通信原理與通信技術(shù)3版第2章

1第2章模擬調(diào)制22.1調(diào)制的概念2.3常規(guī)雙邊帶調(diào)幅(AM)

2.5單邊帶調(diào)制(SSB)

2.6殘留邊帶調(diào)制(VSB)2.8頻分復(fù)用(FDM)

2.10調(diào)制的功能與分類

2.2抑制載波的雙邊帶調(diào)幅(DSB)2.7插入載波的包絡(luò)檢波2.9角調(diào)制2.4AM和DSB的性能比較第2章模擬調(diào)制主要內(nèi)容3

通信原理所含的主要知識(shí)是：調(diào)制，解調(diào)，編碼，譯碼。

把聲音快速遠(yuǎn)距離的傳輸出去有兩種方法：1.鋪設(shè)一條長(zhǎng)距離有線傳輸介質(zhì)；2.利用無線電通信；第2章模擬調(diào)制2.1

調(diào)制的感念

4方法一其傳輸成本之高、線路利用率之低，人們無法接受。

方法二中，利用無線電通信時(shí)，需滿足一個(gè)基本條件：欲發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)（兩個(gè)相鄰波峰或波谷之間的距離）必須能與發(fā)射天線的幾何尺寸可比擬。而音頻信號(hào)的頻率范圍是20Hz～20kHz，最小的波長(zhǎng)為：第2章模擬調(diào)制5調(diào)制：讓載波的某個(gè)參數(shù)（或幾個(gè)）隨調(diào)制信號(hào)（原始信號(hào)）的變化而變化的過程或方式。

載波通常是一種用來搭載原始信號(hào)（信息）的高頻信號(hào)，它本身不含有任何有用信息。調(diào)制也可以理解為一個(gè)信號(hào)（原始信號(hào)）對(duì)另一個(gè)信號(hào)（高頻信號(hào)）的控制。第2章模擬調(diào)制6生活中，人們要把一件貨物運(yùn)到遠(yuǎn)方，就必須使用運(yùn)載工具，或汽車、或火車、或飛機(jī)。在這里，貨物相當(dāng)于調(diào)制信號(hào)，運(yùn)載工具相當(dāng)于載波。把貨物裝到運(yùn)載工具上相當(dāng)于調(diào)制，從運(yùn)載工具上卸下貨物就是解調(diào)。這個(gè)例子（見圖2-1）雖然不十分貼切，但可以幫助理解調(diào)制與解調(diào)的感念。第2章模擬調(diào)制7這稱為調(diào)制定理，是調(diào)制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

若一個(gè)信號(hào)f(t)與一個(gè)正弦型信號(hào)相乘，從頻譜上看，相當(dāng)于把f(t)的頻譜搬移到處。設(shè)f(t)的傅里葉變換（也可稱為頻譜）為F(ω)，則有:第2章模擬調(diào)制(2.1-1)8第2章模擬調(diào)制9幅度調(diào)制將調(diào)制信號(hào)調(diào)制到載波的幅值參量上的方法，簡(jiǎn)稱調(diào)幅。

通過上述調(diào)制方法，我們就可以將多路調(diào)制信號(hào)分別調(diào)制到不同頻率的載波上去，只要它們的頻譜在頻域上不重疊，我們就可以想辦法把它們分別提取出來，實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用。

同樣，我們也可將一低頻信號(hào)調(diào)制到一個(gè)高頻載波上去，完成低到高的頻率變換，從而通過幾何尺寸合適的天線將信號(hào)發(fā)射出去。第2章模擬調(diào)制102.2抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB）

抑制載波的雙邊帶調(diào)幅：已調(diào)信號(hào)的頻譜中包含上、下兩個(gè)邊帶且沒有沖激分量的調(diào)幅方法。抑制載波的雙邊帶調(diào)幅已調(diào)信號(hào)通常記為。

第2章模擬調(diào)制11第2章模擬調(diào)制12第2章模擬調(diào)制13

DSB信號(hào)的解調(diào)

解調(diào)：把從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)調(diào)制信號(hào)的過程或方法。對(duì)于抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)通常采用相干解調(diào)法。第2章模擬調(diào)制(2.1-2)14

相干解調(diào)或同步解調(diào)：在接收端利用同頻同相載波對(duì)抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號(hào)直接相乘進(jìn)行解調(diào)的方法。第2章模擬調(diào)制15在抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號(hào)中，已調(diào)信號(hào)的幅值雖然隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，但它的時(shí)域波形包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)并不一樣。我們注意到已調(diào)信號(hào)的波形在幅值的形狀上（包絡(luò)上）部分地與調(diào)制信號(hào)相同。常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）：已調(diào)信號(hào)的頻譜中包含上、下兩個(gè)邊帶且有沖激分量的調(diào)幅方法。第2章模擬調(diào)制2.3

常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）

17第2章模擬調(diào)制18設(shè)調(diào)制信號(hào)為f(t)，其頻譜為F(ω)，即有f(t)F(ω)A+f(t)2πAδ(ω)+F(ω)

設(shè)載波為c(t)：

則已調(diào)信號(hào)：其頻譜為第2章模擬調(diào)制(2.3-1)(2.3-2)19AM信號(hào)的解調(diào)

AM的解調(diào)是采用包絡(luò)解調(diào)法或叫包絡(luò)檢波法，包絡(luò)檢波器如下。第2章模擬調(diào)制20【例題2-1】畫出下圖所示原始（基帶）信號(hào)的DSB和AM波形以及通過包絡(luò)檢波后的波形，并說明包絡(luò)檢波后的波形差別。第2章模擬調(diào)制21解：該信號(hào)的DSB、AM、DSB的解調(diào)波形和AM的解調(diào)波形分別如下圖的a、b、c、d所示。顯然，DSB的解調(diào)波形包絡(luò)與原信號(hào)相比，已嚴(yán)重失真，而AM的解調(diào)波形包絡(luò)沒有變化，說明DSB信號(hào)不能直接采用包絡(luò)檢波。第2章模擬調(diào)制22主要從兩個(gè)方面來對(duì)AM和DSB加以比較：

1.發(fā)射效率，

2.是總的使用成本。

AM調(diào)制：AM調(diào)制的效率低，導(dǎo)致發(fā)射功率比DSB大，但其解調(diào)電路簡(jiǎn)單。一般多用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信中。

DSB調(diào)制：DSB調(diào)制的效率高，發(fā)射功率比AM小，但其解調(diào)電路比較復(fù)雜，使用成本較高。一般多用于一些不在乎成本的專用（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）通信中。第2章模擬調(diào)制2.4

AM和DSB的性能比較23SSB信號(hào)：相對(duì)于雙邊帶信號(hào)而言，只具有其中一個(gè)邊帶（上邊帶或下邊帶）的信號(hào)叫SSB信號(hào)。

2.5

單邊帶調(diào)制（SSB）第2章模擬調(diào)制24第2章模擬調(diào)制25

則DSB信號(hào)為(2.5-3)上邊帶信號(hào)為

下邊帶信號(hào)為(2.5-4)(2.5-5)第2章模擬調(diào)制26單邊帶調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)

1.受多徑傳播引起的選擇性衰落的影響比DSB調(diào)制小；

2.頻帶利用率比DSB調(diào)制高；

3.所需發(fā)射功率也比DSB調(diào)制?。?/p>

4.保密性強(qiáng)，普通調(diào)幅接收機(jī)不能接收SSB信號(hào)。單邊帶調(diào)制的缺點(diǎn)1.接收機(jī)需要復(fù)雜且精度高的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)來穩(wěn)定本地載波的頻率和相位。2.接收端對(duì)濾波器的要求嚴(yán)。解決方法

1.采用多級(jí)調(diào)制的方法降低每一級(jí)調(diào)制對(duì)濾波器過渡帶的要求；

2.產(chǎn)生單邊帶信號(hào)還可采用的一種方法叫做移相法，如圖2-10所示。第2章模擬調(diào)制27第2章模擬調(diào)制28

VSB信號(hào)：相對(duì)于雙邊帶信號(hào)而言，只具有其中一個(gè)完整邊帶和部分另一個(gè)邊帶的信號(hào)叫VSB信號(hào)。

殘留邊帶調(diào)制（VSB）：已調(diào)信號(hào)的頻譜中既包含一個(gè)完整的邊帶（上邊帶或下邊帶）又有另一個(gè)邊帶的一部分的調(diào)制方法。第2章模擬調(diào)制2.6殘留邊帶調(diào)制(VSB)29第2章模擬調(diào)制30第2章模擬調(diào)制31

VSB信號(hào)的解調(diào)和SSB信號(hào)一樣也不能用包絡(luò)檢波，而要采用相干解調(diào)法。

從圖2-11中得到VSB信號(hào)的頻譜為：在圖2-5中，設(shè)輸入信號(hào)為，m(t)是乘法器的輸出，則其頻譜為(2.6-1)第2章模擬調(diào)制32將式（2-11）代入式（2-12）可得(2.6-2)(2.6-3)第2章模擬調(diào)制33設(shè)低通濾波器的輸出（解調(diào)信號(hào)）為，如果能選擇合適截止頻率的低通濾波器將上式中第二個(gè)中括號(hào)項(xiàng)濾除掉，則有（2.6-4）解調(diào)信號(hào)無失真地重現(xiàn)調(diào)制信號(hào)，就需要與F(ω)成比例，即要求(2.6-5)式中，C為常數(shù)。圖2―13以低通濾波器為例圖解了上式的幾何意義，即一個(gè)傳輸函數(shù)過渡帶的上、下部分互補(bǔ)對(duì)稱。第2章模擬調(diào)制34第2章模擬調(diào)制35DSB、SSB和VSB都不能采用簡(jiǎn)單直接的包絡(luò)檢波法進(jìn)行解調(diào)，但插入很強(qiáng)的載波，則上述三種調(diào)制仍然可用包絡(luò)檢波法進(jìn)行解調(diào)。在圖2-14中：s(t)是DSB、SSB或VSB信號(hào)；cd(t)是幅度很大的載波；sd(t)是包絡(luò)檢波器的輸出信號(hào)。

滾降形狀：濾波器的邊緣形狀（過渡帶）?？煞譃椋褐本€滾降和余弦滾降。第2章模擬調(diào)制

2.7插入載波的包絡(luò)檢波36可以證明只要插入載波的幅值A(chǔ)d足夠大，sd(t)就會(huì)與調(diào)制信號(hào)f(t)很近似。第2章模擬調(diào)制37

頻分復(fù)用通過對(duì)多路調(diào)制信號(hào)進(jìn)行不同載頻的調(diào)制，使得多路信號(hào)的頻譜在同一個(gè)傳輸信道的頻率特性中互不重疊，從而完成在一個(gè)信道中同時(shí)傳輸多路信號(hào)的目的。第2章模擬調(diào)制

2.8頻分復(fù)用(FDM)38第2章模擬調(diào)制39第2章模擬調(diào)制角調(diào)制：頻率調(diào)制和相位調(diào)制的統(tǒng)稱。載波的一般表達(dá)式為

設(shè)則θ(t)稱為載波的瞬時(shí)相位，φ稱為初始相位。若對(duì)θ(t)求導(dǎo)則可得

(2.9-2)第2章模擬調(diào)制

2.9角調(diào)制

(2.9-1)41若初相φ不是常數(shù)而是t的函數(shù)，則φ(t)稱為瞬時(shí)相位偏移。稱為瞬時(shí)頻率偏移。式（2.9-1）變?yōu)?2.9-3)式（2-17)變?yōu)?/p>

(2.9-4)瞬時(shí)相位的導(dǎo)數(shù)即為瞬時(shí)角頻率，即正弦型信號(hào)的瞬時(shí)相位與瞬時(shí)角頻率成微積分關(guān)系。第2章模擬調(diào)制42設(shè)調(diào)制信號(hào)為f(t)，則有式中，Kp為比例常數(shù)（相移常數(shù)），SPM(t)為調(diào)相信號(hào)。

相位調(diào)制

讓瞬時(shí)相位偏移φ(t)隨調(diào)制信號(hào)而變化，即將調(diào)制信號(hào)調(diào)制到載波的瞬時(shí)相位上去。第2章模擬調(diào)制

(2.9-5)43

頻率調(diào)制瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)而變化，即將調(diào)制信號(hào)調(diào)制到載波的瞬時(shí)頻率上去。設(shè)調(diào)制信號(hào)為f(t)，則有式中，Kf為比例常數(shù)（頻偏常數(shù)）；sFM(t)為調(diào)頻信號(hào)。第2章模擬調(diào)制

(2.9-6)44

當(dāng)調(diào)制信號(hào)為一單頻余弦波時(shí)，調(diào)相信號(hào)和調(diào)頻信號(hào)的示意圖（見圖2-17）。設(shè)

則有(2.9-7)(2.9-8)第2章模擬調(diào)制45式中,稱為調(diào)相指數(shù)；稱為調(diào)頻指數(shù)。因?yàn)閷?shí)際上就是調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏，所以有第2章模擬調(diào)制46第2章模擬調(diào)制【例題2-2】已知一調(diào)制器的輸出為，頻偏常數(shù)KF=2，求：（1）載頻fc；（2）調(diào)頻指數(shù)；（3）最大頻偏；（4）調(diào)制信號(hào)?！窘狻浚?）（2）與式（2.9-8）相比，可知，（3）Δωmax=KFAm=βF×ωm=8×103πrad/s因此，Δfmax=Δωmax/2π=4kHz（4）Am=Δωmax/KF=8×103π/2=4×103π因此，f(t)=Amsinωmt=4×103πsin103πt答：載頻為500kHz；調(diào)制指數(shù)為8；最大頻偏為4kHz；f(t)=4×103πsin103πt。47第2章模擬調(diào)制48窄帶調(diào)制：調(diào)制指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1的調(diào)制；寬帶角調(diào)制：調(diào)制指數(shù)不是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1的調(diào)制。窄帶角調(diào)制和寬帶角調(diào)制調(diào)制指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1與最大瞬時(shí)相位偏移小于30度等價(jià)，所以，窄帶、寬帶之分也可用最大瞬時(shí)相位偏移做標(biāo)準(zhǔn)。即第2章模擬調(diào)制

(2.9-9)49式中,NBFM是窄帶調(diào)頻的縮寫，NBPM是窄帶調(diào)相的縮寫。

窄帶調(diào)頻的特點(diǎn)：

1.窄帶調(diào)頻的頻譜有載波分量和載頻兩邊的邊帶，其帶寬也是調(diào)制信號(hào)最高頻率分量的兩倍。

2.下邊頻的相位與上邊頻相反（正、負(fù)頻率分量相差180°）；正、負(fù)頻率分量分別乘有因式1/(ω-ωc)和1/(ω+ωc)。第2章模擬調(diào)制50第2章模擬調(diào)制51

單頻寬帶調(diào)頻的特點(diǎn)：

1.頻譜包含有載波、各次邊帶諧波及各種交叉調(diào)制諧波，它形成一個(gè)無限寬的頻譜結(jié)構(gòu)且頻譜對(duì)稱分布于載頻兩側(cè)；

2.盡管寬帶調(diào)頻信號(hào)的頻譜為無限寬，但其頻譜的主要成分集中于載頻附近的有限帶寬內(nèi)。所以，單頻寬帶調(diào)頻同樣具有有限的帶寬。計(jì)算公式為

(2.9-10)式中,是調(diào)頻信號(hào)頻帶寬度，是調(diào)制信號(hào)的頻率，是最大頻偏，該式叫做卡森公式。第2章模擬調(diào)制52【例題2―3】有一個(gè)2MHz的載波受一個(gè)單頻正弦信號(hào)調(diào)頻，峰值頻偏為10kHz，求：（1）調(diào)頻信號(hào)的頻帶帶寬；（2）調(diào)制信號(hào)幅度加倍后調(diào)頻信號(hào)的帶寬；（3）調(diào)制信號(hào)頻率加倍后調(diào)頻信號(hào)的帶寬。解根據(jù)題意有：（1）由式（2.9-10）可得：第2章模擬調(diào)制53（2）因?yàn)棣耭=KfAm/ωm，所以，調(diào)制信號(hào)幅度加倍意味著βf加倍，即βf=2,則由式（2.9-10）可得

BFM=2（βf+1）fm=2（2+1）×10=60kHz

（3）調(diào)制信號(hào)頻率加倍，即fm=20kHz,所以

BFM=2(Δfmax+fm)=2(10+20)=60kHz

（1）調(diào)頻信號(hào)帶寬為40kHz；（2）、（3）調(diào)頻信號(hào)帶寬為60kHz。第2章模擬調(diào)制54直接調(diào)頻法利用壓控振蕩器(VCO，VoltageControlledOscillator）作為調(diào)制器，調(diào)制信號(hào)直接作用于壓控振蕩器使其輸出頻率隨調(diào)制信號(hào)變化而變化的等幅振蕩信號(hào)，即調(diào)頻信號(hào)。直接法示意圖見圖2-20。調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)第2章模擬調(diào)制第2章模擬調(diào)制55間接法不是直接用調(diào)制信號(hào)去改變載波的頻率，而是先將調(diào)制信號(hào)積分再進(jìn)行調(diào)相，繼而得到調(diào)頻信號(hào)，其圖如（圖2-21）。阿姆斯特朗（Armstrong）法在間接調(diào)頻法的基礎(chǔ)上，再在后面加一級(jí)倍頻電路，將窄帶調(diào)頻變?yōu)閷拵д{(diào)頻的方法。第2章模擬調(diào)制第2章模擬調(diào)制56

鑒頻器：調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)器；

鑒相器：調(diào)相信號(hào)的解調(diào)器。

鑒頻器的設(shè)計(jì)思路：在接收端能夠從調(diào)頻信號(hào)中取出ω(t)，再想辦法去掉項(xiàng)，就可以得到調(diào)制信號(hào)f(t)。對(duì)調(diào)頻信號(hào)求導(dǎo)第2章模擬調(diào)制

(2.9-11)57調(diào)頻信號(hào)的導(dǎo)數(shù)是一個(gè)既調(diào)頻又調(diào)幅的新信號(hào)，因?yàn)檎{(diào)制信號(hào)f(t)的全部信息不但反映在該信號(hào)的頻率上而且也反映在該信號(hào)的包絡(luò)上，所以我們只要對(duì)該信號(hào)像調(diào)幅信號(hào)一樣進(jìn)行包絡(luò)檢波即可恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)（原始信號(hào)）f(t)。由此我們得到鑒頻器需要由微分器和包絡(luò)檢波器組成的結(jié)論。第2章模擬調(diào)制58鑒頻器的輸入輸出關(guān)系，即鑒頻關(guān)系如圖2-23：鑒頻靈敏度：曲線中間的直線段部分的斜率，用表示。

結(jié)論：直線段的斜率越大，鑒頻靈敏度高。反之鑒頻靈敏度就低。第2章模擬調(diào)制59

信噪比增益：。式中分母是解調(diào)器輸入已調(diào)信號(hào)的平均功率與解調(diào)器輸入噪聲的平均功率之比，分子是解調(diào)器輸出調(diào)制信號(hào)的平均功率與解調(diào)器輸出噪聲的平均功率之比。頻率調(diào)制的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)?！鲱l率調(diào)制的特點(diǎn)第2章模擬調(diào)制60原因分析：信道中的噪聲干擾最常見的為加性干擾，即干擾信號(hào)線性疊加到傳輸信號(hào)的幅值上。因?yàn)檎{(diào)幅信號(hào)的信息就在它的包絡(luò)上，也就是幅值上，所以干擾對(duì)信號(hào)的影響很大；而調(diào)頻信號(hào)的信息搭載在頻率上與信號(hào)的幅值無關(guān)，因此，信道干擾對(duì)傳輸?shù)男畔⒂绊懞苄?。窄帶調(diào)頻的頻帶寬度雖然與調(diào)幅信號(hào)相同，其抗干擾性比不上寬帶調(diào)頻，但比調(diào)幅信號(hào)還是要好。第2章模擬調(diào)制61頻率調(diào)制的輸出信噪比高的優(yōu)點(diǎn)是以增加頻帶寬度為代價(jià)的。在理想通信系統(tǒng)（圖2-25）中假定輸入端的信號(hào)帶寬為赫茲，信息傳輸速率為。此信號(hào)經(jīng)過理想調(diào)制（或編碼）后的帶寬變?yōu)锽赫茲。輸出信噪比與信道帶寬的關(guān)系第2章模擬調(diào)制62根據(jù)香農(nóng)公式，這時(shí)到達(dá)理想調(diào)解器（或理想譯碼器）輸入端的信息速率為式中,是信道輸出信噪比。理想解調(diào)器將把帶寬為B的信號(hào)解調(diào)（還原）為帶寬為的信號(hào)，且其輸出信號(hào)的信息傳輸速率必須與輸入信號(hào)的相等。因此，解調(diào)器輸出信息速率可表示為這里，是解調(diào)器輸出端的信號(hào)和噪聲的功率比。于是可得第2章模擬調(diào)制63由于實(shí)際上信噪比都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，因此上式變?yōu)橛纱丝芍敵鲂旁氡入S帶寬B按指數(shù)規(guī)