无线通信技术课件--第6章

第6章振幅调制、解调及混频第6章振幅调制、解调及混频6.1振幅调制6.2调幅信号的解调6.3混频6.4混频器的干扰思考题与习题第6章振幅调制、解调及混频6.1振幅调制调制器与解调器是通信设备中的重要部件。所谓调制，就是用调制信号去控制载波某个参数的过程。调制信号是由原始消息（如声音、数据、图像等）转变成的低频或视频信号，这些信号可以是模拟的，也可以是数字的，通常用uΩ或f(t)表示。未受调制的高频振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、三角波、锯齿波等;但它们都是周期性信号，用符号uC和ic表示。受调制后的振荡波称为已调波，它具有调制信号的特征。也就是说，已经把要传送的信息载到高频振荡上去了。解调则是调制的逆过程，是将载于高频振荡信号上的调制信号恢复出来的过程。第6章振幅调制、解调及混频振幅调制是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地讲，是使高频振荡的振幅与调制信号成线性关系，其它参数(频率和相位)不变。这是使高频振荡的振幅载有消息的调制方式。振幅调制分为三种方式:普通的调幅方式(AM)、抑制载波的双边带调制(DSB－SC)及抑制载波的单边带调制(SSB-SC)方式。所得的已调信号分别称为调幅波、双边带信号及单边带信号。为了理解调制及解调电路的构成，必须对已调信号有个正确的概念。本节对振幅调制信号进行分析，然后给出各种实现的方法及一些实际调制电路。第6章振幅调制、解调及混频6.1.1振幅调制信号分析1.调幅波的分析1)表示式及波形设载波电压为uC=UCcosωct*(6-1)调制电压为uΩ=UΩcosΩt(6-2)第6章振幅调制、解调及混频通常满足ωcΩ。根据振幅调制信号的定义，已调信号的振幅随调制信号uΩ线性变化，由此可得振幅调制信号振幅Um(t)为(6-3)式中，ΔUC(t)与调制电压uΩ成正比，其振幅ΔUC=kaUΩ与载波振幅之比称为调幅度(调制度)(6-4)式中，ka为比例系数，一般由调制电路确定，故又称为调制灵敏度。由此可得调幅信号的表达式(6-5))cos1(cos)(Δ)(CΩaCCCmtmUtUkUtUUtUCΩaCCΔUUkUUmttmUttUtucCcMAMcos)cos1(cos)()(第6章振幅调制、解调及混频为了使已调波不失真，即高频振荡波的振幅能真实地反映出调制信号的变化规律，调制度m应小于或等于1。图6-1(c)、(d)分别为m1、m=1时的已调波波形;图6-1(a)、(b)则分别为调制信号、载波信号的波形。当m＞1时，称为过调制，如图6-1(e)所示，此时产生严重的失真，这是应该避免的。第6章振幅调制、解调及混频图6-1AM调制过程中的信号波形第6章振幅调制、解调及混频上面的分析是在单一正弦信号作为调制信号的情况下进行的，而一般传送的信号并非为单一频率的信号，例如是一连续频谱信号f(t)，这时，可用下式来描述调幅波:uAM(t)=UC［1+mf(t)］cosωct(6-6)式中，f(t)是均值为零的归一化调制信号，|f(t)|max=1。若将调制信号分解为则调幅波表示式为(6-7)式中，mn=kaUΩn/UC。如果调制信号如图6-2(a)，已调波波形则如图6-2(b)所示。1)cos()(nnnntUtfttmUtunnnnc1CAMcos)cos(1)(第6章振幅调制、解调及混频图6-2实际调制信号的调幅波形第6章振幅调制、解调及混频由式(6-5)可以看出，要完成AM调制，可用图6-3的原理框图来完成，其关键在于实现调制信号和载波的相乘。第6章振幅调制、解调及混频图6-3AM信号的产生原理图第6章振幅调制、解调及混频2)调幅波的频谱由图6-1(c)可知，调幅波不是一个简单的正弦波形。在单一频率的正弦信号的调制情况下，调幅波如式(6-5)所描述。将式(6-5)用三角公式展开，可得(6-8)上式表明，单频调制的调幅波包含三个频率分量，它是由三个高频正弦波叠加而成，其频谱图见图6-4。由图及上式可看到:频谱的中心分量就是载波分量，它与调制信号无关，不含消息。而两个边频分量ωc+Ω及ωc－Ω则以载频为中心对称分布，两个边频幅度相等并与调制信号幅度成正比。边频相对于载频的位置仅取决于调制信号的频率，这说明调制信号的幅度及频率消息只含于边频分量中。tUmtUmtUtu)cos(2)cos(2cos)(cCcCcCAM第6章振幅调制、解调及混频图6-4单音调制时已调波的频谱(a)调制信号频谱;(b)载波信号频谱;(c)AM信号频谱第6章振幅调制、解调及混频在多频调制情况下，各个低频频率分量所引起的边频对组成了上、下两个边带。例如语音信号，其频率范围大致为300～3400Hz(如图6-5(a)所示)，这时调幅波的频谱如图6-5(b)所示。由图可见，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。所谓频谱结构相同，是指各频率分量的相对振幅及相对位置没有变化。这就是说，AM调制是把调制信号的频谱搬移到载频两侧，在搬移过程中频谱结构不变。这类调制方式属于频谱线性搬移的调制方式。第6章振幅调制、解调及混频图6-5语音信号及已调信号频谱(a)语音频谱;(b)已调信号频谱第6章振幅调制、解调及混频单频调制时，调幅波占用的带宽BAM＝2F，F=Ω/2π。如调制信号为一连续谱信号或多频信号，其最高频率为Fmax，则AM信号占用的带宽BAM=2Fmax。信号带宽是决定无线电台频率间隔的主要因素，如通常广播电台规定的带宽为9kHz，VHF电台的带宽为25kHz。第6章振幅调制、解调及混频3)调幅波的功率平均功率(简称功率)是对恒定幅度、恒定频率的正弦波而言的。调幅波的幅度是变化的，所以它存在几种状态下的功率，如载波功率、最大功率及最小功率、调幅波的平均功率等。在负载电阻RL上消耗的载波功率为(6-9)在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率为(6-10)L2CcππL2Cc2dπ21RUtRuP2c22CLcππL2AM)cos(1)cos1(21d)(π21tmPtmURtRtuP第6章振幅调制、解调及混频由此可见，P是调制信号的函数，是随时间变化的。上、下边频的平均功率均为(6-11)AM信号的平均功率(6-12)由上式可以看出，AM波的平均功率为载波功率与两个边带功率之和。而两个边频功率与载波功率的比值为(6-13)c22CL4221PmmURP边频21dπ212cππavmPtPP22m载波功率边频功率第6章振幅调制、解调及混频当100％调制时(m=1)，边频功率为载波功率的1/2，即只占整个调幅波功率的1/3。当m值减小时，两者的比值将显著减小，边频功率所占比重更小。同时可以得到调幅波的最大功率和最小功率，它们分别对应调制信号的最大值和最小值为Pmax=Pc(1+m)2Pmin=Pc(1－m)2(6-14)Pmax限定了用于调制的功放管的额定输出功率PH,要求PH≥Pmax。在普通的AM调制方式中，载频与边带一起发送，不携带调制信号分量的载频占去了2/3以上的功率，而带有信息的边频功率不到总功率的1/3，功率浪费大，效率低。但它仍广泛地应用于传统的无线电通信及无线电广播中，其主要原因是设备简单，特别是AM波解调很简单，便于接收，而且与其它调制方式(如调频)相比，AM占用的频带窄。第6章振幅调制、解调及混频2.双边带信号在调制过程中，将载波抑制就形成了抑制载波双边带信号，简称双边带信号。它可用载波与调制信号相乘得到，其表示式为uDSB(t)=kf(t)uC(6-15)在单一正弦信号uΩ=UΩcosΩt调制时，uDSB(t)=kUCUΩcosΩtcosωct=g(t)cosωct(6-16)第6章振幅调制、解调及混频式中，g(t)是双边带信号的振幅，与调制信号成正比。与式(6-3)中的Um(t)不同，这里g(t)可正可负。因此单频调制时的DSB信号波形如图6-6(c)所示。与AM波相比，它有如下特点:(1)包络不同。AM波的包络正比于调制信号f(t)的波形，而DSB波的包络则正比于|f(t)|。例如g(t)=kcosΩt，它具有正、负两个半周，所形成的DSB信号的包络为|cosΩt|。当调制信号为零时，即cosΩt=0，DSB波的幅度也为零。第6章振幅调制、解调及混频图6-6DSB信号波形第6章振幅调制、解调及混频(2)DSB信号的高频载波相位在调制电压零交点处(调制电压正负交替时)要突变180°。由图可见，在调制信号正半周内，已调波的高频与原载频同相，相差0°;在调制信号负半周内，已调波的高频与原载频反相，相差180°。这就表明，DSB信号的相位反映了调制信号的极性。因此，严格地讲，DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。从式(6-16)看出，单频调制的DSB信号只有ωc+Ω及ωc－Ω两个频率分量，它的频谱相当于从AM波频谱图中将载频分量去掉后的频谱。由于DSB信号不含载波，它的全部功率为边带占有，所以发送的全部功率都载有消息,功率利用率高于AM信号。由于两个边带所含消息完全相同，故从消息传输角度看，发送一个边带的信号即可，这种方式称为单边带调制。第6章振幅调制、解调及混频3.单边带信号单边带(SSB)信号是由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中，直接将一个边带抵消而成。单频调制时，uDSB(t)=kuΩuC。当取上边带时uSSB(t)=Ucos(ωc+Ω)t(6-17)取下边带时uSSB(t)=Ucos(ωc－Ω)t(6-18)从上两式看，单频调制时的SSB信号仍是等幅波，但它与原载波电压是不同的。SSB信号的振幅与调制信号的幅度成正比，它的频率随调制信号频率的不同而不同，因此它含有消息特征。单边带信号的包络与调制信号的包络形状相同。在单频调制时，它们的包络都是一常数。图6-7为SSB信号的波形，图6-8为调制过程中的信号频谱。第6章振幅调制、解调及混频图6-7单音调制的SSB信号波形第6章振幅调制、解调及混频图6-8单边带调制时的频谱搬移第6章振幅调制、解调及混频为了看清SSB信号波形的特点，下面分析双音调制时产生的SSB信号波形。为分析方便。设双音频振幅相等，即uΩ(t)=UΩcosΩ1t+UΩcosΩ2t(6-19)且Ω2＞Ω1，则可以写成下式:(6-20)受uΩ调制的双边带信号为(6-21)从中任取一个边带,就是双音调制的SSB信号(图6-9)。取上边带,(6-22)ttUu)(21cos)(21cos21212ΩΩtttUuc1212ΩDSBcos)(21cos)(21costtUu)(21cos)(21cos212c12ΩSSB第6章振幅调制、解调及混频图6-9双音调制时SSB信号的波形和频谱第6章振幅调制、解调及混频进一步展开(6-23)由上面分析可以看出SSB信号有如下特点：(1)比较式(6-20)和(6-22)可见，若将|2UΩcos(Ω2－Ω1)t/2|看成是调制信号的包络，(Ω2+Ω1)/2为调制信号的填充频率，则SSB信号的包络与调制信号的包络形状相同，填充频率移动了ωc。tUtUu)cos(4)cos(42cΩ1cΩSSB第6章振幅调制、解调及混频(2)比较式(6-19)和(6-23)可以看出，双音调制时，每一个调制频率分量产生一个对应的单边带信号分量，它们之间的关系和单音调制时一样，振幅之间成正比，频率则线性移动。这一调制关系也同样适用于多频率分量信号f(t)的SSB调制。由式(6-17)和式(6-18)，利用三角公式，可得uSSB(t)=UcosΩtcosωct－UsinΩtsinωct(6-24a)和uSSB(t)=UcosΩtcosωct+UsinΩtsinωct(6-24b)式(6-24a)对应于上边带，