通信原理教程 第4章 模拟调制系统.ppt

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1、第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v信道可分为信道可分为:低通信道和带通信道。低通信道和带通信道。v低通信道：低通信道：用于传输低通（基带）信号，这称为基带传输。用于传输低通（基带）信号，这称为基带传输。v带通信道：带通信道：用于传输带通信号，这称为频带传输。用于传输带通信号，这称为频带传输。v基基带带信信号号不不能能直直接接通通过过带带通通信信道道传传输输，要要使使基基带带信信号号通通过过带带通通信信道道进进行行传传输输，就就必必须须对对基基带带信信号号进进行行变变换换，变变换换为为适适合合带带通通信信道道传传输输的的频频带带信信号号的的形式。形式。v调调制制：将将基基带带信信号号变变

2、换换为为频频带带信信号号的的过过程程。调调制制就就是是让让基基带带信信号号去去控控制制载载波波的的某某个个（或或某某些些）参参数数，使使该该参参数数按按照照基基带带信信号号的的规规律律变变化化。载载波波:正正弦波或脉冲序列。正弦信号作载波的调制叫连续波（弦波或脉冲序列。正弦信号作载波的调制叫连续波（CW）调制。调制。v连续波调制已调信号连续波调制已调信号v参数参数：振幅振幅A(t)、频率频率0和相位和相位(t)。v连续波调制分为连续波调制分为:幅度调制、频率调制和相位调制。幅度调制、频率调制和相位调制。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v角度调制：角度调制：频率调制和相位调制的统称，简称

3、角调。频率调制和相位调制的统称，简称角调。v调制分类调制分类：模拟调制和数字调制。：模拟调制和数字调制。v模拟调制模拟调制：调制信号是模拟信号。：调制信号是模拟信号。v数字调制数字调制：调制信号是数字信号。：调制信号是数字信号。v幅幅度度调调制制分分为为：标标准准调调幅幅(AM)、抑抑制制载载波波双双边边带带调调幅幅(DSB-SC)、单单边边带带调调幅幅(SSB)和残留边带调幅和残留边带调幅(VSB)等。等。v41标准调幅标准调幅 v用用信信号号f(t)控控制制载载波波C(t)的的振振幅幅，使使已已调调波波的的包包络络按按照照f(t)的的规规律律线线性性变化。变化。v 1AM信号的波形及频谱信

4、号的波形及频谱v调制信号调制信号f(t)v载波载波C(t)=A 0cos(0t+0)第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v调制信号为调制信号为f(t)，载波为载波为C(t)=A0cos0t，已调信号已调信号vA0未调载波振幅；未调载波振幅；0载波角频率。载波角频率。v已调波频谱已调波频谱 第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v(1)F()搬搬移移了了0，载载波波分分量量：A0(-0)+(+0)，边边带带分分量：量：F(-0)+F(+0)/2。v(2)|AM()|对对于于0对对称称。高高于于0的的频频谱谱叫叫做做上上边边带带，低低于于0的的频频谱谱叫下边带。对负频率，上边带低于叫下边带。

5、对负频率，上边带低于-0，下边带高于下边带高于-0。v(3)带宽：带宽：2Wm。v(4)要求要求v保证已调波的包络和保证已调波的包络和f(t)的形状完全相同，否则出现过调制，产生包络失的形状完全相同，否则出现过调制，产生包络失真。真。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v【例】【例】调制信号调制信号f(t)=Amcosmtv求已调信号表达式及频谱。求已调信号表达式及频谱。v解：解：vAM=Am/A0叫做调制指数叫做调制指数v(t)的频谱的频谱第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v2AM信号的调制信号的调制v数学模型数学模型v3AM信号的效率信号的效率 v总平均功率总平均功率v由于由于

6、,v假设假设f(t)不含直流分量，则不含直流分量，则 。v式中式中第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v载波功率载波功率 ，边带功率边带功率v效率效率v v【例例】峰峰峰峰值值为为2Am且且不不含含直直流流的的方方波波对对振振幅幅为为A0的的载载波波进进行行标标准准调调幅幅，求已调波效率。求已调波效率。v解：解：v不不过过调调制制，Am最最大大等等于于A0。最最大大可可能能的的效效率率是是50%。不不含含直直流流的的信信号号进进行标准调幅其效率不会超过行标准调幅其效率不会超过50%。v【例】【例】f(t)=Amcosmt对振幅为对振幅为A0的载波进行标准调幅，求已调波效率。的载波进行标准调

7、幅，求已调波效率。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v解：解：v100%调制，调制，Am=A0，AM=1，最大可能的效率为最大可能的效率为33.3%。v4.AM信号的解调信号的解调v可利用乘法器进行频谱再搬移实现解调。可利用乘法器进行频谱再搬移实现解调。v方式：方式：相干解调和非相干解调。相干解调和非相干解调。v（1 1）相干解调）相干解调 第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v要求本地载波和发送载波必须相干或同步（即同频同相）。相干解调也叫要求本地载波和发送载波必须相干或同步（即同频同相）。相干解调也叫做同步解调。做同步解调。v输入信号输入信号 v与本地载波与本地载波 相乘相乘v低

8、通滤波器滤除低通滤波器滤除20频率分量频率分量 v当当第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v（2）非相干解调非相干解调 v用一个简单的包络检波电路就可以从带有大用一个简单的包络检波电路就可以从带有大v载波的调幅信号中恢复出原来的调制信号，载波的调幅信号中恢复出原来的调制信号，v检波效率高，几乎所有检波效率高，几乎所有AM式接收机都采用式接收机都采用v这种解调方式。这种解调方式。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v42抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅 vAM中的载波本身并不携带有用信息，却占据中的载波本身并不携带有用信息，却占据50%以上的功

9、率。将载波以上的功率。将载波抑制掉，可提高效率。称为抑制载波双边带调幅抑制掉，可提高效率。称为抑制载波双边带调幅(DSB-SC)。v1.DSB信号的调制信号的调制v表达式表达式v频谱频谱v效率达到效率达到100%，第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v调制的数学模型调制的数学模型 v2.DSB信号的解调信号的解调 vDSB信号不含有载波，只能进行相干解调。信号不含有载波，只能进行相干解调。v准确同步时，解调输出信号准确同步时，解调输出信号第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v43单边带调幅单边带调幅v1.SSB信号的调制信号的调制v滤波法滤波法v

10、优点：优点：比比AM和和DSB的带宽减小一倍，信道利用率高，节省功率。的带宽减小一倍，信道利用率高，节省功率。v表达式表达式v-”表表示示取取上上边边带带，“”表表示示取取下下边边带带；表表示示将将f(t)的的所所有有频频率率分分量量相移了相移了-/2后的结果后的结果。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v频谱频谱 v2.2.SSBSSB信号的解调信号的解调 v输入信号输入信号 v与本地载波与本地载波 相乘得相乘得v低通滤波器滤除低通滤波器滤除20频率后的输出频率后的输出第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v当当v 第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v44残留边带调幅残留边带调幅

11、 v调调制制信信号号频频谱谱的的低低频频分分量量丰丰富富时时，上上下下边边带带很很难难分分离离。不不宜宜采采用用SSB调调制制。一一种种“折折衷衷”办办法法残残留留边边带带调调幅幅（VSB）。VSB不不是是对对一一个个边边带带完完全全抑抑制制，而而是是使使它它逐逐渐渐截截止止。截截止止特特性性使使传传输输边边带带在在载载频频附附近近被被抑抑制制的的部部分分由由抑抑制制边边带带的的残残留留部部分分精精确确地地补补偿偿。解解调调时时两两个个频频谱谱搬搬到到一一起起就就可可以以不不失失真真地恢复调制信号地恢复调制信号 f(t)。v第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v1.VSB信号的调制信号的调

12、制 v与单边带信号调制类似，但滤波器与单边带信号调制类似，但滤波器v特性不同。在特性不同。在|0|附近具有滚降特性，附近具有滚降特性，v在在|0|的半幅度点呈现奇对称，这叫的半幅度点呈现奇对称，这叫v互补对称特性。在边带范围内其它处互补对称特性。在边带范围内其它处v是平坦的，在边带范围以外特性是任是平坦的，在边带范围以外特性是任v意，视方便选择。互补对称特性意味意，视方便选择。互补对称特性意味v着将着将HV()分别搬移分别搬移-0和和0，vHV(0)和和H HV V(-0 0）相加，在相加，在v|0 0|W Wm m范围内为常数范围内为常数。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v上上式式是

13、是无无失失真真恢恢复复原原信信号号f(t)的的必必要要条条件件。满满足足上上述述条条件件的的VSB信信号号频频谱谱，传传输输边边带带被被抑抑制制掉掉的的部部分分正正好好被被抑抑制制边边带带中中残残留留下下来来的的频频谱谱所所补补偿偿，能无失真地恢复调制信号能无失真地恢复调制信号f(t)。vVSB信号的频谱信号的频谱 v残残留留边边带带调调制制优优点点：带带宽宽几几乎乎与与单单边边带带系系统统相相同同，具具有有双双边边带带的的良良好好低低频频特特性性。对对于于低低频频分分量量很很丰丰富富的的信信号号，采采用用残残留留边边带带调调幅幅是是一一种种好好的的办办法法。残残留留边边带带滤滤波波器器比比要

14、要求求具具有有陡陡峭峭截截止止特特性性的的单单边边带带滤滤波波器器简简单单得得多多。它综合了单边带和双边带的优点，克服了它们的缺点。它综合了单边带和双边带的优点，克服了它们的缺点。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v2.VSB信号的解调信号的解调 v乘法器输出信号的频谱乘法器输出信号的频谱v式式中中 是是输输入入信信号号 的的频频谱谱。将将 代代入入上上式式，LPFLPF滤滤除除频频谱谱2 20 0 的分量，输出信号的频谱的分量，输出信号的频谱v当当 ，第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v若在若在内内v若上式等于若上式等于2，Hd()=1，则则v无失真地恢复出了原信号无失真地恢复出

15、了原信号f(t)。v电电视视广广播播传传输输中中的的图图像像信信号号采采用用具具有有大大载载波波的的残残留留边边带带调调制制，采采用用包包络络检检波器解波器解调调。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v当当 ，v若在若在 内内 v输输出出频频谱谱就就不不会会产产生生失失真真。这这就就是是残残留留边边带带滤滤波波器器滚滚降降部部分分的的互互补补对对称称条条件件。若若上上式式等等于于2，Hd()=1，则输出信号的频谱则输出信号的频谱v电视广播中图像信号采用具有大载波的残留边带调制，接收采用包络检波器解调电视广播中图像信号采用具有大载波的残留边带调制，接收采用包络检波器解调。第第 4 章章 模拟

16、调制系统模拟调制系统v45角度调制角度调制 v角度调制：角度调制：载波的相角受调制信号的控制而变化的过程。载波的相角受调制信号的控制而变化的过程。v角度调制，载波振幅保持不变。角度调制，载波振幅保持不变。v角度调制方式：角度调制方式：相位调制相位调制(PM)和频率调制和频率调制(FM)。v应应用用：FM主主要要应应用用于于调调频频广广播播、电电视视（伴伴音音）、通通信信以以及及遥遥测测等等；PM主主要要用用于相移键控于相移键控(PSK)和进行间接调频。和进行间接调频。v优点：优点：与与AM比较，比较，FM具有抗干扰性能强、电声指标高、发射效率高等。具有抗干扰性能强、电声指标高、发射效率高等。v

17、缺点：缺点：占用频带宽（指宽带占用频带宽（指宽带FM），），设备比设备比AM系统复杂。系统复杂。v角调波：角调波：具有恒定振幅具有恒定振幅A和瞬时相角和瞬时相角(t)的正弦波。的正弦波。v瞬时频率瞬时频率(t t)和瞬时相角和瞬时相角(t t)关系关系第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v1.调相调相vPM波：波：正弦波的瞬时相角正弦波的瞬时相角(t)与信号与信号f(t)呈线性函数关系。呈线性函数关系。v表达式表达式v0-常常数数，固固定定角角频频率率；0常常数数，起起始始相相角角；Kp调调制制常常数数，单单位位：rad/V。Kpf(t)称为瞬时相位偏移，其最大值称为瞬时相位偏移，其最大值

18、v瞬时频率瞬时频率第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v正弦调制信号正弦调制信号vPM=KPAm，叫做调相指数，代表调相波的最大相位偏移叫做调相指数，代表调相波的最大相位偏移PM。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v2.调频调频vFM波波:正弦波的瞬时频率正弦波的瞬时频率(t)与信号与信号f(t)呈线性函数关系。呈线性函数关系。v0固定角频率；固定角频率；Kf调制常数，调制常数，代表调频器的调制灵敏度，代表调频器的调制灵敏度，单位：单位：rad/VS。v瞬时相角瞬时相角vFM波波v最大频率偏移最大频率偏移第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v正弦调制信号正弦调制信号 v叫做调频指

19、数，代表调频波的最大相位偏移叫做调频指数，代表调频波的最大相位偏移FM。v最大频偏最大频偏v所以所以第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v3.FM与与PM的关系的关系 v令令作为调制信号作为调制信号代入调相表达，可得到代入调相表达，可得到 的调频波；同理，令的调频波；同理，令v 作为调制信号代入调频波表达式作为调制信号代入调频波表达式，可得到可得到 的调相波。的调相波。v结论：结论：PM和和FM是角调波的不同形式，二者无本质区别。载波相位的任是角调波的不同形式，二者无本质区别。载波相位的任何变化都将引起频率的变化，反之亦然。何变化都将引起频率的变化，反之亦然。PM和和FM只是频率和相位的变

20、只是频率和相位的变化规律不同而已。在化规律不同而已。在PM中，角度随调制信号线性变化；在中，角度随调制信号线性变化；在FM中，角度中，角度随调制信号的积分线性变化。将随调制信号的积分线性变化。将(t)先积分而后使它对载波进行先积分而后使它对载波进行PM即得即得FM，反之，将反之，将(t)先微分而后使它对载波进行先微分而后使它对载波进行FM即得即得PM第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v正弦信号对载波正弦信号对载波cos0t分别进行分别进行PM和和FM。尽管尽管PM和和FM有着密切的关有着密切的关系，但由于它们的变化规律不同，两者的系统性能是不同的。系，但由于它们的变化规律不同，两者的系统

21、性能是不同的。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v46宽带调频宽带调频v频率调制分为：频率调制分为：窄带频率调制（窄带频率调制（NBFM）和宽带频率调制（和宽带频率调制（WBFM）。）。窄带调频不能充分发挥调频信号抗干扰性能强的优点，实际中广泛使用的窄带调频不能充分发挥调频信号抗干扰性能强的优点，实际中广泛使用的是宽带调频。是宽带调频。v1.1.正弦信号调频正弦信号调频v正弦信号，令正弦信号，令0 0=0=0v另一种形式另一种形式vJn()叫做第一类叫做第一类n阶贝塞尔函数，它是阶贝塞尔函数，它是的函数，与时间的函数，与时间t无关。无关。v贝塞尔函数的性质：贝塞尔函数的性质：J-n()=

22、(-1)Jn()第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v频谱频谱v通常将通常将v定义为窄带频率调制，有时也用定义为窄带频率调制，有时也用0.5来代替。否则便是宽带频率调制。来代替。否则便是宽带频率调制。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v2.调频信号的带宽调频信号的带宽v按按n=+1来计算，相当于来计算，相当于Jn()0.1。频率间隔为频率间隔为m，总带宽总带宽vNBFM（Fm1）：vWFM2v例例：FM广广播播系系统统调调制制信信号号的的最最高高频频率率限限制制到到15kHz，发发送送信信号号的的最最大大频频偏为偏为75kHz，求求FM广播系统占用的带宽。广播系统占用的带宽。v解：解

23、：带宽带宽vB2(+m)2(75+15)180(kHz)v或者或者第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v 75/155v带宽：带宽：B2(+1)m2(5+1)15180（kHz）v3.调频信号的功率调频信号的功率v信号的平均功率等于信号的均方值信号的平均功率等于信号的均方值v利用贝塞尔函数的性质：利用贝塞尔函数的性质：v总功率等于未调载波功率总功率等于未调载波功率v 第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统47宽带调相宽带调相v对宽带相位调制对宽带相位调制(WBPM)信号的分析，可用类似信号的分析，可用类似WBFM信号的分析方法。信号的分析方法。v正弦信号调相，令正弦信号调相，令0=0，v

24、最大频偏：最大频偏：=PMmvPM信号信号v频谱频谱第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v与与FM比较：比较：v异：异：PM波的不同频率具有不同的相位，它们是波的不同频率具有不同的相位，它们是/2的整数倍。的整数倍。v同：同：二者的幅度都与贝塞尔函数成比例。二者的幅度都与贝塞尔函数成比例。v有效带宽有效带宽v当调制指数当调制指数为窄带相位调制（为窄带相位调制（NBPM），），否则，为宽带相位调制否则，为宽带相位调制（WBPM）。）。vNBPM带宽带宽：vWBPM带宽带宽：第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v48宽带角度调制信号的产生宽带角度调制信号的产生 v方法：方法：直接法和间接法

25、。直接法和间接法。v1.直接法直接法vFM：控制信号用控制信号用f(t)；vPM：d f(t)/d t作为控制信号。作为控制信号。vVCO：压控振荡器。压控振荡器。v缺缺点点：是是受受控控振振荡荡器器的的频频率率稳稳定定度度不不高高，需需要要采采用用自自动动频频率率控控制制(AFC)措措施。施。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v2.间接法间接法v由窄带角调器和倍频器组成。倍频器的作用：将输入频率倍增由窄带角调器和倍频器组成。倍频器的作用：将输入频率倍增N倍。如倍。如果输入频率为果输入频率为v倍频器输出频率倍频器输出频率v输输出出载载频频0是是输输入入载载频频0i的的N倍倍。输输出出最最

26、大大频频偏偏是是输输入入最最大大频频偏偏i的的N倍，倍，v上述分析也适用于上述分析也适用于PM。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v49宽带角度调制信号的解调宽带角度调制信号的解调 v方法：方法：相干解调和非相干解调。相干解调和非相干解调。v相干解调只适用于窄带角调信号；非相干解调宽带和窄带角调信号都适用。相干解调只适用于窄带角调信号；非相干解调宽带和窄带角调信号都适用。v介绍两种非解调方式：鉴频器解调和环路解调。介绍两种非解调方式：鉴频器解调和环路解调。v1.鉴频器解调鉴频器解调 v不仅适用宽带角度调制信号，也适用于窄带角度调制信号。不仅适用宽带角度调制信号，也适用于窄带角度调制信号。

27、v功功能能：是是把把输输入入信信号号的的频频率率变变化化转转换换成成输输出出电电压压瞬瞬时时幅幅度度的的变变化化，即即鉴鉴频频器输出电压的瞬时幅度与输入调频波的瞬时频率偏移成正比。器输出电压的瞬时幅度与输入调频波的瞬时频率偏移成正比。v鉴频特性鉴频特性：S S型曲线。型曲线。v峰值之间的频率范围（线性范围）必须大于（或等于）调频信号的带宽。峰值之间的频率范围（线性范围）必须大于（或等于）调频信号的带宽。v数学模型：数学模型：可等效为一个带微分器的包络检波器。可等效为一个带微分器的包络检波器。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v曲线曲线v数学模型数学模型第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制

28、系统v工作过程分析工作过程分析v微分后变成了调幅调频信号，幅度微分后变成了调幅调频信号，幅度v包络检波，隔除直流包络检波，隔除直流v宽带调相信号宽带调相信号v解调数学模型。解调数学模型。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v2.环路解调环路解调v类型：类型：锁相环解调器和频率反馈解调器。锁相环解调器和频率反馈解调器。v1)锁相环解调器锁相环解调器v锁锁相相环环(PLL)构构成成：鉴鉴相相器器（乘乘法法器器）、环环路路滤滤波波器器（LPF）和和压压控控振振荡荡器器(VCO)。v假定压控振荡器的频率假定压控振荡器的频率(t)与与FM波的瞬时频率波的瞬时频率FM(t)相等。相等。vFM波的瞬时频

29、率波的瞬时频率第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v假假定定VCO压压控控灵灵敏敏度度为为K(弧弧度度/秒秒伏伏)；Sd(t)=0时时VCO振振荡荡频频率率为为；VCO瞬时频率瞬时频率v令上二式相等令上二式相等v0为为FM波的载频，波的载频，为为VCO的固有振荡频率，两者皆为常数。的固有振荡频率，两者皆为常数。v用锁相环解调用锁相环解调PM信号，需在其输出端接一个积分器。信号，需在其输出端接一个积分器。v锁相环与鉴频器相比，门限改善锁相环与鉴频器相比，门限改善6dB，称为门限扩张或低门限解调器。称为门限扩张或低门限解调器。第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v2)频率反馈解调器频率反馈解调器vVCO输出瞬时频率输出瞬时频率vVCO输出输出vAV和和V均为常数。均为常数。v输入输入FM信号信号第第 4 章章 模拟调制系统模拟调制系统v鉴频器输入鉴频器输入vLPF输入输入vKD为鉴频增益。环路输出为鉴频增益。环路输出v频率反馈解调器能使频率反馈解调器能使VCO跟踪输入跟踪输入FM信号的瞬时频率变化，也是一个门信号的瞬时频率变化，也是一个门限扩展解调器，性能优于普通鉴频器。限扩展解调器，性能优于普通鉴频器。