第11章调制及解调

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1、第第1111章章 调制及解调调制及解调第十一章第十一章 调制及解调调制及解调 第第1111章章 调制及解调调制及解调调制：调制：用携有消息的信息信号去控制或改变一个高频振用携有消息的信息信号去控制或改变一个高频振荡信号的某些参数的过程，称为调制。荡信号的某些参数的过程，称为调制。11.1 调制的概念调制的概念调制信号：信息信号调制信号：信息信号u(t)，载波：高频振荡信号载波：高频振荡信号uc(t)，已调信号：调制后含有发送信息的信号已调信号：调制后含有发送信息的信号u(t)。常用名词：常用名词：解调：解调：是调制的逆过程，即从已调信号中还原出有用信息是调制的逆过程，即从已调信号中还原出有用信

2、息信号的过程。信号的过程。 第第1111章章 调制及解调调制及解调调制调制模拟调制：调制信号为模拟信号。模拟调制：调制信号为模拟信号。数字调制：调制信号为数字信号。数字调制：调制信号为数字信号。（调制波形式不同）（调制波形式不同）调制调制连续波调制：载波为正弦波信号。连续波调制：载波为正弦波信号。脉冲调制：载波为脉冲信号。脉冲调制：载波为脉冲信号。（载波形式不同）（载波形式不同）调制的分类调制的分类第第1111章章 调制及解调调制及解调幅度调制（调幅幅度调制（调幅AM）:用信息信号控制载波信号的振幅。用信息信号控制载波信号的振幅。频率调制（调频频率调制（调频FM）:用信息信号控制载波信号的频率

3、。用信息信号控制载波信号的频率。相位调制（调相相位调制（调相PM）:用信息信号控制载波信号的相位。用信息信号控制载波信号的相位。 连续波调制的分类：连续波调制的分类：第第1111章章 调制及解调调制及解调11.2 连续波幅度调制连续波幅度调制幅度调制有四种幅度调制有四种：标准幅度调制（标准幅度调制（Standard AM）；）；双边带幅度调制（双边带幅度调制（DSB AM）；）；单边带幅度调制（单边带幅度调制（SSB AM）；）；残留边带幅度调制（残留边带幅度调制（VSB AM）。）。 第第1111章章 调制及解调调制及解调 11.2.1 标准调幅标准调幅 图图11.1 AM调制调制 (a)载

4、波；载波；(b)调制信号；调制信号；(c)已调波已调波 uCtut(b)(c)tuAM(a)特点：特点：载波的幅度随调制信载波的幅度随调制信号变化而变化。号变化而变化。包络：最大幅度点的连线。包络：最大幅度点的连线。第第1111章章 调制及解调调制及解调设调制信号为：设调制信号为： tcosUtum载波信号为：载波信号为： tcosUtuccmc 已调波表达式为：已调波表达式为： tcostcosUUtcostuUtucmcmccmAM tcostcosmUtcostcosUUUcacmccmmcm11标准调幅波数学表达式：标准调幅波数学表达式：第第1111章章 调制及解调调制及解调称称“调幅

5、指数调幅指数”或或“调幅度调幅度”。 cmmaUUm调幅指数调幅指数ma越大，幅度变化越剧烈。越大，幅度变化越剧烈。ma=0时，时，没有调幅没有调幅，为原载波。，为原载波。ma=1时，时，Um=Ucm,幅度在幅度在02Ucm之间变化，为之间变化，为100%的调幅的调幅。ma1时，时，UmUcm,过调幅过调幅，包络信号失真。，包络信号失真。为了保证已调波的包络反映调制信号的变化，必须使：为了保证已调波的包络反映调制信号的变化，必须使： 0ma1 第第1111章章 调制及解调调制及解调示波器测量示波器测量ma的方法的方法uCtut(b)(c)tuAM(a)UmmaxUmminUmmax=UCm(1

6、+ma)Ummin=UCm(1-ma)minmmaxmminmmaxmaUUUUm第第1111章章 调制及解调调制及解调标准调幅波的频谱标准调幅波的频谱 tcosUmtcosUmtcosUtcostcosmUtuccmaccmaccmcacmAM221三个频率成分：三个频率成分：载频：载频：C上边频：上边频：C+下边频：下边频：C第第1111章章 调制及解调调制及解调图图5.6 AM调制的频谱关系调制的频谱关系U()Um0UC()0UCmC带宽：带宽：BW=2UAM()0CCCUm0maUm012maUm012UCmUCmUCm上下边频包含调制信号频率，表明携带调制信号特上下边频包含调制信号频

7、率，表明携带调制信号特性，而载波分量与调制信号无关性，而载波分量与调制信号无关第第1111章章 调制及解调调制及解调 上面分析的调制信号上面分析的调制信号u是单一频率的信号，实际是单一频率的信号，实际上调制信号都是由多频率成分组成的。如语音信号的上调制信号都是由多频率成分组成的。如语音信号的频率主要集中在频率主要集中在3003400Hz范围。范围。多频率信号的标准调幅多频率信号的标准调幅第第1111章章 调制及解调调制及解调图图11.4 多频调制多频调制M信号频谱信号频谱U()0maxUAM()0CmaxCCmaxmaxBWAM=2max广播电台播送广播电台播送语音信号，语音信号，AM已调波的

8、带宽已调波的带宽等于等于6800Hz，相邻两个电台相邻两个电台载波频率的间载波频率的间隔必须大于隔必须大于6800Hz，通常，通常取为取为10kHz。第第1111章章 调制及解调调制及解调调幅过程调幅过程实质上实质上是一种频谱线性搬移。经过是一种频谱线性搬移。经过调制后，已调信号的频谱由低频处搬移到载频附近，调制后，已调信号的频谱由低频处搬移到载频附近，形成上下边带。形成上下边带。总总 结结第第1111章章 调制及解调调制及解调帕塞瓦尔公式：已调波帕塞瓦尔公式：已调波UAM在单位电阻上在单位电阻上消耗的平均功率消耗的平均功率Pav应当等于各个频率成分所消应当等于各个频率成分所消耗的平均功率耗的

9、平均功率之和，即等于载波功率之和，即等于载波功率PC和边频和边频功率功率PSB之和之和 221CmCUP 载波功率：载波功率： AM波各频率功率的分布波各频率功率的分布SBCAMPPP第第1111章章 调制及解调调制及解调边带功率边带功率PSB等于上边频功率等于上边频功率PSB上上与下边频功率与下边频功率PSB下下之和。上之和。上PSB与下与下PSB相等，有相等，有UAM()0CCCUm0maUm012maUm012UCmUCmUCm22412212cmacmaSBUmUmP第第1111章章 调制及解调调制及解调 CaCmaSBPmUmP2222141总的边频功率等于：总的边频功率等于： 所以

10、，已调波在单位电阻上消耗的平均功率所以，已调波在单位电阻上消耗的平均功率 2211aCAMmPP 边频功率与总功率之比：边频功率与总功率之比：222aaAMSBmmPP当当ma=1时，比值达到最大值时，比值达到最大值0.33。AM调制很不经济。调制很不经济。第第1111章章 调制及解调调制及解调普通调幅波形成框图一普通调幅波形成框图一u(t)KMuC(t)uAM(t)uAM = KMUcm cos ct Um cost+ Ucm cos ct=Ucm(1+macost) cos ctma= KM Um实现实现AM的方案的方案第第1111章章 调制及解调调制及解调普通调幅波形成框图二普通调幅波形

11、成框图二u(t)UCmuAM(t)+CosCt tcostcosUUtcostuUtucmcmccmAM第第1111章章 调制及解调调制及解调uC(t) uAM(t) KMRp R R R UD u tcos)tcosm(Utcos)tcosUU(UUKucamcDmcmDMAM110第第1111章章 调制及解调调制及解调 11.2.2 双边带调幅双边带调幅(DSB) 双边带调制是传送上、下边带而抑制载波的双边带调制是传送上、下边带而抑制载波的一种调制方式。一种调制方式。图图11.6 DSB调制实现框图调制实现框图uKuCuDSBuDSB=KuuC= KUmUCmCostCosCt第第1111

12、章章 调制及解调调制及解调u t uDSB 0 0 180度相位突变度相位突变 t图图11.8 DSB已调波时域波形已调波时域波形 第第1111章章 调制及解调调制及解调)b.(t )cos(UKUt )cos(UKUtcostcosUKUuccmmccmmccmmDSB82112121DSB调幅波的频谱调幅波的频谱0 Um 0 C+CCcmmUKU21cmmUKU21BW=2第第1111章章 调制及解调调制及解调多频调制信号多频调制信号DSB的频谱的频谱U()0maxUDSB()0CmaxCCmaxmax第第1111章章 调制及解调调制及解调 11.2.3 单边带调幅单边带调幅(SSB)单边

13、带调制是仅传送一个边带的调制方法。单边带调制是仅传送一个边带的调制方法。BFuuCuSSB上边带CmaxCH()滤波法滤波法第第1111章章 调制及解调调制及解调图图11.10 单频调制单频调制SSB信号的频谱信号的频谱0USSB()C CC下边频Um0Um0CUSSB() 上边频0第第1111章章 调制及解调调制及解调上边带调制上边带调制：只传送上边带信号：只传送上边带信号时域数学表达式时域数学表达式 ：)a.(t )cos(UucmSSB92110上时域数学表达式时域数学表达式 ：)92 .11()cos(0btUucmSSB下下边带调制下边带调制：只传送下边带信号：只传送下边带信号20m

14、cmmUKUU第第1111章章 调制及解调调制及解调图图11.11 单频调制单频调制SSB信号波形图信号波形图 U0tuSSB0tCC或20mcmmUKUUUm第第1111章章 调制及解调调制及解调tsintsinUtcostcosUcmcm00相移法相移法上述滤波法要求滤波器过渡带很陡，当调制信上述滤波法要求滤波器过渡带很陡，当调制信号中的低频分量越丰富时，滤波器的过渡带要号中的低频分量越丰富时，滤波器的过渡带要求越窄，实现起来就越困难。另一种方法叫相求越窄，实现起来就越困难。另一种方法叫相移法移法)92 .11()cos(0btUucmSSB下第第1111章章 调制及解调调制及解调图图11

15、.12 相移法实现相移法实现SSB框图框图uuCuSSB22tsintsinUtcostcosUUcmcmSSB00第第1111章章 调制及解调调制及解调残留边带调制的频谱残留边带调制的频谱 maxCUAM()U000UVSB()C第第1111章章 调制及解调调制及解调11.3 角度调制的基本概念角度调制的基本概念 无论是调频或调相，都使得载波的总相角发无论是调频或调相，都使得载波的总相角发生变化，因此两者统称为角度调制。生变化，因此两者统称为角度调制。 载波信号的频率和相位随调制信号变化的载波信号的频率和相位随调制信号变化的调制分别称为频率调制调制分别称为频率调制(FM)和相位调制和相位调制

16、(PM)，简称调频和调相。简称调频和调相。 调频：电报通信、调频广播、无线电视、模拟通调频：电报通信、调频广播、无线电视、模拟通信系统信系统调相：数字通信的相移键控。调相：数字通信的相移键控。 第第1111章章 调制及解调调制及解调调制信号：调制信号：u(t) 载波：载波： uC(t)=UCmcosCt调频信号调频信号uFM(t)的瞬时角频率的瞬时角频率(t)不再是不再是常数常数C ,而是随调制信号的变化而变化：而是随调制信号的变化而变化：调频波的数学表达式调频波的数学表达式(t)=C+kfu(t)C：中心频率：中心频率kf：调频比例常数：调频比例常数kfu(t)=：频率偏移：频率偏移第第11

17、11章章 调制及解调调制及解调调频信号调频信号uFM(t)的瞬时的瞬时相位相位(t)时域调频信号的一般表达式：时域调频信号的一般表达式： 000000dttuKtdttuKdttttfCtfCt 00dttuKtcosUtutfCCmFM第第1111章章 调制及解调调制及解调设调制信号：设调制信号：u(t)=Umcost瞬时角频率：瞬时角频率：(t)=C+kfu(t)= C+kfumcost 最大频偏：最大频偏： m=kfum 00000tsinUKtcosUdttcosUKtcosUdttuKtcosUtumfCCmtmfCCmtfCCmFM第第1111章章 调制及解调调制及解调mmffUK

18、m调频指数调频指数 00tsinmtcosUtsinUKtcosUtufCCmmfCCmFM总结：调频信号的基本参量是振幅总结：调频信号的基本参量是振幅UCm(恒定恒定的的) 、载波中心频率、载波中心频率C、最大频偏、最大频偏m和调频和调频指数指数mf。调频比例常数。调频比例常数kf是由电路决定的一个是由电路决定的一个常数。常数。第第1111章章 调制及解调调制及解调调相波的数学表达式：调相波的数学表达式：调制信号：调制信号：u(t) 载波：载波： uC(t)=UCmcosCt调相信号调相信号uPM(t)的瞬时相位的瞬时相位(t)不再是不再是C t,而是随调制信号的变化而变化：而是随调制信号的

19、变化而变化：(t)=Ct+kpu(t)kp：调相比例常数：调相比例常数kpu(t)=(t)：相位偏移：相位偏移第第1111章章 调制及解调调制及解调时域调相信号的一般表达式：时域调相信号的一般表达式： 0tuKtcosUtupCCmPM设调制信号：设调制信号：u(t)=Umcost瞬时相位：瞬时相位：(t)=Ct+kpu(t)= Ct+kpumcost(t)调相指数：调相指数： mP = kpum =m (最大相偏最大相偏) 00tcosmtcosUtcosUKtcosUtupCCmmpCCmPM第第1111章章 调制及解调调制及解调瞬时角频率瞬时角频率mppmmCpCUkmttmdttdts

20、insin)()(称为最大频偏称为最大频偏第第1111章章 调制及解调调制及解调图图11.13 调频和调相信号波形调频和调相信号波形 0uPM0ttttCuC00u调相信号的频率随调制信号的调相信号的频率随调制信号的导数变化而变化。导数变化而变化。0uFM0ttmttC(t)uC00u第第1111章章 调制及解调调制及解调调频与调相的联系与区别调频与调相的联系与区别 mmffUKmmppmUkm无论是调频或调相，调制指数都是最大频偏无论是调频或调相，调制指数都是最大频偏和调制频率之比。和调制频率之比。第第1111章章 调制及解调调制及解调 无论是调相波还是调频波，都同时存在着频无论是调相波还是

21、调频波，都同时存在着频偏和相偏，但是因为调相波是以相位的变化直接偏和相偏，但是因为调相波是以相位的变化直接反映调制信号，所以其最大相移与调制信号的振反映调制信号，所以其最大相移与调制信号的振幅成正比，幅成正比， 而调频信号是以频率的变化直接反映调制信而调频信号是以频率的变化直接反映调制信号，所以其最大频偏与调制信号的振幅成正比。号，所以其最大频偏与调制信号的振幅成正比。最大相偏：最大相偏： m=mP = kpum 最大频偏：最大频偏： m=mf=kfum第第1111章章 调制及解调调制及解调 把小于未调制的载波幅度把小于未调制的载波幅度UCm的百分之一的的百分之一的各边频分量忽略不计来确定调频

22、信号的带宽。各边频分量忽略不计来确定调频信号的带宽。调频波的有效带宽估算调频波的有效带宽估算目前，广泛应用的调频信号带宽的目前，广泛应用的调频信号带宽的计算计算公式是公式是卡森公式卡森公式2(1)2()2CRfmBmL 当当mf1时，时，BW=2m宽带调频宽带调频第第1111章章 调制及解调调制及解调调角波的有效带宽估算调角波的有效带宽估算当当m1时，时，BW=2m宽带调角宽带调角采用调频信号的分析方法，同样可以得到调采用调频信号的分析方法，同样可以得到调相信号的频谱，它与调频信号频谱的差异仅仅是各相信号的频谱，它与调频信号频谱的差异仅仅是各边频分量的相移不同。带宽的计算仍可采用卡森公边频分量

23、的相移不同。带宽的计算仍可采用卡森公式：式：mmBW212第第1111章章 调制及解调调制及解调调频和调幅的对比调频和调幅的对比1、调幅系统：有用信息蕴藏在幅度之中，易受外、调幅系统：有用信息蕴藏在幅度之中，易受外界干扰，信噪比低。界干扰，信噪比低。调频系统：有用信息蕴藏在频率之中（波形的疏密调频系统：有用信息蕴藏在频率之中（波形的疏密变化），不易受外界干扰，信噪比高。变化），不易受外界干扰，信噪比高。2、调幅系统：窄带系统，、调幅系统：窄带系统，BW2。调频系统：宽带系统，调频系统：宽带系统，BW较大。较大。3、调幅系统：、调幅系统：ma0时，二极管导通，信源时，二极管导通，信源us通过二极

24、通过二极管对电容管对电容C充电，充电的时常数约等于充电，充电的时常数约等于RDC。由于二极管导通电阻由于二极管导通电阻RD很小，因此电容上的电很小，因此电容上的电压迅速达到信源电压压迅速达到信源电压us的的幅值。幅值。当当uDus或 u1us或u1us或 u1us或 u1us或 u1usLuM+第第1111章章 调制及解调调制及解调tmUkUkukupmdemdmdocos00AM波的幅度表达式，所以后接包络检波器对波的幅度表达式，所以后接包络检波器对该和信号进行幅度检波并滤去直流得到解调信号该和信号进行幅度检波并滤去直流得到解调信号 第第1111章章 调制及解调调制及解调 二、鉴频原理二、鉴

25、频原理 调频信号解调又称为频率检波，简称鉴频。它是把调频信号解调又称为频率检波，简称鉴频。它是把调频信号的频率调频信号的频率(t)=C+(t)与载波频率与载波频率C比较，得比较，得到频差到频差(t)=mf(t)，从而实现频率检波。，从而实现频率检波。频率检波框图频率检波框图 1k2uo=k=12第第1111章章 调制及解调调制及解调 利用线性网络变换方法可实现频率检波利用线性网络变换方法可实现频率检波,有两种形有两种形式：式： (1)将调频信号通过一个幅频特性为线性的线性将调频信号通过一个幅频特性为线性的线性网络，使它变成调频网络，使它变成调频/调幅信号，其振幅的变化正比于调幅信号，其振幅的变

26、化正比于频率的变化；之后再用包络检波的方法取出调制信号。频率的变化；之后再用包络检波的方法取出调制信号。线 性 幅 频 特 性 网络 H()ej()uFMu1kd包 络 检 波uo(a)A0A0CC(t)H()kmtCtA0 k(t)()0(b)框图框图第第1111章章 调制及解调调制及解调图图11.25 斜率鉴频框图及频率振幅转换斜率鉴频框图及频率振幅转换 (a)框图；框图；(b)频率振幅转换频率振幅转换线 性 幅 频 特 性 网络 H()ej()uFMu1kd包 络 检 波uo(a)A0A0CC(t)H()kmtCtA0 k(t)()0(b)第第1111章章 调制及解调调制及解调 输入的调

27、频信号输入的调频信号 0cos( )tPMmCmuUtf t dt 线性变换网络的幅频特性线性变换网络的幅频特性000( )( )( )( )CmoHktkf tAkt k0为幅频特性的斜率。在满足似稳态的条件下，线为幅频特性的斜率。在满足似稳态的条件下，线性变换网络的输出可近似认为是稳态响应，其表示式为性变换网络的输出可近似认为是稳态响应，其表示式为tmCmtmCmAMFMdttfttkAUdttfttkUuu)()(cos)()()(cos)(00000/1第第1111章章 调制及解调调制及解调 由此可见，通过频幅变换网络将调频信号的频率的由此可见，通过频幅变换网络将调频信号的频率的变化转

28、换到振幅变化上来，变化转换到振幅变化上来，微分网络uFMuFM/AM包络检波uo频幅变频幅变换网络换网络包络检波包络检波图图11.16 用频幅变换网络构成的频率检波框图用频幅变换网络构成的频率检波框图第第1111章章 调制及解调调制及解调Ct00(t)kmA(t)| Z |CLRZ图图11.27 用用LC并联回路做线性幅频特性网络并联回路做线性幅频特性网络 第第1111章章 调制及解调调制及解调 (2)把调频信号通过线性相频特性网络，使其变换成把调频信号通过线性相频特性网络，使其变换成调频调频/调相信号；附加的相位变化正比于频率变化，之后调相信号；附加的相位变化正比于频率变化，之后通过相位检波

29、方法实现频率检波，把这种方法叫做相位通过相位检波方法实现频率检波，把这种方法叫做相位鉴频法。鉴频法。100( )cos( )( )2tmCCu tAUtf t dtkt 若相位检波电路具有线性鉴相特性时，输出电压若相位检波电路具有线性鉴相特性时，输出电压( )( )opu tS kt第第1111章章 调制及解调调制及解调相位鉴频框图及频率相位转换相位鉴频框图及频率相位转换(a)原理框图；原理框图；(b)相频特性和幅频特性相频特性和幅频特性 线性相频特性网络uFMuFM/PM相位检波uo(a)A0CC(t)H()kmtCt(t) = k(t)()(b)H( )ej()222t第第1111章章 调

30、制及解调调制及解调 描述各种鉴频方法质量好坏的指标主要有：描述各种鉴频方法质量好坏的指标主要有： 鉴频特性、鉴频范围、鉴频灵敏度鉴频特性、鉴频范围、鉴频灵敏度(或鉴频跨导或鉴频跨导)。鉴频特性是输出电压鉴频特性是输出电压uo与输入信号频差与输入信号频差之间的关系曲之间的关系曲线。鉴频范围同样可分成线性鉴频范围和最大鉴频范围。线。鉴频范围同样可分成线性鉴频范围和最大鉴频范围。鉴频特性线性越好，线性鉴频范围越宽，这种鉴频方法鉴频特性线性越好，线性鉴频范围越宽，这种鉴频方法越好。越好。 鉴频灵敏度鉴频灵敏度Sf是描述输出电压是描述输出电压uo对频差对频差的灵敏程的灵敏程度。它的定义是度。它的定义是0ofuS(8.812)