角度调制与频分复用

2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 1 4 3角度调制 数学表达式 基本概念介绍 动画1 1 FM 载波信号的频率随调制信号而变 PM 载波信号的相位随调制信号而变 载波信号的幅度都保持不变 而频率的变化和相位的变化都表现为相角的变化 因而FM与PM统称为角度调制或调角 已调信号的频谱对于基带信号产生了新的频率分量 因此又称为非线性调制 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 2 角度调制原理 参数 角度调制信号的一般表达式为 其中 A为载波恒定的振幅 为瞬时相位偏移 为瞬时相位 为信号的瞬时频率 为瞬时频率偏移 即相对于的瞬时频率偏移 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 3 瞬时相位偏移 瞬时频率偏移 参数 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 4 为调相灵敏度 即单位调制信号幅度变化引起的调相信号的相位偏移量 为调频灵敏度 即单位调制信号幅度变化引起的调频信号的频率偏移量 几个参数 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 5 当调制信号为模拟信号时 称为模拟角度调制 几个参数 4 3 1模拟角度调制原理 对于模拟信号 由于频率和相位之间存在微分与积分关系 故二者之间存在密切的关系 鉴于FM用得较多 本节将主要讨论频率调制 通常可以采用压控振荡器 VCO 来实现载波瞬时频率偏移随基带信号幅度变化 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 6 单音调频 在输入为0时 压控振荡器 VCO 产生一频率为 c的正弦波 即载波信号 当输入基带信号m t 0时 随着基带信号幅度的变化 加到压控振荡器上的电压发生变化 振荡器输出信号频率不再固定在 c 而作相应的变化 从而实现频率调制 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 7 称为调频指数 频谱与带宽 对于单音信号 有 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 8 2 FM调制的频谱 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 9 1 一个调角信号除了载波频率以外 还包含无穷多的边频 相邻边频之间的频率间隔仍是 第n条谱线与载频之差为 可见 其频谱无限宽 2 每一个分量的幅度由贝塞尔函数决定 贝塞尔函数的特点 当阶数n mf 1时 Jn mf 的数值随着n的增加而迅速减小 频带宽度 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 10 由以上分析可知 频率调制信号的频谱是由无数成对出现在载频两侧的离散谱组成 其频谱理论上是无限宽的 但是各次谐波分量的幅度随着n增加而下降 通常边频幅度小于未调载波幅度1 的高次谐波边频分量可以忽略不计 因此 实际上可认为n mf 1 即高低边频的总数为2n 2 mf 1 则调频波的频谱有效宽度为2 mf 1 fm 可得到频率调制信号的近似带宽 卡森公式 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 11 FM的解调可以采用普通鉴相器 调频负反馈和锁相环等方式 普通鉴相器法就是根据调制原理进行逆变换 调制时是通过用基带信号的幅度值改变载波频率实现调制 而解调则通过鉴频器将已调信号的频率变化输出为幅度变化 3 解调原理 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 12 限幅滤波器的作用是消除角度调制信号经过随参信道传输时因快衰落及噪声叠加而发生的幅度起伏影响 鉴频器核心为微分器 通过微分实现从FM信号到AM信号的变换 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 13 鉴频器 带通限幅器 微分器 包络检波器 LPF SFM t mo t 收到的已调信号 微分输出 包络检波及低通输出 这里Kd称为检频器灵敏度 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 14 4 3 2数字频率调制原理 2FSK 用数字基带信号m t 对VOC振荡器进行调频 则产生数字频率调制 这种方式称为模拟数字调频 模拟调频器VCO 中心频率为 c 1 2FSK调制原理 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 15 1 00 1 可见由于基带信号的幅度只有2个离散取值 因此经过调频后的频率也只是在对应的2个离散数值 c1和 c2间变动 因此 其调制实现方式可以简化为用二进制数字信号去控制开关 直接在两个载频振荡器之间进行选择输出 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 16 1 00 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 17 2FSK信号可看作两个不同频率交替发送的2ASK信号的叠加 其功率谱 2 功率谱特性 是将基带信号功率谱经两次线性搬移 分别搬移到 C1和 C2处 后的叠加 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 18 2FSK信号功率谱 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 19 3 解调原理 非相干 包络 检测 相干解调 过零点检测和差分检测法 分析可知 2FSK信号可以看作两路2ASK信号的叠加 其解调也可用两路2ASK解调来实现 1 相干和非相干解调 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 20 比较判决 a 非相干解调 定时脉冲 b 相干解调 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 21 一种常用而简便的解调方法 2 过零点检测法 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 22 3 差分检波法 延时 C LPF 频偏 的函数 V与频偏 呈线性关系 鉴频 1 原理 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 23 1 2PSK调制原理 4 3 3二进制相移键控 当相移常数Kp 时 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 24 载波0相位 受键控的载波相位按基带脉冲而改变的数字调制方式 这种用载波不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控 常称为绝对移相 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 25 2PSK信号的产生过程 也可以直接采用模拟调制方法 双极性不归零 载波 移相 a 2PSK模拟调制 b 2PSK键控调制 7 1 32PSK系统的原理 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 26 当基带数字信号采用幅度为1宽度为TS的矩形脉冲的双极性非归零码表示时 时域表示式为 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 27 鉴相器 2PSK信号相干解调 判决 LPF BPF 定时脉冲 数据输出 本地载波 由于绝对移相方式是以某一相位作为基准的 因此解调时在接收端也必须有同样一个固定基准相位作为参考 即采用相干解调 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 28 相乘输出 1001110 发送数据 2PSK 1001110 判决输出 低通输出 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 29 相乘输出 1001110 发送数据 2PSK 0110001 判决输出 载波 低通输出 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 30 一旦接收端参考相位发生变化 则恢复出的数字信息也会出现0和1的反转 从而导致接收端错误接收 这种现象通常称为2PSK的 倒 现象或 反向工作 现象 由于绝对移相方式是以某一相位作为基准的 因此解调时在接收端也必须有同样一个固定基准相位作为参考 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 31 令为当前码元初相与前一码元初相之差 则2DPSK调制的一种规则为 2 2DPSK 差分相移键控 利用前后相邻码元载波的相对相位表示数字信息的调制方式 即用载波相位相对变化传送数字信息 所以又称为相对调相 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 32 0001011 相对码 载波0相位 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 33 0001011 相对码 载波0相位 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 34 相对调相信号的产生过程 首先对数字基带信号进行差分编码即由绝对码变为相对码 然后再进行绝对调相 也可以直接采用模拟调制方法 双极性不归零 差分码变换 双极性差分码 载波 移相 a 2PSK模拟调制 b 2PSK键控调制 差分码变换 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 35 3 2DPSK信号解调 判决 LPF BPF 定时脉冲 a 相干解调 数据输出 相对码 数据输出 本地载波 码 反 变换 判决 LPF BPF 定时脉冲 延迟TS 数据输出 b 差分相干解调 鉴相器 可采用相干解调和差分相干解调法 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 36 4 2PSK功率谱特性 数学表达式形式上完全一样 只是an的取值不同 因此 参照2ASK功率谱可得到2PSK信号功率谱也只是基带数字信号频谱的线性搬移 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 37 当 0 和 1 独立等概 且g t 为不归零双极性矩形脉冲时 基带信号频谱 2PSK功率谱特性 而2DPSK与2PSK信号在波形上并没有任何不同 因此 其功率谱结构也完全一样 且其带宽为 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 38 4 4频分复用系统FDM 复用 将若干彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法 包括 FDM TDM CDMA WDM 频分复用 它是通过采用不同载波频率的调制完成的 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 39 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 实现原理 2009Copyright 中国矿业大学通信研究所 40 载波频率