模电调制及解调

模电调制及解调第一页，共八十四页，2022年，8月28日

调制：用携有消息的信息信号去控制或改变一个高频振荡信号的某些参数的过程，称为调制。11.1调制的概念调制信号：信息信号uΩ(t)，载波：高频振荡信号uc(t)，已调信号：调制后含有发送信息的信号u(t)。常用名词：解调：是调制的逆过程，即从已调信号中还原出有用信息信号的过程。第二页，共八十四页，2022年，8月28日调制模拟调制：调制信号为模拟信号。数字调制：调制信号为数字信号。（调制波形式不同）调制连续波调制：载波为正弦波信号。脉冲调制：载波为脉冲信号。（载波形式不同）调制的分类第三页，共八十四页，2022年，8月28日幅度调制（调幅AM）:用信息信号控制载波信号的振幅。频率调制（调频FM）:用信息信号控制载波信号的频率。相位调制（调相PM）:用信息信号控制载波信号的相位。连续波调制的分类：第四页，共八十四页，2022年，8月28日11.2连续波幅度调制幅度调制有四种：①标准幅度调制（StandardAM）；②双边带幅度调制（DSBAM）；③单边带幅度调制（SSBAM）；④残留边带幅度调制（VSBAM）。第五页，共八十四页，2022年，8月28日

11.2.1标准调幅

图11.1AM调制(a)载波；(b)调制信号；(c)已调波特点：载波的幅度随调制信号变化而变化。包络：最大幅度点的连线。第六页，共八十四页，2022年，8月28日设调制信号为：载波信号为：

已调波表达式为：

标准调幅波数学表达式：第七页，共八十四页，2022年，8月28日称“调幅指数”或“调幅度”。调幅指数ma越大，幅度变化越剧烈。ma=0时，没有调幅，为原载波。ma=1时，UΩm=Ucm,幅度在0~2Ucm之间变化，为100%的调幅。ma>1时，UΩm>Ucm,过调幅，包络信号失真。为了保证已调波的包络反映调制信号的变化，必须使：

0<ma≤1第八页，共八十四页，2022年，8月28日示波器测量ma的方法UmmaxUmminUmmax=UCm(1+ma)Ummin=UCm(1-ma)第九页，共八十四页，2022年，8月28日标准调幅波的频谱三个频率成分：载频：ωC上边频：ωC+Ω下边频：ωC–Ω第十页，共八十四页，2022年，8月28日图5.6AM调制的频谱关系带宽：BW=2ΩUCmUCmUCm上下边频包含调制信号频率，表明携带调制信号特性，而载波分量与调制信号无关第十一页，共八十四页，2022年，8月28日

上面分析的调制信号uΩ是单一频率的信号，实际上调制信号都是由多频率成分组成的。如语音信号的频率主要集中在300~3400Hz范围。多频率信号的标准调幅第十二页，共八十四页，2022年，8月28日图11.4多频调制ＡM信号频谱BWAM=2Ωmax广播电台播送语音信号，AM已调波的带宽等于6800Hz，相邻两个电台载波频率的间隔必须大于6800Hz，通常取为10kHz。第十三页，共八十四页，2022年，8月28日 调幅过程实质上是一种频谱线性搬移。经过调制后，已调信号的频谱由低频处搬移到载频附近，形成上下边带。总结第十四页，共八十四页，2022年，8月28日 帕塞瓦尔公式：已调波UAM在单位电阻上消耗的平均功率Pav应当等于各个频率成分所消耗的平均功率之和，即等于载波功率PC和边频功率PSB之和载波功率：AM波各频率功率的分布第十五页，共八十四页，2022年，8月28日边带功率PSB等于上边频功率PSB上与下边频功率PSB下之和。上PSB与下PSB相等，有UCmUCmUCm第十六页，共八十四页，2022年，8月28日

总的边频功率等于：

所以，已调波在单位电阻上消耗的平均功率

边频功率与总功率之比：当ma=1时，比值达到最大值0.33。AM调制很不经济。第十七页，共八十四页，2022年，8月28日普通调幅波形成框图一uAM=KMUcmcosωctUΩmcosΩt+Ucmcosωct=Ucm(1+macosΩt)cosωctma=KMUΩm实现AM的方案第十八页，共八十四页，2022年，8月28日普通调幅波形成框图二uΩ(t)UCmuAM(t)+CosωCt第十九页，共八十四页，2022年，8月28日uC(t)

uAM(t)

KMRp

R

R

R

UD

uΩ

第二十页，共八十四页，2022年，8月28日

11.2.2双边带调幅(DSB)

双边带调制是传送上、下边带而抑制载波的一种调制方式。图11.6DSB调制实现框图uDSB=KuΩuC=KUΩmUCmCosΩtCosωCt第二十一页，共八十四页，2022年，8月28日uΩ

t

uDSB

0

0

180度相位突变

t图11.8DSB已调波时域波形第二十二页，共八十四页，2022年，8月28日DSB调幅波的频谱W0w

UΩm

w

0

ωC+ΩωCωC–ΩBW=2Ω第二十三页，共八十四页，2022年，8月28日多频调制信号DSB的频谱第二十四页，共八十四页，2022年，8月28日

11.2.3单边带调幅(SSB)单边带调制是仅传送一个边带的调制方法。滤波法第二十五页，共八十四页，2022年，8月28日图11.10单频调制SSB信号的频谱第二十六页，共八十四页，2022年，8月28日上边带调制：只传送上边带信号时域数学表达式：时域数学表达式：下边带调制：只传送下边带信号第二十七页，共八十四页，2022年，8月28日图11.11单频调制SSB信号波形图UΩm第二十八页，共八十四页，2022年，8月28日相移法上述滤波法要求滤波器过渡带很陡，当调制信号中的低频分量越丰富时，滤波器的过渡带要求越窄，实现起来就越困难。另一种方法叫相移法第二十九页，共八十四页，2022年，8月28日图11.12相移法实现SSB框图第三十页，共八十四页，2022年，8月28日残留边带调制的频谱第三十一页，共八十四页，2022年，8月28日11.3角度调制的基本概念 无论是调频或调相，都使得载波的总相角发生变化，因此两者统称为角度调制。

载波信号的频率和相位随调制信号变化的调制分别称为频率调制(FM)和相位调制(PM)，简称调频和调相。

调频：电报通信、调频广播、无线电视、模拟通信系统调相：数字通信的相移键控。

第三十二页，共八十四页，2022年，8月28日调制信号：uΩ(t)

载波：uC(t)=UCmcosωCt 调频信号uFM(t)的瞬时角频率ω(t)不再是常数ωC,而是随调制信号的变化而变化：调频波的数学表达式ω(t)=ωC+kfuΩ(t)ωC：中心频率kf：调频比例常数kfuΩ(t)=Δω：频率偏移第三十三页，共八十四页，2022年，8月28日调频信号uFM(t)的瞬时相位φ(t)时域调频信号的一般表达式：第三十四页，共八十四页，2022年，8月28日设调制信号：uΩ(t)=UΩmcosΩt瞬时角频率：ω(t)=ωC+kfuΩ(t)=ωC+kfuΩmcosΩt∆ω最大频偏：

∆ωm=kfuΩm第三十五页，共八十四页，2022年，8月28日调频指数总结：调频信号的基本参量是振幅UCm(恒定的)、载波中心频率ωC、最大频偏Δωm和调频指数mf。调频比例常数kf是由电路决定的一个常数。第三十六页，共八十四页，2022年，8月28日调相波的数学表达式：调制信号：uΩ(t)

载波：uC(t)=UCmcosωCt 调相信号uPM(t)的瞬时相位φ(t)不再是ωCt,而是随调制信号的变化而变化：φ(t)=ωCt+kpuΩ(t)kp：调相比例常数kpuΩ(t)=Δφ(t)：相位偏移第三十七页，共八十四页，2022年，8月28日时域调相信号的一般表达式：设调制信号：uΩ(t)=UΩmcosΩt瞬时相位：φ(t)=ωCt+kpuΩ(t)=ωCt+kpuΩmcosΩt∆φ(t)调相指数：mP=kpuΩm=∆φm

(最大相偏)第三十八页，共八十四页，2022年，8月28日瞬时角频率称为最大频偏第三十九页，共八十四页，2022年，8月28日图11.13调频和调相信号波形调相信号的频率随调制信号的导数变化而变化。第四十页，共八十四页，2022年，8月28日调频与调相的联系与区别 无论是调频或调相，调制指数都是最大频偏和调制频率之比。第四十一页，共八十四页，2022年，8月28日无论是调相波还是调频波，都同时存在着频偏和相偏，但是因为调相波是以相位的变化直接反映调制信号，所以其最大相移与调制信号的振幅成正比，而调频信号是以频率的变化直接反映调制信号，所以其最大频偏与调制信号的振幅成正比。最大相偏：∆φm=mP=kpuΩm

最大频偏：∆ωm=mfΩ=kfuΩm第四十二页，共八十四页，2022年，8月28日把小于未调制的载波幅度UCm的百分之一的各边频分量忽略不计来确定调频信号的带宽。调频波的有效带宽估算目前，广泛应用的调频信号带宽的计算公式是卡森公式当mf<<1时，BW=2Ω——窄带调频当mf>>1时，BW=2∆ωm——宽带调频第四十三页，共八十四页，2022年，8月28日调角波的有效带宽估算当m<<1时，BW=2Ω——窄带调角当m>>1时，BW=2∆ωm——宽带调角 采用调频信号的分析方法，同样可以得到调相信号的频谱，它与调频信号频谱的差异仅仅是各边频分量的相移不同。带宽的计算仍可采用卡森公式：第四十四页，共八十四页，2022年，8月28日调频和调幅的对比1、调幅系统：有用信息蕴藏在幅度之中，易受外界干扰，信噪比低。调频系统：有用信息蕴藏在频率之中（波形的疏密变化），不易受外界干扰，信噪比高。2、调幅系统：窄带系统，BW≤2Ω。调频系统：宽带系统，BW较大。3、调幅系统：ma<1。调频系统：mf或mp可任意取值。第四十五页，共八十四页，2022年，8月28日调频电路直接调频法：变容二极管调频利用可控电抗元件改变LC并联回路的谐振频率，可以实现频率调制。可控电抗元件的种类很多，其中最常用的是变容二极管和电抗管。第四十六页，共八十四页，2022年，8月28日变容二极管的结电容CT与管子两端的反向电压uD的关系为TT0nCT0：uD=0时的结电容（静态电容）UB：势垒电压。锗：0.2~0.3V,硅：0.7V,n：变容指数。n越大，uD对CT的调节能力越大。第四十七页，共八十四页，2022年，8月28日变容二极管符号和结电容变化曲线(a)变容管符号；(b)变容特性T0第四十八页，共八十四页，2022年，8月28日图8.24变容管结电容随时间变化曲线第四十九页，共八十四页，2022年，8月28日图11.18变容二极管构成的直接调频电路的LC回路第五十页，共八十四页，2022年，8月28日交流等效电路第五十一页，共八十四页，2022年，8月28日DQCDQCDQ第五十二页，共八十四页，2022年，8月28日令n=2,则：第五十三页，共八十四页，2022年，8月28日设：其中：是由电路决定的参数，m=kfUm为最大频偏，与调制信号幅度有关。第五十四页，共八十四页，2022年，8月28日 间接调频是利用调频信号和调相信号之间的内在联系，通过调相来实现调频。间接调频电路调频波的瞬时相位:瞬时相移：因此：调频波的相位变化与调制信号的积分成正比第五十五页，共八十四页，2022年，8月28日图11.19间接调频第五十六页，共八十四页，2022年，8月28日11.7解调

解调是从已调波中提取出调制信号的过程，是调制的逆过程。解调又叫检波。11.7.1调幅波的解调第五十七页，共八十四页，2022年，8月28日图11.20峰值包络检波器电路及工作原理二极管峰值包络检波器第五十八页，共八十四页，2022年，8月28日 当uD>0时，二极管导通，信源us通过二极管对电容C充电，充电的时常数约等于RDC。由于二极管导通电阻RD很小，因此电容上的电压迅速达到信源电压us的幅值。当 uD<0时，二极管截止，电容C通过电阻R放电。放大常数RC，由于RL较大，因此C放电不会紧随载波变换，而是缓慢的按指数规律变化。 当然，R也不能过大，否则出现惰性失真。第五十九页，共八十四页，2022年，8月28日图2.21惰性失真RC的取值范围：第六十页，共八十四页，2022年，8月28日从频谱的角度分析 标准调幅波中含有载频和边频分量，通过二极管的非线性作用，产生Ω和许多高次谐波,RC产生低通滤波器，滤除高次分量，留下Ω频率，完成解调工作。第六十一页，共八十四页，2022年，8月28日同步检波对于DSB,SSB等不能采用包络检波器，而采用同步检波的方法来实现。 原理：在频域，只要将调制后的频谱搬移回来，因此可以利用乘法器实现解调：图11.22乘积型同步检波器框图第六十二页，共八十四页，2022年，8月28日 设：信源是一个双边带信号us=UsmcosΩt·cosωCt本地载波是一个与调制信号的载波同频同相的信号u1=U1mcosωCt

两个信号相乘

通过低通滤波器滤除高频，得到的低频信号就是调制信号。检波的输出

其中，kd=(kM·kF)/2，kM是乘法器的增益，kF是低通滤波器的增益。第六十三页，共八十四页，2022年，8月28日本地载波必须严格同步（同频同相）若本地载波不同步：通过LPF后：产生了频偏和相偏。频偏为20HZ时，就会察觉声音不自然，偏200HZ，语音可懂率明显下降。第六十四页，共八十四页，2022年，8月28日11.7.2调角波的解调 调相波和调频波不能直接使用包络检波器来解调相波和调频波，必须采用相位检波器（鉴相器）和频率检波器（鉴频器），但是包络检波器可以作为某些鉴相器或鉴频器的一个组成部分，而鉴相器又可以作为某些鉴频器的一个组成部分第六十五页，共八十四页，2022年，8月28日

1.鉴相原理 调相信号的解调叫做相位检波，简称鉴相。它是将调相信号的相位［ωCt+mpf(t)］与载波的相位ωCt相减，取出它们的相位差mpf(t)，并反映到输出电压上，从而实现相位检波。鉴相器可以看成相位/电压变换器第六十六页，共八十四页，2022年，8月28日乘积型模拟鉴相器为了能够正确地鉴别两个输入信号相位的超前和滞后关系，两个输入信号必须有π/2的固定相差。乘积型模拟鉴相器LuM第六十七页，共八十四页，2022年，8月28日LuM第六十八页，共八十四页，2022年，8月28日利用三角函数展开：通过低通滤波器：其中：当第六十九页，共八十四页，2022年，8月28日图11.23正弦鉴相特性线性范围一般为。当|e|大于/2时，uo与e是多值关系，即对于同一个输出电压uo存在多个e，因此不能正确实现鉴相，所以/2为具有正弦鉴相特性的鉴相器的最大鉴相范围。第七十页，共八十四页，2022年，8月28日

此外，为了衡量输出电压uo对误差相位θe的灵敏程度，还要定义一个参量叫鉴相灵敏度或鉴相跨导，用Sp表示。它的定义是乘积型鉴相的第七十一页，共八十四页，2022年，8月28日叠加型模拟鉴相器为了正确判别两个信号的相位超前与滞后，输入的两个信号间要有固定的π/2相差。LuM+第七十二页，共八十四页，2022年，8月28日LuM+第七十三页，共八十四页，2022年，8月28日因为：运用近似公式：如果：则:LuM+第七十四页，共八十四页，2022年，8月28日 AM波的幅度表达式，所以后接包络检波器对该和信号进行幅度检波并滤去直流得到解调信号第七十五页，共八十四页，2022年，8月28日

二、鉴频原理调频信号解调又称为频率检波，简称鉴频。它是把调频信号的频率ω(t)=ωC+Δω(t)与载波频率ωC比较，得到频差Δω(t)=Δωmf(t)，从而实现频率检波。频率检波框图第七十六页，共八十四页，2022年，8月28日

利用线性网络变换方法可实