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1、第四章 信号调制的基本原理 2021/6/161第四章 信号调制的基本原理 要求 理解调制的基本概念，掌握三种模拟调制的基本原理，会推导其表达式、波形和频谱图分析，正确分析比较不同已调波的异同点。了解三种数字调制信号的基本原理和实现方法 2021/6/162第四章 信号调制的基本原理 知识点 振幅调制（AM、DSB、SSB、VSB）数字调制（ASK、FSK、PSK）已调信号的表达式、波形和频谱图2021/6/163第四章 信号调制的基本原理 重点和难点各类调幅电路的特点、原理和分析方法数字调制信号的基本原理2021/6/1644.1 概述4.1.1 信号调制与变换无线电通信是利用电磁波作为信息
2、的载体 调制信号特点是频率较低、频带较宽且相互重叠 所谓调制就是将待传输的基带信号加载到高频振荡信号上的过程 信号调制实质是将基带信号搬移到高频载波上去，也就是频谱搬移的过程 2021/6/1654.1.2信号调制方式与分类 正弦波一般可表示为 （4-1）正弦波都有三个参数：幅度、频率和相位 所谓调制，就是将调制信号加载在三个参数中的某一个参数上，或幅值、或频率、或相位随调制信号大小成线性变化的过程 2021/6/1664.1.2信号调制方式与分类 有三种基本调制方法 一种是把调制信号加载在载波信号的幅值上，称为幅度调制 ，简称AM（Amplitude Modulation） 第二种是把调制信
3、号装载在载波的频率上，称为频率调制，简称FM（Frequency Modulation） 第三种是把调制信号装载在载波的相位上，称为相位调制，简称PM（Phase Modulation） 2021/6/1674.1.2信号调制方式与分类 数字量对载波进行调制时，根据被调制的参数不同，也有三种调制方式 被装载的参数为幅度时，称为幅移键控调制，简称ASK调制（Amplitude Shift Keying） 被装载的参数为频率时称为频移键控调制，简称为FSK调制（Frequency Shift Keying） 被装载的参数为相位时称为相移键控调制，简称为PSK调制（Phase Shift Keyin
4、g） 2021/6/1684.1.2信号调制方式与分类 调制方式模拟调制 数字调制幅度调制（AM）频率调制（FM）相位调制（PM）幅 移 键 控 调 制（ASK）频 移 键 控 调 制（FSK）相 移 键 控 调 制（PSK）图4-3 调制方式分类2021/6/1694.2 幅度调制原理及特性 4.2.1 普通调幅（AM ） 1. 普通调幅信号的数学表达式首先讨论调制信号为单频余弦波时的情况，设调制信号为 （4-2）设载波信号为 （4-3）2021/6/16104.2.1 普通调幅（AM ） 且 , 由幅度调制定义可知，幅度调制是用基带信号控制载波的振幅，使载波的振幅随基带信号的规律变化，因此
5、调制后形成的已调波 可表示为 （4-4）已调信号的振幅部分也可以表示为 （4-5）2021/6/16114.2.1 普通调幅（AM ） 式中 因此，普通调幅信号可以表示为 （4-6） 由上式可以看出，普通调幅信号的电路模型可以由一个乘法器和一个加法器组成。如图4-4所示。2021/6/16124.2.1 普通调幅（AM ） 图4-4 普通调幅电路模型2021/6/16134.2.1 普通调幅（AM ） 2.普通调幅信号的波形与频谱普通调幅信号的波形与频谱按照上述简单分析，只要已知基带信号和载波，就可以画出已调波的波形。 在一个信号周期内，其最大振幅为 （4-7） 2021/6/16144.2.
6、1 普通调幅（AM ） 图4-5普通调幅信号的波形与频谱2021/6/16154.2.1 普通调幅（AM ） 最小振幅为 （4-8） 由上两式可得 （4-9） ， 且越大，调幅波的外包络线凹陷越深，即调制越深。 2021/6/16164.2.1 普通调幅（AM ） 图4-6 1时，普通调幅信号波形图2021/6/16174.2.1 普通调幅（AM ） 将式（4-6）利用三角函数公式展开得 （4-10）由上式可见，普通调幅信号 的频谱包括三种频率分量： （载波）、 （上边频）、 （下边频） 2021/6/16184.2.1 普通调幅（AM ） 图4-7 一般调制信号的频谱图cmax cminc+
7、min c+maxmin maxBW基带频谱上边带下边带2021/6/16194.2.1 普通调幅（AM ） 从频谱图可以看出，原调制信号频带宽度为 ，普通调幅信号将调制信号频谱搬移到载波的上下两边了，频带宽度 2021/6/16204.2.1 普通调幅（AM ） 3.普通调幅信号的功率关系普通调幅信号的功率关系由式（4-10）可求得载波和上下边频在单位电阻上的平均功率 载波功率 （4-11）边频功率 （4-12） 调制信号在一个周期内的平均功率2021/6/16214.2.1 普通调幅（AM ） （4-13）当 1时，包含有用信息的上下边频功率只占总功率的1/3,不含有用信息的载波功率占总功
8、率的2/3。实际应用中调幅系数是小于1的。因此，AM调制能量利用率是很低的。目前AM制式主要应用于中、短波无线电广播系统中，因为普通AM制式的解调电路简单。2021/6/16224.2.2双边带调幅信号（DSB）双边带调幅信号数学表达式为 （4-14）即 （4-15） 2021/6/16234.2.2双边带调幅信号（DSB）双边带调制实质为一乘法器，其电路模型如图 图4-8 DSB信号产生电路模型uDSB(t)uc(t)u(t)2021/6/16244.2.2双边带调幅信号（DSB）图4-9DSB调幅信号的波形图和频谱图2021/6/16254.2.2双边带调幅信号（DSB）从上面频谱图可以得
9、知，双边带调制信号的频谱宽度为 (4-16） 双边带调幅同普通调幅比较有以下特点: 2021/6/16264.2.2双边带调幅信号（DSB）1. 从波形图上看，DSB调幅信号包络线不按调制信号规律变化，而AM调幅信号的包络线按调制信号规律变化 2.从高频相位上看，DSB波高频相位在调制信号过零点前后，相位发生的突变。 3.从频谱图上看，DSB调幅信号不含载波分量，发射机有效功率利用率高，而AM调幅信号含有载波分量。发射机有效功率利用率低。4.从频域上看，DSB调幅信号和AM调幅信号带宽相同，均为 ，所以，信道的利用率仍然是不经济的。 2021/6/16274.2.3单边带调幅信号（SSB） 由
10、式（4-15）可得SSB调幅信号数学表达式为取上边带时 (4-17）取下边带时 (4-18） 2021/6/16284.2.3单边带调幅信号（SSB） 从式(4-17)和式(4-18）看，单频调制时，SSB信号是等幅波。 其幅值与调制信号的幅值成正比，它的频率随调制信号变化而变化。因此它含有信息特征。. 图4-10 SSB调幅信号的波形图和频谱图2021/6/16294.2.3单边带调幅信号（SSB） . 图4-10 SSB调幅信号的波形图和频谱图2021/6/16304.2.3单边带调幅信号（SSB） 单边带调幅的带宽为 (4-19）单边带调幅电路有两种实现方法 滤波法 移相法 2021/6
11、/16314.2.4 残留边带调幅信号（VSB）单边带调幅方式有其优点，但也存在接收机解调电路复杂、调谐困难等缺点。为克服这些困难，提出了残留边带调幅方式。所谓残留边带调幅（VSB）是指发送信号中包括一个完整边带、载波及另一个边带的小部分(即残留一小部分)。 2021/6/1632（a）（b）（ c）2021/6/16334.2.5 幅度调制电路识读图4-18MC1596构成的普通调幅电路 2021/6/16344.3角度调制原理与特性4.3.1 概述角度调制是用调制信号控制载波信号的频率或相位来实现调制的 角度调制是用调制信号控制载波信号的频率或相位来实现调制的 角度调制信号与幅度调制信号相
12、比，要占据更多的频带宽度 2021/6/16354.3.2 调频信号分析设载波信号表达式为 （4-22) 为载波的振幅 为载波的瞬时相位 为其角频率，是一常数 2021/6/16364.3.2 调频信号分析 为载波的初相位，为简化分析，常令 0。设单音频调制信号为 (4-23)根据调频的定义，载波信号的瞬时频率随调制信号 线性变化，可写出 (4-24) 2021/6/16374.3.2 调频信号分析 为与调频电路有关的比例常数，单位是rads.v 又称为调频灵敏度 表示瞬时频率的线性变化部分，称为瞬时频偏，简称角频偏。用 表示其最大值，则 (4-25) 2021/6/16384.3.2 调频信
13、号分析 表示瞬时角频率偏离中心频率的 最大值。习惯上把最大频偏 称为频偏。 根据瞬时相位与瞬时角频率的关系可知，对式(4-24)积分可得调频波的瞬时相位 (4-26) (4-27) 表示调频波瞬时相位与载波信号相位的偏移量，简称相移 2021/6/16394.3.2 调频信号分析调频波的数学表达式为 (4-28)以上分析表明，在调频时，瞬时角频率的变化与调制信号成线性关系，瞬时相位的变化与调制信号积分成线性关系。设调制信号为单音频 (4-29)2021/6/16404.3.2 调频信号分析将上式分别代入式(4-24)、（4-26）、(4-28)得瞬时角频率 (4-30) 瞬时相位 (4-31)
14、调频信号数学表达式2021/6/16414.3.2 调频信号分析 (4-32) 为调频波的最大相移，又称调频指数。 值可大于1 给出了调制信号、瞬时频偏、瞬时相偏、对应的波形图 2021/6/16424.3.2 调频信号分析图4-19调频信号的波形图2021/6/16434.3.3 调相信号分析根据调相波定义，载波信号的瞬时相位随调制信号 线性变化，即 (4-33)式中， 为与调相电路有关的比例常数，单位是radv 。令 ，则表示瞬时相位中与调制信号成线性变化的部分，称为瞬时相位的相位偏移量，简称相移。用 表示最大相移，则2021/6/16444.3.3 调相信号分析 (4-34)称 为调相波
15、的调相指数根据瞬时频率和瞬时相位之间的关系可知，对式(3.312)两边求导，可得调相波的瞬时频率 (4-35)调相波数学表达式为 2021/6/16454.3.3 调相信号分析 (4-36) 将单音频调制信号分别代入式(4-33)、(4-35)、(4-36)得调相波2021/6/16464.3.3 调相信号分析相移 (4-37) 角频偏 (4-38) 数学表达式 (4-39) 2021/6/16474.3.4 调角信号频谱及频带宽度以调频信号的数学表达式说明调角信号的频谱结构特点 （4-40）将上式展开为傅立叶级数，省略级数展开时所涉及的数学推导，可得到调频波的展开式： （4-41）2021/
16、6/16484.3.4 调角信号频谱及频带宽度所谓窄带调频是指最大频偏小于基带频率 所谓宽带调频是指最大频偏大于基带频率 基于调频波频谱结构的特点，调角信号的有效频谱宽度，可由卡森（Carson）公式给出：调频波 （4-41）调相波 （4-42） 2021/6/16494.3.5调频信号的产生方法1. 直接调频法直接调频法图4-23变容二极管符号和特性曲线0图4-24 变容二极管直接调频原理图2021/6/16504.3.5调频信号的产生方法2. 间接调频法间接调频法图4-25 间接调频法原理框图2021/6/16514.3.6 调频电路识读产生调频信号的电路叫频率调制器，简称调频器 1.调频
17、电路的质量指标调频电路的质量指标（1）调制特性 （2）调制灵敏度 （3）中心频率稳定度 （4）频偏 2021/6/16524.3.6 调频电路识读2. 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路（1）变容二极管馈电电路 图4-26 变容二极管馈电电路2021/6/16534.3.6 调频电路识读图4-27 变容二极管馈电等效电路（a）直流馈电等效电流 (b) 调制信号馈电等效电路2021/6/16544.3.6 调频电路识读（2）变容二极管直接调频电路 输出调制信号偏置电压图4-28变容二极管直接调频电路2021/6/16554.3.6 调频电路识读输出调制信号偏 置电压图4-28变容二极管
18、直接调频电路2021/6/16564.3.6 调频电路识读（3）晶体振荡器直接调频电路 2021/6/16574.3.6 调频电路识读2021/6/16584.3.6 调频电路识读（4）变容二极管间接调频 图4-32变容二极管间接调频电路调制信号输入调相波输出载波信号输入9V（a）（b2021/6/16594.4 数字信号调制原理与特性4.4.1 概述4.4.2 数字基带信号表示方法表示数字基带信号常用两种方法： 一种是波形图法 另一种是数学表达式法 由于数字基带信号可以是二进制数，也可以是多进制数，不同进制所对应的信号波形是不相同的。 这里仅以二进制数为例，说明如何用波形法表示数字基带信号。
19、 2021/6/16604.4.2 数字基带信号表示方法单极性波形和双极性波形 图4-33(a)所示的是用单极性波来表示二进制数，其特征是宽度为Tb的码位有两种状态，即低电平和高电平，高电平用平数字“1”表示，低电平用数字“0”表示；而且电压脉冲都是正的，这种二进制数的脉冲属单极性波。 2021/6/16614.4.2 数字基带信号表示方法图4-33 二元信号波形 1 0 1 1 0 1ux(t)0tTb(a)(b)ux1(t)t02021/6/16624.4.2 数字基带信号表示方法图4-33(b)用正电平表示“1”，而负电平表示“0”，这种用正负两种脉冲表示二进制数的方法，称为双极性波。
20、2021/6/16634.4.2 数字基带信号表示方法以基带信号为单极性波时进行说明。定义函数式中Tb为脉冲宽度，上式表明只有自变量t在0tTb范围内时，g(t)才等于1，除此之外都等于零，可见g(t)描述的是一个1Tb之间的脉冲 1 0tTbg(t)= 0 其他2021/6/16644.4.2 数字基带信号表示方法其波形如图 g(t-Tb)2Tb0t(b)图4-34 函数表示脉冲波(a)Tbg(t)0t4Tb0tg(t-3Tb)(c)2021/6/16654.4.2 数字基带信号表示方法改变自变量，可以得到不同时刻的脉冲，例如g(t-Tb)表示的是Tb至2Tb之间的脉冲，g(t-3Tb)表示
21、的是3Tb至4Tb之间的脉冲波。通过对函数g(t)分析可知，数字基带信号可以用数字序列 表示，则 （4-43）2021/6/16664.4.2 数字基带信号表示方法式中：an随机变量，表示数字信息中两种状态， an取0或1。g(t) 基带信号码元波形，常见的有矩形脉冲、升余弦脉冲、钟形脉冲等； 码元宽度。2021/6/16674.4.2 数字基带信号表示方法g(t-Tb)2Tb0t(b)图4-34 函数表示脉冲波(a)Tbg(t)0t4Tb0tg(t-3Tb)(c)2021/6/16684.4.3 幅移键控调制(ASK)乘法器带通载波发生器S(t)图4-35 相乘法产生ASK波方框图2021/
22、6/16694.4.3 幅移键控调制(ASK) 1 0 1 1 0 1S(t)0tTbuc(t)00uASK(t)tt图4-36 相乘法产生ASK信号波形图(a)(b)(c)2021/6/16704.4.3 幅移键控调制(ASK)1.相乘法相乘法相乘法就是将数字基带信号S(t)和载波信号输入乘法器相乘 图4-36为ASK信号产生的波形图。 2021/6/16714.4.3 幅移键控调制(ASK)2.开关控制法开关控制法载波信号发生器开关控制器uc(t)S(t)uASK(t)图4-37 开关控制法产生ASK信号方框图2021/6/16724.4.4 频移键控调制(FSK)二进制频率键控是用数字基
23、带信号的两种状态“0”和“1”去控制载波的频率。状态为“1”，载波频率为 ，状态为“0”，载波的频率为 ，产生FSK信号的原理如图4-38所示。 2021/6/16734.4.4 频移键控调制(FSK)图4-38 产生FSK信号原理方框图振荡器振荡器开关控制器器UFSK(t)S(t)K2K12021/6/16744.4.4 频移键控调制(FSK)f1图4-39 FSK信号波形图 1 0 1 1 0 1 S(t)0tTb(a)0t(b)UFSK(t)f2f1f1f22021/6/16754.4.5 相移键控调制(PSK)1. 绝对调相（PSK）t00(c)(b)(a)S1(t)uPSK(t)uc
24、(t)00001800000双极性电平转换乘法器载波发生器单 极性图4-41 相乘法产生PSK信号原理方框图图4-40 产生PSK信号原理方框图2021/6/16764.4.5 相移键控调制(PSK)开关控制法产生PSK调制波的原理如图4-42所示 图4-42 开关控制法产生PSK信号UFSK开关控制器S(t)倒相1800载波2021/6/16774.4.5 相移键控调制(PSK)2. 相对调相（相对调相（DPSK 所谓相对调相，是指各码元的载波相位不是以未调制的载波相位为基准，而是以相邻的前一个码元的载波相位为基准去确定后一个码元载波相位的取值。 2021/6/16784.4.5 相移键控调
25、制(PSK)图4-43 DPSK信号波形图00002021/6/16794.4.5 相移键控调制(PSK)2021/6/16804.4.6 数字调制电路识读1. ASK信号调制电路2021/6/16814.4.6 数字调制电路识读2.FSK信号调制电路信号调制电路图4-46 产生FSK信号直接调频电路2021/6/1682本章小结本章小结1调制就是将待传输的基带信号加载到高频信号上的过程。按基带信号形式不同有模拟信号调制和数字信号调制之分。基带信号为数字量时对载波信号的调制称为数字调制；基带信号为模拟量时对载波信号的调制称为模拟调制。2021/6/1683本章小结本章小结2. 本章分析了模拟调
26、制下的幅度调制信号（AM信号、DSB信号、SSB信号、VSB信号）的特性，包括振幅调制信号的表达式和波形、频谱、带宽、实现电路等。3数字信号调制主要介绍二进制幅移键控调制（2ASK）、频移键控调制（2FSK）和相移键控调制（2PSK）信号的产生方法和电路实现模型。2021/6/1684本章小结本章小结4幅度调制属于线性频率变换过程，其电路基本模型是乘法器和滤波器。频率调制和相位调制合称为角度调制，角度调制属于非线性频率变换。5频率和相位间存在内在联系，调频时必调相，调相时必调频。在模拟通信中主要采用调频，因此重点介绍频率调制的基本原理及电路。2021/6/1685本章小结本章小结6调频信号的产生方法有直接调频法和间接调频法。直接调频电路简单，频偏较大，但中心频率不稳。间接调频法频偏虽小但中心频率稳定。7现代通信技术主要采用数字信号调制技术，本章最后介绍了数字信号调制的的基本原理和特性。着重讨论了幅移键控调制（ASK）、频移键控调制（FSK）和相移键控调制（PSK）的基本原理及实现方法。2021/6/1686 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
