通原第5章模擬調(diào)制

1、 模擬調(diào)制系統(tǒng) 第5章樊昌信 曹麗娜 編著調(diào)制簡介定義 目的 分類線性調(diào)制（幅度調(diào)制）原理 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能比較 頻分復(fù)用（FDM） 本章內(nèi)容: l本章學(xué)習(xí)中應(yīng)重點(diǎn)注意的知識(shí)點(diǎn)：本章學(xué)習(xí)中應(yīng)重點(diǎn)注意的知識(shí)點(diǎn)：n時(shí)域時(shí)域u表達(dá)式、波形表達(dá)式、波形n頻域頻域u頻譜表達(dá)式、頻譜圖、帶寬、載波頻譜表達(dá)式、頻譜圖、帶寬、載波n框圖框圖u調(diào)制、解調(diào)、系統(tǒng)框圖調(diào)制、解調(diào)、系統(tǒng)框圖n抗噪性能抗噪性能u輸入信噪比、輸出信噪比、調(diào)制制度增益輸入信噪比、輸出信噪比、調(diào)制制度增益學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題：學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題：u調(diào)制與解調(diào)的方框圖及各點(diǎn)波形；調(diào)制與解

2、調(diào)的方框圖及各點(diǎn)波形；u已調(diào)信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式、波形及其頻譜；已調(diào)信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式、波形及其頻譜；u信號(hào)調(diào)制、解調(diào)前后的頻帶變化；信號(hào)調(diào)制、解調(diào)前后的頻帶變化；u調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能。調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能。調(diào) 制 簡 介n 調(diào)制定義調(diào)制定義何謂調(diào)制？進(jìn)行頻譜搬移，匹配信道特性，減小天線尺寸；實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，提高信道利用率；改善系統(tǒng)性能（有效性、可靠性）；實(shí)現(xiàn)頻率分配 n 調(diào)制目的調(diào)制目的為什么要進(jìn)行調(diào)制？ 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) 載載 波波 已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)( )m t( )mst 運(yùn)載工具 多種形式 同義詞認(rèn)識(shí)一下 調(diào)制過程 所涉及的 三種信號(hào)n 調(diào)制分類調(diào)制分類 - 可從不同角度分類：都有哪些調(diào)制方

3、式？( )cos()cc tAt本章研究的模擬調(diào)制模擬調(diào)制方式： 是以正弦信號(hào) 作為載波的 n 一般模型5.1 幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理邊帶濾波器邊帶濾波器( )( )h tH5.1.1 常規(guī) 調(diào)幅（AM） 0max0m tm tA和nAM表達(dá)式表達(dá)式nAM調(diào)制器調(diào)制器條件：邊帶項(xiàng)載波項(xiàng)nAM波形和頻譜波形和頻譜 時(shí)域波形圖時(shí)域波形圖 AM AM頻譜圖頻譜圖 nAM信號(hào)的信號(hào)的特點(diǎn)特點(diǎn)l 時(shí)，AM波的包絡(luò)正比于調(diào)制信號(hào)m(t)， 故可采用包絡(luò)檢波。 lAM的頻譜由載頻分量、上邊帶和下邊帶組成。lAM傳輸帶寬是調(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍： lAM的優(yōu)勢在于接收機(jī)簡單，廣泛用于中短調(diào)幅廣播。AM2HBf

4、 0maxm tAlAM信號(hào)功率：nAM信號(hào)的缺信號(hào)的缺點(diǎn)點(diǎn)20AM2( )22scAtPmPP0max( )m tA220( )m tAAM50%故邊帶功率邊帶功率載波功率載波功率AM功率利用率低！l調(diào)制效率（功率利用率）： -不含有用信息 ，卻“浪費(fèi)”大部分的發(fā)射功率。 m1 過調(diào)幅載波邊帶當(dāng)然 3 3種調(diào)幅信號(hào)種調(diào)幅信號(hào) ( )cosmmm tAt設(shè)（單音正弦），22( )/2mm tA則 0max0m tm tA和條件：如何提高調(diào)制效率？抑制載波！u AM信號(hào)的解調(diào)信號(hào)的解調(diào) 解調(diào)是調(diào)制的逆過程，其作用是從接收的已調(diào)信號(hào)中解調(diào)是調(diào)制的逆過程，其作用是從接收的已調(diào)信號(hào)中 恢復(fù)原基帶信號(hào)（

5、即調(diào)制信號(hào)）。恢復(fù)原基帶信號(hào)（即調(diào)制信號(hào)）。l 包絡(luò)檢波（非相干解調(diào)）包絡(luò)檢波（非相干解調(diào)）AMAM信號(hào)在滿足信號(hào)在滿足0max)(Atm 的條件下，其包絡(luò)與的條件下，其包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào))(tm的形狀完全一樣，可采用包絡(luò)檢波恢復(fù)。的形狀完全一樣，可采用包絡(luò)檢波恢復(fù)。 包絡(luò)檢波法包絡(luò)檢波法 l同步檢波（相干解調(diào)）同步檢波（相干解調(diào)）相干解調(diào)器適用于所有線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。相干解調(diào)器適用于所有線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。相干解調(diào)時(shí)，為了無失真地恢復(fù)原基帶信號(hào)，接收端相干解調(diào)時(shí)，為了無失真地恢復(fù)原基帶信號(hào)，接收端必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相同頻同

6、相）的本地載波（稱為的本地載波（稱為相干載波相干載波），它與接收的已調(diào)信號(hào)），它與接收的已調(diào)信號(hào)相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調(diào)制信號(hào)?；鶐д{(diào)制信號(hào)。5.1.2 雙邊帶調(diào)制（DSB-SC） 0m t 條件：nDSB表達(dá)式表達(dá)式nDSB調(diào)制器調(diào)制器double-sideband suppressed carriernDSB波形和頻譜波形和頻譜 DSB DSB波形圖波形圖 DSB DSB頻譜圖頻譜圖 nDSB信號(hào)的信號(hào)的特點(diǎn)特點(diǎn)l包絡(luò)不再與m(t)成正比；當(dāng)m(t)改變符號(hào)時(shí)載波相位反轉(zhuǎn)，故不能采用包絡(luò)檢波，需相干解調(diào)。 l無載

7、頻分量，只有 上、下 邊帶。l帶寬與AM的相同： l調(diào)制效率100，即功率利用率高。l主要用作SSB、VSB的技術(shù)基礎(chǔ)，調(diào)頻立體聲中的差信號(hào)調(diào)制等。DSBAM2HBBf DSB DSB相干解調(diào)相干解調(diào) 5.1.3 單邊帶調(diào)制（SSB）nSSBSSB信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生（1 1）濾波法 技術(shù)難點(diǎn)之一技術(shù)難點(diǎn)之一邊帶濾波特性邊帶濾波特性 SSB SSB濾波法及頻譜圖濾波法及頻譜圖 11cossscoinsin22mccmmmtAtAtt cosmmm tAt設(shè) coscosDSBmmcstAtt LSB1cos2mcmstAt 11cossin22ccttm tm t1cosc21os2mcmmc

8、mAtAt（2 2）相移法 coscc tt載波USB + - - 10sgn10，傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)( )( )sgn( )hMHjM m t希爾伯特變換 含義含義 Hh( ) 對(duì) m(t) 的所有 頻率分量精確相移 /2 技術(shù)難點(diǎn)之二技術(shù)難點(diǎn)之二 SSB11cossin22ccStm ttm tt下邊帶上邊帶 要求要求：nSSB信號(hào)的信號(hào)的特點(diǎn)特點(diǎn)SSBAM/2HBBf SSB SSB相干解調(diào)相干解調(diào) 5.1.4 殘留邊帶調(diào)制（VSB）介于介于SSB與與DSB之間的折中方案。之間的折中方案。 各信號(hào)頻譜示意圖各信號(hào)頻譜示意圖 nVSBVSB信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生應(yīng)該具有怎樣的濾波特性 ？nVS

9、BVSB信號(hào)的解調(diào)信號(hào)的解調(diào) VSBDSB12ccSSMMHH應(yīng)該具有怎樣的濾波特性？ VSB2cospcststt VSBVSBpccSSS相乘 VSB12ccSMHMLPF解調(diào)輸出： d12ccHSMH若要若要無失真恢復(fù)無失真恢復(fù) m(t)， VSB濾波器的傳輸函數(shù)必須濾波器的傳輸函數(shù)必須滿足：滿足：含義：含義： d12ccHSMHn殘留邊帶濾波器的幾何解釋：nVSB信號(hào)的信號(hào)的特點(diǎn)特點(diǎn)l 僅僅比比SSB所需所需帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡單。帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡單。l 應(yīng)用：商業(yè)電視廣播中的電視信號(hào)傳輸?shù)取SB2HHfBfn濾波法濾波法5.1.5 線性調(diào)制（幅度調(diào)制

10、）的一般模型n相移法相移法( )( )h tH解調(diào)的任務(wù)!5.1.6 相干解調(diào) 與 包絡(luò)檢波n相干解調(diào)相干解調(diào) n包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波 n分析模型分析模型5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能高斯白噪聲高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)BPF5.2.1 模型與指標(biāo)窄帶高斯噪聲窄帶高斯噪聲輸出噪聲輸出噪聲輸出信號(hào)輸出信號(hào)i0222ics( )( )( )n tn tn tNn B高斯白噪聲高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)BPF解調(diào)器解調(diào)器相干解調(diào)相干解調(diào)包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波ic0s0( )( )cos( )sinn tn ttn ttn分析模型分析模型解調(diào)器解調(diào)器ooii/SNGSN2oo2oo( )( )Sm tNn t

11、2ii2ii( )( )SstNntn性能指標(biāo)性能指標(biāo)制度增益：制度增益：輸出信噪比：輸出信噪比：BPF5.2.2 DSB- -相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni DSB21cos1 cos22利用（）DSB2Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH 2i12Smt 2

12、o14Sm ti0Nn Boi14NNoioi2SSNN即020cocs( )ostc ttsin22sincos利用c000s2i0( ) cosco( )sin)co(ssn ttn tttn ttooDSBii/2/SNGSNoioi2SSNN即sin22sincos利用原因原因正交分量正交分量5.2.2 DSB -相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni 11cosis n22ccmm tttm tst 2o11

13、6Smto1( )4( )m tm t2i1( )4Sm t5.2.3 SSB SSB1Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH oioiSSNN即i0Nn BB=fH SSBDSBoN 2o116Smt2i1( )4Sm ti0Nn Boi14NNi14N 相干解調(diào)抑制正交相干解調(diào)抑制正交分量分量 11cosis n22ccmm tttm tstic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttooSSBii/1/SNGSNoioi

14、SSNN即原因原因正交分量正交分量SSB1GoioiSSNN即DSB2Goioi2SSNN即ooooDSBSSBSSNN 能否說：DSB系統(tǒng)的抗噪聲性能 優(yōu)于 SSB 系統(tǒng)呢？ 在相同的Si，n0， fH條件下： B=2fH B=fH i0Nn Bi0Nn B DSB和SSB的抗噪聲性能相同。合成包絡(luò)5.2.4 AM 包絡(luò)檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能 22022itSmAAM0( )( )coscstAm ttic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn tt0iNn B icc0cscossinmAm tn tstn tn ttt cosctttE（1）大信噪比時(shí) 220cs( )(

15、)( )Am tn ttn tE隔掉220cs( )( )( )Am tn tn t 0cAmnE ttt omt on t 22oomtmSt 2oicnNNt2AM2202( )( )m tGAm t檢波輸出檢波輸出： 討論：2AM2202( )( )m tGAm tl由于由于|m(t)|max A0 ，所以，所以GAM 1，即，即l100%調(diào)制，且調(diào)制，且 m(t) 為單頻正弦時(shí)：為單頻正弦時(shí)：l相干解調(diào)的相干解調(diào)的GAM 如同上式，但不受信噪比條件的限制。如同上式，但不受信噪比條件的限制。oioiSSNN32AMG 22csntRntt arctansctntnt（2）小信噪比時(shí)220

16、( )( )( )csAm tn tn t cosER ttm ttA 220cs( )( )( )Am tn ttn tE 可見：u大大信噪比時(shí)信噪比時(shí)：u小小信噪比時(shí)信噪比時(shí)：門限效應(yīng)門限效應(yīng)AM-包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能：系統(tǒng)的抗噪聲性能：2AM2202( )( )m tGAm t32AMG100% 單音正弦歸納歸納5.3 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理n概述概述5.3.1 角度調(diào)制的基本概念 n1 角調(diào)信號(hào)一般表達(dá)式角調(diào)信號(hào)一般表達(dá)式( )cos( )mcstAtt載波的恒定振幅載波的恒定振幅 ct + (t) 已已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)相位調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)相位 相對(duì)于相對(duì)于 ct的的瞬時(shí)相位偏

17、移瞬時(shí)相位偏移 c +d (t)/dt 已已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)角頻率角頻率 相對(duì)于相對(duì)于 c的的瞬時(shí)角頻偏瞬時(shí)角頻偏Kf =rad/(sV)Kp=rad/V( )cos( )mcstAttPM：FM：角調(diào)信號(hào)：( )( )pKtm t( )( )fdtm tdtK n2 PM與與 FM的關(guān)系的關(guān)系若預(yù)先不知m(t)形式，能否判斷已調(diào)信號(hào)是PM還是FM信號(hào)?( )( )fdtm tdtK( )( )ftmdK若最大瞬時(shí)相位偏移滿足：5.3.3 寬帶 調(diào)頻 最大相位偏移最大相位偏移n1 單音調(diào)頻單音調(diào)頻 FM 調(diào)頻指數(shù)調(diào)頻指數(shù)( )cosmmm tAt cossinfmmfmmmtK At

18、dtK Atsinfmmt cosmmfdtAKtdt最大角頻偏 2mmffmK A2fmfm fFM( )cossinfcmstAtmt單音調(diào)頻信號(hào)單音調(diào)頻信號(hào)：， 則 設(shè)n2 FM信號(hào)的頻譜與帶寬信號(hào)的頻譜與帶寬 FMcossincfmstAtmt FM()cos()ncmnfmJstAntFM( )()()()nfcmcmSAJmnn 第一類第一類 n 階貝塞爾函數(shù)階貝塞爾函數(shù) 是調(diào)頻指數(shù)是調(diào)頻指數(shù) mf 的函數(shù)的函數(shù)傅里葉變換傅里葉變換級(jí)數(shù)展開級(jí)數(shù)展開討論討論FM12fmBmf時(shí)：FM12fBfm 時(shí)：窄帶調(diào)頻寬帶調(diào)頻 FM頻譜和傳輸帶寬：對(duì)于多音或任意帶限調(diào)制信號(hào)時(shí)的FM信號(hào)： FM

19、廣播的最大頻偏 f = 75kHz，最高調(diào)制頻率fm=15kHz， 故調(diào)頻指數(shù)mf 5，F(xiàn)M信號(hào)的頻帶寬度為：推廣推廣：調(diào)制信號(hào)的最高頻率FM2(1)2()fmmBmfff 例如例如：FM2(5 1) 152(75 15)180 kHzBn3 FM信號(hào)的功率分配信號(hào)的功率分配 FFM2MsPt22()2nfnAJm22cPA載波功率 FM()cos()ncmnfmJstAnt=1n4 FM的特點(diǎn)的特點(diǎn) 優(yōu)勢優(yōu)勢 應(yīng)用應(yīng)用5.3.4 調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)n1 調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生 1)1)直接法直接法原理原理：調(diào)制電壓控制振蕩器的頻率： 0iftK m t優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電路簡單、可獲得較大的

20、頻偏；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度不高，可采用PLL調(diào)頻器進(jìn)行改進(jìn)。2)2)間接法間接法原理原理：積分 調(diào)相(NBFM) n次倍頻 WBFM優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度好；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：需要多次倍頻和混頻，因此電路較復(fù)雜。n2 調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào) 1)1)非相干解調(diào)非相干解調(diào)2)2)相干解調(diào)相干解調(diào)和：完成頻率電壓的轉(zhuǎn)換，即：FM( )cos( )cfstAtKmdo( )( )fm tK m t鑒頻器鑒頻器一種振幅鑒頻器微分器微分器：把幅度恒定的把幅度恒定的包絡(luò)檢波器：檢出包絡(luò)檢波器：檢出包絡(luò)包絡(luò)并濾去直流并濾去直流，原理原理：( )( )sin)(ccffds tAtdK m tKm )()(otm

21、KKtmfd幅/頻都隨m(t)變化經(jīng)經(jīng)LPF即即得解調(diào)輸出得解調(diào)輸出FM( )cos( )cfstAtKmd5.4 調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能模型和方法與線性調(diào)制系統(tǒng)相似。解-鑒頻器：單音調(diào)制時(shí)FM2(1)2()fmmBmfff 2FM3(1)ffGmm門限效應(yīng)門限效應(yīng)mf 所有系統(tǒng)在所有系統(tǒng)在“同等條件同等條件”下進(jìn)行比較下進(jìn)行比較： 解調(diào)器輸入信號(hào)功率為解調(diào)器輸入信號(hào)功率為 Si 信道噪聲均值為信道噪聲均值為0，單邊單邊功率譜密度為功率譜密度為 n0 基帶信號(hào)帶寬為基帶信號(hào)帶寬為 fm 其中其中AM的調(diào)幅度為的調(diào)幅度為 100% ，正弦型調(diào)制信號(hào)正弦型調(diào)制信號(hào)5.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較AMDSBSSB VSBFM2mfmfmf略大于2mf21fmmf2/3231ffmm 0imSn f0imSn f013imSn f2032ifmSmn f21SSB近似SSB近似簡單簡單中等中等中等中等復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜：1）抗噪聲性能：FM最好，DSB/SSB、 VSB次之，AM最差；2）頻譜利用率：SSB最高，VSB較高， DSB/AM次之，F(xiàn)M最差；3）功率利用率：FM最高，DSB/SSB、 VSB次之，AM最差； 4）設(shè)備復(fù)雜度：AM最簡，DSB/ FM次之， VSB較復(fù)雜， SSB最復(fù)雜。1）AM：優(yōu)點(diǎn)是接收