通信原理电子教案第3章(模拟调制).ppt

1、第3章 模拟调制系统,教学要求 1.了解模拟调制的发展趋势、应用场合。 2.熟悉线性调制方式的时域波形和频谱结构，以及相互间的联系和区别。 3.熟悉非线性调制频谱结构特点。 4.掌握调制的目的、定义和分类。 5.掌握线性调制四种调制方式各自的原理、特点、时域和频域表示式及解调方法。 6.掌握非线性调制的原理、特点、时域表示。 7.掌握瞬时频率、瞬时相位的概念和调频信号带宽的计算。 重点理解线性及非线性调制信号的产生和解调过程,3.1 概述,调制是通信原理中一个十分重要的概念，是一种信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据通信中都扮演着重要角色。 那么为什么要对信号进行调制处理？什么是调制

2、呢？我们先看看下面的例子。,我们知道，通信的目的是为了把信息向远处传递（传播）,那么在传播人声时，我们可以用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此声音可以传得比较远（见下图）。,扩音示意图,远距离传输怎么办？,大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题，一是铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传一路声音信号，其传输成本之高、线路利用率之低，人们是无法接受的；二是利用无线电通信时，需满足一个基本条件，即欲发射信号的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为

3、天线尺寸应大于波长的十分之一）。而音频信号的频率范围是20Hz20kHz，最小的波长为,式中，为波长（m）；c为电磁波传播速度（光速）（m/s）；f为音频（Hz）。,可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高（不包括天线底座或塔座）。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。,第一个问题的解决方法是在一个物理信道中对多路信号进行频分复用（FDM，Frequency Division Multiplex）；第二个问题的解决方法是把欲发射的低频信号“搬”到高频载波上去（或者说把低频信号“变”

4、成高频信号）。两个方法有一个共同点就是要对信号进行调制处理。 对于调制，我们给出一个概括性的定义：让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。而载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。,下面用一个生活中的例子帮助大家理解调制的概念：比如，我们要把一件货物运到几千千米外的地方，我们必须使用运载工具，或汽车、或火车、或飞机。在这里，货物相当于调制信号，运载工具相当于载波；把货物装到运载工具上相当于调制，从运载工具上卸下货物就是解调。这个例子虽然不十分贴切，但基本上类似于调制原理。有了调制的概念，我们就会关心下一个问题：如何对

5、信号进行调制呢？,模拟调制：用来自信源的基带模拟信号去调制某载波 。 载波：确知的周期性波形 余弦波： 式中，A为振幅； 0为载波角频率； 0为初始相位。 定义： 调制信号m(t) 自信源来的信号 已调信号s(t) 调制后的载波称为已调信号 调制器 进行调制的部件 通常载波频率比调制信号的最高频率要高得多。比如中波收音机频段的最低频率（载波频率）为535kHz，比音频最高频率20kHz高25余倍。,调制的目的： 将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号 把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用。 改善系统抗噪声性能 模拟调制的分类： 线性调制：调幅、单边带、双边带、残留边带

6、 非线性调制（角度调制）：频率调制、相位调制,3.2 线性调制 设载波为：c(t) = Acos0 t = Acos2 f0t 调制信号为能量信号m(t)，其频谱为M(f ) 相乘结果： s(t) 滤波输出： s(t) 用“”表示傅里叶变换： 式中，,1 振幅调制(AM),常规双边带调制，简称调幅（AM）。假设调制信号m(t)的平均值为0，将其叠加一个直流偏量后与载波相乘，即可形成调幅信号。,基本原理 设: m(t) = 1+m(t)， |m(t)| 1， |m (t)| /A= m 1 ( 调幅度) 则有调幅信号： s(t) = 1+m(t)Acos0t， 式中， 1+m(t) 0，即s(t

7、) 的包络是非负的。 +1 = =,m(t),频谱 含离散载频分量，带宽是基带信号带宽的两倍。 总功率包括载波功率和边带功率两倍分。当m(t)为余弦波，且m100时，两边带功率之和 载波功率之半。,AM信号的解调： 由于载波中并不包含有用信息，因此发送载波对信息的传送没有意义，而且造成功率浪费。那么多用一些功率发射载波分量有什么好处呢？其优点体现在解调上。根据相干解调的原理，AM信号同样可以采用相干解调法解调。但我们之所以要多“浪费”一些功率去发射没有信息的载波分量，就是要在解调上“拣个便宜”，也就是要在解调上省点事儿。而这个“便宜”就是包络解调法或叫包络检波法。,AM信号的解调：包络检波 原

8、理： 性能：设输入电压为 式中， 为检波器输入噪声电压 y(t)的包络： 在大信噪比下：,检波后（已滤除直流分量）： 输出信号噪声功率比： 在检波前的信号噪声功率比等于 检波前后信噪功率比之比为 由于m(t) 1，显然上式比值r0/ri小于1，即检波后信噪比下降了。,2 双边带（DSB）调制 原理：调制信号m(t)没有直流分量时，得到DSB信号 。 频谱：两个边带包含相同的信息 。,抑制载波的双边带调幅示意图,这种已调信号的频谱中包含上、下两个边带且没有冲激分量的调幅方法称为抑制载波的双边带调幅。抑制载波的双边带调幅已调信号通常记为sDSB(t)。抑制载波的双边带调幅可直接用乘法器产生，其调制

9、模型见下图。,抑制载波的双边带调幅模型图,对于抑制载波双边带调幅信号的解调通常采用相干解调法。 从数学的三角函数变换公式中可知,DSB信号的解调,从通信的角度上看，上式中两个余弦信号相乘与调制过程相似，可以看成对一个信号（载波）用另一个同频同相的载波进行一次“调制”，即可得到一个直流分量和一个二倍于载频的载波分量。相干解调正是利用这一原理。请看下式,(23),该式表明，接收端只要对接收到的抑制载波双边带调幅信号再用与原载波同频同相的载波“调制”一下，即可得到含有原始信号分量的已调信号。对于上式中的二倍频载波分量，可以用一个低通滤波器滤除掉，剩下的就是原始信号分量。这种在接收端利用同频同相载波对

10、抑制载波双边带调幅信号直接相乘进行解调的方法就叫相干解调或同步解调。解调框图见下图,相干解调框图,AM和DSB的性能比较,AM和DSB虽然都属于幅度调制的范畴，但在性能上各有千秋。在这里我们主要从两个方面来加以比较：一个是发射效率，另一个是总的使用成本。,如果把发射边带信号的平均功率和发射载波的平均功率加起来作为总的发射功率，把边带发射功率与总发射功率之比定义为调制效率的话，则可以证明，AM调制的最高调制效率为33.3%；DSB的调制效率为100%。也就是说，在同等信号功率的前提下，AM的总功率至少要大于（或等于）DSB总功率的三倍。,虽然从发送信息的角度上看，AM的成本较高，技术较复杂。但却

11、因为解调电路简单而给它的信息接收者带来了实惠和便宜。信息接收者（用户）越多，这种效益越明显。因此，一般来说，在总的使用成本上AM调制要比DSB低。大家所熟悉的无线电广播（点到多点）就是采用AM调制。DSB的发射系统虽然比AM经济，但它的接收机却比较复杂，因此，一般多用于一些不在乎成本的专用（点对点）通信中。,3 单边带调制（SSB),从上述的双边带调制（AM和DSB）中可知，上下两个边带是完全对称的，即两个边带所包含的信息完全一样。那么在传输时，实际上只传输一个边带就可以了，而双边带传输显然浪费了一个边带所占用的频段，降低了频带利用率。对于通信而言，频率或频带是非常宝贵的资源。因此，为了克服双

12、边带调制这个缺点，人们又提出了单边带调制的概念。,调制原理： 1. 两个边带包含相同的信息 2. 只需传输一个边带： 上边带或下边带 3. 要求m(t)中无太低频率,解调：需要本地载波 由于 若 z(t) = x(t) y(t) ， 则有 Z() = X() Y() 单边带信号解调时， 用载波cos0t 和接收信号相 乘，相当于在频域中载波频 谱和信号频谱相卷积。,单边带调制的优点主要是受多径传播引起的选择性衰落的影响比DSB调制小；频带利用率比DSB调制高；所需发射功率也比DSB调制小；同时它的保密性强，普通调幅接收机不能接收SSB信号。其主要缺点是接收机需要复杂且精度高的自动频率控制系统来

13、稳定本地载波的频率和相位。另外，对于低通型调制信号（含有直流或低频分量的信号）用滤波法的时候，要求滤波器的过渡带非常窄，即滤波器的边缘必须很陡峭，理想状态是一根垂直线。在实际工程中，滤波器很难达到这样的要求,用滤波器产生的单边带信号，要么频带不完整，要么多出一部分上边带（对下边带信号而言）或下边带（对上边带信号而言）。对于带通型调制信号而言，只要载频相对于调制信号最低频率分量的频率不要太大，滤波法就可以实现SSB调制，否则，就必须采用多级调制的方法降低每一级调制对滤波器过渡带的要求，从而完成SSB信号的产生。产生单边带信号还可采用的一种方法叫做移相法，模型图如图所示。,SSB移相法模型,对于一

14、般信号的单边带调制需要借助于希尔伯特变换才能导出时域表达式，我们在此不作深入介绍。单边带信号不能用简单的包络解调法进行解调，通常采用相干解调法。SSB主要用于远距离固定业务通信系统，在特高频散射通信、车辆和航空通信方面也有应用。,4 残留边带调制（VSB),低通型调制信号由于上下边带的频谱靠得很近甚至连在一起，因此用滤波器很难干净彻底地分离出单边带信号，甚至得不到单边带信号。而在现实生活中，有很多情况需要传送低通型调制信号，比如电视的图像信号（频带为06MHz）。,那么如何解决SSB中滤波器的难度问题和DSB的频带利用率低的矛盾呢？人们想了一个折衷的方法，既不用DSB那么宽的频带，也不用SSB

15、那么窄的频带传输调制信号，而在它们之间取一个中间值，使得传输频带既包含一个完整的边带（上边带或下边带）,又有另一个边带的一部分，从而形成一种新的调制方法残留边带调制。残留边带调制在原理上可以采用移相法或滤波法，通常多采用滤波法，如图所示。,图A VSB滤波法模型,从图可看出VSB和SSB在原理上差不多。但为了接收端能够无失真地恢复出调制信号，对残留边带滤波器有一个要求，即残留边带滤波器的传输函数在载频附近必须具有互补对称特性，其波形如所示。,图B VSB信号频谱示意图,VSB信号的解调和SSB信号一样也不能用包络检波，而要采用相干解调法。下面通过解调的公式推导证明残留边带滤波器的传输函数在载频

16、附近必须具有互补对称特性，其波形如图A所示。 从图A中得到VSB信号sVSB(t)的频谱为,(1),在图A中，设输入信号为sVSB(t)，m(t)是乘法器的输出，则其频谱为,(2),将式（1）代入式（2）可得,(3),设低通滤波器的输出（解调信号）为md(t)，如果能选择合适截止频率的低通滤波器将上式中第二个中括号项滤除掉，则有,（4）,可见，要想使解调信号md(t)无失真地重现调制信号， 就需要Md()与F()成比例，即要求,(5),式中，C为常数。,左图以低通滤波器为例图解了上式的几何意义。也就是说，在HVSB(+c)与HVSB(-c)的交界处,两个曲线互补，使得曲线在交界处为水平直线。图

17、中是一个传输函数过渡带的上半部分和另一个传输函数过渡带的下半部分互补，实际上也就是一个传输函数过渡带的上、下部分互补对称。,VSB滤波器互补特性示意图,通常把滤波器的边缘形状（过渡带）称为滚降形状。满足互补的滚降形状有多种，常用的是直线滚降和余弦滚降。它们分别在电视信号和数据信号的传输中得到应用。我国目前的电视节目音频信号采用调频方法、视频（图像）信号采用残留边带方式传输。,3.3 非线性调制（角调制）,1 角调制的基本概念 前面讲的DSB、AM、SSB和VSB都是幅度调制，即把欲传送的信号调制到载波的幅值上。而我们知道一个正弦型信号由幅度、频率和相位（初相）三要素构成，既然幅度可以作为调制信

18、号的载体，那么其它两个要素（参量）是否也可以承载调制信号呢？,通常，载波的一般表达式为 设 (1) 则(t)称为载波的瞬时相位， 称为初始相位。若对(t)求导则可得,(2),可见，瞬时相位的导数即为瞬时角频率（用(t)表示），换句话说，正弦型信号的瞬时相位与瞬时角频率成微积分关系。 若初相不是常数而是t的函数，则(t)称为瞬时相位偏移。 称为瞬时频率偏移。式（1）变为,(3),式（2)变为,(4),如果让瞬时相位偏移(t)随调制信号而变化，即将调制信号调制到载波的瞬时相位上去，就叫做相位调制。设调制信号为f(t)，则有,式中，Kp为比例常数（相移常数），sPM(t)为调相信号。,(5),如果让

19、瞬时频率偏移 随调制信号而变化，即将调制信号调制到载波的瞬时频率上去，就叫做频率调制。设调制信号为f(t)，则有,(6),式中，Kf为比例常数（频偏常数）;sFM(t)为调频信号。,显然，调相信号和调频信号不满足线性关系，所以它们都属于非线性调制。从式（5）和（6）可知，不管是调频还是调相，调制信号的变化最终都反映在瞬时相位(t)的变化上。所以，从已调信号的波形上分不出是调相信号还是调频信号。 下面以调制信号为一单频余弦波的特殊情况为例，给出调相信号和调频信号的示意图（见后图）。设 f(t)=Amcosmt,角调制信号示意图,则有 sPM(t)=Acos(ct+KpAmcosmt) =Acos(ct+pcosmt) sFM(t)=Acos(ct+KfAmcosmtdt) =Acos(ct+fsinmt) 式中,p=KpAm称为调相指数;f=KfA m/m称为调频指数。因为KfAm实际上就是调频信号的最大频偏max，所以有max=KfAm。,【例题】已知一调制器的输出为sFM(t)=10cos(106t+8cos103t)，频偏常数Kf=2，求：（1）载频fc；（2）调频指数；（3）最大频偏；（4）调制信号f(t)。,(3),所以,（4）,所以,可看出，调相信号与调频信号在数学上只差一个积分运算，也就是说，