用频分复用，它是通过采用不同载波频率的调，它是通过采用不同载波频率的调，它是通过采用不同载波频率的调，它是通过采用不同载波频率的调制完成的。制完成的。制完成的。制完成的。只传输一路信号。只传输一路信号。只传输一路信号。只传输一路信号。浪费！浪费！浪费！浪费！3.模拟调制的分类CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调5（3 3）模拟调制的分类）模拟调制的分类 4.1模拟幅度调制 根根据据基基带带信信号号是是数数字字信信号号还还是是基基带带信信号号、载载波波是是正正弦弦波波还还是是脉脉冲冲波波以以及及被被改改变变的的参参数数不同等将调制分为很多种。不同等将调制分为很多种。调制方式调制方式用途举例用途举例正弦波正弦波调制调制模拟调制模拟调制常规双边带调幅常规双边带调幅AM广播广播单边带调制单边带调制SSB载波通信、短波无线电话通信载波通信、短波无线电话通信双边带调制双边带调制DSB立体声广播立体声广播残留边带调制残留边带调制VSB电视广播、传真电视广播、传真频率调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播微波中继、卫星通信、广播相位调制相位调制PM中间调制方式中间调制方式数字调制数字调制振幅键控振幅键控ASK数据传输数据传输频移键控频移键控FSK数据传输数据传输相移键控相移键控PSK、DPSK数据传输数据传输其他高效调制其他高效调制QAM、MSK等等数字微波、空间通信数字微波、空间通信脉冲脉冲调制调制脉冲模拟脉冲模拟调制调制脉幅调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测中间调制方式、遥测脉宽调制脉宽调制PDM中间调制方式中间调制方式脉位调制脉位调制PPM遥测、光纤传输遥测、光纤传输脉冲数字脉冲数字调制调制脉码调制脉码调制PCM市话中继线、卫星、空间通信市话中继线、卫星、空间通信增量调制增量调制DM军用、民用数字电话军用、民用数字电话差分脉码调制差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码电视电话、图像编码ADPCM等其他方式等其他方式中继数字电话中继数字电话CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调6（4 4）调制的基本原理）调制的基本原理 4.1 模拟幅度调制 一一个个正正弦弦波波信信号号，通通常常有有三三个个参参数数确确定定：即即幅幅度度、频率和相位，因此可将载波表示为频率和相位，因此可将载波表示为 载波的幅度载波的幅度 载波的频率载波的频率 载波的相位载波的相位 连连续续波波调调制制的的过过程程就就是是用用基基带带信信号号m(t)m(t)去去改改变变载载波波c(t)c(t)的的瞬瞬时时幅幅度度、频频率率或或相相位位。相相应应的的已已调调信信号号可可表表示示为为已调波的瞬时幅度已调波的瞬时幅度已调波的瞬时已调波的瞬时相位相位 ），并且有并且有为为基基带带信号最高信号最高频频率。率。CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调7如如果果为为(t)(t)常常数数，A(t)A(t)随随m(t)m(t)成成比比例例变变化化，则则称称为为幅度调制幅度调制。根根据据基基带带信信号号不不同同分分为为模模拟拟幅幅度度调调制制和和数数字字幅幅度度调调制（振幅键控制（振幅键控ASKASK），如图），如图4-14-1所示。所示。1 10 01 11 10 0t tt tt tt tt tt t模拟调制模拟调制数字调制数字调制CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调8如如果果已已调调信信号号的的瞬瞬时时相相位位偏偏移移随随基基带带信信号号比比例例变变化化时时，我我们们称称之为之为相位调制相位调制。即。即分分为为模模拟拟相相位位调调制制PMPM和和数数字字相相位位调调制制（相相移移键键控控PSKPSK、DPSKDPSK），如如图图4-24-2所示。所示。(a)PM(a)PM1 11 10 00 01 10 00 0数字数字数字数字信号信号信号信号2PSK2PSK(b)2PSK(b)2PSKt tt tCommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调9已已调调信信号号的的瞬瞬时时频频率率偏偏移移随随基基带带信信号号比比例例变变化化时时，我们称之为我们称之为频率调制频率调制。即。即 根根据据基基带带信信号号m(t)m(t)不不同同分分为为模模拟拟相相位位调调制制FMFM和和数数字字频率调制（频移键控频率调制（频移键控FSKFSK），如图所示。），如图所示。(a)FM(a)FM(b)2FSK(b)2FSKt tt t1 11 10 00 01 1数字数字数字数字信号信号信号信号t t2FSK2FSKCommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调10根据的根据的根据的根据的调制定义调制定义调制定义调制定义：用用用用待待待待传传传传送送送送信信信信号号号号去去去去控控控控制制制制某某某某个个个个高高高高频频频频信信信信号号号号的的的的幅幅幅幅度、相位、频率等参量变化度、相位、频率等参量变化度、相位、频率等参量变化度、相位、频率等参量变化的过程。的过程。的过程。的过程。幅幅度度调调制制就就是是指指用用待待传传送送信信号号去去控控制制载载波信号的波信号的幅度幅度变化的过程。变化的过程。即即已已调调波波的的幅幅度度（包包络络）与与调调制制信信号号成成例变化。例变化。4.2 幅度调制幅度调制 数学表达式CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调11一般模型一般模型h(t)m(t)cosctSM(t)数学表达式数学表达式频域表达式CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调12一般模型一般模型h(t)m(t)cosctSm(t)频域表达式频域表达式数学表达式数学表达式4.1.1 常规调幅（AM）当调制信号为确知信号时当调制信号为确知信号时当调制信号为确知信号时当调制信号为确知信号时CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调134.1.1 模拟双边带调制（模拟双边带调制（DSB）DSB信号的波形和频谱h(t)m(t)cosctSm(t)如如果果输输入入的的基基带带信信号号是是没没有有直直流流分分量量的的模模拟拟信信号号，且且是是h(t)h(t)理理想想带带通通滤滤波波器器，则则得得到到的的输输出出已已调调信信号号便便是是无无载载波波分分量量的的双双边边带带调调制制信信号号（或或称称为为双双边边带带抑抑制制载载波波调调制制信信号号），简简称称为为DSBDSB信信号号（或或DSB-SCDSB-SC信信号）。号）。CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调14其波形和频谱如图其波形和频谱如图4-54-5所示。所示。DSBDSB信号的波形信号的波形信号的波形信号的波形 DSBDSB信号的频谱信号的频谱信号的频谱信号的频谱 上边带上边带上边带上边带下边带下边带下边带下边带CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调15由由式式（4-104-10）和和图图4-54-5可可以以看看出出，经经过过DSBDSB调调制制后后，基基带带信信号号的的频频谱谱M(M()被被搬搬移移到到载载频频c c的的两两侧侧，形形成成两两个个关关于于c c对对称称的的分分量量，称称之之为为上上边边带带信信号号M(M(-c c)和和下下边边带带信号信号M(M(+c c)。因此，已调信号的带宽也变为原基带信号带宽的因此，已调信号的带宽也变为原基带信号带宽的2 2倍倍 DSB DSB的解调的解调从已调信号中恢复出基带信号，可从两方面入手：从已调信号中恢复出基带信号，可从两方面入手：一一是是从从时时域域表表达达式式/波波形形出出发发，找找到到一一种种变变换换恢恢复复m(t)m(t)；二是从频域出发，寻找恢复出独立二是从频域出发，寻找恢复出独立M(M()的方法。的方法。CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调16对对DSBDSB，要要从从M(M(-c c)和和M(M(+c c)中中恢恢复复M(M()，实实际也是要对已调信号进行频谱搬移，搬移一个际也是要对已调信号进行频谱搬移，搬移一个c c 。参参考考调调制制原原理理，调调制制时时是是通通过过乘乘以以一一个个载载波波实实现现的的频频谱谱搬搬移移，解解调调时时同同样样可可以以乘乘以以一一个个载载波波使使其其频频谱谱搬搬移移回基带信号频谱的位置。回基带信号频谱的位置。CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调17其其其其频频频频谱谱谱谱结结结结构构构构如如如如图图图图4-4-4-4-6:6:6:6:只只只只需需需需一一一一个个个个截截截截止止止止频频频频率率率率为为为为 m m m m的的的的LPFLPFLPFLPF即即即即可可可可恢恢恢恢复复复复出出出出M(M(M(M()，得得得得到到到到基带信号基带信号基带信号基带信号m(t)m(t)m(t)m(t)，完成解调功能。解调器模型如图，完成解调功能。解调器模型如图，完成解调功能。解调器模型如图，完成解调功能。解调器模型如图4-74-74-74-7。LPFLPFBPFBPFCommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调18从时域上分析，解调器的解调变换过程为从时域上分析，解调器的解调变换过程为 LPFBPF经过低通滤波器后输出经过低通滤波器后输出 CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调19通通常常将将这这种种在在接接收收端端通通过过接接收收信信号号与与本本地地恢恢复复出出的的载载波波相相乘乘来来进进行行解解调调的的方方法法称称为为相干解调相干解调或或同步解调同步解调。这这种种解解调调方方法法，由由于于抗抗噪噪声声性性能能好好而而被被广广泛泛采采用用，但但是是其其不不足足是是需需要要在在接接收收端端恢恢复本地载波，设备较复杂。复本地载波，设备较复杂。LPFBPFCommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调20为为了了降降低低解解调调器器的的复复杂杂性性，简简化化接接收收，在在模模拟拟幅幅度度调调制制中中经经常常采采用用一一种种带带有有载载波波分分量量双双的的边边带带调调制制，即即常常规双边带幅度调制（规双边带幅度调制（AMAM）。）。其其实实现现方方法法为为在在基基带带信信号号中中加加入入大大于于基基带带信信号号最最大大幅值的直流分量幅值的直流分量m m0 0，然后再进行调制。，然后再进行调制。4.1.2 常规调幅（常规调幅（AM）m(t)cos ctSAM(t)m0m(t)CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调21时域波形时域波形 频域表达式为频域表达式为波形图m(t)cos ctSAM(t)m0m(t)比比较较AMAM信信号号和和DSBDSB信信号号，AMAM信信号号在在时时域域上上只只是是多多了了一一个个载波项，在频域上则表现为在载频出多了单位冲击。载波项，在频域上则表现为在载频出多了单位冲击。CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调22AM信号的波形和频谱信号的波形和频谱特点从从图图可可看看到到，AMAM已已调调信信号号的的包包络络完完全全与与调调制制信信号号成正比，因此常采用简单的包络检波法解调。成正比，因此常采用简单的包络检波法解调。CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调23检检波波器器由由二二极极管管、电电阻阻和和电电容容滤滤波波器器组组成成。检检波波后后的的信信号号经经过过低低通通滤滤波波器器，滤滤除除直直流流和和其其他他高高频频分分量量，最最终终得得到调制信号到调制信号m(t)m(t)。理想情况下的解调输出为理想情况下的解调输出为 CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调24DSBDSB信信号号包包含含有有信信息息完完全全相相同同的的上上、下下两两个个边边带带，从从信信息传输来看，只传输一个边带就够了。息传输来看，只传输一个边带就够了。只只传传输输一一个个边边带带的的通通信信方方式式称称为为单单边边带带通通信信。单单边边带带信号的产生方法通常有信号的产生方法通常有滤波法滤波法和和相移法相移法。4.1.3 单边带单边带(SSB)幅度调制幅度调制 滤波特性滤滤波波法法产产生生SSBSSB信信号号就就是是让让DSBDSB信信号号通通过过一一个个边边带带滤滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调25形成形成形成形成SSBSSB信号的滤波特性信号的滤波特性信号的滤波特性信号的滤波特性hSSB(t)m(t)cosctSSSB(t)SSB信号频谱CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调26单单边边带带滤滤波波器器从从理理论论上上来来说说就就是是一一个个理理想想的的低低通通或或高高通通滤滤波波器器，上上边边带带滤滤波波器器和和下下边边带带滤滤波波器器的的传传递递函函数分别为数分别为 CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调27-w w w wc c0 02 21 1w w w wc cw w w wSSB频谱频谱结论CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调28的含义：的含义：是是 的希尔伯特变换，即：的希尔伯特变换，即：CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调29 综综上上所所述述：SSBSSB调调制制方方式式在在传传输输信信号号时时，不不但但可可节节省省载载波波发发射射功功率率，而而且且它它所所占占用用的的频频带带宽宽度度为为B BSSBSSB=m m，只只有有AMAM、DSBDSB的的一一半半，因因此此，它它目目前前已已成成为为短短波通信中的一种重要调制方式。波通信中的一种重要调制方式。SSBSSB信信号号的的解解调调和和DSBDSB一一样样不不能能采采用用简简单单的的包包络络检检波波，因因为为SSBSSB信信号号也也是是抑抑制制载载波波的的已已调调信信号号，它它的的包包络络不不能能直直接接反反映映调调制制信信号号的的变变化化，所所以以仍仍需需采采用用相相干干解解调。调。但是，但是，SSBSSB实现困难。实现困难。VSBCommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调304.1.4 4.1.4 残留边带调制（残留边带调制（VSBVSB）HVSB()m(t)cosctSVSB(t)滤波法产生残留边带信号滤波法产生残留边带信号这里主要讨论滤波器的特性，这里主要讨论滤波器的特性，应满足以应满足以 下条件：下条件：CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调31结论：结论：为了保证相干解调时无失真恢复基带信号，必须要求为了保证相干解调时无失真恢复基带信号，必须要求残留边带滤波器的传输函数在载频处具有互补对称特残留边带滤波器的传输函数在载频处具有互补对称特性。性。如何证明？如何证明？必须从解调的角度来考虑此问题。必须从解调的角度来考虑此问题。CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调32 低通滤波器低通滤波器CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调33CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调34经过低通滤波器后经过低通滤波器后要使接收端能不失真解调出原调制信号，则要要使接收端能不失真解调出原调制信号，则要求：求：CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调35DSB、SSB和VSB信号的频谱实现CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调364.2.2 4.2.2 二进制数字振幅键控（二进制数字振幅键控（2ASK2ASK）基基带带信信号号为为二二进进制制数数字字信信号号的的幅幅度度调调制制，称称为为二二进进制制数数字字幅幅度调制或二进制数字振幅键控（度调制或二进制数字振幅键控（2ASK2ASK）。）。2ASK2ASK有有两两种种实实现现方方式式，一一是是采采用用模模拟拟方方式式，如如图图4-134-13（a a）。当数字信号分别用当数字信号分别用0 0和和1 1表示时，其波形变化如图表示时，其波形变化如图4-134-13（b b）。）。CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调37由由图图4-134-13（b b）可可以以看看到到，已已调调信信号号也也只只需需要要两两种种幅幅度度值值状状态态：当当基基带带信信号号为为1 1时时输输出出一一个个码码元元持持续续时时间间的的载载波，而当基带信号为波，而当基带信号为0 0时没有输出或者说输出零电平。时没有输出或者说输出零电平。因因此此，可可以以得得到到二二进进制制数数字字幅幅度度调调制制的的第第二二种种调调制制方方法，通断键控调制法，如图法，通断键控调制法，如图4-134-13（c c）。）。二二进进制制数数字字幅幅度度调调制制可可以以知知道道2ASK2ASK的的时时域域表表达达式式和和DSBDSB完全一样为完全一样为 CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调382ASK2ASK的的解解调调可可以以像像AMAM解解调调一一样样采采用用包包络络检检波波法法，也也可可以以和和DSBDSB一一样样采采用用相相干干解解调调。相相应应的的接接收收系系统统框框图图如如图图4-144-14所示。所示。相相比比于于AMAM和和DSBDSB，2ASK2ASK只只是是在在解解调调器器后后需需要要一一个个抽抽样样判判决决器器，以以将将解解调调器器输输出出的的模模拟拟波波形形变变换换为为二二进进制制数数字序列离散信号。字序列离散信号。CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调39若若二二进进制制序序列列m(t)m(t)的的功功率率谱谱密密度度为为p pm m()，由由式式（4-4-2222）及）及DSBDSB频谱分析方法，可得到频谱分析方法，可得到2ASK2ASK信号的功率谱密度信号的功率谱密度可可见见，幅幅度度键键控控信信号号的的功功率率谱谱是是基基带带信信号号功功率率谱谱的的线线性搬移，其频谱宽度是二进制基带信号的性搬移，其频谱宽度是二进制基带信号的2 2倍。倍。比比如如当当m(t)m(t)为为单单极极性性矩矩形形脉脉冲冲序序列列，且且0 0、1 1独独立立等等概概时时，二二进进制制基基带信号的功率谱为带信号的功率谱为 CommunicationCommunicationCh4 Ch4 Ch4 Ch4 调制解调调制解调调制解调调制解调40P P2ASK2ASK()以以载载波波c c为为中中心心频频率率，在在功功率率谱谱密密度度的的第第一一过过零零点点之之间间集集中中了了信信号号的的主主要要功功率率，因因此此通通常常取取第第一一对对过零点的带宽作为传输带宽，称之为谱零点带宽。过零点的带宽作为传输带宽，称之为谱零点带宽。由图可知，由图可知，2ASK2ASK信号谱零点带宽为信号谱零点带宽为s s为为基基带带信信号号的的谱谱零零点点带带宽宽，在在数数量量等等于于基基带带信信号号传码传码率率R Rs s。这说这说明明2ASK2ASK信号的信号的带宽带宽是是码码元速率的元速率的2 2倍。倍。