模擬調(diào)制重點(diǎn)

通信原理各章重點(diǎn)第五章模擬調(diào)制系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)：通過(guò)本章學(xué)習(xí)，掌握以下內(nèi)容：?調(diào)制的定義、功能和分類

?線性調(diào)制（AM,DSB,SSB,VSB）原理（表達(dá)式，頻譜，帶寬，產(chǎn)生與解調(diào)）

?線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能，包絡(luò)檢波的門限效應(yīng)

?調(diào)頻（FM），調(diào)相（PM）的基本概念及兩者間的關(guān)系

?單頻調(diào)制時(shí)寬帶和窄帶調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域表示

?調(diào)頻信號(hào)頻帶寬帶的計(jì)算——卡森公式

?調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)方法

?預(yù)加重和去加重的概念

?FM,DSB,SSB,VSB,AM的性能比較

?了解頻分復(fù)用和多級(jí)調(diào)制的概念重點(diǎn)：各種調(diào)幅系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)數(shù)學(xué)模型、已調(diào)信號(hào)時(shí)域表達(dá)式、波形、頻譜函數(shù)、頻譜圖、解調(diào)方法、系統(tǒng)抗噪聲性能，角頻率與相位的關(guān)系、調(diào)頻與調(diào)相的關(guān)系、窄帶調(diào)頻、寬帶調(diào)頻、調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)、抗噪聲性能。難點(diǎn)：頻譜函數(shù)、頻譜圖、解調(diào)方法、功率分析，窄帶調(diào)頻、寬帶調(diào)頻、抗噪聲性能調(diào)制的定義所謂調(diào)制（這里指載波調(diào)制）就是用調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）去控制載波的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，使這一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)按照基帶信號(hào)的變化規(guī)律而變化的過(guò)程。調(diào)制后得到的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)或頻帶信號(hào)。調(diào)制是把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程（即把基帶信號(hào)的頻譜搬移到較高的載頻附近）。解調(diào)（也叫檢波）是調(diào)制的逆過(guò)程，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。調(diào)制的目的：（為什么要進(jìn)行載波調(diào)制？）(1)把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)（即實(shí)現(xiàn)有效傳輸、配置信道、較小天線尺寸，提高天線輻射效率）；(2)把多個(gè)基帶信號(hào)分別搬移到不同的載頻處，以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率；(3)擴(kuò)展信號(hào)帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。調(diào)制的類型據(jù)調(diào)制信號(hào)的形式分為：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制；據(jù)載波的不同分為：以正弦波作為載波的連續(xù)載波調(diào)制和以脈沖串作為載波的脈沖調(diào)制。按調(diào)制參數(shù)不同分為：幅度調(diào)制（標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅AM、雙邊帶DSB、單邊帶SSB和殘留邊帶VSB）和角度調(diào)制（頻率調(diào)制FM、相位調(diào)制PM）。按已調(diào)信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)分為：線性調(diào)制和非線性調(diào)制。幅度調(diào)制都屬于線性調(diào)制，而角度調(diào)制屬于非線性調(diào)制。解調(diào)方式有兩種：相干解調(diào)（也叫同步檢波）與非相干解調(diào)（也叫包絡(luò)檢波）。相干解調(diào)適用于各種線性調(diào)制系統(tǒng)，非相干解調(diào)一般只適用幅度調(diào)制（AM）信號(hào)。(1)相干解調(diào)a、原理b、關(guān)鍵技術(shù)在接收端必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（相干載波），(2)非相干解調(diào)a、原理b、需滿足條件：|m(t)|max門限效應(yīng)當(dāng)AM或FM采用非線性解調(diào)時(shí)，AM或FM信號(hào)的信噪比較小時(shí)，解調(diào)器輸出信號(hào)無(wú)法與噪聲分開(kāi)，有用信號(hào)“淹沒(méi)”在噪聲之中，這時(shí)候輸出信噪比不是按比例地隨輸入信噪比下降，而是急劇惡化，這種現(xiàn)象稱為解調(diào)器的門限效應(yīng)。這種門限效應(yīng)是由解調(diào)器的非線性解調(diào)作用所引起的。AM調(diào)制(1)已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式(2)已調(diào)信號(hào)的頻域表達(dá)式(3)信號(hào)的產(chǎn)生（調(diào)制器模型）：(4)波形和頻譜圖：頻譜特點(diǎn)：a、頻譜由載波分量和上、下兩個(gè)邊帶組成，上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。因此，AM信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)。b、帶寬是基帶信號(hào)帶寬fH（基帶信號(hào)的最高頻率）的兩倍，即BAM=2fHc、為實(shí)現(xiàn)“無(wú)失真”頻譜搬移，載波的頻率必須大于基帶信號(hào)的最高頻率，即ωc>ωH，一般要求，ωc>>ωH（載波頻率遠(yuǎn)離于調(diào)制信號(hào)中的最高頻率）。d、“常規(guī)調(diào)幅”是指|m(t)|max≤A0時(shí)的調(diào)幅波，實(shí)際中都為此種調(diào)幅波；“滿調(diào)幅”是指|m(t)|max=A(5)平均功率：其中，為載波功率，為邊帶功率。(6)調(diào)制效率當(dāng)（單音余弦信號(hào)）時(shí)，，此時(shí)，當(dāng)“滿調(diào)幅”時(shí)，調(diào)制效率最大為，AM的功率利用率很低。 (7)解調(diào)當(dāng)滿足條件|m(t)|max≤A0（β(8)包絡(luò)檢波解調(diào)的抗噪聲性能大信噪比時(shí)：100%的調(diào)制(即A0=|m(t)|max)且m(t)又是正弦型信號(hào)時(shí)，小信噪比時(shí)：發(fā)生門限效應(yīng)。(9)主要應(yīng)用場(chǎng)合：中短波調(diào)幅廣播DSB調(diào)制(1)已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式(2)已調(diào)信號(hào)的頻域表達(dá)式(3)信號(hào)的產(chǎn)生（調(diào)制器模型）：(4)波形和頻譜圖：頻譜特點(diǎn)：a、DSB信號(hào)由上、下兩個(gè)完全對(duì)稱的邊帶組成，它們都攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息。b、帶寬是基帶信號(hào)帶寬fH（基帶信號(hào)的最高頻率）的兩倍，即BDSB=2fHc、為實(shí)現(xiàn)“無(wú)失真”頻譜搬移，載波的頻率必須大于基帶信號(hào)的最高頻率，即ωc>ωH，一般要求，ωc>>ωH（載波頻率遠(yuǎn)離于調(diào)制信號(hào)中的最高頻率）。d、在調(diào)制信號(hào)m(t)的過(guò)零點(diǎn)處，高頻載波相位有180°的突變。(5)平均功率：僅有邊帶功率。(6)調(diào)制效率節(jié)省了載波功率，功率利用率較之AM大大提高。(7)解調(diào)DSB信號(hào)的包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來(lái)恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，需采用相干解調(diào)法(同步檢波)。(8)相干解調(diào)的抗噪聲性能(9)主要應(yīng)用場(chǎng)合：應(yīng)用場(chǎng)合較少，主要用于FM立體聲中的差信號(hào)調(diào)制，彩色TV系統(tǒng)中的色差信號(hào)調(diào)制。SSB調(diào)制(1)已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式其中，減法時(shí)為上邊帶信號(hào)sUSB(t)；加法時(shí)為下邊帶信號(hào)sLSB(t)。(2)已調(diào)信號(hào)的頻域表達(dá)式(3)信號(hào)的產(chǎn)生（調(diào)制器模型）：a、濾波法技術(shù)難點(diǎn)：要求單邊帶濾波器在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制無(wú)用的一個(gè)邊帶。這就使濾波器的設(shè)計(jì)和制作很困難，有時(shí)甚至難以實(shí)現(xiàn)。解決方法：工程上采用的多級(jí)調(diào)制濾波方法。b、相移法技術(shù)難點(diǎn)：寬帶相移網(wǎng)絡(luò)要對(duì)調(diào)制信號(hào)m(t)的所有頻率分量嚴(yán)格相移π/2，這一點(diǎn)即使近似達(dá)到在制作上也是困難的。解決方法：采用混合法（也叫維弗法），即采用兩次正交調(diào)制。(4)頻譜圖：頻譜特點(diǎn)：a、SSB信號(hào)由上邊帶或者下邊帶組成，它們都攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息。b、帶寬等于基帶信號(hào)帶寬fH（基帶信號(hào)的最高頻率），即BSSB=fHc、為實(shí)現(xiàn)“無(wú)失真”頻譜搬移，載波的頻率必須大于基帶信號(hào)的最高頻率，即ωc>ωH，一般要求，ωc>>ωH（載波頻率遠(yuǎn)離于調(diào)制信號(hào)中的最高頻率）。(5)平均功率：僅有邊帶功率。(6)調(diào)制效率和DSB信號(hào)的功率利用率相同，而帶寬卻減為一半。(7)解調(diào)SSB信號(hào)的解調(diào)和DSB一樣不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波，因?yàn)镾SB信號(hào)也是抑制載波的已調(diào)信號(hào)，它的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號(hào)的變化，所以仍需采用相干解調(diào)。(8)相干解調(diào)的抗噪聲性能說(shuō)明：雖然GDSB=2GSSB，但這不能說(shuō)明DSB的抗噪聲性能優(yōu)于SSB系統(tǒng)。因?yàn)樵谏鲜鲇懻撝?，雙邊帶已調(diào)信號(hào)的平均功率是單邊帶信號(hào)的2倍，所以兩者的輸出信噪比是在不同的輸入信號(hào)功率情況下得到的。如果我們?cè)谙嗤妮斎胄盘?hào)功率Si，相同輸入噪聲功率譜密度n0，相同基帶信號(hào)帶寬fH條件下，對(duì)這兩種調(diào)制方式進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)它們的輸出信噪比是相等的。因此兩者的抗噪聲性能是相同的，但雙邊帶信號(hào)所需的傳輸帶寬是單邊帶的2倍。(9)主要應(yīng)用場(chǎng)合：除廣播外，單邊帶調(diào)制逐漸取代調(diào)幅，尤其適合已經(jīng)擁擠不堪的高頻頻譜區(qū)，目前，SSB是短波通信中的一種重要調(diào)制方式。由于SSB不傳送載波和另一個(gè)邊帶，節(jié)省了大量功率，這一結(jié)果帶來(lái)的低功耗特性和設(shè)備重量減輕對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)尤為重要。在載波電話、微波多路傳輸和地空的電話通信和移動(dòng)通信中應(yīng)用廣泛。說(shuō)明：SSB帶寬的節(jié)省是以復(fù)雜度的增加為代價(jià)的。VSB調(diào)制(1)已調(diào)信號(hào)的頻域表達(dá)式(2)信號(hào)的產(chǎn)生（調(diào)制器模型）：技術(shù)難點(diǎn)：殘留邊帶濾波器的設(shè)計(jì)解決方法：殘留邊帶濾波器的特性H(w)在ωc其中ωH是調(diào)制信號(hào)的最高頻率，此時(shí)，相干解調(diào)時(shí)才能無(wú)失真地從殘留邊帶信號(hào)中恢復(fù)所需的調(diào)制信號(hào)。(3)頻譜圖：頻譜特點(diǎn)：a、SSB信號(hào)由上邊帶和一小截下邊帶或者下邊帶和一小截上邊帶組成。b、帶寬近似等于基帶信號(hào)帶寬fH（基帶信號(hào)的最高頻率），即BVSB(4)解調(diào)采用相干解調(diào)。(5)相干解調(diào)的抗噪聲性能殘留邊帶不是太大的時(shí)候，近似認(rèn)為與SSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能相同。(6)主要應(yīng)用場(chǎng)合：VSB信號(hào)既克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了SSB信號(hào)實(shí)現(xiàn)上的難題。而且?guī)捊橛贒SB和SSB之間，調(diào)制效率100%，帶寬僅比SSB有很小的增加，卻換來(lái)電路實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化，因此，在商業(yè)電視廣播中的電視信號(hào)傳輸中得到廣泛應(yīng)用。角度調(diào)制是指用調(diào)制信號(hào)控制高頻載波的頻率或相位，而載波的幅度保持不變。其一般表達(dá)式為相位調(diào)制(PM)：(1)相位調(diào)制(PM)是指瞬時(shí)相位偏移隨調(diào)制信號(hào)作線性變化，即：，其中，Kp為調(diào)相靈敏度，含義是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起PM信號(hào)的相位偏移量，單位是rad/V。(2)PM信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為，其中，其中A為載波幅度，ωc為載波角頻率。(3)對(duì)于單音信號(hào)而言，有為調(diào)相指數(shù)，表示最大的相位偏移。頻率調(diào)制(FM)：(1)頻率調(diào)制是指瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)成比例變化，即：，其中，Kf為調(diào)頻靈敏度，單位是rad/(s?V)?；騂Z/V。(2)可見(jiàn)，F(xiàn)M是相位偏移隨m(t)的積分呈線性變化。(3)對(duì)于單音信號(hào)而言，有為調(diào)頻指數(shù)，表示最大的相位偏移。，表示最大角頻偏。，表示最大頻偏。調(diào)頻必調(diào)相，調(diào)相必調(diào)頻。如果預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)m(t)的具體形式，則無(wú)法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)相信號(hào)還是調(diào)頻信號(hào)。如果將調(diào)制信號(hào)先微分，而后進(jìn)行調(diào)頻，則得到的是調(diào)相波，這種方式叫間接調(diào)相；同樣，如果將調(diào)制信號(hào)先積分，而后進(jìn)行調(diào)相，則得到的是調(diào)頻波，這種方式叫間接調(diào)頻。PM和FM波形FM和PM信號(hào)參數(shù)總結(jié)如果FM信號(hào)的最大瞬時(shí)相位偏移小于π/6，則稱為窄帶調(diào)頻（NBFM）；否則為寬帶調(diào)頻（WBFM）。調(diào)頻信號(hào)的功率調(diào)頻信號(hào)的平均功率等于未調(diào)制載波的平均功率，即調(diào)制后總的功率不變，只是將原來(lái)載波功率中的一部分分配給每個(gè)邊頻分量。調(diào)制的過(guò)程只是進(jìn)行功率的重新分配，而分配的原則與調(diào)頻指數(shù)mf有關(guān)卡森（Carson）公式：WBFM的有效帶寬：若mf<<1時(shí)，BFM≈2fm，這就是窄帶調(diào)頻(NBFM)的帶寬；若mf>>1時(shí)，BFM≈2Δf，這是大指數(shù)寬帶調(diào)頻(WBFM)的帶寬，該帶寬由最大頻偏Δf決定。調(diào)頻信號(hào)的抗噪聲性能在高調(diào)頻指數(shù)時(shí)，調(diào)頻系統(tǒng)的輸出信噪比遠(yuǎn)大于調(diào)幅系統(tǒng)。但這一優(yōu)越性是以增加傳輸帶寬來(lái)?yè)Q取的。即：在大信噪比情況下，調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能將比調(diào)幅系統(tǒng)優(yōu)越，且其優(yōu)越程度將隨傳輸帶寬的增加而提高。但是，F(xiàn)M系統(tǒng)以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無(wú)止境的。隨著傳輸帶寬的增加，輸入噪聲功率增大，在輸入信號(hào)功率不變的條件下，輸入信噪比下降，當(dāng)輸入信噪比降到一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)門限效應(yīng)，輸出信噪比將急劇惡化。各種調(diào)制系統(tǒng)的性能比較表中的So/No是在“同等條件下”得到的，這個(gè)“同等條件”是指：假設(shè)所有系統(tǒng)在接收機(jī)輸入端具有相等的輸入信號(hào)功率Si，且加性噪聲都是均值為0、單邊功率譜密度為n0的高斯白噪聲，基帶信號(hào)m(t)的帶寬均為fm，并在所有系統(tǒng)中都滿足：結(jié)論：抗噪聲性能：WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差，NBFM和AM接近；(2)門限點(diǎn)以上，F(xiàn)M的調(diào)頻指數(shù)mf越大，抗噪聲性能越好，門限點(diǎn)以下，AM和FM曲線迅速下跌，出現(xiàn)門限效應(yīng)，而DSB和SSB無(wú)門限效應(yīng)；(3)頻帶利用率：SSB的帶寬最窄，其頻帶利用率高，VSB較高，DSB/AM次之，F(xiàn)M最差。FM的帶寬隨調(diào)頻指數(shù)mf的增大而增大，頻帶利用率最低，F(xiàn)M是以犧牲有效性來(lái)?yè)Q取可靠性的。(4)功率利用率：FM最高，DSB/SSB/VSB次之，AM最差。(5)設(shè)備復(fù)雜度：AM最簡(jiǎn)單，DSB、FM次之，VSB較復(fù)雜，SSB最復(fù)雜。頻分復(fù)用(FDM）多路復(fù)用是解決如何利用一條信道同時(shí)傳輸多路信號(hào)的技術(shù)。頻分復(fù)用