第2章 模拟调制技术,2.1 调制的概念 2.2 常规双边带调幅（AM） 2.3 抑制载波的双边带调制（DSB） 2.4 单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB） 2.5 角调制概念 2.6 频率调制 2.7 相位调制 2.8 各种调制方式的性能比较 2.9 频分复用,2.1 调制的概念,2.1.1 调制的作用 无论是模拟通信系统和数字通信系统，“调制”都是其中不可缺少的重要组成部分。调制在通信中的作用非常大，归纳起来主要有以下几方面。 1频率变换 在实际通信中，信源端直接产生的信号大多数为低通型信号，而大多数信道为带通型信道，为使低通型信号能在带通型信道中传输，就需要采用调制技术，把低通型信号（调制信号）的频谱搬移到信道的通频带内，使信号频谱特性和信道特性相匹配。假如要将音频范围内的3kHz频率的信号有效辐射，则天线尺寸约需105m，显然这实际上是无法实现的，但是如果将其对300MHz载波进行调制，然后再向外辐射，则天线尺寸只需1m左右就可以了，可见调制技术的作用非常明显。,2信道的多路复用 实际应用中信道的带宽往往远大于某个单路信号的带宽，若在一个信道上仅传输一路信号，会造成信道资源浪费，此时，采用调制技术就可实现在一个信道上实现多路信号的传输，从而实现多路通信，提高信道资源的利用率。 3改善系统性能 由香农公式可知，在系统的容量一定的情况下，其信道的带宽和信噪比可以互换，而调制技术可以实现这种互换，从而改善系统的性能。此外，调制也可以减少信号之间的干扰，提高系统的抗干扰性能。,2.1.2 调制的概念 调制的定义为：通过某种方式，使调制信号改变载波的某个参数并使之随调制信号的变化规律而变化的过程就称为调制。这里的调制信号就是包含消息的基带信号，而载波通常是频率远大于基带信号频率的单频等幅高频振荡。由于高频振荡的波形参数只有三种：振幅、频率和相位，因此，对应的基本调制方式也有三种，分别称为幅度调制、频率调制和相位调制。 经过调制后的已调信号从时间波形看，信号与载波是混和在一起的，形成了一种混合波形；但从频谱看，信号频谱被整体搬移到载波频谱处，因此，调制实质是频谱搬移过程，它实现了频率的变换。已调信号具有两个基本特性：一是携带有消息，二是适合于信道传输。,2.1.3 调制的分类 根据所改变载波的参数、调制信号、载波性质及调制器功能的不同，可将调制分为以下几类： 1根据改变载波参数的不同分为调幅、调频、调相 调幅即幅度调制（AM），是指用调制信号去改变或控制载波信号的振幅，使之随调制信号的变化而变化。 调频即频率调制（FM），是指用调制信号去改变或控制载波的频率，使之随调制信号的变化而变化。 调相即相位调制（PM），是指用调制信号去控制载波信号的相位，使之随调制信号的变化而变化。,2根据调制信号的不同划分 根据调制信号的不同可分为模拟调制和数字调制。在模拟调制中，调制信号是连续变化的模拟量；而在数字调制中，调制信号为离散的数字量，一般以二进制数字脉冲序列为代表。 3根据载波性质的不同划分 根据载波性质的不同划分为连续载波调制和脉冲载波调制。在连续载波调制中，载波信号为连续波，一般以高频单音正弦波为代表；而在脉冲载波调制中，载波信号为脉冲波形，一般以矩形周期脉冲为代表。,4根据调制器频谱搬移特性的不同划分 根据调制器频谱搬移特性的不同分为线性调制和非线性调制。 在线性调制中，输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系，如调幅（AM）、单边带调制（SSB）等；而在非线性调制中，输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间不存在线性搬移关系，如调频（FM）、调相（PM）等。 在模拟调制中，一般用调制信号对高频正弦载波的线性调制通称为幅度调制，根据调制信号和载波频谱间的不同关系，可把幅度调制分为常规双边带调幅（AM）、双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB）等。,2.2 常规双边带调幅（AM）,2.2.1 幅度调制的基本原理 在常规双边带调幅中，输出已调波的信号包络随调制信号的规律线性变化，已调信号的表达式为 （2-1） 式中，调制信号为f (t)，载波为c (t)=AC cosCt ，AC是未调载波的振幅，C是载波信号的角频率，假设载波频率的起始相位为0。AO为外加的直流分量。一般情况下，把ACA0+f（t）看成是已调波形的包络，为使包络检波时信号不失真，要求f(t)的幅值小于A0，若f(t)是单频信号，即f(t)=Amsinmt，此时已调信号波形如图2-1（a）所示，相应信号的频谱示意图如图2-1（b）。,图2-1 AM信号波形及频谱变换示意图,从图中的波形和频谱可以得到以下结论： （1）调幅过程是使调制信号频谱搬移了C，搬移后的频谱中包含载波分量和两个边带分量。 （2）常规双边带调幅（AM）的频谱是关于C对称的，并且有两个边带，高于C的频谱称为上边带，低于c的频谱称为下边带。 （3）AM占用的带宽是调制信号带宽m的2倍，BAM =2m。 （4）在所有时刻，必须满足f (t)A0，为了使已调波的包络和f (t)的形状完全相同，必须保证Cm 和A0f (t)为正值的条件，这样调制信号才会包含在包络振幅之中，否则，将会产生包络失真。,此外，常规双边带调幅波（AM）还有一个重要的参数是调制度ma，也称为调幅系数。若基带调制信号f（t）的波形对称， 则ma一般有三种情况：ma1, ma =1, ma1。当ma1时，无包络失真；当ma=1时，此时已调波幅度在f（t）为负的最大值时为0，这种情况称为满调幅；当ma1时，称为过调幅，此时会产生包络失真，这种情况可采用同步检波器对其进行无失真解调。在一般情况下，为了保证不产生包络失真，总要求ma1。对音频信号，为了防止过调制现象出现，ma的值通常取0.3左右。,2.2.2 AM波的功率和效率 根据信号功率的定义，可以得到振幅调制（AM）信号的功率 （2-2） 式中Pm为调制信号的平均功率，第一项A2c/2为载波平均功率，不携带任何信息。第二项为调制信号边带功率，边带功率携带信息，我们把携带信息的边带功率与已调信号总功率的比称为调制效率，用AM表示，则 （2-3）,显然，AM 是一个小于1的数，AM 越大，说明AM信号平均功率中携带信息的那一部分功率就越大。一般正弦波进行100%（ma1）调制时，其调制效率也只有33.3%，而方波进行100%调制时，其效率也只能达到50%，为AM调制中效率最高。 此外，我们应注意调制效率AM既与调制信号的波形有关，同时也与调制深度ma有关，它们之间的关系式为 （2-4） 显然，当ma1时，正弦调制效率AM1/3。可见常规双边带调幅波的效率非常低。,2.2.3 AM波的调制与解调 1AM的调制 AM的调制电路方框图如图2-2所示，图中的乘法器一般采用半导体器件的平方律特性或开关特性来实现。,图2-2 AM调制原理方框图,2AM的解调 所谓解调就是从已调信号中恢复原调制信号的过程。AM信号的解调方法主要有两种：一种是包络检波法，采用整流滤波的方式取出已调信号的包络，从而获得所需的调制信号f（t），完成解调任务，图2-3所示为包络检波示意图。由于包络检波法电路简单，因此得到了广泛的应用，目前AM信号的解调基本上用的都是包络检波法。另一种方法是同步解调法，又称相干解调，此方法需要在解调器本地产生一个与发送端载波同频同相的本地载波。其解调原理方框图如图2-4所示。已调波与本地载波相乘后经过低通滤波器，就可得到原调制信号。,图2-3 包络检波示意图,图2-4 同步检波原理方框图,2.3 抑制载波的双边带调制（DSB）,2.3.1 双边带调制原理 常规双边带调幅的主要缺点是效率低，原因是大部分功率都消耗在载波上了，而载波本身并不携带信息，信息完全由边带传输。如果将附加的直流分量去掉，也就将载波抑制掉了，从而提高了信息的传输效率，这就是所谓的抑制载波的双边带调制，简称双边带调制（DSB）。其表达式为 （2-5）,DSB的波形及频谱分布如图2-5所示。从图2-5（a）明显看出，已调波SDSB（t）的信号包络不再具有调制信号f(t)的形状，因此，不能采用包络检波对其进行解调，但可以采用同步检波的方法解调。 此外，在图2-5（a）中，双边带信号的包络会出现零点，在包络的过零点处（由正变负或由负变正时），双边带信号的载波相位反相（相位出现不连续），即在过零点处，高频载波会出现反相点，这是DSB波形的一个重要特点。 从图2-5（b）中的频谱分布可以看出，双边带信号的频谱与常规双边带信号的频谱基本是一样的，只是在载波频率处的载波分量被抑制掉了。,图2-5 DSB的波形及频谱示意图,已调信号的带宽与常规双边带一样，也是基带信号带宽的两倍，即为 BDSB=2m （2-6） 由于DSB信号中没有载波成分，因此DSB信号的功率为 （2-7） 式中Pm为调制信号的平均功率， 不仅是边带功率，同时也是DSB调制系统的调制信号功率， 其中为载波的平均功率。因此，DSB信号的总功率就等于边带功率，DSB信号的调制效率可达100，即DSB = 1 。,2.3.2 双边带调幅波的调制与解调 由式（2-5）可知，DSB信号的产生实际上是作一次乘法运算，因此可得DSB调制原理框图如图2-6所示。一般可以采用环形调制器来产生DSB信号，但现在较多的是采用集成模拟乘法器产生DSB信号等。,图2-6 DSB调制原理框图,已调波SDSB（t）的信号包络不再具有调制信号f(t)的形状，因此，不能采用包络检波对其进行解调，DSB信号的解调，只能采用同步检波的方法解调，即相干解调。其解调原理是先使接收到的SDSB(t)信号与本地载波c(t)相乘，再通过低通滤波器取出调制信号来实现的，如图2-7所示。,图2-7 同步解调器原理框图,图2-7中， ，其中c(t)为本地载波，它必须与接收的信号载波同频同相，否则将会造成解调信号的失真。乘法器的输出为 （2-8） 上式中第一项是接收端所需要的解调信号，第二项是高频信号成分。通过低通滤波器，就可以取出所需要的调制信号分量 ，显然它就是原来的调制信号，只是幅度减小为原来的一半。,2.4 单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）,对于常规双边带调制（AM）和双边带调制（DSB）信号，其调制的结果都是将调制信号的频谱搬移到c处，已调波的信号带宽都是调制信号的两倍。在AM和DSB调制中，把上、下两个边带都完整地传送出去了。从发送信号功率和传输带宽这两个参数考虑，它们的功率和带宽都是不够节约的。实际上从他们的频谱上可以发现，上、下两个边带的频谱是关于c完全对称的，其中的任何一个边带都会包含调制信号的信息。从信息传输的角度而言，仅传输其中的一个边带同样可以达到传送信息的目的。为此，提出了单边带调幅和残留边带调幅的调制方式。,2.4.1 单边带调制（SSB） 1单边带调制的概念 在幅度调制中，我们把只传送一个边带的通信方式称为单边带通信，只形成一个边带的调制方式就称为单边带调制（SSB）。 在单边带调制（SSB）的已调信号中，不含载波分量，更节省功率，同时由于只采用一个边带传送信息，会比AM和DSB节省一半的带宽。 根据调制时所选边带的不同，单边带调制可分为上边带调制和下边带调制两种，其频谱图如图2-8所示。其中图2-8（a）所示为上边带调制，图2-8（b）所示为下边带调制。可以看出，无论是采用上边带调制还是采用下边带调制，都只需要传输一个边带就可以了，已调信号的带宽都只有m，与基带信号的带宽相同。,图2-8 单边带调制频谱示意图,2SSB信号的产生与解调 产生SSB信号的方法比较多，常用的有滤波法和移相法。滤波法的原理如图2-9所示。基带信号f(t)和载波信号c(t)经乘法器相乘后得到双边带信号，再将此双边带信号通过单边带滤波器滤