幅度调制与角度调制

前言

记录通信原理中调制和解调相关学习笔记。

一、调制简介

1、调制定义

比喻——货物运输：将货物装载到飞机/轮船的某个仓位上

调制：把消息信号搭载到载波的某个参数上，形成已调信号。

载波：某种高频周期性振荡信号，如正弦波。    受调载波称为已调信号，含有消息信号特征。

解调：调制的逆过程，从已调信号中恢复信息信号。

2、调制目的

• 匹配信道特性，减小天线尺寸，提高辐射效率
• 频谱搬移，实现信道的多路复用，提高信道利用率
• 扩展信号带宽，提高系统抗干扰能力
• 实现带宽与信噪比的互换（有效性和可靠性）

通过提高发射信号的频率进而减小制作天线的尺寸长度。

3、调制的分类

①、调制的过程

②、下图展示了都有哪些调制方式：

二、幅度调制（线性调制）

1、幅度调制的一般模型

幅度调制——消息信号控制正弦载波的幅度

时域：

频域：

；

2、常规双边带调幅 AM

①、AM 信号的产生

条件：设消息信号

的均值为 0，即

，且

，外加直流偏执

，然后与载波进行相乘，即可得到 AM 信号。

②、AM 调制器的模型

③、AM 波形和频谱

④、AM 信号的特点

时，AM 波的包络正比于调频信号

，故可采用包络检波。

• AM 的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。
• AM 传输带宽是调制信号带宽的两倍，

。

• AM 的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。
• AM 的缺点主要是调制效率（功率利用率）低。（

%）

⑤、AM 包络检波

条件：

特点：简单；不需要相干载波（非相干解调）；但是，小信噪比时有门限效应。

⑥、调幅系数

——反映调幅信号

改变载波幅度的程度 ——涉及 AM 的功率分配和调制效率

3、抑制载波双边带 DSB

①、如何提高调制效率？

—— 抑制已调信号中的载波分量（等效于去掉基带信号中的直流偏执

），这种方式称为抑制载波的双边带调制，简称双边带调制 DSB

②、DSB 波形与频谱

③、DSB 信号的特点

• 包络不再与

成正比；当

改变符号时载波相位反转，故不能用包络检波，需要相干解调。

• 五载频分量，只有上、下边带。
• 带宽与 AM 的相同：

。

• 调制效率 100%，即功率利用率高。
• 主要用作 SSB、VSB 的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。

④、相干解调（同步检波）

采用相干解调的方式解调 DSB 信号

适用：AM、DSB、SSB、VSB 要求：载波同步

——本地载波（相干载波-----与调制载波同频同向）

若接收端提供的本地载波不相干（如同频不同向），那么对解调带来衰减甚至失真问题

4、单边带调制 SSB

①、SSB 信号的产生

（1）滤波法

原理：先形成 DSB 信号，边带滤波即得上或下边带信号 要求：滤波器

在载频处具有陡峭的截止特性。—— 技术难点之一

（2）相移法

②、SSB 信号的特点

• 优点之一是频带利用率高。其传输带宽仅为 AM/DSB 的一半：

，因此，在频谱拥挤的通信场合获得了广泛应用，尤其在短波通信和多路载波电话中占有重要的地位。

• 优点之二是低功耗特性，因为不需传送载波和另一个边带而节省了功率。这一点对于移动通信系统尤为重要。
• 缺点是设备较复杂，存在技术难点。也需相干解调。

5、残留边带调制 VSB

—— 介于 SSB 和 DSB 之间的折中方案

**单边带存在的问题是难以实现陡峭的边带滤波特性。解决办法是逐步切割，圆滑滚将。

①、VSB 滤波器特性

应满足什么条件

若要无失真恢复

，

应满足如下条件：

含义：

必须满足：在载频处具有互补对称特性

②、VSB 滤波器的几何解释

是将具有互补对称的特性左右平移

叠加的结果，等于常数

③、VSB 信号的特点

• 仅比 SSB 所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。

。

• 应用：商业电视广播中的视频信号传输等。

6、AM/DSB/SSB/VSB 关系

三、角度调制（非线性调制）

由于频率和相位是微积分的关系，所以无论调频还是调相，都会使载波的角度发生变化，所以调频和调相统称为角度调制。

1、调频和调相的基本概念

角调信号：

，其中幅度

恒定，

随

变化

<1>、调相（PM）：相位偏移 若相位偏移

正比于消息信号

的变化规律，则已调信号为调相信号，其中

是相移常数（rad/V）。

<2>、调频（FM）：角频偏 若角频偏

正比于消息信号

，而相位偏移

正比于消息信号

的积分，则已调信号为调频信号，其中

为频偏常数（Hz/V），表示单位调制电压产生的频偏量，也称调频灵敏度。

2、两者关系

由于频率和相位是微分积分关系： 频率 ~ 相位：微分积分 调相 ~ 调频：相互转化 ①、若把调制信号

先微分再调频，则可得到调相信号

调相波 PM 是频率正比于调制信号

微分的等幅波，下面给出了消息信号是正弦波和矩形脉冲的两种情况

②、若把调制信号

先积分再调相，则可得到调频信号

调频波 FM 是频率正比于调制信号

的等幅波，它的波形的疏密随着消息信号

的大小变化，即

越大 -> 频率越高 -> 波形越密

3、FM 和带宽

①、调频参数和最大频偏

从单音信号入手，单音

，

最大频偏：

调频指数（最大相位偏移）：

，注：

为调制频率

调频指数是调频波的一个重要参量，涉及到 FM 的传输带宽、功率分配以及抗噪性能

②、FM 频谱

调频信号的频谱是由分布在载频分量

两侧的无数多对边频

组成，其幅度取决于

（调频指数）

③、FM 带宽

从理论上讲， FM 信号的带宽为无穷大，但是从工程应用的角度来讲，在下面频带内，集中了98%的信号功率

常用卡森公式计算调频波的带宽：

时 —— 窄带调频（NBFM），这个时候带宽取决于调制频率

时 —— 宽带调频（WBFM），这个时候带宽取决于最大频偏

推广：对于多音或任意带限调制信号，FM 带宽：

，

，

为调制信号

的最高频率——带宽

4、FM 信号的产生与解调

①、FM 信号的产生

1）直接法

• 原理：调制电压

直接控制振荡器的频率，

• 优点：电路简单，可获得较大频偏
• 缺点：频率稳定度不高
• 改进：采用 PLL 调频器

2）间接法

• 原理：积分 -> 调相 -> n次倍频 ->WBFM
• 优点：频率稳定度好
• 缺点：需要多次倍频和混频，电路较为复杂

②、FM 信号的解调（鉴频）

5、FM 特点与应用

①、FM 特点

• 包络恒定（幅度恒定）
• 非线性调制（频偏正比于

，相偏正比于

的积分）

• 带宽比 AM 大

倍：

• 优势：抗噪能力强
• 代价：占用较大信道带宽，频谱利用率低

②、FM 应用

高质量或信道噪声大的场合，如调频广播，电视伴音、卫星通信、移动通信、微波通信和蜂窝电话…。