模電調(diào)制及解調(diào)

模電調(diào)制及解調(diào)第1頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

調(diào)制：用攜有消息的信息信號去控制或改變一個高頻振蕩信號的某些參數(shù)的過程，稱為調(diào)制。11.1調(diào)制的概念調(diào)制信號：信息信號uΩ(t)，載波：高頻振蕩信號uc(t)，已調(diào)信號：調(diào)制后含有發(fā)送信息的信號u(t)。常用名詞：解調(diào)：是調(diào)制的逆過程，即從已調(diào)信號中還原出有用信息信號的過程。第2頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)制模擬調(diào)制：調(diào)制信號為模擬信號。數(shù)字調(diào)制：調(diào)制信號為數(shù)字信號。（調(diào)制波形式不同）調(diào)制連續(xù)波調(diào)制：載波為正弦波信號。脈沖調(diào)制：載波為脈沖信號。（載波形式不同）調(diào)制的分類第3頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一幅度調(diào)制（調(diào)幅AM）:用信息信號控制載波信號的振幅。頻率調(diào)制（調(diào)頻FM）:用信息信號控制載波信號的頻率。相位調(diào)制（調(diào)相PM）:用信息信號控制載波信號的相位。連續(xù)波調(diào)制的分類：第4頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一11.2連續(xù)波幅度調(diào)制幅度調(diào)制有四種：①標準幅度調(diào)制（StandardAM）；②雙邊帶幅度調(diào)制（DSBAM）；③單邊帶幅度調(diào)制（SSBAM）；④殘留邊帶幅度調(diào)制（VSBAM）。第5頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

11.2.1標準調(diào)幅

圖11.1AM調(diào)制(a)載波；(b)調(diào)制信號；(c)已調(diào)波特點：載波的幅度隨調(diào)制信號變化而變化。包絡(luò)：最大幅度點的連線。第6頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)調(diào)制信號為：載波信號為：

已調(diào)波表達式為：

標準調(diào)幅波數(shù)學(xué)表達式：第7頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一稱“調(diào)幅指數(shù)”或“調(diào)幅度”。調(diào)幅指數(shù)ma越大，幅度變化越劇烈。ma=0時，沒有調(diào)幅，為原載波。ma=1時，UΩm=Ucm,幅度在0~2Ucm之間變化，為100%的調(diào)幅。ma>1時，UΩm>Ucm,過調(diào)幅，包絡(luò)信號失真。為了保證已調(diào)波的包絡(luò)反映調(diào)制信號的變化，必須使：

0<ma≤1第8頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一示波器測量ma的方法UmmaxUmminUmmax=UCm(1+ma)Ummin=UCm(1-ma)第9頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一標準調(diào)幅波的頻譜三個頻率成分：載頻：ωC上邊頻：ωC+Ω下邊頻：ωC–Ω第10頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖5.6AM調(diào)制的頻譜關(guān)系帶寬：BW=2ΩUCmUCmUCm上下邊頻包含調(diào)制信號頻率，表明攜帶調(diào)制信號特性，而載波分量與調(diào)制信號無關(guān)第11頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

上面分析的調(diào)制信號uΩ是單一頻率的信號，實際上調(diào)制信號都是由多頻率成分組成的。如語音信號的頻率主要集中在300~3400Hz范圍。多頻率信號的標準調(diào)幅第12頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖11.4多頻調(diào)制ＡM信號頻譜BWAM=2Ωmax廣播電臺播送語音信號，AM已調(diào)波的帶寬等于6800Hz，相鄰兩個電臺載波頻率的間隔必須大于6800Hz，通常取為10kHz。第13頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一 調(diào)幅過程實質(zhì)上是一種頻譜線性搬移。經(jīng)過調(diào)制后，已調(diào)信號的頻譜由低頻處搬移到載頻附近，形成上下邊帶。總結(jié)第14頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一 帕塞瓦爾公式：已調(diào)波UAM在單位電阻上消耗的平均功率Pav應(yīng)當(dāng)?shù)扔诟鱾€頻率成分所消耗的平均功率之和，即等于載波功率PC和邊頻功率PSB之和載波功率：AM波各頻率功率的分布第15頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一邊帶功率PSB等于上邊頻功率PSB上與下邊頻功率PSB下之和。上PSB與下PSB相等，有UCmUCmUCm第16頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

總的邊頻功率等于：

所以，已調(diào)波在單位電阻上消耗的平均功率

邊頻功率與總功率之比：當(dāng)ma=1時，比值達到最大值0.33。AM調(diào)制很不經(jīng)濟。第17頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一普通調(diào)幅波形成框圖一uAM=KMUcmcosωctUΩmcosΩt+Ucmcosωct=Ucm(1+macosΩt)cosωctma=KMUΩm實現(xiàn)AM的方案第18頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一普通調(diào)幅波形成框圖二uΩ(t)UCmuAM(t)+CosωCt第19頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一uC(t)

uAM(t)

KMRp

R

R

R

UD

uΩ

第20頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

11.2.2雙邊帶調(diào)幅(DSB)

雙邊帶調(diào)制是傳送上、下邊帶而抑制載波的一種調(diào)制方式。圖11.6DSB調(diào)制實現(xiàn)框圖uDSB=KuΩuC=KUΩmUCmCosΩtCosωCt第21頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一uΩ

t

uDSB

0

0

180度相位突變

t圖11.8DSB已調(diào)波時域波形第22頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一DSB調(diào)幅波的頻譜W0w

UΩm

w

0

ωC+ΩωCωC–ΩBW=2Ω第23頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一多頻調(diào)制信號DSB的頻譜第24頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

11.2.3單邊帶調(diào)幅(SSB)單邊帶調(diào)制是僅傳送一個邊帶的調(diào)制方法。濾波法第25頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖11.10單頻調(diào)制SSB信號的頻譜第26頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一上邊帶調(diào)制：只傳送上邊帶信號時域數(shù)學(xué)表達式：時域數(shù)學(xué)表達式：下邊帶調(diào)制：只傳送下邊帶信號第27頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖11.11單頻調(diào)制SSB信號波形圖UΩm第28頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一相移法上述濾波法要求濾波器過渡帶很陡，當(dāng)調(diào)制信號中的低頻分量越豐富時，濾波器的過渡帶要求越窄，實現(xiàn)起來就越困難。另一種方法叫相移法第29頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖11.12相移法實現(xiàn)SSB框圖第30頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一殘留邊帶調(diào)制的頻譜第31頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一11.3角度調(diào)制的基本概念 無論是調(diào)頻或調(diào)相，都使得載波的總相角發(fā)生變化，因此兩者統(tǒng)稱為角度調(diào)制。

載波信號的頻率和相位隨調(diào)制信號變化的調(diào)制分別稱為頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)，簡稱調(diào)頻和調(diào)相。

調(diào)頻：電報通信、調(diào)頻廣播、無線電視、模擬通信系統(tǒng)調(diào)相：數(shù)字通信的相移鍵控。

第32頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)制信號：uΩ(t)

載波：uC(t)=UCmcosωCt 調(diào)頻信號uFM(t)的瞬時角頻率ω(t)不再是常數(shù)ωC,而是隨調(diào)制信號的變化而變化：調(diào)頻波的數(shù)學(xué)表達式ω(t)=ωC+kfuΩ(t)ωC：中心頻率kf：調(diào)頻比例常數(shù)kfuΩ(t)=Δω：頻率偏移第33頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)頻信號uFM(t)的瞬時相位φ(t)時域調(diào)頻信號的一般表達式：第34頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)調(diào)制信號：uΩ(t)=UΩmcosΩt瞬時角頻率：ω(t)=ωC+kfuΩ(t)=ωC+kfuΩmcosΩt?ω最大頻偏：

?ωm=kfuΩm第35頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)頻指數(shù)總結(jié)：調(diào)頻信號的基本參量是振幅UCm(恒定的)、載波中心頻率ωC、最大頻偏Δωm和調(diào)頻指數(shù)mf。調(diào)頻比例常數(shù)kf是由電路決定的一個常數(shù)。第36頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)相波的數(shù)學(xué)表達式：調(diào)制信號：uΩ(t)

載波：uC(t)=UCmcosωCt 調(diào)相信號uPM(t)的瞬時相位φ(t)不再是ωCt,而是隨調(diào)制信號的變化而變化：φ(t)=ωCt+kpuΩ(t)kp：調(diào)相比例常數(shù)kpuΩ(t)=Δφ(t)：相位偏移第37頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一時域調(diào)相信號的一般表達式：設(shè)調(diào)制信號：uΩ(t)=UΩmcosΩt瞬時相位：φ(t)=ωCt+kpuΩ(t)=ωCt+kpuΩmcosΩt?φ(t)調(diào)相指數(shù)：mP=kpuΩm=?φm

(最大相偏)第38頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一瞬時角頻率稱為最大頻偏第39頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖11.13調(diào)頻和調(diào)相信號波形調(diào)相信號的頻率隨調(diào)制信號的導(dǎo)數(shù)變化而變化。第40頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)頻與調(diào)相的聯(lián)系與區(qū)別 無論是調(diào)頻或調(diào)相，調(diào)制指數(shù)都是最大頻偏和調(diào)制頻率之比。第41頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一無論是調(diào)相波還是調(diào)頻波，都同時存在著頻偏和相偏，但是因為調(diào)相波是以相位的變化直接反映調(diào)制信號，所以其最大相移與調(diào)制信號的振幅成正比，而調(diào)頻信號是以頻率的變化直接反映調(diào)制信號，所以其最大頻偏與調(diào)制信號的振幅成正比。最大相偏：?φm=mP=kpuΩm

最大頻偏：?ωm=mfΩ=kfuΩm第42頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一把小于未調(diào)制的載波幅度UCm的百分之一的各邊頻分量忽略不計來確定調(diào)頻信號的帶寬。調(diào)頻波的有效帶寬估算目前，廣泛應(yīng)用的調(diào)頻信號帶寬的計算公式是卡森公式當(dāng)mf<<1時，BW=2Ω——窄帶調(diào)頻當(dāng)mf>>1時，BW=2?ωm——寬帶調(diào)頻第43頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)角波的有效帶寬估算當(dāng)m<<1時，BW=2Ω——窄帶調(diào)角當(dāng)m>>1時，BW=2?ωm——寬帶調(diào)角 采用調(diào)頻信號的分析方法，同樣可以得到調(diào)相信號的頻譜，它與調(diào)頻信號頻譜的差異僅僅是各邊頻分量的相移不同。帶寬的計算仍可采用卡森公式：第44頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)頻和調(diào)幅的對比1、調(diào)幅系統(tǒng)：有用信息蘊藏在幅度之中，易受外界干擾，信噪比低。調(diào)頻系統(tǒng)：有用信息蘊藏在頻率之中（波形的疏密變化），不易受外界干擾，信噪比高。2、調(diào)幅系統(tǒng)：窄帶系統(tǒng)，BW≤2Ω。調(diào)頻系統(tǒng)：寬帶系統(tǒng)，BW較大。3、調(diào)幅系統(tǒng)：ma<1。調(diào)頻系統(tǒng)：mf或mp可任意取值。第45頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)頻電路直接調(diào)頻法：變?nèi)荻O管調(diào)頻利用可控電抗元件改變LC并聯(lián)回路的諧振頻率，可以實現(xiàn)頻率調(diào)制?？煽仉娍乖姆N類很多，其中最常用的是變?nèi)荻O管和電抗管。第46頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一變?nèi)荻O管的結(jié)電容CT與管子兩端的反向電壓uD的關(guān)系為TT0nCT0：uD=0時的結(jié)電容（靜態(tài)電容）UB：勢壘電壓。鍺：0.2~0.3V,硅：0.7V,n：變?nèi)葜笖?shù)。n越大，uD對CT的調(diào)節(jié)能力越大。第47頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一變?nèi)荻O管符號和結(jié)電容變化曲線(a)變?nèi)莨芊枺?b)變?nèi)萏匦訲0第48頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖8.24變?nèi)莨芙Y(jié)電容隨時間變化曲線第49頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖11.18變?nèi)荻O管構(gòu)成的直接調(diào)頻電路的LC回路第50頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一交流等效電路第51頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一DQCDQCDQ第52頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一令n=2,則：第53頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)：其中：是由電路決定的參數(shù)，m=kfUm為最大頻偏，與調(diào)制信號幅度有關(guān)。第54頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一 間接調(diào)頻是利用調(diào)頻信號和調(diào)相信號之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過調(diào)相來實現(xiàn)調(diào)頻。間接調(diào)頻電路調(diào)頻波的瞬時相位:瞬時相移：因此：調(diào)頻波的相位變化與調(diào)制信號的積分成正比第55頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖11.19間接調(diào)頻第56頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一11.7解調(diào)

解調(diào)是從已調(diào)波中提取出調(diào)制信號的過程，是調(diào)制的逆過程。解調(diào)又叫檢波。11.7.1調(diào)幅波的解調(diào)第57頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖11.20峰值包絡(luò)檢波器電路及工作原理二極管峰值包絡(luò)檢波器第58頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一 當(dāng)uD>0時，二極管導(dǎo)通，信源us通過二極管對電容C充電，充電的時常數(shù)約等于RDC。由于二極管導(dǎo)通電阻RD很小，因此電容上的電壓迅速達到信源電壓us的幅值。當(dāng) uD<0時，二極管截止，電容C通過電阻R放電。放大常數(shù)RC，由于RL較大，因此C放電不會緊隨載波變換，而是緩慢的按指數(shù)規(guī)律變化。 當(dāng)然，R也不能過大，否則出現(xiàn)惰性失真。第59頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖2.21惰性失真RC的取值范圍：第60頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一從頻譜的角度分析 標準調(diào)幅波中含有載頻和邊頻分量，通過二極管的非線性作用，產(chǎn)生Ω和許多高次諧波,RC產(chǎn)生低通濾波器，濾除高次分量，留下Ω頻率，完成解調(diào)工作。第61頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一同步檢波對于DSB,SSB等不能采用包絡(luò)檢波器，而采用同步檢波的方法來實現(xiàn)。 原理：在頻域，只要將調(diào)制后的頻譜搬移回來，因此可以利用乘法器實現(xiàn)解調(diào)：圖11.22乘積型同步檢波器框圖第62頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一 設(shè)：信源是一個雙邊帶信號us=UsmcosΩt·cosωCt本地載波是一個與調(diào)制信號的載波同頻同相的信號u1=U1mcosωCt

兩個信號相乘

通過低通濾波器濾除高頻，得到的低頻信號就是調(diào)制信號。檢波的輸出

其中，kd=(kM·kF)/2，kM是乘法器的增益，kF是低通濾波器的增益。第63頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一本地載波必須嚴格同步（同頻同相）若本地載波不同步：通過LPF后：產(chǎn)生了頻偏和相偏。頻偏為20HZ時，就會察覺聲音不自然，偏200HZ，語音可懂率明顯下降。第64頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一11.7.2調(diào)角波的解調(diào) 調(diào)相波和調(diào)頻波不能直接使用包絡(luò)檢波器來解調(diào)相波和調(diào)頻波，必須采用相位檢波器（鑒相器）和頻率檢波器（鑒頻器），但是包絡(luò)檢波器可以作為某些鑒相器或鑒頻器的一個組成部分，而鑒相器又可以作為某些鑒頻器的一個組成部分第65頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

1.鑒相原理 調(diào)相信號的解調(diào)叫做相位檢波，簡稱鑒相。它是將調(diào)相信號的相位［ωCt+mpf(t)］與載波的相位ωCt相減，取出它們的相位差mpf(t)，并反映到輸出電壓上，從而實現(xiàn)相位檢波。鑒相器可以看成相位/電壓變換器第66頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一乘積型模擬鑒相器為了能夠正確地鑒別兩個輸入信號相位的超前和滯后關(guān)系，兩個輸入信號必須有π/2的固定相差。乘積型模擬鑒相器LuM第67頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一LuM第68頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一利用三角函數(shù)展開：通過低通濾波器：其中：當(dāng)?shù)?9頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一圖11.23正弦鑒相特性線性范圍一般為。當(dāng)|e|大于/2時，uo與e是多值關(guān)系，即對于同一個輸出電壓uo存在多個e，因此不能正確實現(xiàn)鑒相，所以/2為具有正弦鑒相特性的鑒相器的最大鑒相范圍。第70頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

此外，為了衡量輸出電壓uo對誤差相位θe的靈敏程度，還要定義一個參量叫鑒相靈敏度或鑒相跨導(dǎo)，用Sp表示。它的定義是乘積型鑒相的第71頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一疊加型模擬鑒相器為了正確判別兩個信號的相位超前與滯后，輸入的兩個信號間要有固定的π/2相差。LuM+第72頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一LuM+第73頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一因為：運用近似公式：如果：則:LuM+第74頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一 AM波的幅度表達式，所以后接包絡(luò)檢波器對該和信號進行幅度檢波并濾去直流得到解調(diào)信號第75頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

二、鑒頻原理調(diào)頻信號解調(diào)又稱為頻率檢波，簡稱鑒頻。它是把調(diào)頻信號的頻率ω(t)=ωC+Δω(t)與載波頻率ωC比較，得到頻差Δω(t)=Δωmf(t)，從而實現(xiàn)頻率檢波。頻率檢波框圖第76頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

利用線性網(wǎng)絡(luò)變換方法