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1、第3章 模拟调制系统,石高涛 天津大学计算机科学与技术学院,前言,低通和带通信号 信号的频谱(频率成分)分布在零频附近的信号成为低通信号。 带通信号的频谱常分布在远离零频的某个频率点fc附近，一般情况下fc远高于信号的带宽。因此，带通信号的带宽远小于fc，fc附近是信号频率分布范围。 实际信道可以分为低通信道和带通信道。 低通信道可用于传输低通(基带)信号，称为基带传输。带通信道可用于传输带通信号，称为频带传输。,我们需要将低通信号进行频带传输： 采用较高的频率可以简化信号发射机的结构：低频需要较大尺寸天线。 可以把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道的利用率。
2、 扩展信号带宽，提高系统抗干扰能力、抗衰落能力，还可以实现传输带宽与信噪比之间的互换。,问题,基带信号不能直接通过带通信道和传输，要使基带信号能够通 过带通信道进行传输，必须对基带信号进行变换，使其变换 为适合带通信道传输的频带信号的形式。,将基带信号变换为频带信号的过程称为调制,调制的技术实现,调制是让基带信号f ( t )去控制载波的某个（或某些）参数，使该参数按照信号f ( t )的规律变化的过程。 被控制的信号称为载波(carrier)正弦波、脉冲序列。 正弦信号作载波的调制叫连续波（CW）调制。 可控制的参数：振幅f ( t )、频率0和相位( t ) 。,连续波调制分为幅度调制、频
3、率调制和相位调制。 频率调制和相位调制二者又统称为角度调制，简称角调。,调制,调制分类：模拟调制和数字调制。 模拟调制中，调制信号是模拟信号。 数字调制中，调制信号是数字信号。,其它调制方式的基础,调制器,解调器,m(t),数字或模拟信号,模拟信号,m(t),s(t),fc,S(f),信号编码:数字信号承载模拟或数字信号称为编码 数字信号编码成数字信号。 模拟信号编码成数字信号。,编码器,解码器,g(t),数字或模拟信号,数字信号,g(t),x(t),fc,x(t),载波,提纲,幅度调制： 标准调幅(AM) 抑制载波双边带调幅(DSB) 单边带调幅(SSB) 残留边带调幅(VSB),模拟调制系
4、统,提纲,幅度调制： 标准调幅(AM) 抑制载波双边带调幅(DSB) 单边带调幅(SSB) 残留边带调幅(VSB),基本思想 AM信号的波形与频谱 AM波的调制 AM波的产生 AM波的解调,标准调幅(AM)基本思想,幅度调制的基本作用就是频谱搬移，使基带信号的频谱搬移到载频附近，以便信号能够有效地传输或者实现信道的多路复用。 标准调幅(AM)的实现： 用信号f(t)去控制载波C(t)的振幅，使已调波的包络按照f(t)的规律线性变化。 其中f(t)称为调制信号，C(t)称为载波。 这种调制方式在无线电广播系统中占有主要地位。,AM信号的波形及频谱,调制信号: f ( t ),载波,已调信号：,一
5、般假定,因此,根据傅里叶变换的性质可以得到已调信号的频域表达,未调载波的振幅,载波的角频率,AM信号的波形及频谱,标准调幅的物理意义,F()搬移了0，载波分量 A0(-0) +(+0) ，边带分量 F(-0)+F(+0)/2。 |AM()|对于0对称。高于0的频谱叫做上边带，低于0的频谱叫下边带。对于负频率，上边带低于-0，下边带高于-0。 由频谱图可知，AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。,USB：上边带,LSB:下边带,标准调幅的物理意义,显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故AM信号是带有载波
6、的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍。即：2Wm。 要求 保证已调波的包络和f ( t )的形状完全相同，否则出现过调制，产生包络失真。,USB：上边带,LSB:下边带,要=1,幅度调制的示例,波形和频谱,【例】调制信号 f ( t ) = Am cosmt,求已调信号表达式及频谱。,解：,(t)的频谱为：,利用傅里叶频移性质得到已调信号的频谱,AM波的产生,数学模型：可利用加法器和乘法器运算实现,f ( t ),调幅信号的解调,调制的逆过程叫做解调。 相干解调要求本地载波和发送载波必须相干或同步，即二者必须保持同频同相。相干解调也叫做同步解调。 非相干解调：使用包络检测电路从带有大载波
7、的调幅信号中恢复出来原来的调制信号。检波效率高，几乎所有AM式接收机都采用这种解调方式。,包络检测电路,检测过程波形,标准幅度相干调制,输入信号为： 与本地载波相乘 输出 当 ，即载波同步时： 直流分量可以通过隔直元件消除，从而可以无失真地恢复原始信号,低通滤波器滤除该分量,波形及其频谱如图,AM非相干调制,包络检波器电路输出,详细过程参见附件动画演示,根据二极管的单向导电性，使用 载波的周期变换给电容器冲、放电，使电容器两端电压呈现具有 频率的波纹，并通过低通滤波器滤除。,本节总结,幅度调制 在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化； 在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移
8、。 由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制，相应地，幅度调制系统也称为线性调制系统。 采用AM调制传输信息的好处是解调电路简单，可采用包络检波法。 缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪费掉。 如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）,作业,假设调制信号m(t)为具有以下形式的正弦波，确定其标准调幅信号和上下边带。,标准调幅(AM)缺点,在AM波中，载波本身并不携带有用信息，却占据50%以上的功率。如果将载波完全抑制掉，就可以提高效率。 AM波的频谱： 因此，如果将A0=0，则可以抑制掉载波分量,提纲,幅
9、度调制： 标准调幅(AM) 抑制载波双边带调幅(DSB) 单边带调幅(SSB),DSB信号的调制,AM波表达式：,令A0=0:,根据傅里叶变换的性质可以得到已调信号的频域表达,由于DSB信号的频谱中没有载波分量，只有边频分量，所以其效率达到了100%,DSB信号的波形及频谱,参见附件动画,调制信号波形与频谱,载波波形及频谱,已调波波形及频谱,调制信号f(t),在f(t)改变符号的时刻载波出现反相，其包罗形状不再与f(t)的 形状相同，而是按照|f(t)|的规律变化。因此，只能采用相干解调,DSB信号的调制模型与解调,DSB的调制模型,DSB的相干解调模型,由抑制载波双边带调幅信号的频谱可知，如
10、果将已调信号的频谱 搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原 始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。,与本地载波相乘得到,用一个低通滤波器可以将上式中第2项消除，即无失真地恢复出原始的调制信号。,相干解调的关键是必须产生一个同频同相的载波。如果同频同相的条件得不到保证，则会破坏原始信号的恢复。,抑制载波双边带调幅特点,抑制载波双边带调幅信号的时间波形的包络已不再与调制 信号形状一致，因而不能采用包络检波来恢复调制信号。 抑制载波的双边带调幅虽然节省了载波功率，但已调信号 的频带宽度仍为调制信号的两倍，与常规双边带调幅时相同。 上、下两个边带是完全对称的，它们所
11、携带的信息相同，完 全可以用一个边带来传输全部消息。这种传输方式除了节省 载波功率之外，还可节省一半传输频带，即为单边带调制。,提纲,幅度调制： 标准调幅(AM) 抑制载波双边带调幅(DSB) 单边带调幅(SSB),单边带调幅(SSB),单边带调制中只传送双边带调制信号的一个边带。 因此传送单边带信号的最直接的方法是让双边带信号通过一个单边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。 把这种方法称为滤波法，它是最简单也是最常用的方法。,滤波法产生单边带调幅(SSB),用乘法器产生一个双边带信号,然后滤掉其中的一个边带,单边带调幅(SSB),只传输两个USB或两个LSB都代表一个实际信号。 优
12、点：比AM和DSB的带 宽减 小一倍，信道利用率高，节省功率。,表示将f ( t )的所有频率分量 相移了-/2后的结果。,单边带调幅(SSB)解调,输入信号,与本地载波 相乘得到,LPF滤除20频率成分，输出,当,AM无线电的标准带宽分配,AM所需的总带宽可以由音频信号的带宽确定，即BAM=2B音频 音频信号(语音和音乐)的带宽通常是5kHz。所以一个调幅的无线电台需要的最小带宽是10kHz。 AM电台可以使用在5300kHz1700kHz之间的任何一个频率作为载波频率，但是每个调幅电台的载波频率与其它电台的载波频率间隔至少是10kHz(1个AM带宽)，以避免干扰。 所以，如果一个电台使用的
13、载波频率是1100kHz，下一个电台的载波频率不能低于1110kHz。,提纲,角度调制： 角度调制基本思想 调相 调频,角度调制,载波的相角受调制信号的控制而变化的过程叫做角度调制。分为：相位调制(PM)和频率调制(FM) 角调波具有恒定振幅A和瞬时相角( t )的正弦波， 其中(t)是已调信号的相角，随时间变化 瞬时频率( t )和瞬时相角( t )关系：,调相波(PM波)是用调制信号控制载波的的相位变化 若载波的瞬时相角( t )与信号f ( t )呈线性函数关系，就称之为PM波。即： 0 -常数，固定角频率；0常数，起始相角；Kp调制常数，也叫调制灵敏度，表示单位调制信号引起的相位偏移。
14、 Kpf ( t )称为瞬时相位偏移，其最大值,调相波相位调制的信号波,根据以上分析知：PM波可表示为 如果调制信号 PM=KPAm ，叫做调相指数，代表 调相波的最大相位偏移PM。,调相波相位调制的信号波,调相波的波形示意,调频波频率调制信号波形,调频波：若正弦波的瞬时频率( t )与信号f ( t )呈线性函数关系，则称之为FM波。 0固定角频率；Kf调制常数。最大频率偏移 FM波的瞬时相角 FM波,正弦调制信号 叫做调频指数， 代表调频波的最大相位偏移 FM。,调频波频率调制信号波形,FM实际带宽很难完全确定，但从经验上是模拟信号的若干倍。,调频波的波形示意：,FM和PM之间的关系,令
15、作为调制信号代入调频波表达式，可得到g1 ( t )的调相波。 若令 g2 ( t ) =df( t )/d t 作为调制信号代入调相波表达式， 可得到g2 ( t )的调频波。 结论：PM和FM是角调波的不同形式，二者无本质区别。载波相位的任何变化都将引起频率的变化，反之亦然。PM和FM只是频率和相位的变化规律不同而已。在PM中，角度随调制信号线性变化；在FM中，角度随调制信号的积分线性变化。将f (t)先积分而后使它对载波进行PM即得FM，反之，将f (t)先微分而后使它对载波进行FM即得PM，如图,作业,1.仔细体会模拟调制的基本思想和思路 2.总结幅度调制的特点,课外练习(选做),熟悉SystemView 系统仿真软件 使用SystemView 系统仿真软件仿真本节课中的通信调制技术,