模拟调制系统1.pptx

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1、1我们知道，通信的目的是为了把信息向远处传递（传播）我们知道，通信的目的是为了把信息向远处传递（传播）,在传播人声音时，我在传播人声音时，我们可以用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）播放出去。们可以用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此声音可以传得比较远。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此声音可以传得比较远。扩音示意图第1页/共63页2 但如果我们还想将声音再传得更远一些，但如果我们还想将声音再传得更远一些，比如几十千米、几百千米，那该怎么办？比如几十千米、几百千米，那该怎么办？大家自然会想到用电缆或无线电进行传

2、输，大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题：但会出现两个问题：铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传一路声音信号，其传输成本之高、线路利用传一路声音信号，其传输成本之高、线路利用率之低率之低,人们是无法接受的。人们是无法接受的。第2页/共63页3利用无线电通信利用无线电通信 需需满满足足一一个个基基本本条条件件，即即欲欲发发射射信信号号的的波波长长必必须须能能与与发发射射天天线线的的几几何何尺尺寸寸可可比比拟拟，该该信信号号才才能能通通过过天天线线有有效效地地发发射射出出去去（通通常常认认为为天天线线尺尺寸寸应应大大于于波波长长的的十十分分之

3、之一一）。而音频信号而音频信号的频率范围是的频率范围是20Hz20kHz，最小，最小的波长为：的波长为：第3页/共63页4可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要一取也要150150米高。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去，就需要米高。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。解决方法解决方法1、在一个信道中对多路信号进行频分复用、在一个信道中对多路信号进行频分复用

4、 2、是把欲发射的低频信号、是把欲发射的低频信号“搬搬”到高频载波上到高频载波上去（或者说把低频信号去（或者说把低频信号“变变”成高频信号）。成高频信号）。方法有的共同点：要对信号进行调制处理。方法有的共同点：要对信号进行调制处理。第4页/共63页5对对于于调调制制，我我们们给给出出一一个个概概括括性性的的定定义义：让让载载波波的的某某个个参参数数（或或几几个个）随随调调制制信信号号（原原始始信信号号）的的变变化化而而变变化化的的过过程程或或方方式式称称为为调调制制。而而载载波波通通常常是是一一种种用用来来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有

5、用信息不含有任何有用信息。第5页/共63页6基本概念基本概念1 1、调制信号：原始电信号（低频信号）、调制信号：原始电信号（低频信号）2 2、载波：单一频率的正弦波（高频信号）、载波：单一频率的正弦波（高频信号）3 3、已已调调信信号号：调调制制信信号号和和载载波波的的合合成成信信号号（高频信号）（高频信号）4 4、解调、解调（检波）（检波）：调制的逆过程：调制的逆过程第6页/共63页7调制的目的调制的目的 将调制信号变换成适合信道传输的已调信号将调制信号变换成适合信道传输的已调信号l提高无线通信时的天线辐射效率。提高无线通信时的天线辐射效率。l实现信道的多路复用，提高信道利用率。实现信道的多

6、路复用，提高信道利用率。l扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。调制的方法调制的方法 幅度幅度:AM、DSB、SSB、VSB角度角度:FM、PM模拟模拟数字数字第7页/共63页85.1 幅度调制的原理幅度调制的原理1、幅度调制的、幅度调制的一般原理一般原理2、AM调幅调幅-常规幅度调制常规幅度调制6、线性调制的一般模型、线性调制的一般模型3、DSB双边带调制双边带调制4、SSB单边带调制单边带调制5、VSB残留边带调制残留边带调制7、相干解调与包络检波、相干解调与包络检波第8页

7、/共63页9调幅定义：调幅定义：载波的载波的振幅振幅随调制信号的变化而变化随调制信号的变化而变化设设 载波为载波为调制信号调制信号(基带信号基带信号)为为则则 已调信号为已调信号为:1、幅度调制的一般原理、幅度调制的一般原理式中，式中，A 载波幅度；载波幅度；c 载波角频率；载波角频率；0 载波初始相位（以后假定载波初始相位（以后假定 0 0）。）。第9页/共63页10频谱频谱设调制信号设调制信号m(t)的频谱为的频谱为M()，则已调信号的频谱为，则已调信号的频谱为在在波形波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；在在频谱结构频谱结构上

8、，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制线性调制。第10页/共63页11四种调幅信号四种调幅信号 1)AM 信号：普通调幅信号信号：普通调幅信号 2)DSB 信号：双边带信号信号：双边带信号 3)SSB 信号：单边带信号信号：单边带信号 4)VSB 信号：残余边带信号信号：残余边带信号第11页/共63页122、AM调制调制Amplitude Modulation(1)AM调制的原理调制的原理(2)时域分析时域分析(4)解调方式解调方式(3

9、)频域分析频域分析(5)功率分析功率分析(6)优缺点优缺点相干解调和非相干解调相干解调和非相干解调第12页/共63页13AM调制原理调制原理 设调制信号为设调制信号为m(t)，且，且 载波为载波为c(t)=cosct，普通幅度调制是将普通幅度调制是将m(t)与一直流量与一直流量A0相加后，再对载波进行幅度调制。相加后，再对载波进行幅度调制。要求要求:第13页/共63页14（1）信号时域表达式：）信号时域表达式：（2）信号时域波形：）信号时域波形：要求：要求：否则会出现过调幅否则会出现过调幅定义：定义：为为调幅指数调幅指数 第14页/共63页15调幅指数为调幅指数为0.5第15页/共63页16调

10、幅指数为调幅指数为1第16页/共63页17调幅指数为调幅指数为1.5第17页/共63页18AM 频域表达式频域表达式：因为因为所以所以且且第18页/共63页19AM 频谱示意图：频谱示意图：从频谱结构上看，从频谱结构上看，的频谱是的频谱是 的频的频谱在频域内的线性搬移谱在频域内的线性搬移,称之为线性调制。称之为线性调制。上边带上边带下边带下边带第19页/共63页201.SAM()由载频分量和上、下两个边带组成由载频分量和上、下两个边带组成2.上边带的频谱结构与原调制信号的频谱上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。结构相同，下边带是上边带的镜像。3.AM信号是带有载波

11、的双边带信号，它的信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽带宽是基带信号带宽fH的两倍的两倍,即即:第20页/共63页21解调方式解调方式1、非相干解调、非相干解调 由于已调信号的包络载有原调制信号的信由于已调信号的包络载有原调制信号的信息，因此通过包络检波，就可以恢复原调制息，因此通过包络检波，就可以恢复原调制信号。设备简单信号。设备简单,但要求不能出现过调幅。但要求不能出现过调幅。2、相干解调、相干解调 AM亦可采用相干解调。在解调端需要产生亦可采用相干解调。在解调端需要产生与发送端同频同相的载波。如果这个条件得不与发送端同频同相的载波。如果这个条件得不到保证，将会对原始信号的恢

12、复产生不利影响。到保证，将会对原始信号的恢复产生不利影响。第21页/共63页22AM信号在信号在1电阻上的平均功率应等于电阻上的平均功率应等于sAM(t)的均方值。当的均方值。当m(t)为确知信号时，为确知信号时，sAM(t)的均方值即为其平方的时间平均，即的均方值即为其平方的时间平均，即载波功率载波功率边带功率边带功率AM信号的功率信号的功率由由可得可得：第22页/共63页23定义调制效率：边带功率与总平均功率的定义调制效率：边带功率与总平均功率的比值，用符号比值，用符号 AM表示表示 一般情况下，一般情况下，AM都小于都小于1，调制效率很低，调制效率很低，即载波分量占据大部分信号功率，有信

13、息的即载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占有的功率较小。两个边带占有的功率较小。v可以证明：若可以证明：若m(t)为单频调制正弦信号，为单频调制正弦信号，调制效率最大为调制效率最大为13。第23页/共63页24AM信号的优缺点信号的优缺点优点：可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号。优点：可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号。缺点：缺点：AM信号的功率利用率比较低，已调信号频带是调制信号最高频率的信号的功率利用率比较低，已调信号频带是调制信号最高频率的2倍。倍。问题：能否去掉不带信息的载波，提高功率利用率？问题：能否去掉不带信息的载波，提高功率利用率？解决方法：抑制载波

14、双边带。解决方法：抑制载波双边带。第24页/共63页253、双边带（、双边带（DSB）调制）调制Double Sideband(1)、DSB调制的原理调制的原理(2)、时域分析、时域分析(4)、解调方式、解调方式(3)、频域分析、频域分析(5)、功率与效率、功率与效率(6)、优缺点、优缺点相干解调相干解调第25页/共63页26DSB信号表达式及波形信号表达式及波形DSB信号的表达式信号的表达式DSB信号波形信号波形第26页/共63页27DSB信号频域表达式信号频域表达式因为因为所以所以且且第27页/共63页28DSB信号频谱示意图信号频谱示意图频谱特点：频谱特点：1、上、下边带均包含调制信号的

15、全部信息；、上、下边带均包含调制信号的全部信息；2、幅度减半，带宽加倍；、幅度减半，带宽加倍；3、线性调制。、线性调制。4、带宽是基带信号带宽带宽是基带信号带宽fH的两倍的两倍第28页/共63页29 调制信号为单频余弦信号时，调制信号为单频余弦信号时，DSB信号的频信号的频谱为：谱为：第29页/共63页30DSB信号的解调信号的解调相干解调相干解调图中图中SL(t)为本地载波，也叫相干载波，必须与为本地载波，也叫相干载波，必须与发送端的载波完全同步。发送端的载波完全同步。若插入载波（恢复波）且幅度较大（满足若插入载波（恢复波）且幅度较大（满足A|m(t)|max)，亦可采用包络检波器来解调。，

16、亦可采用包络检波器来解调。第30页/共63页31功率与效率功率与效率 DSB信号的功率仅由边带功率构成，调制效信号的功率仅由边带功率构成，调制效率为：率为：双边带信号不存在载波分量，所有的功率都双边带信号不存在载波分量，所有的功率都集中在两个边带中，因此调制效率为集中在两个边带中，因此调制效率为100%，这是它的最大优点。这是它的最大优点。功率功率第31页/共63页32DSB优缺点优缺点优点：调制效率高。优点：调制效率高。缺点：占用频带宽，为消息基带信号的缺点：占用频带宽，为消息基带信号的2倍；解调复杂。倍；解调复杂。问题：问题：能否只传输其中一个边带，节省带宽？能否只传输其中一个边带，节省带

17、宽？第32页/共63页334、单边带（、单边带（SSB）信号）信号Single Sideband(1)SSB调制原理调制原理(2)SSB信号表达式信号表达式 (4)解调方式解调方式(5)功率与效率功率与效率(6)优缺点优缺点相干解调相干解调(3)SSB信号的产生信号的产生第33页/共63页34(1)SSB调制原理调制原理m(t)SDSB(t)SSSB(t)第34页/共63页35滤波法产生滤波法产生SSB信号滤波器的特性信号滤波器的特性第35页/共63页36(2)SSB信号表达式信号表达式第36页/共63页37 设单频调制信号为设单频调制信号为载波为载波为则则第37页/共63页38将上两式合并：

18、将上两式合并：“”表示上边带信号，表示上边带信号，“+”表示下边带信号。表示下边带信号。希尔伯特变换希尔伯特变换：上式中上式中Am sin mt 可以看作是可以看作是Am cos mt 相移相移/2的结果。把这一相移过程称为希尔伯的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为特变换，记为“”，则有，则有上式可以改写为：上式可以改写为：第38页/共63页39把上式推广到一般情况，则得到把上式推广到一般情况，则得到 式中，式中，若若M()是是m(t)的傅里叶变换，则的傅里叶变换，则 式中的式中的-jsgn 可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即第39页/共63页m(

19、t)SDSB(t)SSSB(t)以下边带为例：以下边带为例：第40页/共63页41(3)SSB信号的产生信号的产生()MfHf-HfOf滤波法滤波法第41页/共63页42用滤波法的困难：用滤波法的困难：一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔信号的上、下边带之间的间隔很窄，要求单边带滤波器在很窄，要求单边带滤波器在fC附近具有陡峭的附近具有陡峭的截止特性。截止特性。带来问题：带来问题：滤波器的设计和制作很困难，有时滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。甚至难以实现。解决方法：解决方法：在工程中往往采用

20、多级调制滤波在工程中往往采用多级调制滤波第42页/共63页43多级调制多级调制第43页/共63页44相移法产生相移法产生SSB信号信号Hh实质上是一个宽带相移网络，把实质上是一个宽带相移网络，把m(t)幅度不幅度不变，所有频率分量相移变，所有频率分量相移900。第44页/共63页45(4)SSB信号解调信号解调相干解调相干解调非相干解调非相干解调载波插入法载波插入法 人为地给人为地给SSB信号加入一个大幅度的载波，信号加入一个大幅度的载波，再用包络检波方法。再用包络检波方法。注意注意：该方法也需要载波同步。：该方法也需要载波同步。第45页/共63页46(6)优缺点优缺点优点优点：具有最窄的传输

21、带宽，信道利用率最高；：具有最窄的传输带宽，信道利用率最高；缺点缺点：（1）电路实现复杂，技术要求高；）电路实现复杂，技术要求高；（2）解调设备复杂。）解调设备复杂。第46页/共63页475、残留边带（、残留边带（VSB）调制）调制 Vestigial SideBandDSB信号占用频带宽信号占用频带宽SSB信号实现困难信号实现困难折衷折衷残留边带调制残留边带调制VSB(1)VSB调制原理调制原理第47页/共63页48第48页/共63页49(2)VSB 频谱结构频谱结构 分析思路：分析思路：发送端对信号进行调制的目的是为了使接收发送端对信号进行调制的目的是为了使接收端完整不失真地端完整不失真地

22、还原还原信号，因而信号，因而 的作用的作用需和接收机的功能综合考虑。需和接收机的功能综合考虑。m(t)SDSB(t)SVSB(t)第49页/共63页(3)(3)同步解调同步解调低低 通通第50页/共63页低低 通通第51页/共63页52结论结论：低低 通通第52页/共63页53(4)VSB滤波器的特性滤波器的特性矛盾：残留边带矛盾：残留边带信号的带宽与滤信号的带宽与滤波器的实现之间波器的实现之间在在f=0处具有互补处具有互补对称的滚降特性对称的滚降特性 第53页/共63页54 在在H(w+wc)与与H(w-wc)的交界处，两个曲线的交界处，两个曲线互补，曲线在交界处为水平直线。也就是一互补，曲

23、线在交界处为水平直线。也就是一个传输函数过渡带的上、下部分互补对称。个传输函数过渡带的上、下部分互补对称。只要残留边带滤波器的特性只要残留边带滤波器的特性HVSB(w)在在wc处处具有互补对称（奇对称）特性，采用相干解具有互补对称（奇对称）特性，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号。需的基带信号。第54页/共63页55 通常把滤波器的边缘形状（过渡带）称为通常把滤波器的边缘形状（过渡带）称为滚滚降形状降形状。满足互补的滚降形状有多种，常用。满足互补的滚降形状有多种，常用的是的是直线滚降和余弦滚降直线滚降和余弦滚降。它们分别在电视。它

24、们分别在电视信号和数据信号的传输中得到应用。我国目信号和数据信号的传输中得到应用。我国目前的电视节目音频信号采用调频方法、视频前的电视节目音频信号采用调频方法、视频（图像）信号采用残留边带方式传输。（图像）信号采用残留边带方式传输。第55页/共63页566、线性调制系统一般模型、线性调制系统一般模型(1)滤波法模型滤波法模型滤波法线性调制的一般模型如下：滤波法线性调制的一般模型如下：输出信号时域表示式为：输出信号时域表示式为：按照此模型得到的输出信号频域表示式为：按照此模型得到的输出信号频域表示式为：式中：式中：适当选择适当选择H()，便可以得到各种幅度调制信号。，便可以得到各种幅度调制信号。

25、第56页/共63页57(2)移相法模型移相法模型将上式展开，则可得到另一种形式的时域表将上式展开，则可得到另一种形式的时域表示式，即示式，即式中式中上式表明，上式表明，sm(t)可等效为两个互为正交调制可等效为两个互为正交调制分量的合成。由此可以分量的合成。由此可以得到移相法线性调制的得到移相法线性调制的一般模型如下：一般模型如下：第57页/共63页58它同样适用于所有线性调制它同样适用于所有线性调制。第58页/共63页597、相干解调与包络检波、相干解调与包络检波(1)相干解调相干解调l相干解调器的一般模型相干解调器的一般模型 l解调器原理：为恢复原基带信号，接收端必解调器原理：为恢复原基带

26、信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步的本须提供一个与接收的已调载波严格同步的本地载波地载波(相干载波相干载波)，与接收的已调信号相乘，与接收的已调信号相乘，经低通滤波器取出低频分量经低通滤波器取出低频分量,即原始的基带调即原始的基带调制信号。制信号。第59页/共63页60l相干解调器性能分析相干解调器性能分析已调信号为已调信号为:与同频同相的相干载波与同频同相的相干载波c(t)相乘后，得相乘后，得:经低通滤波器后，得到经低通滤波器后，得到:因为因为sI(t)是是m(t)通过一个全通滤波器通过一个全通滤波器HI()后后的结果，上式中的的结果，上式中的sd(t)就是解调输出，即就是解调

27、输出，即:第60页/共63页61(2)包络检波包络检波l适用条件：适用条件：AM信号，且要求信号，且要求|m(t)|max A0l包络检波器结构：包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成成,如如:第61页/共63页62l 性能分析性能分析设输入信号设输入信号:选择选择RC满足关系满足关系 式中式中fH 调制信号的最高频率调制信号的最高频率 在大信号检波时（一般大于在大信号检波时（一般大于0.5 V），二极），二极管处于受控的开关状态，检波器的输出为管处于受控的开关状态，检波器的输出为:隔去直流后即可得到原信号隔去直流后即可得到原信号m(t)。第62页/共63页63感谢您的观看。第63页/共63页