第03章模擬調(diào)制系統(tǒng)

第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)3.1概述

3.2幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理3.3非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理1第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)基本概念調(diào)制－把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義調(diào)制－分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。狹義調(diào)制－僅指帶通調(diào)制。在無線通信和其他大多數(shù)場(chǎng)合，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。調(diào)制信號(hào)－指來自信源的基帶信號(hào)m(t)

載波調(diào)制－用調(diào)制信號(hào)去控制載波的參數(shù)的過程。載波－未受調(diào)制的周期性振蕩信號(hào)，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。c(t)已調(diào)信號(hào)－載波受調(diào)制后稱為已調(diào)信號(hào)。s(t)解調(diào)（檢波）－調(diào)制的逆過程，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來。

2

需要進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)的通信系統(tǒng)為頻帶傳輸系統(tǒng)，不需要進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)的通信系統(tǒng)為基帶傳輸系統(tǒng)。數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)模型3二、調(diào)制的作用1.進(jìn)行頻率變換，把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)。

每種信道都有特定的工作頻率，多數(shù)為高頻，即使是適合低頻信號(hào)傳輸?shù)哪承┯芯€信道如電話線、電纜，在直流和很低頻率處衰減非常劇烈，因此需要按信道允許工作頻率對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行頻率搬移，實(shí)現(xiàn)匹配。4

在信道內(nèi)同時(shí)傳送多路信號(hào)稱為復(fù)用，各路信號(hào)頻率范圍相同，會(huì)重疊，只有通過調(diào)制才有可能區(qū)分開不同路信號(hào)。復(fù)用方式包括：頻分復(fù)用（FDM）時(shí)分復(fù)用（TDM）碼分復(fù)用（CDM）波分復(fù)用（WDM）2.實(shí)現(xiàn)信道多路復(fù)用，提高系統(tǒng)的傳輸有效性。各種復(fù)用都要通過調(diào)制實(shí)現(xiàn)。53.提高抗干擾能力-通過采用不同的調(diào)制方式兼顧通信的有效性與可靠性。FM抗噪性能優(yōu)于AM，但犧牲了帶寬;2PSK抗噪性能優(yōu)于2ASK。6三、調(diào)制的分類

1．按照調(diào)制信號(hào)m(t)分:模擬調(diào)制：m(t)為模擬信號(hào)，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM數(shù)字調(diào)制：m(t)為數(shù)字信號(hào)，如ASK、FSK、PSK等。72．按照載波信號(hào)c(t)分

連續(xù)波調(diào)制：C(t)=cosωct為連續(xù)正（余)弦波,AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM、ASK、FSK、PSK等。

脈沖波調(diào)制：C(t)為周期性脈沖信號(hào)，PAM、PCM等83.按照m(t)對(duì)c(t)不同參數(shù)的控制分：幅度調(diào)制：載波的幅度隨調(diào)制信號(hào)線性變化的過程，AM、ASK頻率調(diào)制：FM、FSK相位調(diào)制：PM、PSK、DPSK9線性調(diào)制（幅度調(diào)制，AM、DSB、SSB、VSB）非線性調(diào)制（角度調(diào)制FM、PM）

對(duì)于各種調(diào)制方式，分析的思路一致，基本從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

表達(dá)式、波形、頻譜、帶寬、功率分配

調(diào)制和解調(diào)方法方框圖

103.2線性調(diào)制

s

(t)調(diào)制信號(hào)m(t)Acos

0tH(f)已調(diào)信號(hào)s(t)設(shè)載波為：c(t)=Acos

0t=Acos2f0t

調(diào)制信號(hào)為能量信號(hào)m(t)，其頻譜為M(f)

載波：c(t)

相乘結(jié)果：s

(t)

濾波輸出：s(t)

用“

”表示傅里葉變換：

特點(diǎn)：調(diào)制前后只有頻譜位置變化，沒有形狀變化。11由以上表示式可見，在波形上，已調(diào)信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)的規(guī)律而正比地變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移(精確到常數(shù)因子)。由于這種搬移是線性的，因此，幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。在模型中，適當(dāng)選擇濾波器的特性H(f)，便可以得到各種調(diào)制種類。

12一、調(diào)幅（AmplitudeModulation,AM）1.表達(dá)式與波形其中m(t)的平均值為0

，直流量A0A0+m(t)≥0（包絡(luò)檢波不失真條件，也稱不過調(diào)條件）或?qū)憺镾AM(t)=[A0+m(t)]cosωct，13AM信號(hào)的另一種表達(dá)SAM(t)=[A0+m(t)]cosωct=A0[1+m

(t)]cosωct

|m

(t)|1，m

(t)|max=m

－調(diào)幅度，SAM(t)的包絡(luò)中包含一個(gè)直流分量A，在A的基礎(chǔ)上疊加有一個(gè)交變的分量A0

m

(t)，其包絡(luò)不小于零。14調(diào)幅信號(hào)波形思考：（1）m(t)波形變化；（2）發(fā)生過調(diào)；152．調(diào)幅信號(hào)的頻譜與帶寬

C(ω)

-

c

c0M(

）

-

m

m0SAM(

)

-ωc

c02

mSAM(ω)=πA0［δ(ω+ωc)+δ(ω-ωc)］+1/2[M(ω+ωc)+M(ω-ωc)］AM帶寬：BAM=2fmfm為基帶信號(hào)帶寬163．調(diào)幅信號(hào)功率分配其中P0稱為載波功率，Pf稱為邊頻功率（兩個(gè)邊頻）17調(diào)制效率 由上述可見，AM信號(hào)的總功率包括載波功率和邊帶功率兩部分。只有邊帶功率才與調(diào)制信號(hào)有關(guān)，載波分量并不攜帶信息。有用功率（用于傳輸有用信息的邊帶功率）占信號(hào)總功率的比例稱為調(diào)制效率： 當(dāng)m(t)=Amcos

mt時(shí)， 代入上式，得到 當(dāng)|m(t)|max=A0時(shí)（100％調(diào)制），調(diào)制效率最高，這時(shí)

max＝1/3184．調(diào)制框圖

m(t)A0cosωctSAM(t)包絡(luò)檢波BPFSAM(t)mo(t)5.解調(diào)框圖（1）包絡(luò)檢波法 只適用于A0+m(t)≥019包絡(luò)檢波電路及工作過程：思考：包絡(luò)檢波條件不能滿足（即發(fā)生過調(diào)）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生什么問題？20發(fā)生過調(diào)時(shí)，包絡(luò)檢波的信號(hào)產(chǎn)生失真t0mo(t)

0

t

SAM(t)

A0

m(t）21（2）相干解調(diào)(同步檢測(cè)）

m0(t)cos

ctLPF

sAM(t)BPF要求：解調(diào)用的載波要與調(diào)制用的載波同頻同相，否則會(huì)產(chǎn)生失真。思考：解調(diào)載波存在偏差（頻差或相差）時(shí)發(fā)生什么問題？22兩種解調(diào)方法對(duì)比相對(duì)于相干解調(diào)，包絡(luò)檢波法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多；包絡(luò)檢波也稱非相干解調(diào)；相干解調(diào)需要產(chǎn)生同頻同相的載波，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜；相干解調(diào)也稱同步解調(diào)、同步檢測(cè)。236.AM優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可包絡(luò)檢波；缺點(diǎn)：效率低，解決方法-引出DSB。24二、抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC，簡(jiǎn)稱雙邊帶DSB）

1．表達(dá)式與波形:sDSB(t)=m(t)cosωct思考：改變調(diào)制信號(hào)m(t)再看DSB信號(hào)的波形25當(dāng)m(t)變?yōu)閿?shù)字序列時(shí)對(duì)應(yīng)的DSB信號(hào)

262.頻譜與帶寬:

M(ω)ω-ωmωm0c(ω)ω-ωcωc0

-

c

c02

mSDSB(ω)=1/2［M(ω+ωc)+M(ω-ωc)］BDSB=2fm273.功率分配

284.調(diào)制框圖m(t)cosωctSDSB(t)cosωctLPF

SDSB(t)S0(t)BPF5.解調(diào)框圖—相干解調(diào)6.優(yōu)點(diǎn)：效率高；缺點(diǎn)：帶寬占用多思考：DSB包絡(luò)檢波結(jié)果信號(hào)的波形結(jié)果如何？29三

單邊帶(SSB)調(diào)制1、原理：雙邊帶信號(hào)兩個(gè)邊帶中的任意一個(gè)都包含了調(diào)制信號(hào)頻譜M(

)的所有頻譜成分，因此僅傳輸其中一個(gè)邊帶即可。這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，這種方式稱為單邊帶調(diào)制。產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法有兩種：濾波法和相移法。30濾波法及SSB信號(hào)的頻域表示濾波法的原理方框圖－用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶: 圖中，H(

)為單邊帶濾波器的傳輸函數(shù)，若它具有如下理想高通特性： 則可濾除下邊帶。 若具有如下理想低通特性： 則可濾除上邊帶。31SSB信號(hào)的頻譜上邊帶頻譜圖:32濾波法的技術(shù)難點(diǎn)濾波特性很難做到具有陡峭的截止特性33相移法和SSB信號(hào)的時(shí)域表示SSB信號(hào)的時(shí)域表示式

式中，“－”表示上邊帶信號(hào)，“+”表示下邊帶信號(hào)。34式中希爾伯特變換等效為一個(gè)理想的移相器，在正頻域相移-90度。上式中的[-jsgn

]可以看作是希爾伯特濾波器傳遞函數(shù)，即35SSB信號(hào)的頻譜

帶寬BSSB=fmM(w)-wmwmwO-wcwcOSSSB()上邊帶頻譜wO-wcwcwSSSB()下邊帶頻譜SDSB(w)-wwcwO

上邊帶

下邊帶

下邊帶

上邊帶c36移相法SSB調(diào)制器方框圖優(yōu)點(diǎn)：不需要濾波器具有陡峭的截止特性。缺點(diǎn)：寬帶相移網(wǎng)絡(luò)難用硬件實(shí)現(xiàn)。

相移法SSB信號(hào)調(diào)制器372.SSB信號(hào)帶寬、功率和調(diào)制效率3.SSB信號(hào)的解調(diào)SSB信號(hào)的解調(diào)也不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)，BDSB=2fmcosωctLPF

SSSB(t)S0(t)BPF38SSB信號(hào)的性能 SSB信號(hào)的實(shí)現(xiàn)比AM、DSB要復(fù)雜，但SSB調(diào)制方式在傳輸信息時(shí)，不僅可節(jié)省發(fā)射功率，而且它所占用的頻帶寬度比AM、DSB減少了一半。它目前已成為短波通信中一種重要的調(diào)制方式。39

它是介于雙邊帶與單邊帶之間的一種線性調(diào)制，即克服了DSB占雙倍帶寬的缺點(diǎn)，又解決了SSB實(shí)現(xiàn)的難題。VSB不是將一個(gè)邊帶完全抑制，而是逐漸切割、部分抑制，使其仍保留一小部分。

四、VSB（殘留邊帶調(diào)制）40比較DSB、SSB和VSB信號(hào)的頻譜M(w)w-2pfm2pfmO(a)SDSB(w)-wcwcO(b)wSSSB(w)O-wcwwc(c)-wcwcSVSB(w)Ow(d)411.VSB產(chǎn)生方法—濾波法

HVBS(ω)cosωctm(t)SVSB(t)42VSB頻譜形成帶寬B＝fm

2fmM(w)w-2pfm2pfmO(a)SDSB(w)-wcwcO(b)w-wcwcSVSB(w)Ow-wcwcSVSB(w)Ow43

現(xiàn)在我們來確定殘留邊帶濾波器的特性。假設(shè)HVSB(ω)是所需的殘留邊帶濾波器的傳輸特性。殘留邊帶信號(hào)的頻譜為

SVSB(ω)=

為了確定上式中殘留邊帶濾波器傳輸特性HVSB(ω)應(yīng)滿足的條件，我們來分析一下接收端是如何從該信號(hào)中恢復(fù)原基帶信號(hào)的。

圖

VSB調(diào)制和解調(diào)器模型(a)調(diào)制器(b)解調(diào)器cosωctLPF

SvSB(t)S0(t)BPF44sVSB(t)cosωct1/2[SVSB(ω+ωc)+SVSB(ω-ωc)]

代入SVSB(ω)式，選擇合適的低通濾波器的截止頻率，消掉±2ωc處的頻譜，則低通濾波器的輸出頻譜

Mo(ω)=1/4M(ω)[HVSB(ω+ωc)+HVSB(ω-ωc)］為了保證相干解調(diào)的輸出無失真地重現(xiàn)調(diào)制信號(hào)M(ω)，必須要求HVSB(ω+ωc)+HVSB(ω-ωc)=常數(shù)，|ω|≤ωm

式中，ωm是調(diào)制信號(hào)的最高頻率。上式就是確定殘留邊帶濾波器傳輸特性HVSB(ω)所必須遵循的條件。滿足上式的HVSB(ω)的可能形式有兩種：45殘留邊帶濾波器特性(a)殘留部分上邊帶的濾波器特性;b）殘留部分下邊帶的濾波器特性

低通濾波器形式和高通濾波器形式。46HVSB(ω)要滿足互補(bǔ)對(duì)稱特性－過渡部分稱滾降這個(gè)濾波器將使上邊帶小部分殘留，而使下邊帶絕大部分通過。將HVSB(ω)進(jìn)行±ωc的頻移，分別得到HVSB(ω-ωc)和HVSB(ω+ωc)，將兩者相加，其結(jié)果在|ω|＜ωm范圍內(nèi)應(yīng)為常數(shù)，為了滿足這一要求，必須使HVSB(ω-ωc)和HVSB(ω+ωc)在ω=0處具有互補(bǔ)對(duì)稱的滾降特性。47顯然，滿足這種要求的滾降特性曲線并不是惟一的,而是有無窮多個(gè)。由此我們得到如下重要概念：只要?dú)埩暨厧V波器的特性HVSB(ω)在±ωc處具有互補(bǔ)對(duì)稱（奇對(duì)稱）特性，那么，采用相干解調(diào)法解調(diào)殘留邊帶信號(hào)就能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)所需的基帶信號(hào)。483.3

非線性調(diào)制

(

角度調(diào)制

)

原理

幅度調(diào)制屬于線性調(diào)制，它是通過改變載波的幅度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)頻譜的平移及線性變換的.

使高頻載波的頻率或相位按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化而振幅保持恒定的調(diào)制方式，稱為頻率調(diào)制

(FM)和相位調(diào)制(PM)，分別簡(jiǎn)稱為調(diào)頻和調(diào)相。

因?yàn)轭l率或相位的變化都表現(xiàn)為載波角度的變化，故調(diào)頻和調(diào)相又統(tǒng)稱為角度調(diào)制。

角度調(diào)制與線性調(diào)制不同，已調(diào)信號(hào)頻譜不再是原調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會(huì)產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。494950

3.3.1基本原理“瞬時(shí)頻率”的概念：設(shè)一個(gè)載波可以表示為 式中，

0為載波的初始相位；

(t)=

0t+

0為載波的瞬時(shí)相位;

0=d

(t)/dt為載波的角頻率?，F(xiàn)定義瞬時(shí)頻率： 上式可以改寫為：5051角度調(diào)制的定義： 由下式可見，

(t)是載波的相位。若使它隨調(diào)制信號(hào)m(t)以某種方式變化，則稱其為角度調(diào)制。相位調(diào)制(PM)的定義：若使相位

(t)隨m(t)線性變化，即令 則稱為相位調(diào)制。這時(shí)，已調(diào)信號(hào)的表示式為 此已調(diào)載波的瞬時(shí)頻率為：上式表示，在相位調(diào)制中瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)的導(dǎo)函數(shù)線性地變化。5152頻率調(diào)制(FM)的定義：若使瞬時(shí)頻率直接隨調(diào)制信號(hào)線性地變化，則稱為頻率調(diào)制。這時(shí)，瞬時(shí)角頻率為 及瞬時(shí)相位為 這時(shí)，已調(diào)信號(hào)的表示式為： 上式表明，載波相位隨調(diào)制信號(hào)的積分線性地變化。相位調(diào)制和頻率調(diào)制的比較：在相位調(diào)制中載波相位

(t)隨調(diào)制信號(hào)m(t)線性地變化，而在頻率調(diào)制中載波相位

(t)隨調(diào)制信號(hào)m(t)的積分線性地變化。若將m(t)先積分，再對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制，即得到頻率調(diào)制信號(hào)。類似地，若將m(t)先微分，再對(duì)載波進(jìn)行頻率調(diào)制，就得到相位調(diào)制信號(hào)。僅從已調(diào)信號(hào)波形上看無法區(qū)分二者。52例1.一個(gè)調(diào)角波

判斷是FM還是PM？

調(diào)頻調(diào)相思考答案：不能確定FM,PM,只有在m(t)給定時(shí)，才可確定53假設(shè)調(diào)制信號(hào)為單頻余弦調(diào)頻

調(diào)相

5455角度調(diào)制的波形若m(t)作直線變化，則已調(diào)信號(hào)就是頻率調(diào)制信號(hào)。若m(t)是隨t2變化，則已調(diào)信號(hào)就是相位調(diào)制信號(hào)角度調(diào)制波形

i實(shí)際中FM比PM應(yīng)用更廣，并且分析方法類似，后面以FM分析為主。55 3.3.2已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬 設(shè)：調(diào)制信號(hào)m(t)是一個(gè)余弦波， 用其對(duì)載波作頻率調(diào)制，則載波的瞬時(shí)角頻率為 上式中，kf=

－為最大頻移已調(diào)信號(hào)表示式：為了分析方便使式中，

m＝

f/fm為最大頻率偏移和基帶信號(hào)頻率之比， 稱為調(diào)制指數(shù)mf，即有：5657

是一個(gè)含有正弦函數(shù)的余弦函數(shù)，它的展開式為：

式中，Jn(mf)為第一類n階貝塞爾函數(shù)， 它具有如下性質(zhì)：

故上式可以改寫為：

－已調(diào)信號(hào)最終表示式x57調(diào)頻信號(hào)的頻域表達(dá)式

對(duì)上式進(jìn)行傅里葉變換，即得FM信號(hào)的頻域表達(dá)式

討論：由上式可見調(diào)頻信號(hào)的頻譜由載波分量

0和無數(shù)邊頻(

0

nm)組成。當(dāng)n=0時(shí)是載波分量

0，其幅度為AJ0(mf)當(dāng)n

0時(shí)是對(duì)稱分布在載頻兩側(cè)的邊頻分量(

0

nm)，其幅度為AJn(mf)，相鄰邊頻之間的間隔為

m；且當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，上下邊頻極性相反；當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)極性相同。由此可見，F(xiàn)M信號(hào)的頻譜不再是調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是一種非線性過程。58Jn(mf)曲線59

mf=5單音寬帶調(diào)頻波的頻譜如圖:

-6-5-4-3-2-10123456?-J2(mf)J1(mf)-J3(mf)J0(mf)J1(mf)J3(mf)?-f-fcfmJ2(mf)60某單音寬帶調(diào)頻波的頻譜：圖中只畫出了單邊振幅譜。61調(diào)頻信號(hào)的帶寬理論上調(diào)頻信號(hào)的頻帶寬度為無限寬。實(shí)際上邊頻幅度隨著n的增大而逐漸減小，因此調(diào)頻信號(hào)可近似認(rèn)為具有有限頻譜。通常采用的原則是，信號(hào)的頻帶寬度應(yīng)包括幅度大于未調(diào)載波的10%以上的邊頻分量。當(dāng)mf

1以后，取邊頻數(shù)n=mf+1即可。因?yàn)閚>mf+1以上的邊頻幅度均小于0.1。被保留的上、下邊頻數(shù)共有2n=2(mf+1)個(gè)，相鄰邊頻之間的頻率間隔為fm，所以調(diào)頻波的有效帶寬為 它稱為卡森（Carson）公式。62當(dāng)mf<<1時(shí)，上式可以近似為 這就是窄帶調(diào)頻的帶寬。當(dāng)mf>>1時(shí)，上式可以近似為 這就是寬帶調(diào)頻的帶寬。當(dāng)任意限帶信號(hào)調(diào)制時(shí)，上式中fm是調(diào)制信號(hào)的最高頻率，mf是最大頻偏

f與fm之比。例如，調(diào)頻廣播中規(guī)定的最大頻偏

f為75kHz，最高調(diào)制頻率fm為15kHz，故調(diào)頻指數(shù)mf＝5，由上式可計(jì)算出此FM信號(hào)的頻帶寬度為180kHz。6364調(diào)制方式傳輸帶寬設(shè)備復(fù)雜程度主要應(yīng)用AM2fm簡(jiǎn)單中短波無線電廣播DSB2fm中等應(yīng)用較少SSBfm復(fù)雜短波無線電廣播、話音頻分復(fù)用、載波通信、數(shù)據(jù)傳輸VSB略大于fm

近似SSB復(fù)