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1、第十一章 调制及解调,调制：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。,11.1 调制的概念,调制信号：信息信号u(t)，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u(t)。,常用名词：,解调：是调制的逆过程，即从已调信号中还原出有用信息信号的过程。,调制,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。,（调制波形式不同）,调制,连续波调制：载波为正弦波信号。,脉冲调制：载波为脉冲信号。,（载波形式不同）,调制的分类,幅度调制（调幅AM）:用信息信号控制载波信号的振幅。频率调制（调频FM）:用信息信号控制载波信号的频率。相
2、位调制（调相PM）:用信息信号控制载波信号的相位。,连续波调制的分类：,11.2 连续波幅度调制,幅度调制有四种：标准幅度调制（Standard AM）；双边带幅度调制（DSB AM）；单边带幅度调制（SSB AM）；残留边带幅度调制（VSB AM）。,11.2.1 标准调幅,图11.1 AM调制(a)载波；(b)调制信号；(c)已调波,特点：载波的幅度随调制信号变化而变化。,包络：最大幅度点的连线。,设调制信号为：,载波信号为：,已调波表达式为：,标准调幅波数学表达式：,称“调幅指数”或“调幅度”。,调幅指数,ma越大，幅度变化越剧烈。,ma=0时，没有调幅，为原载波。,ma=1时，Um=U
3、cm,幅度在02Ucm之间变化，为100%的调幅。,ma1时，UmUcm,过调幅，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：0ma1,示波器测量ma的方法,Ummax,Ummin,Ummax=UCm(1+ma),Ummin=UCm(1-ma),标准调幅波的频谱,三个频率成分：,载频：C,上边频：C+,下边频：C,图5.6 AM调制的频谱关系,带宽：,BW=2,上下边频包含调制信号频率，表明携带调制信号特性，而载波分量与调制信号无关,上面分析的调制信号u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。如语音信号的频率主要集中在3003400Hz范围。,多频率信号的标
4、准调幅,图11.4 多频调制M信号频谱,BWAM=2max,广播电台播送语音信号，AM已调波的带宽等于6800Hz，相邻两个电台载波频率的间隔必须大于6800Hz，通常取为10kHz。,调幅过程实质上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，形成上下边带。,总 结,帕塞瓦尔公式：已调波UAM在单位电阻上消耗的平均功率Pav应当等于各个频率成分所消耗的平均功率之和，即等于载波功率PC和边频功率PSB之和,载波功率：,AM波各频率功率的分布,边带功率PSB等于上边频功率PSB上与下边频功率PSB下之和。上PSB与下PSB相等，有,总的边频功率等于：,所以，已调波在单位电
5、阻上消耗的平均功率,边频功率与总功率之比：,当ma=1时，比值达到最大值0.33。AM调制很不经济。,普通调幅波形成框图一,uAM=KMUcm cos ct Um cost+Ucm cos ct=Ucm(1+macost)cos ct,ma=KM Um,实现AM的方案,普通调幅波形成框图二,u,(,t,),UCm,u,A,M,(,t,),+,CosCt,uC(t),uAM(t),KM,Rp,R,R,R,UD,u,11.2.2 双边带调幅(DSB),双边带调制是传送上、下边带而抑制载波的一种调制方式。,图11.6 DSB调制实现框图,uDSB=KuuC=KUmUCmCostCosCt,u,t,u
6、DSB,0,0,180度相位突变,t,图11.8 DSB已调波时域波形,DSB调幅波的频谱,BW=2,多频调制信号DSB的频谱,11.2.3 单边带调幅(SSB),单边带调制是仅传送一个边带的调制方法。,滤波法,图11.10 单频调制SSB信号的频谱,上边带调制：只传送上边带信号,时域数学表达式：,时域数学表达式：,下边带调制：只传送下边带信号,图11.11 单频调制SSB信号波形图,Um,相移法,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，滤波器的过渡带要求越窄，实现起来就越困难。另一种方法叫相移法,图11.12 相移法实现SSB框图,残留边带调制的频谱,11.3 角度调
7、制的基本概念,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。,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(FM)和相位调制(PM)，简称调频和调相。,调频：电报通信、调频广播、无线电视、模拟通信系统调相：数字通信的相移键控。,调制信号：u(t)载波：uC(t)=UCmcosCt,调频信号uFM(t)的瞬时角频率(t)不再是常数C,而是随调制信号的变化而变化：,调频波的数学表达式,(t)=C+kfu(t),C：中心频率,kf：调频比例常数,kfu(t)=：频率偏移,调频信号uFM(t)的瞬时相位(t),时域调频信号的一般表达式：,设调制信号：u(t)=Umc
8、ost,瞬时角频率：(t)=C+kfu(t)=C+kfumcost,最大频偏：m=kfum,调频指数,总结：调频信号的基本参量是振幅UCm(恒定的)、载波中心频率C、最大频偏m和调频指数mf。调频比例常数kf是由电路决定的一个常数。,调相波的数学表达式：,调制信号：u(t)载波：uC(t)=UCmcosCt,调相信号uPM(t)的瞬时相位(t)不再是C t,而是随调制信号的变化而变化：,(t)=Ct+kpu(t),kp：调相比例常数,kpu(t)=(t)：相位偏移,时域调相信号的一般表达式：,设调制信号：u(t)=Umcost,瞬时相位：(t)=Ct+kpu(t)=Ct+kpumcost,(t
9、),调相指数：mP=kpum=m(最大相偏),瞬时角频率,称为最大频偏,图11.13 调频和调相信号波形,调相信号的频率随调制信号的导数变化而变化。,调频与调相的联系与区别,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。,无论是调相波还是调频波，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反映调制信号，所以其最大相移与调制信号的振幅成正比，,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。,最大相偏：m=mP=kpum,最大频偏：m=mf=kfum,把小于未调制的载波幅度UCm的百分之一的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
10、带宽估算,目前，广泛应用的调频信号带宽的计算公式是卡森公式,当mf1时，BW=2窄带调频,当mf1时，BW=2m宽带调频,调角波的有效带宽估算,当m1时，BW=2窄带调角,当m1时，BW=2m宽带调角,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边频分量的相移不同。带宽的计算仍可采用卡森公式：,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（波形的疏密变化），不易受外界干扰，信噪比高。,2、调幅系统：窄带系统，BW2。调频系统：宽带系统，BW较大。,3、调幅系统：ma1。调频系统：mf或mp
11、可任意取值。,调频电路,直接调频法：变容二极管调频,利用可控电抗元件改变LC并联回路的谐振频率，可以实现频率调制。可控电抗元件的种类很多，其中最常用的是变容二极管和电抗管。,变容二极管的结电容CT与管子两端的反向电压uD的关系为,CT0：uD=0时的结电容（静态电容）,UB：势垒电压。锗：0.20.3V,硅：0.7V,n：变容指数。n越大，uD对CT的调节能力越大。,变容二极管符号和结电容变化曲线(a)变容管符号；(b)变容特性,T0,图8.24 变容管结电容随时间变化曲线,图11.18 变容二极管构成的直接调频电路的LC回路,交流等效电路,令n=2,则：,设：,其中：是由电路决定的参数，m=
12、kfUm为最大频偏，与调制信号幅度有关。,间接调频是利用调频信号和调相信号之间的内在联系，通过调相来实现调频。,间接调频电路,调频波的瞬时相位:,瞬时相移：,因此：调频波的相位变化与调制信号的积分成正比,图11.19 间接调频,11.7 解调,解调是从已调波中提取出调制信号的过程，是调制的逆过程。解调又叫检波。,11.7.1 调幅波的解调,图11.20 峰值包络检波器电路及工作原理,二极管峰值包络检波器,当uD0时，二极管导通，信源us通过二极管对电容C充电，充电的时常数约等于RDC。由于二极管导通电阻RD很小，因此电容上的电压迅速达到信源电压us的幅值。当uD0时，二极管截止，电容C通过电阻
13、R放电。放大常数RC，由于RL较大，因此C放电不会紧随载波变换，而是缓慢的按指数规律变化。当然，R也不能过大，否则出现惰性失真。,图2.21 惰性失真,RC的取值范围：,从频谱的角度分析,标准调幅波中含有载频和边频分量，通过二极管的非线性作用，产生和许多高次谐波,RC产生低通滤波器，滤除高次分量，留下频率，完成解调工作。,同步检波 对于DSB,SSB等不能采用包络检波器，而采用同步检波的方法来实现。原理：在频域，只要将调制后的频谱搬移回来，因此可以利用乘法器实现解调：,图11.22 乘积型同步检波器框图,设：信源是一个双边带信号 us=UsmcostcosCt 本地载波是一个与调制信号的载波同
14、频同相的信号 u1=U1mcosCt,两个信号相乘,通过低通滤波器滤除高频，得到的低频信号就是调制信号。检波的输出,其中，kd=(kMkF)/2，kM是乘法器的增益，kF是低通滤波器的增益。,本地载波必须严格同步（同频同相）,若本地载波不同步：,通过LPF后：,产生了频偏和相偏。频偏为20HZ时，就会察觉声音不自然，偏200HZ，语音可懂率明显下降。,11.7.2 调角波的解调,调相波和调频波不能直接使用包络检波器来解调相波和调频波，必须采用相位检波器（鉴相器）和频率检波器（鉴频器），但是包络检波器可以作为某些鉴相器或鉴频器的一个组成部分，而鉴相器又可以作为某些鉴频器的一个组成部分,1.鉴相原
15、理调相信号的解调叫做相位检波，简称鉴相。它是将调相信号的相位Ct+mpf(t)与载波的相位Ct相减，取出它们的相位差mpf(t)，并反映到输出电压上，从而实现相位检波。鉴相器可以看成相位/电压变换器,乘积型模拟鉴相器,为了能够正确地鉴别两个输入信号相位的超前和滞后关系，两个输入信号必须有/2的固定相差。,L,uM,利用三角函数展开：,通过低通滤波器：,其中：,当,图11.23 正弦鉴相特性,线性范围一般为。当|e|大于/2时，uo与e是多值关系，即对于同一个输出电压uo存在多个e，因此不能正确实现鉴相，所以/2为具有正弦鉴相特性的鉴相器的最大鉴相范围。,此外，为了衡量输出电压uo对误差相位e的
16、灵敏程度，还要定义一个参量叫鉴相灵敏度或鉴相跨导，用Sp表示。它的定义是,乘积型鉴相的,叠加型模拟鉴相器,为了正确判别两个信号的相位超前与滞后，输入的两个信号间要有固定的/2相差。,因为：,运用近似公式：,如果：,则:,AM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,二、鉴频原理 调频信号解调又称为频率检波，简称鉴频。它是把调频信号的频率(t)=C+(t)与载波频率C比较，得到频差(t)=mf(t)，从而实现频率检波。,频率检波框图,利用线性网络变换方法可实现频率检波,有两种形式：(1)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/调幅信号，其振
17、幅的变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。,框图,图11.25 斜率鉴频框图及频率振幅转换(a)框图；(b)频率振幅转换,输入的调频信号,线性变换网络的幅频特性,k0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,由此可见，通过频幅变换网络将调频信号的频率的变化转换到振幅变化上来，,频幅变换网络,包络检波,图11.16 用频幅变换网络构成的频率检波框图,图11.27 用LC并联回路做线性幅频特性网络,(2)把调频信号通过线性相频特性网络，使其变换成调频/调相信号；附加的相位变化正比于频率变化，之后通过相位检波方法实现频率检波，把这种方法叫做相位鉴频法。,若相位检波电路具有线性鉴相特性时，输出电压,相位鉴频框图及频率相位转换(a)原理框图；(b)相频特性和幅频特性,t,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(或鉴频跨导)。鉴频特性是输出电压uo与输入信号频差之间的关系曲线。鉴频范围同样可分成线性鉴频范围和最大鉴频范围。鉴频特性线性越好，线性鉴频范围越宽，这种鉴频方法越好。鉴频灵敏度Sf是描述输出电压uo对频差的灵敏程度。它的定义是,(8.812),
