通信技術(shù)基礎(chǔ) 第三章 模擬調(diào)制技術(shù)

1、第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社通信技術(shù)基礎(chǔ)主編：于寶明 王鈞銘主審：宮錦文新世紀高職高專通信類課程規(guī)劃教材新世紀高職高專通信類課程規(guī)劃教材國家級精品課件配套教材國家級精品課件配套教材大連理工大學出版社第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社本章知識簡介：本章知識簡介：調(diào)節(jié)的基本概念調(diào)節(jié)的基本概念模擬線性調(diào)制（幅度調(diào)制）模擬線性調(diào)制（幅度調(diào)制）能對數(shù)字基帶信號進行能對數(shù)字基帶信號進行AMI、HDB3編碼編碼各種模擬調(diào)制方式的總結(jié)與比較各種模擬調(diào)制方式的總結(jié)與比較符合調(diào)制與多級調(diào)制符合調(diào)制與多級調(diào)制第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社3.1

2、調(diào)制的基礎(chǔ)概念調(diào)制的基礎(chǔ)概念讓載波的某個參數(shù)(或幾個)隨調(diào)制信號(原始信號)的變化規(guī)律而變化的過程或方式稱為調(diào)制。如何對信號進行調(diào)制呢? 在傅里葉變換中我們知道,若一個信號 (t)與一個正弦型信號cos ct相乘,從頻譜上看,相當于把 (t)的頻譜搬移到 c處。設(t)的傅里葉變換(也可稱為頻譜)為F (),則有第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社這稱為調(diào)制定理,是調(diào)制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。其示意圖如圖3-2所示。圖圖3-2第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 調(diào)制的功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面:頻率變換頻率變換信道復用信道復用改善系統(tǒng)性能改善系統(tǒng)性能第3章 模擬調(diào)

3、制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社(1)按調(diào)制信號的種類分為模擬調(diào)制調(diào)制信號為模擬信號,比如正弦型信號;數(shù)字調(diào)制調(diào)制信號為數(shù)字信號,比如二進制序列。(2)按載波的種類分為連續(xù)波調(diào)制載波為連續(xù)信號,比如正弦型信號;脈沖調(diào)制載波為脈沖信號,比如矩形脈沖序列。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社(3)按調(diào)制參數(shù)的種類分為幅度調(diào)制載波的幅值隨調(diào)制信號的變化而變化;頻率調(diào)制載波的頻率隨調(diào)制信號的變化而變化;相位調(diào)制載波的相位隨調(diào)制信號的變化而變化。(4)按調(diào)制器傳輸函數(shù)的種類分為線性調(diào)制已調(diào)信號的頻譜與調(diào)制信號的頻譜之間滿足線性關(guān)系的調(diào)制。非線性調(diào)制不滿足線性調(diào)制條件的調(diào)制就是非

4、線性調(diào)制。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社3.2 模擬線性調(diào)制模擬線性調(diào)制 圖3-3中,m (t)為調(diào)制信號,sm (t)為已調(diào)信號,h (t)為濾波器的沖激響應,則已調(diào)信號的時域和頻域一般表達式分別為3.2.1幅度調(diào)制的一般模型幅度調(diào)制的一般模型圖圖3-3第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 由以上表達式可見由以上表達式可見,對于幅度調(diào)制信號對于幅度調(diào)制信號,在波形上在波形上,它的幅它的幅度隨基帶信號規(guī)律而變化度隨基帶信號規(guī)律而變化;在頻譜結(jié)構(gòu)上在頻譜結(jié)構(gòu)上,它的頻譜完全它的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移。由于這種搬移是是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)

5、的簡單搬移。由于這種搬移是線性的線性的,因此幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制因此幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制,相應地相應地,幅度幅度調(diào)制系統(tǒng)也稱為線性調(diào)制系統(tǒng)。調(diào)制系統(tǒng)也稱為線性調(diào)制系統(tǒng)。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社3.2.2 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅常規(guī)雙邊帶調(diào)幅(AM)1.AM 信號的表達式、頻譜及帶寬信號的表達式、頻譜及帶寬 在圖在圖3-3中中,若假設濾波器為全通網(wǎng)絡若假設濾波器為全通網(wǎng)絡(H ()=1),調(diào)調(diào)制信號制信號m (t)疊加直流疊加直流A0 后再與載波相乘后再與載波相乘,則輸出的則輸出的信號就是常規(guī)雙邊帶調(diào)幅信號就是常規(guī)雙邊帶調(diào)幅(AM)信號。信號。AM 調(diào)制器調(diào)制器

6、模模型型如圖如圖3-4所示。所示。圖圖3-4第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 AM 信號的典型波形和頻譜分別如圖3-5 (a)、(b)所示,圖中假定調(diào)制信號m (t)的上限頻率為 H。顯然,調(diào)制信號m (t)的帶寬Bm= H。圖圖3-5第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 AM 信號是帶有載波的雙邊帶信號,它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍,即 式中:Bm =fH,為調(diào)制信號m(t)的帶寬;fH 為調(diào)制信號的最高頻率。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社2.AM 信號的解調(diào)信號的解調(diào) 調(diào)制過程的逆過程叫做解調(diào)。AM 信號的解調(diào)是把接收到的已調(diào)

7、信號SAM (t)還原為調(diào)制信號m (t)。AM 信號的解調(diào)方法有兩種:相干解調(diào)和包絡檢波解調(diào)。 1.相干解調(diào)，如圖相干解調(diào)，如圖3-6所示所示 2.包絡檢波解調(diào)，包絡檢波解調(diào)，如圖如圖3-7所示。所示。圖圖3-6圖圖3-7第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 由上式可知，只要用一個低通濾波器，就可以講第1項與第2項分離，五失真的恢復出原始的調(diào)制信號。 將已調(diào)信號乘上一個與調(diào)制器同頻同相的載波,得第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 圖3-8為串聯(lián)型包絡檢波器的具體電路及其輸出波形，電路有二極管VD、電阻R和電容C組成。圖圖3-8第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連

8、理 工 大 學 出 版 社3.2.3 抑制載波雙邊帶調(diào)幅（抑制載波雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）1.DSB 信號的表達式、頻譜及帶寬信號的表達式、頻譜及帶寬 DSB調(diào)制器模型如圖3-9所示 可見DSB信號實質(zhì)上就是基帶信號與載波直接相乘，其時域和頻域表達式分別為圖圖3-9第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 DSB信號是不含載波的雙邊帶信號，它的帶寬與AM信號相同，也為基帶信號帶寬的兩倍，即 式中:Bm = H,為調(diào)制信號m(t)的帶寬; H 為調(diào)制信號的最高頻率。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 乘法器輸出 經(jīng)低通濾波器濾除高次項得 即無失真地恢復初始電信

9、號。2.DSB信號的調(diào)解信號的調(diào)解第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社3.2.4單邊帶調(diào)制（單邊帶調(diào)制（SSB）1. SSB信號的產(chǎn)生信號的產(chǎn)生 用濾波法形成SSB信號，如圖3-10、3-11所示。圖圖3-11圖圖3-10第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 SSB信號的頻譜可表示為 用相移法形成SSB信號，如圖3-12所示。 SSB信號的時域表達式為圖圖3-12第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 如圖3-13所示 1. SSB信號的調(diào)解信號的調(diào)解 乘法器輸出為 經(jīng)低通濾波器后的解調(diào)輸出為圖圖3-13第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大

10、 學 出 版 社3.2.5 殘留邊帶調(diào)制（殘留邊帶調(diào)制（VSB）1. 殘留邊帶信號的產(chǎn)生殘留邊帶信號的產(chǎn)生 用濾波法實現(xiàn)殘留邊帶調(diào)制的原理如圖3-14所示。 圖3-15示出的是滿足該條件的典型實例：圖圖3-15圖圖3-14第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 由濾波法可知，VSB信號的頻譜為 VSB信號頻譜示意如圖3-16所示。圖圖3-16第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社2.殘留邊帶信號的解調(diào)殘留邊帶信號的解調(diào) 殘留邊帶信號的解調(diào)顯然也不能簡單地采用包絡檢波，而必須采用如圖3-17所示的相干解調(diào)。 為了保證相干解調(diào)的輸出無失真地重現(xiàn)調(diào)制信號m（t），必須

11、要求在。而這正是殘留邊帶濾波器傳輸函數(shù)要求滿足的互補對稱條件。圖圖3-17第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社3.3 模擬非線性調(diào)制模擬非線性調(diào)制(角度調(diào)制）角度調(diào)制） 角度調(diào)制與線性調(diào)制不同，已調(diào)信號頻譜不在是原調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻譜成分，故又稱為非線性調(diào)制。 角度調(diào)制可分為頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM），即為載波的幅度保持不變，而載波的頻率或相位隨基帶信號變化的調(diào)制方式。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 角度調(diào)制信號的一般表達式為第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 圖3-1

12、8直接調(diào)相和間接調(diào)相 圖3-19直接調(diào)頻和間接調(diào)頻 直接調(diào)相和間接調(diào)頻的方法僅適用于相位偏移和頻率偏移不大的窄帶調(diào)制情形，而直接調(diào)頻和間接調(diào)相則適用于寬帶調(diào)制情形。圖圖3-19圖圖3-18第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 下面以調(diào)制信號為一單頻余弦波的特殊情況為例，給出調(diào)相信號和調(diào)頻信號的示意圖如圖3-20所示。 調(diào)頻和調(diào)相并無本質(zhì)區(qū)別，兩者之間可以互換。圖圖3-20第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社3.3.2 窄帶調(diào)頻與寬帶調(diào)頻窄帶調(diào)頻與寬帶調(diào)頻 根據(jù)調(diào)制后載波瞬時相應偏移的大小，可將頻率調(diào)制分為寬帶調(diào)頻（WBFM）與窄帶調(diào)頻（NBFM）。寬帶與窄帶

13、調(diào)制的區(qū)分并無嚴格的界限，但通常認為由調(diào)頻所引起的最大順時相位偏移遠小于/6是，即 稱為窄帶調(diào)頻。否則，成為寬帶調(diào)頻。稱為窄帶調(diào)頻。否則，成為寬帶調(diào)頻。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社1.窄帶調(diào)頻（窄帶調(diào)頻（NBFM） 為方便起見，不妨假設正弦載波的振幅A=1，則由調(diào)頻信號的一般表達式，得 當滿足窄帶調(diào)頻條件時，上式展開后可簡化為第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 利用傅里葉變換公式可得NBFM信號的頻域表達式為 將上式與AM信號的頻域第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 進行比較,可以清楚地看出兩種調(diào)制的相似性和不同之處。兩者都含有

14、一個載波和位于c 處的兩個邊頻。所以它們的帶寬相同,即式中:Bm =H,為調(diào)制信號m(t)的帶寬; H 為調(diào)制信號的最高頻率。不同的是,NBFM 的正、負頻率分量分別乘了因式1/(-c)和1/(+c),且負頻率分量與正頻率分量反相。上述差別正是NBFM 與AM 的本質(zhì)差別。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社2.寬帶調(diào)頻（寬帶調(diào)頻（WBFM） 當窄帶調(diào)頻調(diào)頻條件不滿足時，調(diào)頻信號為寬帶調(diào)頻，此時不能采用上面的近似式，因為寬帶調(diào)頻的分析變得很困難。經(jīng)驗表明，我們可以用下面公式來估算任意限帶信號調(diào)制的調(diào)頻信號的寬帶：第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 這里H

15、是調(diào)制信號m(t)的最高頻率;mf=/H,為調(diào)頻波的調(diào)頻指數(shù),是調(diào)頻信號的一個重要參數(shù),它是一個無因次量, =Kf | m(t) |max,是最大頻率偏移。實際應用中,當mf 2時,用下式計算調(diào)頻信號帶寬更符合實際情況:第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社3.3.3調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)1.調(diào)頻信號的產(chǎn)生調(diào)頻信號的產(chǎn)生 產(chǎn)生調(diào)頻信號的方法通常有兩種：直接法間接法第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社直接法直接法 直接法就是利用調(diào)制信號直接控制振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號的規(guī)律線性變化。振蕩頻率由外部電壓控制的振蕩器叫做壓控振蕩器（VCO）,它

16、產(chǎn)生的輸出頻率正比于所加的控制電壓，即 式中： c是外加控制電壓為0時壓控振蕩器的自由振蕩頻率，也就是壓控振蕩器的中心頻率；Kf為比例常數(shù)。若用調(diào)制信號作控制電壓，產(chǎn)生的就是FM波。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 優(yōu)點是實現(xiàn)線性調(diào)頻的要求下，可以獲得較大的頻偏。 缺點是頻率穩(wěn)定度不高，往往需要附加穩(wěn)頻電路來穩(wěn)定中心頻率。 直接法的主要優(yōu)點和缺點第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社間接法間接法 間接調(diào)頻法是先對調(diào)制信號積分，在對載波進行相位調(diào)制，從而產(chǎn)生調(diào)頻信號。但這樣只能獲得窄帶調(diào)頻信號。為了獲得寬帶調(diào)頻信號，可利用倍頻器再把NBFM信號變換成WBFM

17、信號。其原理框圖如圖3-21所示。圖圖3-21第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 由前面的分析可知，NBFM信號可看成正交分量與相同分量的合成，即 因此，可采用圖3-22所示的方框圖來實現(xiàn)窄帶頻率調(diào)制。圖圖3-22第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社倍頻器的作用是提高調(diào)頻指數(shù)mf，從而獲得寬帶調(diào)頻。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社2.調(diào)頻信號的調(diào)解調(diào)頻信號的調(diào)解非相干調(diào)解非相干調(diào)解 由于調(diào)頻信號的瞬間頻率正比于調(diào)制信號的幅度，因而調(diào)頻信號的調(diào)解必須能產(chǎn)生正比于輸入頻率的輸出電壓，也就是當輸入調(diào)頻信號為時，調(diào)解器的輸出應當為第3章 模擬

18、調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 最簡單的解調(diào)器是具有頻率-電壓轉(zhuǎn)換作用的鑒頻器。理想的鑒頻器可看成是微分器與包絡檢波器的級聯(lián)。微分器的輸出是一個調(diào)幅調(diào)頻(FM-AM)信號，器幅度和頻率皆包含調(diào)制信息。用包絡檢波器取出其包絡，并濾去直流后輸出 即恢復出原始調(diào)制信號。這里，Kd成為鑒頻器靈敏度。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 這種方法的缺點是包絡檢波器對于由信道噪聲和其他原因引起的幅度起伏也有反應。因而，使用中常在微分器之前加一個限幅器和帶通濾波器。 上述調(diào)解方法稱為包絡檢測，又稱為非相干調(diào)解第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 實用電路常常采

19、用圖3-23所示的雙諧振回路組成的平衡鑒頻器。圖圖3-23第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社相干解調(diào)相干解調(diào) 由于窄帶調(diào)頻信號可分解成正交分量與同相分量之和，因而可以采用線性調(diào)制中的相干解調(diào)法來進行解調(diào)。相干解調(diào)可以恢復原調(diào)制信號，這種解調(diào)方法與線性調(diào)制中的相干解調(diào)一樣，要求本地載波與調(diào)制載同步，否則將使解調(diào)信號失真。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社3.4各種模擬調(diào)制方式的總結(jié)與比較各種模擬調(diào)制方式的總結(jié)與比較 3.4.1各種模擬調(diào)制方式總結(jié)各種模擬調(diào)制方式總結(jié),如表如表3-1所示所示第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社3.4.2各種

20、模擬調(diào)制方式性能比較各種模擬調(diào)制方式性能比較 就抗噪性能而言，WBFM最好,DSB、SSB、VSB次之,AM最差,NBF與MAM接近。 圖3-24示出各種各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能曲線圖圖3-24第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社3.4.3各種模擬調(diào)制方式的特點與應用各種模擬調(diào)制方式的特點與應用 AM調(diào)制的優(yōu)點優(yōu)點是接收設備簡單；缺點缺點是功率利用率低，抗干擾能力差，信號帶寬較寬，頻帶利用率不高。 DSB調(diào)制的優(yōu)點優(yōu)點是功率利用率高，但帶寬與AM相同，頻帶利用率不高，接受要求同步解調(diào)，設備較復雜。只用于點對點的專用通信及低帶寬信號多路復用系統(tǒng)。 SSB調(diào)制的優(yōu)點優(yōu)點是功率利用率和頻帶利用率較高，抗干擾能力和抗選擇性衰落能力均優(yōu)于AM，而帶寬只有AM的一半；缺點缺點是發(fā)送和接收設備都復雜。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連 理 工 大 學 出 版 社 VSB調(diào)制性與SSB相當，原則上也需要同步解調(diào)，但在某些VSB系統(tǒng)中，附加一個足夠大的載波，形成（VSB+C）合成信號，就可以包絡檢波法進行解調(diào)。這種（VSB+C）方式綜合了AM、SSB和DSB三者的優(yōu)點。 FM波的幅度恒定不變，這使得它對非線性器件不甚敏感，給FM帶來了抗快衰落能力。利用自動增益控制和帶通限幅還可以消除快衰落造成的幅度變化效應。這些特點使得NBFM對微博中繼喜用頗具吸引力。第3章 模擬調(diào)制技術(shù)大 連