第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)

第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)前言

低通和帶通信號信號的頻譜(頻率成分)分布在零頻附近的信號成為低通信號。帶通信號的頻譜常分布在遠離零頻的某個頻率點fc附近，一般情況下fc遠高于信號的帶寬。因此，帶通信號的帶寬遠小于fc，fc附近是信號頻率分布范圍。實際信道可以分為低通信道和帶通信道。低通信道可用于傳輸?shù)屯?基帶)信號，稱為基帶傳輸。帶通信道可用于傳輸帶通信號，稱為頻帶傳輸。fc-fc低通信號帶通信號我們需要將低通信號進行頻帶傳輸：采用較高的頻率可以簡化信號發(fā)射機的結(jié)構(gòu)：低頻需要較大尺寸天線。可以把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻處，以實現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道的利用率。擴展信號帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾能力、抗衰落能力，還可以實現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。問題基帶信號不能直接通過帶通信道和傳輸，要使基帶信號能夠通過帶通信道進行傳輸，必須對基帶信號進行變換，使其變換為適合帶通信道傳輸?shù)念l帶信號的形式。將基帶信號變換為頻帶信號的過程稱為調(diào)制調(diào)制的技術(shù)實現(xiàn)

調(diào)制是讓基帶信號f(t)去控制載波的某個（或某些）參數(shù)，使該參數(shù)按照信號f(t)的規(guī)律變化的過程。被控制的信號稱為載波(carrier)－正弦波、脈沖序列。正弦信號作載波的調(diào)制叫連續(xù)波（CW）調(diào)制?？煽刂频膮?shù)：振幅f(t)、頻率ω0和相位θ(t)。

連續(xù)波調(diào)制分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。頻率調(diào)制和相位調(diào)制二者又統(tǒng)稱為角度調(diào)制，簡稱角調(diào)。

調(diào)制調(diào)制分類：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制中，調(diào)制信號是模擬信號。數(shù)字調(diào)制中，調(diào)制信號是數(shù)字信號。其它調(diào)制方式的基礎(chǔ)調(diào)制器解調(diào)器m(t)數(shù)字或模擬信號模擬信號m(t)s(t)fcS(f)信號編碼:數(shù)字信號承載模擬或數(shù)字信號稱為編碼數(shù)字信號編碼成數(shù)字信號。模擬信號編碼成數(shù)字信號。編碼器解碼器g(t)數(shù)字或模擬信號數(shù)字信號g(t)x(t)fcx(t)載波提綱

幅度調(diào)制：標準調(diào)幅(AM)抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB)單邊帶調(diào)幅(SSB)殘留邊帶調(diào)幅(VSB)模擬調(diào)制系統(tǒng)提綱

幅度調(diào)制：標準調(diào)幅(AM)抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB)單邊帶調(diào)幅(SSB)殘留邊帶調(diào)幅(VSB)

基本思想

AM信號的波形與頻譜

AM波的調(diào)制

AM波的產(chǎn)生

AM波的解調(diào)標準調(diào)幅(AM)基本思想幅度調(diào)制的基本作用就是頻譜搬移，使基帶信號的頻譜搬移到載頻附近，以便信號能夠有效地傳輸或者實現(xiàn)信道的多路復(fù)用。標準調(diào)幅(AM)的實現(xiàn)：用信號f(t)去控制載波C(t)的振幅，使已調(diào)波的包絡(luò)按照f(t)的規(guī)律線性變化。其中f(t)稱為調(diào)制信號，C(t)稱為載波。這種調(diào)制方式在無線電廣播系統(tǒng)中占有主要地位。AM信號的波形及頻譜調(diào)制信號:f(t)載波已調(diào)信號：一般假定因此根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)可以得到已調(diào)信號的頻域表達未調(diào)載波的振幅載波的角頻率AM信號的波形及頻譜清晰頻譜圖示參見附件動畫調(diào)制信號波形與頻譜A0+f(t)的波形及頻譜USB：上邊帶LSB:下邊帶載波波形及頻譜已調(diào)波波形及頻譜標準調(diào)幅的物理意義

F(ω)搬移了±ω0，載波分量πA0[δ(ω-ω0)+δ(ω+ω0)]，邊帶分量[F(ω-ω0)+F(ω+ω0)]/2。|φAM(ω)|對于±ω0對稱。高于ω0的頻譜叫做上邊帶，低于ω0的頻譜叫下邊帶。對于負頻率，上邊帶低于-ω0，下邊帶高于-ω0。由頻譜圖可知，AM信號的頻譜是由載頻分量和上、下兩個邊帶組成。上邊帶的頻譜與原調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。USB：上邊帶LSB:下邊帶標準調(diào)幅的物理意義顯然，無論是上邊帶還是下邊帶，都含有原調(diào)制信號的完整信息。故AM信號是帶有載波的雙邊帶信號，它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍。即：2Wm。要求保證已調(diào)波的包絡(luò)和f(t)的形狀完全相同，否則出現(xiàn)過調(diào)制，產(chǎn)生包絡(luò)失真。USB：上邊帶LSB:下邊帶要<=1幅度調(diào)制的示例波形和頻譜【例】調(diào)制信號f(t)=Amcosωmt求已調(diào)信號表達式及頻譜。解：?(t)的頻譜為：利用傅里葉頻移性質(zhì)得到已調(diào)信號的頻譜AM波的產(chǎn)生數(shù)學(xué)模型：可利用加法器和乘法器運算實現(xiàn)f(t)調(diào)幅信號的解調(diào)調(diào)制的逆過程叫做解調(diào)。相干解調(diào)要求本地載波和發(fā)送載波必須相干或同步，即二者必須保持同頻同相。相干解調(diào)也叫做同步解調(diào)。非相干解調(diào)：使用包絡(luò)檢測電路從帶有大載波的調(diào)幅信號中恢復(fù)出來原來的調(diào)制信號。檢波效率高，幾乎所有AM式接收機都采用這種解調(diào)方式。包絡(luò)檢測電路檢測過程波形標準幅度相干調(diào)制輸入信號為：與本地載波相乘

輸出當，即載波同步時：直流分量可以通過隔直元件消除，從而可以無失真地恢復(fù)原始信號低通濾波器濾除該分量波形及其頻譜如圖AM非相干調(diào)制包絡(luò)檢波器電路輸出詳細過程參見附件動畫演示根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦裕褂幂d波的周期變換給電容器沖、放電，使電容器兩端電壓呈現(xiàn)具有頻率的波紋，并通過低通濾波器濾除。本節(jié)總結(jié)幅度調(diào)制在波形上，它的幅度隨基帶信號規(guī)律而變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移。由于這種搬移是線性的，因此幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制，相應(yīng)地，幅度調(diào)制系統(tǒng)也稱為線性調(diào)制系統(tǒng)。采用AM調(diào)制傳輸信息的好處是解調(diào)電路簡單，可采用包絡(luò)檢波法。缺點是調(diào)制效率低，載波分量不攜帶信息，但卻占據(jù)了大部分功率，白白浪費掉。如果抑制載波分量的傳送，則可演變出另一種調(diào)制方式，即抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）作業(yè)假設(shè)調(diào)制信號m(t)為具有以下形式的正弦波，確定其標準調(diào)幅信號和上下邊帶。標準調(diào)幅(AM)缺點在AM波中，載波本身并不攜帶有用信息，卻占據(jù)50%以上的功率。如果將載波完全抑制掉，就可以提高效率。AM波的頻譜：因此，如果將A0=0，則可以抑制掉載波分量提綱

幅度調(diào)制：標準調(diào)幅(AM)抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB)單邊帶調(diào)幅(SSB)DSB信號的調(diào)制AM波表達式：令A(yù)0=0:根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)可以得到已調(diào)信號的頻域表達由于DSB信號的頻譜中沒有載波分量，只有邊頻分量，所以其效率達到了100%DSB信號的波形及頻譜參見附件動畫調(diào)制信號波形與頻譜載波波形及頻譜已調(diào)波波形及頻譜調(diào)制信號f(t)在f(t)改變符號的時刻載波出現(xiàn)反相，其包羅形狀不再與f(t)的形狀相同，而是按照|f(t)|的規(guī)律變化。因此，只能采用相干解調(diào)DSB信號的調(diào)制模型與解調(diào)DSB的調(diào)制模型DSB的相干解調(diào)模型由抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號的頻譜可知，如果將已調(diào)信號的頻譜搬回到原點位置，即可得到原始的調(diào)制信號頻譜，從而恢復(fù)出原始信號。解調(diào)中的頻譜搬移同樣可用調(diào)制時的相乘運算來實現(xiàn)。與本地載波相乘得到用一個低通濾波器可以將上式中第2項消除，即無失真地恢復(fù)出原始的調(diào)制信號。相干解調(diào)的關(guān)鍵是必須產(chǎn)生一個同頻同相的載波。如果同頻同相的條件得不到保證，則會破壞原始信號的恢復(fù)。抑制載波雙邊帶調(diào)幅特點

抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號的時間波形的包絡(luò)已不再與調(diào)制信號形狀一致，因而不能采用包絡(luò)檢波來恢復(fù)調(diào)制信號。抑制載波的雙邊帶調(diào)幅雖然節(jié)省了載波功率，但已調(diào)信號的頻帶寬度仍為調(diào)制信號的兩倍，與常規(guī)雙邊帶調(diào)幅時相同。上、下兩個邊帶是完全對稱的，它們所攜帶的信息相同，完全可以用一個邊帶來傳輸全部消息。這種傳輸方式除了節(jié)省載波功率之外，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，即為單邊帶調(diào)制。提綱

幅度調(diào)制：標準調(diào)幅(AM)抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB)單邊帶調(diào)幅(SSB)單邊帶調(diào)幅(SSB)單邊帶調(diào)制中只傳送雙邊帶調(diào)制信號的一個邊帶。因此傳送單邊帶信號的最直接的方法是讓雙邊帶信號通過一個單邊帶濾波器，濾除不要的邊帶，即可得到單邊帶信號。把這種方法稱為濾波法，它是最簡單也是最常用的方法。濾波法產(chǎn)生單邊帶調(diào)幅(SSB)用乘法器產(chǎn)生一個雙邊帶信號然后濾掉其中的一個邊帶單邊帶調(diào)幅(SSB)只傳輸兩個USB或兩個LSB都代表一個實際信號。優(yōu)點：比AM和DSB的帶寬減小一倍，信道利用率高，節(jié)省功率。表示將f(t)的所有頻率分量相移了-π/2后的結(jié)果。單邊帶調(diào)幅(SSB)解調(diào)輸入信號與本地載波相乘得到LPF濾除2ω0頻率成分，輸出當AM無線電的標準帶寬分配AM所需的總帶寬可以由音頻信號的帶寬確定，即BAM=2B音頻音頻信號(語音和音樂)的帶寬通常是5kHz。所以一個調(diào)幅的無線電臺需要的最小帶寬是10kHz。AM電臺可以使用在5300kHz~1700kHz之間的任何一個頻率作為載波頻率，但是每個調(diào)幅電臺的載波頻率與其它電臺的載波頻率間隔至少是10kHz(1個AM帶寬)，以避免干擾。所以，如果一個電臺使用的載波頻率是1100kHz，下一個電臺的載波頻率不能低于1110kHz。提綱

角度調(diào)制：角度調(diào)制基本思想調(diào)相調(diào)頻角度調(diào)制載波的相角受調(diào)制信號的控制而變化的過程叫做角度調(diào)制。分為：相位調(diào)制(PM)和頻率調(diào)制(FM)角調(diào)波－具有恒定振幅A和瞬時相角θ(t)的正弦波，其中θ(t)是已調(diào)信號的相角，隨時間變化瞬時頻率ω(t)和瞬時相角θ(t)關(guān)系：調(diào)相波(PM波)是用調(diào)制信號控制載波的的相位變化若載波的瞬時相角θ(t)與信號f(t)呈線性函數(shù)關(guān)系，就稱之為PM波。即：ω0-常數(shù)，固定角頻率；θ0－常數(shù)，起始相角；Kp－調(diào)制常數(shù)，也叫調(diào)制靈敏度，表示單位調(diào)制信號引起的相位偏移。

Kpf(t)稱為瞬時相位偏移，其最大值調(diào)相波——相位調(diào)制的信號波根據(jù)以上分析知：PM波可表示為如果調(diào)制信號βPM=KPAm，叫做調(diào)相指數(shù)，代表調(diào)相波的最大相位偏移ΔθPM。調(diào)相波——相位調(diào)制的信號波調(diào)相波的波形示意調(diào)頻波——頻率調(diào)制信號波形調(diào)頻波：若正弦波的瞬時頻率ω(t)與信號f(t)呈線性函數(shù)關(guān)系，則稱之為FM波。ω0－固定角頻率；Kf－調(diào)制常數(shù)。最大頻率偏移FM波的瞬時相角FM波正弦調(diào)制信號叫做調(diào)頻指數(shù)，代表調(diào)頻波的最大相位偏移△θFM。調(diào)頻波——頻率調(diào)制信號波形FM實際帶寬很難完全確定，但從經(jīng)驗上是模擬信號的若干倍。調(diào)頻波的波形示意：FM和PM之間的關(guān)系令作為調(diào)制信號代入調(diào)頻波表達式，可得到g1

(t)的調(diào)相波。若