模拟调制系统.ppt

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1、第第3章章 模拟调制模拟调制系统系统石高涛天津大学计算机科学与技术学院前言u低通和带通信号低通和带通信号信号的频谱信号的频谱(频率成分频率成分)分布在零频附近的信号成为分布在零频附近的信号成为低通低通信号信号。带通信号带通信号的频谱常分布在远离零频的某个频率点的频谱常分布在远离零频的某个频率点fc附近，附近，一般情况下一般情况下fc远高于信号的带宽。因此，带通信号的带远高于信号的带宽。因此，带通信号的带宽远小于宽远小于fc，fc附近是信号频率分布范围。附近是信号频率分布范围。u实际信道可以分为低通信道和带通信道。实际信道可以分为低通信道和带通信道。低通信道可用于传输低通低通信道可用于传输低通(

2、基带基带)信号，称为信号，称为基带传输基带传输。带通信道可用于传输带通信号，称为带通信道可用于传输带通信号，称为频带传输频带传输。fc-fc低通信号低通信号带通信号带通信号我们需要将低通信号进行频带传输：我们需要将低通信号进行频带传输：采用较高的频率可以简化信号发射机的结构：低频采用较高的频率可以简化信号发射机的结构：低频需要较大尺寸天线。需要较大尺寸天线。可以把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以可以把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道的利用率。实现信道的多路复用，提高信道的利用率。扩展信号带宽，提高系统抗干扰能力、抗衰落能力，扩展信号带宽，提高系统抗干扰能

3、力、抗衰落能力，还可以实现传输带宽与信噪比之间的互换。还可以实现传输带宽与信噪比之间的互换。问题问题基带信号不能直接通过带通信道和传输，要使基带信号能够通基带信号不能直接通过带通信道和传输，要使基带信号能够通过带通信道进行传输，必须对基带信号进行变换，使其变换过带通信道进行传输，必须对基带信号进行变换，使其变换为适合带通信道传输的频带信号的形式。为适合带通信道传输的频带信号的形式。将基带信号变换为频带信号的过程称为将基带信号变换为频带信号的过程称为调制调制调制的技术实现调制的技术实现u调制是让基带信号调制是让基带信号f(t)去控制载波的某个（或某些）去控制载波的某个（或某些）参数，使该参数按照

4、信号参数，使该参数按照信号f(t)的规律变化的过程。的规律变化的过程。被控制的信号称为被控制的信号称为载波载波(carrier)正弦波、脉冲序列正弦波、脉冲序列。u正弦信号正弦信号作载波的调制叫连续波（作载波的调制叫连续波（CW）调制。）调制。可控制的参数：振幅可控制的参数：振幅f(t)、频率、频率0和相位和相位(t)。u 连续波调制分为连续波调制分为幅度调制幅度调制、频率调制和相位调制频率调制和相位调制。频率调制和相位调制二者又统称为角度调制，简称频率调制和相位调制二者又统称为角度调制，简称角调角调。调制调制u调制分类：模拟调制和数字调制。调制分类：模拟调制和数字调制。模拟调制中，调制信号是

5、模拟调制中，调制信号是模拟信号模拟信号。数字调制中，调制信号是数字信号。数字调制中，调制信号是数字信号。其它调制方其它调制方式的基础式的基础调制器调制器解调器解调器m(t)数字或模拟信号数字或模拟信号模拟信号模拟信号m(t)s(t)fcS(f)u信号编码信号编码:数字信号承载模拟或数字信号称为编码数字信号承载模拟或数字信号称为编码 数字信号编码成数字信号。数字信号编码成数字信号。模拟信号编码成数字信号。模拟信号编码成数字信号。编码器编码器解码器解码器g(t)数字或模拟信号数字或模拟信号数字信号数字信号g(t)x(t)fcx(t)载载波波提纲提纲u 幅度调制：幅度调制：标准调幅标准调幅(AM)(

6、AM)抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅(DSB)(DSB)单边带调幅单边带调幅(SSB)(SSB)残留边带调幅残留边带调幅(VSB)(VSB)模拟调制模拟调制系统系统提纲u幅度调制：幅度调制：标准调幅标准调幅(AM)抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅(DSB)单边带调幅单边带调幅(SSB)残留边带调幅残留边带调幅(VSB)基本思想基本思想 AM信号的波形与频谱信号的波形与频谱 AM波的调制波的调制 AM波的产生波的产生 AM波的解调波的解调标准调幅标准调幅(AM)基本思想基本思想幅度调制的基本作用就是频谱搬移，使基幅度调制的基本作用就是频谱搬移，使基带信号的频谱搬移到载频附近，以便信号带

7、信号的频谱搬移到载频附近，以便信号能够有效地传输或者实现信道的多路复用。能够有效地传输或者实现信道的多路复用。标准调幅标准调幅(AM)的实现：的实现：用用信信号号f(t)去去控控制制载载波波C(t)的的振振幅幅，使使已已调调波波的的包络按照包络按照f(t)的规律线性变化。的规律线性变化。其中其中f(t)称为调制信号，称为调制信号，C(t)称为载波。称为载波。这这种种调调制制方方式式在在无无线线电电广广播播系系统统中中占占有有主主要要地地位。位。AM信号的波形及频谱信号的波形及频谱调制信号调制信号:f(t)载波载波已调信号：已调信号：一般假定一般假定因此因此根据傅里叶变换的性质可以得到已调信号的

8、频域表达根据傅里叶变换的性质可以得到已调信号的频域表达未调载波的振幅未调载波的振幅载波的角频率载波的角频率AM信号的波形及频谱信号的波形及频谱清清晰晰频频谱谱图图示示参参见见附附件件动动画画调制信号波形与频谱调制信号波形与频谱A0+f(t)的波形及频谱的波形及频谱USB：上：上边带边带LSB:下下边带边带载波波形及频谱载波波形及频谱已调波波形及频谱已调波波形及频谱标准调幅的物理意义标准调幅的物理意义F()搬移了搬移了0，载波分量，载波分量A0(-0)+(+0)，边带分量，边带分量F(-0)+F(+0)/2。|AM()|对于对于0对称。高于对称。高于0的频谱叫做上边带，的频谱叫做上边带，低于低于

9、0的频谱叫下边带。对于负频率，上边带低于的频谱叫下边带。对于负频率，上边带低于-0，下边带高于，下边带高于-0。由频谱图可知，由频谱图可知，AM信号的频谱是由载频分量和上、信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成。上边带的频谱与原调制信号的频谱下两个边带组成。上边带的频谱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。USB：上边带：上边带LSB:下边带下边带标准调幅的物理意义标准调幅的物理意义显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故的完整信息。故AM信号是带有载波的双边带信号，信号是带有载波

10、的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍。即：它的带宽为基带信号带宽的两倍。即：2Wm。要求要求保证已调波的包络和保证已调波的包络和f(t)的形的形状完全相同，否则出现状完全相同，否则出现过调制过调制，产生包络失真。，产生包络失真。USB：上边带：上边带LSB:下边带下边带要要=1幅度调制的示例幅度调制的示例波形和频谱波形和频谱【例例】调制信号调制信号f(t)=Amcosmt求已调信号表达式及频谱。求已调信号表达式及频谱。解：解：(t)的频谱为：的频谱为：利用傅里叶频移性质得到已调信号的频谱利用傅里叶频移性质得到已调信号的频谱AM波的产生波的产生数学模型：可利用加法器和乘法器运算实现数学模型

11、：可利用加法器和乘法器运算实现f(t)调幅信号的解调调幅信号的解调u调制的逆过程叫做解调。调制的逆过程叫做解调。相相干干解解调调要要求求本本地地载载波波和和发发送送载载波波必必须须相相干干或或同同步步，即二者必须保持同频同相。相干解调也叫做同步解调即二者必须保持同频同相。相干解调也叫做同步解调。非非相相干干解解调调：使使用用包包络络检检测测电电路路从从带带有有大大载载波波的的调调幅幅信信号号中中恢恢复复出出来来原原来来的的调调制制信信号号。检检波波效效率率高高，几几乎乎所有所有AM式接收机都采用这种解调方式。式接收机都采用这种解调方式。包络检测电路包络检测电路检测过程波形检测过程波形标准幅度相

12、干调制标准幅度相干调制输入信号为：输入信号为：与本地载波相乘与本地载波相乘输出输出当当，即载波同步时：，即载波同步时：直直流流分分量量可可以以通通过过隔隔直直元元件件消消除除，从从而而可可以以无无失失真真地地恢复原始信号恢复原始信号低通滤波器低通滤波器滤除该分量滤除该分量波形及其频谱如图波形及其频谱如图AM非相干调制非相干调制包络检波器电路输出包络检波器电路输出详细过程参见附件动画演示详细过程参见附件动画演示根据二极管的单向导电性，使用根据二极管的单向导电性，使用载波的周期变换给电容器冲、放载波的周期变换给电容器冲、放电，使电容器两端电压呈现具有电，使电容器两端电压呈现具有 频率的波纹，并通过

13、低通滤波频率的波纹，并通过低通滤波器滤除。器滤除。本节总结本节总结幅度调制幅度调制在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。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线性由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制，相应地，幅度调制系统也称为线性调制系统。调制，相应地，幅度调制系统也称为线性调制系统。采用采用AMAM调制传输信息的好处是解调电路简单，可采调制传输信息的好处是解调电路简单，可采用包络检波法。用包络检波法。缺点是调制

14、效率低，载波分量不携带信息，但却占缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪费掉。据了大部分功率，白白浪费掉。如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的双边带调幅（方式，即抑制载波的双边带调幅（DSB-SCDSB-SC）作业假设调制信号假设调制信号m(t)为具有以下形式的正弦波，为具有以下形式的正弦波，确定其标准调幅信号和上下边带。确定其标准调幅信号和上下边带。标准调幅(AM)缺点在在AM波中，载波本身并不携带有用信息，波中，载波本身并不携带有用信息，却占据却占据50%以上的功率。如果将载波完全以上的功率。

15、如果将载波完全抑制掉，就可以提高效率。抑制掉，就可以提高效率。AM波的频谱：波的频谱：因此，如果将因此，如果将A0=0，则可以抑制掉载波分，则可以抑制掉载波分量量提纲u 幅度调制幅度调制：标准调幅(AM)抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅(DSB)单边带调幅(SSB)DSB信号的调制信号的调制AM波表达式：波表达式：令令A0=0:根据傅里叶变换的性质可以得到已调信号的频域表达根据傅里叶变换的性质可以得到已调信号的频域表达由于由于DSB信号的频谱中没有载波分量，只有边频信号的频谱中没有载波分量，只有边频分量，所以其效率达到了分量，所以其效率达到了100%DSB信号的波形及频谱信号的波形及频谱参

16、参见见附附件件动动画画调制信号波形与频谱调制信号波形与频谱载波波形及频谱载波波形及频谱已调波波形及频谱已调波波形及频谱调制信号调制信号f(t)在在f(t)改变符号的时刻载波出现反相，其包罗形状不再与改变符号的时刻载波出现反相，其包罗形状不再与f(t)的的形状相同，而是按照形状相同，而是按照|f(t)|的规律变化。因此，的规律变化。因此，只能采用相干解调只能采用相干解调DSB信号的调制模型与解调信号的调制模型与解调DSB的调制模型的调制模型DSB的相干解调模型的相干解调模型由抑制载波双边带调幅信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调

17、中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。与本地载波相乘得到与本地载波相乘得到用一个低通滤波器可以将上式中第用一个低通滤波器可以将上式中第2项消除，即无失真地恢复出原始的调制信号。项消除，即无失真地恢复出原始的调制信号。相干解调的关键是必须产生一个同频同相的载波。如果同频同相干解调的关键是必须产生一个同频同相的载波。如果同频同相的条件得不到保证，则会破坏原始信号的恢复。相的条件得不到保证，则会破坏原始信号的恢复。抑制载波双边带调幅特点抑制载波双边带调幅特点抑制载波双边带调幅信号的时间波形的包络已不再与调制抑制载波双边带调幅信号的时间波形的包络已不再与调制信号形状一致，因而不能采用包络检波来恢

18、复调制信号。信号形状一致，因而不能采用包络检波来恢复调制信号。抑制载波的双边带调幅虽然节省了载波功率，但已调信号抑制载波的双边带调幅虽然节省了载波功率，但已调信号的频带宽度仍为调制信号的两倍，与常规双边带调幅时相同。的频带宽度仍为调制信号的两倍，与常规双边带调幅时相同。上、下两个边带是完全对称的，它们所携带的信息相同，完上、下两个边带是完全对称的，它们所携带的信息相同，完全可以用一个边带来传输全部消息。这种传输方式除了节省全可以用一个边带来传输全部消息。这种传输方式除了节省载波功率之外，还可节省一半传输频带，即为载波功率之外，还可节省一半传输频带，即为单边带调制单边带调制。提纲u 幅度调制幅度

19、调制：标准调幅(AM)抑制载波双边带调幅(DSB)单边带调幅单边带调幅(SSB)单边带调幅单边带调幅(SSB)单边带调制中只传送双边带调制信号的一单边带调制中只传送双边带调制信号的一个边带。个边带。因此传送单边带信号的最直接的方法是让因此传送单边带信号的最直接的方法是让双边带信号通过一个单边带滤波器，滤除双边带信号通过一个单边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。不要的边带，即可得到单边带信号。把这种方法称为把这种方法称为滤波法滤波法，它是最简单也是，它是最简单也是最常用的方法。最常用的方法。滤波法产生单边带调幅滤波法产生单边带调幅(SSB)用乘法器产生一个双边带信号用乘法器产生一个双

20、边带信号然后滤掉其中的一个边带然后滤掉其中的一个边带单边带调幅单边带调幅(SSB)只传输两个只传输两个USB或两个或两个LSB都代表一个实际信号。都代表一个实际信号。优点：比优点：比AM和和DSB的带的带 宽减宽减 小一倍，信道利用率高，节省功率。小一倍，信道利用率高，节省功率。表示将f(t)的所有频率分量相移了-/2后的结果。单边带调幅单边带调幅(SSB)解调解调输入信号输入信号与本地载波与本地载波相乘得到相乘得到LPF滤除滤除20频率成分，输出频率成分，输出当当AM无线电的标准带宽分配AM所需的总带宽可以由音频信号的带宽确定，即所需的总带宽可以由音频信号的带宽确定，即BAM=2B音频音频音

21、频信号音频信号(语音和音乐语音和音乐)的带宽通常是的带宽通常是5kHz。所以。所以一个调幅的一个调幅的无线电台需要的最小带宽是无线电台需要的最小带宽是10kHz。AM电台可以使用在电台可以使用在5300kHz1700kHz之间的任何之间的任何一个频率作为载波频率，但是每个调幅电台的载波一个频率作为载波频率，但是每个调幅电台的载波频率与其它电台的频率与其它电台的载波频率间隔至少是载波频率间隔至少是10kHz(1个个AM带宽带宽)，以避免干扰，以避免干扰。所以，如果一个电台使用的载波频率是所以，如果一个电台使用的载波频率是1100kHz，下一个电台的载波频率不能低于下一个电台的载波频率不能低于11

22、10kHz。提纲u角度调制：角度调制：角度调制基本思想角度调制基本思想调相调相调频调频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载波的相角受调制信号的控制而变化的过程叫做角度调制。分为：程叫做角度调制。分为：相位调制相位调制(PM)和和频率调制频率调制(FM)角调波具有恒定振幅角调波具有恒定振幅A和瞬时相角和瞬时相角(t)的正弦波，的正弦波，其中其中(t)是已调信号的相角，随时间变化是已调信号的相角，随时间变化瞬时频率瞬时频率(t)和瞬时相角和瞬时相角(t)关系关系：调相波调相波(PM波波)是用调制信号控制载波的的相位变化是用调制信号控制载波的的相位变化若载波的瞬时相角若载波的瞬时相

23、角(t)与信号与信号f(t)呈呈线性函数关线性函数关系系，就称之为，就称之为PM波。即：波。即：0-常数，固定角频率；常数，固定角频率；0常数，起始相角；常数，起始相角；Kp调制常数，也叫调制灵敏度调制常数，也叫调制灵敏度，表示单位调制信号，表示单位调制信号引起的引起的相位偏移相位偏移。Kpf(t)称为瞬时相位偏移，其最大值称为瞬时相位偏移，其最大值调相波调相波相位调制的信号波相位调制的信号波根据以上分析知：根据以上分析知：PM波可表示为波可表示为如果调制信号如果调制信号PM=KPAm，叫做叫做调相指数调相指数，代表，代表调相波的最大相位偏移调相波的最大相位偏移PM。调相波调相波相位调制的信号

24、波相位调制的信号波调相波的波形示意调相波的波形示意调频波调频波频率调制信号波形频率调制信号波形调调频频波波：若若正正弦弦波波的的瞬瞬时时频频率率(t)与与信信号号f(t)呈呈线性函数关系，则称之为线性函数关系，则称之为FM波。波。0固定角频率；固定角频率；Kf调制常数。最大频率偏移调制常数。最大频率偏移FM波波的瞬时相角的瞬时相角FM波波正弦调制信号正弦调制信号叫做调频指数，叫做调频指数，代表调频波的最大相位偏移代表调频波的最大相位偏移FM。调频波调频波频率调制信号波形频率调制信号波形FM实实际际带带宽宽很很难难完完全全确确定定，但但从从经经验验上上是是模模拟拟信信号号的若干倍。的若干倍。调频

25、波的波形示意：调频波的波形示意：FM和和PM之间的关系之间的关系令令作为调制信号代入调频波表达式，可得到作为调制信号代入调频波表达式，可得到g1(t)的调相波。的调相波。若令若令g2(t)=df(t)/d t 作为调制信号代入调相波表达式，作为调制信号代入调相波表达式，可可得到得到g2(t)的调频波。的调频波。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。波相位的任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化规律不同而已。在只是频率和相位的变化规律不同而已。在PM中，角度随中，角度随调制信号线性变化；在调制信号线性变化；在FM中，角度随调制信号的积分线性变中，角度随调制信号的积分线性变化。将化。将f(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f(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，如图，如图作业1.仔细体会模拟调制的基本思想和思路2.总结幅度调制的特点课外练习(选做)熟悉SystemView 系统仿真软件使用SystemView 系统仿真软件仿真本节课中的通信调制技术