第四章 通信中的调制技术.ppt

1、第四章：,通信中的调制技术,本章内容,1、各种调制方法及其解调方法的原理。,模拟调制 调幅 调频 调相,基带信号 模拟调制 数字调制,数字调制 二进制调制 多进制调制,解调方法 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：AM、DSB、SSB、VSB等； 调频：窄带调频、宽带调频等； 调相：窄带调相、宽带调相等。,调制的目的,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达到最大，而且传输更可靠和有效。 提高性能，特别是提高抗干扰性。 有效的利用频带。,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，

2、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：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

3、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。,AM调制,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,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

4、cos(ct+c),AM调制信号,A=-(RL/RC)/rbe rbe300 +(1+) 26 / IEQ,放大器,分析集成运算放大器的基本方程： 1、v+=v- 2、I+=I-=0,加法器,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,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。,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

5、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。,AM调制的频谱分析（2）,AM调制的频谱分析（3）,调制信号,SAM()= 2A0(-c)+F(-c)ejc/2 + 2A0(+c)+F(+c)ejc/2,AM调制的频谱分析（4）,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。

6、 PPcPf,调幅指数,当基带信号为单频信号时，基带信号：,调幅信号：,调制系数：,无失真包络检波条件：,调幅信号的功率分配,在刚发生过调制的临界状态，调制效率最大：1/3,功率组成：,当调制信号为单频信号时：,AM调制信号为：sAM(t)= A0f(t) cos(ct+c),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。,解：,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,AM调

7、制的特点：,容易实现，原理简单 调制中信号带宽扩大一倍，信道利用率低 调制信号中含有很大的载波成分，传输功率利用率低。,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)/2,DSB调制框图：,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

8、用率。,一、滤波法,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)+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) ,单边带调幅（SSB）,二、相移法,根据上

9、下两路信号加减的不同，可分别得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。,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。,对于残留边带调制的滤波器，我们不再要求必须是理想滤波器，但要求在正负c处，滤波器

10、特性的变化部分要关于c c线上的中点对称。,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),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：利用已调信号的幅度变化（时域）来恢复基带信号。,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：利用已调信号的幅度变化（时域）来恢复基带信号。,相干解调,时域相乘,

11、现在假设用已调信号作为基带信号,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,原始基带频谱,相干解调的数学分析（1）,一、AM调制,sAM(t)= A0f(t) cos(ct+c),sAM(t)cos(ct+)=A0f(t)cos(ct+c)cos(ct+),= (1/2) A0f(t) cos(c- )+cos(2ct+c+),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、 c

12、kt+a时，ud(t)=1/2A0f(t)cos(kt+a),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)cos(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。,相干解调的数学分析（3）,三、SSB调制,sSSB(t)=f(t)cos(ct+c) +f(t)sin

13、(ct+c),sSSB(t)cos(ct+) = (1/2)f(t)cos(c- )+cos(2ct+c+),+(1/2)f(t)sin(c- )+sin(2ct+c+),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。,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。,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

14、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,二、AM信号的整流检波,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。,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。,由于拟制载波调制信号中不含有载波分

15、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。,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。,信噪比得益（增益）：,相干解调的噪声性能,信道输入信号频谱,信道传递函数,相干解调的噪声性能,各种调制信号的解调信噪比得益：,AM：,相干解调的噪声性能,整个传输过程的噪声性能可用下式表示：,由上

16、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。,AM系统包络检波器的噪声性能,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。,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、调相 若载波的初相c随基带

17、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,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： fm（t）=fm（t）dt ctKff(t)

18、 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。,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。,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75KH

19、Z。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,窄带调频,这时，上式可近似为：,窄带调频可简写为NBFM,窄带调频,因为：,所以：,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。这种调制方法主要用于业务通信、军用通信等。,宽带调频,利用第一类贝塞尔函数展开：,贝塞尔函数曲线如下图所示:,贝塞尔函数曲线,求傅立叶变换后得调频波的频谱表达式为:,WBFM调频波的频谱,基带信号为单频信号时WBFM的频谱图如下图所示:,调频信号的产生与解调,