【導讀】為研究對象，分析了四種系統(tǒng)的調制解調原理，并對其進行了仿真；而在角度調制中，以常用的調頻為研究。真結果進行了對比分析。最后用MC1496芯片和其他分立元器件搭建了AM調制解調系統(tǒng)，并用示波器觀察輸出波形。

　　

【正文】 () 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 13 頁 共 55 頁 對上式進行傅里葉變換，即得 FM 信號的頻域表達式 ? ? ? ? ? ?? ?????? ?????? n mcmcfnFM nnmJAwS ??? )( () 由式 ()和式 ()可見，調頻信號的頻譜由載波分量 cw 和無數(shù)邊頻 mc nww? 組成。當 n=0 時是載波分量 cw ，其幅度為 ? ?fo mAJ ．當 n≠ 0 時就是對稱分布在載頻兩側的邊頻分量 mc nww? ，其幅度為 ? ?fn mAJ ，相鄰邊頻之間的間隔為 mw ；且當 n 為奇數(shù)時，上下邊頻極性相反；當 n 為偶數(shù)時極性相同。 調頻信號的帶寬與功率分配 調頻信號的頻譜包含無夯多個頻率分量，因此理論上調頻信號的頻帶寬度為無限寬通常采用的原則是，信號的頻帶寬度應包括幅度大于未調載波的 10%以上的邊頻分量，即 ? ? ?fn mJ [6]。所以調頻波的有效帶寬為 ? ?mmfFM fffmB ????? 2)1(2 () 這就是廣泛用于計算調頻信號 帶寬的卡森 (Carson)公式。 當 1??fm 時，式 ()可近似為 mFM fB 2? (NBFM) () 當 1??fm 時，式 ()可近似為 fBFM ??2 (WBFM) () 調頻信號的功率分配 cFM PAP ?? 22 () 調頻 信號的平均功率等于未調載波的平均功率，即調制后總的功率不變，只是將原來載波功率中的一部分分配給每個邊頻分量。所以，調制過程只是進行功率的重新分配，而分配的原則與調頻指數(shù)有關。 調頻信號的產(chǎn)生與解調 調頻信號的產(chǎn)生 1) 直接調頻法 FM 調制器如圖 所示 ， 直接調頻就是用調制信號直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調制信號的規(guī)律線性地變化?？梢杂赏獠侩妷嚎刂普袷幤?(vco)實現(xiàn)。每個壓控振蕩器自身就是一個 FM 調制器，因為它的振蕩頻率正比于輸入控制電壓 [4]。 若用調制信號作控制電壓信號，就能 產(chǎn)生 FM 波 。 圖 FM 調制器 VCO m(t) SFM(t) 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 14 頁 共 55 頁 用變容二極管實現(xiàn)直接調頻，由于電路簡單，性能良好，已成為目前最廣泛采用的調頻電路之一。在直接調頻法中，振蕩器與調制器合二為一。這種方法的主要優(yōu)點是在實現(xiàn)線性調頻的要求下，可以獲得較大的頻偏；其主要缺點是頻率穩(wěn)定度不高。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 [4]。 應用如圖 所示的鎖相環(huán) (PLL)調制器，可以獲得高質量的 FM 或 PM 信號。這種方案的載頻穩(wěn)定度很高，可以達到晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。但是，它的一個顯著缺點是低頻調制特性較差，通常可用鎖相環(huán)路構成一 種所謂兩點調制的寬帶 FM 調制器來進行改善。 圖 PLL 調制器 其中： PD相位檢測器； LF環(huán)路濾波器； VCO壓控振蕩器。 2)間接調頻法 間接調頻法（簡稱間接法）產(chǎn)生 WBFM 如圖 所示 ,是先將調制信號積分，然后對載波進行調相，即可產(chǎn)生一個 NBFM 信號，再經(jīng) n 次倍頻器得到 WBFM 信號。這種產(chǎn)生 WBFM 的方法稱為阿姆斯特朗 (Armstrong)法或間接法。 圖 間接法產(chǎn)生 WBFM 其中：倍頻器的作用是提離凋頻指數(shù) fm ，從而獲得 寬帶調頻 WBFM。 NBFM 信號可看成由正交分量與同相分量合成，即 ? ? ? ? twdttmAKtwAts cfcN B F M s i n)(c o s ??? （ ） 因此，采用 如 圖 所示的 NBFM 信號產(chǎn)生 方框圖可實現(xiàn) NBFM。 圖 NBFM 信號的產(chǎn)生 間接法的優(yōu)點是頻率穩(wěn)定度好。缺點是需要多次倍頻和混頻，因此電路較復雜。 晶振 PD LF VCO FM 信號 調制信號 積分器 相位調制 倍頻器 m(t) SNBFM(t) SWBFM(t) Acoswct m(t) 積分器 π /2 載波 Acoswct SNBFM(t) 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 15 頁 共 55 頁 調頻信號的解調 調頻信號的解調也分為相干解調和非相干解調。相干解調僅適用于 NBFM 信號，而非相干解調對NBFM 信號和 WBFM 信號均適用。 1) 非相干解調 調頻信號的 一般表達式為 ? ? ? ?? ???? dttmKtwAts fcFM c os () 解調器的輸出應為 ? ? )(tmKtm fo ? () 調頻信號的解調需要產(chǎn)生一個與輸入調頻信號的頻率呈線性關系的輸出電壓。完成這種頻率一電壓轉換關系的器件是頻率檢波器，簡稱鑒頻器 [3]。 如 圖 所示的振幅鑒頻器原理框圖描述了一種用振幅鑒頻器進行非相干解調的方法 。 其中，微分器和包絡檢波器構成了具有近似理想鑒頻特性的鑒頻器 [4]。微分器的作用是 把幅度恒定的調頻波 ??tsFM 變成幅度和頻率都隨調制信號 m(t)變化的調幅調頻波 ??tsd ，即 ? ? ? ?? ? ? ?????? dttmKtwtmKwAts fcfcd )(s i n () 包絡檢波器則將其幅度變化檢出并濾去直流，再經(jīng)低通濾波后即得解調輸出 )()( tmKKtm fdo ? () 式中： Kd 為鑒頻器靈敏度 (V／ (rad/s))。 鑒頻器 圖 振幅鑒頻器原理框 如 圖 所示 ， 振幅鑒頻器 限幅器的作用是消除信道中噪聲和其他原因引起的調頻波的幅度起伏，帶通濾波器 (BPF)是讓調頻信號順利通過，同時濾除帶外噪聲及高次諧波分量。 2)相干解調 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制中的相干解調法來進行解調， NBFM 信號的相干解調 如圖 所示 ， 圖 NBFM 信號的相干解調 SNBFM(t) BPF BPF 微分 Si(t) Sp(t) Sd(t) mO(t) c (t) Sd(t) BPF 微分電路 包絡檢波器 BPF SFM(t) mo(t) 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 16 頁 共 55 頁 設窄帶調頻信號 twdttmKAtwAts cfcN B F M s i n])([c os)( ??? ? () 并設相干載波 twtc csin)( ?? () 則相乘器的輸出為 )2c os1(])([22s i n2)( twdttmKAtwAts cfcp ????? ? () 經(jīng)低通濾波器取出其低頻分量 ?? dttmKAts fd )(2)( () 再經(jīng)微分器，即得解調輸出 )(2)( tmAKtm fo ? () 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 17 頁 共 55 頁 解調 系統(tǒng)的 仿真及性能分析 模擬調制系統(tǒng)的仿真分析 AM 信號的 仿真及分析 AM信號調制 、 解調與頻譜如圖 ，在輸入的調制信號頻率為 1KHz幅度為 2V，載波頻率為 10K Hz，系統(tǒng)帶寬為 2KHz前提下其基帶信號函數(shù) 為 sqrt(2) * cos(2*pi*fm*t) ， 合成的調制信號函數(shù) (A + mt)*cos(2*pi*fc*t)，上圖為 AM信號波形與原基帶信號的比較。從圖中我們可以看到 AM信號的包絡與基帶調制信號成正比，即 基帶信號的信息被寄載到載 波中。中圖為接收端接收到的 AM信號 通過相干解調后的輸出波形與原基帶信號的比較。從圖中我們可以看出 解調出來的波形與原基帶信號波形完全一致，說明解調信號就是原原基帶調制信號。下圖為發(fā)射端的 AM信號頻譜分析。由頻譜可以看出， AM信號的頻譜由載頻分量、上邊帶、下邊帶三部分組成。 上邊帶與原調制信號的頻譜結構相同，下邊帶是其鏡像 [7]。 因此， AM信號是帶有載波分量的雙邊帶信號，它的帶寬是基帶信號帶寬 Hf的 2倍，即 HAM f2B ? () 當 m(t)為確知信號時，調制信號功率為： scAM PPtmA ???? 2 )(2P220 () AM 信號的總功率包括載波功率和邊帶功率兩部分。只有邊帶功率才與調制信號有關，也就是說，載波分量并不攜帶信息。有用功率（用于傳輸有用信息的邊帶功率）占信號總功率的比例可以寫為 )()( 2202tmA tmPPAMs ???? () 圖 AM 信號調制、解調與頻譜圖 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 18 頁 共 55 頁 DSB 信號的 仿真及分析 DSB信號的調制、解調及頻譜如圖 ，在輸入的調制信號頻率為 1KHz幅度為 2V，載波頻率為10K Hz，系統(tǒng)帶寬為 2KHz前提下 原信號函數(shù) 為 sqrt(2) * cos(2*pi*fm*t)， 調制信號函數(shù) mt.*cos(2*pi*fc*t)，上圖為 DSB信號的波形， 從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)在原調制信號為 0處，波形出現(xiàn)反相。中圖為 DSB信號經(jīng)相干解調后的信號。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)解調出來的信號與原基帶信號完全相同，實現(xiàn)了 DSB信號的完全解調。下圖為 DSB信號的頻譜圖。從頻譜圖上 看， DSB信號包含兩個頻率分量：上下變頻。 DSB 信號盡管節(jié)省了載波功率，但他所需的傳輸帶寬與 AM 信號帶寬相同，是調制信號帶寬的兩倍。不僅節(jié)省發(fā)送功率，而且節(jié)省一半的 傳輸頻帶，這種方式被稱為單邊帶調制。 圖 DSB 信號的調制、解調與頻譜圖 SSB 信號的 仿真及分析 SSB 信號的調制、解調與頻譜如 圖 所示，在輸入的調制信號頻率為 1KHz 幅度為 2V，載波頻率為 10K Hz，系統(tǒng)帶寬為 2KHz 前提下其基帶信號函數(shù) 為 sqrt(2) * cos(2*pi*fm*t)， 合成的調制信號函real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t))，上圖為 SSB 信號的波形， 以看到 SSB 信號為一等幅波，已無法直接反應原基帶信號的波形。 中 圖為 SSB 信號 經(jīng)過相干解調后的信號波形與原基帶信號的波形比較，從圖中我們可以看到 解調信號與原基帶調制信號的波形完全一致，說明 SSB 信號實現(xiàn)了完全解調。 下 圖為 SSB信號的頻譜圖，可知 SSB 信號的頻譜中只包含一個邊帶。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 19 頁 共 55 頁 圖 SSB 信號的調制、解調與頻譜 VSB 信號的 仿真 及分析 VSB信號的調制、解調與頻譜如圖 ，輸入的調制信號頻率為 1KHz幅度為 2V，載波頻率為 10K Hz，系統(tǒng)帶寬為 2KHz前提下其基帶信號函數(shù) 為 mt = sqrt(2) * ( cos(2*pi*fm*t) + sin(2*pi**fm*t) )， 合成的調制信號函 mt.*cos(2*pi*fc*t)，上圖為 VSB信號的波形。中圖為 VSB信號經(jīng)過相干解調后的信號與原基帶調制信號的波形對比，我們發(fā)現(xiàn)解調信號基本與原基帶信號完全相同。下圖為 VSB信號的頻譜圖，在頻譜圖上我們可以明顯看到 VSB信號的頻譜分量為一個完整的邊帶和殘留了一部分的另一個邊帶。 圖 VSB 信