信号调制的基本原理.ppt

第四章信号调制的基本原理 第四章信号调制的基本原理 要求理解调制的基本概念 掌握三种模拟调制的基本原理 会推导其表达式 波形和频谱图分析 正确分析比较不同已调波的异同点 了解三种数字调制信号的基本原理和实现方法 第四章信号调制的基本原理 知识点振幅调制 AM DSB SSB VSB 数字调制 ASK FSK PSK 已调信号的表达式 波形和频谱图 第四章信号调制的基本原理 重点和难点各类调幅电路的特点 原理和分析方法数字调制信号的基本原理 4 1概述 4 1 1信号调制与变换无线电通信是利用电磁波作为信息的载体调制信号特点是频率较低 频带较宽且相互重叠所谓调制就是将待传输的基带信号加载到高频振荡信号上的过程信号调制实质是将基带信号搬移到高频载波上去 也就是频谱搬移的过程 4 1 2信号调制方式与分类正弦波一般可表示为 4 1 正弦波都有三个参数 幅度 频率和相位所谓调制 就是将调制信号加载在三个参数中的某一个参数上 或幅值 或频率 或相位随调制信号大小成线性变化的过程 4 1 2信号调制方式与分类 有三种基本调制方法一种是把调制信号加载在载波信号的幅值上 称为幅度调制 简称AM AmplitudeModulation 第二种是把调制信号装载在载波的频率上 称为频率调制 简称FM FrequencyModulation 第三种是把调制信号装载在载波的相位上 称为相位调制 简称PM PhaseModulation 4 1 2信号调制方式与分类 数字量对载波进行调制时 根据被调制的参数不同 也有三种调制方式被装载的参数为幅度时 称为幅移键控调制 简称ASK调制 AmplitudeShiftKeying 被装载的参数为频率时称为频移键控调制 简称为FSK调制 FrequencyShiftKeying 被装载的参数为相位时称为相移键控调制 简称为PSK调制 PhaseShiftKeying 4 1 2信号调制方式与分类 4 2幅度调制原理及特性 4 2 1普通调幅 AM 1 普通调幅信号的数学表达式首先讨论调制信号为单频余弦波时的情况 设调制信号为 4 2 设载波信号为 4 3 4 2 1普通调幅 AM 且 由幅度调制定义可知 幅度调制是用基带信号控制载波的振幅 使载波的振幅随基带信号的规律变化 因此调制后形成的已调波可表示为 4 4 已调信号的振幅部分也可以表示为 4 5 4 2 1普通调幅 AM 式中因此 普通调幅信号可以表示为 4 6 由上式可以看出 普通调幅信号的电路模型可以由一个乘法器和一个加法器组成 如图4 4所示 4 2 1普通调幅 AM 图4 4普通调幅电路模型 4 2 1普通调幅 AM 2 普通调幅信号的波形与频谱按照上述简单分析 只要已知基带信号和载波 就可以画出已调波的波形 在一个信号周期内 其最大振幅为 4 7 4 2 1普通调幅 AM 图4 5普通调幅信号的波形与频谱 4 2 1普通调幅 AM 最小振幅为 4 8 由上两式可得 4 9 且越大 调幅波的外包络线凹陷越深 即调制越深 4 2 1普通调幅 AM 图4 6 1时 普通调幅信号波形图 4 2 1普通调幅 AM 将式 4 6 利用三角函数公式展开得 4 10 由上式可见 普通调幅信号的频谱包括三种频率分量 载波 上边频 下边频 4 2 1普通调幅 AM 4 2 1普通调幅 AM 从频谱图可以看出 原调制信号频带宽度为 普通调幅信号将调制信号频谱搬移到载波的上下两边了 频带宽度 4 2 1普通调幅 AM 3 普通调幅信号的功率关系由式 4 10 可求得载波和上下边频在单位电阻上的平均功率载波功率 4 11 边频功率 4 12 调制信号在一个周期内的平均功率 4 2 1普通调幅 AM 4 13 当 1时 包含有用信息的上下边频功率只占总功率的1 3 不含有用信息的载波功率占总功率的2 3 实际应用中调幅系数是小于1的 因此 AM调制能量利用率是很低的 目前AM制式主要应用于中 短波无线电广播系统中 因为普通AM制式的解调电路简单 4 2 2双边带调幅信号 DSB 双边带调幅信号数学表达式为 4 14 即 4 15 4 2 2双边带调幅信号 DSB 双边带调制实质为一乘法器 其电路模型如图 4 2 2双边带调幅信号 DSB 图4 9DSB调幅信号的波形图和频谱图 4 2 2双边带调幅信号 DSB 从上面频谱图可以得知 双边带调制信号的频谱宽度为 4 16 双边带调幅同普通调幅比较有以下特点 4 2 2双边带调幅信号 DSB 1 从波形图上看 DSB调幅信号包络线不按调制信号规律变化 而AM调幅信号的包络线按调制信号规律变化2 从高频相位上看 DSB波高频相位在调制信号过零点前后 相位发生的突变 3 从频谱图上看 DSB调幅信号不含载波分量 发射机有效功率利用率高 而AM调幅信号含有载波分量 发射机有效功率利用率低 4 从频域上看 DSB调幅信号和AM调幅信号带宽相同 均为 所以 信道的利用率仍然是不经济的 4 2 3单边带调幅信号 SSB 由式 4 15 可得SSB调幅信号数学表达式为取上边带时 4 17 取下边带时 4 18 4 2 3单边带调幅信号 SSB 从式 4 17 和式 4 18 看 单频调制时 SSB信号是等幅波 其幅值与调制信号的幅值成正比 它的频率随调制信号变化而变化 因此它含有信息特征 图4 10SSB调幅信号的波形图和频谱图 4 2 3单边带调幅信号 SSB 图4 10SSB调幅信号的波形图和频谱图 4 2 3单边带调幅信号 SSB 单边带调幅的带宽为 4 19 单边带调幅电路有两种实现方法滤波法移相法 4 2 4残留边带调幅信号 VSB 单边带调幅方式有其优点 但也存在接收机解调电路复杂 调谐困难等缺点 为克服这些困难 提出了残留边带调幅方式 所谓残留边带调幅 VSB 是指发送信号中包括一个完整边带 载波及另一个边带的小部分 即残留一小部分 4 2 5幅度调制电路识读 图4 18MC1596构成的普通调幅电路 4 3角度调制原理与特性 4 3 1概述角度调制是用调制信号控制载波信号的频率或相位来实现调制的角度调制是用调制信号控制载波信号的频率或相位来实现调制的角度调制信号与幅度调制信号相比 要占据更多的频带宽度 4 3 2调频信号分析设载波信号表达式为 4 22 为载波的振幅为载波的瞬时相位为其角频率 是一常数 4 3 2调频信号分析 为载波的初相位 为简化分析 常令 0 设单音频调制信号为 4 23 根据调频的定义 载波信号的瞬时频率随调制信号线性变化 可写出 4 24 4 3 2调频信号分析 为与调频电路有关的比例常数 单位是rad s v又称为调频灵敏度表示瞬时频率的线性变化部分 称为瞬时频偏 简称角频偏 用表示其最大值 则 4 25 4 3 2调频信号分析 表示瞬时角频率偏离中心频率的最大值 习惯上把最大频偏称为频偏 根据瞬时相位与瞬时角频率的关系可知 对式 4 24 积分可得调频波的瞬时相位 4 26 4 27 表示调频波瞬时相位与载波信号相位的偏移量 简称相移 4 3 2调频信号分析 调频波的数学表达式为 4 28 以上分析表明 在调频时 瞬时角频率的变化与调制信号成线性关系 瞬时相位的变化与调制信号积分成线性关系 设调制信号为单音频 4 29 4 3 2调频信号分析 将上式分别代入式 4 24 4 26 4 28 得瞬时角频率 4 30 瞬时相位 4 31 调频信号数学表达式 4 3 2调频信号分析 4 32 为调频波的最大相移 又称调频指数 值可大于1给出了调制信号 瞬时频偏 瞬时相偏 对应的波形图 4 3 2调频信号分析 图4 19调频信号的波形图 4 3 3调相信号分析根据调相波定义 载波信号的瞬时相位随调制信号线性变化 即 4 33 式中 为与调相电路有关的比例常数 单位是rad v 令 则表示瞬时相位中与调制信号成线性变化的部分 称为瞬时相位的相位偏移量 简称相移 用表示最大相移 则 4 3 3调相信号分析 4 34 称为调相波的调相指数根据瞬时频率和瞬时相位之间的关系可知 对式 3 3 12 两边求导 可得调相波的瞬时频率 4 35 调相波数学表达式为 4 3 3调相信号分析 4 36 将单音频调制信号分别代入式 4 33 4 35 4 36 得调相波 4 3 3调相信号分析 相移 4 37 角频偏 4 38 数学表达式 4 39 4 3 4调角信号频谱及频带宽度以调频信号的数学表达式说明调角信号的频谱结构特点 4 40 将上式展开为傅立叶级数 省略级数展开时所涉及的数学推导 可得到调频波的展开式 4 41 4 3 4调角信号频谱及频带宽度 所谓窄带调频是指最大频偏小于基带频率所谓宽带调频是指最大频偏大于基带频率基于调频波频谱结构的特点 调角信号的有效频谱宽度 可由卡森 Carson 公式给出 调频波 4 41 调相波 4 42 4 3 5调频信号的产生方法1 直接调频法 图4 24变容二极管直接调频原理图 4 3 5调频信号的产生方法 2 间接调频法 图4 25间接调频法原理框图 4 3 6调频电路识读产生调频信号的电路叫频率调制器 简称调频器1 调频电路的质量指标 1 调制特性 2 调制灵敏度 3 中心频率稳定度 4 频偏 4 3 6调频电路识读 2 变容二极管直接调频电路 1 变容二极管馈电电路 图4 26变容二极管馈电电路 4 3 6调频电路识读 图4 27变容二极管馈电等效电路 a 直流馈电等效电流 b 调制信号馈电等效电路 4 3 6调频电路识读 2 变容二极管直接调频电路 4 3 6调频电路识读 4 3 6调频电路识读 3 晶体振荡器直接调频电路 4 3 6调频电路识读 4 3 6调频电路识读 4 变容二极管间接调频 4 4数字信号调制原理与特性 4 4 1概述4 4 2数字基带信号表示方法表示数字基带信号常用两种方法 一种是波形图法另一种是数学表达式法由于数字基带信号可以是二进制数 也可以是多进制数 不同进制所对应的信号波形是不相同的 这里仅以二进制数为例 说明如何用波形法表示数字基带信号 4 4 2数字基带信号表示方法 单极性波形和双极性波形图4 33 a 所示的是用单极性波来表示二进制数 其特征是宽度为Tb的码位有两种状态 即低电平和高电平 高电平用平数字 1 表示 低电平用数字 0 表示 而且电压脉冲都是正的 这种二进制数的脉冲属单极性波 4 4 2数字基带信号表示方法 4 4 2数字基带信号表示方法 图4 33 b 用正电平表示 1 而负电平表示 0 这种用正负两种脉冲表示二进制数的方法 称为双极性波 4 4 2数字基带信号表示方法 以基带信号为单极性波时进行说明 定义函数式中Tb为脉冲宽度 上式表明只有自变量t在0 t Tb范围内时 g t 才等于1 除此之外都等于零 可见g t 描述的是一个1 Tb之间的脉冲 4 4 2数字基带信号表示方法 其波形如图 4 4 2数字基带信号表示方法 改变自变量 可以得到不同时刻的脉冲 例如g t Tb 表示的是Tb至2Tb之间的脉冲 g t 3Tb 表示的是3Tb至4Tb之间的脉冲波 通过对函数g t 分析可知 数字基带信号可以用数字序列表示 则 4 43 4 4 2数字基带信号表示方法 式中 an 随机变量 表示数字信息中两种状态 an取0或1 g t 基带信号码元波形 常见的有矩形脉冲 升余弦脉冲 钟形脉冲等 码元宽度 4 4 2数字基带信号表示方法 4 4 3幅移键控调制 ASK 4 4 3幅移键控调制 ASK 4 4 3幅移键控调制 ASK 1 相乘法相乘法就是将数字基带信号S t 和载波信号输入乘法器相乘图4 36为ASK信号产生的波形图 4 4 3幅移键控调制 ASK 2 开关控制法 4 4 4频移键控调制 FSK 二进制频率键控是用数字基带信号的两种状态 0 和 1 去控制载波的频率 状态为 1 载波频率为 状态为 0 载波的频率为 产生FSK信号的原理如图4 38所示 4 4 4频移键控调制 FSK 4 4 4频移键控调制 FSK 4 4 5相移键控调制 PSK 1 绝对调相 PSK 图4 40产生PSK信号原理方框图 4 4 5相移键控调制 PSK 开关控制法产生PSK调制波的原理如图4 42所示 4 4 5相移键控调制 PSK 2 相对调相 DPSK所谓相对调相 是指各码元的载波相位不是以未调制的载波相位为基准 而是以相邻的前一个码元的载波相位为基准去确定后一个码元载波相位的取值 4 4 5相移键控调制 PSK 4 4 5相移键控调制 PSK 4 4 6数字调制电路识读1 ASK信号调制电路 4 4 6数字调制电路识读 2 FSK信号调制电路 图4 46产生FSK信号直接调频电路 本章小结 1 调制就是将待传输的基带信号加载到高频信号上的过程 按基带信号形式不同有模拟信号调制和数字信号调制之分 基带信号为数字量时对载波信号的调制称为数字调制 基带信号为模拟量时对载波信号的调制称为模拟调制 本章小结 2 本章分析了模拟调制下的幅度调制信号 AM信号 DSB信号 SSB信号 VSB信号 的特性 包括振幅调制信号的表达式和波形 频谱 带宽 实现电路等 3 数字信号调制主要介绍二进制幅移键控调制 2ASK 频移键控调制 2FSK 和相移键控调制 2PSK 信号的产生方法和电路实现模型