信號調制的基本原理（課堂PPT）

1、1第四章 信號調制的基本原理 2第四章 信號調制的基本原理 要求 理解調制的基本概念，掌握三種模擬調制的基本原理，會推導其表達式、波形和頻譜圖分析，正確分析比較不同已調波的異同點。了解三種數(shù)字調制信號的基本原理和實現(xiàn)方法 3第四章 信號調制的基本原理 知識點 振幅調制（AM、DSB、SSB、VSB） 數(shù)字調制（ASK、FSK、PSK） 已調信號的表達式、波形和頻譜圖4第四章 信號調制的基本原理 重點和難點 各類調幅電路的特點、原理和分析方法 數(shù)字調制信號的基本原理54.1 概述 4.1.1 信號調制與變換 無線電通信是利用電磁波作為信息的載體 調制信號特點是頻率較低、頻帶較寬且相互重疊 所謂調

2、制就是將待傳輸?shù)幕鶐盘柤虞d到高頻振蕩信號上的過程 信號調制實質是將基帶信號搬移到高頻載波上去，也就是頻譜搬移的過程 6 4.1.2信號調制方式與分類 正弦波一般可表示為 （4-1） 正弦波都有三個參數(shù)：幅度、頻率和相位 所謂調制，就是將調制信號加載在三個參數(shù)中的某一個參數(shù)上，或幅值、或頻率、或相位隨調制信號大小成線性變化的過程 0( )cos ( )cos()u tAtAt74.1.2信號調制方式與分類 有三種基本調制方法 一種是把調制信號加載在載波信號的幅值上，稱為幅度調制 ，簡稱AM（Amplitude Modulation） 第二種是把調制信號裝載在載波的頻率上，稱為頻率調制，簡稱FM

3、（Frequency Modulation） 第三種是把調制信號裝載在載波的相位上，稱為相位調制，簡稱PM（Phase Modulation） 84.1.2信號調制方式與分類 數(shù)字量對載波進行調制時，根據(jù)被調制的參數(shù)不同，也有三種調制方式 被裝載的參數(shù)為幅度時，稱為幅移鍵控調制，簡稱ASK調制（Amplitude Shift Keying） 被裝載的參數(shù)為頻率時稱為頻移鍵控調制，簡稱為FSK調制（Frequency Shift Keying） 被裝載的參數(shù)為相位時稱為相移鍵控調制，簡稱為PSK調制（Phase Shift Keying） 94.1.2信號調制方式與分類 調制方式模擬調制 數(shù)字調

4、制幅度調制（AM）頻率調制（FM）相位調制（PM）幅 移 鍵 控 調 制（ASK）頻移鍵控調制（FSK）相移鍵控調制（PSK）圖4-3 調制方式分類104.2 幅度調制原理及特性 4.2.1 普通調幅（AM ） 1. 普通調幅信號的數(shù)學表達式 首先討論調制信號為單頻余弦波時的情況，設調制信號為 （4-2） 設載波信號為 （4-3）( )coscos2mututFt ( )coscos2CcmccutUtf t114.2.1 普通調幅（AM ） 且 , 由幅度調制定義可知，幅度調制是用基帶信號控制載波的振幅，使載波的振幅隨基帶信號的規(guī)律變化，因此調制后形成的已調波 可表示為 （4-4） 已調信號

5、的振幅部分也可以表示為 （4-5）cfF( )AMuttCos)t (ukU()t (ucacmAM)tCosm(U)t (ukUacmacm1124.2.1 普通調幅（AM ） 式中 因此，普通調幅信號可以表示為 （4-6） 由上式可以看出，普通調幅信號的電路模型可以由一個乘法器和一個加法器組成。如圖4-4所示。cmmaaUUkmtCos)tCosm(U)t (ucacmAM1134.2.1 普通調幅（AM ） 圖4-4 普通調幅電路模型144.2.1 普通調幅（AM ） 2.普通調幅信號的波形與頻譜普通調幅信號的波形與頻譜 按照上述簡單分析，只要已知基帶信號和載波，就可以畫出已調波的波形。

6、 在一個信號周期內(nèi)，其最大振幅為 （4-7） max(1)ccmaUUm154.2.1 普通調幅（AM ） 圖4-5普通調幅信號的波形與頻譜164.2.1 普通調幅（AM ） 最小振幅為 （4-8） 由上兩式可得 （4-9） ， 且越大，調幅波的外包絡線凹陷越深，即調制越深。 min(1)ccmaUUmminmincmaxcacmaxcUUmUU1am am174.2.1 普通調幅（AM ） 圖4-6 1時，普通調幅信號波形圖184.2.1 普通調幅（AM ） 將式（4-6）利用三角函數(shù)公式展開得 （4-10） 由上式可見，普通調幅信號 的頻譜包括三種頻率分量： （載波）、 （上邊頻）、 （下

7、邊頻） ( )AMcmcacmcutU costm U cos tCost11()()22cmcacmcacmcU cos tmU costmU cost ( )AMutccc194.2.1 普通調幅（AM ） 圖4-7 一般調制信號的頻譜圖cmax cminc+min c+maxmin maxBW基帶頻譜上邊帶下邊帶204.2.1 普通調幅（AM ） 從頻譜圖可以看出，原調制信號頻帶寬度為 ，普通調幅信號將調制信號頻譜搬移到載波的上下兩邊了，頻帶寬度 2AMBW 214.2.1 普通調幅（AM ） 3.普通調幅信號的功率關系普通調幅信號的功率關系 由式（4-10）可求得載波和上下邊頻在單位電

8、阻上的平均功率 載波功率 （4-11） 邊頻功率 （4-12） 調制信號在一個周期內(nèi)的平均功率212ccmpU2211224aSBcmacSBmPPUmp下上224.2.1 普通調幅（AM ） （4-13） 當 1時，包含有用信息的上下邊頻功率只占總功率的1/3,不含有用信息的載波功率占總功率的2/3。實際應用中調幅系數(shù)是小于1的。因此，AM調制能量利用率是很低的。目前AM制式主要應用于中、短波無線電廣播系統(tǒng)中，因為普通AM制式的解調電路簡單。cSBSBppPP下上2112capmam23 4.2.2雙邊帶調幅信號（DSB） 雙邊帶調幅信號數(shù)學表達式為 （4-14） 即 （4-15） ( )(

9、 )( )DSBcutKu t utcmcmKU costUcos t11( )()()22DSBacmcacmcutKmU costKmU cost 244.2.2雙邊帶調幅信號（DSB） 雙邊帶調制實質為一乘法器，其電路模型如圖 圖4-8 DSB信號產(chǎn)生電路模型uDSB(t)uc(t)u(t)254.2.2雙邊帶調幅信號（DSB）圖4-9DSB調幅信號的波形圖和頻譜圖264.2.2雙邊帶調幅信號（DSB） 從上面頻譜圖可以得知，雙邊帶調制信號的頻譜寬度為 (4-16） 雙邊帶調幅同普通調幅比較有以下特點: 2DSBBW 274.2.2雙邊帶調幅信號（DSB） 1. 從波形圖上看，DSB調幅

10、信號包絡線不按調制信號規(guī)律變化，而AM調幅信號的包絡線按調制信號規(guī)律變化 2.從高頻相位上看，DSB波高頻相位在調制信號過零點前后，相位發(fā)生的突變。 3.從頻譜圖上看，DSB調幅信號不含載波分量，發(fā)射機有效功率利用率高，而AM調幅信號含有載波分量。發(fā)射機有效功率利用率低。 4.從頻域上看，DSB調幅信號和AM調幅信號帶寬相同，均為 ，所以，信道的利用率仍然是不經(jīng)濟的。 2BW 28 4.2.3單邊帶調幅信號（SSB） 由式（4-15）可得SSB調幅信號數(shù)學表達式為 取上邊帶時 (4-17） 取下邊帶時 (4-18） 1( )()2SSBacmcutKm Ucost 1( )()2S S Bac

11、mcutK m Uco st 294.2.3單邊帶調幅信號（SSB） 從式(4-17)和式(4-18）看，單頻調制時，SSB信號是等幅波。 其幅值與調制信號的幅值成正比，它的頻率隨調制信號變化而變化。因此它含有信息特征。. 圖4-10 SSB調幅信號的波形圖和頻譜圖304.2.3單邊帶調幅信號（SSB） . 圖4-10 SSB調幅信號的波形圖和頻譜圖314.2.3單邊帶調幅信號（SSB） 單邊帶調幅的帶寬為 (4-19） 單邊帶調幅電路有兩種實現(xiàn)方法 濾波法 移相法 SSBBW 32 4.2.4 殘留邊帶調幅信號（VSB） 單邊帶調幅方式有其優(yōu)點，但也存在接收機解調電路復雜、調諧困難等缺點。為

12、克服這些困難，提出了殘留邊帶調幅方式。 所謂殘留邊帶調幅（VSB）是指發(fā)送信號中包括一個完整邊帶、載波及另一個邊帶的小部分(即殘留一小部分)。 33maxccmaxc（a）（b）（c）maxcc6cMHzc6cMHzcmaxccmaxcc6cMHz34 4.2.5 幅度調制電路識讀圖4-18MC1596構成的普通調幅電路 354.3角度調制原理與特性 4.3.1 概述 角度調制是用調制信號控制載波信號的頻率或相位來實現(xiàn)調制的 角度調制是用調制信號控制載波信號的頻率或相位來實現(xiàn)調制的 角度調制信號與幅度調制信號相比，要占據(jù)更多的頻帶寬度 36 4.3.2 調頻信號分析 設載波信號表達式為 （4-

13、22) 為載波的振幅 為載波的瞬時相位 為其角頻率，是一常數(shù) 0( )cos()ccmcu tUtcmU0ctc374.3.2 調頻信號分析 為載波的初相位，為簡化分析，常令 0。 設單音頻調制信號為 (4-23) 根據(jù)調頻的定義，載波信號的瞬時頻率隨調制信號 線性變化，可寫出 (4-24) 00tCosU)t(um( )ut( )( )cftut( )ct384.3.2 調頻信號分析 為與調頻電路有關的比例常數(shù)，單位是rads.v 又稱為調頻靈敏度 表示瞬時頻率的線性變化部分，稱為瞬時頻偏，簡稱角頻偏。用 表示其最大值，則 (4-25) f( ) tmmax( )mfut394.3.2 調頻

14、信號分析 表示瞬時角頻率偏離中心頻率的 最大值。習慣上把最大頻偏 稱為頻偏。 根據(jù)瞬時相位與瞬時角頻率的關系可知，對式(4-24)積分可得調頻波的瞬時相位 (4-26) (4-27) 表示調頻波瞬時相位與載波信號相位的偏移量，簡稱相移 mcm000( )( )( )( )tttfcfcftt dtutdttut dt0( )( )tfftut d t404.3.2 調頻信號分析 調頻波的數(shù)學表達式為 (4-28) 以上分析表明，在調頻時，瞬時角頻率的變化與調制信號成線性關系，瞬時相位的變化與調制信號積分成線性關系。 設調制信號為單音頻 (4-29)0cos( )cos( )tFMcmcfcmc

15、fuUttUtu t dt( )mutUCost414.3.2 調頻信號分析 將上式分別代入式(4-24)、（4-26）、(4-28)得 瞬時角頻率 (4-30) 瞬時相位 (4-31) 調頻信號數(shù)學表達式( )coscfmtk Utcoscmt( )sinfmck Utttsincftmt424.3.2 調頻信號分析 (4-32) 為調頻波的最大相移，又稱調頻指數(shù)。 值可大于1 給出了調制信號、瞬時頻偏、瞬時相偏、對應的波形圖 cos(sin)FMcmcfuUtmtfmmfk Umfm434.3.2 調頻信號分析圖4-19調頻信號的波形圖44 4.3.3 調相信號分析 根據(jù)調相波定義，載波信

16、號的瞬時相位隨調制信號 線性變化，即 (4-33) 式中， 為與調相電路有關的比例常數(shù)，單位是radv 。令 ，則表示瞬時相位中與調制信號成線性變化的部分，稱為瞬時相位的相位偏移量，簡稱相移。用 表示最大相移，則( )cospcpmttk Utpk()cosppmtkUtpm454.3.3 調相信號分析 (4-34) 稱 為調相波的調相指數(shù) 根據(jù)瞬時頻率和瞬時相位之間的關系可知，對式(3.312)兩邊求導，可得調相波的瞬時頻率 (4-35) 調相波數(shù)學表達式為 max( )ppmkutpm( )( )( )pcpdtduttkdtdt464.3.3 調相信號分析 (4-36) 將單音頻調制信號

17、分別代入式(4-33)、(4-35)、(4-36)得調相波cos()pMcmcpuUttcos()cmcpUt k u t474.3.3 調相信號分析 相移 (4-37) 角頻偏 (4-38) 數(shù)學表達式 (4-39) ( )cosppmtk UtcosPmt( )sinpptmtcos(cos)pMcmcpuUtmt48 4.3.4 調角信號頻譜及頻帶寬度 以調頻信號的數(shù)學表達式說明調角信號的頻譜結構特點 （4-40） 將上式展開為傅立葉級數(shù)，省略級數(shù)展開時所涉及的數(shù)學推導，可得到調頻波的展開式： （4-41）cos(sin)FMcmcfuUtmtncfncmFMt)n(Cos)m(JU)t

18、(u494.3.4 調角信號頻譜及頻帶寬度 所謂窄帶調頻是指最大頻偏小于基帶頻率 所謂寬帶調頻是指最大頻偏大于基帶頻率 基于調頻波頻譜結構的特點，調角信號的有效頻譜寬度，可由卡森（Carson）公式給出： 調頻波 （4-41） 調相波 （4-42） 2(1)CRfBWmF2(1)CRPBWmF50 4.3.5調頻信號的產(chǎn)生方法 1. 直接調頻法直接調頻法圖4-23變?nèi)荻O管符號和特性曲線0圖4-24 變?nèi)荻O管直接調頻原理圖514.3.5調頻信號的產(chǎn)生方法 2. 間接調頻法間接調頻法圖4-25 間接調頻法原理框圖52 4.3.6 調頻電路識讀 產(chǎn)生調頻信號的電路叫頻率調制器，簡稱調頻器 1.調

19、頻電路的質量指標調頻電路的質量指標 （1）調制特性 （2）調制靈敏度 （3）中心頻率穩(wěn)定度 （4）頻偏 534.3.6 調頻電路識讀 2. 變?nèi)荻O管直接調頻電路變?nèi)荻O管直接調頻電路 （1）變?nèi)荻O管饋電電路 圖4-26 變?nèi)荻O管饋電電路544.3.6 調頻電路識讀圖4-27 變?nèi)荻O管饋電等效電路（a）直流饋電等效電流 (b) 調制信號饋電等效電路554.3.6 調頻電路識讀 （2）變?nèi)荻O管直接調頻電路 輸出調制信號偏 置 電壓圖4-28變?nèi)荻O管直接調頻電路564.3.6 調頻電路識讀輸出調制信號偏置電壓圖4-28變?nèi)荻O管直接調頻電路574.3.6 調頻電路識讀 （3）晶體振蕩器直

20、接調頻電路 584.3.6 調頻電路識讀594.3.6 調頻電路識讀 （4）變?nèi)荻O管間接調頻 圖4-32變?nèi)荻O管間接調頻電路調制信號輸入調相波輸出載波信號輸入9V（a）（b604.4 數(shù)字信號調制原理與特性 4.4.1 概述 4.4.2 數(shù)字基帶信號表示方法 表示數(shù)字基帶信號常用兩種方法： 一種是波形圖法 另一種是數(shù)學表達式法 由于數(shù)字基帶信號可以是二進制數(shù)，也可以是多進制數(shù)，不同進制所對應的信號波形是不相同的。 這里僅以二進制數(shù)為例，說明如何用波形法表示數(shù)字基帶信號。 614.4.2 數(shù)字基帶信號表示方法 單極性波形和雙極性波形 圖4-33(a)所示的是用單極性波來表示二進制數(shù)，其特征是

21、寬度為Tb的碼位有兩種狀態(tài)，即低電平和高電平，高電平用平數(shù)字“1”表示，低電平用數(shù)字“0”表示；而且電壓脈沖都是正的，這種二進制數(shù)的脈沖屬單極性波。 624.4.2 數(shù)字基帶信號表示方法圖4-33 二元信號波形 1 0 1 1 0 1ux(t)0tTb(a)(b)ux1(t)t0634.4.2 數(shù)字基帶信號表示方法 圖4-33(b)用正電平表示“1”，而負電平表示“0”，這種用正負兩種脈沖表示二進制數(shù)的方法，稱為雙極性波。 644.4.2 數(shù)字基帶信號表示方法 以基帶信號為單極性波時進行說明。 定義函數(shù) 式中Tb為脈沖寬度，上式表明只有自變量t在0tTb范圍內(nèi)時，g(t)才等于1，除此之外都等

22、于零，可見g(t)描述的是一個1Tb之間的脈沖 1 0tTbg(t)= 0 其他654.4.2 數(shù)字基帶信號表示方法 其波形如圖 g(t-Tb)2Tb0t(b)圖4-34 函數(shù)表示脈沖波(a)Tbg(t)0t4Tb0tg(t-3Tb)(c)664.4.2 數(shù)字基帶信號表示方法 改變自變量，可以得到不同時刻的脈沖，例如g(t-Tb)表示的是Tb至2Tb之間的脈沖，g(t-3Tb)表示的是3Tb至4Tb之間的脈沖波。 通過對函數(shù)g(t)分析可知，數(shù)字基帶信號可以用數(shù)字序列 表示，則 （4-43） nanbn)nTt (ga)t (S674.4.2 數(shù)字基帶信號表示方法 式中： an隨機變量，表示數(shù)

23、字信息中兩種狀態(tài)， an取0或1。 g(t) 基帶信號碼元波形，常見的有矩形脈沖、升余弦脈沖、鐘形脈沖等； 碼元寬度。bT684.4.2 數(shù)字基帶信號表示方法g(t-Tb)2Tb0t(b)圖4-34 函數(shù)表示脈沖波(a)Tbg(t)0t4Tb0tg(t-3Tb)(c)69 4.4.3 幅移鍵控調制(ASK)乘法器帶通載波發(fā)生器S(t)圖4-35 相乘法產(chǎn)生ASK波方框圖704.4.3 幅移鍵控調制(ASK) 1 0 1 1 0 1S(t)0tTbuc(t)00uASK(t)tt圖4-36 相乘法產(chǎn)生ASK信號波形圖(a)(b)(c)714.4.3 幅移鍵控調制(ASK) 1.相乘法相乘法 相乘

24、法就是將數(shù)字基帶信號S(t)和載波信號輸入乘法器相乘 圖4-36為ASK信號產(chǎn)生的波形圖。 724.4.3 幅移鍵控調制(ASK) 2.開關控制法開關控制法載波信號發(fā)生器開關控制器uc(t)S(t)uASK(t)圖4-37 開關控制法產(chǎn)生ASK信號方框圖73 4.4.4 頻移鍵控調制(FSK) 二進制頻率鍵控是用數(shù)字基帶信號的兩種狀態(tài)“0”和“1”去控制載波的頻率。狀態(tài)為“1”，載波頻率為 ，狀態(tài)為“0”，載波的頻率為 ，產(chǎn)生FSK信號的原理如圖4-38所示。 1f2f744.4.4 頻移鍵控調制(FSK)圖4-38 產(chǎn)生FSK信號原理方框圖振蕩器振蕩器開關控制器器UFSK(t)S(t)K2K1754.4.4 頻移鍵控調制(FSK)f1圖4-39 FSK信號波形圖 1 0 1 1 0 1 S(t)0tTb(a)0t(b)UF S K(t)f2f1f1f276 4.4.5 相移鍵控調制(PSK) 1. 絕對調相（PSK）t00(c)(b)(a)S1(t)uPSK(t)uc(t)00001800000雙極性電平轉換乘法器載波發(fā)生器單極性圖4-41 相乘法產(chǎn)生PSK信號原理方框圖圖4-40 產(chǎn)生PSK信號原理方框圖774.4.5 相移鍵控調制(PSK) 開關控制法產(chǎn)生PSK調制波的原理如圖4-42所示 圖4-42 開關控制法產(chǎn)生PSK信號UFSK