射频通信电路(03).ppt

第三章第三章调制与解调调制与解调3/6/20231Xian Jiaotong University第三章第三章 内容目录内容目录n n3.1 3.1 什么是调制和解调什么是调制和解调n n3.2 3.2 模拟调制模拟调制幅度调制与解调、模拟调频与解调幅度调制与解调、模拟调频与解调n n3.3 3.3 数字调制的基本概念数字调制的基本概念二元信号和多元信号、基函数、信号星座图二元信号和多元信号、基函数、信号星座图相关检测器、相干与非相干解调相关检测器、相干与非相干解调n n3.4 3.4 二元数字调制二元数字调制t tBPSKBPSKt tBFSKBFSKn n3.5 3.5 正交幅度调制正交幅度调制QPSKQPSK调制、调制、0QPSK0QPSK与与/4QPSK/4QPSK调制、调制、MSKMSK调制调制n n3.6 3.6 调制方式的功率有效性调制方式的功率有效性常包络和变包络调制、频谱再生常包络和变包络调制、频谱再生3/6/20232Xian Jiaotong University3.1 3.1 什么是调制和解调什么是调制和解调n n两个概念两个概念uu基带信号：信号的频谱集中在零频附近，是原始信号，基带信号：信号的频谱集中在零频附近，是原始信号，也称调制信号。也称调制信号。uu通带信号：信号的频谱集中在载频附近。通带信号：信号的频谱集中在载频附近。n n调制：调制：uu把基带信号转换成通带信号的过程。该过程使载波的某把基带信号转换成通带信号的过程。该过程使载波的某个参数随基带信号而变化。个参数随基带信号而变化。n n解调：解调：uu把通带信号转换成基带信号的过程。与调制过程相反，把通带信号转换成基带信号的过程。与调制过程相反，也称为检测。也称为检测。3/6/20233Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n模拟调制模拟调制uu用连续基带信号使载波的某个参数（幅度、频率、相位）用连续基带信号使载波的某个参数（幅度、频率、相位）连续变化的调制方式。连续变化的调制方式。n n模拟调制的方式模拟调制的方式uu幅度调制幅度调制被控制的参数是载波的被控制的参数是载波的幅度幅度幅度幅度信息信息uu频率调制频率调制被控制的参数是载波的被控制的参数是载波的频率频率频率频率信息信息uu相位调制相位调制被控制的参数是载波的被控制的参数是载波的相位相位相位相位信息信息uu频率与相位调制统称为角度调制。频率与相位调制统称为角度调制。3/6/20234Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n幅度调制与解调幅度调制与解调 使高频正弦信号（载波）的幅度随低频信号（调制信号）的变化而变化称为幅度调制，所得到的已调波称为调幅波。从频谱上来看，普通调幅波的谱是把调制信号的谱搬移到载波附近来得到的。更一般的定义调幅信号，凡是把调制信号频谱线性搬移所得到的信号都是调幅信号。有多种不同的调幅信号形式：普通调幅波：AM信号 双边带调幅波：DSB信号 单边带调幅波：SSB信号 残留边带调幅波：VSB信号3/6/20235Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n普通调幅波普通调幅波AMAM数学表达式：载波调制信号已调波幅度已调波瞬时值调幅度3/6/20236Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n nAMAM的波形与频谱的波形与频谱从AM信号的频谱可以看出，其信号带宽为2W。信号功率为其中载波功率占了很大比重。从传递信息的角度来看，效率不高。3/6/20237Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制 当调幅度大于当调幅度大于1 1时，出现过调制现象：时，出现过调制现象：3/6/20238Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n双边带调制双边带调制DSBDSB数学表达式：载波调制信号已调波调幅度3/6/20239Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制 DSB信号（多音频调制）的波形和频谱如图：从图中可以看出，已调波的信号带宽为2Wmax。单音频调制下的已调波信号功率为：其中没有载波分量的功率，可见效率有所提高。但是频谱的上下两个边频部分是对称的，带宽和功率资源还没有充分利用。3/6/202310Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n单边带调制单边带调制SSBSSB数学表达式：载波调制信号已调波调幅度3/6/202311Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制 单音调制的SSB信号波形为一等幅正弦波。SSB信号的频谱为调制信号谱（带宽为Wmax）搬移到载波旁边的形式。上下两个边频频谱关于载波对称。信号带宽为Wmax。单音调制的SSB信号的功率为：和DSB信号比较，带宽已充分利用，功率利用率也得到了进一步提高。3/6/202312Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n调幅信号的产生调幅信号的产生SSB信号可以用滤波法或移相法来产生。滤波法：滤波法：优点：电路相对简单缺点：滤波器要求（带外衰减大，过渡带窄）太高，实现难度大。3/6/202313Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制移相法：移相法：优点：不需要很好的滤波器缺点：宽带的90o移相器也不好做。3/6/202314Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n调幅信号解调调幅信号解调uu从调幅波中恢复出低频调制信号，也成为检波。从调幅波中恢复出低频调制信号，也成为检波。n n相干解调相干解调uu已调波与一个与其载波同频同相的参考信号相乘，完成已调波与一个与其载波同频同相的参考信号相乘，完成频谱从高频到低频的线性搬移过程，通过滤波器取出所频谱从高频到低频的线性搬移过程，通过滤波器取出所需的信号。需的信号。n n包络检波包络检波uu包络检波器是其输出的电压直接反映输入高频信号包络包络检波器是其输出的电压直接反映输入高频信号包络变化的解调电路。电路结构简单变化的解调电路。电路结构简单uu只适用于普通调幅波。只适用于普通调幅波。3/6/202315Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n包络检波包络检波从调幅信号中解调出调制信号的过程称为检波。检波的过程与调制刚从调幅信号中解调出调制信号的过程称为检波。检波的过程与调制刚好相反，是把调制信号的谱再搬移回好相反，是把调制信号的谱再搬移回0 0频附近。频附近。调幅信号解调的方法可以分为两大类：相干解调和非相干解调。相干调幅信号解调的方法可以分为两大类：相干解调和非相干解调。相干解调是用与发端载波完全同频同相的本地载波去和接收到的信号相解调是用与发端载波完全同频同相的本地载波去和接收到的信号相乘，以实现频谱搬移；非相干解调则是利用所接收到的信号中的载乘，以实现频谱搬移；非相干解调则是利用所接收到的信号中的载波分量和边频分量共同作用到非线性器件上所形成的合频和差频效波分量和边频分量共同作用到非线性器件上所形成的合频和差频效果，实现频谱的向下搬移作用。相干解调是用与所有的调幅信号；果，实现频谱的向下搬移作用。相干解调是用与所有的调幅信号；非相干解调则只能用于非相干解调则只能用于AMAM信号。信号。对检波器的要求通常有：对检波器的要求通常有：uu检波效率：检波效率：无源检波器无源检波器KdKd小于小于1 1，越大越好。，越大越好。uu检波失真：用解调输出中的高次谐波分量之和与基波分量的比值表检波失真：用解调输出中的高次谐波分量之和与基波分量的比值表示。其值越小越好。示。其值越小越好。uu检波器输入电阻：检波器输入端的中频电压与中频电流之比。其值检波器输入电阻：检波器输入端的中频电压与中频电流之比。其值越大越好越大越好3/6/202316Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n模拟调频与解调模拟调频与解调uu 角度调制是用调制信号角度调制是用调制信号v vWW(t)(t)控制载波的相角（频率或相控制载波的相角（频率或相位）部分变化，来达到把调制信号记载到载波上进行传位）部分变化，来达到把调制信号记载到载波上进行传输的目标的。输的目标的。uu 角度调制信号解调时只对其频率或相位变化敏感，对角度调制信号解调时只对其频率或相位变化敏感，对由于信道中的加性干扰造成的接收信号幅度变化不敏感，由于信道中的加性干扰造成的接收信号幅度变化不敏感，因而具有较强的抗干扰能力。因而具有较强的抗干扰能力。uu 根据被调制的参量不同，调角信号有调频（根据被调制的参量不同，调角信号有调频（FM)FM)和调和调相（相（PM)PM)两种方式。由于频率和相位之间存在微分关系，两种方式。由于频率和相位之间存在微分关系，因而这两种信号的基本特性是一样的。因而这两种信号的基本特性是一样的。3/6/202317Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n调角波的基本性质调角波的基本性质对一个正弦信号而言：频率和相位间具有以下关系：n n调角波的形式调角波的形式n nFMFM波：波：n nPMPM波：波：3/6/202318Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n调频波的表示式调频波的表示式调频波的频率受调制信号控制变化，瞬时频率表达式为：单音频调制下vW(t)=VWmcosWt，FM信号的频率为：其中wc为载波频率，Kf为调频灵敏度，Dwm KfVWm为最大频偏。FM信号的表达式为：3/6/202319Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n调相波的表示式调相波的表示式调相波的相位受调制信号控制变化，瞬时相位表达式为：单音频调制下vW(t)=VWmcosWt，PM信号的相位为：其中wc为载波频率，Kp为调相灵敏度，mp=Djm KpVWm为最大相偏。PM信号的表达式为：其瞬时频率表达式为：3/6/202320Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n nFMFM信号和信号和PMPM信号的时域波形信号的时域波形3/6/202321Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n调频波与调相波比较调频波与调相波比较（1）调频和调相可以互相实现积分调相微分调频必须已知vW才能从v(t)表达式中看出其为FM或PM信号。（2）当调制信号幅度VWm一定时，m和Dwm随调制信号频率W变化的情况不同FM波：mf随W上升反比下降，Dwm为常数。PM波：Dwm随W上升正比上升，mp为常数。3/6/202322Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n调角信号的频谱调角信号的频谱单音频调制的调频信号表达式为：由 Bessel方程 的一个特解:其中G函数可以由递推公式得出称为以x为宗数的n阶第一类Bessel函数，有：据此可得第一类Bessel函数的母函数3/6/202323Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制并有：故可将调角信号的表达式用Bessel函数表示为：3/6/202324Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n调频波的频谱调频波的频谱（1）单音频调制后会出现无穷多个边频分量wcnW，幅度和相位与Jn(m)有关。（2）m的变化会引起各个频率分量之间功率的重新分配，但总功率维持不变：（3）当nm+1时，Jn(m)的值恒小于0.1。主要能量集中在nm+1的分量内。（4）某些特定m值下载频或某些边频幅度为0，可用来测量Dwm 和m。3/6/202325Xian Jiaotong University3.2 3.2 模拟调制模拟调制n n调频波的带宽调频波的带宽（1）窄带调频（m1)m很小时可近似认为：mFM系统输出信噪比要大得多，并可以用限幅措施消除寄生调幅的影响。（2）频带宽度：调角信号带宽调幅信号带宽=sw,mw不设FM台。FM信号带宽基本上不随W变化，PM信号带宽随W变化。=常用FM。（3）设备利用率高：ma一般为0.3，实际功率与设备额定功率差距大。（4）设备较复杂3/6/202330Xian Jiaotong University3.3 3.3 数字调制数字调制n n数字调制方法：数字调制方法：uu把离散的二值或多值信号用模拟信号的形式表示。把离散的二值或多值信号用模拟信号的形式表示。n n二元信号与多元信号二元信号与多元信号设：P(t)是宽度为Tb的脉冲信号，Bn是信息符号则串行的基带数字信号可以表示为：对应多元信号，采用不同的幅度信息来表示不同信号3/6/202331Xian Jiaotong University3.3 3.3 数字调制数字调制n n基函数与信号表示基函数与信号表示设有基函数集fn(t)，满足则一个多元信号可以表示成该基函数集的线性组合：3/6/202332Xian Jiaotong University3.3 3.3 数字调制数字调制n n星座图星座图用正交函数来表示多元信号在由coswct为横轴，sinwct为纵轴的平面上，满足上式的点构成星座图。BPSKQPSK3/6/202333Xian Jiaotong University3.3 3.3 数字调制数字调制n n数字调制与解调数字调制与解调n n二元数字调制二元数字调制uuBPSKBPSKuuBFSKBFSKuuBPSKBPSKn n正交幅度调制正交幅度调制uuQPSKQPSKuuMSKMSKn n数字调制信号解调数字调制信号解调uu相关检测器相关检测器uu相关与非相关解调相关与非相关解调3/6/202334Xian Jiaotong University3.4 3.4 调制方式的功率有效性调制方式的功率有效性n n常包络与变包络调制常包络与变包络调制已调信号的一般形式：常包络：A(t)不随时间变化信号通过3阶无记忆系统，输出信号：可以看出，输出信号的有效频谱仍在wc(t)附近。3/6/202335Xian Jiaotong University3.4 3.4 调制方式的功率有效性调制方式的功率有效性变包络：A(t)随时间变化而变化信号通过3阶无记忆系统，输出信号：滤除3次谐波后，输出信号在wc附近的频谱形状就是xI3(t)和xQ3(t)的频谱形状，比基带信号的谱展宽了。对于信号：3/6/202336Xian Jiaotong University