第四章通信中调制技术

1、第四章通信中调制技术 第四章： 第四章通信中调制技术 本章内容 1、各种调制方法及其解调方法的原理。 模拟调制模拟调制 调幅调幅 调频调频 调相调相 基带信号基带信号 模拟调制模拟调制 数字调制数字调制 数字调制数字调制 二进制调制二进制调制 多进制调制多进制调制 解调方法解调方法 相干解调相干解调 非相干解调非相干解调 2、各种调制信号的频谱特征 3、各种调制方法的调制性能及噪声性能 调幅：调幅：AMAM、DSBDSB、 SSBSSB、VSBVSB等；等； 调频：窄带调频、宽调频：窄带调频、宽 带调频等；带调频等； 调相：窄带调相、宽调相：窄带调相、宽 带调相等。带调相等。 第四章通信中调制

2、技术 调制的目的 n将消息变换为便于传输的形式。也就是 说，变换为某种形式使信道容量信道容量达到最 大，而且传输更可靠和有效。 n 提高性能，特别是提高抗干扰性。 n有效的利用频带。 第四章通信中调制技术 4.1模拟信号线性调制技术 调制：用低频基带信号控制高频载波信号的某个参数， 从而获得携带低频基带信号信息的高频信号的过程。 调幅：用低频基带信号控制高频载波信号的幅度。这 种调制技术又被称为线性调制技术。 调频：用低频基带信号控制高频载波信号的频率，从 而得到频率值随基带信号变化而变化的调制信号。 调相：用低频基带信号控制高频载波信号的初相。调 频和调相技术又被称为非线性调制技术。 调制：

3、用低频基带信号控制高频载波 信号的某个参数，从而获得携带低频基 带信号信息的高频信号的过程。 调幅：用低频基带信号控制高频载波 信号的幅度。这种调制技术又被称为线 性调制技术。 调频：用低频基带信号控制高频载 波信号的频率，从而得到频率值随基带 信号变化而变化的调制信号。 调相：用低频基带信号控制高频载 波信号的初相。调频和调相技术又被称 为非线性调制技术。 第四章通信中调制技术 AM调制 基带信号：f(t) f(t) cos(ct+c) 基带信号与载波 信号直接相乘，则得 到的信号频率为载波 频率但幅值随基带信 号变化 由于原基带信号有 过零点，则当基带信号 变为负值时，该调制信 号出现相位

4、的翻转。 由于基带信号过零 点的影响，调制信号的 包络线与原基带信号有 不同。 A0f(t) cos(ct+c) 给基带信号加一个 常数A0，保证给载 波信号乘一个正数 调制信号不出现相 位的翻转，包络线 与基带信号相同， 这种调制即为AM调 制 载波信号：cos(ct+c) 第四章通信中调制技术 AM调制的系统框图 振荡器 乘法器 放大器 加法器 基带信号 cos (ct+c) f(t) f(t) cos(ct+c) A0 cos(ct+c) AM调制信号 第四章通信中调制技术 A=-(RL/RC)/rbe rbe300 +(1+) 26 / IEQ 1 R R V V A f i o 放大

5、器 分析集成运算放大器的基本方程： 1、v+=v- 2、I+=I-=0 第四章通信中调制技术 加法器 )( )( i2i1 i2 2 f i1 1 f o vv v R R v R R v 反相输入加法器同相输入加法器 在各电阻满足一定条件下： v0=vi1+vi2 第四章通信中调制技术 乘法器 模拟乘法器原理图 如果能用 vy去控制 IE，即实现IE vy。 vO 就基本上与两输入电 压之积成比例。于 是实现两模拟量相乘 的电路构思，如图所 示。 X be L = O v r R v E be 26mV )+(1 I r XE L O mV26 vI R v e XYL XE L 2mV26

6、 mV26 R vvR vI R YXO vKvv 第四章通信中调制技术 AM调制的频谱分析（1） AM调制信号的时域表示为： sAM(t)= A0f(t) cos(ct+c) = A0f(t) ej(ct+c)+e-j(ct+c)/2 利用傅立叶变换可以求出它的频谱为： SAM()=2A0(-c)+F(-c)ejc/2 + 2A0(+c)+F(+c)ejc/2 其中： F ()为f(t)的频谱。 ( )( ) cos ()() founer ccc founer f tF t 第四章通信中调制技术 AM调制的频谱分析（2） f(t) t0 A0f(t) t0 m-m0 F() m-m0 F(

7、) 2A0() 第四章通信中调制技术 AM调制的频谱分析（3） 载波信号：cos(ct+c) c-c0 c-c0 S()调制信号 SAM()= 2A0(-c)+F(-c)ejc/2 + 2A0(+c)+F(+c)ejc/2 第四章通信中调制技术 AM调制的频谱分析（4） m-m0 F() c -c0 S() 1、调制过程实现了频谱的搬移。 要实现不失真调制，需c m 我们来比较原始基带信号和调制信号的频谱： 2、调制过程中频谱展宽了两倍， 且左右两个频带是对称的。 3、在调制信号频谱中，包含载波 频谱分量和边带频谱分量两部分。 载波频谱部分不含基带信息但要 占用较大的信号功率。 PPcPf 第

8、四章通信中调制技术 调幅指数 n当基带信号为单频信号时，基带信 号： ( )cos() mmm f tAt n调幅信号： 0 0 ( )1cos()cos() m AMmmcc A StAtt A n调制系数： 0 / AMm AA n无失真包络检波条件： 1 AM 第四章通信中调制技术 在刚发生过调制的临界状态，调制效率最大： 1/3 22 0 ( ) 22 cf Aft PPP 功率组成： 当调制信号为单频信号时： 0 ( )cos()cos()cos() AMccmmmcc StAtAtt 2 2 222 0 4 2 24 m ff AM AM mAMcfAM A PP AAPPP AM

9、调制信号为：sAM(t)= A0f(t) cos(ct+c) 第四章通信中调制技术 举例 例1：在AM调制中，基带信号是振幅1v的单频信号，载波信 号振幅电压10v，计算系统的调制系数和功率效率。 0 /1/100.1(10%) AMm AA 解： 2 2 0.01 0.5% 22.01 A M A M A M 例2：在AM调制中，基带信号含有三种不同的频率分量，振 幅分别为1v、2v和3v，载波信号振幅电压10v，计算系统的 调制系数和功率效率。 解：基带信号三种分量的调制系数分别为：0.1，0.2和0.3 222 123 0.010.040.090.374 AMAMAMAM 2 2 0 .

10、14 6.5% 22 .1 4 A M A M A M 第四章通信中调制技术 AM调制的特点： n容易实现，原理简单 n调制中信号带宽扩大一倍，信道利用率 低 n调制信号中含有很大的载波成分，传输 功率利用率低。 第四章通信中调制技术 振荡器 乘法器 基带信号 cos (ct) f(t) f(t) cos(ct) 拟制载波的双边带调幅（DSBSC） 调制信号中的载波分量是由于基带信号叠加了一个直流信号引 入的。因此，只要基带信号不叠加直流信号直接调制，就不会在调 制信号中引入载波成分。 DSB时域表达式：sDSB(t)= f(t) cos(ct) DSB频谱：SDSB()=F(+c) F(-c

11、)/2 DSB调制框图： c-c0 S() 第四章通信中调制技术 单边带调幅（SSB） 拟制载波调制可以去除调制 信号中的载波分量，有效地提高 调制信号的功率利用率。但载波 频谱中仍含有对称的上下两个边 带，可想办法去除一个边带，提 高通信信道频率利用率。 一、滤波法 HSSB() f(t) 载波cos(ct) c-c 0 S() c-c0 H() c-c0 H() c-c 0 S() 上边带调制 c-c0 S() 下边带调制 第四章通信中调制技术 单边带调幅（SSB） 同理，当进行上边带调制时：sSSB(t)=f(t)cos(ct) f(t)sin (ct) SSSB()=1/4F(+c)+

12、F(c) sgn(+c) - sgn(-c)/2 =1/4F(+c)+F(-c)+1/4F(+c)sgn(+c)-F(-c)sgn(-c) 当进行下边带调制时： 式中HSSB()=sgn(+c)-sgn(-c)/2 单边带信号的频谱为：SSSB()= HSSB()F(+c)+F(-c)/2 对上式求傅立叶反变换得： sSSB(t)=1/2f(t)cos(ct) +f(t)sin (ct) d t f tf )(1 )( 其中：是f(t)的希尔伯特变换 第四章通信中调制技术 单边带调幅（SSB） 二、相移法 f(t) 载波 /2 /2 + +- sSSB 根据上下两 路信号加减的不 同，可分别得

13、到 下边带和上边带 信号。 根据以上分析可得单边带调制的第二种实现办法： 希尔伯特变换实质上是将原函数中的所有频率成分移相90度 得到的函数。 第四章通信中调制技术 残留边带调幅（VSB） 在实际的系统中，很难获得一个理想的低通或高通滤波器，也 很难获得真正的单边带调制信号，在滤波器的边缘，信号的频谱可 能会发生失真，这对于含有丰富低频成分的基带信号是致命的，因 此，含低频成分较多的基带信号不能采用单边带调制。 残留边带调制是对单边带调制的修正，它较好地解决了上下边 带边缘的问题。一般残留边带调制仍使用滤波的方法获得。 HVSB() f(t) 载波 c-c0 HVSB() 对于残留边带调制的对

14、于残留边带调制的 滤波器，我们不再要求必滤波器，我们不再要求必 须是理想滤波器，但要求须是理想滤波器，但要求 在正负在正负c c处，滤波器特性处，滤波器特性 的变化部分要关于的变化部分要关于c c c c 线上的中点对称。线上的中点对称。 c-c0 HVSB() VSB信号的时域和频域表达式： sVSB(t) f(t)cos(ct) +f(t)sin (ct) SVSB()1/2 HVSB()F(+c)+F(-c) 第四章通信中调制技术 调幅信号的解调 解调：解调是调制的逆过程，是从调制信号中恢复 基带信号的过程。 相干解调：利用已调信号的相位变化（频谱变化） 来恢复基带信号。 非相干解调：利

15、用已调信号的幅度变化（时域）来 恢复基带信号。 c-c0 S() 第四章通信中调制技术 相干解调 m-m0 F() 2A0() c-c0 c-c0 S() c-c0 S() 时域相乘 c-c0 频谱被搬移到c位置 现在假设用已调 信号作为基带信 号 频谱被搬移到-c位置 c-c0 原基带信号 频谱被搬移到-c 和c位置 两次搬移在零频处互相加强 在这个频谱中，包含低频成分和2倍载频成分， 低频成分与原始信号相同，可以用低通滤波器 把它选出来 c-c0 原始基带频谱 LPF 调制信号 载波 基带信号 第四章通信中调制技术 相干解调的数学分析（1） 一、AM调制 sAM(t)= A0f(t) co

16、s(ct+c) sAM(t)cos(ct+)=A0f(t)cos(ct+c)cos(ct+) = (1/2) A0f(t) cos(c- )+cos(2ct+c+) )cos()cos( 2 1 coscos 1、 c 常数时，ud(t)=1/2A0f(t) ud(t)=1/2A0f(t) cos(c- ) 2、 c常数时，ud(t)=1/2A0f(t)k 3、 ckt+a时，ud(t)=1/2A0f(t)cos(kt+a) 第四章通信中调制技术 相干解调的数学分析（2） 二、DSB调制 sDSB(t)= f(t)cos(ct+c) sDSB(t)cos(ct+)=f(t)cos(ct+c)c

17、os(ct+) = (1/2)f(t)cos(c- )+cos(2ct+c+) ud(t)=(1/2)f(t) cos(c- ) 与AM调制一样，当解调载波与调制载波频率严格相等， 相差不等于/2的奇数倍时，可以无失真地解调出基带信号。 当解调载波与调制载波频率有误差时，将有解调失真。 第四章通信中调制技术 相干解调的数学分析（3） 三、SSB调制 sSSB(t)=f(t)cos(ct+c) +f(t)sin (ct+c) sSSB(t)cos(ct+) = (1/2)f(t)cos(c- )+cos(2ct+c+) +(1/2)f(t)sin(c- )+sin(2ct+c+) )sin()s

18、in( 2 1 cossin ud(t)=(1/2)f(t) cos(c- ) +(1/2)f(t)sin(c- ) 由上式可以看出，对于单边带调制信号，解调时只有解调 载波与调制载波频率和初相都严格相等，才能不失真地解调出 基带信号。 残留边带信号的时域表示与单边带信号近视相等，不再分 析。 第四章通信中调制技术 非相干解调 非相干解调只适用于含有载波的普通调幅信号。 CRsAM(t)ud(t) 在该电路中，调制信号通过二 极管给电容C充电，使输出电压达 到调制电压的最大值，但当输入电 压下降时，由于放电回路中R较大， 从而使放电较慢，输出能跟随输入 包络线变化。 一、AM信号的包络检波 由

19、上图可知，检波电路 中，放电回路的时间常不能 太大也不能太小。 1/ cRC 1/m 第四章通信中调制技术 二、AM信号的整流检波 R sAM(t) ud(t) LPT 对于具有大载波含量的单边带信号和残留边带信号，也可以 使用包络检波或整流检波来获得基带信号，具体证明请同学自己 看书，在此不再讲述。 非相干解调 在这个电路中，二极管实现对调制信号的整流，得到只有正 值的调制信号，然后对其进行低通滤波，近视可认为求其平均值 曲线，其变化规律也与包络线基本相同。 第四章通信中调制技术 载波插入法解调 包络检波 调制信号 载波 基带信号 该方法用于拟制载波的调制信号的非相干解调。 由于拟制载波调制

20、信号中不含有载波分量，不能直接使用非 相干解调，因此，在接收端首先产生一个与发送端相同的载波信 号，使其与接收信号相加，从而获得一个含有载波分量的调制波， 这个信号就可以使用非相干解调的方法生成基带信号了。 第四章通信中调制技术 调幅系统的性能 两个性能指标：有效性和可靠性。 有效性：系统传输信号效率的高低。 AM最低，DSB次之，SSB最高，VSB介 于DSB与SSB之间。 可靠性：系统传输过程中抗干扰性的好坏。 一般用通信系统的信噪比来描述。 ii oo NS NS G / / 信噪比得益（增益）： 第四章通信中调制技术 相干解调的噪声性能 c-c0 S() LPFBPF 发送端接收端信道

21、 s(t) n(t) si(t)+ni(t) cos(ct+) ud(t)+nd(t) c-c0 S() c -c 0 S() c-c 0 H() c-c 0 H() 信道输入信号频谱信道传递函数 第四章通信中调制技术 相干解调的噪声性能 各种调制信号的解调信噪比得益： AM： )2/( )( )4/(/ )()4/1( 0 22 0 0 2 m m ntfA ntf G )( )(2 22 0 2 tfA tf DSB： )2/()( )4/(/ )()4/1( 0 2 0 2 m m ntf ntf G 2 SSB与VSB： )/()(2 )8/(/ )()4/1( 0 2 0 2 m m

22、 ntf ntf G 1 第四章通信中调制技术 相干解调的噪声性能 LPFBPF 发送端接收端信道 s(t) n(t) si(t)+ni(t) cos(ct+) sii(t)+nii(t) ud(t)+nd(t) 整个传输过程的噪声性能可用下式表示： / / / ooooii iii iiiiiiiiii SNSNSN GNN SNSNSN ii oo NS NS G / / 信噪比得益：只表示相干解调器的噪声性能。 由上式与各种调制的信噪比得益比较可知，除AM调制外， 各种调制方法的噪声性能基本一致。 第四章通信中调制技术 AM系统包络检波器的噪声性能 大信噪比情况：A0+f(t)ni(t)

23、 222 0 / 2( ) /( ) / oo ii SN GftAft SN 噪声性能与相干解调时相同。 小信噪比情况：A0+f(t)ni(t) 这时，基带信息全部被检波器破坏，不能检波。 在AM信号包络检波时，存在一个信噪比门限值，当信噪 比低于该门限值时，不能检波，这种现象称为门限效应。 第四章通信中调制技术 模拟信号的非线性调制 一、非线性调制原理 非线性调制包括调频和调相两种，分别是用基带信号控制载波 的频率和初相。 s(t)=Acos(ct+c)=Acos(t) 无论c随基带信号变化还是c变化，实际上都会引起信号相角 的变化，因此，这两种调制本质上是一样的，被统称为角调波。 1、调

24、相 若载波的初相c随基带信号变化，则： PM(t) ct+cKpf(t) （Kp为调制常数） 其最大相偏为：PM Kp|f(t)|max 其瞬时频率为： pm（t）=dPM(t)/dt= c+ Kpdf(t)/dt 其瞬时频偏为：pm =Kpdf(t)/dt 第四章通信中调制技术 模拟信号的非线性调制 当f(t)为单频信号时 spm(t)=Acos(ct+c+KpAmcosmt) 式中：定义pm=KpAm叫做调相指数，代表调相波的最大相偏。 2、调频 若载波的频率c随基带信号变化，即： fm（t） cKff(t)（Kf为调制常数） 其最大频偏为：fm = Kf|f(t)|max 其瞬时相位为：

25、 fm（t）=fm（t）dt ctKff(t) dt 调频波的时域表达式为： Sfm(t)= Acosct+c+Kff(t) dt 当f(t)为单频信号时： Sfm(t)= Acosct+c+KfAm/msinmt fm=KfAm/m叫做调频指数，代表调频波的最大相偏。 第四章通信中调制技术 3、调相波与调频波的关系： 模拟信号的非线性调制 Sfm(t)= Acosct+c+Kff(t) dt Spm(t)= Acosct+c+Kpf(t) 从以上两式可以看出，将f(t)先积分后再对载波进行相位调制，便可 得到调频波；同样，将f(t)先微分后再对载波进行频率调制，便可 得到调相波。 f(t)

26、dtPMdf(t)/dtFM PMFM f(t)f(t) 第四章通信中调制技术 模拟信号的非线性调制 例1：一个FM广播发射机在工作时最大频率偏移为75KHZ。分别计算出正 弦基带信号的频率为下列两种情况时的调制指数。 （a)15KHZ (b)50HZ 解：（a) fm = 275KHZ=Kf|f(t)|max= KfAm fm KfAm/m=75/15=5 (b) fm KfAm/m=75/0.05=1500 例2：一个相位调制器有Kp2 rad/v。计算峰值相移60 。时的基带信号均 方根电压。 解：Am=/3/2=0.524v A=0.524/1.414=0.37v 第四章通信中调制技术

27、 窄带调频 max ( )/6 f Kf t dt 当满足条件：时，称为窄带调频。 这时，上式可近似为： ( )cos( )sin NBFMcFMc StAtAKf t dtt 窄带调频可简写为NBFM KFMf(t) dt /2 Acosct Snbfm(t) 第四章通信中调制技术 窄带调频 ( )( ) cos ()() founer ccc founer f tF t 因为： ( ) ()() (/2) ()/()()/() NBFMcc FMcccc SA AKFF 所以： w SNBFM (w) -wc wc 频谱图近似为： 窄带调频时，基带信号频谱发生了非线性变化。这种调制方法主

28、要用于业务通信、军用通信等。 第四章通信中调制技术 ( )cos mm f tAw t当时 ( )cos(sin) coscos(sin)sinsin(sin) WBFMcFMm cFMmcFMm StAw tw t Aw tw tAw tw t 2 1 21 1 cos(sin)()2() cos(2) sin (sin)2() sin(21) FMmoFMnFMm n FMmnFMm n w tJJnw t w tJnw t ( )() cos() W BFMnFMcm n StAJwnwt 可 得 ： max ( )/6 f Kf t dt 当条件：不满足时，称为宽带调频。 宽带调频 利用第一类贝塞尔函数展开： 第四章通信中调制技术 ( )() ()() FMnfcmcm n SAJ mn 贝塞尔函数曲线如下图所示贝塞尔函数曲线如下图所示: : 贝塞尔函数曲线贝塞尔函数曲线 求傅立叶