模拟线性调制

1、1张燕张燕第第3 章章 模拟线性调制模拟线性调制2了解调制的目的、定义和分类；了解调制的目的、定义和分类；掌握掌握 AMAM、DSB-SCDSB-SC、SSBSSB、VSBVSB这几种线性这几种线性调制的时域和频域表示，时域波形和频谱调制的时域和频域表示，时域波形和频谱结构。结构。信号调制和解调的方法、原理与方框图；信号调制和解调的方法、原理与方框图；AMAM、DSB-SCDSB-SC、SSBSSB、VSBVSB信号的带宽。信号的带宽。学习目标学习目标33.1 调制的基本概念调制的基本概念3.2 双边带调幅双边带调幅3.3 单边带调制单边带调制3.4 残留边带调制残留边带调制3.5 线性调制的

2、一般模型线性调制的一般模型第第3 章章 模拟线性调制模拟线性调制43.1 调制的基本概念调制的基本概念话 筒扩 音 机扬 声 器为什么要进行调制？为什么要进行调制？5基带信号基带信号 较低频率分量，不宜无线传输较低频率分量，不宜无线传输载波载波 运载基带信号的载体运载基带信号的载体参数（或特征值）参数（或特征值） 载波的随基带信号变化的参数载波的随基带信号变化的参数调制的过程调制的过程 完成载波随基带信号变化的过程完成载波随基带信号变化的过程6调制的本质调制的本质 频谱搬移频谱搬移，具体说：，具体说： 基带信号转换成适合于信道传输的频基带信号转换成适合于信道传输的频带信号；带信号； 实现信道的

3、多路复用，提高信道利用实现信道的多路复用，提高信道利用率；率； 减少干扰，提高系统抗干扰能力。减少干扰，提高系统抗干扰能力。调制调制：按调制信号（基带信号）的变化规：按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某一（几）个参数的过律去改变载波的某一（几）个参数的过程。程。7载波信号：载波信号：)cos()(0tAtcc幅度、角频率、相位被称为是正余弦波的三幅度、角频率、相位被称为是正余弦波的三个要素。个要素。若调制信号为若调制信号为f(t)，已调信号为：，已调信号为：)(cos()()(0tttAtsc)()(tftA且且 为常数为常数幅度调制幅度调制)(t)()(tft )(tA且且 为常数

4、为常数相位调制相位调制)(d)(dtftt且且 为常数为常数频率调制频率调制)(tA调制的分类：调制的分类：1、按照调制信号控制载波信号参数的不同、按照调制信号控制载波信号参数的不同8如何调制？如何调制？(信号与系统信号与系统)( )( )cos ()()1( )( )cos ()()2cccmcccf tFtstf ttFF 2、按照调制器传输函数的不同、按照调制器传输函数的不同线性调制线性调制：已调信号频谱是调制信号频谱的：已调信号频谱是调制信号频谱的线性搬移线性搬移.如如AM、DSB、SSB、VSB、ASK。非线性调制非线性调制：已调信号和调制信号的频谱没：已调信号和调制信号的频谱没有线

5、性对应关系。有线性对应关系。 如如FM、PM、FSK、PSK。调制定理调制定理93.1.1 常规调幅常规调幅(AM)时域表达式时域表达式设调制信号为设调制信号为f(t)， 叠加直流叠加直流A0后的调制信号为后的调制信号为载波为载波为一般我们设载波初始相位一般我们设载波初始相位c=0，幅度，幅度A=1，则，则常规调幅信号的常规调幅信号的时域表达式时域表达式为为0)(tf)cos()()()()(0ttfAtctmtscAM)()(0tfAtm)cos()(cctAtc3.2 双边带调幅双边带调幅10反相点反相点图图3-1 常规调幅波形常规调幅波形图图3-2 产生过调产生过调幅的波形幅的波形常规调

6、幅需满足常规调幅需满足 A0|f(t)|max此时可用包络检波。此时可用包络检波。反之产生反之产生过调幅过调幅现象现象11调幅指数调幅指数设调制信号为单频余弦函数，即设调制信号为单频余弦函数，即)cos()(mmmtAtf)cos()cos(1 )cos()cos()(00ttAttAAtscmmAMcmmmAM则调幅信号为则调幅信号为过调幅满调幅正常调幅, 1, 1, 10AM0/ AAmAM 其中，其中，称为调幅指数。，称为调幅指数。实际系统中，通实际系统中，通常取常取30%60%之间之间12)()(21)()()(0ccccAMFFAS设设f(t)的频谱为的频谱为F()，则调幅信号的，则

7、调幅信号的频域表达频域表达式式为为图图 3 - 3AM信号的频谱信号的频谱频域特性频域特性mAMB2SAM()中，中，| c ,上边带上边带|fL；这样第二级调制后上、下边带的间隔为这样第二级调制后上、下边带的间隔为 此时的频率间隔取决于载频此时的频率间隔取决于载频fC1 ；通常；通常fC2是指定的，合理地选择是指定的，合理地选择fC1 、 1及及 2便可便可设计出合适的单边带信号调制器。设计出合适的单边带信号调制器。112222cLcfffB34例例3-3：用单边带方式传输模拟电话信号。设用单边带方式传输模拟电话信号。设载频为载频为12MHz，电话信号的频带为，电话信号的频带为300Hz34

8、00Hz；滤波器归一化值为；滤波器归一化值为10-3 。试设计滤。试设计滤波器的方案。波器的方案。解：解：HzfHzfMHzfHLc3400,300,12356101051012600ccfBff滤波器不可实现，需采用多级调制滤波器不可实现，需采用多级调制fHzfBL6002单级滤波法：单级滤波法：上下边带间隔：上下边带间隔：取取 ，过渡带相对于载频的归一化值：，过渡带相对于载频的归一化值：Bf35kHzfBc120101210162222二级滤波法：二级滤波法： 取二级滤波器的归一化值取二级滤波器的归一化值kHzBfc6010120212132122101已知已知MHzfHzfBcL12,6

9、00221323111101011060600cfB两级滤波器均可实现。两级滤波器均可实现。36滤波法的基本要求：滤波法的基本要求： 调制信号的低频分量不能太低。调制信号的低频分量不能太低。如果调制信号的低频分量接近零频呢？373.3.2 用相移法形成单边带信号用相移法形成单边带信号1、单频调制、单频调制ttctAtfcmmcos)(,cos)(ttAttAtAtscmmcmmcmmUSBsinsin21coscos21)cos(21)(tAtAttAtsmcmmcmcmmDSB)cos(21)cos(21coscos)(ttAttAtAtscmmcmmmcmLSBsinsin21coscos

10、21)cos(21)(同相分量同相分量正交分量正交分量38图图3-12 3-12 单频调制用相移法形成单边带信号单频调制用相移法形成单边带信号ttAttAtscmmcmmSSBsinsin21coscos21)(392、希尔伯特变换、希尔伯特变换)(tf通常称通常称f(t)的正交信号为的正交信号为f(t)的希尔伯特变换的希尔伯特变换 dtftfHtfdtftfHtf)(1)()()(1)()(1 )1(*)()(1*)()(ttftfttftf )sgn()()( jFF )sgn()()( jFF 0, 10, 1sgn401/ t)(tf)(tftthh 1)( 1/(- t)(tf)(t

11、f)sgn()(jHh)(F)(F)(F)(F希尔波特滤波器希尔波特滤波器希尔伯特滤波器的传递函数：希尔伯特滤波器的传递函数：0,10,1sgn41希尔伯特滤波器幅频、相频特性希尔伯特滤波器幅频、相频特性1|Hh( )|/2 h( )-/2)sgn()(jHhHilbert滤波器实质滤波器实质上是一个宽带相移上是一个宽带相移网络，幅度不变，网络，幅度不变，所有的频率分量均所有的频率分量均相移相移/2。1Hh( )/j -142Hilbert变换的性质变换的性质v性质性质1v性质性质2v性质性质3：若：若f(t)的频带限于的频带限于 ，则有，则有v性质性质4：若：若f(t)的傅立叶变换为的傅立叶

12、变换为F()，则，则Hf(t)的傅立叶变换为的傅立叶变换为ttHccsincosttHcccossin ttfttfHttfttfHcccccossinsincos)sgn()()(jFFc43)()()(thtstsSSBDSBSSB时域表达式时域表达式3、一般的时域表达式、一般的时域表达式ttfttftsccSSBsin)(21cos)(21)()(tf其中：其中： 是是f(t)的所有频率分量相移的所有频率分量相移/2的结果。的结果。)()()(SSBDSBSSBHSS频域表达式频域表达式ttftststscLSBUSBDSBcos)()()()(显然显然ttfttftsccLSBsin)

13、(21cos)(21)(ttfttftsccUSBsin)(21cos)(21)(44图图 3 13 相移法形成单边带信号的方框图相移法形成单边带信号的方框图ttfttftsccSSBsin)(21cos)(21)(45图图 3 14 相移法中各点频谱变换关系相移法中各点频谱变换关系46 ttf cos)(tv11costv11sintv22costv22sin3v5v7v4v6v8v0vttvcoscos13ttvcossin14tv)cos(15tv)sin(16ttv)cos(cos127ttv)cos(sin128ttvc)cos()cos(210取 略大于max，121c47SSB信

14、号平均功率和频带宽度信号平均功率和频带宽度 平均功率平均功率SSB的调制效率也为的调制效率也为1 频带宽度 tftttftfttfttfttfttftsPccccccSSBSSB222222241sincos2sincos41sin)(cos)(41mfB 483.2.3 单边带信号的解调单边带信号的解调单边带信号只能用相干解调。单边带信号只能用相干解调。 相干解调的框图如图所示，解调器由乘相干解调的框图如图所示，解调器由乘法器和低通滤波器组成。法器和低通滤波器组成。 图图3-15 3-15 单边带信号相干解调的基本模型单边带信号相干解调的基本模型49单边带信号的时域表达式为单边带信号的时域表

15、达式为乘上相干载波后得乘上相干载波后得经低通滤波器后的解调输出为经低通滤波器后的解调输出为ttfttftSccSSBsin)(cos)()(ttfttftfttStScccSSBP2sin)(212cos)(21)(21cos)()()(21)(tftsd50 不但可节省载波发射功率，而且它所占不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为用的频带宽度为BSSB=fH=BDSB/2。 SSB信号的解调和信号的解调和DSB一样不能采用简一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。单的包络检波，需采用相干解调。 滤波法中的滤波器和相移法中的宽带相滤波法中的滤波器和相移法中的宽带相移网络较难制作。

16、移网络较难制作。 SSB信号的特点：信号的特点：51残留边带调制是介于残留边带调制是介于SSB与与DSB之间的一种之间的一种调制方式，调制方式， 它既克服了它既克服了DSB信号占用频带信号占用频带较宽的缺点，又解决了较宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难信号实现上的难题。在题。在VSB中，不是完全抑制一个边带（如中，不是完全抑制一个边带（如同同SSB中那样），而是逐渐切割，使其残留中那样），而是逐渐切割，使其残留一小部分。通常用滤波法实现。一小部分。通常用滤波法实现。 3.4 残留边带调制（残留边带调制（VSB）(Vestigial Sideband)52图图 3 - 16残留边带滤波器特性

17、残留边带滤波器特性残留部分上边带的滤波器特性残留部分上边带的滤波器特性;(a)残留部分下边带的滤波器特性残留部分下边带的滤波器特性.HVSB()10.50cccc00.51HVSB()(a)(b)53图图 3 - 17DSB、 SSB和和VSB信号的频谱信号的频谱M()2B2BODSB()ccO(a)(b)SSB()OccccVSB()O(c)(d)54图图 3 - 18VSB调制和解调器模型调制和解调器模型 (a) VSB调制器模型调制器模型 (b) VSB解调器模型解调器模型)()()(21)(VSBccVSBHFFSHcVSBcVSBconstHH.)()()()()(41)(cVSBc

18、VSBdHHFS)()(21cos)(cVSBcVSBcVSBSStts频域表达式频域表达式)()()(thtstsVSBDSBVSB时域表达式时域表达式解调解调不失真条件不失真条件55图图 3 19 残留边带滤波器的几何解释残留边带滤波器的几何解释cOcHVSB()HVSB(c)cOcHVSB(c)HVSB(c) HVSB(c)OOcc(a)(b)(c)(d)HcVSBcVSBconstHH.)()(不失真条件不失真条件56图图 3 20 残留边带调制的工作原理残留边带调制的工作原理57 BSSBBVSBBDSB; 实现容易；实现容易； 只要只要HVSB()在在c处具有互补对称（奇处具有互补

19、对称（奇对称）特性，那么，采用相干解调法解对称）特性，那么，采用相干解调法解调残留边带信号就能够不失真地恢复所调残留边带信号就能够不失真地恢复所需的基带信号。需的基带信号。 VSB信号的特点：信号的特点：583.5 线性调制和解调的一般模型线性调制和解调的一般模型)()()(21)(ccFFHS图图 3 21 滤波法实现线性调制一般模型滤波法实现线性调制一般模型H()的不同，调制方式不同：的不同，调制方式不同：DSB、SSB、VSB3.5.1 线性调制信号产生的一般模型线性调制信号产生的一般模型1、滤波法调制的一般模型、滤波法调制的一般模型592、相移法调制的一般模型、相移法调制的一般模型dt

20、tfhdttfhdttfhthttftsccccccsinsin)()(coscos)()()(cos)()()(cos)()()(sin)()()(cos)()(QcQIcIHtththHtththttfthttfthtscQcIsin)()(cos)()()()()()()()()(tfthtstfthtsQQIIttsttstscQcIsin)(cos)()(60ttsttstscQcIsin)(cos)()(分成同相分量和正交分量分成同相分量和正交分量, 由此由此, 频域表达式：频域表达式：)()(2)()(21sin)(cos)()(cQcQcIcIcQcISSjSSttsFttsF

21、S由上述数学公式可得由上述数学公式可得 相移法形成线性相移法形成线性调制的一般模型。调制的一般模型。61图图 3 22 线性调制相移法的一般模型线性调制相移法的一般模型ttsttstscQcIsin)(cos)()()()()(tfthtsII)()()(tfthtsQQ)()(2)()(21)(cQcQcIcISSjSSS62DSB调制调制0)()()(0)(1)(QIQISFSHH)(21)()(21)()(21)(21)(tfStfSHHHQIhQISSB调制调制（希尔伯特滤波器）（希尔伯特滤波器）)()(21)(21)()(21)()(21)(21)(tfthtftStftSHHHQQ

22、IQQIVSB调制调制633.4.2 线性调制信号解调的一般模型线性调制信号解调的一般模型1、相干解调的一般模型、相干解调的一般模型图图3-23 3-23 相干解调的基本模型相干解调的基本模型ttsttstscQcIsin)(cos)()(64ttsttstscQcIsin)(cos)()(ttsttststttsttsttstscQcIIccQcIcp2sin)(212cos)(21)(21cossin)(cos)(cos)()()()(21)(tftstsId经低通滤波：经低通滤波：)2()2(41)2()2(41)(21)()()(21)(cQcQcIcIIccpSSSStSSS)()(

23、21)(FSSId从时域角度从时域角度从频域角度从频域角度经低通滤波：经低通滤波：65AM:包络检波器包络检波器+低通滤波器低通滤波器cmfRCf12、非相干解调（包络检波）、非相干解调（包络检波）图图3-24 AM3-24 AM的包络解调器的包络解调器10AAmAM663、载波插入法解调、载波插入法解调图图3-25 3-25 插入大载波的包络检波插入大载波的包络检波 AM以外的各种线性调制不能采用包络以外的各种线性调制不能采用包络检波的原因，就是在这些已调信号中不含有检波的原因，就是在这些已调信号中不含有载波分量，已调信号的载波不完全载有调制载波分量，已调信号的载波不完全载有调制信号的信息。

24、因此，如果在接收端再加入一信号的信息。因此，如果在接收端再加入一个足够大的载波，那么也可以用包络检波的个足够大的载波，那么也可以用包络检波的方式进行解调方式进行解调67)(cos)(sin)(cos)(cossin)(cos)()()()(tttAttstAtstAttsttstctstsccQcdIcdcQcIda) t (s) t (s,)(2Q2ImaxddAtsA即21212222)(21 )()(2)(1 )(dIddQdIdIdAtsAAtsAtsAtsAtA21222)()(2)()(tstsAtsAtAQIdId)()(arctan)(tsAtstIdQ68 sa(t)可视为包

25、络可视为包络 的调幅的调幅Am信信号，由包络检波器检波后输出信号。号，由包络检波器检波后输出信号。)()(tsAtAId时当1;2111xxx)(tsAId)()()(tftstsIdAd为比较大的一个直流分量为比较大的一个直流分量69各种调幅系统的比较各种调幅系统的比较 下面就它们的特点和适应范围进行比较：下面就它们的特点和适应范围进行比较：（1） 常规调幅（常规调幅（AM）带宽：带宽：2fm优点：接收电路最简单，只用简单的包络检优点：接收电路最简单，只用简单的包络检波器即可完成解调任务。波器即可完成解调任务。缺点：调制效率太低，要求高功率发送机。缺点：调制效率太低，要求高功率发送机。应用：

26、这种系统特别适用于一部发送机对千应用：这种系统特别适用于一部发送机对千万部接收机工作的无线电广播系统。万部接收机工作的无线电广播系统。70（2） 抑制载波双边带调幅（抑制载波双边带调幅（DSB-SC)带宽：带宽：2fm优点：与优点：与AM系统比，传送相同信息所需功系统比，传送相同信息所需功率较小，发送机比较经济。率较小，发送机比较经济。缺点：需要相干解调，需要同频同相的本缺点：需要相干解调，需要同频同相的本地载波，接收机比较复杂。地载波，接收机比较复杂。应用：点对点通信系统。应用：点对点通信系统。 71（3）单边带系统（）单边带系统（SSB)带宽：带宽：fm优点：发射功率和传输带宽最小，选择性衰优点：发射功率和传输带宽最小，选择性衰落落 小。小。缺点：接收机复杂，需要复杂的自动频率控缺点：接收机复杂，需要复杂的自动频率控制系统来稳定本地载波的频率和相位。制系统来稳定本地载波的频率和相位。应用：用于长距离固定业务通信、特高频散应用：用于长距离固定业务通信、特高频散射通信、航空通信、载波通信、数传射