【文章內(nèi)容簡介】 0 cLSB cHH ???? ??????? ? ??? （ ） 則可濾除上邊帶，保留下邊帶（ LSB）。 因此， SSB 信號的頻譜可表示為 ? ? ? ? ? ?SSB D SBS S H? ? ??? （ ） 圖 示出了用濾波法形成的 上邊帶 （ USB）信號的頻譜圖。 ??DSBst ??SSBst 載波 ??ct ??mt ? ?H?H() 圖 濾波法 SSB 信號調(diào)制器 圖 濾波 法形成上邊帶信號的頻譜圖 ? c? c? c? ? ? c?? c?? c?? 0 0 0 ? ?DSBS ? ? ?USBH ? ? ?USBS ? 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計 說明書 16 濾波法的技術(shù)難點是邊帶濾波器的制作。因為實際濾波器都不具有 如式 （ ）或式 （ ） 所描述的理想特性，即在 載頻 cf 處 不具有陡峭的截止特性，而是有一定的過渡帶 。例如，若經(jīng)過濾波后的話音信號的最低頻率為 300Hz，則上、下邊帶之間的頻率間隔為 600Hz。實現(xiàn)濾波器的難易程度與過渡帶相對載頻 的歸一化值有關(guān) ，該值越小，邊帶濾波器就難以實現(xiàn)。因此在 600Hz 過渡帶和不太高的 載頻 情況下，濾波器不難實現(xiàn)；但當(dāng) 載頻 較高時，采用一級調(diào)制直接 濾波的方法 已不可能實現(xiàn)單邊帶調(diào)制。這時可以采用多級 （一般采用兩級） DSB 調(diào)制及邊帶濾波的方法，即先在較低的載頻上進行 DSB 調(diào)制，目的是增大過渡帶的歸一化值，以利于 濾波器的制作，經(jīng)單邊 帶 濾波后再在要求 的載頻上進行第二次調(diào)制及濾波（常稱為變頻） 。但當(dāng)調(diào)制信號中含有直流及低頻分量時濾波法就不適用了 [20]。 角度調(diào)制的原理 正弦載波有 三個參量：幅度、頻率和相位。 我們不僅可以把調(diào)制信號的信息載荷于 載波的幅度變化中，還可以載荷于載波的頻率和相位變化中。 在調(diào)制時，若載波的頻率隨調(diào)制信號而變化，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻（ Frequency Modulation,FM）；若載波的相位隨調(diào)制信號而變稱為相位調(diào)制或調(diào)相 （ Phase Modulation,PM）。在這兩種調(diào)制過程中，載波的 幅度都保持恒定 不變，而頻率和相位和相位的變化都表現(xiàn)為載波瞬時相位的變化，故把調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為角度調(diào)制或調(diào)角。 角度調(diào)制與幅度調(diào)制不同的是，已調(diào)信號頻譜不再是原調(diào)制信號 頻譜的線性搬移 ，而是頻譜的非線性變換 ，會產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。 本節(jié)主要介紹調(diào)頻。 FM 信號的一般表達式 FM 調(diào)制信號的一般表達式為 ? ? ? ?c o smcs t A t t???????? （ ） 式中： A為載波的恒定振幅； ? ?ctt???????為信號的瞬時相位，記為 ??t? ； ??t? 為相對于載波相位 ct? 的瞬時相位偏移； ? ?cd t t dt???????是信號的瞬時角頻率，記為??t? ；而 ??d t dt? 稱為相對于載頻 c? 的瞬時頻偏。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計 說明書 17 所謂 頻率調(diào)制（ FM），是指瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號 ??mt成比例變化，即 ? ? ? ?fdt K m tdt? ? （ ） 式中： fK 為 調(diào)頻靈敏度 ? ?? ?rad s V? 。 這時相位 偏移為 ? ? ? ?ft K m d? ? ?? ? （ ） 帶入式（ ） ，則可得調(diào)頻信號為 ? ? ? ?c o sF M c fs t A t K m d? ? ???????? （ ） 調(diào)頻信號的產(chǎn)生 調(diào)頻的方法有兩 種：直接調(diào)頻和間接調(diào)頻。 1） 直接調(diào)頻法 調(diào)頻就是用調(diào)制信號控制載波的頻率變化。直接調(diào)頻就是用調(diào)制信號直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號的規(guī)律線性地變化。 可以由外部 電壓控制振蕩頻率的振蕩器叫做壓控振蕩器（ VCO） 。 每個壓控振蕩器自身就是一個 FM調(diào)制器，因為它的振蕩頻率正比于輸入控制電壓，即 ? ? ? ?0ift K m t???? 若用調(diào)制信號作控制電壓信號，就能產(chǎn)生 FM 波，如圖 35 所示。 若 被控制的振蕩器是 LC振蕩器，則只 需控制振蕩回路的某個電抗元件（ L或 C） ，使其參數(shù)隨調(diào)制信號變化。目前常用的電抗元件是變?nèi)荻O管。用變?nèi)荻O管實現(xiàn)直接調(diào)頻， 由于電路簡單，性能良好，已成為目前最廣泛采用的調(diào)頻電路之一。 在直接調(diào)頻法中， 振蕩器魚調(diào)制器合二為一。這種方法的主要優(yōu)點是在實現(xiàn)線性調(diào)頻的要求下，可以 獲得較大的頻偏；其主要缺點是頻率穩(wěn)定性不高 。因此往往需要采用自動頻率控制系統(tǒng)來穩(wěn)定中心頻率。 2）間接調(diào)頻法 VCO ??mt ??FMst 圖 FM 調(diào)制器 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計 說明書 18 間接調(diào)頻法（簡稱間接法）是先將調(diào)制信號積分，然后對載波進行調(diào)相，即可產(chǎn)生一個 NBFM 信號，在經(jīng) n次倍頻器得到 WBFM 信號，其原理框 圖如圖 。這種 產(chǎn)生 WBFM 的方法稱為阿姆斯特朗 （ Armstrong） 法或間 接 法 [21]。 NBFM 信號可看成正交分量與同相分量合成，即 ? ? ? ?c o s s inN B F M c f cs t A t A K m d t? ? ? ????? ??? （ ） 因此，采用圖 37所示的方框圖可實現(xiàn) NBFM。 圖 中 倍頻器的作用是提高調(diào)頻指數(shù) fm ，從而獲得寬帶調(diào)頻 WBFM。倍頻器可以用非 線性器件實現(xiàn)，然后用帶同濾波器濾去不需要的頻率分量。以理想平方 律器件為例，其輸出／輸入特性為 ? ? ? ?20is t as t? （ ） 當(dāng)輸入信號 ??ist為調(diào)頻信號時，有 積 分 器 倍頻器 相位調(diào)制 ??mt ??NBFMst ??WBFMst ~ cos cAt? 圖 間接法產(chǎn)生 WBFM 載波 cos cAt? 積分器 2?? ??mt ??NBFMst 圖 NBFM 信號的產(chǎn)生 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計 說明書 19 ? ? ? ?? ? ? ?? ?2c os1 1 c os 2 22icocs t A t ts t aA t t??????????? ? ????? （ ） 由式（ ） 可知，濾除直流分量成分后可得到一個新的調(diào)頻信號，其載頻和相位偏移均增為 2倍，由于 相位偏移增為 2倍，因而調(diào)頻指數(shù)也必然增為 2倍 。同理，經(jīng) n次倍頻后可以使調(diào)頻信號的載頻和調(diào)頻指數(shù)增 為 n 倍。 調(diào)頻信號的解調(diào) 調(diào)頻信號的解調(diào)也分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)。相干解調(diào)僅適用于 NBFM 信號，而 非相干解調(diào)對 NBFM 信號和 WBFM 信號均適用。 1） 非相干解調(diào) 調(diào)頻信號的一般表達式為 ? ? ? ?c o sF M c fs t A t K m d? ? ???????? （ ） 解調(diào)器的輸出應(yīng)為 ? ? ? ?ofm t K m t? （ ） 這就是說，調(diào)頻 信號的解調(diào)是要產(chǎn)生一個與輸入調(diào)頻信號的頻率呈線性關(guān)系的輸出電壓。完成這種頻率 電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系 的器件是頻率檢波器，簡稱鑒頻器。 鑒 頻器有多種， 微分器和包絡(luò)檢波器構(gòu)成了具有近似理想鑒頻特性的鑒頻器。微分器 的作用是把幅度恒定的調(diào)頻波 ??FMst變成幅度和頻率 都隨調(diào)制信號 ??mt變化的調(diào)幅調(diào)頻波 ??dst，即 ? ? ? ? ? ?s ind c f c fs t A K m t t K m d? ? ? ?????? ? ? ??? ??? （ ） 包絡(luò)檢波器則將其幅度變化檢出并濾去直流，再經(jīng)低通濾波后 既得解調(diào)輸出 ? ? ? ?o d fm t K K m t? （ ） 式中： dK 為鑒頻器靈敏度 ? ?? ?V rad s 。 限幅器的作用是消除信道中噪聲和其他原因引起的調(diào)頻波的幅度起伏， 帶通濾波器（ BPF）是讓調(diào)頻信號順利通過，同時濾除帶外噪聲及高次諧波分量。 鑒頻器的種類很多，除了上述的振幅鑒頻器之外，還有相位鑒頻器、 比例鑒頻器、正交鑒頻器、斜率鑒頻器、 頻率負反饋解調(diào)器、 鎖相環(huán)（ PLL）鑒頻器等。這中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計 說明書 20 些電路和與原理在高頻電子線路課程中都有詳細的討論，這里不再贅述 [22]。 2）相干解調(diào) 由于 NBFM 信號可分解成 同相分量 與正交分量之和，因而可以采用線性調(diào)制中的相干解調(diào)法來進行解調(diào)，如圖 。 設(shè)窄帶 調(diào)頻信號 ? ? ? ?c o s s inN B F M c f cs t A t A K m d t? ? ? ???? ? ???? （ ） 并設(shè)相干載波 ? ? sin cc t t??? （ ） 則相乘器的輸出為 ? ? ? ? ? ?s in 2 1 c o s 222p c f cAAs t t K m d t? ? ? ???? ? ? ? ???? 經(jīng)低通濾波器取出其低頻分量 ? ? ? ?2dfAs t K m d??? ? 再經(jīng)微分器，即得 解調(diào)輸出 ? ? ? ?2 fo AKm t m t? 可見，相干解調(diào)可以恢復(fù)原調(diào)制信號。這種 解調(diào)方法與線性調(diào)制中的相干 解調(diào)一樣，要求本地載波 與調(diào)制載波同步，否則將使調(diào)制信號失真。 BPF LPF 微分 ??ist ??pst ??dst ??omt ??ct ??NBFMst 圖 NBFM 信號的相干解調(diào) 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計 說明書 21 本章小結(jié) 本章主要分幅度調(diào)制和角度調(diào)制兩大模塊，對通信原理中的模擬調(diào)制系統(tǒng)做相關(guān)介紹。幅度調(diào)制主要講解調(diào)幅（ AM）和單邊帶調(diào)制（ SSB）的基本原理及其調(diào)制與解調(diào)；角度調(diào)制主要講解調(diào)頻（ FM）的基本原理及其調(diào)制與解調(diào)。 本章與下章的二進制數(shù)字調(diào)制中的相關(guān)計算公式，是通信原理輔助實驗系統(tǒng)的核心， 為搭建通信原理的圖形用戶界面做鋪墊。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計 說明書 22 4 二進制數(shù)字調(diào)制原理 用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號（ 已調(diào)信號 ）的過程稱為數(shù)字調(diào)制（ digital modulation）。 在接收端通過解調(diào)器把帶通信號還原成數(shù)字基帶信號的過程稱為數(shù)字解調(diào)（ digital demodulation） 。 一般來說，數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的基本原理相同，但是數(shù)字信號有離散取值的特點 。利用數(shù)字信號的這種離散取值特點通過開關(guān)鍵控制載波，從而實現(xiàn) 數(shù)字調(diào)制。這種方法通常稱為鍵控法 ， 比如對載波的振幅、頻率和相位進行鍵控 ，便 可獲得振幅鍵控（ Amplitude Shift Keying,ASK） ，頻移鍵控（ Frequency Shift Keying,FSK）和相移鍵控（ Phase Shift Keying,PSK） 三種基本的數(shù)字調(diào)制方式。 調(diào)制信號是二進制數(shù)字基帶信號時，這種調(diào)制稱為二進制數(shù)字調(diào)制。 二進制振幅鍵控 振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變 。在 2ASK 中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對應(yīng)二進制信息“ 0”或“ 1”。一種 常用的、也是最簡單的二進制振幅鍵控方式稱為通 斷鍵控 （ On Off Keying,OOK），其表達式為 ? ? c o s P0PcOOK Atet ??? ?? 以 概 率 發(fā) 送 “ 1? 時以 概 率 1 發(fā) 送 “ 0? 時 （ ） 載波在 二進制基帶信號 ??st控制下通 斷變化，所以這種鍵控又稱為通 斷鍵控 。在OOK 中，某一種符號（“ 0”或“ 1”）用沒有電壓來表示。 2ASK 信號的一般表達式為 ? ? ? ?2 co sASK ce t s t t?? （ ） 其中 ? ? ? ?nsns t a g t nT??? （ ） 式中： sT 為 為碼元持續(xù)時間； ??gt 為持續(xù)時間為 sT 的基帶脈沖波形 。為簡便起見，通常假設(shè) ??gt 是高度為 寬度等于 sT 的矩形脈沖 ； na 是第 n個符號的電平取值。若取 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計 說明書 23 1P0 1 Pna ?? ?? 概 率 為概 率 為 （ ） 則相應(yīng)的 2ASK 信號就是 OOK信號。 2ASK/OOK 信號的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調(diào)制法（相乘器法）和鍵控法 。模擬調(diào)制法 用乘法器實現(xiàn)；數(shù)字監(jiān)控法用受 ??st控制的開關(guān)電路實現(xiàn)。 與 AM 信號的解調(diào)方法一樣， 2ASK/OOK 信號也有兩種基本的解調(diào)方法：非相干（ noncoherent） 解調(diào) （包絡(luò)檢波法） 和相干 （ coherent） 解調(diào) （同步檢測法）。 二進制頻移鍵控 頻移鍵控是利用載波的頻