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第5章振幅调制、解调及变频器;
5.1概述;
调制的定义是:使载波的某一参数随原调制信号成线性变化的过程。无论是模拟调制还是数字调制,其基本的调制方式主要有调幅、调频及调相三种。有时将调频及调相统
称为调角。在这三种基本调制方式的基础上,通过变化,可实现各式各样的调制方式。;
之所以要将原始低频信号调制到高频载波信号上,主要基于以下原因:
(1)在无线通信系统中,只有当天线尺寸与电磁波波长相当时才能有效地进行电磁波辐射,而我们需要传送的原始信号如音频信号等,通常频率较低(波长较长),所以需要通过调制提高其频率,以便天线辐射高频功率。
(2)为了实现信道复用,如果多个同频率范围的信号同时在一个信道中传输必然会相互干扰,若将它们分别调制在不同的载波频率上,且使它们不发生频谱重叠,就可以在一个信道中同时传输多个信号了,这种方式称为信号的频分复用。
;
(3)利用调制解调技术可以提供有效的方法来克服信道缺陷,比如信道的加性噪声、失真和衰落等。;
5.2振幅调制;
1.标准振幅调制信号(AM)
1)AM波的数学表达式及波形
首先讨论单频信号的调制情况。设单频调制信号uΩ(t)=UΩmcosΩt,载波uc(t)=Ucmcosωct,则调幅信号(即已调信号)可表示为
式中:UAM(t)表示已调信号的瞬时振幅值,也是调幅波的包络函数。;?;
把式(5.2.2)代入式(5.2.1),可得到单频信号调幅波的数学表达式为
图5.2.1为单频调制时调幅波的示意图。其中:图(a)为单频调制信号的波形;图(b)为载波的波形;图(c)为调制系数ma1时已调波的波形;图(d)为调制系数ma=1时已调波的波形;图(e)为调制系数ma1时已调波的波形,此时调幅波的包络形状与调制信号不一样,产生了严重的包络失真,这种情况称为过量调幅,实际应用中应当避免。因此,为了使调幅波不失真,保证已调波的包络真实地反映出调制信号的变化规律,要求调制系数ma必须满足0ma1。;
;
以上分析中,调制信号为单一频率的正弦信号,而实际的调制??号包含许多频率分量,是一个具有连续频谱的限带信号。如果将某一连续频谱的限带信号uΩ(t)=f(t)作为调制信号,那么调幅波可表示为
将f(t)利用傅里叶级数展开为;
将上式代入式(5.2.4),则调幅波的表达式为;
2)AM波的频谱和带宽
由图5.2.1(c)可知,调幅波不是一个简单的正弦波形,在时域中分析调幅信号比较困难,因此,常常采用频域分析法(即采用频谱图)来表述振幅调制的特征。
(1)单频调幅信号的频谱。在单频调制的情况下,调幅波如式(5.2.3)所描述,将式(5.2.3)利用三角公式展开,可得;
上式表明,单频调制的调幅波包含三个频率分量,即载波分量ωc、上边频分量ωc+Ω和下边频分量ωc-Ω,它是由三个正弦波叠加而成的,其频谱图如图5.2.2所示。;
(2)限带调幅信号的频谱。实际的调制信号包含很多的频率分量。如果将式(5.2.6)所表示的限带调幅信号展开,可得;
可见,经调制后限带信号的各个频率都会产生各自的上边频和下边频,叠加后就形成了上边带和下边带,每个边频带中各频率的相位振幅及相对位置未变。由于上下边频成对出现且振幅相等,因此上、下边带的频谱分布相对于载波是镜像对称的。其频谱如图5.2.3所示。;
;
通过上述对调幅波频谱的分析可知,从频域上看,振幅调制的过程就是把低频调制信号的频谱搬移到载频的两侧,搬移后频谱结构不发生改变,这种搬移称为线性搬移。因此,振幅调制的过程就是频谱的线性搬移过程,且调制信号的信息只存在于调幅波的两个边频带中。;
3)AM波的功率分配
单频调制时,如果将式(5.2.3)所表示的调幅波传送至负载电阻RL,那么调幅波各频率分量在RL上消耗的功率分别如下:
①RL上消耗的载波功率:
②上边频功率:;
③下边频功率:
④在调制信号一个周期内,调幅信号的平均功率:;
⑤两个边带总功率:
由此可得双边带功率与平均总功率的比值为;
2.抑制载波的双边带调幅信号(DSB)
以上讨论指出,标准振幅调制中AM信号所携带的信息只存在于两个边频带内,不含信息的载波占用了调幅波功率的绝大部分,导致功率利用率低。如果在传输前将不包含信息的载波抑制掉,则可以大大节省发射功率,且仍然具有传递信息的功能。这就是抑制载波的双边带调幅(DSB),简称双边带调幅。;
由AM信号的表达式可知,AM信号展开后包括两部分,即载波项和调制信号与载波的相乘项,将载波去掉后,只剩下相乘项,即双边带信号的表达式为;
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