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第4章:模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制的基本原理習(xí)題線性調(diào)制的噪聲影響調(diào)幅調(diào)制的應(yīng)用場(chǎng)景1235目錄CONTENTS角度調(diào)制原理

模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較467調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)幅度調(diào)制的基本原理1調(diào)幅

調(diào)幅(AM)信號(hào)的調(diào)制原理框圖如4-1所示,圖中m(t)為消息信號(hào),s(t)為已調(diào)信號(hào),ωc是載波的角頻率。

AM(AmplitudeModulation,調(diào)幅)信號(hào)的時(shí)域和頻譜波形分別反映了調(diào)幅信號(hào)的瞬時(shí)振幅變化及其頻率分布。

1幅度調(diào)制的基本原理圖4-1

AM調(diào)制原理1幅度調(diào)制的基本原理1.時(shí)域波形圖4-2AM

信號(hào)的時(shí)域和頻譜波形SAM(t=[A0+m(t)]cos(ωct)A0是載波的幅度;m(t)是消息信號(hào)(調(diào)制信號(hào));ωc是載波的角頻率,與頻率fc的關(guān)系為ωc=2πfc。如圖4-2(a)所示,

振幅隨消息信號(hào)m(t)的變化而改變,形成包絡(luò)線,與消息信號(hào)的波形相同,所以又叫信號(hào)包絡(luò)。2.頻譜波形1幅度調(diào)制的基本原理AM信號(hào)的頻譜由載波頻率和兩個(gè)邊帶組成。假設(shè)m(t)為頻率ωm的單一正弦信號(hào),則調(diào)幅信號(hào)的頻譜包含以下成分:載波頻率ωc?;上邊帶,頻率為ωc+ωm;下邊帶,頻率為ωc?ωm。因此,AM信號(hào)的頻譜波形在ωc處出現(xiàn)一個(gè)主峰,在ωc+ωm和ωc?ωm處出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱的邊帶頻率峰,邊帶是兩個(gè)離散譜。如果m(t)對(duì)應(yīng)頻譜函數(shù)M(ω)是一個(gè)連續(xù)譜,如圖4-2(b)所示,則已調(diào)波形的頻譜是上下邊帶就是對(duì)稱的連續(xù)譜波形。由圖4-2可見(jiàn),AM

調(diào)制有以下特點(diǎn):信號(hào)包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)成正比:當(dāng)調(diào)制信號(hào)的最大值m(t)max≤A0時(shí),已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)成正比,可以通過(guò)包絡(luò)檢波器解調(diào)信號(hào)。頻譜對(duì)稱性:AM信號(hào)的頻譜由載波和上下對(duì)稱的兩個(gè)邊帶組成,其帶寬為調(diào)制信號(hào)最高頻率的兩倍,即BAM=2ωH,或者BAM=2fH

式中ωH

為調(diào)制信號(hào)

m(t)的最高角頻率,BAM為已調(diào)信號(hào)的帶寬。AM

由于載波不攜帶信息,卻占據(jù)了傳輸信號(hào)中的大部分能量,因此功效比較低。1幅度調(diào)制的基本原理圖4-3DSB調(diào)制器模型雙邊帶調(diào)制(DSB)在

AM

信號(hào)中,載波分量并不攜帶信息,信息完全由邊帶傳送,因此,如果將載波抑制,也就是在圖4-1中將直流

A0

去掉,則變成圖4-3所示模型,這種傳輸方式稱為雙邊帶抑制載波(DoubleSideBand-SuppressedCarrier或者DSB-SC)調(diào)制,簡(jiǎn)稱DSB調(diào)制,其時(shí)域和頻域波形如圖4-4所示。1幅度調(diào)制的基本原理DSB調(diào)制有如下特點(diǎn):1.DSB(t)波形包絡(luò)不再與m(t)的形狀相同,而是按照∣m(t)∣的規(guī)律變化,這意味著不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來(lái)恢復(fù)調(diào)制信號(hào),必須采用相干解調(diào),2.除了不再含有載波分量外,DSB信號(hào)的頻譜與AM信號(hào)的頻譜完全相同,仍由上下對(duì)稱的兩個(gè)邊帶組成,因此DSB信號(hào)的帶寬與AM信號(hào)的帶寬相同,即BDSB=2ωH

或者BDSB=2fH

式中,ωH為調(diào)制信號(hào)m(t)的最高角頻率。圖4-4DSB信號(hào)的時(shí)域和頻譜波形1幅度調(diào)制的基本原理單邊帶調(diào)制(SSB)圖4-5SSB信號(hào)的頻譜1幅度調(diào)制的基本原理DSB信號(hào)兩個(gè)邊帶中的任意一個(gè)都包含了調(diào)制信號(hào)頻譜

M(w)的所有頻譜成分,因此

僅傳輸其中一個(gè)邊帶即可,這樣既節(jié)省發(fā)送功率,還可節(jié)省一半傳輸頻帶,這種方式稱為單邊帶調(diào)制

。

產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法有很多,其中常見(jiàn)的方法有濾波法。

由于單邊帶信號(hào)只傳送雙邊帶信號(hào)的一個(gè)邊帶,因此產(chǎn)生單邊帶信號(hào)的最直觀的方法就是將雙邊帶信號(hào)通過(guò)一個(gè)單邊帶濾波器,保留所需要的一個(gè)邊帶,濾除不要的邊帶,如圖4-5所示

。SSB調(diào)制有以下特點(diǎn):1.節(jié)省了發(fā)射功率這個(gè)重要的資源,因?yàn)橹话l(fā)射一個(gè)邊帶,相比其他幅度調(diào)制,節(jié)約了發(fā)射功率,2.減少了占用的信道帶寬,SSB信號(hào)的帶寬BSSB=ωH或者BSSB=fH,即與調(diào)制信號(hào)的最高頻率相同,它比

AM

和DSB信號(hào)的帶寬減少了一半,1幅度調(diào)制的基本原理圖4-5SSB信號(hào)的頻譜圖4-7殘留邊帶濾波器特性圖

圖4-6DSB、SSB和VSB信號(hào)的頻譜殘留邊帶調(diào)制VSB1幅度調(diào)制的基本原理

殘留邊帶調(diào)制

(VestigialSideBand)是介于SSB與DSB之間的一種調(diào)制方式,它既克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬的缺點(diǎn),又解決了SSB信號(hào)實(shí)現(xiàn)上的難題,在VSB中,不是完全抑制一個(gè)邊帶,而是逐漸切割,使其殘留一小部分,如圖4-6所示

用濾波法實(shí)現(xiàn)殘留邊帶調(diào)制的原理框圖與SSB濾波法相同,其殘留邊帶濾波器傳輸特性

HVSB(ω)有所不同,

必須遵循的一定的條件,即在載波ωc

附近必須滿足互補(bǔ)對(duì)稱特性。

滿足該條件的可能形式有兩種:圖4-7(a)所示的低通濾波器,圖4-7(b)為高通濾波器。

以低通濾波器為例,其傳輸特性如圖4-8(a)所示,在-ωH

?ω?ωH范圍內(nèi),經(jīng)過(guò)(b)和(c)的平移后,然后疊加如(d)所示,HVSB(ω)應(yīng)為常數(shù)

。1幅度調(diào)制的基本原理圖4-8殘留邊帶濾波器的幾何解釋VSB調(diào)制有以下特點(diǎn):1.VSB調(diào)制既克服了DSB占用頻帶寬的缺點(diǎn),又解決了SSB實(shí)現(xiàn)困難的缺點(diǎn)。2.VSB信號(hào)的帶寬介于SSB和DSB之間,即ωH<BVSB<2ωH

,一般典型值為BVSB=1.25BSSB

調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)2圖4-9相干解調(diào)的一般模型2調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)調(diào)幅信號(hào)的相干解調(diào)相干解調(diào)也叫同步檢波,相干解調(diào)器的一般模型如圖4-9所示,它由相乘器和低通濾波器組成,其中,Sm(t)為接收到的已調(diào)信號(hào),c(t)=cosωct

為接收機(jī)提供的本地相干載波,它與接收信號(hào)中的載波必須同頻同相,Sp(t)為已解調(diào)信號(hào),S0(t)為輸出信號(hào),相干解調(diào)適用于所有線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。調(diào)幅信號(hào)(AM)的非相干解調(diào)2調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)

非相干解調(diào)一般只適合

AM

調(diào)制,當(dāng)調(diào)幅信號(hào)中的

AM

信號(hào)在不發(fā)生過(guò)調(diào)制時(shí),可采用包絡(luò)檢波,其原理框圖如圖4-10(a)所示,這是一種非相干解調(diào),在解調(diào)過(guò)程中不需要本地相干載波。圖4-10(b)為包絡(luò)檢波器的電路設(shè)計(jì),相對(duì)于相干解調(diào),包絡(luò)檢波器電路簡(jiǎn)單,效率高,包絡(luò)檢波器的輸出基本上與輸入信號(hào)的包絡(luò)變化呈線性關(guān)系,隔去直流后就得到原信號(hào)m(t)。圖4-10包絡(luò)解調(diào)包絡(luò)解調(diào)通常是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的包絡(luò)線來(lái)提取調(diào)制信息,因此,這種解調(diào)方式適用于幅度調(diào)制(AM)信號(hào)。如圖4-11所示,已調(diào)信號(hào)SAM(t)波形

在示波器的一個(gè)通道顯示,經(jīng)過(guò)包絡(luò)解調(diào)后,輸出波形在另外一個(gè)通道顯示,即原始正弦波信號(hào)。此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了包絡(luò)解調(diào)的效果。圖4-11示波器顯示包絡(luò)解調(diào)后的輸出波形2調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)線性調(diào)制的噪聲影響33線性調(diào)制的噪聲影響

比較以上四種線性調(diào)制方式,在加性高斯白噪聲背景下,其抗噪聲性能從差到優(yōu)排序?yàn)椋篈M<DSB<VSB<SSB

其中,單邊帶調(diào)制(SSB)

由于只傳輸一個(gè)邊帶,帶寬利用效率最高,抗噪聲性能最好;而

調(diào)幅(AM)

系統(tǒng)由于載波和兩邊帶都被傳輸,噪聲容易對(duì)其產(chǎn)生干擾,因此抗噪聲性能較差。殘留邊帶調(diào)制(VSB)

在帶寬與信號(hào)保真度之間取得了折中,常用于電視信號(hào)傳輸。調(diào)幅調(diào)制的應(yīng)用場(chǎng)景4幅度調(diào)制(AM)是一種經(jīng)典的調(diào)幅方式,常用于模擬廣播通信,尤其是在中波廣播和短波無(wú)線電通信中。與AM相比,抑制載波雙邊帶調(diào)制(DSB)在功率效率上有了顯著提升。例如軍事通信和低成本的音頻傳輸場(chǎng)景。然而,DSB的缺點(diǎn)在于接收端需要進(jìn)行載波同步,解調(diào)的復(fù)雜度因此增加,技術(shù)門檻較高。單邊帶調(diào)制(SSB)則在頻譜利用和功率節(jié)省上表現(xiàn)得尤為出色。使其在短波通信、衛(wèi)星通信及無(wú)線電廣播等遠(yuǎn)距離通信中廣受歡迎。尤其是在頻譜資源有限或需要高效長(zhǎng)距離傳輸?shù)膱?chǎng)合,SSB成為理想的選擇。最后,殘留邊帶調(diào)制(VSB)主要用于電視廣播中。在模擬電視信號(hào)傳輸時(shí),VSB通過(guò)傳輸一個(gè)完整的邊帶和部分的另一個(gè)邊帶,成功實(shí)現(xiàn)了帶寬的節(jié)省,同時(shí)保留了足夠的調(diào)制信息以保持信號(hào)的完整性。4調(diào)幅調(diào)制的應(yīng)用場(chǎng)景角度調(diào)制原理55角度調(diào)制原理

任何一個(gè)正弦時(shí)間函數(shù),如果它的幅度不變,則可表示為c(t)=Acosθ(t)式中,θ(t)稱為正弦波的瞬時(shí)相位角度調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為sm(t)=Acos[ωct

+φ(t)]式中,A

是載波的恒定振幅,[ωct

+φ(t)]是信號(hào)的瞬時(shí)相位θ(t),而φ(t)稱為相對(duì)于載波相位ωct

的瞬時(shí)相位偏移。角度調(diào)制:圖4-12PM和FM信號(hào)波形圖FM和PM信號(hào)波形如圖4-12所示,由圖可見(jiàn),F(xiàn)M波形實(shí)際是一個(gè)疏密在變化的等幅波,其疏密變化反映了調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律,而PM也是一個(gè)疏密變化的等幅波,但它的疏密變化不直接反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律,而是反映了導(dǎo)數(shù)dm(t)/dt的變化規(guī)律。

調(diào)頻信號(hào)是通過(guò)調(diào)制信號(hào)控制瞬時(shí)頻率的變化,調(diào)相信號(hào)則是通過(guò)調(diào)制信號(hào)控制瞬時(shí)相位的變化。由于頻率和相位之間存在微分和積分的關(guān)系,調(diào)頻FM與調(diào)相PM有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。FM和PM非常相似,均為幅度恒定的正弦波,如果預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)m(t)的具體形式,則無(wú)法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)相信號(hào)還是調(diào)頻信號(hào)

。圖4-12PM和FM信號(hào)波形圖5角度調(diào)制原理調(diào)頻信號(hào)的頻譜與帶寬5角度調(diào)制原理調(diào)頻波的帶寬為B

FM

=2(mf

+1)fm

=2(Δf+fm)(4-1)式(4-1)稱為卡森(Carson)公式,它說(shuō)明調(diào)頻信號(hào)的帶寬取決于最大頻偏和調(diào)制信號(hào)的頻率,當(dāng)

mf?1

時(shí),稱為窄帶調(diào)頻,上式可以近似為B

FM=2(mf+1)fm≈2fm

(4-2)這就是窄帶調(diào)頻的帶寬,當(dāng)

mf?1

時(shí),稱為寬帶調(diào)頻,上式可以近似為B

FM

≈2Δf

這時(shí),帶寬由最大頻偏Δf決定,而與調(diào)制頻率

fm

無(wú)關(guān),

以上討論的是單音調(diào)頻情況,對(duì)于多音或者其他任意調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō),由于調(diào)頻是一種非線性過(guò)程,其頻譜分析更加復(fù)雜,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于任意帶限信號(hào)調(diào)制時(shí)的調(diào)頻信號(hào)帶寬仍可

用卡森公式來(lái)估算,即

FM

=2(mf

+1)fm=2(Δf+fm

)但是,這里的

fm

是調(diào)制信號(hào)的最高頻率,mf

是最大頻偏Δf與

fm

的比值.例4-1頻率調(diào)制的帶寬估計(jì)已知某調(diào)頻廣播系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)最大頻率為15KHz,頻率偏移為75KHz,求該調(diào)頻系統(tǒng)的帶寬。根據(jù)卡森帶寬公式:BFM?=2(Δf+fm?)其中,Δf為頻率偏移,fm為調(diào)制信號(hào)的最大頻率。代入數(shù)據(jù)可得:BFM=2(75?KHz+15?KHz)=180?KHz因此,該調(diào)頻系統(tǒng)的帶寬為180KHz。在調(diào)頻廣播系統(tǒng)中,為了提供高質(zhì)量的話音和音樂(lè)節(jié)目,一般規(guī)定調(diào)制信號(hào)的最高頻率

fm

為15kHz,最大頻偏Δf為

75kHz,故調(diào)頻指數(shù)

mf

5,調(diào)頻廣播的頻帶寬度為

180

kHz,調(diào)頻廣播的頻率范圍為

88-108MHz,各個(gè)電臺(tái)之間的最小頻道間隔為

200kHz。

5角度調(diào)制原理調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)5角度調(diào)制原理根據(jù)解調(diào)的同步要求,調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)可以分為兩大類:相干解調(diào)(CoherentDemodulation)和非相干解調(diào)(Non-CoherentDemodulation)。1.相干解調(diào)相干解調(diào)通常包含以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟:(1)相位同步相位同步是相干解調(diào)中最關(guān)鍵的一步,接收端需要使用相位同步技術(shù)來(lái)確保本地產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的調(diào)頻信號(hào)保持同步。常見(jiàn)的相位同步技術(shù)如鎖相環(huán)(PLL)。鎖相環(huán)通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤接收信號(hào)的頻率變化,動(dòng)態(tài)調(diào)整本地振蕩器的頻率和相位,從而使接收信號(hào)與本地產(chǎn)生的參考信號(hào)在頻率和相位上保持同步。這一過(guò)程確保了解調(diào)的準(zhǔn)確性,使得接收信號(hào)的相位與本地生成信號(hào)的相位差最小。(2)相位比較當(dāng)同步完成后,接收信號(hào)與本地產(chǎn)生的參考信號(hào)通過(guò)相位比較器進(jìn)行比較。相位比較器會(huì)計(jì)算兩者之間的相位差,該相位差與原始信息信號(hào)的頻率變化成比例。通過(guò)這種比較,解調(diào)器能夠提取出調(diào)頻信號(hào)中的頻率變化,從而還原出原始信息信號(hào)。相干解調(diào)具有很高的抗噪聲能力,能夠在較強(qiáng)的噪聲環(huán)境中有效地提取信息。這使得它在高質(zhì)量通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。特別是在高頻通信系統(tǒng)中,調(diào)頻信號(hào)往往由于其頻率變化特性,具有比幅度調(diào)制信號(hào)更強(qiáng)的抗干擾能力,因此相干解調(diào)方法是最常見(jiàn)的選擇。5角度調(diào)制原理5角度調(diào)制原理2.非相關(guān)解調(diào)

非相干解調(diào)不需要在接收端生成與發(fā)射端載波嚴(yán)格同步的參考信號(hào),而是直接對(duì)調(diào)頻信號(hào)的頻率變化進(jìn)行檢測(cè)。常見(jiàn)的非相干解調(diào)方法包括斜率檢測(cè)法和鑒頻器法。

斜率檢測(cè)法:利用濾波器或頻率選擇性電路對(duì)調(diào)頻信號(hào)的頻率變化進(jìn)行檢測(cè),將調(diào)頻信號(hào)的頻率變化轉(zhuǎn)化為幅度變化,然后再利用包絡(luò)檢波提取出原始信息信號(hào)。

鑒頻器法:通過(guò)提取調(diào)頻信號(hào)的相位變化來(lái)獲取頻率信息的一種解調(diào)方法。在調(diào)頻信號(hào)中,頻率變化與相位變化之間存在密切關(guān)系。相位鑒頻器主要是通過(guò)觀察相位變化,反映信號(hào)的頻率變化,從而解調(diào)出原始信號(hào)。相位鑒頻器可以精確地檢測(cè)頻率的變化,但需要高精度的時(shí)鐘同步。它容易受到噪聲的影響,尤其在頻偏較大時(shí),可能出現(xiàn)相位模糊現(xiàn)象。不過(guò),相位鑒頻器鑒頻特性的線性較好,鑒頻靈敏度也較高。。非相干解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要相位同步電路,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,但是抗干擾能力相對(duì)較差,輸出信號(hào)的信噪比不如相干解調(diào)。多用于短距離通信和一些對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合,如FM廣播接收。6模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較6模擬系統(tǒng)的比較表4-1是關(guān)于調(diào)幅四種實(shí)現(xiàn)方式、頻率調(diào)制(FM)的對(duì)比,主要展示了它們?cè)趲捫枨蟆⒖乖肼曅阅?、功率效率以及?yīng)用場(chǎng)景等方面的特點(diǎn)。表4-1模擬調(diào)制方式的對(duì)比調(diào)制方式帶寬需求

(BW)抗噪聲性能功率效率應(yīng)用場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅

(AM)2fm較差,易受幅度噪聲干擾低,載波和邊帶均需功率廣播電臺(tái),對(duì)講機(jī)雙邊帶抑制載波

(DSB)2fm略高于標(biāo)準(zhǔn)AM無(wú)需載波傳輸,功率效率較高電視圖像傳輸,數(shù)據(jù)傳輸單邊調(diào)幅

(SSB)fm抗干擾能力強(qiáng),適合遠(yuǎn)距離傳輸高,僅需一個(gè)邊帶長(zhǎng)距離通信,國(guó)際長(zhǎng)波通信殘留邊帶調(diào)幅

(VSB)fm+Δf優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)AM和DSB介于標(biāo)準(zhǔn)AM和SSB之間電視圖像廣播頻率調(diào)制

(FM)2(Δf+fm)優(yōu)異,對(duì)幅度噪聲不敏感較高,主要用于頻率偏移FM廣播,衛(wèi)星通信7習(xí)題一、單選題1.對(duì)頻譜資源有效利用較好的調(diào)制方式是(

)。A.AM和VSBB.DSB和SSBC.SSB和VSBD.VSB和DSB2.幅度調(diào)制的實(shí)質(zhì)是進(jìn)行(

)。A.幅度放大B、幅度縮小C、頻譜搬移D、頻譜擴(kuò)大3.3.對(duì)于相同的模擬基帶信號(hào),下列已調(diào)信號(hào)中帶寬最大的是(

)。A.FMB.SSBC.DSBD.AM4.下列各項(xiàng)中不屬于幅度調(diào)制的是(

)。A.F B.DSBC.AMD.SSB5.相干解調(diào)對(duì)本地載波的要求是(

)。A.同頻同相B.同頻不同相C.同相不同頻D.頻差恒定6.僅利用一個(gè)邊帶傳輸信息的調(diào)制方式就是單邊帶調(diào)制,簡(jiǎn)稱(

)。A.AMB.DSBC.SSBD.VSB7習(xí)題7.如下各調(diào)制方式中,抗噪聲能力從強(qiáng)到弱依次為(

)。A.FM、AM、SSB、DSBB.FM、SSB、DSB、AMB.AM、SSB、DSB、FMD.SSB、DSB、AM、FM8.模擬調(diào)制分為幅度調(diào)制和(

)。A.頻率調(diào)制B.相位調(diào)制C.角度調(diào)制D.線性調(diào)制9.實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的關(guān)鍵是要求接收端提供一個(gè)與調(diào)制載波嚴(yán)格同步的(

)。A.高頻載波B.同步檢波C.包絡(luò)檢波D.相干載波10.按載波的不同,調(diào)制可分為(

)。A.模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制B.連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制B.線性調(diào)制和非線性調(diào)制D.幅度調(diào)制和相位調(diào)制7習(xí)題11.以下各種調(diào)制中,所需傳輸帶寬最小的是(

)。A.VSBB.

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