第四章 通信中的調(diào)制技術(shù)11

1、第四章： 本章內(nèi)容 1、各種調(diào)制方法及其解調(diào)方法的原理。 模擬調(diào)制模擬調(diào)制 調(diào)幅調(diào)幅 調(diào)頻調(diào)頻 調(diào)相調(diào)相 基帶信號基帶信號 模擬調(diào)制模擬調(diào)制 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 二進(jìn)制調(diào)制二進(jìn)制調(diào)制 多進(jìn)制調(diào)制多進(jìn)制調(diào)制 解調(diào)方法解調(diào)方法 相干解調(diào)相干解調(diào) 非相干解調(diào)非相干解調(diào) 2、各種調(diào)制信號的頻譜特征 3、各種調(diào)制方法的調(diào)制性能及噪聲性能 調(diào)幅：調(diào)幅：AMAM、DSBDSB、 SSBSSB、VSBVSB等；等； 調(diào)頻：窄帶調(diào)頻、寬調(diào)頻：窄帶調(diào)頻、寬 帶調(diào)頻等；帶調(diào)頻等； 調(diào)相：窄帶調(diào)相、寬調(diào)相：窄帶調(diào)相、寬 帶調(diào)相等。帶調(diào)相等。 調(diào)制的目的 n將消息變換為便于傳輸?shù)男问?。也就?說，變換為

2、某種形式使信道容量信道容量達(dá)到最 大，而且傳輸更可靠和有效。 n 提高性能，特別是提高抗干擾性。 n有效的利用頻帶。 4.1模擬信號線性調(diào)制技術(shù) 調(diào)制：用低頻基帶信號控制高頻載波信號的某個參數(shù)， 從而獲得攜帶低頻基帶信號信息的高頻信號的過程。 調(diào)幅：用低頻基帶信號控制高頻載波信號的幅度。這 種調(diào)制技術(shù)又被稱為線性調(diào)制技術(shù)。 調(diào)頻：用低頻基帶信號控制高頻載波信號的頻率，從 而得到頻率值隨基帶信號變化而變化的調(diào)制信號。 調(diào)相：用低頻基帶信號控制高頻載波信號的初相。調(diào) 頻和調(diào)相技術(shù)又被稱為非線性調(diào)制技術(shù)。 調(diào)制：用低頻基帶信號控制高頻載波 信號的某個參數(shù)，從而獲得攜帶低頻基 帶信號信息的高頻信號的過

3、程。 調(diào)幅：用低頻基帶信號控制高頻載波 信號的幅度。這種調(diào)制技術(shù)又被稱為線 性調(diào)制技術(shù)。 調(diào)頻：用低頻基帶信號控制高頻載 波信號的頻率，從而得到頻率值隨基帶 信號變化而變化的調(diào)制信號。 調(diào)相：用低頻基帶信號控制高頻載 波信號的初相。調(diào)頻和調(diào)相技術(shù)又被稱 為非線性調(diào)制技術(shù)。 AM調(diào)制 基帶信號：f(t) f(t) cos(ct+c) 基帶信號與載波 信號直接相乘，則得 到的信號頻率為載波 頻率但幅值隨基帶信 號變化 由于原基帶信號有 過零點，則當(dāng)基帶信號 變?yōu)樨?fù)值時，該調(diào)制信 號出現(xiàn)相位的翻轉(zhuǎn)。 由于基帶信號過零 點的影響，調(diào)制信號的 包絡(luò)線與原基帶信號有 不同。 A0f(t) cos(ct+c

4、) 給基帶信號加一個 常數(shù)A0，保證給載 波信號乘一個正數(shù) 調(diào)制信號不出現(xiàn)相 位的翻轉(zhuǎn)，包絡(luò)線 與基帶信號相同， 這種調(diào)制即為AM調(diào) 制 載波信號：cos(ct+c) AM調(diào)制的系統(tǒng)框圖 振蕩器 乘法器 放大器 加法器 基帶信號 cos (ct+c) f(t) f(t) cos(ct+c) A0 cos(ct+c) AM調(diào)制信號 A=-(RL/RC)/rbe rbe300 +(1+) 26 / IEQ 1 R R V V A f i o 放大器 分析集成運算放大器的基本方程： 1、v+=v- 2、I+=I-=0 加法器 )( )( i2i1 i2 2 f i1 1 f o vv v R R v

5、 R R v 反相輸入加法器同相輸入加法器 在各電阻滿足一定條件下： v0=vi1+vi2 乘法器 模擬乘法器原理圖 如果能用 vy去控制 IE，即實現(xiàn)IE vy。 vO 就基本上與兩輸入電 壓之積成比例。于 是實現(xiàn)兩模擬量相乘 的電路構(gòu)思，如圖所 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 mV26 R vvR vI R YXO vKvv AM調(diào)制的頻譜分析（1） AM調(diào)制信號的時域表示為： sAM(t)= A0f(t) cos(ct+c) = A0f(t) ej(ct+c)+e-j

6、(ct+c)/2 利用傅立葉變換可以求出它的頻譜為： SAM()=2A0(-c)+F(-c)ejc/2 + 2A0(+c)+F(+c)ejc/2 其中： F ()為f(t)的頻譜。 ( )( ) cos ()() founer ccc founer f tF t AM調(diào)制的頻譜分析（2） f(t) t0 A0f(t) t0 m-m0 F() m-m0 F() 2A0() AM調(diào)制的頻譜分析（3） 載波信號：cos(ct+c) c-c0 c-c0 S()調(diào)制信號 SAM()= 2A0(-c)+F(-c)ejc/2 + 2A0(+c)+F(+c)ejc/2 AM調(diào)制的頻譜分析（4） m-m0 F(

7、) c -c0 S() 1、調(diào)制過程實現(xiàn)了頻譜的搬移。 要實現(xiàn)不失真調(diào)制，需c m 我們來比較原始基帶信號和調(diào)制信號的頻譜： 2、調(diào)制過程中頻譜展寬了兩倍， 且左右兩個頻帶是對稱的。 3、在調(diào)制信號頻譜中，包含載波 頻譜分量和邊帶頻譜分量兩部分。 載波頻譜部分不含基帶信息但要 占用較大的信號功率。 PPcPf 調(diào)幅指數(shù) n當(dāng)基帶信號為單頻信號時，基帶信號： ( )cos() mmm f tAt n調(diào)幅信號： 0 0 ( )1cos()cos() m AMmmcc A StAtt A n調(diào)制系數(shù)： 0 / AMm AA n無失真包絡(luò)檢波條件： 1 AM 在剛發(fā)生過調(diào)制的臨界狀態(tài)，調(diào)制效率最大：1

8、/3 22 0 ( ) 22 cf Aft PPP 功率組成： 當(dāng)調(diào)制信號為單頻信號時： 0 ( )cos()cos()cos() AMccmmmcc StAtAtt 2 2 222 0 4 2 24 m ff AM AM mAMcfAM A PP AAPPP AM調(diào)制信號為：sAM(t)= A0f(t) cos(ct+c) 舉例 例1：在AM調(diào)制中，基帶信號是振幅1v的單頻信號，載波信 號振幅電壓10v，計算系統(tǒng)的調(diào)制系數(shù)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調(diào)制中，基帶信號含有三種不同的頻

9、率分量，振 幅分別為1v、2v和3v，載波信號振幅電壓10v，計算系統(tǒng)的 調(diào)制系數(shù)和功率效率。 解：基帶信號三種分量的調(diào)制系數(shù)分別為：0.1，0.2和0.3 222 123 0.010.040.090.374 AMAMAMAM 2 2 0 .14 6.5% 22 .1 4 A M A M A M AM調(diào)制的特點： n容易實現(xiàn)，原理簡單 n調(diào)制中信號帶寬擴大一倍，信道利用率 低 n調(diào)制信號中含有很大的載波成分，傳輸 功率利用率低。 振蕩器 乘法器 基帶信號 cos (ct) f(t) f(t) cos(ct) 擬制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSBSC） 調(diào)制信號中的載波分量是由于基帶信號疊加了一個直流信

10、號引 入的。因此，只要基帶信號不疊加直流信號直接調(diào)制，就不會在調(diào) 制信號中引入載波成分。 DSB時域表達(dá)式：sDSB(t)= f(t) cos(ct) DSB頻譜：SDSB()=F(+c) F(-c)/2 DSB調(diào)制框圖： c-c0 S() 單邊帶調(diào)幅（SSB） 擬制載波調(diào)制可以去除調(diào)制 信號中的載波分量，有效地提高 調(diào)制信號的功率利用率。但載波 頻譜中仍含有對稱的上下兩個邊 帶，可想辦法去除一個邊帶，提 高通信信道頻率利用率。 一、濾波法 HSSB() f(t) 載波cos(ct) c-c 0 S() c-c0 H() c-c0 H() c-c 0 S() 上邊帶調(diào)制 c-c0 S() 下邊

11、帶調(diào)制 單邊帶調(diào)幅（SSB） 同理，當(dāng)進(jìn)行上邊帶調(diào)制時：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) 當(dāng)進(jìn)行下邊帶調(diào)制時： 式中HSSB()=sgn(+c)-sgn(-c)/2 單邊帶信號的頻譜為：SSSB()= HSSB()F(+c)+F(-c)/2 對上式求傅立葉反變換得： sSSB(t)=1/2f(t)cos(ct) +f(t)sin (ct) d t f tf )(1 )( 其中：是f(t)的希爾

12、伯特變換 單邊帶調(diào)幅（SSB） 二、相移法 f(t) 載波 /2 /2 + +- sSSB 根據(jù)上下兩 路信號加減的不 同，可分別得到 下邊帶和上邊帶 信號。 根據(jù)以上分析可得單邊帶調(diào)制的第二種實現(xiàn)辦法： 希爾伯特變換實質(zhì)上是將原函數(shù)中的所有頻率成分移相90度 得到的函數(shù)。 殘留邊帶調(diào)幅（VSB） 在實際的系統(tǒng)中，很難獲得一個理想的低通或高通濾波器，也 很難獲得真正的單邊帶調(diào)制信號，在濾波器的邊緣，信號的頻譜可 能會發(fā)生失真，這對于含有豐富低頻成分的基帶信號是致命的，因 此，含低頻成分較多的基帶信號不能采用單邊帶調(diào)制。 殘留邊帶調(diào)制是對單邊帶調(diào)制的修正，它較好地解決了上下邊 帶邊緣的問題。一般

13、殘留邊帶調(diào)制仍使用濾波的方法獲得。 HVSB() f(t) 載波 c-c0 HVSB() 對于殘留邊帶調(diào)制的對于殘留邊帶調(diào)制的 濾波器，我們不再要求必濾波器，我們不再要求必 須是理想濾波器，但要求須是理想濾波器，但要求 在正負(fù)在正負(fù)c c處，濾波器特性處，濾波器特性 的變化部分要關(guān)于的變化部分要關(guān)于c c c c 線上的中點對稱。線上的中點對稱。 c-c0 HVSB() VSB信號的時域和頻域表達(dá)式： sVSB(t) f(t)cos(ct) +f(t)sin (ct) SVSB()1/2 HVSB()F(+c)+F(-c) 調(diào)幅信號的解調(diào) 解調(diào)：解調(diào)是調(diào)制的逆過程，是從調(diào)制信號中恢復(fù) 基帶信號

14、的過程。 相干解調(diào)：利用已調(diào)信號的相位變化（頻譜變化） 來恢復(fù)基帶信號。 非相干解調(diào)：利用已調(diào)信號的幅度變化（時域）來 恢復(fù)基帶信號。 c-c0 S() 相干解調(diào) m-m0 F() 2A0() c-c0 c-c0 S() c-c0 S() 時域相乘 c-c0 頻譜被搬移到c位置 現(xiàn)在假設(shè)用已調(diào) 信號作為基帶信 號 頻譜被搬移到-c位置 c-c0 原基帶信號 頻譜被搬移到-c 和c位置 兩次搬移在零頻處互相加強 在這個頻譜中，包含低頻成分和2倍載頻成分， 低頻成分與原始信號相同，可以用低通濾波器 把它選出來 c-c0 原始基帶頻譜 LPF 調(diào)制信號 載波 基帶信號 相干解調(diào)的數(shù)學(xué)分析（1） 一、

15、AM調(diào)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+) )cos()cos( 2 1 coscos 1、 c 常數(shù)時，ud(t)=1/2A0f(t) ud(t)=1/2A0f(t) cos(c- ) 2、 c常數(shù)時，ud(t)=1/2A0f(t)k 3、 ckt+a時，ud(t)=1/2A0f(t)cos(kt+a) 相干解調(diào)的數(shù)學(xué)分析（2） 二、DSB調(diào)制 sDSB(t)= f(t)cos(ct+c) sDSB(t)cos(ct+)=f(t

16、)cos(ct+c)cos(ct+) = (1/2)f(t)cos(c- )+cos(2ct+c+) ud(t)=(1/2)f(t) cos(c- ) 與AM調(diào)制一樣，當(dāng)解調(diào)載波與調(diào)制載波頻率嚴(yán)格相等， 相差不等于/2的奇數(shù)倍時，可以無失真地解調(diào)出基帶信號。 當(dāng)解調(diào)載波與調(diào)制載波頻率有誤差時，將有解調(diào)失真。 相干解調(diào)的數(shù)學(xué)分析（3） 三、SSB調(diào)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

17、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，對于單邊帶調(diào)制信號，解調(diào)時只有解調(diào) 載波與調(diào)制載波頻率和初相都嚴(yán)格相等，才能不失真地解調(diào)出 基帶信號。 殘留邊帶信號的時域表示與單邊帶信號近視相等，不再分 析。 非相干解調(diào) 非相干解調(diào)只適用于含有載波的普通調(diào)幅信號。 CRsAM(t)ud(t) 在該電路中，調(diào)制信號通過二 極管給電容C充電，使輸出電壓達(dá) 到調(diào)制電壓的最大值，但當(dāng)輸入電 壓下降時，由于放電回路中R較大， 從而使放電較慢，輸出能跟隨輸入 包絡(luò)線變化。 一、AM信號的包絡(luò)檢波 由上圖可知，檢波電路 中

18、，放電回路的時間常不能 太大也不能太小。 1/ cRC 1/m 二、AM信號的整流檢波 R sAM(t) ud(t) LPT 對于具有大載波含量的單邊帶信號和殘留邊帶信號，也可以 使用包絡(luò)檢波或整流檢波來獲得基帶信號，具體證明請同學(xué)自己 看書，在此不再講述。 非相干解調(diào) 在這個電路中，二極管實現(xiàn)對調(diào)制信號的整流，得到只有正 值的調(diào)制信號，然后對其進(jìn)行低通濾波，近視可認(rèn)為求其平均值 曲線，其變化規(guī)律也與包絡(luò)線基本相同。 載波插入法解調(diào) 包絡(luò)檢波 調(diào)制信號 載波 基帶信號 該方法用于擬制載波的調(diào)制信號的非相干解調(diào)。 由于擬制載波調(diào)制信號中不含有載波分量，不能直接使用非 相干解調(diào)，因此，在接收端首先

19、產(chǎn)生一個與發(fā)送端相同的載波信 號，使其與接收信號相加，從而獲得一個含有載波分量的調(diào)制波， 這個信號就可以使用非相干解調(diào)的方法生成基帶信號了。 調(diào)幅系統(tǒng)的性能 兩個性能指標(biāo)：有效性和可靠性。 有效性：系統(tǒng)傳輸信號效率的高低。 AM最低，DSB次之，SSB最高，VSB介 于DSB與SSB之間。 可靠性：系統(tǒng)傳輸過程中抗干擾性的好壞。 一般用通信系統(tǒng)的信噪比來描述。 ii oo NS NS G / / 信噪比得益（增益）： 相干解調(diào)的噪聲性能 c-c0 S() LPFBPF 發(fā)送端接收端信道 s(t) n(t) si(t)+ni(t) cos(ct+) ud(t)+nd(t) c-c0 S() c

20、-c 0 S() c-c 0 H() c-c 0 H() 信道輸入信號頻譜信道傳遞函數(shù) 相干解調(diào)的噪聲性能 各種調(diào)制信號的解調(diào)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與VSB： )/()(2 )8/(/ )()4/1( 0 2 0 2 m m ntf ntf G 1 相干解調(diào)的噪聲性能 LPFBPF 發(fā)送端接收端信道 s(t) n(t) si(t)+ni(t) cos(c

21、t+) sii(t)+nii(t) ud(t)+nd(t) 整個傳輸過程的噪聲性能可用下式表示： / / / ooooii iii iiiiiiiiii SNSNSN GNN SNSNSN ii oo NS NS G / / 信噪比得益：只表示相干解調(diào)器的噪聲性能。 由上式與各種調(diào)制的信噪比得益比較可知，除AM調(diào)制外， 各種調(diào)制方法的噪聲性能基本一致。 AM系統(tǒng)包絡(luò)檢波器的噪聲性能 大信噪比情況：A0+f(t)ni(t) 222 0 / 2( ) /( ) / oo ii SN GftAft SN 噪聲性能與相干解調(diào)時相同。 小信噪比情況：A0+f(t)ni(t) 這時，基帶信息全部被檢波器破

22、壞，不能檢波。 在AM信號包絡(luò)檢波時，存在一個信噪比門限值，當(dāng)信噪 比低于該門限值時，不能檢波，這種現(xiàn)象稱為門限效應(yīng)。 模擬信號的非線性調(diào)制 一、非線性調(diào)制原理 非線性調(diào)制包括調(diào)頻和調(diào)相兩種，分別是用基帶信號控制載波 的頻率和初相。 s(t)=Acos(ct+c)=Acos(t) 無論c隨基帶信號變化還是c變化，實際上都會引起信號相角 的變化，因此，這兩種調(diào)制本質(zhì)上是一樣的，被統(tǒng)稱為角調(diào)波。 1、調(diào)相 若載波的初相c隨基帶信號變化，則： PM(t) ct+cKpf(t) （Kp為調(diào)制常數(shù)） 其最大相偏為：PM Kp|f(t)|max 其瞬時頻率為： pm（t）=dPM(t)/dt= c+ Kp

23、df(t)/dt 其瞬時頻偏為：pm =Kpdf(t)/dt 模擬信號的非線性調(diào)制 當(dāng)f(t)為單頻信號時 spm(t)=Acos(ct+c+KpAmcosmt) 式中：定義pm=KpAm叫做調(diào)相指數(shù)，代表調(diào)相波的最大相偏。 2、調(diào)頻 若載波的頻率c隨基帶信號變化，即： fm（t） cKff(t)（Kf為調(diào)制常數(shù)） 其最大頻偏為：fm = Kf|f(t)|max 其瞬時相位為： fm（t）=fm（t）dt ctKff(t) dt 調(diào)頻波的時域表達(dá)式為： Sfm(t)= Acosct+c+Kff(t) dt 當(dāng)f(t)為單頻信號時： Sfm(t)= Acosct+c+KfAm/msinmt fm

24、=KfAm/m叫做調(diào)頻指數(shù)，代表調(diào)頻波的最大相偏。 3、調(diào)相波與調(diào)頻波的關(guān)系： 模擬信號的非線性調(diào)制 Sfm(t)= Acosct+c+Kff(t) dt Spm(t)= Acosct+c+Kpf(t) 從以上兩式可以看出，將f(t)先積分后再對載波進(jìn)行相位調(diào)制，便可 得到調(diào)頻波；同樣，將f(t)先微分后再對載波進(jìn)行頻率調(diào)制，便可 得到調(diào)相波。 f(t) dtPMdf(t)/dtFM PMFM f(t)f(t) 模擬信號的非線性調(diào)制 例1：一個FM廣播發(fā)射機在工作時最大頻率偏移為75KHZ。分別計算出正 弦基帶信號的頻率為下列兩種情況時的調(diào)制指數(shù)。 （a)15KHZ (b)50HZ 解：（a)

25、 fm = 275KHZ=Kf|f(t)|max= KfAm fm KfAm/m=75/15=5 (b) fm KfAm/m=75/0.05=1500 例2：一個相位調(diào)制器有Kp2 rad/v。計算峰值相移60 。時的基帶信號均 方根電壓。 解：Am=/3/2=0.524v A=0.524/1.414=0.37v 窄帶調(diào)頻 max ( )/6 f Kf t dt 當(dāng)滿足條件：時，稱為窄帶調(diào)頻。 這時，上式可近似為： ( )cos( )sin NBFMcFMc StAtAKf t dtt 窄帶調(diào)頻可簡寫為NBFM KFMf(t) dt /2 Acosct Snbfm(t) 窄帶調(diào)頻 ( )( )

26、 cos ()() founer ccc founer f tF t 因為： ( ) ()() (/2) ()/()()/() NBFMcc FMcccc SA AKFF 所以： w SNBFM (w) -wc wc 頻譜圖近似為： 窄帶調(diào)頻時，基帶信號頻譜發(fā)生了非線性變化。這種調(diào)制方法主 要用于業(yè)務(wù)通信、軍用通信等。 ( )cos mm f tAw t當(dāng)時 ( )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(

27、) 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 當(dāng)條件： 不滿足時，稱為寬帶調(diào)頻。 寬帶調(diào)頻 利用第一類貝塞爾函數(shù)展開： ( )() ()() FMnfcmcm n SAJ mn 貝塞爾函數(shù)曲線如下圖所示貝塞爾函數(shù)曲線如下圖所示: : 貝塞爾函數(shù)曲線貝塞爾函數(shù)曲線 求傅立葉變換后得調(diào)頻波的頻譜表達(dá)式為求傅立葉變換后得調(diào)頻波的頻譜表達(dá)式為: : WBFM調(diào)頻波的頻譜調(diào)頻波的頻譜 基帶信號為單頻信號時基帶信號為單頻信號時WBFMWBFM的頻譜圖如下圖所示的頻譜圖如下圖所示: : 調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào) 一、調(diào)頻信號的產(chǎn)生 產(chǎn)生調(diào)頻波的方法通常有兩種：直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻 法。 1、直接法。直接法就是用調(diào)制信號直接控制振蕩器的 電抗元件參數(shù)，使輸出信號的瞬時頻率隨調(diào)制信號呈線