4通信原理调制解调原理.ppt

2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,1,4.1 概 述,信源输出的消息信号一般具有从零频开始的较宽频谱，而且在频谱的低端分布较大能量，所以称为基带信号，不宜直接在信道中传输。为便于传输、提高抗干扰能力和有效利用带宽，通常需要通过调制将信号的频谱搬移到适合信道和噪声特性的频率范围内进行传输。在通信系统的接收端对已调信号进行解调，恢复出原来的消息。,4 调制解调原理,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,2,（1）调制的定义?,调制：就是用待传送信号去控制某个高频信号的幅度、相位、频率等参量变化的过程，即用一个信号去装载(携带/运输)另一信号。在频域上，调制完成的则主要是频谱/功率谱的搬移，即通过调制将基带信号的频谱/功率谱搬移到以载波频率为中心的频段。,这里：控制信号称为调制信号，被控制信号称为载波。如，单一频率正弦波或周期脉冲波等。,2.调制的必要性/目的,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,3,（2）调制的必要性/目的?,A.便于发送,对无线传输信号而言，信号需要通过发射天线发送出去。根据天线理论，发射天线的尺度与信号的波长满足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射。即,如：,B.提高信道的利用率,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,4,B.提高信道的利用率,以无线电广播的中波波段为例：可用波段范围为 530KHz1600KHz，而语音信号的频率范围为3003400Hz，经调制后每一个广播电台频道的带宽为9K。,530KHz,1600KHz,300 9000,这一中波波段中就均匀分布着多个电台!,上述即为频分复用，它是通过采用不同载波频率的调制完成的。,只传输一路信号。浪费！,3.调制的分类,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,5,（3）调制的分类,调制原理,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,6,（4）调制的基本原理,幅度调制,一个正弦波信号，通常有三个参数确定：即幅度、频率和相位，因此可将载波表示为,载波的幅度,载波的频率,载波的相位,连续波调制的过程就是用基带信号m(t)去改变载波c(t)的瞬时幅度、频率或相位。相应的已调信号可表示为,已调波的瞬时幅度,已调波的瞬时相位,），,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,7,如果为(t)常数，A(t)随m(t)成比例变化，则称为幅度调制。根据基带信号不同分为模拟幅度调制和数字幅度调制（振幅键控ASK），如图4-1所示。,模拟调制,数字调制,相位调制,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,8,如果已调信号的瞬时相位偏移随基带信号比例变化时，我们称之为相位调制。即,分为模拟相位调制PM和数字相位调制（相移键控PSK、DPSK），如图4-2所示。,(a)PM,(b)2PSK,频率调制,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,9,已调信号的瞬时频率偏移随基带信号比例变化时，我们称之为频率调制。即,根据基带信号m(t)不同分为模拟相位调制FM和数字频率调制（频移键控FSK），如图所示。,(a)FM,(b)2FSK,幅度调制,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,10,根据的调制定义：用待传送信号去控制某个高频信号的幅度、相位、频率等参量变化的过程。,幅度调制就是指用待传送信号去控制载波信号的幅度变化的过程。即已调波的幅度（包络）与调制信号成例变化。,4.2 幅度调制,数学表达式,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,11,一般模型,数学表达式,频域表达式,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,12,一般模型,频域表达式,数学表达式,4.1.1 DSB,当调制信号为确知信号时,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,13,4.1.1 模拟双边带调制（DSB）,DSB信号的波形和频谱,如果输入的基带信号是不含直流分量的模拟信号，且是h(t)理想带通滤波器，则得到的输出已调信号便是无载波分量的双边带调制信号（或称为双边带抑制载波调制信号），简称为DSB信号（或DSB-SC信号）。,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,14,其波形和频谱如图4-5所示。,DSB信号的波形 DSB信号的频谱,上边带,下边带,频谱特点及带宽,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,15,可以看出，经DSB调制后，基带信号的频谱M()被搬移到载频c的两侧，形成两个关于c对称的分量，称之为上边带信号和下边带信号。已调信号的带宽变为基带信号带宽的2倍。,DSB的解调,从已调信号中恢复出基带信号。可从两方面入手：一是从时域出发，找到一种变换恢复m(t)；二是从频域出发，恢复出独立M()。,解调,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,16,对DSB，要从M(-c)和M(+c)中恢复M()，实际也是要对已调信号进行频谱搬移，搬移一个c。参考调制原理，调制时是通过乘以一个载波实现的频谱搬移，解调时同样可以乘以一个载波使其频谱搬移回基带信号频谱的位置。,频谱变换,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,17,其频谱结构如图,只需一个截止频率为m的LPF即可恢复出M()，得到基带信号m(t)，完成解调功能。解调器模型如图4-7。,时域解调,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,18,从时域上分析，解调器的解调变换过程为,经过低通滤波器后输出,相干解调概念,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,19,通常将这种在接收端通过接收信号与本地恢复出的载波相乘来进行解调的方法称为相干解调或同步解调。这种解调方法，由于抗噪声性能好而被广泛采用，但是其不足是需要在接收端恢复本地载波，设备较复杂。,AM,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,20,为降低解调器复杂性，简化接收，在模拟幅度调制中经常采用一种带有载波分量的双边带调制，即常规双边带幅度调制（AM）。其实现方法为在基带信号中加入大于基带信号最大幅值的直流分量m0，然后再进行调制。,4.1.2 常规调幅（AM）,数学分析,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,21,时域表示,频域表达式为,波形图,比较AM信号和DSB信号，AM信号在时域上只是多了一个载波项，在频域上则表现为在载频出多了单位冲击。,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,22,AM信号的波形和频谱,解调,可以看到，AM信号的包络完全与调制信号成正比，因此常采用简单的包络检波法解调。,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,23,检波器由二极管、电阻和电容滤波器组成。检波后的信号经过低通滤波器，滤除直流和其他高频分量，最终得到调制信号m(t)。,理想情况下的解调输出为,单边带调制,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,24,DSB信号包含有信息完全相同的上、下两个边带，从信息传输的角度来考虑，只传输一个边带就够了。只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。单边带信号的产生方法有滤波法和相移法。,4.1.3 单边带(SSB)幅度调制,滤波特性,滤波法产生SSB信号就是让DSB信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,25,形成SSB信号的滤波特性,单边带滤波器,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,26,单边带滤波器从理论上来说就是一个理想的低通或高通滤波器，上边带滤波器和下边带滤波器的传递函数分别为,单边带带宽及表示,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,27,SSB频谱,结论,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,28,综上所述：SSB调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=m，只有AM、DSB的一半，因此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式。SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。但是，SSB实现困难。,VSB,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,29,对具有直流或极低频率分量的调制信号，实际上无法实现单边带调制。双边带调制容易实现，但传输带宽是单边带信号的两倍。在单边带调制和双边带调制之间有一种折衷的调制方法，称为残留边带调制VSB。残留边带除了保留一个边带的绝大部分以外还保留另一个边带的一小部分，介于单边带信号和双边带信号的带宽之间。其调制原理及模型和SSB基本一样。,几种调制的频谱比较,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,30,DSB、SSB和VSB信号的频谱,2ASK,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,31,4.2.2 二进制数字振幅键控（2ASK）,基带信号为二进制数字信号的幅度调制，称为二进制数字幅度调制或二进制数字振幅键控（2ASK）。,2ASK有两种实现方式，一是采用模拟方式，如图4-13（a）。当数字信号分别用0和1表示时，其波形变化如图4-13（b）。,表示,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,32,由图可见，已调信号只需要两种幅度值状态：当基带信号为1时输出一个码元持续时间的载波，当基带信号为0时没有输出（零电平）。因此，可以得到二进制数字幅度调制的第二种调制方法，通断键控调制法，如图4-13（c）。,时域表示,1 0 0 1,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,33,由二进制数字幅度调制过程，可以知道2ASK的时域表达式和DSB完全一样为,解调,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,34,2ASK的解调原理,有两种基本解调方法：非相干解调(包络检测)和相干解调:,2ASK系统原理,相干解调,1001110,判决输出,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,35,2ASK系统的原理,1001110,判决输出,载波,功率谱,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,36,2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移，频谱宽度是二进制基带信号频谱 的2倍。,所以，2ASK信号功率谱密度为,根据数字基带信号功率谱的分析可知，当g(t)为单极性矩形脉冲，且,功率谱特性,2ASK系统原理,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,37,2ASK 信号频谱,2ASK系统原理,带宽,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,38,2ASK系统原理,B2ASK,在功率谱密度的第一过零点之间集中了信号的主要功率，因此常取第一对过零点的带宽作为传输带宽。2ASK信号的带宽是码元速率的2倍。,谱零点带宽,2FSK,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,39,4.3 频率与相位调制,根据的调制定义：用待传送信号去控制某高频信号的幅度、相位、频率等参量变化的过程。,角度调制就是指用待传送信号去控制载波信号的瞬时角度（相位或频率）偏移随基带信号幅度比例变化的过程。因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。,数学表达式,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,40,角调制原理,瞬时相位偏移,瞬时频率偏移,参数,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,41,为调频灵敏度，即单位调制信号幅度变化引起的调频信号的频率偏移量。,为调相灵敏度，即单位调制信号幅度变化引起的调相信号的相位偏移量。,这里，,FM,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,42,压控振荡器,4.3.1 模拟频率调制原理,对于模拟信号，由于频率和相位之间存在微分与积分关系，故二者之间存在密切的关系。鉴于FM用得较多，本节将主要讨论频率调制。,通常可以采用压控振荡器（VCO）来实现载波瞬时频率偏移随基带信号幅度变化,1、FM的调制,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,43,单音调频,在输入为0时，压控振荡器（VCO）产生一频率为c的正弦波，即载波信号；当输入m(t)0时，随着基带信号幅度的变化，加到VCO的电压发生变化，振荡器输出信号频率不再固定在c，而作相应变化，从而实现频率调制。FM不是简单的进行基带信号的频谱搬移，而产生了大量的新的频率分量，属于非线性调制，其分析较复杂困难。在这里仅以基带信号为单一频率正弦信号为例进行简单频谱分析。,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,44,称为调频指数。,若,则称其为窄带调频NBFM，否者称为宽带调频WBFM，本书我们只介绍后者。,频谱与带宽,对于单音信号,有,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,45,调频波频谱包含无穷多个分量。取mf5，则如下图,卡森公式,2、FM的频谱,已调信号频谱不再是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频率成分，故又称为非线性调制。,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,46,由以上分析可知，频率调制信号的频谱是由无数成对出现在载频两侧的离散谱组成，其频谱理论上是无限宽的。但是各次谐波分量的幅度随着n增加而下降。通常边频幅度小于未调载波幅度1%的高次谐波边频分量可以忽略不计。因此，可得到频率调制信号的近似带宽,卡森公式：,解调,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,47,FM的解调可以采用普通鉴相器、调频负反馈和锁相环等方式。普通鉴相器法就是根据调制原理进行逆变换，调制时是通过用基带信号的幅度值改变载波频率实现调制，而解调则通过鉴频器将已调信号的频率变化输出为幅度变化。,3、解调原理,限幅滤波器的作用是消除角度调制信号经过随参信道传输时因快衰落及噪声叠加而发生的幅度起伏影响。鉴频器核心为微分器，通过微分实现从FM信号到AM信号的变换,解调的数学分析,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,48,鉴频器,带通限幅器,微分器,包络检波器,LPF,SFM(t),mo(t),收到的已调信号,微分输出,包络检波及低通输出,这里Kd称为检频器灵敏度。,2FSK,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,49,4.3.2 数字频率调制原理（2FSK）,用数字基带信号m(t)对VOC振荡器进行调频，则产生数字频调制。这种方式称为模拟数字调频，,模拟调频器VCO（中心频率为c）,1）2FSK调制原理,波形,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,50,1,0 0,1,2FSK系统的原理,可见由于基带信号的幅度只有2个离散取值，因此经过调频后的频率也只是在对应的2个离散数值c1和c2间变动。因此，其调制实现方式可以简化为用二进制数字信号去控制开关，直接在两个载频振荡器之间进行选择输出。,键控法,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,51,1,0 0,2FSK系统的原理,特点,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,52,分析可知，2FSK信号可以看作两路2ASK信号的叠加。,2FSK系统的原理,功率谱,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,53,2FSK信号可看作两个不同频率交替发送的2ASK信号的叠加，,2）功率谱特性,2FSK系统的原理,是将基带信号功率谱经两次线性搬移（分别搬移到C1和C2处）后的叠加。,功率谱,因此，其功率谱,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,54,2FSK 信号功率谱,解调,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,55,3）解调原理,非相干(包络)检测，相干解调，过零点检测和差分检测法。,分析可知，2FSK信号可以看作两路2ASK信号的叠加。其解调也可用两路2ASK解调来实现。,(1)相干和非相干解调,2FSK系统的原理,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,56,比较判决,(a)非相干解调,定时脉冲,(b)相干解调,2FSK系统的原理,相干解调过程,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,57,不考虑噪声时,示意图,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,58,4.3.2 2FSK系统的原理,过零点检测,比较判决,BPF2,BPF1,LPF,LPF,1,0 0,1,1,0,1,0,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,59,4.3.2 2FSK系统的原理,(2)过零点检测法,2PSK,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,60,1）2PSK调制原理,4.3.3 二进制相移键控,当相移常数Kp=时，,表达式,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,61,当基带数字信号采用幅度为1宽度为TS的矩形脉冲的双极性非归零码表示时，时域表示式为,波形,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,62,载 波0相位,受键控的载波相位按基带脉冲而改变的数字调制方式。,这种用载波不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控，常称为绝对移相。,调制,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,63,2PSK信号的产生过程,可以直接采用模拟调制方法。,双极性 不归零,载波,移相,a.2PSK模拟调制,b.2PSK键控调制,2PSK系统的原理,解调,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,64,鉴相器,2PSK信号相干解调,判决,LPF,BPF,定时脉冲,数据输出,本地载波,2PSK系统的原理,由于绝对移相方式是以某一相位作为基准的，因此解调时在接收端也必须有同样一个固定基准相位作为参考。即采用相干解调,图,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,65,相乘输出,1001110,判决输出,2PSK系统的原理,低通输出,低通输出,载波反相,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,66,相乘输出,1001110,发送数据,2PSK,0110001,判决输出,2PSK系统的原理,载波,低通输出,反向工作现象,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,67,一旦接收端参考相位发生变化，则恢复出的数字信息也会出现0和1的反转，从而导致接收端错误接收。,这种现象通常称为2PSK的“倒”现象或“反向工作”现象。,4.3.3 2PSK系统的原理,由于绝对移相方式是以某一相位作为基准的，因此解调时在接收端也必须有同样一个固定基准相位作为参考。,2DPSK,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,68,令为当前码元初相与前一码元初相之差，则2DPSK调制的一种规则为,2）2DPSK（差分相移键控）,利用前后相邻码元载波的相对相位表示数字信息的调制方式。即用载波相位相对变化传送数字信息，所以又称为相对调相。,4.3.3 2PSK系统的原理,波形,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,69,载 波0相位,4.3.3 2PSK系统的原理,调制过程,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,70,2DPSK,0001011,相对码,载 波0相位,调制方法,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,71,相对调相信号的产生过程,首先对数字基带信号进行差分编码即由绝对码变为相对码，然后再进行绝对调相。也可以直接采用模拟调制方法。,双极性 不归零,差分 码变换,双极性 差分码,a.2PSK模拟调制,差分码变换,4.3.3 2PSK系统的原理,解调,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,72,3）2DPSK信号解调,判决,LPF,BPF,定时脉冲,(a)相干解调,数据输出,相对码,数据输出,本地载波,码(反)变换,判决,LPF,BPF,定时脉冲,延迟TS,数据输出,(b)差分相干解调,鉴相器,可采用相干解调和差分相干解调法,2DPSK系统的原理,相干解调波形,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,73,相乘输出,1001110,判决输出,2DPSK系统的原理,低通输出,低通输出,101001,差分输出,载波反向时,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,74,相乘输出,0101001,发送数据,2DPSK,0110001,判决输出,2PSK系统的原理,载波,低通输出,101001,差分输出,功率谱,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,75,4）2PSK功率谱特性,数学表达式形式上完全一样，只是an的取值不同。,因此，参照2ASK功率谱可得到2PSK信号功率谱也只是基带数字信号频谱的线性搬移。,2PSK系统的原理,FDM,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,76,4.4 频分复用系统FDM,复用:将若干彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法。包括：FDM,TDM,CDMA,WDM,频分复用，它是通过采用不同载波频率的调制完成的。,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,77,以无线电广播的中波波段为例：可用波段范围为 530KHz1600KHz，而语音信号的频率范围为3003400Hz，经调制后每一个广播电台频道的带宽为9K。,530KHz,1600KHz,300 9000,这一中波波段中就均匀分布着多个电台!,上述即为频分复用，它是通过采用不同载波频率的调制完成的。,只传输一路信号。浪费！,实现原理,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,78,载波频率选取：,2009 Copyright,中国矿业大学 李世银,79,频分复用信号频谱结构,载波频率选取：,n路总带宽：,优点：信道复用率高，允许复用路数多，分路很方便。,主要缺点：设备较复杂；因滤波器特性不够理想和信道存在非线性而产生的路间干扰。,