CH4.1-2 幅度调制(40).ppt

1 4 1概述 信源输出的消息信号一般具有从零频开始的较宽的频谱 而且在频谱的低端分布较大的能量 所以称为基带信号 不宜直接在信道中传输 为了便于传输 提高抗干扰能力和有效利用带宽 通常需要通过调制将信号的频谱搬移到适合信道和噪声特性的频率范围内进行传输 在通信系统的接收端对已调信号进行解调 恢复出原来的消息 4调制解调原理 2 1 调制的定义 调制 就是用待传送信号去控制某个高频信号的幅度 相位 频率等参量变化的过程 即用一个信号去装载 携带 运输 另一信号 在频域上 调制完成的则主要是频谱 功率谱的搬移 即通过调制将基带信号的频谱 功率谱搬移到以载波频率为中心的频段 这里 控制信号称为调制信号 被控制信号称为载波 如 单一频率正弦波或周期脉冲波等 2 调制的必要性 目的 3 2 调制的必要性 目的 A 便于发送 对无线传输信号而言 信号需要通过发射天线发送出去 根据天线理论 发射天线的尺度与信号的波长满足一定的关系式时 信号才能得到有效的发射 即 如 GSM手机的工作频段为900 1800MHz B 提高信道的利用率 4 B 提高信道的利用率 以无线电广播的中波波段为例 可用波段范围为530KHz 1600KHz 而语音信号的频率范围为300 3400Hz 经调制后每一个广播电台频道的带宽为9K 530KHz 1600KHz 3009000 这一中波波段中就均匀分布着多个电台 上述即为频分复用 它是通过采用不同载波频率的调制完成的 只传输一路信号 浪费 3 模拟调制的分类 5 3 模拟调制的分类 4 1模拟幅度调制 根据基带信号是数字信号还是基带信号 载波是正弦波还是脉冲波以及被改变的参数不同等将调制分为很多种 6 4 调制的基本原理 4 1模拟幅度调制 一个正弦波信号 通常有三个参数确定 即幅度 频率和相位 因此可将载波表示为 载波的幅度 载波的频率 载波的相位 连续波调制的过程就是用基带信号m t 去改变载波c t 的瞬时幅度 频率或相位 相应的已调信号可表示为 已调波的瞬时幅度 已调波的瞬时相位 7 如果为 t 常数 A t 随m t 成比例变化 则称为幅度调制 根据基带信号不同分为模拟幅度调制和数字幅度调制 振幅键控ASK 如图4 1所示 模拟调制 数字调制 8 如果已调信号的瞬时相位偏移随基带信号比例变化时 我们称之为相位调制 即 分为模拟相位调制PM和数字相位调制 相移键控PSK DPSK 如图4 2所示 a PM b 2PSK 9 已调信号的瞬时频率偏移随基带信号比例变化时 我们称之为频率调制 即 根据基带信号m t 不同分为模拟相位调制FM和数字频率调制 频移键控FSK 如图所示 a FM b 2FSK 10 根据的调制定义 用待传送信号去控制某个高频信号的幅度 相位 频率等参量变化的过程 幅度调制就是指用待传送信号去控制载波信号的幅度变化的过程 即已调波的幅度 包络 与调制信号成例变化 4 2幅度调制 数学表达式 11 一般模型 数学表达式 频域表达式 12 一般模型 频域表达式 数学表达式 4 1 1常规调幅 AM 当调制信号为确知信号时 13 4 1 1模拟双边带调制 DSB DSB信号的波形和频谱 如果输入的基带信号是没有直流分量的模拟信号 且是h t 理想带通滤波器 则得到的输出已调信号便是无载波分量的双边带调制信号 或称为双边带抑制载波调制信号 简称为DSB信号 或DSB SC信号 14 其波形和频谱如图4 5所示 DSB信号的波形DSB信号的频谱 上边带 下边带 15 由式 4 10 和图4 5可以看出 经过DSB调制后 基带信号的频谱M 被搬移到载频 c的两侧 形成两个关于 c对称的分量 称之为上边带信号M c 和下边带信号M c 因此 已调信号的带宽也变为原基带信号带宽的2倍 DSB的解调 从已调信号中恢复出基带信号 可从两方面入手 一是从时域表达式 波形出发 找到一种变换恢复m t 二是从频域出发 寻找恢复出独立M 的方法 16 对DSB 要从M c 和M c 中恢复M 实际也是要对已调信号进行频谱搬移 搬移一个 c 参考调制原理 调制时是通过乘以一个载波实现的频谱搬移 解调时同样可以乘以一个载波使其频谱搬移回基带信号频谱的位置 17 其频谱结构如图4 6 只需一个截止频率为 m的LPF即可恢复出M 得到基带信号m t 完成解调功能 解调器模型如图4 7 18 从时域上分析 解调器的解调变换过程为 经过低通滤波器后输出 19 通常将这种在接收端通过接收信号与本地恢复出的载波相乘来进行解调的方法称为相干解调或同步解调 这种解调方法 由于抗噪声性能好而被广泛采用 但是其不足是需要在接收端恢复本地载波 设备较复杂 20 为了降低解调器的复杂性 简化接收 在模拟幅度调制中经常采用一种带有载波分量双的边带调制 即常规双边带幅度调制 AM 其实现方法为在基带信号中加入大于基带信号最大幅值的直流分量m0 然后再进行调制 4 1 2常规调幅 AM 21 时域波形 频域表达式为 波形图 比较AM信号和DSB信号 AM信号在时域上只是多了一个载波项 在频域上则表现为在载频出多了单位冲击 22 AM信号的波形和频谱 特点 从图可看到 AM已调信号的包络完全与调制信号成正比 因此常采用简单的包络检波法解调 23 检波器由二极管 电阻和电容滤波器组成 检波后的信号经过低通滤波器 滤除直流和其他高频分量 最终得到调制信号m t 理想情况下的解调输出为 24 DSB信号包含有信息完全相同的上 下两个边带 从信息传输来看 只传输一个边带就够了 只传输一个边带的通信方式称为单边带通信 单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法 4 1 3单边带 SSB 幅度调制 滤波特性 滤波法产生SSB信号就是让DSB信号通过一个边带滤波器 保留所需要的一个边带 滤除不要的边带 25 形成SSB信号的滤波特性 SSB信号频谱 26 单边带滤波器从理论上来说就是一个理想的低通或高通滤波器 上边带滤波器和下边带滤波器的传递函数分别为 27 SSB频谱 结论 28 的含义 是的希尔伯特变换 即 29 综上所述 SSB调制方式在传输信号时 不但可节省载波发射功率 而且它所占用的频带宽度为BSSB m 只有AM DSB的一半 因此 它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式 SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波 因为SSB信号也是抑制载波的已调信号 它的包络不能直接反映调制信号的变化 所以仍需采用相干解调 但是 SSB实现困难 VSB 30 4 1 4残留边带调制 VSB 这里主要讨论滤波器的特性 应满足以下条件 31 结论 为了保证相干解调时无失真恢复基带信号 必须要求残留边带滤波器的传输函数在载频处具有互补对称特性 如何证明 必须从解调的角度来考虑此问题 32 33 34 经过低通滤波器后 要使接收端能不失真解调出原调制信号 则要求 35 DSB SSB和VSB 信号的频谱 实现 36 4 2 2二进制数字振幅键控 2ASK 基带信号为二进制数字信号的幅度调制 称为二进制数字幅度调制或二进制数字振幅键控 2ASK 2ASK有两种实现方式 一是采用模拟方式 如图4 13 a 当数字信号分别用0和1表示时 其波形变化如图4 13 b 37 由图4 13 b 可以看到 已调信号也只需要两种幅度值状态 当基带信号为1时输出一个码元持续时间的载波 而当基带信号为0时没有输出或者说输出零电平 因此 可以得到二进制数字幅度调制的第二种调制方法 通断键控调制法 如图4 13 c 二进制数字幅度调制可以知道2ASK的时域表达式和DSB完全一样为 38 2ASK的解调可以像AM解调一样采用包络检波法 也可以和DSB一样采用相干解调 相应的接收系统框图如图4 14所示 相比于AM和DSB 2ASK只是在解调器后需要一个抽样判决器 以将解调器输出的模拟波形变换为二进制数字序列离散信号 39 若二进制序列m t 的功率谱密度为pm 由式 4 22 及DSB频谱分析方法 可得到2ASK信号的功率谱密度 可见 幅度键控信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移 其频谱宽度是二进制基带信号的2倍 比如当m