信號(hào)調(diào)制的基本原理ppt課件

1、第四章 信號(hào)調(diào)制的基本原理,1,第四章 信號(hào)調(diào)制的基本原理,要求 理解調(diào)制的基本概念，掌握三種模擬調(diào)制的基本原理，會(huì)推導(dǎo)其表達(dá)式、波形和頻譜圖分析，正確分析比較不同已調(diào)波的異同點(diǎn)。了解三種數(shù)字調(diào)制信號(hào)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法,2,第四章 信號(hào)調(diào)制的基本原理,知識(shí)點(diǎn) 振幅調(diào)制（AM、DSB、SSB、VSB） 數(shù)字調(diào)制（ASK、FSK、PSK） 已調(diào)信號(hào)的表達(dá)式、波形和頻譜圖,3,第四章 信號(hào)調(diào)制的基本原理,重點(diǎn)和難點(diǎn) 各類調(diào)幅電路的特點(diǎn)、原理和分析方法 數(shù)字調(diào)制信號(hào)的基本原理,4,4.1 概述,4.1.1 信號(hào)調(diào)制與變換 無線電通信是利用電磁波作為信息的載體 調(diào)制信號(hào)特點(diǎn)是頻率較低、頻帶較寬且相互重

2、疊 所謂調(diào)制就是將待傳輸?shù)幕鶐盘?hào)加載到高頻振蕩信號(hào)上的過程 信號(hào)調(diào)制實(shí)質(zhì)是將基帶信號(hào)搬移到高頻載波上去，也就是頻譜搬移的過程,5,4.1.2信號(hào)調(diào)制方式與分類 正弦波一般可表示為 （4-1） 正弦波都有三個(gè)參數(shù)：幅度、頻率和相位 所謂調(diào)制，就是將調(diào)制信號(hào)加載在三個(gè)參數(shù)中的某一個(gè)參數(shù)上，或幅值、或頻率、或相位隨調(diào)制信號(hào)大小成線性變化的過程,6,4.1.2信號(hào)調(diào)制方式與分類,有三種基本調(diào)制方法 一種是把調(diào)制信號(hào)加載在載波信號(hào)的幅值上，稱為幅度調(diào)制 ，簡(jiǎn)稱AM（Amplitude Modulation） 第二種是把調(diào)制信號(hào)裝載在載波的頻率上，稱為頻率調(diào)制，簡(jiǎn)稱FM（Frequency Modula

3、tion） 第三種是把調(diào)制信號(hào)裝載在載波的相位上，稱為相位調(diào)制，簡(jiǎn)稱PM（Phase Modulation）,7,4.1.2信號(hào)調(diào)制方式與分類,數(shù)字量對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制時(shí)，根據(jù)被調(diào)制的參數(shù)不同，也有三種調(diào)制方式 被裝載的參數(shù)為幅度時(shí)，稱為幅移鍵控調(diào)制，簡(jiǎn)稱ASK調(diào)制（Amplitude Shift Keying） 被裝載的參數(shù)為頻率時(shí)稱為頻移鍵控調(diào)制，簡(jiǎn)稱為FSK調(diào)制（Frequency Shift Keying） 被裝載的參數(shù)為相位時(shí)稱為相移鍵控調(diào)制，簡(jiǎn)稱為PSK調(diào)制（Phase Shift Keying）,8,4.1.2信號(hào)調(diào)制方式與分類,9,4.2 幅度調(diào)制原理及特性,4.2.1 普通調(diào)幅（

4、AM ） 1. 普通調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 首先討論調(diào)制信號(hào)為單頻余弦波時(shí)的情況，設(shè)調(diào)制信號(hào)為 （4-2） 設(shè)載波信號(hào)為 （4-3）,10,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,且 , 由幅度調(diào)制定義可知，幅度調(diào)制是用基帶信號(hào)控制載波的振幅，使載波的振幅隨基帶信號(hào)的規(guī)律變化，因此調(diào)制后形成的已調(diào)波 可表示為 （4-4） 已調(diào)信號(hào)的振幅部分也可以表示為 （4-5）,11,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,式中 因此，普通調(diào)幅信號(hào)可以表示為 （4-6） 由上式可以看出，普通調(diào)幅信號(hào)的電路模型可以由一個(gè)乘法器和一個(gè)加法器組成。如圖4-4所示。,12,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,圖4-4 普通調(diào)幅電路模型,

5、13,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,2.普通調(diào)幅信號(hào)的波形與頻譜 按照上述簡(jiǎn)單分析，只要已知基帶信號(hào)和載波，就可以畫出已調(diào)波的波形。 在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，其最大振幅為 （4-7）,14,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,圖4-5普通調(diào)幅信號(hào)的波形與頻譜,15,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,最小振幅為 （4-8） 由上兩式可得 （4-9） ， 且越大，調(diào)幅波的外包絡(luò)線凹陷越深，即調(diào)制越深。,16,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,圖4-6 1時(shí)，普通調(diào)幅信號(hào)波形圖,17,4.2.1 普通調(diào)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(diào)幅信號(hào) 的頻譜包括三種頻率

6、分量： （載波）、 （上邊頻）、 （下邊頻）,18,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,19,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,從頻譜圖可以看出，原調(diào)制信號(hào)頻帶寬度為 ，普通調(diào)幅信號(hào)將調(diào)制信號(hào)頻譜搬移到載波的上下兩邊了，頻帶寬度,20,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,3.普通調(diào)幅信號(hào)的功率關(guān)系 由式（4-10）可求得載波和上下邊頻在單位電阻上的平均功率 載波功率 （4-11） 邊頻功率 （4-12） 調(diào)制信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的平均功率,21,4.2.1 普通調(diào)幅（AM ）,（4-13） 當(dāng) 1時(shí)，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(shí)際應(yīng)用中調(diào)幅系數(shù)是小

7、于1的。因此，AM調(diào)制能量利用率是很低的。目前AM制式主要應(yīng)用于中、短波無線電廣播系統(tǒng)中，因?yàn)槠胀ˋM制式的解調(diào)電路簡(jiǎn)單。,22,4.2.2雙邊帶調(diào)幅信號(hào)（DSB） 雙邊帶調(diào)幅信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （4-14） 即 （4-15）,23,4.2.2雙邊帶調(diào)幅信號(hào)（DSB）,雙邊帶調(diào)制實(shí)質(zhì)為一乘法器，其電路模型如圖,24,4.2.2雙邊帶調(diào)幅信號(hào)（DSB）,圖4-9DSB調(diào)幅信號(hào)的波形圖和頻譜圖,25,4.2.2雙邊帶調(diào)幅信號(hào)（DSB）,從上面頻譜圖可以得知，雙邊帶調(diào)制信號(hào)的頻譜寬度為 (4-16） 雙邊帶調(diào)幅同普通調(diào)幅比較有以下特點(diǎn):,26,4.2.2雙邊帶調(diào)幅信號(hào)（DSB）,1. 從波形圖上看，D

8、SB調(diào)幅信號(hào)包絡(luò)線不按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化，而AM調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化 2.從高頻相位上看，DSB波高頻相位在調(diào)制信號(hào)過零點(diǎn)前后，相位發(fā)生的突變。 3.從頻譜圖上看，DSB調(diào)幅信號(hào)不含載波分量，發(fā)射機(jī)有效功率利用率高，而AM調(diào)幅信號(hào)含有載波分量。發(fā)射機(jī)有效功率利用率低。 4.從頻域上看，DSB調(diào)幅信號(hào)和AM調(diào)幅信號(hào)帶寬相同，均為 ，所以，信道的利用率仍然是不經(jīng)濟(jì)的。,27,4.2.3單邊帶調(diào)幅信號(hào)（SSB） 由式（4-15）可得SSB調(diào)幅信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為 取上邊帶時(shí) (4-17） 取下邊帶時(shí) (4-18）,28,4.2.3單邊帶調(diào)幅信號(hào)（SSB）,從式(4-17)和式(4-18）看，

9、單頻調(diào)制時(shí)，SSB信號(hào)是等幅波。 其幅值與調(diào)制信號(hào)的幅值成正比，它的頻率隨調(diào)制信號(hào)變化而變化。因此它含有信息特征。. 圖4-10 SSB調(diào)幅信號(hào)的波形圖和頻譜圖,29,4.2.3單邊帶調(diào)幅信號(hào)（SSB）,. 圖4-10 SSB調(diào)幅信號(hào)的波形圖和頻譜圖,30,4.2.3單邊帶調(diào)幅信號(hào)（SSB）,單邊帶調(diào)幅的帶寬為 (4-19） 單邊帶調(diào)幅電路有兩種實(shí)現(xiàn)方法 濾波法 移相法,31,4.2.4 殘留邊帶調(diào)幅信號(hào)（VSB） 單邊帶調(diào)幅方式有其優(yōu)點(diǎn)，但也存在接收機(jī)解調(diào)電路復(fù)雜、調(diào)諧困難等缺點(diǎn)。為克服這些困難，提出了殘留邊帶調(diào)幅方式。 所謂殘留邊帶調(diào)幅（VSB）是指發(fā)送信號(hào)中包括一個(gè)完整邊帶、載波及另一個(gè)

10、邊帶的小部分(即殘留一小部分)。,32,33,4.2.5 幅度調(diào)制電路識(shí)讀,圖4-18MC1596構(gòu)成的普通調(diào)幅電路,34,4.3角度調(diào)制原理與特性,4.3.1 概述 角度調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)控制載波信號(hào)的頻率或相位來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的 角度調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)控制載波信號(hào)的頻率或相位來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的 角度調(diào)制信號(hào)與幅度調(diào)制信號(hào)相比，要占據(jù)更多的頻帶寬度,35,4.3.2 調(diào)頻信號(hào)分析 設(shè)載波信號(hào)表達(dá)式為 （4-22) 為載波的振幅 為載波的瞬時(shí)相位 為其角頻率，是一常數(shù),36,4.3.2 調(diào)頻信號(hào)分析,為載波的初相位，為簡(jiǎn)化分析，常令 0。 設(shè)單音頻調(diào)制信號(hào)為 (4-23) 根據(jù)調(diào)頻的定義，載波信號(hào)的瞬時(shí)頻率隨

11、調(diào)制信號(hào) 線性變化，可寫出 (4-24),37,4.3.2 調(diào)頻信號(hào)分析,為與調(diào)頻電路有關(guān)的比例常數(shù)，單位是rads.v 又稱為調(diào)頻靈敏度 表示瞬時(shí)頻率的線性變化部分，稱為瞬時(shí)頻偏，簡(jiǎn)稱角頻偏。用 表示其最大值，則 (4-25),38,4.3.2 調(diào)頻信號(hào)分析,表示瞬時(shí)角頻率偏離中心頻率的 最大值。習(xí)慣上把最大頻偏 稱為頻偏。 根據(jù)瞬時(shí)相位與瞬時(shí)角頻率的關(guān)系可知，對(duì)式(4-24)積分可得調(diào)頻波的瞬時(shí)相位 (4-26) (4-27) 表示調(diào)頻波瞬時(shí)相位與載波信號(hào)相位的偏移量，簡(jiǎn)稱相移,39,4.3.2 調(diào)頻信號(hào)分析,調(diào)頻波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 (4-28) 以上分析表明，在調(diào)頻時(shí)，瞬時(shí)角頻率的變化與調(diào)

12、制信號(hào)成線性關(guān)系，瞬時(shí)相位的變化與調(diào)制信號(hào)積分成線性關(guān)系。 設(shè)調(diào)制信號(hào)為單音頻 (4-29),40,4.3.2 調(diào)頻信號(hào)分析,將上式分別代入式(4-24)、（4-26）、(4-28)得 瞬時(shí)角頻率 (4-30) 瞬時(shí)相位 (4-31) 調(diào)頻信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式,41,4.3.2 調(diào)頻信號(hào)分析,(4-32) 為調(diào)頻波的最大相移，又稱調(diào)頻指數(shù)。 值可大于1 給出了調(diào)制信號(hào)、瞬時(shí)頻偏、瞬時(shí)相偏、對(duì)應(yīng)的波形圖,42,4.3.2 調(diào)頻信號(hào)分析,圖4-19調(diào)頻信號(hào)的波形圖,43,4.3.3 調(diào)相信號(hào)分析 根據(jù)調(diào)相波定義，載波信號(hào)的瞬時(shí)相位隨調(diào)制信號(hào) 線性變化，即 (4-33) 式中， 為與調(diào)相電路有關(guān)的比例常數(shù)

13、，單位是radv 。令 ，則表示瞬時(shí)相位中與調(diào)制信號(hào)成線性變化的部分，稱為瞬時(shí)相位的相位偏移量，簡(jiǎn)稱相移。用 表示最大相移，則,44,4.3.3 調(diào)相信號(hào)分析,(4-34) 稱 為調(diào)相波的調(diào)相指數(shù) 根據(jù)瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位之間的關(guān)系可知，對(duì)式(3.312)兩邊求導(dǎo)，可得調(diào)相波的瞬時(shí)頻率 (4-35) 調(diào)相波數(shù)學(xué)表達(dá)式為,45,4.3.3 調(diào)相信號(hào)分析,(4-36) 將單音頻調(diào)制信號(hào)分別代入式(4-33)、(4-35)、(4-36)得調(diào)相波,46,4.3.3 調(diào)相信號(hào)分析,相移 (4-37) 角頻偏 (4-38) 數(shù)學(xué)表達(dá)式 (4-39),47,4.3.4 調(diào)角信號(hào)頻譜及頻帶寬度 以調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)

14、表達(dá)式說明調(diào)角信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （4-40） 將上式展開為傅立葉級(jí)數(shù)，省略級(jí)數(shù)展開時(shí)所涉及的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可得到調(diào)頻波的展開式： （4-41）,48,4.3.4 調(diào)角信號(hào)頻譜及頻帶寬度,所謂窄帶調(diào)頻是指最大頻偏小于基帶頻率 所謂寬帶調(diào)頻是指最大頻偏大于基帶頻率 基于調(diào)頻波頻譜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，調(diào)角信號(hào)的有效頻譜寬度，可由卡森（Carson）公式給出： 調(diào)頻波 （4-41） 調(diào)相波 （4-42）,49,4.3.5調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法 1. 直接調(diào)頻法,圖4-24 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理圖,50,4.3.5調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法,2. 間接調(diào)頻法,圖4-25 間接調(diào)頻法原理框圖,51,4.3.6 調(diào)頻電路識(shí)讀

15、產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的電路叫頻率調(diào)制器，簡(jiǎn)稱調(diào)頻器 1.調(diào)頻電路的質(zhì)量指標(biāo) （1）調(diào)制特性 （2）調(diào)制靈敏度 （3）中心頻率穩(wěn)定度 （4）頻偏,52,4.3.6 調(diào)頻電路識(shí)讀,2. 變?nèi)荻O管直接調(diào)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,53,4.3.6 調(diào)頻電路識(shí)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(diào)制信號(hào)饋電等效電路,54,4.3.6 調(diào)頻電路識(shí)讀,（2）變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路,55,4.3.6 調(diào)頻電路識(shí)讀,56,4.3.6 調(diào)頻電路識(shí)讀,（3）晶體振蕩器直接調(diào)頻電路,57,4.3.6 調(diào)頻電路識(shí)讀,58,4.3.6 調(diào)頻電路識(shí)讀,（

16、4）變?nèi)荻O管間接調(diào)頻,59,4.4 數(shù)字信號(hào)調(diào)制原理與特性,4.4.1 概述 4.4.2 數(shù)字基帶信號(hào)表示方法 表示數(shù)字基帶信號(hào)常用兩種方法： 一種是波形圖法 另一種是數(shù)學(xué)表達(dá)式法 由于數(shù)字基帶信號(hào)可以是二進(jìn)制數(shù)，也可以是多進(jìn)制數(shù)，不同進(jìn)制所對(duì)應(yīng)的信號(hào)波形是不相同的。 這里僅以二進(jìn)制數(shù)為例，說明如何用波形法表示數(shù)字基帶信號(hào)。,60,4.4.2 數(shù)字基帶信號(hào)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(jìn)制數(shù)，其特征是寬度為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(jìn)制數(shù)的脈沖屬單極性波。

17、,61,4.4.2 數(shù)字基帶信號(hào)表示方法,62,4.4.2 數(shù)字基帶信號(hào)表示方法,圖4-33(b)用正電平表示“1”，而負(fù)電平表示“0”，這種用正負(fù)兩種脈沖表示二進(jìn)制數(shù)的方法，稱為雙極性波。,63,4.4.2 數(shù)字基帶信號(hào)表示方法,以基帶信號(hào)為單極性波時(shí)進(jìn)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(shí)，g(t)才等于1，除此之外都等于零，可見g(t)描述的是一個(gè)1Tb之間的脈沖,64,4.4.2 數(shù)字基帶信號(hào)表示方法,其波形如圖,65,4.4.2 數(shù)字基帶信號(hào)表示方法,改變自變量，可以得到不同時(shí)刻的脈沖，例如g(t-Tb)表示的是Tb至2Tb之間的脈沖，g(t-

18、3Tb)表示的是3Tb至4Tb之間的脈沖波。 通過對(duì)函數(shù)g(t)分析可知，數(shù)字基帶信號(hào)可以用數(shù)字序列 表示，則 （4-43）,66,4.4.2 數(shù)字基帶信號(hào)表示方法,式中： an隨機(jī)變量，表示數(shù)字信息中兩種狀態(tài)， an取0或1。 g(t) 基帶信號(hào)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。,67,4.4.2 數(shù)字基帶信號(hào)表示方法,68,4.4.3 幅移鍵控調(diào)制(ASK),69,4.4.3 幅移鍵控調(diào)制(ASK),70,4.4.3 幅移鍵控調(diào)制(ASK),1.相乘法 相乘法就是將數(shù)字基帶信號(hào)S(t)和載波信號(hào)輸入乘法器相乘 圖4-36為ASK信號(hào)產(chǎn)生的波形圖。,71,4.4

19、.3 幅移鍵控調(diào)制(ASK),2.開關(guān)控制法,72,4.4.4 頻移鍵控調(diào)制(FSK) 二進(jìn)制頻率鍵控是用數(shù)字基帶信號(hào)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(hào)的原理如圖4-38所示。,73,4.4.4 頻移鍵控調(diào)制(FSK),74,4.4.4 頻移鍵控調(diào)制(FSK),75,4.4.5 相移鍵控調(diào)制(PSK) 1. 絕對(duì)調(diào)相（PSK）,圖4-40 產(chǎn)生PSK信號(hào)原理方框圖,76,4.4.5 相移鍵控調(diào)制(PSK),開關(guān)控制法產(chǎn)生PSK調(diào)制波的原理如圖4-42所示,77,4.4.5 相移鍵控調(diào)制(PSK),2. 相對(duì)調(diào)相（DPSK 所謂相對(duì)調(diào)相，是指各碼元的載波相位不是以未調(diào)制的載波相位為基準(zhǔn)，而是以相鄰的前一個(gè)碼元的載波相位為基準(zhǔn)去確定后一個(gè)碼元載波相位的取值。,78,4.4.5 相移鍵控調(diào)制(PSK),79,4.4.5 相移鍵控調(diào)制(PSK),