第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)

第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)前言

低通和帶通信號(hào)信號(hào)的頻譜(頻率成分)分布在零頻附近的信號(hào)成為低通信號(hào)。帶通信號(hào)的頻譜常分布在遠(yuǎn)離零頻的某個(gè)頻率點(diǎn)fc附近，一般情況下fc遠(yuǎn)高于信號(hào)的帶寬。因此，帶通信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)小于fc，fc附近是信號(hào)頻率分布范圍。實(shí)際信道可以分為低通信道和帶通信道。低通信道可用于傳輸?shù)屯?基帶)信號(hào)，稱為基帶傳輸。帶通信道可用于傳輸帶通信號(hào)，稱為頻帶傳輸。fc-fc低通信號(hào)帶通信號(hào)我們需要將低通信號(hào)進(jìn)行頻帶傳輸：采用較高的頻率可以簡(jiǎn)化信號(hào)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)：低頻需要較大尺寸天線?？梢园讯鄠€(gè)基帶信號(hào)分別搬移到不同的載頻處，以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道的利用率。擴(kuò)展信號(hào)帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾能力、抗衰落能力，還可以實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。問(wèn)題基帶信號(hào)不能直接通過(guò)帶通信道和傳輸，要使基帶信號(hào)能夠通過(guò)帶通信道進(jìn)行傳輸，必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行變換，使其變換為適合帶通信道傳輸?shù)念l帶信號(hào)的形式。將基帶信號(hào)變換為頻帶信號(hào)的過(guò)程稱為調(diào)制調(diào)制的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

調(diào)制是讓基帶信號(hào)f(t)去控制載波的某個(gè)（或某些）參數(shù)，使該參數(shù)按照信號(hào)f(t)的規(guī)律變化的過(guò)程。被控制的信號(hào)稱為載波(carrier)－正弦波、脈沖序列。正弦信號(hào)作載波的調(diào)制叫連續(xù)波（CW）調(diào)制?？煽刂频膮?shù)：振幅f(t)、頻率ω0和相位θ(t)。

連續(xù)波調(diào)制分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。頻率調(diào)制和相位調(diào)制二者又統(tǒng)稱為角度調(diào)制，簡(jiǎn)稱角調(diào)。

調(diào)制調(diào)制分類：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制中，調(diào)制信號(hào)是模擬信號(hào)。數(shù)字調(diào)制中，調(diào)制信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。其它調(diào)制方式的基礎(chǔ)調(diào)制器解調(diào)器m(t)數(shù)字或模擬信號(hào)模擬信號(hào)m(t)s(t)fcS(f)信號(hào)編碼:數(shù)字信號(hào)承載模擬或數(shù)字信號(hào)稱為編碼數(shù)字信號(hào)編碼成數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)編碼成數(shù)字信號(hào)。編碼器解碼器g(t)數(shù)字或模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)g(t)x(t)fcx(t)載波提綱

幅度調(diào)制：標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅(AM)抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB)單邊帶調(diào)幅(SSB)殘留邊帶調(diào)幅(VSB)模擬調(diào)制系統(tǒng)提綱

幅度調(diào)制：標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅(AM)抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB)單邊帶調(diào)幅(SSB)殘留邊帶調(diào)幅(VSB)

基本思想

AM信號(hào)的波形與頻譜

AM波的調(diào)制

AM波的產(chǎn)生

AM波的解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅(AM)基本思想幅度調(diào)制的基本作用就是頻譜搬移，使基帶信號(hào)的頻譜搬移到載頻附近，以便信號(hào)能夠有效地傳輸或者實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用。標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅(AM)的實(shí)現(xiàn)：用信號(hào)f(t)去控制載波C(t)的振幅，使已調(diào)波的包絡(luò)按照f(shuō)(t)的規(guī)律線性變化。其中f(t)稱為調(diào)制信號(hào)，C(t)稱為載波。這種調(diào)制方式在無(wú)線電廣播系統(tǒng)中占有主要地位。AM信號(hào)的波形及頻譜調(diào)制信號(hào):f(t)載波已調(diào)信號(hào)：一般假定因此根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)可以得到已調(diào)信號(hào)的頻域表達(dá)未調(diào)載波的振幅載波的角頻率AM信號(hào)的波形及頻譜清晰頻譜圖示參見(jiàn)附件動(dòng)畫(huà)調(diào)制信號(hào)波形與頻譜A0+f(t)的波形及頻譜USB：上邊帶LSB:下邊帶載波波形及頻譜已調(diào)波波形及頻譜標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅的物理意義

F(ω)搬移了±ω0，載波分量πA0[δ(ω-ω0)+δ(ω+ω0)]，邊帶分量[F(ω-ω0)+F(ω+ω0)]/2。|φAM(ω)|對(duì)于±ω0對(duì)稱。高于ω0的頻譜叫做上邊帶，低于ω0的頻譜叫下邊帶。對(duì)于負(fù)頻率，上邊帶低于-ω0，下邊帶高于-ω0。由頻譜圖可知，AM信號(hào)的頻譜是由載頻分量和上、下兩個(gè)邊帶組成。上邊帶的頻譜與原調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。USB：上邊帶LSB:下邊帶標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅的物理意義顯然，無(wú)論是上邊帶還是下邊帶，都含有原調(diào)制信號(hào)的完整信息。故AM信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬為基帶信號(hào)帶寬的兩倍。即：2Wm。要求保證已調(diào)波的包絡(luò)和f(t)的形狀完全相同，否則出現(xiàn)過(guò)調(diào)制，產(chǎn)生包絡(luò)失真。USB：上邊帶LSB:下邊帶要<=1幅度調(diào)制的示例波形和頻譜【例】調(diào)制信號(hào)f(t)=Amcosωmt求已調(diào)信號(hào)表達(dá)式及頻譜。解：?(t)的頻譜為：利用傅里葉頻移性質(zhì)得到已調(diào)信號(hào)的頻譜AM波的產(chǎn)生數(shù)學(xué)模型：可利用加法器和乘法器運(yùn)算實(shí)現(xiàn)f(t)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)調(diào)制的逆過(guò)程叫做解調(diào)。相干解調(diào)要求本地載波和發(fā)送載波必須相干或同步，即二者必須保持同頻同相。相干解調(diào)也叫做同步解調(diào)。非相干解調(diào)：使用包絡(luò)檢測(cè)電路從帶有大載波的調(diào)幅信號(hào)中恢復(fù)出來(lái)原來(lái)的調(diào)制信號(hào)。檢波效率高，幾乎所有AM式接收機(jī)都采用這種解調(diào)方式。包絡(luò)檢測(cè)電路檢測(cè)過(guò)程波形標(biāo)準(zhǔn)幅度相干調(diào)制輸入信號(hào)為：與本地載波相乘

輸出當(dāng)，即載波同步時(shí)：直流分量可以通過(guò)隔直元件消除，從而可以無(wú)失真地恢復(fù)原始信號(hào)低通濾波器濾除該分量波形及其頻譜如圖AM非相干調(diào)制包絡(luò)檢波器電路輸出詳細(xì)過(guò)程參見(jiàn)附件動(dòng)畫(huà)演示根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦裕褂幂d波的周期變換給電容器沖、放電，使電容器兩端電壓呈現(xiàn)具有頻率的波紋，并通過(guò)低通濾波器濾除。本節(jié)總結(jié)幅度調(diào)制在波形上，它的幅度隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移。由于這種搬移是線性的，因此幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制，相應(yīng)地，幅度調(diào)制系統(tǒng)也稱為線性調(diào)制系統(tǒng)。采用AM調(diào)制傳輸信息的好處是解調(diào)電路簡(jiǎn)單，可采用包絡(luò)檢波法。缺點(diǎn)是調(diào)制效率低，載波分量不攜帶信息，但卻占據(jù)了大部分功率，白白浪費(fèi)掉。如果抑制載波分量的傳送，則可演變出另一種調(diào)制方式，即抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）作業(yè)假設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)為具有以下形式的正弦波，確定其標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號(hào)和上下邊帶。標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅(AM)缺點(diǎn)在AM波中，載波本身并不攜帶有用信息，卻占據(jù)50%以上的功率。如果將載波完全抑制掉，就可以提高效率。AM波的頻譜：因此，如果將A0=0，則可以抑制掉載波分量提綱

幅度調(diào)制：標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅(AM)抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB)單邊帶調(diào)幅(SSB)DSB信號(hào)的調(diào)制AM波表達(dá)式：令A(yù)0=0:根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)可以得到已調(diào)信號(hào)的頻域表達(dá)由于DSB信號(hào)的頻譜中沒(méi)有載波分量，只有邊頻分量，所以其效率達(dá)到了100%DSB信號(hào)的波形及頻譜參見(jiàn)附件動(dòng)畫(huà)調(diào)制信號(hào)波形與頻譜載波波形及頻譜已調(diào)波波形及頻譜調(diào)制信號(hào)f(t)在f(t)改變符號(hào)的時(shí)刻載波出現(xiàn)反相，其包羅形狀不再與f(t)的形狀相同，而是按照|f(t)|的規(guī)律變化。因此，只能采用相干解調(diào)DSB信號(hào)的調(diào)制模型與解調(diào)DSB的調(diào)制模型DSB的相干解調(diào)模型由抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的頻譜可知，如果將已調(diào)信號(hào)的頻譜搬回到原點(diǎn)位置，即可得到原始的調(diào)制信號(hào)頻譜，從而恢復(fù)出原始信號(hào)。解調(diào)中的頻譜搬移同樣可用調(diào)制時(shí)的相乘運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。與本地載波相乘得到用一個(gè)低通濾波器可以將上式中第2項(xiàng)消除，即無(wú)失真地恢復(fù)出原始的調(diào)制信號(hào)。相干解調(diào)的關(guān)鍵是必須產(chǎn)生一個(gè)同頻同相的載波。如果同頻同相的條件得不到保證，則會(huì)破壞原始信號(hào)的恢復(fù)。抑制載波雙邊帶調(diào)幅特點(diǎn)

抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的時(shí)間波形的包絡(luò)已不再與調(diào)制信號(hào)形狀一致，因而不能采用包絡(luò)檢波來(lái)恢復(fù)調(diào)制信號(hào)。抑制載波的雙邊帶調(diào)幅雖然節(jié)省了載波功率，但已調(diào)信號(hào)的頻帶寬度仍為調(diào)制信號(hào)的兩倍，與常規(guī)雙邊帶調(diào)幅時(shí)相同。上、下兩個(gè)邊帶是完全對(duì)稱的，它們所攜帶的信息相同，完全可以用一個(gè)邊帶來(lái)傳輸全部消息。這種傳輸方式除了節(jié)省載波功率之外，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，即為單邊帶調(diào)制。提綱

幅度調(diào)制：標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅(AM)抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB)單邊帶調(diào)幅(SSB)單邊帶調(diào)幅(SSB)單邊帶調(diào)制中只傳送雙邊帶調(diào)制信號(hào)的一個(gè)邊帶。因此傳送單邊帶信號(hào)的最直接的方法是讓雙邊帶信號(hào)通過(guò)一個(gè)單邊帶濾波器，濾除不要的邊帶，即可得到單邊帶信號(hào)。把這種方法稱為濾波法，它是最簡(jiǎn)單也是最常用的方法。濾波法產(chǎn)生單邊帶調(diào)幅(SSB)用乘法器產(chǎn)生一個(gè)雙邊帶信號(hào)然后濾掉其中的一個(gè)邊帶單邊帶調(diào)幅(SSB)只傳輸兩個(gè)USB或兩個(gè)LSB都代表一個(gè)實(shí)際信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：比AM和DSB的帶寬減小一倍，信道利用率高，節(jié)省功率。表示將f(t)的所有頻率分量相移了-π/2后的結(jié)果。單邊帶調(diào)幅(SSB)解調(diào)輸入信號(hào)與本地載波相乘得到LPF濾除2ω0頻率成分，輸出當(dāng)AM無(wú)線電的標(biāo)準(zhǔn)帶寬分配AM所需的總帶寬可以由音頻信號(hào)的帶寬確定，即BAM=2B音頻音頻信號(hào)(語(yǔ)音和音樂(lè))的帶寬通常是5kHz。所以一個(gè)調(diào)幅的無(wú)線電臺(tái)需要的最小帶寬是10kHz。AM電臺(tái)可以使用在5300kHz~1700kHz之間的任何一個(gè)頻率作為載波頻率，但是每個(gè)調(diào)幅電臺(tái)的載波頻率與其它電臺(tái)的載波頻率間隔至少是10kHz(1個(gè)AM帶寬)，以避免干擾。所以，如果一個(gè)電臺(tái)使用的載波頻率是1100kHz，下一個(gè)電臺(tái)的載波頻率不能低于1110kHz。提綱

角度調(diào)制：角度調(diào)制基本思想調(diào)相調(diào)頻角度調(diào)制載波的相角受調(diào)制信號(hào)的控制而變化的過(guò)程叫做角度調(diào)制。分為：相位調(diào)制(PM)和頻率調(diào)制(FM)角調(diào)波－具有恒定振幅A和瞬時(shí)相角θ(t)的正弦波，其中θ(t)是已調(diào)信號(hào)的相角，隨時(shí)間變化瞬時(shí)頻率ω(t)和瞬時(shí)相角θ(t)關(guān)系：調(diào)相波(PM波)是用調(diào)制信號(hào)控制載波的的相位變化若載波的瞬時(shí)相角θ(t)與信號(hào)f(t)呈線性函數(shù)關(guān)系，就稱之為PM波。即：ω0-常數(shù)，固定角頻率；θ0－常數(shù)，起始相角；Kp－調(diào)制常數(shù)，也叫調(diào)制靈敏度，表示單位調(diào)制信號(hào)引起的相位偏移。

Kpf(t)稱為瞬時(shí)相位偏移，其最大值調(diào)相波——相位調(diào)制的信號(hào)波根據(jù)以上分析知：PM波可表示為如果調(diào)制信號(hào)βPM=KPAm，叫做調(diào)相指數(shù)，代表調(diào)相波的最大相位偏移ΔθPM。調(diào)相波——相位調(diào)制的信號(hào)波調(diào)相波的波形示意調(diào)頻波——頻率調(diào)制信號(hào)波形調(diào)頻波：若正弦波的瞬時(shí)頻率ω(t)與信號(hào)f(t)呈線性函數(shù)關(guān)系，則稱之為FM波。ω0－固定角頻率；Kf－調(diào)制常數(shù)。最大頻率偏移FM波的瞬時(shí)相角FM波正弦調(diào)制信號(hào)叫做調(diào)頻指數(shù)，代表調(diào)頻波的最大相位偏移△θFM。調(diào)頻波——頻率調(diào)制信號(hào)波形FM實(shí)際帶寬很難完全確定，但從經(jīng)驗(yàn)上是模擬信號(hào)的若干倍。調(diào)頻波的波形示意：FM和PM之間的關(guān)系令作為調(diào)制信號(hào)代入調(diào)頻波表達(dá)式，可得到g1

(t)的調(diào)相波。若