调制与解调基本原理授课ppt课件.ppt
电子电路的分析与应用课程教学资源建设,建设院校：,主要参与企业：,金华职业技术学院,金华市灵声电子有限公司浙江省东晶电子有限公司杭州康芯电子有限公司,核心知识篇,学习任务布置,1理解基本概念、查询其定义及计算公式调制的概念与分类以DSB与SSB为重点的线性调制系统数学模型线性调制解调信噪比与性能分析调频、调相及相互关系窄带调角和宽带FM的构成、参量与关系调角系统解调及抗噪声性能分析2分析各类调制解调电路3测试调制解调电路基本参数,教学过程设计,学生学习参考资源列表,学习参考图片1.放大电路类型图片;3.放大电路产品图片;3 放大电路应用系统图片与参考文献,学习参考网站1http:/cmd- 综合电子论坛3http:/ 电子开发网4http:/ 电子天下5http:/ 6http:/ 应用电子网7http:/ 中国电子制作8. http:/ 各校精品课程网站,学生学习参考资源列表,学习参考书1. 邓木生、周红兵，模拟电子电路分析与应用，高等教育出版社，2008年11月出版。3. 吴志荣，电子技术与实践，高等教育出版社，2008年11月出版。3. 余红娟，电子技术基本技术技能，人民邮电出版社，4. 余红娟，电子电路分析与调试，人民邮电出版社，5. 胡宴如主编模拟电子技术，高等教育出版社，2000年出版。,学习资料1. 调制解调基本原理3. 三极管、集成运算放大器件手册与产品说明书,动画与视频1.调制解调电路内部工作机理2. 基本操作技能演示,习题与试题1. 例题2. 作业,目录,3.1 幅度调制的原理 3.2 线性调制系统的抗操声性能 3.3 角度调制（非线性调制）的原理及抗噪声性能 3.4 各种模拟调制系统的比较,教师授课3学时:调制与解调基本原理,调制的定义：是按原始电信号的变化规律去改变载波某些参量的过程。 调制的方式 ：模拟调制和数字调制 ；正弦波和脉冲调制 。 调制的目的：进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而提高系统信息传输的有效性和可靠性。 模拟调制的种类： AM 、 DSB-SC、 SSB 、 VSB 、FM和PM。,教师授课3学时:调制与解调基本原理,3.1 幅度调制的原理,3.1.1 幅度调制的一般模型 定义：用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。,3.1.2 常规双边带调幅（AM） 1. AM信号的表达式、频谱及带宽 若假设滤波器为全通网络：为了保证包络检波时不发生失真，必须满足,3.1 幅度调制的原理,AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即,3.1 幅度调制的原理,3. AM信号的功率分配及调制效率 已调信号功率为： 调制效率：显然，AM信号的调制效率总是小于1。 例题,3.1 幅度调制的原理,3. AM信号的解调 调制的逆过程叫做解调。AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。 （1）相干解调 用一个低通滤波器，就无失真的恢复出原始的调制信号：,3.1 幅度调制的原理,（2）包络检波法 电路由二极管D、电阻R和电容C组成。RC满足条件： 这时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即：,3.1 幅度调制的原理,3.1.3 抑制载波的双边带调幅（DSB-SC） 1. DSB信号的表达式、频谱及带宽,3.1 幅度调制的原理,DSB信号不能进行包络检波，需采用相干解调；除不含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱由上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍。3. DSB信号的功率分配及调制效率 显然，DSB信号的调制效率为100%。,3.1 幅度调制的原理,3. DSB信号的解调 DSB信号只能采用相干解调，则乘法器输出为：经低通滤波器滤除高次项，得,3.1 幅度调制的原理,3.1.4 单边带调制（SSB） 由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。 1. SSB信号的产生 （1）滤波法,3.1 幅度调制的原理,3.1 幅度调制的原理,（2）用相移法形成SSB信号 可以证明，SSB信号的时域表示式为：式中，“”对应上边带信号，“+”对应下边带信号；,是 的希尔伯特变换。,3.1 幅度调制的原理,3. SSB信号带宽、功率和调制效率3. SSB信号的解调 SSB信号的解调也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调，,3.1 幅度调制的原理,乘法器输出为：经低通滤波后的解调输出为,3.1 幅度调制的原理,3.1.5 残留边带调制（VSB） 1. 残留边带信号的产生 残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。 在残留边带调制中，除了传送一个边带外，还保留了另外一个边带的一部分。,3.1 幅度调制的原理,3.1 幅度调制的原理,3. 残留边带信号的解调,3.1 幅度调制的原理,3.2 线性调制系统的抗操声性能,本节将要研究的问题是，信道存在加性高斯白噪声时各种线性系统的抗噪性能。3.3.1 通信系统抗噪性能分析模型,为窄带高斯噪声，可以表示为：其功率为：,3.2 线性调制系统的抗操声性能,输出信噪比定义为 输入信噪比 人们常用信噪比增益作为不同调制方式下解调器抗噪性能的度量。它可以定义为：,3.2 线性调制系统的抗操声性能,3.3.2 线性调制相干解调的抗噪声性能 1. DSB调制系统的性能 （1）输出信号的功率,3.2 线性调制系统的抗操声性能,（2）输出噪声的功率 解调器最终的输出噪声为,3.2 线性调制系统的抗操声性能,（3）输入信号的功率 解调器输入信号平均功率为 解调器的输入和输出信噪比为 因而调制制度增益为,3.2 线性调制系统的抗操声性能,3. SSB调制系统的性能 （1）输出信号的功率 与相干载波相乘，并经低通滤波器滤除高频成分后，得解调器输出信号和功率为：（2）输出噪声的功率,3.2 线性调制系统的抗操声性能,（3）输入信号的功率解调器输入信号平均功率为解调器的输出信噪比和调制制度增益为,3.2 线性调制系统的抗操声性能,DSB解调器的调制制度增益是SSB的二倍。但不能因此就说，双边带系统的抗噪性能优于单边带系统。具体分析如下：,3.2 线性调制系统的抗操声性能,3. VSB调制系统的性能 VSB调制系统抗噪性能的分析方法与上面类似。但是，由于所采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同，所以难以确定抗噪性能的一般计算公式。 3.3.3 常规调幅包络检波的抗噪声性能 AM信号可采用相干解调或包络检波，具体原理见图。,3.2 线性调制系统的抗操声性能,解调器输入信号为：输入噪声为 ：输入的信号功率、噪声功率和信噪比：,3.2 线性调制系统的抗操声性能,解调器输入的信号加噪声的合成波形是 ：其中合成包络：为简化起见，我们考虑两种特殊情况。 （1）大信噪比情况,3.2 线性调制系统的抗操声性能,输出信号功率、噪声功率和信噪比：调制制度增益： 对于100调制（即 ），且又是单音频正弦信号时：,3.2 线性调制系统的抗操声性能,（2）小信噪比情况 此时噪声幅度远大于输入信号幅度，即 得如下结论：在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同；但随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应。一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧变坏。,3.2 线性调制系统的抗操声性能,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。 角调制可分为频率调制（FM）和相位调制（PM）。即载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。,3.3.1角度调制的基本概念 角度调制信号的一般表达式为 瞬时相位； 瞬时相位偏移； 瞬时频率； 瞬时频偏。所谓相位调制，是指,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,调相信号可表示为 ： 所谓频率调制，是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化，即则可得调频信号为 可见，FM和PM非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,如果将调制信号先微分，再进行调频，则可得到调相信号；如果将调制信号先积分，再进行调相，则可得到调频信号。 从以上分析可见，调频与调相并无本质区别，两者之间可以互换。,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,3.3.2 窄带调频与宽带调频 根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（WBFM）与窄带调频（NBFM）。当 时，称为窄带调频。否则，称为宽带调频。 1. 窄带调频（NBFM）,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,经推导可得NBFM信号的频域表达式：将上式与AM信号的频谱比较很相似进行比较，它们的带宽相同，即,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,对于单频调制的特殊情况，可以得到频谱如下。,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,3. 宽带调频（WBFM） 为使问题简化，我们先研究单音调制的情况，然后把分析的结果推广到多音情况。（1）单频调制时宽带调频信号的频域表达 设单频调制信号为则单音调频信号的时域表达式为：,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,调频指数为： 傅氏变换即为频谱： 从上式可以看到调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。 （2）单频调制时的频带宽度 一个广泛用来计算调频波频带宽度的公式为：,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,（3）单频调制时的功率分配 因为，调频信号虽然频率在不停地变化，但振幅不变是个等幅波，而功率仅由幅度决定，与频率无关，故它的功率即为：（4）任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽 频偏比 ；最大频率偏移,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,3.3.3调频信号的产生与解调 1. 调频信号的产生 （1）直接法 就是利用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。 振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器（VCO），它的输出频率正比于所加的控制电压，即,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,（2）间接法 经N次倍频后可以使调频信号的载频和调制指数增为N倍。,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,3. 调频信号的解调 （1）非相干解调 最简单的解调器是具有频率-电压转换作用的鉴频器。,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。则微分器输出 用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出： Kd称为鉴频器灵敏度。 （2）相干解调,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,设窄带调频信号为 ：相干载波： 则乘法器输出为：经低通滤波器滤除高频分量，得 再经微分，得输出信号,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,3.3.4调频系统的抗噪声性能 调频系统抗噪性能分析与解调方法有关，这里只讨论非相干解调系统的抗噪性能。1. 输入信噪比 设输入调频信号为：,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,输入信号功率 ：输入噪声功率：输入信噪比：3. 输出信噪比及调制制度增益（1）大信噪比情况 经推导可以得到： 宽带调频系统制度增益为：,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,下面考虑单频调制时的情况，设调制信号为： ，则这时的调频信号为：式中解调器输出信噪比：解调器制度增益：宽带调频时，信号带宽为：,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,所以，上式还可以写成 ：（2）小信噪比情况与门限效应,3.3 角度调制的原理及抗噪声性能,3.4 各种模拟调制系统的比较,各种模拟调制方式总结（见表3-1）各种模拟调制方式性能比较 抗噪性能，WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM与AM接近。 频带利用率，SSB最好，VSB与SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。,3.4 各种模拟调制系统的比较,3. 各种模拟调制方式的特点与应用 AM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，信号带宽较宽，频带利用率不高。因此，AM制式用于通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中。DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，频带利用率不高，接收要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信及低带宽信号多路复用系统。SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中。,3.4 各种模拟调制系统的比较,3.4 各种模拟调制系统的比较,VSB调制性能与SSB相当，原则上也需要同步解调，但在某些VSB系统中，附加一个足够大的载波，形成（VSB+C）合成信号，就可以用包络检波法进行解调。这种（VSB+C）方式综合了AM、SSB和DSB三者的优点。所以VSB在数据传输、商用电视广播等领域得到广泛使用。FM波的幅度恒定不变，这使得它对非线性器件不甚敏感，给FM带来了抗快衰落能力。利用自动增益控制和带通限幅还可以消除快衰落造成的幅度变化效应。这些特点使得NBFM对微波中继系统颇具吸引力。WBFM的抗干扰能力强，可以实现带宽与信噪比的互换，因而WBFM广泛应用于长距离高质量的通信系统中，如空间和卫星通信、调频立体声广播、短波电台等。WBFM的缺点是频带利用率低，存在门限效应，因此在接收信号弱、干扰大的情况下宜采用NBFM，这就是小型通信机常采用NBFM的原因。,
