調(diào)制的基本原理

調(diào)制的基本原理第一頁，共八十四頁，2022年，8月28日第四章調(diào)制的基本原理要求理解調(diào)制的基本概念，掌握三種模擬調(diào)制的基本原理，會推導(dǎo)其表達(dá)式、波形和頻譜圖分析，正確分析比較不同已調(diào)波的異同點(diǎn)。了解三種數(shù)字調(diào)制信號的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法第二頁，共八十四頁，2022年，8月28日第四章調(diào)制的基本原理知識點(diǎn)振幅調(diào)制（AM、DSB、SSB、VSB）數(shù)字調(diào)制（ASK、FSK、PSK）已調(diào)信號的表達(dá)式、波形和頻譜圖第三頁，共八十四頁，2022年，8月28日第四章調(diào)制的基本原理重點(diǎn)和難點(diǎn)各類調(diào)幅電路的特點(diǎn)、原理和分析方法數(shù)字調(diào)制信號的基本原理第四頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.1概述4.1.1信號調(diào)制與變換無線電通信是利用電磁波作為信息的載體調(diào)制信號特點(diǎn)是頻率較低、頻帶較寬且相互重疊所謂調(diào)制就是將待傳輸?shù)幕鶐盘柤虞d到高頻振蕩信號上的過程信號調(diào)制實(shí)質(zhì)是將基帶信號搬移到高頻載波上去，也就是頻譜搬移的過程第五頁，共八十四頁，2022年，8月28日信號調(diào)制方式與分類正弦波一般可表示為（4-1）正弦波都有三個參數(shù)：幅度、頻率和相位所謂調(diào)制，就是將調(diào)制信號加載在三個參數(shù)中的某一個參數(shù)上，或幅值、或頻率、或相位隨調(diào)制信號大小成線性變化的過程第六頁，共八十四頁，2022年，8月28日信號調(diào)制方式與分類

有三種基本調(diào)制方法一種是把調(diào)制信號加載在載波信號的幅值上，稱為幅度調(diào)制，簡稱AM（AmplitudeModulation）第二種是把調(diào)制信號裝載在載波的頻率上，稱為頻率調(diào)制，簡稱FM（FrequencyModulation）第三種是把調(diào)制信號裝載在載波的相位上，稱為相位調(diào)制，簡稱PM（PhaseModulation）第七頁，共八十四頁，2022年，8月28日信號調(diào)制方式與分類

數(shù)字量對載波進(jìn)行調(diào)制時，根據(jù)被調(diào)制的參數(shù)不同，也有三種調(diào)制方式被裝載的參數(shù)為幅度時，稱為幅移鍵控調(diào)制，簡稱ASK調(diào)制（AmplitudeShiftKeying）被裝載的參數(shù)為頻率時稱為頻移鍵控調(diào)制，簡稱為FSK調(diào)制（FrequencyShiftKeying）被裝載的參數(shù)為相位時稱為相移鍵控調(diào)制，簡稱為PSK調(diào)制（PhaseShiftKeying）第八頁，共八十四頁，2022年，8月28日信號調(diào)制方式與分類

調(diào)制方式模擬調(diào)制

數(shù)字調(diào)制幅度調(diào)制（AM）頻率調(diào)制（FM）相位調(diào)制（PM）幅移鍵控調(diào)制（ASK）頻移鍵控調(diào)制（FSK）相移鍵控調(diào)制（PSK）圖4-3調(diào)制方式分類第九頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.2幅度調(diào)制原理及特性4.2.1普通調(diào)幅（AM）1.普通調(diào)幅信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式首先討論調(diào)制信號為單頻余弦波時的情況，設(shè)調(diào)制信號為（4-2）設(shè)載波信號為（4-3）第十頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.2.1普通調(diào)幅（AM）

且,由幅度調(diào)制定義可知，幅度調(diào)制是用基帶信號控制載波的振幅，使載波的振幅隨基帶信號的規(guī)律變化，因此調(diào)制后形成的已調(diào)波可表示為（4-4）已調(diào)信號的振幅部分也可以表示為（4-5）第十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.2.1普通調(diào)幅（AM）式中因此，普通調(diào)幅信號可以表示為（4-6）由上式可以看出，普通調(diào)幅信號的電路模型可以由一個乘法器和一個加法器組成。如圖4-4所示。第十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.2.1普通調(diào)幅（AM）

圖4-4普通調(diào)幅電路模型第十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.2.1普通調(diào)幅（AM）

2.普通調(diào)幅信號的波形與頻譜按照上述簡單分析，只要已知基帶信號和載波，就可以畫出已調(diào)波的波形。在一個信號周期內(nèi)，其最大振幅為（4-7）第十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.2.1普通調(diào)幅（AM）

圖4-5普通調(diào)幅信號的波形與頻譜第十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.2.1普通調(diào)幅（AM）最小振幅為（4-8）由上兩式可得（4-9），且越大，調(diào)幅波的外包絡(luò)線凹陷越深，即調(diào)制越深。第十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.2.1普通調(diào)幅（AM）

圖4-6>1時，普通調(diào)幅信號波形圖第十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.2.1普通調(diào)幅（AM）

將式（4-6）利用三角函數(shù)公式展開得（4-10）由上式可見，普通調(diào)幅信號的頻譜包括三種頻率分量：（載波）、（上邊頻）、（下邊頻）第十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.2.1普通調(diào)幅（AM）

圖4-7一般調(diào)制信號的頻譜圖ωc－Ωmaxωc－Ωminωc+Ωmin

ωc+ΩmaxΩminΩmaxωBW基帶頻譜上邊帶下邊帶第十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.2.1普通調(diào)幅（AM）

從頻譜圖可以看出，原調(diào)制信號頻帶寬度為，普通調(diào)幅信號將調(diào)制信號頻譜搬移到載波的上下兩邊了，頻帶寬度第二十頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.2.1普通調(diào)幅（AM）

3.普通調(diào)幅信號的功率關(guān)系由式（4-10）可求得載波和上下邊頻在單位電阻上的平均功率載波功率（4-11）邊頻功率（4-12）調(diào)制信號在一個周期內(nèi)的平均功率第二十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.2.1普通調(diào)幅（AM）

（4-13）當(dāng)＝1時，包含有用信息的上下邊頻功率只占總功率的1/3,不含有用信息的載波功率占總功率的2/3。實(shí)際應(yīng)用中調(diào)幅系數(shù)是小于1的。因此，AM調(diào)制能量利用率是很低的。目前AM制式主要應(yīng)用于中、短波無線電廣播系統(tǒng)中，因?yàn)槠胀ˋM制式的解調(diào)電路簡單。第二十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日雙邊帶調(diào)幅信號（DSB）雙邊帶調(diào)幅信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為（4-14）即（4-15）第二十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日雙邊帶調(diào)幅信號（DSB）

雙邊帶調(diào)制實(shí)質(zhì)為一乘法器，其電路模型如圖圖4-8DSB信號產(chǎn)生電路模型uDSB(t)uc(t)uΩ(t)第二十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日雙邊帶調(diào)幅信號（DSB）

第二十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日雙邊帶調(diào)幅信號（DSB）

從上面頻譜圖可以得知，雙邊帶調(diào)制信號的頻譜寬度為

(4-16）雙邊帶調(diào)幅同普通調(diào)幅比較有以下特點(diǎn):第二十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日雙邊帶調(diào)幅信號（DSB）

1.從波形圖上看，DSB調(diào)幅信號包絡(luò)線不按調(diào)制信號規(guī)律變化，而AM調(diào)幅信號的包絡(luò)線按調(diào)制信號規(guī)律變化2.從高頻相位上看，DSB波高頻相位在調(diào)制信號過零點(diǎn)前后，相位發(fā)生的突變。3.從頻譜圖上看，DSB調(diào)幅信號不含載波分量，發(fā)射機(jī)有效功率利用率高，而AM調(diào)幅信號含有載波分量。發(fā)射機(jī)有效功率利用率低。4.從頻域上看，DSB調(diào)幅信號和AM調(diào)幅信號帶寬相同，均為，所以，信道的利用率仍然是不經(jīng)濟(jì)的。第二十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日單邊帶調(diào)幅信號（SSB）由式（4-15）可得SSB調(diào)幅信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為取上邊帶時

(4-17）取下邊帶時

(4-18）第二十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日單邊帶調(diào)幅信號（SSB）

從式(4-17)和式(4-18）看，單頻調(diào)制時，SSB信號是等幅波。其幅值與調(diào)制信號的幅值成正比，它的頻率隨調(diào)制信號變化而變化。因此它含有信息特征。如圖4-10所示為SSB調(diào)幅信號的波形圖和頻譜圖。第二十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日單邊帶調(diào)幅信號（SSB）

.圖4-10SSB調(diào)幅信號的波形圖和頻譜圖第三十頁，共八十四頁，2022年，8月28日單邊帶調(diào)幅信號（SSB）

單邊帶調(diào)幅的帶寬為

(4-19）單邊帶調(diào)幅電路有兩種實(shí)現(xiàn)方法濾波法移相法第三十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.2.4殘留邊帶調(diào)幅信號（VSB）單邊帶調(diào)幅方式有其優(yōu)點(diǎn)，但也存在接收機(jī)解調(diào)電路復(fù)雜、調(diào)諧困難等缺點(diǎn)。為克服這些困難，提出了殘留邊帶調(diào)幅方式。所謂殘留邊帶調(diào)幅（VSB）是指發(fā)送信號中包括一個完整邊帶、載波及另一個邊帶的小部分(即殘留一小部分)。第三十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日（a）（b）（c）第三十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.2.5幅度調(diào)制電路識讀圖4-18

MC1596構(gòu)成的普通調(diào)幅電路

第三十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.3角度調(diào)制原理與特性4.3.1概述角度調(diào)制是用調(diào)制信號控制載波信號的頻率或相位來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的角度調(diào)制是用調(diào)制信號控制載波信號的頻率或相位來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的角度調(diào)制信號與幅度調(diào)制信號相比，要占據(jù)更多的頻帶寬度第三十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.3.2調(diào)頻信號分析設(shè)載波信號表達(dá)式為

（4-22)

為載波的振幅為載波的瞬時相位為其角頻率，是一常數(shù)第三十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.2調(diào)頻信號分析

為載波的初相位，為簡化分析，常令＝0。設(shè)單音頻調(diào)制信號為

(4-23)根據(jù)調(diào)頻的定義，載波信號的瞬時頻率隨調(diào)制信號線性變化，可寫出

(4-24)第三十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.2調(diào)頻信號分析

為與調(diào)頻電路有關(guān)的比例常數(shù)，單位是rad／s.v又稱為調(diào)頻靈敏度表示瞬時頻率的線性變化部分，稱為瞬時頻偏，簡稱角頻偏。用表示其最大值，則

(4-25)第三十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.2調(diào)頻信號分析

表示瞬時角頻率偏離中心頻率的最大值。習(xí)慣上把最大頻偏稱為頻偏。根據(jù)瞬時相位與瞬時角頻率的關(guān)系可知，對式(4-24)積分可得調(diào)頻波的瞬時相位

(4-26)(4-27)表示調(diào)頻波瞬時相位與載波信號相位的偏移量，簡稱相移第三十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.2調(diào)頻信號分析

調(diào)頻波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(4-28)以上分析表明，在調(diào)頻時，瞬時角頻率的變化與調(diào)制信號成線性關(guān)系，瞬時相位的變化與調(diào)制信號積分成線性關(guān)系。設(shè)調(diào)制信號為單音頻

(4-29)第四十頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.3.2調(diào)頻信號分析將上式分別代入式(4-24)、（4-26）、(4-28)得瞬時角頻率

(4-30)

瞬時相位

(4-31)調(diào)頻信號數(shù)學(xué)表達(dá)式第四十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.2調(diào)頻信號分析

(4-32)

為調(diào)頻波的最大相移，又稱調(diào)頻指數(shù)。值可大于1給出了調(diào)制信號、瞬時頻偏、瞬時相偏、對應(yīng)的波形圖第四十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.2調(diào)頻信號分析

圖4-19調(diào)頻信號的波形圖第四十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.3.3調(diào)相信號分析根據(jù)調(diào)相波定義，載波信號的瞬時相位隨調(diào)制信號線性變化，即

(4-33)式中，為與調(diào)相電路有關(guān)的比例常數(shù)，單位是rad／v。令，則表示瞬時相位中與調(diào)制信號成線性變化的部分，稱為瞬時相位的相位偏移量，簡稱相移。用表示最大相移，則第四十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.3調(diào)相信號分析

(4-34)稱為調(diào)相波的調(diào)相指數(shù)根據(jù)瞬時頻率和瞬時相位之間的關(guān)系可知，對式(4-33)兩邊求導(dǎo)，可得調(diào)相波的瞬時頻率

(4-35)

調(diào)相波數(shù)學(xué)表達(dá)式為第四十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.3調(diào)相信號分析

(4-36)將單音頻調(diào)制信號分別代入式(4-33)、(4-35)、(4-36)得調(diào)相波第四十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.3調(diào)相信號分析

相移

(4-37)角頻偏

(4-38)數(shù)學(xué)表達(dá)式

(4-39)第四十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.3.4調(diào)角信號頻譜及頻帶寬度以調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式說明調(diào)角信號的頻譜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（4-40）將上式展開為傅立葉級數(shù)，省略級數(shù)展開時所涉及的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可得到調(diào)頻波的展開式：（4-41）第四十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.4調(diào)角信號頻譜及頻帶寬度

所謂窄帶調(diào)頻是指最大頻偏小于基帶頻率所謂寬帶調(diào)頻是指最大頻偏大于基帶頻率基于調(diào)頻波頻譜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，調(diào)角信號的有效頻譜寬度，可由卡森（Carson）公式給出：調(diào)頻波（4-41）調(diào)相波（4-42）第四十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日調(diào)頻信號的產(chǎn)生方法1.直接調(diào)頻法圖4-23變?nèi)荻O管符號和特性曲線0圖4-24變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理圖第五十頁，共八十四頁，2022年，8月28日調(diào)頻信號的產(chǎn)生方法

2.間接調(diào)頻法圖4-25間接調(diào)頻法原理框圖第五十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.3.6調(diào)頻電路識讀產(chǎn)生調(diào)頻信號的電路叫頻率調(diào)制器，簡稱調(diào)頻器1.調(diào)頻電路的質(zhì)量指標(biāo)（1）調(diào)制特性（2）調(diào)制靈敏度（3）中心頻率穩(wěn)定度（4）頻偏第五十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.6調(diào)頻電路識讀

2.變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路（1）變?nèi)荻O管饋電電路圖4-26變?nèi)荻O管饋電電路第五十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.6調(diào)頻電路識讀

圖4-27變?nèi)荻O管饋電等效電路（a）直流饋電等效電流(b)調(diào)制信號饋電等效電路第五十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.6調(diào)頻電路識讀

（2）變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路輸出調(diào)制信號偏置電壓圖4-28變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路第五十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.6調(diào)頻電路識讀

輸出調(diào)制信號偏置電壓圖4-28變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路第五十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.6調(diào)頻電路識讀

（3）晶體振蕩器直接調(diào)頻電路第五十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.6調(diào)頻電路識讀

第五十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.3.6調(diào)頻電路識讀

（4）變?nèi)荻O管間接調(diào)頻圖4-32變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路調(diào)制信號輸入調(diào)相波輸出載波信號輸入＋9V（a）（b第五十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.4數(shù)字信號調(diào)制原理與特性4.4.1概述4.4.2數(shù)字基帶信號表示方法表示數(shù)字基帶信號常用兩種方法：一種是波形圖法另一種是數(shù)學(xué)表達(dá)式法由于數(shù)字基帶信號可以是二進(jìn)制數(shù)，也可以是多進(jìn)制數(shù)，不同進(jìn)制所對應(yīng)的信號波形是不相同的。這里僅以二進(jìn)制數(shù)為例，說明如何用波形法表示數(shù)字基帶信號。第六十頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.2數(shù)字基帶信號表示方法

單極性波形和雙極性波形圖4-33(a)所示的是用單極性波來表示二進(jìn)制數(shù)，其特征是寬度為Tb的碼位有兩種狀態(tài)，即低電平和高電平，高電平用平數(shù)字“1”表示，低電平用數(shù)字“0”表示；而且電壓脈沖都是正的，這種二進(jìn)制數(shù)的脈沖屬單極性波。第六十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.2數(shù)字基帶信號表示方法

圖4-33二元信號波形101101ux(t)0tTb(a)(b)ux1(t)t0第六十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.2數(shù)字基帶信號表示方法

圖4-33(b)用正電平表示“1”，而負(fù)電平表示“0”，這種用正負(fù)兩種脈沖表示二進(jìn)制數(shù)的方法，稱為雙極性波。第六十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.2數(shù)字基帶信號表示方法

以基帶信號為單極性波時進(jìn)行說明。定義函數(shù)式中Tb為脈沖寬度，上式表明只有自變量t在0≤t<Tb范圍內(nèi)時，g(t)才等于1，除此之外都等于零，可見g(t)描述的是一個1～Tb之間的脈沖10≤t<Tbg(t)=0其他第六十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.2數(shù)字基帶信號表示方法

其波形如圖g(t-Tb)2Tb0t(b)圖4-34函數(shù)表示脈沖波(a)Tbg(t)0t4Tb0tg(t-3Tb)(c)第六十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.2數(shù)字基帶信號表示方法

改變自變量，可以得到不同時刻的脈沖，例如g(t-Tb)表示的是Tb至2Tb之間的脈沖，g(t-3Tb)表示的是3Tb至4Tb之間的脈沖波。通過對函數(shù)g(t)分析可知，數(shù)字基帶信號可以用數(shù)字序列表示，則（4-43）第六十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.2數(shù)字基帶信號表示方法

式中：an

——隨機(jī)變量，表示數(shù)字信息中兩種狀態(tài)，

an取0或1。g(t)——基帶信號碼元波形，常見的有矩形脈沖、升余弦脈沖、鐘形脈沖等；

——碼元寬度。第六十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.2數(shù)字基帶信號表示方法

g(t-Tb)2Tb0t(b)圖4-34函數(shù)表示脈沖波(a)Tbg(t)0t4Tb0tg(t-3Tb)(c)第六十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.4.3幅移鍵控調(diào)制(ASK)乘法器帶通載波發(fā)生器S（t）圖4-35相乘法產(chǎn)生ASK波方框圖第六十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.3幅移鍵控調(diào)制(ASK)

101101S(t)0tTbuc(t)00uASK(t)tt圖4-36相乘法產(chǎn)生ASK信號波形圖(a)(b)(c)第七十頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.3幅移鍵控調(diào)制(ASK)

1.相乘法相乘法就是將數(shù)字基帶信號S(t)和載波信號輸入乘法器相乘圖4-36為ASK信號產(chǎn)生的波形圖。第七十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日

4.4.3幅移鍵控調(diào)制(ASK)

2.開關(guān)控制法載波信號發(fā)生器開關(guān)控制器uc(t)S(t)uASK(t)圖4-37開關(guān)控制法產(chǎn)生ASK信號方框圖第七十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.4.4頻移鍵控調(diào)制(FSK)二進(jìn)制頻率鍵控是用數(shù)字基帶信號的兩種狀態(tài)“0”和“1”去控制載波的頻率。狀態(tài)為“1”，載波頻率為，狀態(tài)為“0”，載波的頻率為，如圖4-38所示為產(chǎn)生FSK信號的原理。第七十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日4.4.4頻移鍵控調(diào)制(FSK)圖4-38產(chǎn)生FSK信號原理方框圖振蕩器振蕩器開關(guān)控制器器UFSK(t)S(t)K2K1第七十四頁，共八十四頁，2022