第02章-模拟调制系统.

现代通信原理（第4版）第2章模拟调制系统•了解：调制的功能与分类•掌握：常规双边带调制(AM)信号的时域表示•掌握：频域表示功率和效率•掌握：AM的调制与解调•了解：抑制载波双边带调制信号•了解：单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）•了解：非线性调制系统•了解：窄带频率调制NBFM宽带调频WBFM•了解：窄带调相NBPM宽带调相WBPM•了解：模拟调制系统的抗噪声性能•了解：线性调制系统的抗噪声性能•了解：非线性调制系统的抗噪声性能本章学习要求：2.1调制的功能及分类2.1.1调制的功能•对消息信号进行频谱搬移，使之适合信道传输的要求；•把基带信号调制到较高的频率(一般调制到几百kHz到几百MHz甚至更高的频率)，使天线容易辐射；•便于频率分配：为使无线电台发出的信号互不干扰，每个发射台都被分配给不同的频率；•有利于实现信道多路复用，提高系统的传输有效性Internet技术的广泛应用；•可以减小噪声和干扰的影响，提高系统的传输可靠性。•2．1．2．1根据调制信号分类•模拟调制：调制信号是模拟信号的调制；•数字调制：调制信号是数字信号的调制。•2．1．2．2根据载波分类•连续载波调制：以正弦信号作载波的调制；•脉冲载波调制：以脉冲序列作载波的调制。载波信号是时间间隔均匀的矩形脉冲。•2．1．2．3根据调制器的功能分类•幅度调制一一调制信号改变载波信号的振幅参数，即利用的幅度变化来传送的信息。如调幅(AM)、脉冲振幅调制(PAM)和振幅键控(ASK)等。•频率调制一一调制信号改变载波信号的频率参数，即利用的频率变化来传送的信息。如调频(FM)、脉冲频率调制(PFM)和频率键控(FSK)等。•相位调制一一调制信号改变载波信号的相位参数，即利用的相位变化来传送的信息。如调相(PM)、脉冲位置调制(PPM)、相位键控(PSK)等。2.1.2调制的分类•2.1.2.4根据调制前后信号的频谱结构关系分类•线性调制一一输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性关系，如(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)等。•非线性调制一一输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间没有线性对应关系，即已调信号的频谱中含有与调制信号频谱无线性对应关系的频谱成分，如FM、FSK等。)cos()]([)()]([)(0ttfAAtutfAtscccAM2.2线性调制系统•2.2.1常规双边带调制系统•2.2.1.1常规双边带调制(AM)信号的时域表示•下图表示了常规双边带信号的调制过程。其中，•(a)为基带调制信号，本图中它是一个低频余弦信号，初相为0；•(b)为等幅的高频载波信号；•(c)则是调制信号叠加了一个直流分量A后的输出；•(d)就是输出的调制信号。•2.2.1.2常规双边带调制信号的频域表示•常规双边带调制信号的频谱就是将调制信号的频谱减小一半后分别搬移到以为中心处，且在处还各有一个强度为的冲击分量，如图所示。)(F-ωm0ωmω0(ωC-ωm)ωC(ωC+ωm)tAA(-ωC-ωm)-ωC(-ωC+ωm))(AMS2.2.1.3常规双边带调制信号的功率和效率•1.通常将调制信号的功率用该信号在1欧姆电阻上所产生的平均功率来表示，它等于该信号的方均值，即对时域表达式先平方然后再求平均值。故双边带调制信号的功率为：•2.一般情况下，可认为是均值为0的信号，且与载波的二倍频信号及直流分量A之间两两彼此独立。•由于，求得双边带调制信号的功率为：•式中第一项与信号无关，称作无用功率，第二项是需要的信号功率。•3.一般定义信号功率与调制信号的总功率之比为调制效率：)()(222tfAtfAM02costc•根据双边带调制信号的时域表达式，可以画出其调制电路框图如图所示。•ttfAtscAMcos)]([)(AcosωCtf(t)A+f(t)sAM(t)2.2.1.4AM的调制与解调解调通常有两种方式:直接采用包络检波法--用非线性器件和滤波器分离提取出调制信号的包络，获得所需的信息，也称之为信号的非相干检波，其原理框图如图（a）所示。相干解调--通过相乘器将收到的信号与接收机产生的、与调制信号中的载波同频同相的本地载波信号相乘，然后再经过低通滤波，即可恢复出原来的调制信号，如图（b）所示。(a)包络检波(b)相干检波低通滤波非线性器件sAM(t)f(t)本地cosωCt低通滤波[A+f(t)]cos2ωCtsAM(t)f(t)•2.2.2.1抑制载波双边带调制信号•1.常规双边带调制的最大缺点就是调制效率低，其功率中的大部分都消耗在本身并不携带有用信息的直流分量上，如果将这个直流成分完全取消，则效率可以提高到100%，这种调制方式就是抑制载波双边带调制，简称DSB。其已调信号的时域表达式为：•就是信号当A=0时的一个特例，其输出波形及产生过程如图所示。ttftscDSBcos)()(tftfc2cos)()(tDSBs)(tsAM(a)f(t)t2Am0t(b)0)(tuc(c)0tsAM(t)2.2.2抑制载波的双边带调制(DSB)•2.根据抑制载波双边带调制信号的时域表达式，•可画出其调制电路框图如图所示。•3.由于信号的包络不再具有调制信号的形状，它只能使用相干解调方式，才能恢复出原来的调制信号，如图所示。ttftscDSBcos)()()(tsDSB)(tfcosωCtf(t)sDSB(t)低通滤波f(t)cos2ωCtf(t)本地cosωCtSDSB(t)2.2.2.2双边带调制/解调电路实例工程实际中，通常将信号调制、检波、鉴频、混频、鉴相等双边带信号的调制与解调过程看做两个信号的多次相乘及其后续处理，常采用集成模拟乘法器件予以实现，其电路远比分离器件简单的多，性能也更优越，目前在无线通信、广播电视等方面应用较多。•2.2.2.2.1、双边带调制电路•调制就是在传送信号的发送端，利用要传送的低频原始信号去控制高频振荡信号波形的某一参数（幅度、相位或频率），使这个参数随控制信号的变化而变化。这里，高频振荡波就是载波，原始控制信号即调制信号。在接收端经过与发送端相反的反调制过程，把载波所携带的信息提取出来，恢复原有的信息，这就是解调过程，也叫检波。•从频谱的角度，调制与解调就是一个频谱变换与反变换的过程，必须用非线性元件来实现。•幅度调制信号的振幅受调制信号的控制，其振幅变化与调制信号成正比。为简化分析，假定调制信号是单频信号，即。tfAtfmm2cos)(tftfAAtutfAtScmmcAM2cos]2cos[)()]([)(f(t)Am0tuc(t)Um0tsAM(t)UmUmaxUmin0t常规双边带调幅电路各点波形0sAM(t)t过调制波形)(fF-fm0fmf0(fC-fm)fC(fC+fm)fAA(-fC-fm)-fC(-fC+fm))(fSAM单频正弦信号双边带调制信号频谱双边带调幅信号产生电路原理图•MC1496是振幅调制器，载波经高频电容耦合输入至MC1496的10脚，低频调制信号经耦合电容E05输入至MC1496的1脚，调幅信号从MC1496的12脚输出。•C08、E06分别为高频、低频旁路电容。引脚2、3之间的外接反馈电阻R19用于扩展调制信号的线性动态范围，当R19增大时，输入的线性范围也随之增大，但乘法器增益随之减少。引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电时）。引脚1、4所接的两个100Ω、750Ω电阻及47K电位器用于调节输入馈通电压，调节P01，可以引入一个直流补偿电压，由于调制电压与直流补偿电压相串联，相当于给调制信号叠加了某一直流电压后，再使其与载波信号相乘，从而实现常规双边带调幅。•MC1496输出的调幅信号还需通过一个射随电路后输出，以增加电路的负载能力。为保证输出调幅信号的质量，射随器的输出还经过了下图所示的滤波电路。双边带调幅信号的滤波2.2.2.2.2、双边带解调电路•常规双边带调制信号的解调可以采用相干或非相干方式。非相干解调利用信号的包络变化反映调制信号变化规律的特点进行检波。由于包络检波电路简单，实际工程中常常用到。•本实验系统的检波电路由一个二极管检波器和一个低通滤波器组成，如图2.36所示。因为要实现高频包络检波，所以二极管D20的正向导通压降越小越好，常采用锗二极管，（正向导通电压UF≤0.3V）来满足要求。•R28、C14分别为负载电阻、电容，故C14的高频阻抗应远小于R，可视为短路；而其低频阻抗应远大于R，可视为开路。这样，利用二极管的单向导电性和负载回路RC的充放电作用，就可以还原出与调幅信号包络基本一致的信号。观察并记录该解调输出信号的波形，并再示波器上将其与输入调制信号进行对比，并分析其差异原因。二极管包络检波解调电路•2.2.3.1单边带调制•1.仅利用一个边带传输信息的调制方式就是单边带调制，简称SSB，其已调信号记作。如图所示，(a)图为上边带调制信号，(b)图则为下边带调制信号。2.2.3单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）)(tsSSB)(tsHSB)(tsLSB)(F-ωm0ωmω0ωC(ωC+ωm)t(-ωC-ωm)-ωC0(ωC-ωm)ωCt-ωC(-ωC+ωm)SLSB(ω)SHSB(ω)•2.单边带信号的调制有滤波法、移相法以及移相滤波法三种方式，但移相滤波法由于通信质量较差，已很少采用。•滤波法首先对调制信号进行抑制载波的双边带调制，然后再通过滤波器从中滤出所需要的上（或下）边带信号，其框图如图所示。•其中，当滤波器的选通频带为时，输出上边带信号；当通带为时，输出下边带信号。•3.单边带调制信号通常都采用相干解调法完成解调，其框图如图所示。)~(mcc)(tsHSB)~(cmc)(tsLSB滤波器SDSB(t)cosωCtf(t)SSSB(t)低通滤波f(t)本地cosωCtSSSB(t)•2.2.3.2残留边带调制（VSB）•1、残留边带调制简记为VSB。它不象单边带那样对不传送的带进行完全抑制，而是使它逐渐截止，这样就会使需要被抑制的边带信号在已调信号中保留了一小部分，其频谱如图所示。•2、残留边带信号的解调也采用相干解调法，但必须保证滤波器的截止特性将使传输边带在载频附近被抑制的部分由抑制边带的残留部分进行精确补偿，即其滤波器的传递函数必须具有互补对称特性，接收端才能不失真地恢复原始调制信号。•3、残留边带调制在低频信号的调制过程中，由于滤波器制作比单边带容易，且频带利用率也比较高，是含有大量低频成分信号的首选调制方式。2.3非线性调制系统•2.3.1一般概念•1、调制——利用高频载波的三个参数（幅度、频率、相位）之一携带调制信号的信息。•2、线性调制——使载波的幅度随调制信号发生线性变化。•3、非线性调制——载波的瞬时频率或相位随调制信号线性变化，即控制载波的瞬时频率或相位变化，其变化的周期由的频率决定，而幅度则保持不变的调制。•根据控制的是载波的角频率还是相位：•频率调制(FrequencyModulation)简称调频，记为FM；•相位调制（PhaseModulation），简称调相，记为PM。2.3.2频率调制(FM)21、依据瞬时相位偏移是否远小于0.5或,可划分为:窄带调频（NBFM）宽带调频（WBFM）依据的数学表示式为：或0.5，调频为窄带调频；否则为宽带调频。2.3.2.1窄带频率调制NBFM1、时域表达式为：2、窄带调频信号的频谱为：6)(dttfKFM])(cos[)(dttfKtAtsFMcFMtdttfAKtAtscFMcNBFMsin])([cos)(])()([2)]()([)(ccccFMccNBFMFFAKAS•(a)、(b)、(c)分别为调制信号、常规双边带调制信号和窄带调频信号的频谱。)(tsAM)(tsNBFM单频调制时的常规调幅和窄带调频信号频谱F(ω)F(ω)SAM(ω)SNBFM(ω)-