第三章 模擬調(diào)制系統(tǒng)

第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)通信原理課程組1編輯課件目標(biāo)要求一、根本要求1.掌握模擬調(diào)制、載波、調(diào)制信號(hào)、已調(diào)信號(hào)、調(diào)制器的定義；2.掌握調(diào)制的目的及模擬調(diào)制的分類；3.掌握線性調(diào)制器的原理模型，會(huì)分析AM、DSB、SSB、VSB調(diào)制與解調(diào)特性；4.掌握非線性調(diào)制器的原理，及非線性已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬特性。2編輯課件目標(biāo)要求二、重點(diǎn)和難點(diǎn)1.重點(diǎn)是：掌握線性調(diào)制與解調(diào)的原理模型，及其數(shù)學(xué)分析、波形分析、頻譜分析，理解各種調(diào)制方式的特點(diǎn)。

2.難點(diǎn)是：非線性調(diào)制頻譜和帶寬特性的分析和理解。

3編輯課件主要內(nèi)容

3.1概述

3.2線性調(diào)制

3.3非線性調(diào)制

小結(jié)

思考題、習(xí)題4編輯課件3.1概述

調(diào)制是通信原理中一個(gè)十分重要的概念，是一種信號(hào)處理技術(shù)。無(wú)論在模擬通信、數(shù)字通信還是數(shù)據(jù)通信中都扮演著重要角色。那么為什么要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理？什么是調(diào)制呢？我們先看看下面的例子。5編輯課件我們知道，通信的目的是為了把信息向遠(yuǎn)處傳遞〔傳播〕,那么在傳播人聲時(shí)，我們可以用話筒把人聲變成電信號(hào)，通過(guò)擴(kuò)音機(jī)放大后再用喇叭〔揚(yáng)聲器〕播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此聲音可以傳得比較遠(yuǎn)。但如果我們還想將聲音再傳得更遠(yuǎn)一些，比方幾十千米、幾百千米，那該怎么辦？大家自然會(huì)想到用電纜或無(wú)線電進(jìn)行傳輸，但會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題，一是鋪設(shè)一條幾十千米甚至上百千米的電纜只傳一路聲音信號(hào)，其傳輸本錢之高、線路利用率之低，6編輯課件人們是無(wú)法接受的；二是利用無(wú)線電通信時(shí)，需滿足一個(gè)根本條件，即欲發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)〔兩個(gè)相鄰波峰或波谷之間的距離〕必須能與發(fā)射天線的幾何尺寸可比較，該信號(hào)才能通過(guò)天線有效地發(fā)射出去〔通常認(rèn)為天線尺寸應(yīng)大于波長(zhǎng)的十分之一〕。而音頻信號(hào)的頻率范圍是20Hz～20kHz，最小的波長(zhǎng)為式中，λ為波長(zhǎng)〔m〕；c為電磁波傳播速度〔光速〕〔m/s〕；f為音頻〔Hz〕。7編輯課件可見(jiàn)，要將音頻信號(hào)直接用天線發(fā)射出去，其天線幾何尺寸即便按波長(zhǎng)的百分之一取也要150米高〔不包括天線底座或塔座〕。因此，要想把音頻信號(hào)通過(guò)可接受的天線尺寸發(fā)射出去，就需要想方法提高欲發(fā)射信號(hào)的頻率〔頻率越高波長(zhǎng)越短〕。8編輯課件第一個(gè)問(wèn)題的解決方法是在一個(gè)物理信道中對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行頻分復(fù)用〔FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplex〕；第二個(gè)問(wèn)題的解決方法是把欲發(fā)射的低頻信號(hào)“搬〞到高頻載波上去〔或者說(shuō)把低頻信號(hào)“變〞成高頻信號(hào)〕。兩個(gè)方法有一個(gè)共同點(diǎn)就是要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理。9編輯課件比方，我們要把一件貨物運(yùn)到幾千千米外的地方，我們必須使用運(yùn)載工具，或汽車、或火車、或飛機(jī)。在這里，貨物相當(dāng)于調(diào)制信號(hào)，運(yùn)載工具相當(dāng)于載波；把貨物裝到運(yùn)載工具上相當(dāng)于調(diào)制，從運(yùn)載工具上卸下貨物就是解調(diào)。這個(gè)例子雖然不十分貼切，但根本上類似于調(diào)制原理。有了調(diào)制的概念，我們就會(huì)關(guān)心下一個(gè)問(wèn)題：如何對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制呢？10編輯課件3.1概述調(diào)制按調(diào)制信號(hào)(基帶信號(hào))的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)的過(guò)程.目的頻率變換,信道復(fù)用,提高抗干擾性能分類載波調(diào)制信號(hào)正弦波數(shù)字信號(hào)數(shù)字調(diào)制模擬信號(hào)模擬調(diào)制脈沖串脈沖調(diào)制11編輯課件一、模擬調(diào)制的定義：

1.定義用來(lái)自信源的基帶模擬信號(hào)去調(diào)制某個(gè)載波。載波是一個(gè)確知的周期性波形。余弦波載波的表達(dá)式：式中，A為振幅；

0為載波角頻率；

0為初始相位。3.1概述12編輯課件2.組成調(diào)制信號(hào)m(t)－自信源來(lái)的基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)s(t)－調(diào)制后的載波稱為已調(diào)信號(hào)調(diào)制器－進(jìn)行調(diào)制的部件3.1概述調(diào)制器已調(diào)信號(hào)s(t)調(diào)制信號(hào)m(t)13編輯課件二、調(diào)制的目的：1.頻譜搬移：容易輻射實(shí)現(xiàn)頻率分配多路復(fù)用2.提高抗干擾性3.還與傳輸效率有關(guān)3.1概述14編輯課件三、模擬調(diào)制的分類：1.線性調(diào)制：已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，其頻譜是調(diào)制信號(hào)頻譜沿頻率軸平移的結(jié)果。包括：調(diào)幅、單邊帶、雙邊帶、殘留邊帶…2.非線性調(diào)制〔角度調(diào)制〕：已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)有很大的不同，除了頻譜搬移外，還增加了許多新的頻率成分。包括：頻率調(diào)制、相位調(diào)制3.1概述返回15編輯課件一、根本概念設(shè)載波為：c(t)=Acos0t=Acos2f0t 調(diào)制信號(hào)為能量信號(hào)m(t)，那么線性調(diào)制器的原理模型如下圖。

3.2線性調(diào)制s

(t)調(diào)制信號(hào)m(t)Acos

0tH(f)已調(diào)信號(hào)s(t)s

(t)調(diào)制信號(hào)m(t)Acos

0tH(f)已調(diào)信號(hào)s(t)16編輯課件3.2線性調(diào)制-根本概念

相乘結(jié)果：s(t)=m(t)Acos2f0t 用“〞表示傅里葉變換：又

所以，s

(t)調(diào)制信號(hào)m(t)Acos

0tH(f)已調(diào)信號(hào)s(t)17編輯課件3.2線性調(diào)制-根本概念相乘器輸入信號(hào)m(t)和輸出信號(hào)s’(t)的頻譜密度圖0M(f)輸入信號(hào)頻譜密度0S’(f)f0-f0輸出信號(hào)的頻譜密度18編輯課件二、振幅調(diào)制〔AM〕1.根本原理 設(shè):m(t)=[1+m(t)]，|m(t)|1，m(t)|max=m－調(diào)幅度， 那么有調(diào)幅信號(hào)：s(t)=[1+m(t)]Acos0t， 式中，[1+m(t)]0，即s(t)的包絡(luò)是非負(fù)的。 +1= =m(t)101+m(t)101+m(t)3.2線性調(diào)制19編輯課件2.頻譜密度

含離散載頻分量;

當(dāng)m(t)為余弦波，且m＝100％時(shí)， 兩邊帶功率之和＝載波功率之半。3.2線性調(diào)制-振幅調(diào)制〔AM〕0M’(f)輸入信號(hào)頻譜密度0S’(f)f0-f0輸出信號(hào)的頻譜密度20編輯課件3.2線性調(diào)制-振幅調(diào)制〔AM〕-fm

m

(t)A-A2fmS(f)2fm-f0f0fC(f)f0-f0ft101+m(t)c(t)ts(t)tM

(f)fmf-fm調(diào)幅信號(hào)的波形與頻譜分析21編輯課件3.AM信號(hào)的接收：包絡(luò)檢波〔1〕原理：整流器低通濾波器

包絡(luò)檢波器解調(diào)調(diào)幅信號(hào)3.2線性調(diào)制-振幅調(diào)制〔AM〕22編輯課件三、雙邊帶(DSB)調(diào)制1.原理：調(diào)制信號(hào)m(t)沒(méi)有直流分量時(shí)，得到DSB信號(hào)。2.頻譜：兩個(gè)邊帶包含相同的信息。3.2線性調(diào)制f雙邊帶調(diào)制信號(hào)的頻譜0M(f)0S’(f)f0-f

0上邊帶下邊帶23編輯課件3.解調(diào)：需要本地載波設(shè)接收的DSB信號(hào)為 接收端的本地載波為

兩者相乘后，得到

3.2線性調(diào)制-雙邊帶(DSB)調(diào)制r

(t)接收信號(hào)s(t)cos

0tH(f)基帶信號(hào)s(t)雙邊帶信號(hào)解調(diào)器原理方框圖24編輯課件3.2線性調(diào)制-雙邊帶(DSB)調(diào)制低通濾波后，得到僅當(dāng)本地載波沒(méi)有頻率和相位誤差時(shí)，輸出信號(hào)才等于m(t)/2。[和調(diào)制信號(hào)僅差一個(gè)常數(shù)因子]4.DSB的優(yōu)缺點(diǎn)：DSB信號(hào)可以節(jié)省發(fā)送功率，但接收電路較為復(fù)雜。25編輯課件四、單邊帶(SSB)調(diào)制1.原理：兩個(gè)邊帶包含相同的信息只需傳輸一個(gè)邊帶：上邊帶或下邊帶要求m(t)中無(wú)太低頻率-f0HL(f)特性上邊帶(b)上邊帶濾波器特性和信號(hào)頻譜f00f單邊帶信號(hào)的頻譜上邊帶S

(f)上邊帶下邊帶HH(f)特性HH(f)特性(a)濾波前信號(hào)頻譜(c)下邊帶濾波器特性和信號(hào)頻譜S(f)S(f)-f00f-f0f0f下邊帶f03.2線性調(diào)制上邊帶26編輯課件2.解調(diào)：需要本地載波由于假設(shè)z(t)=x(t)y(t)，那么有Z()=X()Y()單邊帶信號(hào)解調(diào)時(shí)，用載波cos0t和接收信號(hào)相乘，相當(dāng)于在頻域中載波頻譜和信號(hào)頻譜相卷積。以下圖以上邊帶為例，示出用低通濾波器濾出解調(diào)后的信號(hào)。3.SSB優(yōu)點(diǎn)：比DSB信號(hào)進(jìn)一步節(jié)省發(fā)送功率和占用帶寬。3.2線性調(diào)制-單邊帶(SSB)調(diào)制27編輯課件3.2線性調(diào)制-單邊帶(SSB)調(diào)制圖單邊帶信號(hào)的解調(diào)(a)載波頻譜f00-f0fC(f)(c)載波和上邊帶信號(hào)頻譜的卷積結(jié)果f00-f0f2f0-2f0M(f)HL(f)S(f)(b)上邊帶信號(hào)頻譜上邊帶上邊帶f00-f0f2f0-2f028編輯課件五、殘留邊帶(VSB)調(diào)制1.特點(diǎn)：適合包含直流分量和很低頻率分量的基帶信號(hào)。2.原理：VSB仍為線性調(diào)制

3.2線性調(diào)制r

(t)接收信號(hào)s(t)cos

0tH(f)基帶信號(hào)s(t)解調(diào)s

(t)調(diào)制信號(hào)m(t)Acos

0tH(f)已調(diào)信號(hào)s(t)調(diào)制29編輯課件VSB單邊帶占用帶寬窄，但是需要制作陡峭的濾波器，實(shí)際中較難實(shí)現(xiàn)。雙邊帶對(duì)濾波器要求較低，但是需要占用較多的帶寬。殘留邊帶折中這兩個(gè)矛盾，占用帶寬在B-2B之間。30編輯課件DSB、SSB和VSB信號(hào)的頻譜

DSB頻譜

SSB頻譜

VSB頻譜

31編輯課件一、根本原理1.頻率的概念：嚴(yán)格地說(shuō)，只有無(wú)限長(zhǎng)的恒定振幅、恒定頻率和恒定相位的正弦〔余弦〕波形才具有單一頻率。載波被調(diào)制后，不再僅有單一頻率。2.“瞬時(shí)頻率〞的概念：設(shè)一個(gè)載波可以表示為式中，0為載波的初始相位； (t)=0t+0為載波的瞬時(shí)相位;0=d(t)/dt為載波的角頻率。現(xiàn)定義瞬時(shí)頻率：上式可以改寫(xiě)為：3.3非線性調(diào)制32編輯課件3.角度調(diào)制的定義：

(t)是載波的相位。假設(shè)使它隨調(diào)制信號(hào)m(t)以某種方式變化，那么稱其為角度調(diào)制?！?〕相位調(diào)制的定義：假設(shè)使相位(t)隨m(t)線性變化，即令 那么稱為相位調(diào)制。這時(shí)，已調(diào)信號(hào)的表示式為 此已調(diào)載波的瞬時(shí)頻率為：即，在相位調(diào)制中瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)的導(dǎo)函數(shù)線性地變化。3.3非線性調(diào)制-根本原理33編輯課件(2)頻率調(diào)制的定義：假設(shè)使瞬時(shí)頻率直接隨調(diào)制信號(hào)線性地變化，那么稱為頻率調(diào)制。瞬時(shí)角頻率為 瞬時(shí)相位為 這時(shí)，已調(diào)信號(hào)的表示式為： 上式說(shuō)明，載波相位隨調(diào)制信號(hào)的積分線性地變化。3.3非線性調(diào)制-根本原理34編輯課件(3)相位調(diào)制和頻率調(diào)制的比較：在相位調(diào)制中載波相位(t)隨調(diào)制信號(hào)m(t)線性地變化，而在頻率調(diào)制中載波相位(t)隨調(diào)制信號(hào)m(t)的積分線性地變化。假設(shè)將m(t)先積分，再對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制，即得到頻率調(diào)制信號(hào)。類似地，假設(shè)將m(t)先微分，再對(duì)載波進(jìn)行頻率調(diào)制，就得到相位調(diào)制信號(hào)。僅從已調(diào)信號(hào)波形上看無(wú)法區(qū)分二者。二者的區(qū)別僅在于已調(diào)信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的關(guān)系不同。3.3非線性調(diào)制-根本原理35編輯課件(4)角度調(diào)制的波形上圖表示瞬時(shí)頻率和時(shí)間的關(guān)系：在0到20間做線性變化以下圖表示已調(diào)信號(hào)波形假設(shè)m(t)作直線變化，那么已調(diào)信號(hào)就是頻率調(diào)制信號(hào)假設(shè)m(t)是隨t2變化，那么已調(diào)信號(hào)就是相位調(diào)制信號(hào)角度調(diào)制波形

i3.3非線性調(diào)制-根本原理36編輯課件二、已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬 1.頻譜設(shè)：調(diào)制信號(hào)m(t)是一個(gè)余弦波用其對(duì)載波作頻率調(diào)制，那么載波的瞬時(shí)角頻率為

上式中，kf=－為最大頻移已調(diào)信號(hào)表示式：3.3非線性調(diào)制37編輯課件3.3非線性調(diào)制-已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬

式中

m＝

f/fm為最大頻率偏移和基帶信號(hào)頻率之比，稱為調(diào)制指數(shù)mf，即有：上式是一個(gè)含有正弦函數(shù)的余弦函數(shù)，它的展開(kāi)式為：38編輯課件

式中，Jn(mf)為第一類n階貝塞爾函數(shù)， 它具有如下性質(zhì)：

故上式可以改寫(xiě)為：－已調(diào)信號(hào)最終表示式3.3非線性調(diào)制-已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬39編輯課件x3.3非線性調(diào)制-已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬貝塞爾函數(shù)曲線40編輯課件2.頻譜特點(diǎn)：a.邊頻成對(duì)b.大局部功率集中 在有限帶寬內(nèi)c.當(dāng)調(diào)制指數(shù)mf<<1時(shí)，帶寬B根本等于2m－稱為窄帶調(diào)頻： B2md.當(dāng)mf>1時(shí)， 帶寬B：或：

m

kHzkHzkHzkHz作kHzkHzkHzkHz

3.3非線性調(diào)制-已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬41編輯課件 三、角度調(diào)制信號(hào)的接收角度調(diào)制的振幅是恒定的。經(jīng)過(guò)變參信道傳輸后，不會(huì)因信號(hào)振幅的改變而使信息受到損失。信道中衰落及噪聲對(duì)于信號(hào)角度〔頻率和相位〕的影響與振幅相比要小得多。故，其抗干擾能力較強(qiáng)。 3.3非線性調(diào)制返回42編輯課件小結(jié)

模擬調(diào)制線性調(diào)制非線性調(diào)制(角度調(diào)制)振幅調(diào)制AM雙邊帶DSB調(diào)制單邊帶SSB調(diào)制殘留邊帶VSB調(diào)制相位調(diào)制頻率調(diào)制43編輯課件幾種調(diào)制方法的信噪比增益與傳輸帶寬比較

44編輯課件應(yīng)用舉例調(diào)幅播送調(diào)頻播送播送電視衛(wèi)星直播電視45編輯課件調(diào)幅播送調(diào)幅播送采用常規(guī)調(diào)幅方式，使用的波段分為中波和短波兩種。中波調(diào)幅播送的載頻為535kHz~1605kHz。一般用于地區(qū)性播送。短波調(diào)幅播送的載頻為3.9MHz~18MHz。短波傳播靠電離層反射實(shí)現(xiàn)，傳播距離可達(dá)數(shù)千公里。調(diào)制信號(hào)的最高頻率取到4.5kHz，電臺(tái)之間的間隔ΔB≥9kHz。46編輯課件調(diào)頻播送普通單聲道的調(diào)頻播送中，取調(diào)制信號(hào)的最高頻率fH=15kHz，最大頻偏Δfmax=75kHz，調(diào)頻信號(hào)的帶寬B=180kHz，各電臺(tái)頻道間隔ΔB=200kHz。雙聲道立體聲與單聲道是兼容的，左聲道信號(hào)L和右聲道信號(hào)R的最高頻率也為15kHz。在立體聲的調(diào)頻播送中，10％的頻偏分配給19kHz導(dǎo)頻，其余90％分配給〔L+R〕和〔L-R〕兩個(gè)聲道。調(diào)頻播送使用載頻為87MHz~108MHz，與地面電視的載頻同處于甚高頻〔VHF〕頻段。47編輯課件雙聲道立體