射频通信电路第三章 调制-调幅 3-1
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第三章 调制与解调
本课程传输的信号 基带信号——欲传输的信息，频谱集中在较低频率（数字、模拟） 欲传输的信息，频谱集中在较低频率（数字、模拟） 基带信号 欲传输的信息 较低频率 载波——正弦、高频 正弦、 载波 正弦 已调波——携带了信息的高频窄带信号（或称通带信号） 携带了信息的高频窄带信号（或称通带信号） 已调波 携带了信息的高频窄带信号
调制前
调制前
ω
c
调制后
调制后
频谱特征 载频 ω c 一对旁频 ω ±Ω c 2. 幅度 载频 Vcm 旁频 maVcm = K aVΩm
1 2 1 2
1. 三条谱线
调制前 频谱线性搬移 频谱线性搬移 线性
调制后
载频幅度最大 载频不携带信息
从频域看——什么是调制失真 什么是调制失真? 从频域看 什么是调制失真 频谱搬移过程出现了非线性 出现了调制信号的谐波
调制前
调制后
带宽
BW = Fmax
——比DSB缩小一半 比 缩小一半
②表达式与波形 载波信号 单音调制信号 上边带信号
vc (t ) = Vcm cos ω c t
vΩ (t ) = VΩm cos Ωt ,
(ωc >> Ω)
1 v (t ) = AVΩmVcm cos(ω c + Ω)t 2
单音调制的单边带信号波形 注意：多音调制的 注意：多音调制的 单边带信号 的包络会变化， 包络会变化， 但不反映调制信号
线性功率放大器? 线性功率放大器
放大已调射频信号,可用 放大已调射频信号 可用
非线性功率放大器? 线性功率放大器
3.2
模拟调制
载波信号
vc (t ) = Vcm cos ω c t
3.2.1 幅度调制与解调 普通调幅( 1. 普通调幅(AM) ) (1) 调幅的定义
调制信号
vΩ (t ) = VΩm cos Ωt ,
f c1 + F fc 2
更大
②移相法
v ssBL 1 1 = AVΩmVcm cos(ω c − Ω )t = AVΩmVcm (cos Ωt cos ω c t + sin Ωt sin ω c t ) 2 2
1 1 AVΩmVcm cos(ω c + Ω)t = AVΩmVcm (cos Ωt cos ω c t − sin Ωt sin ω c t ) 2 2
上、下包络不反映 调制信号变化—— 调制信号变化
幅度出现负值
调制失真
理论上波形 上包络 下包络 实际电路波形
（3）调幅波（AM）的频谱与带宽 调幅波（AM） ① 频谱
频谱成分 带宽
v(t ) = Vcm (t ) cos ωc t = Vcm (1 + ma cos Ωt ) cos ωct
v(t ) = Vcm cos ωct + 1 1 maVcm cos(ωc + Ω)t + maVcm cos(ωc − Ω)t 2 2
②从频谱计算功率 载频功率
调制前 调制后
两个旁频功率 1 1 1 2 2 Pω ± Ω = 2 × ( m aV cm ) = m a Pc 2 2 2 总功率 比较： 比较：
P = Pc + Pω ±Ω
1 2 Pc = Vcm 2
1 2 1 2 = Vcm (1 + ma ) 2 2
与时域计算相同 怎么办？ 怎么办？
2 2 功率 P = Vcm (t ) = Vcm (1 + ma cos Ωt ) 2
1 2
1 2
时变
最大功率值 最小功率值
1 2 PMAX = Vcm (1 + m a ) 2 2 1 2 PMIN = Vcm (1 − ma ) 2 2
在调制信号一周内的平均功率值
1 P= 2π
2π
1 2 1 2 1 2 Vcm (1 + ma cos Ωt ) 2 dΩt = Vcm (1 + ma ) ∫2 2 2 0
注意： 注意：中心频率 带宽
AM
ωc ωc ± Ω
（2）SSB-SC信号产生 ） 信号产生 ①滤波法 由双边带信号中滤出一个边带 由双边带信号中滤出一个边带 滤出
难点
当调制信号的最低频率 当调制信号的最低频率 很小（甚至为0 很小（甚至为0）时， 上下两边带的频差 ∆f = 2Fmin
fc
Fmin
为什么要抑制载波 ①频谱与带宽 载波不携带信息 载频占据的功率最多
BW = 2F ②功率 DSB信号功率为两旁频功率之和 信号功率为两旁频功率之和
结论： 节省了功率 但没有节省频带 功率， 结论：DSB 节省了功率，但没有节省频带
③表达式与波形
载波信号 vc (t ) = Vcm cos ω c t 调制信号 vΩ (t ) = VΩm cos Ωt , (ωc >> Ω)
旁频功率 载频功率
结论： 结论： 由于 携带信息的频谱分量的能量占总能量的 的能量占总能量的比例很小 携带信息的频谱分量的能量占总能量的比例很小
1 2 = ma 2 因此在AM调制中 调制中， m a ＜1，因此在 调制中，
2.抑制载波的双边带调幅（DSB-SC） 抑制载波的双边带调幅（ 抑制载波的双边带调幅 ）
3.1 什么是调制和解调
调制——基带信号加载到正弦载波的过程 基带信号加载到正弦载波的过程 调制 调制的结果——得到已调波 得到已调波 调制的结果 解调——从已调波中恢复基带信号的过程 从已调波中恢复基带信号的过程 解调
调制 解调
已调波的特点：带宽一定远小于中心频率 已调波的特点：带宽一定远小于中心频率 一定远小于
幅度调制与解调小结： 幅度调制与解调小结： 小结 ①振幅调制与解调在频域上都是一种频谱的线性搬移 振幅调制与解调在频域上都是一种频谱的线性搬移 基本实现方法是乘法器加滤波器 乘法器加滤波器。 基本实现方法是乘法器加滤波器。 ②解调分相干解调和非相干解调 解调分相干解调和非相干解调 相干解调和非相干 DSB、SSB－－节省功率，节省频带－－频谱有效性好 －－节省功率 －－频谱有效性好 、 －－节省功率，节省频带－－ 但必须采用相干解调－－难度大 但必须采用相干解调－－难度大 －－ ③幅度调制信号的幅度是变化的 幅度调制信号的幅度是变化的 容易受到干扰，不能用高效率的非线性功率放大器放大， 容易受到干扰，不能用高效率的非线性功率放大器放大， 功率有效性不好。 功率有效性不好。
很小， 很小，即相对频差值 ∆f 很小
要求滤波器的矩形系数接近1 要求滤波器的矩形系数接近1 矩形系数接近
滤波器很难做
多次搬移法——降低滤波器制作难度 降低滤波器制作难度 多次搬移法
第一次调制——低载频 f c1 低载频 第一次调制 相对值
∆f f c1
较大
fc 2
滤出 f c1 + F 第二次调制——载频 f c 2 ，相对值 第二次调制 载频 更容易滤波
波形 波形特点 （1）上下包络均
两信号相乘
不同于调制信号的变化形状 不同于调制信号的变化形状 过零点处 （2）在调制信号的过零点处， ）在调制信号的过零点 已调波的相位发生180度突变。 度突变。 已调波的相位发生 度突变 相位突变
下包络
3. 单边带调幅 单边带调幅(SSB-SC)
引出思路——双边带调幅的两个边带完全相同，为节省频带， 双边带调幅的两个边带完全相同，为节省频带， 引出思路 双边带调幅的两个边带完全相同 仅发射一个边带 ①频谱与带宽
Vcm > VΩm ωc >> Ω
Vcm (t ) = Vcm + kavΩ (t )
= Vcm + kaVΩm cos Ωt
载波幅度按调制信号规律变化
Vcm
= Vcm (1 + ma cos Ωt )
Vcm (t )
t
k aVΩm ma = Vcm
称为调幅系数
Vcm
t
(2) 调幅波的时域表示
表达式 波形
调制的方式 正弦载波
调幅
A cos(ω c t + θ )
调频 调相
模拟调制——基带信号是模拟信号 基带信号是模拟信号 模拟调制 数字调制——基带信号是数字信号 基带信号是数字信号 数字调制
衡量调制解调器好坏的主要性能指标 1.抗噪声抗干扰能力 抗噪声抗干扰能力 2. 调制方式的频谱有效性 在保证传输速率和质量条件下， 在保证传输速率和质量条件下，使用带宽越小越好 3.调制方式的功率有效性 3.调制方式的功率有效性
ωc + Ω
4.调幅信号的产生方法 调幅信号的产生方法
(1) AM 和 DSB-SC 调幅实质—— AM和DSB均是频谱搬移 调幅实质 和 均是频谱搬移 乘法器＋ 频谱搬移的基本方法 ： ① 乘法器＋滤波器 ②非线性器件＋滤波器 非线性器件＋ DSB-SC
Βιβλιοθήκη Baidu
ωc ± Ω
ω0 = ωc BW = 2 F
v r (t ) = Vrm cos ω r t
与DSB载波同频同相 ω 载波同频同相
r
= ω
c
1 v(t ) = vDSB (t ) × vr (t ) = AVΩmVcmVrm [cos Ωt cos 2ωc t + cos Ωt ] 2 高频 1 低通滤波后 低通滤波后 vo (t ) = AVΩmVcm cos Ωt
v(t ) = AVΩmVcm cos Ωt cos ω c t 1 1 = AVΩmVcm cos(ω c + Ω)t + AVΩmVcm cos(ω c − Ω)t 2 2
结论： 结论：
抑制载波双边带信号是调制信号与载波信号相乘的结果 抑制载波双边带信号是调制信号与载波信号相乘的结果 调制信号 相乘
v ssBH =
难点：宽带90度相移网络 难点：宽带 度相移网络
5. 振幅解调
解调实质——频谱搬移 频谱搬移 解调实质 （1）相干解调 ） 采用一个相干信号（参考信号） 采用一个相干信号（参考信号）与被解调信号相乘 DSB信号 v DSB (t ) = AVΩmVcm cos Ωt cos ω c t 信号 参考信号
为什么要调制？ 为什么要调制？ （1）在无线系统中，为了有效地辐射功率。 在无线系统中，为了有效地辐射功率。 （2）在有线系统中，同轴线对于高频提供了有效 在有线系统中， 的屏蔽，使得高频信号不致泄漏。 的屏蔽，使得高频信号不致泄漏。 （3）无线电高频可提供较大的通信容量。 无线电高频可提供较大的通信容量。 （4） 利用调制解调技术可以提供有效的方法来克 服信道缺陷 。
1 vo (t ) = AVΩmVcm cos( ∆ω t + ∆ϕ ) × cos Ωt 2
相干解调的难点： 相干解调的难点： 同频同相的参考信号的获得 同频同相的参考信号的获得 输出音频的幅度 输出音频的幅度 音频 受到了调制 受到了调制 失真
（2）包络检波 ）包络检波—— 取出被解调信号的包络 优点：电路简单、不需要相干信号 优点：电路简单、不需要相干信号——非相干解调 非相干解调 适用条件： 适用条件：包络必须反映调制信号 ——只适用于AM普通调幅波 只适用于 普通调幅波
v(t ) = Vcm (t ) cos ωc t = Vcm (1 + ma cos Ωt ) cos ωct
AM波形特征 波形特征: 波形特征 当
ma < 1
时
上、下包络 均反映调制信号变化 上包络
下包络
从时域看——什么是调制失真？ 什么是调制失真？ 从时域看 什么是调制失真 当
ma > 1 时 v(t ) = Vcm (t ) cos ωc t = Vcm (1 + ma cos Ωt ) cos ωct
2
相干解调的关键点：保证参考信号与 的载波同频同相 相干解调的关键点：保证参考信号与DSB的载波同频同相 关键点 的载波 设： 参考信号 v r (t ) = Vrm cos[(ω c + ∆ω )t + ∆ϕ ]
频差 相差
用来解调双边带信号 v DSB (t ) = AVΩmVcm cos Ωt cos ω c t 相乘，并通过低通滤波器后 相乘，并通过低通滤波器后： 低通滤波器
ωc +Ω、 c、 c −Ω ω ω ωc +2Ω、 c −2Ω ω ωc +3Ω、 c −3Ω ……. ω
② 带宽
调制前 调制后
BW=
2Ω = (2 F )
调制前
ω
c
调制后
BW=
2Ω max= (2 Fmax )
（4）调幅波的功率（单位电阻） ）调幅波的功率（单位电阻）
①从时域计算 调幅波幅度 Vcm (t ) = Vcm (1 + ma cos Ωt )
本课程传输的信号 基带信号——欲传输的信息，频谱集中在较低频率（数字、模拟） 欲传输的信息，频谱集中在较低频率（数字、模拟） 基带信号 欲传输的信息 较低频率 载波——正弦、高频 正弦、 载波 正弦 已调波——携带了信息的高频窄带信号（或称通带信号） 携带了信息的高频窄带信号（或称通带信号） 已调波 携带了信息的高频窄带信号
调制前
调制前
ω
c
调制后
调制后
频谱特征 载频 ω c 一对旁频 ω ±Ω c 2. 幅度 载频 Vcm 旁频 maVcm = K aVΩm
1 2 1 2
1. 三条谱线
调制前 频谱线性搬移 频谱线性搬移 线性
调制后
载频幅度最大 载频不携带信息
从频域看——什么是调制失真 什么是调制失真? 从频域看 什么是调制失真 频谱搬移过程出现了非线性 出现了调制信号的谐波
调制前
调制后
带宽
BW = Fmax
——比DSB缩小一半 比 缩小一半
②表达式与波形 载波信号 单音调制信号 上边带信号
vc (t ) = Vcm cos ω c t
vΩ (t ) = VΩm cos Ωt ,
(ωc >> Ω)
1 v (t ) = AVΩmVcm cos(ω c + Ω)t 2
单音调制的单边带信号波形 注意：多音调制的 注意：多音调制的 单边带信号 的包络会变化， 包络会变化， 但不反映调制信号
线性功率放大器? 线性功率放大器
放大已调射频信号,可用 放大已调射频信号 可用
非线性功率放大器? 线性功率放大器
3.2
模拟调制
载波信号
vc (t ) = Vcm cos ω c t
3.2.1 幅度调制与解调 普通调幅( 1. 普通调幅(AM) ) (1) 调幅的定义
调制信号
vΩ (t ) = VΩm cos Ωt ,
f c1 + F fc 2
更大
②移相法
v ssBL 1 1 = AVΩmVcm cos(ω c − Ω )t = AVΩmVcm (cos Ωt cos ω c t + sin Ωt sin ω c t ) 2 2
1 1 AVΩmVcm cos(ω c + Ω)t = AVΩmVcm (cos Ωt cos ω c t − sin Ωt sin ω c t ) 2 2
上、下包络不反映 调制信号变化—— 调制信号变化
幅度出现负值
调制失真
理论上波形 上包络 下包络 实际电路波形
（3）调幅波（AM）的频谱与带宽 调幅波（AM） ① 频谱
频谱成分 带宽
v(t ) = Vcm (t ) cos ωc t = Vcm (1 + ma cos Ωt ) cos ωct
v(t ) = Vcm cos ωct + 1 1 maVcm cos(ωc + Ω)t + maVcm cos(ωc − Ω)t 2 2
②从频谱计算功率 载频功率
调制前 调制后
两个旁频功率 1 1 1 2 2 Pω ± Ω = 2 × ( m aV cm ) = m a Pc 2 2 2 总功率 比较： 比较：
P = Pc + Pω ±Ω
1 2 Pc = Vcm 2
1 2 1 2 = Vcm (1 + ma ) 2 2
与时域计算相同 怎么办？ 怎么办？
2 2 功率 P = Vcm (t ) = Vcm (1 + ma cos Ωt ) 2
1 2
1 2
时变
最大功率值 最小功率值
1 2 PMAX = Vcm (1 + m a ) 2 2 1 2 PMIN = Vcm (1 − ma ) 2 2
在调制信号一周内的平均功率值
1 P= 2π
2π
1 2 1 2 1 2 Vcm (1 + ma cos Ωt ) 2 dΩt = Vcm (1 + ma ) ∫2 2 2 0
注意： 注意：中心频率 带宽
AM
ωc ωc ± Ω
（2）SSB-SC信号产生 ） 信号产生 ①滤波法 由双边带信号中滤出一个边带 由双边带信号中滤出一个边带 滤出
难点
当调制信号的最低频率 当调制信号的最低频率 很小（甚至为0 很小（甚至为0）时， 上下两边带的频差 ∆f = 2Fmin
fc
Fmin
为什么要抑制载波 ①频谱与带宽 载波不携带信息 载频占据的功率最多
BW = 2F ②功率 DSB信号功率为两旁频功率之和 信号功率为两旁频功率之和
结论： 节省了功率 但没有节省频带 功率， 结论：DSB 节省了功率，但没有节省频带
③表达式与波形
载波信号 vc (t ) = Vcm cos ω c t 调制信号 vΩ (t ) = VΩm cos Ωt , (ωc >> Ω)
旁频功率 载频功率
结论： 结论： 由于 携带信息的频谱分量的能量占总能量的 的能量占总能量的比例很小 携带信息的频谱分量的能量占总能量的比例很小
1 2 = ma 2 因此在AM调制中 调制中， m a ＜1，因此在 调制中，
2.抑制载波的双边带调幅（DSB-SC） 抑制载波的双边带调幅（ 抑制载波的双边带调幅 ）
3.1 什么是调制和解调
调制——基带信号加载到正弦载波的过程 基带信号加载到正弦载波的过程 调制 调制的结果——得到已调波 得到已调波 调制的结果 解调——从已调波中恢复基带信号的过程 从已调波中恢复基带信号的过程 解调
调制 解调
已调波的特点：带宽一定远小于中心频率 已调波的特点：带宽一定远小于中心频率 一定远小于
幅度调制与解调小结： 幅度调制与解调小结： 小结 ①振幅调制与解调在频域上都是一种频谱的线性搬移 振幅调制与解调在频域上都是一种频谱的线性搬移 基本实现方法是乘法器加滤波器 乘法器加滤波器。 基本实现方法是乘法器加滤波器。 ②解调分相干解调和非相干解调 解调分相干解调和非相干解调 相干解调和非相干 DSB、SSB－－节省功率，节省频带－－频谱有效性好 －－节省功率 －－频谱有效性好 、 －－节省功率，节省频带－－ 但必须采用相干解调－－难度大 但必须采用相干解调－－难度大 －－ ③幅度调制信号的幅度是变化的 幅度调制信号的幅度是变化的 容易受到干扰，不能用高效率的非线性功率放大器放大， 容易受到干扰，不能用高效率的非线性功率放大器放大， 功率有效性不好。 功率有效性不好。
很小， 很小，即相对频差值 ∆f 很小
要求滤波器的矩形系数接近1 要求滤波器的矩形系数接近1 矩形系数接近
滤波器很难做
多次搬移法——降低滤波器制作难度 降低滤波器制作难度 多次搬移法
第一次调制——低载频 f c1 低载频 第一次调制 相对值
∆f f c1
较大
fc 2
滤出 f c1 + F 第二次调制——载频 f c 2 ，相对值 第二次调制 载频 更容易滤波
波形 波形特点 （1）上下包络均
两信号相乘
不同于调制信号的变化形状 不同于调制信号的变化形状 过零点处 （2）在调制信号的过零点处， ）在调制信号的过零点 已调波的相位发生180度突变。 度突变。 已调波的相位发生 度突变 相位突变
下包络
3. 单边带调幅 单边带调幅(SSB-SC)
引出思路——双边带调幅的两个边带完全相同，为节省频带， 双边带调幅的两个边带完全相同，为节省频带， 引出思路 双边带调幅的两个边带完全相同 仅发射一个边带 ①频谱与带宽
Vcm > VΩm ωc >> Ω
Vcm (t ) = Vcm + kavΩ (t )
= Vcm + kaVΩm cos Ωt
载波幅度按调制信号规律变化
Vcm
= Vcm (1 + ma cos Ωt )
Vcm (t )
t
k aVΩm ma = Vcm
称为调幅系数
Vcm
t
(2) 调幅波的时域表示
表达式 波形
调制的方式 正弦载波
调幅
A cos(ω c t + θ )
调频 调相
模拟调制——基带信号是模拟信号 基带信号是模拟信号 模拟调制 数字调制——基带信号是数字信号 基带信号是数字信号 数字调制
衡量调制解调器好坏的主要性能指标 1.抗噪声抗干扰能力 抗噪声抗干扰能力 2. 调制方式的频谱有效性 在保证传输速率和质量条件下， 在保证传输速率和质量条件下，使用带宽越小越好 3.调制方式的功率有效性 3.调制方式的功率有效性
ωc + Ω
4.调幅信号的产生方法 调幅信号的产生方法
(1) AM 和 DSB-SC 调幅实质—— AM和DSB均是频谱搬移 调幅实质 和 均是频谱搬移 乘法器＋ 频谱搬移的基本方法 ： ① 乘法器＋滤波器 ②非线性器件＋滤波器 非线性器件＋ DSB-SC
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ωc ± Ω
ω0 = ωc BW = 2 F
v r (t ) = Vrm cos ω r t
与DSB载波同频同相 ω 载波同频同相
r
= ω
c
1 v(t ) = vDSB (t ) × vr (t ) = AVΩmVcmVrm [cos Ωt cos 2ωc t + cos Ωt ] 2 高频 1 低通滤波后 低通滤波后 vo (t ) = AVΩmVcm cos Ωt
v(t ) = AVΩmVcm cos Ωt cos ω c t 1 1 = AVΩmVcm cos(ω c + Ω)t + AVΩmVcm cos(ω c − Ω)t 2 2
结论： 结论：
抑制载波双边带信号是调制信号与载波信号相乘的结果 抑制载波双边带信号是调制信号与载波信号相乘的结果 调制信号 相乘
v ssBH =
难点：宽带90度相移网络 难点：宽带 度相移网络
5. 振幅解调
解调实质——频谱搬移 频谱搬移 解调实质 （1）相干解调 ） 采用一个相干信号（参考信号） 采用一个相干信号（参考信号）与被解调信号相乘 DSB信号 v DSB (t ) = AVΩmVcm cos Ωt cos ω c t 信号 参考信号
为什么要调制？ 为什么要调制？ （1）在无线系统中，为了有效地辐射功率。 在无线系统中，为了有效地辐射功率。 （2）在有线系统中，同轴线对于高频提供了有效 在有线系统中， 的屏蔽，使得高频信号不致泄漏。 的屏蔽，使得高频信号不致泄漏。 （3）无线电高频可提供较大的通信容量。 无线电高频可提供较大的通信容量。 （4） 利用调制解调技术可以提供有效的方法来克 服信道缺陷 。
1 vo (t ) = AVΩmVcm cos( ∆ω t + ∆ϕ ) × cos Ωt 2
相干解调的难点： 相干解调的难点： 同频同相的参考信号的获得 同频同相的参考信号的获得 输出音频的幅度 输出音频的幅度 音频 受到了调制 受到了调制 失真
（2）包络检波 ）包络检波—— 取出被解调信号的包络 优点：电路简单、不需要相干信号 优点：电路简单、不需要相干信号——非相干解调 非相干解调 适用条件： 适用条件：包络必须反映调制信号 ——只适用于AM普通调幅波 只适用于 普通调幅波
v(t ) = Vcm (t ) cos ωc t = Vcm (1 + ma cos Ωt ) cos ωct
AM波形特征 波形特征: 波形特征 当
ma < 1
时
上、下包络 均反映调制信号变化 上包络
下包络
从时域看——什么是调制失真？ 什么是调制失真？ 从时域看 什么是调制失真 当
ma > 1 时 v(t ) = Vcm (t ) cos ωc t = Vcm (1 + ma cos Ωt ) cos ωct
2
相干解调的关键点：保证参考信号与 的载波同频同相 相干解调的关键点：保证参考信号与DSB的载波同频同相 关键点 的载波 设： 参考信号 v r (t ) = Vrm cos[(ω c + ∆ω )t + ∆ϕ ]
频差 相差
用来解调双边带信号 v DSB (t ) = AVΩmVcm cos Ωt cos ω c t 相乘，并通过低通滤波器后 相乘，并通过低通滤波器后： 低通滤波器
ωc +Ω、 c、 c −Ω ω ω ωc +2Ω、 c −2Ω ω ωc +3Ω、 c −3Ω ……. ω
② 带宽
调制前 调制后
BW=
2Ω = (2 F )
调制前
ω
c
调制后
BW=
2Ω max= (2 Fmax )
（4）调幅波的功率（单位电阻） ）调幅波的功率（单位电阻）
①从时域计算 调幅波幅度 Vcm (t ) = Vcm (1 + ma cos Ωt )