第11章調(diào)制和解調(diào)

第11章調(diào)制和解調(diào)

調(diào)制：用攜有消息的信息信號去控制或改變一個(gè)高頻振蕩信號的某些參數(shù)的過程，稱為調(diào)制。11.1調(diào)制的概念調(diào)制信號：信息信號uΩ(t)，載波：高頻振蕩信號uc(t)，已調(diào)信號：調(diào)制后含有發(fā)送信息的信號u(t)。常用名詞：解調(diào)：是調(diào)制的逆過程，即從已調(diào)信號中還原出有用信息信號的過程。調(diào)制模擬調(diào)制：調(diào)制信號為模擬信號。數(shù)字調(diào)制：調(diào)制信號為數(shù)字信號。（調(diào)制波形式不同）調(diào)制連續(xù)波調(diào)制：載波為正弦波信號。脈沖調(diào)制：載波為脈沖信號。（載波形式不同）調(diào)制的分類幅度調(diào)制（調(diào)幅AM）:用信息信號控制載波信號的振幅。頻率調(diào)制（調(diào)頻FM）:用信息信號控制載波信號的頻率。相位調(diào)制（調(diào)相PM）:用信息信號控制載波信號的相位。連續(xù)波調(diào)制的分類：11.2連續(xù)波幅度調(diào)制幅度調(diào)制有四種：①標(biāo)準(zhǔn)幅度調(diào)制（StandardAM）；②雙邊帶幅度調(diào)制（DSBAM）；③單邊帶幅度調(diào)制（SSBAM）；④殘留邊帶幅度調(diào)制（VSBAM）。

11.2.1標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅

圖11.1AM調(diào)制(a)載波；(b)調(diào)制信號；(c)已調(diào)波特點(diǎn)：載波的幅度隨調(diào)制信號變化而變化。包絡(luò)：最大幅度點(diǎn)的連線。設(shè)調(diào)制信號為：載波信號為：

已調(diào)波表達(dá)式為：

標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波數(shù)學(xué)表達(dá)式：稱“調(diào)幅指數(shù)”或“調(diào)幅度”。調(diào)幅指數(shù)ma越大，幅度變化越劇烈。ma=0時(shí)，沒有調(diào)幅，為原載波。ma=1時(shí)，UΩm=Ucm,幅度在0~2Ucm之間變化，為100%的調(diào)幅。ma>1時(shí)，UΩm>Ucm,過調(diào)幅，包絡(luò)信號失真。為了保證已調(diào)波的包絡(luò)反映調(diào)制信號的變化，必須使：

0<ma≤1示波器測量ma的方法UmmaxUmminUmmax=UCm(1+ma)Ummin=UCm(1-ma)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波的頻譜三個(gè)頻率成分：載頻：ωC上邊頻：ωC+Ω下邊頻：ωC–Ω圖5.6AM調(diào)制的頻譜關(guān)系帶寬：BW=2ΩUCmUCmUCm上下邊頻包含調(diào)制信號頻率，表明攜帶調(diào)制信號特性，而載波分量與調(diào)制信號無關(guān)

上面分析的調(diào)制信號uΩ是單一頻率的信號，實(shí)際上調(diào)制信號都是由多頻率成分組成的。如語音信號的頻率主要集中在300~3400Hz范圍。多頻率信號的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅圖11.4多頻調(diào)制ＡM信號頻譜BWAM=2Ωmax廣播電臺(tái)播送語音信號，AM已調(diào)波的帶寬等于6800Hz，相鄰兩個(gè)電臺(tái)載波頻率的間隔必須大于6800Hz，通常取為10kHz。

調(diào)幅過程實(shí)質(zhì)上是一種頻譜線性搬移。經(jīng)過調(diào)制后，已調(diào)信號的頻譜由低頻處搬移到載頻附近，形成上下邊帶?？偨Y(jié)

帕塞瓦爾公式：已調(diào)波UAM在單位電阻上消耗的平均功率Pav應(yīng)當(dāng)?shù)扔诟鱾€(gè)頻率成分所消耗的平均功率之和，即等于載波功率PC和邊頻功率PSB之和載波功率：AM波各頻率功率的分布邊帶功率PSB等于上邊頻功率PSB上與下邊頻功率PSB下之和。上PSB與下PSB相等，有UCmUCmUCm

總的邊頻功率等于：

所以，已調(diào)波在單位電阻上消耗的平均功率

邊頻功率與總功率之比：當(dāng)ma=1時(shí)，比值達(dá)到最大值0.33。AM調(diào)制很不經(jīng)濟(jì)。普通調(diào)幅波形成框圖一uAM=KMUcmcosωctUΩmcosΩt+Ucmcosωct=Ucm(1+macosΩt)cosωctma=KMUΩm實(shí)現(xiàn)AM的方案普通調(diào)幅波形成框圖二uΩ(t)UCmuAM(t)+CosωCtuC(t)

uAM(t)

KMRp

R

R

R

UD

uΩ

11.2.2雙邊帶調(diào)幅(DSB)

雙邊帶調(diào)制是傳送上、下邊帶而抑制載波的一種調(diào)制方式。圖11.6DSB調(diào)制實(shí)現(xiàn)框圖uDSB=KuΩuC=KUΩmUCmCosΩtCosωCtuΩ

t

uDSB

0

0

180度相位突變

t圖11.8DSB已調(diào)波時(shí)域波形DSB調(diào)幅波的頻譜W0w

UΩm

w

0

ωC+ΩωCωC–ΩBW=2Ω多頻調(diào)制信號DSB的頻譜

11.2.3單邊帶調(diào)幅(SSB)單邊帶調(diào)制是僅傳送一個(gè)邊帶的調(diào)制方法。濾波法圖11.10單頻調(diào)制SSB信號的頻譜上邊帶調(diào)制：只傳送上邊帶信號時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式：時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式：下邊帶調(diào)制：只傳送下邊帶信號圖11.11單頻調(diào)制SSB信號波形圖UΩm相移法上述濾波法要求濾波器過渡帶很陡，當(dāng)調(diào)制信號中的低頻分量越豐富時(shí)，濾波器的過渡帶要求越窄，實(shí)現(xiàn)起來就越困難。另一種方法叫相移法圖11.12相移法實(shí)現(xiàn)SSB框圖殘留邊帶調(diào)制的頻譜11.3角度調(diào)制的基本概念

無論是調(diào)頻或調(diào)相，都使得載波的總相角發(fā)生變化，因此兩者統(tǒng)稱為角度調(diào)制。

載波信號的頻率和相位隨調(diào)制信號變化的調(diào)制分別稱為頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)，簡稱調(diào)頻和調(diào)相。

調(diào)頻：電報(bào)通信、調(diào)頻廣播、無線電視、模擬通信系統(tǒng)調(diào)相：數(shù)字通信的相移鍵控。

調(diào)制信號：uΩ(t)

載波：uC(t)=UCmcosωCt

調(diào)頻信號uFM(t)的瞬時(shí)角頻率ω(t)不再是常數(shù)ωC,而是隨調(diào)制信號的變化而變化：調(diào)頻波的數(shù)學(xué)表達(dá)式ω(t)=ωC+kfuΩ(t)ωC：中心頻率kf：調(diào)頻比例常數(shù)kfuΩ(t)=Δω：頻率偏移調(diào)頻信號uFM(t)的瞬時(shí)相位φ(t)時(shí)域調(diào)頻信號的一般表達(dá)式：設(shè)調(diào)制信號：uΩ(t)=UΩmcosΩt瞬時(shí)角頻率：ω(t)=ωC+kfuΩ(t)=ωC+kfuΩmcosΩt?ω最大頻偏：?ωm=kfuΩm調(diào)頻指數(shù)總結(jié)：調(diào)頻信號的基本參量是振幅UCm(恒定的)、載波中心頻率ωC、最大頻偏Δωm和調(diào)頻指數(shù)mf。調(diào)頻比例常數(shù)kf是由電路決定的一個(gè)常數(shù)。調(diào)相波的數(shù)學(xué)表達(dá)式：調(diào)制信號：uΩ(t)

載波：uC(t)=UCmcosωCt

調(diào)相信號uPM(t)的瞬時(shí)相位φ(t)不再是ωCt,而是隨調(diào)制信號的變化而變化：φ(t)=ωCt+kpuΩ(t)kp：調(diào)相比例常數(shù)kpuΩ(t)=Δφ(t)：相位偏移時(shí)域調(diào)相信號的一般表達(dá)式：設(shè)調(diào)制信號：uΩ(t)=UΩmcosΩt瞬時(shí)相位：φ(t)=ωCt+kpuΩ(t)=ωCt+kpuΩmcosΩt?φ(t)調(diào)相指數(shù)：mP=kpuΩm=?φm

(最大相偏)瞬時(shí)角頻率稱為最大頻偏圖11.13調(diào)頻和調(diào)相信號波形調(diào)相信號的頻率隨調(diào)制信號的導(dǎo)數(shù)變化而變化。調(diào)頻與調(diào)相的聯(lián)系與區(qū)別

無論是調(diào)頻或調(diào)相，調(diào)制指數(shù)都是最大頻偏和調(diào)制頻率之比。

無論是調(diào)相波還是調(diào)頻波，都同時(shí)存在著頻偏和相偏，但是因?yàn)檎{(diào)相波是以相位的變化直接反映調(diào)制信號，所以其最大相移與調(diào)制信號的振幅成正比，

而調(diào)頻信號是以頻率的變化直接反映調(diào)制信號，所以其最大頻偏與調(diào)制信號的振幅成正比。最大相偏：?φm=mP=kpuΩm

最大頻偏：?ωm=mfΩ=kfuΩm

把小于未調(diào)制的載波幅度UCm的百分之一的各邊頻分量忽略不計(jì)來確定調(diào)頻信號的帶寬。調(diào)頻波的有效帶寬估算目前，廣泛應(yīng)用的調(diào)頻信號帶寬的計(jì)算公式是卡森公式當(dāng)mf<<1時(shí)，BW=2Ω——窄帶調(diào)頻當(dāng)mf>>1時(shí)，BW=2?ωm——寬帶調(diào)頻調(diào)角波的有效帶寬估算當(dāng)m<<1時(shí)，BW=2Ω——窄帶調(diào)角當(dāng)m>>1時(shí)，BW=2?ωm——寬帶調(diào)角

采用調(diào)頻信號的分析方法，同樣可以得到調(diào)相信號的頻譜，它與調(diào)頻信號頻譜的差異僅僅是各邊頻分量的相移不同。帶寬的計(jì)算仍可采用卡森公式：調(diào)頻和調(diào)幅的對比1、調(diào)幅系統(tǒng)：有用信息蘊(yùn)藏在幅度之中，易受外界干擾，信噪比低。調(diào)頻系統(tǒng)：有用信息蘊(yùn)藏在頻率之中（波形的疏密變化），不易受外界干擾，信噪比高。2、調(diào)幅系統(tǒng)：窄帶系統(tǒng)，BW≤2Ω。調(diào)頻系統(tǒng)：寬帶系統(tǒng)，BW較大。3、調(diào)幅系統(tǒng)：ma<1。調(diào)頻系統(tǒng)：mf或mp可任意取值。調(diào)頻電路直接調(diào)頻法：變?nèi)荻O管調(diào)頻利用可控電抗元件改變LC并聯(lián)回路的諧振頻率，可以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制?？煽仉娍乖姆N類很多，其中最常用的是變?nèi)荻O管和電抗管。變?nèi)荻O管的結(jié)電容CT與管子兩端的反向電壓uD的關(guān)系為TT0nCT0：uD=0時(shí)的結(jié)電容（靜態(tài)電容）UB：勢壘電壓。鍺：0.2~0.3V,硅：0.7V,n：變?nèi)葜笖?shù)。n越大，uD對CT的調(diào)節(jié)能力越大。變?nèi)荻O管符號和結(jié)電容變化曲線

(a)變?nèi)莨芊枺?b)變?nèi)萏匦訲0圖8.24變?nèi)莨芙Y(jié)電容隨時(shí)間變化曲線圖11.18變?nèi)荻O管構(gòu)成的直接調(diào)頻電路的LC回路交流等效電路DQCDQCDQ令n=2,則：設(shè)：其中：是由電路決定的參數(shù)，m=kfUm為最大頻偏，與調(diào)制信號幅度有關(guān)。

間接調(diào)頻是利用調(diào)頻信號和調(diào)相信號之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過調(diào)相來實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。間接調(diào)頻電路調(diào)頻波的瞬時(shí)相位:瞬時(shí)相移：因此：調(diào)頻波的相位變化與調(diào)制信號的積分成正比圖11.19間接調(diào)頻11.7解調(diào)

解調(diào)是從已調(diào)波中提取出調(diào)制信號的過程，是調(diào)制的逆過程。解調(diào)又叫檢波。11.7.1調(diào)幅波的解調(diào)圖11.20峰值包絡(luò)檢波器電路及工作原理二極管峰值包絡(luò)檢波器

當(dāng)uD>0時(shí)，二極管導(dǎo)通，信源us通過二極管對電容C充電，充電的時(shí)常數(shù)約等于RDC。由于二極管導(dǎo)通電阻RD很小，因此電容上的電壓迅速達(dá)到信源電壓us的幅值。當(dāng)

uD<0時(shí)，二極管截止，電容C通過電阻R放電。放大常數(shù)RC，由于RL較大，因此C放電不會(huì)緊隨載波變換，而是緩慢的按指數(shù)規(guī)律變化。 當(dāng)然，R也不能過大，否則出現(xiàn)惰性失真。

圖2.21惰性失真RC的取值范圍：從頻譜的角度分析

標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波中含有載頻和邊頻分量，通過二極管的非線性作用，產(chǎn)生Ω和許多高次諧波,RC產(chǎn)生低通濾波器，濾除高次分量，留下Ω頻率，完成解調(diào)工作。同步檢波對于DSB,SSB等不能采用包絡(luò)檢波器，而采用同步檢波的方法來實(shí)現(xiàn)。 原理：在頻域，只要將調(diào)制后的頻譜搬移回來，因此可以利用乘法器實(shí)現(xiàn)解調(diào)：圖11.22乘積型同步檢波器框圖

設(shè)：信源是一個(gè)雙邊帶信號

us=UsmcosΩt·cosωCt

本地載波是一個(gè)與調(diào)制信號的載波同頻同相的信號

u1=U1mcosωCt

兩個(gè)信號相乘

通過低通濾波器濾除高頻，得到的低頻信號就是調(diào)制信號。檢波的輸出

其中，kd=(kM·kF)/2，kM是乘法器的增益，kF是低通濾波器的增益。本地載波必須嚴(yán)格同步（同頻同相）若本地載波不同步：通過LPF后：產(chǎn)生了頻偏和相偏。頻偏為20HZ時(shí)，就會(huì)察覺聲音不自然，偏200HZ，語音可懂率明顯下降。11.7.2調(diào)角波的解調(diào)

調(diào)相波和調(diào)頻波不能直接使用包絡(luò)檢波器來解調(diào)相波和調(diào)頻波，必須采用相位檢波器（鑒相器）和頻率檢波器（鑒頻器），但是包絡(luò)檢波器可以作為某些鑒相器或鑒頻器的一個(gè)組成部分，而鑒相器又可以作為某些鑒頻器的一個(gè)組成部分

1.鑒相原理 調(diào)相信號的解調(diào)叫做相位檢波，簡稱鑒相。它是將調(diào)相信號的相位［ωCt+mpf(t)］與載波的相位ωCt相減，取出它們的相位差mpf(t)，并反映到輸出電壓上，從而實(shí)現(xiàn)相位檢波。鑒相器可以看成相位/電壓變換器乘積型模擬鑒相器為了能夠正確地鑒別兩個(gè)輸入信號相位的超前和滯后關(guān)系，兩個(gè)輸入信號必須有π/2的固定相差。

乘積型模擬鑒相器LuMLuM利用三角函數(shù)展開：通過低通濾波器：其中：當(dāng)圖11.23正弦鑒相特性線性范圍一般為。當(dāng)|e|大于/2時(shí)，uo與e是多值關(guān)系，即對于同一個(gè)輸出電壓uo存在多個(gè)e，因此不能正確實(shí)現(xiàn)鑒相，所以/2為具有正弦鑒相特性的鑒相器的最大鑒相范圍。

此外，為了衡量輸出電壓uo對誤差相位θe的靈敏程