信号调制的基本原理.ppt

第四章 信号调制的基本原理,第四章 信号调制的基本原理,要求 理解调制的基本概念，掌握三种模拟调制的基本原理，会推导其表达式、波形和频谱图分析，正确分析比较不同已调波的异同点。了解三种数字调制信号的基本原理和实现方法,第四章 信号调制的基本原理,知识点 振幅调制（AM、DSB、SSB、VSB） 数字调制（ASK、FSK、PSK） 已调信号的表达式、波形和频谱图,第四章 信号调制的基本原理,重点和难点 各类调幅电路的特点、原理和分析方法 数字调制信号的基本原理,4.1 概述,4.1.1 信号调制与变换 无线电通信是利用电磁波作为信息的载体 调制信号特点是频率较低、频带较宽且相互重叠 所谓调制就是将待传输的基带信号加载到高频振荡信号上的过程 信号调制实质是将基带信号搬移到高频载波上去，也就是频谱搬移的过程,4.1.2 信号调制方式与分类 正弦波一般可表示为 （4-1） 正弦波都有三个参数：幅度、频率和相位 所谓调制，就是将调制信号加载在三个参数中的某一个参数上，或幅值、或频率、或相位随调制信号大小成线性变化的过程,4.1.2 信号调制方式与分类,有三种基本调制方法 一种是把调制信号加载在载波信号的幅值上，称为幅度调制 ，简称AM（Amplitude Modulation） 第二种是把调制信号装载在载波的频率上，称为频率调制，简称FM（Frequency Modulation） 第三种是把调制信号装载在载波的相位上，称为相位调制，简称PM（Phase Modulation）,4.1.2 信号调制方式与分类,数字量对载波进行调制时，根据被调制的参数不同，也有三种调制方式 被装载的参数为幅度时，称为幅移键控调制，简称ASK调制（Amplitude Shift Keying） 被装载的参数为频率时称为频移键控调制，简称为FSK调制（Frequency Shift Keying） 被装载的参数为相位时称为相移键控调制，简称为PSK调制（Phase Shift Keying）,4.1.2 信号调制方式与分类,4.2 幅度调制原理及特性,4.2.1 普通调幅（AM ） 1. 普通调幅信号的数学表达式 首先讨论调制信号为单频余弦波时的情况，设调制信号为 （4-2） 设载波信号为 （4-3）,4.2.1 普通调幅（AM ）,且 , 由幅度调制定义可知，幅度调制是用基带信号控制载波的振幅，使载波的振幅随基带信号的规律变化，因此调制后形成的已调波 可表示为 （4-4） 已调信号的振幅部分也可以表示为 （4-5）,4.2.1 普通调幅（AM ）,式中 因此，普通调幅信号可以表示为 （4-6） 由上式可以看出，普通调幅信号的电路模型可以由一个乘法器和一个加法器组成。如图4-4所示。,4.2.1 普通调幅（AM ）,图4-4 普通调幅电路模型,4.2.1 普通调幅（AM ）,2. 普通调幅信号的波形与频谱 按照上述简单分析，只要已知基带信号和载波，就可以画出已调波的波形。 在一个信号周期内，其最大振幅为 （4-7）,4.2.1 普通调幅（AM ）,图4-5 普通调幅信号的波形与频谱,4.2.1 普通调幅（AM ）,最小振幅为 （4-8） 由上两式可得 （4-9） ， 且越大，调幅波的外包络线凹陷越深，即调制越深。,4.2.1 普通调幅（AM ）,图4-6 1时，普通调幅信号波形图,4.2.1 普通调幅（AM ）,将式（4-6）利用三角函数公式展开得 （4-10） 由上式可见，普通调幅信号 的频谱包括三种频率分量： （载波）、 （上边频）、 （下边频）,4.2.1 普通调幅（AM ）,4.2.1 普通调幅（AM ）,从频谱图可以看出，原调制信号频带宽度为 ，普通调幅信号将调制信号频谱搬移到载波的上下两边了，频带宽度,4.2.1 普通调幅（AM ）,3. 普通调幅信号的功率关系 由式（4-10）可求得载波和上下边频在单位电阻上的平均功率 载波功率 （4-11） 边频功率 （4-12） 调制信号在一个周期内的平均功率,4.2.1 普通调幅（AM ）,（4-13） 当 1时，包含有用信息的上下边频功率只占总功率的1/3,不含有用信息的载波功率占总功率的2/3。实际应用中调幅系数是小于1的。因此，AM调制能量利用率是很低的。目前AM制式主要应用于中、短波无线电广播系统中，因为普通AM制式的解调电路简单。,4.2.2 双边带调幅信号（DSB） 双边带调幅信号数学表达式为 （4-14） 即 （4-15）,4.2.2 双边带调幅信号（DSB）,双边带调制实质为一乘法器，其电路模型如图,4.2.2 双边带调幅信号（DSB）,图4-9 DSB调幅信号的波形图和频谱图,4.2.2 双边带调幅信号（DSB）,从上面频谱图可以得知，双边带调制信号的频谱宽度为 (4-16） 双边带调幅同普通调幅比较有以下特点:,4.2.2 双边带调幅信号（DSB）,1. 从波形图上看，DSB调幅信号包络线不按调制信号规律变化，而AM调幅信号的包络线按调制信号规律变化 2. 从高频相位上看，DSB波高频相位在调制信号过零点前后，相位发生的突变。 3. 从频谱图上看，DSB调幅信号不含载波分量，发射机有效功率利用率高，而AM调幅信号含有载波分量。发射机有效功率利用率低。 4. 从频域上看，DSB调幅信号和AM调幅信号带宽相同，均为 ，所以，信道的利用率仍然是不经济的。,4.2.3 单边带调幅信号（SSB） 由式（4-15）可得SSB调幅信号数学表达式为 取上边带时 (4-17） 取下边带时 (4-18）,4.2.3 单边带调幅信号（SSB）,从式(4-17)和式(4-18）看，单频调制时，SSB信号是等幅波。 其幅值与调制信号的幅值成正比，它的频率随调制信号变化而变化。因此它含有信息特征。. 图4-10 SSB调幅信号的波形图和频谱图,4.2.3 单边带调幅信号（SSB）,. 图4-10 SSB调幅信号的波形图和频谱图,4.2.3 单边带调幅信号（SSB）,单边带调幅的带宽为 (4-19） 单边带调幅电路有两种实现方法 滤波法 移相法,4.2.4 残留边带调幅信号（VSB） 单边带调幅方式有其优点，但也存在接收机解调电路复杂、调谐困难等缺点。为克服这些困难，提出了残留边带调幅方式。 所谓残留边带调幅（VSB）是指发送信号中包括一个完整边带、载波及另一个边带的小部分(即残留一小部分)。,4.2.5 幅度调制电路识读,图4-18 MC1596构成的普通调幅电路,4.3角度调制原理与特性,4.3.1 概述 角度调制是用调制信号控制载波信号的频率或相位来实现调制的 角度调制是用调制信号控制载波信号的频率或相位来实现调制的 角度调制信号与幅度调制信号相比，要占据更多的频带宽度,4.3.2 调频信号分析 设载波信号表达式为 （4-22) 为载波的振幅 为载波的瞬时相位 为其角频率，是一常数,4.3.2 调频信号分析,为载波的初相位，为简化分析，常令 0。 设单音频调制信号为 (4-23) 根据调频的定义，载波信号的瞬时频率随调制信号 线性变化，可写出 (4-24),4.3.2 调频信号分析,为与调频电路有关的比例常数，单位是rads.v 又称为调频灵敏度 表示瞬时频率的线性变化部分，称为瞬时频偏，简称角频偏。用 表示其最大值，则 (4-25),4.3.2 调频信号分析,表示瞬时角频率偏离中心频率的 最大值。习惯上把最大频偏 称为频偏。 根据瞬时相位与瞬时角频率的关系可知，对式(4-24)积分可得调频波的瞬时相位 (4-26) (4-27) 表示调频波瞬时相位与载波信号相位的偏移量，简称相移,4.3.2 调频信号分析,调频波的数学表达式为 (4-28) 以上分析表明，在调频时，瞬时角频率的变化与调制信号成线性关系，瞬时相位的变化与调制信号积分成线性关系。 设调制信号为单音频 (4-29),4.3.2 调频信号分析,将上式分别代入式(4-24)、（4-26）、(4-28)得 瞬时角频率 (4-30) 瞬时相位 (4-31) 调频信号数学表达式,4.3.2 调频信号分析,(4-32) 为调频波的最大相移，又称调频指数。 值可大于1 给出了调制信号、瞬时频偏、瞬时相偏、对应的波形图,4.3.2 调频信号分析,图4-19 调频信号的波形图,4.3.3 调相信号分析 根据调相波定义，载波信号的瞬时相位随调制信号 线性变化，即 (4-33) 式中， 为与调相电路有关的比例常数，单位是radv 。令 ，则表示瞬时相位中与调制信号成线性变化的部分，称为瞬时相位的相位偏移量，简称相移。用 表示最大相移，则,4.3.3 调相信号分析,(4-34) 称 为调相波的调相指数 根据瞬时频率和瞬时相位之间的关系可知，对式(3.312)两边求导，可得调相波的瞬时频率 (4-35) 调相波数学表达式为,4.3.3 调相信号分析,(4-36) 将单音频调制信号分别代入式(4-33)、(4-35)、(4-36)得调相波,4.3.3 调相信号分析,相移 (4-37) 角频偏 (4-38) 数学表达式 (4-39),4.3.4 调角信号频谱及频带宽度 以调频信号的数学表达式说明调角信号的频谱结构特点 （4-40） 将上式展开为傅立叶级数，省略级数展开时所涉及的数学推导，可得到调频波的展开式： （4-41）,4.3.4 调角信号频谱及频带宽度,所谓窄带调频是指最大频偏小于基带频率 所谓宽带调频是指最大频偏大于基带频率 基于调频波频谱结构的特点，调角信号的有效频谱宽度，可由卡森（Carson）公式给出： 调频波 （4-41） 调相波 （4-42）,4.3.5调频信号的产生方法 1. 直接调频法,图4-24 变容二极管直接调频原理图,4.3.5调频信号的产生方法,2. 间接调频法,图4-25 间接调频法原理框图,4.3.6 调频电路识读 产生调频信号的电路叫频率调制器，简称调频器 1.调频电路的质量指标 （1）调制特性 （2）调制灵敏度 （3）中心频率稳定度 （4）频偏,4.3.6 调频电路识读,2. 变容二极管直接调频电路 （1）变容二极管馈电电路,图4-26 变容二极管馈电电路,4.3.6 调频电路识读,图4-27 变容二极管馈电等效电路 （a）直流馈电等效电流 (b) 调制信号馈电等效电路,4.3.6 调频电路识读,（2）变容二极管直接调频电路,4.3.6 调频电路识读,4.3.6 调频电路识读,（3）晶体振荡器直接调频电路,4.3.6 调频电路识读,4.3.6 调频电路识读,（4）变容二极管间接调频,4.4 数字信号调制原理与特性,4.4.1 概述 4.4.2 数字基带信号表示方法 表示数字基带信号常用两种方法： 一种是波形图法 另一种是数学表达式法 由于数字基带信号可以是二进制数，也可以是多进制数，不同进制所对应的信号波形是不相同的。 这里仅以二进制数为例，说明如何用波形法表示数字基带信号。,4.4.2 数字基带信号表示方法,单极性波形和双极性波形 图4-33(a)所示的是用单极性波来表示二进制数，其特征是宽度为Tb的码位有两种状态，即低电平和高电平，高电平用平数字“1”表示，低电平用数字“0”表示；而且电压脉冲都是正的，这种二进制数的脉冲属单极性波。,4.4.2 数字基带信号表示方法,4.4.2 数字基带信号表示方法,图4-33(b)用正电平表示“1”，而负电平表示“0”，这种用正负两种脉冲表示二进制数的方法，称为双极性波。,4.4.2 数字基带信号表示方法,以基带信号为单极性波时进行说明。 定义函数 式中Tb为脉冲宽度，上式表明只有自变量t在0tTb范围内时，g(t)才等于1，除此之外都等于零，可见g(t)描述的是一个1Tb之间的脉冲,4.4.2 数字基带信号表示方法,其波形如图,4.4.2 数字基带信号表示方法,改变自变量，可以得到不同时刻的脉冲，例如g(t-Tb)表示的是Tb至2Tb之间的脉冲，g(t-3Tb)表示的是3Tb至4Tb之间的脉冲波。 通过对函数g(t)分析可知，数字基带信号可以用数字序列 表示，则 （4-43）,4.4.2 数字基带信号表示方法,式中： an 随机变量，表示数字信息中两种状态， an取0或1。 g(t) 基带信号码元波形，常见的有矩形脉冲、升余弦脉冲、钟形脉冲等； 码元宽度。,4.4.2 数字基带信号表示方法,4.4.3 幅移键控调制(ASK),4.4.3 幅移键控调制(ASK),4.4.3 幅移键控调制(ASK),1.相乘法 相乘法就是将数字基带信号S(t)和载波信号输入乘法器相乘 图4-36为ASK信号产生的波形图。,4.4.3 幅移键控调制(ASK),2.开关控制法,4.4.4 频移键控调制(FSK) 二进制频率键控是用数字基带信号的两种状态“0”和“1”去控制载波的频率。状态为“1”，载波频率为 ，状态为“0”，载波的频率为 ，产生FSK信号的原理如图4-38所示。,4.4.4 频移键控调制(FSK),4.4.4 频移键控调制(FSK),4.4.5 相移键控调制(PSK) 1. 绝对调相（PSK）,图4-40 产生PSK信号原理方框图,4.4.5 相移键控调制(PSK),开关控制法产生PSK调制波的原理如图4-42所示,4.4.5 相移键控调制(PSK),2. 相对调相（DPSK 所谓相对调相，是指各码元的载波相位不是以未调制的载波相位为基准，而是以相邻的前一个码元的载波相位为基准去确定后一个码元载波相位的取值。,4.4.5 相移键控调制(PSK),4.4.5 相移键控调制(PSK),4