信息与通信角度调制与解调.pptx
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1、如果如果受控的是载波信号的频率受控的是载波信号的频率,称频率调制,简称,称频率调制,简称调频调频(FM)若若受控的是载波信号的相位受控的是载波信号的相位,称为相位调制,简称,称为相位调制,简称调相调相(PM)任意正弦波信号:任意正弦波信号:调制信号调制信号 如果利用如果利用调制信号去控制三个参量中的某个调制信号去控制三个参量中的某个,可产生调制的作用,可产生调制的作用:AM:FM:PM:角度调制角度调制 角度调制角度调制是是用调制信号去控制载波信号角度用调制信号去控制载波信号角度(频率或相频率或相位位)变化变化的一种信号变换方式。的一种信号变换方式。无论是无论是FM还是还是PM,载波信号的幅度
2、都不受调制信号的影响。,载波信号的幅度都不受调制信号的影响。振幅调制方式振幅调制方式:AM DSB 属属于于频频谱谱线线性性搬搬移移电电路路,调调制制信信号号寄寄生生于已调信号的振幅变化中于已调信号的振幅变化中FMPM 调调制制方方式式:属属于于频频谱谱的的非非线线性性搬搬移移电电路路,已已调调波波为为等等幅幅波波,调调制制信息寄生于已调波的频率和相位变化中信息寄生于已调波的频率和相位变化中 SSB 角度调制与解调和振幅调制与解调最大的区别角度调制与解调和振幅调制与解调最大的区别在在频率频率变换前后频谱结构的变化不同。变换前后频谱结构的变化不同。调频波的解调称为鉴频或频率检波,调相波的解调称调
3、频波的解调称为鉴频或频率检波,调相波的解调称鉴相或相位检波。鉴相或相位检波。与调幅波的检波一样,鉴频和鉴相也是与调幅波的检波一样,鉴频和鉴相也是从已调信号中还原出原调制信号。从已调信号中还原出原调制信号。角度调制的主要优点角度调制的主要优点:抗干扰性强抗干扰性强.FM广泛应用于广播、电视、通信以广泛应用于广播、电视、通信以及遥测方面,及遥测方面,PM主要应用于数字通信。主要应用于数字通信。角度调制主要缺点角度调制主要缺点:占据频带宽,频带利用不经济。占据频带宽,频带利用不经济。FM,PM从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调(AM)振幅解调振幅解调检波
4、检波(FM)频率解调频率解调鉴频鉴频 detection(frequency discrimination)(PM)相位解调相位解调检相检相(phase detection)AM当进行角度调制当进行角度调制(FM或或PM)后)后,其已调波的角频率将是时间的函数其已调波的角频率将是时间的函数即即(t)。可用右图所示的旋转矢量。可用右图所示的旋转矢量表示表示t=t(t)t=0实轴实轴t=t 时刻,时刻,矢量与实轴之间的瞬时相角为矢量与实轴之间的瞬时相角为 而该矢量在实轴上的投影:而该矢量在实轴上的投影:7.1 调角信号的分析调角信号的分析 一、调角信号的分析与特点一、调角信号的分析与特点1.瞬时频
5、率和瞬时相位瞬时频率和瞬时相位(instantaneous frequency and phase)如果设如果设高频载波信号为高频载波信号为:初相角为初相角为 设旋转矢量的长度为设旋转矢量的长度为Uc,且当且当t=0时,时,调制信号调制信号:(1)调频调频FM:由于由于已调波频率随调制信号线形变化已调波频率随调制信号线形变化,则有:,则有:载波角频率载波角频率 :FM波的中心频率波的中心频率 调频灵敏度调频灵敏度 单位调制信号振幅引起的频率偏移单位调制信号振幅引起的频率偏移.瞬时频率偏移瞬时频率偏移(简称(简称频偏频偏)寄载了调制信息,表示瞬时频率相对于载波频率的偏移寄载了调制信息,表示瞬时频
6、率相对于载波频率的偏移.2.调频信号与调相信号的数学表示:调频信号与调相信号的数学表示:载波信号载波信号:最大频偏最大频偏 另外,由瞬时频率与所对应的瞬时相位的关系,若设另外,由瞬时频率与所对应的瞬时相位的关系,若设 则:则:瞬时相位偏移瞬时相位偏移 最大相位偏移最大相位偏移:一般令一般令,称为称为FM波的调频指数波的调频指数一般调频信号的一般调频信号的数学表达式:数学表达式:对于单一频率调制信号对于单一频率调制信号调频波调频波波形波形图图(a):调制信号调制信号u 图图(c):瞬时频率瞬时频率调频波的波形图调频波的波形图 当当u 为波峰时,频率为波峰时,频率 c+m为最大为最大当当u 为波谷
7、时,频率为波谷时,频率 cm为最小为最小(t)与调制信号相差与调制信号相差90。图图(b):调频波调频波是在载频的基础上叠加了随调制是在载频的基础上叠加了随调制信号变化的部分。信号变化的部分。图图(d):调频时引起的附加相位调频时引起的附加相位 偏移的瞬时值偏移的瞬时值由于由于已调波的相位随调制信号线形变化已调波的相位随调制信号线形变化,则有,则有:载波的相位角载波的相位角 调相灵敏度调相灵敏度 单位调制信号振幅引起的相位偏移单位调制信号振幅引起的相位偏移 瞬时相位偏移瞬时相位偏移相对于相对于 的偏移。的偏移。(2)相位调制:相位调制:最大相位移最大相位移(调相指数调相指数)由瞬时相位与所对应
8、的瞬时频率之间的关系,可得:由瞬时相位与所对应的瞬时频率之间的关系,可得:瞬时频偏瞬时频偏 最大频偏最大频偏PM波的表达式为:波的表达式为:对于单一频率调制信号对于单一频率调制信号 瞬时频率瞬时频率调相波的波形图调相波的波形图 u 0p2p2ptf(f(t)o0Dwmtt(t)调制信号调制信号(单音信号单音信号)调相波调相波瞬时相位随调制信号变化瞬时相位随调制信号变化u0p2p2ptf(t)00Dwmttw(t)调频时,调频时,载波的载波的瞬时频率与调制信号成线性关系瞬时频率与调制信号成线性关系,载波的瞬时相位与调制信号的积分成线性关系;载波的瞬时相位与调制信号的积分成线性关系;调相时,调相时
9、,载波的瞬时频率与调制信号的微分成线性关系,载波的瞬时频率与调制信号的微分成线性关系,载波的载波的瞬时相位与调制信号成线性关系。瞬时相位与调制信号成线性关系。载波信号载波信号:调制信号调制信号:FM波波 PM波波1)瞬时频率瞬时频率:(3)调频信号与调相信号的比较调频信号与调相信号的比较2)瞬时相位:瞬时相位:3)最大频偏最大频偏 4)最大相偏:调制指数最大相偏:调制指数 5)表达式表达式:一般调角信号的表达式:一般调角信号的表达式:mp mmmfFM波:波:PM波:波:频偏和调制指数与调制频率的关系频偏和调制指数与调制频率的关系(当当u 恒定时恒定时)(a)调频波;调频波;(b)调相波调相波
10、 调频、调相二种调制方法的根本区别调频、调相二种调制方法的根本区别 调频波的频偏与调制频率调频波的频偏与调制频率 无关,调频指数无关,调频指数mf则与则与 成反比;成反比;调相波的频偏调相波的频偏m与与 成正比,调相指数则与成正比,调相指数则与 无关。无关。讨论:讨论:无论调频还是调相,最大频移无论调频还是调相,最大频移(频偏频偏)与调制指数之间的与调制指数之间的关系都是相同的。若调制指数都用关系都是相同的。若调制指数都用m表示,则频偏表示,则频偏m与与m之间满足以下关系之间满足以下关系 m=m 或或 fm=mF需要说明需要说明:在振幅调制中,调幅度在振幅调制中,调幅度ma1,否则会产生过调制
11、失真。,否则会产生过调制失真。而在角度调制中,无论调频还是调相,调制指数均可大于而在角度调制中,无论调频还是调相,调制指数均可大于1。FM波:波:PM波:波:二、调角信号的频谱与带宽二、调角信号的频谱与带宽1.调频波和调相波的频谱调频波和调相波的频谱如果用如果用m代替代替mf 或或 mp,把,把 FM 和和 PM信号用统一的调角信号用统一的调角信号来表示信号来表示 式中:式中:函数函数cos(msin t)和和sin(msin t),为特殊函数,为特殊函数,采用贝塞尔函数分析采用贝塞尔函数分析,可分解为,可分解为第一类贝塞尔函数曲线第一类贝塞尔函数曲线 图为阶数图为阶数n=0-12的的Jn(m
12、)与与m值的关系曲线。由图可知,值的关系曲线。由图可知,阶数阶数n或数值或数值m越大,越大,Jn(m)的变化范围越小;的变化范围越小;Jn(m)随随m的增大的增大作正负交替变化;作正负交替变化;m在某些数值上,在某些数值上,Jn(m)为零为零又利用三角函数积化和差公式:又利用三角函数积化和差公式:所以上式最终可表示为所以上式最终可表示为:由第一类由第一类Bessel function的性质:的性质:所以有所以有:不论不论m为何值,随着阶数为何值,随着阶数n的增大,边频分量的的增大,边频分量的振幅总的趋势是减小的;振幅总的趋势是减小的;m越大,具有较大振幅的边越大,具有较大振幅的边频分量就越多;
13、频分量就越多;结论:结论:对于某些对于某些m值,载频或某些边频分量的振幅为零,利值,载频或某些边频分量的振幅为零,利用这一现象,可以测量调频波和调相波的调制指数。用这一现象,可以测量调频波和调相波的调制指数。调频信号的矢量表示调频信号的矢量表示 2.调频波和调相波的功率调频波和调相波的功率 调频波和调相波的平均功率与调幅波一样,也调频波和调相波的平均功率与调幅波一样,也为载频功率和各边频功率之和。为载频功率和各边频功率之和。单频调制时,调频波和调相波的平均功率单频调制时,调频波和调相波的平均功率 根据第一类贝塞尔函数的性质,根据第一类贝塞尔函数的性质,上式括弧中各项之和恒等上式括弧中各项之和恒
14、等于于1,所以调频波和调相波的平均功率为所以调频波和调相波的平均功率为 可见,可见,调频波和调相波的平均功率与调制前的等幅调频波和调相波的平均功率与调制前的等幅载波功率相等。载波功率相等。这说明,这说明,调制的作用仅是将原来的载频功率重新分配到调制的作用仅是将原来的载频功率重新分配到各个边频上,而总的功率不变各个边频上,而总的功率不变。这一点与调幅波完全不同。这一点与调幅波完全不同。进一步分析表明,进一步分析表明,调制后尽管部分功率由载频向边频转调制后尽管部分功率由载频向边频转换,但大部分能量还是集中在载频附近的若干个边频之中换,但大部分能量还是集中在载频附近的若干个边频之中由贝塞尔函数可以发
15、现,由贝塞尔函数可以发现,当阶数当阶数nm时,时,Jn(m)值随值随n的增大迅速下降,的增大迅速下降,而且当而且当n(m+1)时,时,Jn(m)的绝对值小于的绝对值小于0.1或相对功率值或相对功率值小于小于0.01。实际中实际中可以把调角信号认为是有限带宽的信号,这取决于实际应可以把调角信号认为是有限带宽的信号,这取决于实际应用中允许解调后信号的失真程度。用中允许解调后信号的失真程度。工程上有两种不同的准则:工程上有两种不同的准则:以调频信号为例,调相同调频以调频信号为例,调相同调频(1)比较精确的准则:比较精确的准则:FM信号带宽包括幅度大于未调载波振幅信号带宽包括幅度大于未调载波振幅1%以
16、上的边频分量以上的边频分量如果在满足上述条件下的最高边频的次数为如果在满足上述条件下的最高边频的次数为n max,则则FM信号的带宽为信号的带宽为 利用利用Bessel function可得近似公式可得近似公式:3.调角信号的带宽调角信号的带宽 对有限频带的调制信号,即对有限频带的调制信号,即F=F minF max,调角信号的频带为:调角信号的频带为:(2)常用的工程准则常用的工程准则:凡是振幅小于未调载波振幅的凡是振幅小于未调载波振幅的10%15%的边频分的边频分量可以忽略不计量可以忽略不计BFM=2(mf+1)F在实际应用中也常区分为:在实际应用中也常区分为:则由贝塞尔函数可得则由贝塞尔
17、函数可得:有效的上下边频分量总数为有效的上下边频分量总数为2(m+1)个个,即调频波和调相波的有效频带宽度定为即调频波和调相波的有效频带宽度定为B=2(m+1)Fmax 可见,可见,调频波和调相波的有效频带宽度与它们的调调频波和调相波的有效频带宽度与它们的调制系数制系数m有关,有关,m越大,有效频带越宽。越大,有效频带越宽。但是,但是,对于用同一个调制信号对载波进行调频和调相对于用同一个调制信号对载波进行调频和调相时,两者的频带宽度因时,两者的频带宽度因mf和和mp的不同而互不相同。的不同而互不相同。B=2(m+1)Fmax三、调频波与调相波的联系与区别三、调频波与调相波的联系与区别可以看出可
18、以看出FM与与PM两者之间的关系两者之间的关系:这种关系为间接调频方法奠定了理论基础这种关系为间接调频方法奠定了理论基础 当调制信号频率当调制信号频率F发生变化时,调频波的调制发生变化时,调频波的调制指数指数mf与与F成反比变化,其频宽宽度基本不变,成反比变化,其频宽宽度基本不变,故故称恒带调制称恒带调制 而当调制信号频率而当调制信号频率F变化时,调相波的调制指数变化时,调相波的调制指数mp与与F无关,其频带宽度随调制频率无关,其频带宽度随调制频率F变化变化FM波:波:PM波:波:根据前述分析可知根据前述分析可知调制频率不同时调制频率不同时FM及及PM信号的频谱信号的频谱 但是当调制信号幅度不
19、变而频率增加到但是当调制信号幅度不变而频率增加到2kHz及及4kHz时,时,对对FM波来说,虽然调制频率提高了,但因波来说,虽然调制频率提高了,但因mf 减小,减小,使有效边频数目减小,所以有效谱宽只增加到使有效边频数目减小,所以有效谱宽只增加到28kHz及及32kHz,即增加是有限的。,即增加是有限的。对对PM波来说,波来说,mp不变,故谱宽随不变,故谱宽随F成正比例地增加到成正比例地增加到52kHz及及104kHz,因而占用的频带很宽,极不经济。,因而占用的频带很宽,极不经济。B=2(m+1)Fmax 在本节结束前,要强调几点在本节结束前,要强调几点:(1)角角度度调调制制是是非非线线性性
20、调调制制,在在单单频频调调制制时时会会出出现现(cn)分分量量,在在多多频频调调制制时时还还会会出出现现交交叉叉调调制制(cn1k2+)分量。分量。(2)调频的频谱结构与调频的频谱结构与m密切相关。密切相关。m大,频带宽。大,频带宽。(3)与与AM调制相比,角调方式的设备利用率高,因调制相比,角调方式的设备利用率高,因其平均功率与最大功率一样。其平均功率与最大功率一样。7.2调频方法及调频电路调频方法及调频电路 7.2.1 调频方法调频方法 一一 调频器及性能指标调频器及性能指标 二二 实现调频、调相的原理实现调频、调相的原理 三三 调频方法调频方法7.2.2 调频电路调频电路 一一 直接调频
21、电路直接调频电路 二二 间接调频电路间接调频电路 一一 调频器及性能指标调频器及性能指标二二 实现调频、调相的原理实现调频、调相的原理 1 直接调频、调相原理直接调频、调相原理 2 间接调频、调相原理间接调频、调相原理三、调频方法三、调频方法 1 直接调频法直接调频法 2 间接调频法间接调频法 (1)矢量合成法矢量合成法(2)可变移相法可变移相法(3)可变延时法可变延时法7.2.1 调频方法调频方法一、调频器及性能指标一、调频器及性能指标 衡量的性能指标:衡量的性能指标:1 调制特性线性要好调制特性线性要好 2 最大频偏满足要求最大频偏满足要求 3 调制灵敏度要高调制灵敏度要高 4 载波性能要
22、好载波性能要好 调频特性曲线调频特性曲线 调频器:调频器:实现调频的电路或部件称为调频器或调频电路实现调频的电路或部件称为调频器或调频电路 (广义上调频器还应包括高频振荡器)(广义上调频器还应包括高频振荡器)在无线通信中,对调频器的主要要求有两个方面:在无线通信中,对调频器的主要要求有两个方面:调制性能和载波性能调制性能和载波性能最大频偏和调制线性是调频器的两个相互矛盾的指标最大频偏和调制线性是调频器的两个相互矛盾的指标如何扩展频偏如何扩展频偏是调制器设计的一个关键问题是调制器设计的一个关键问题由相位与频率之间的关系:由相位与频率之间的关系:以上的过程为直接调频或直接调相以上的过程为直接调频或
23、直接调相 二、实现调频、调相的原理二、实现调频、调相的原理 1.直接调频、调相原理直接调频、调相原理2.间接调频、调相原理间接调频、调相原理 频率调制是对调制信号频谱进行非线性频率变换,而频率调制是对调制信号频谱进行非线性频率变换,而不是线性搬移,因而不能简单地用乘法器和滤波器来实现。不是线性搬移,因而不能简单地用乘法器和滤波器来实现。实现调频的方法实现调频的方法分为两大类:分为两大类:直接调频法和间接调频法直接调频法和间接调频法。1.直接调频法直接调频法 这种方法是这种方法是用调制信号直接控制振荡器的振荡频率用调制信号直接控制振荡器的振荡频率,使使振荡频率按调制信号的规律变化振荡频率按调制信
24、号的规律变化。若被控制的是。若被控制的是LC振荡器振荡器,则只需控制振荡回路的某个元件则只需控制振荡回路的某个元件(L或或C),使其参数随调制电使其参数随调制电压信号变化,就可达到直接调频的目的。压信号变化,就可达到直接调频的目的。三、调频方法三、调频方法 在直接调频法中常采用在直接调频法中常采用压控振荡器压控振荡器作为频率调制器来作为频率调制器来产生调频信号。产生调频信号。VCO的特点:的特点:瞬时频率随外加控制信号的变化而变化瞬时频率随外加控制信号的变化而变化 VCO式中:式中:Uc为振荡信号的振幅为振荡信号的振幅 k f为为:VCO控制灵敏度。控制灵敏度。直接调频法的特点直接调频法的特点
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