现代通信原理：第三章 模拟调制系统.ppt

第3章 模拟调制系统概述概述2.1 线性调制原理线性调制原理2.2 线性调制与解调的实现线性调制与解调的实现2.3 线性调制系统的抗噪性能线性调制系统的抗噪性能2.4 模拟角调制原理模拟角调制原理2.5 调频信号的调制与解调调频信号的调制与解调 2.6 鉴频解调的抗噪性能鉴频解调的抗噪性能2.7 模拟调制系统综合性能比较和应用模拟调制系统综合性能比较和应用2.8 载波同步载波同步2.9 频分复用频分复用2.10 复合调制与多级调制复合调制与多级调制本章小结本章小结概述概述 调制与解调是模拟通信的主要内容本章将讨论模拟调制与解调是模拟通信的主要内容本章将讨论模拟信号的线性调制与非线性调制方式、性能与应用信号的线性调制与非线性调制方式、性能与应用调制：调制：以正弦波为载波，通过载波与基带信号的复合，以正弦波为载波，通过载波与基带信号的复合，对基带信号进行频谱变换；相干或非相干解调对基带信号进行频谱变换；相干或非相干解调线性调制：线性调制：调制后信号频谱为基带信号（调制信号）调制后信号频谱为基带信号（调制信号）频谱的平移及线性变换频谱的平移及线性变换AM、、DSB、、SSB、、VSB非线性调制：非线性调制：已调信号与调制信号频谱不存性变已调信号与调制信号频谱不存性变换关系。

换关系FM、、PM 适应模拟信道传输特性：适应模拟信道传输特性：例如，为了采用无线传送等方例如，为了采用无线传送等方式，将（式，将（0.3～～3.4KHz）有效带宽内的语音基带信号调制到高）有效带宽内的语音基带信号调制到高频段上去频段上去实现信道频分复用：实现信道频分复用：例如将多路信号互不干扰地在同一例如将多路信号互不干扰地在同一物理信道中同时传输物理信道中同时传输提高抗干扰性：提高抗干扰性：抗干扰性（即可靠性）与有效性互相制抗干扰性（即可靠性）与有效性互相制约，通常可通过牺牲有效性来提高抗干扰性，如用约，通常可通过牺牲有效性来提高抗干扰性，如用FM替代替代AM 调制的功能：调制的功能：2.1 线性调制原理线性调制原理1、常规双边带调幅（、常规双边带调幅（AM））（（1））时域表达：时域表达： 其中其中 AM的已调信号是外加直流分量后的调制信号与载波的的已调信号是外加直流分量后的调制信号与载波的乘积v调幅指数：若调制信号为单频余弦，调幅指数：若调制信号为单频余弦，（（2）频域表达）频域表达：：vAM的幅度谱的幅度谱v时频对应图形及上下边带时频对应图形及上下边带›对任意对任意 t ，有有A0+ f (t) ≥ 0 ,或或m ≤ 1（工程中一般取（工程中一般取0.3～～0.8）。

›定义定义m = | f (t)|max /A0AM 的频谱特点：的频谱特点：1 1））AMAM调制后出现频谱搬移（调制后出现频谱搬移（±ωc ±ωc ））4）调制的深度用）调制的深度用调制指数调制指数m衡量衡量5）不失真条件：）不失真条件：›载波频率远远大于信号最高频率分量，即载波频率远远大于信号最高频率分量，即：ωc> > ωm2 2））AMAM信号的频谱具有对称性（相对于信号的频谱具有对称性（相对于±ωc ））›上边带和下边带上边带和下边带3）已调信号带宽）已调信号带宽 = 2倍基带信倍基带信号号 带宽：带宽： B = 2ωm 举例：单频余弦波调幅举例：单频余弦波调幅上边频上边频下边频下边频举例：任意波形调幅举例：任意波形调幅上边频上边频下边频下边频上边带上边带下边带下边带（（3））AM信号的功率分配信号的功率分配vAM的调制效率的调制效率 ：： AM波的功率由载波和边带功率共同构成波的功率由载波和边带功率共同构成载波功率载波功率边带功率边带功率常规双边带幅度调制（标准调幅）特点讨论常规双边带幅度调制（标准调幅）特点讨论①①已调信号的幅度随调制信号而变化。

因此，已调信号的幅度随调制信号而变化因此，调幅信号幅度的包络线近似调幅信号幅度的包络线近似为调制信号的波形为调制信号的波形只要能取出这个包络信号就可实现解调（包络检波解只要能取出这个包络信号就可实现解调（包络检波解调实现容易，且收端无需提取相干载波）调实现容易，且收端无需提取相干载波） ② ②调幅波的频谱由两部分组成调幅波的频谱由两部分组成一部分是未调载波的频谱，另一部分是分一部分是未调载波的频谱，另一部分是分别平移至别平移至±ωc 处的调制信号的频谱，幅度减半处的调制信号的频谱，幅度减半 ③③标准调幅信号所占的频带宽度为标准调幅信号所占的频带宽度为 2ωm 2ωm ，即它是，即它是调制信号频带宽度的两调制信号频带宽度的两倍倍但从传递信息的角度看，标准调幅信号所占的频带宽度中有一半是多余但从传递信息的角度看，标准调幅信号所占的频带宽度中有一半是多余的，因此，这种调幅方式在频率资源利用上是有缺点的的，因此，这种调幅方式在频率资源利用上是有缺点的④④在调幅波中，欲传送的信息包含在边带内，在调幅波中，欲传送的信息包含在边带内，载波分量并不包含欲传送的信载波分量并不包含欲传送的信息而它所占有的功率却为总功率的一半以上。

因此，从有效地利用发射机而它所占有的功率却为总功率的一半以上因此，从有效地利用发射机功率的角度考虑，标准幅度调制是有缺点的功率的角度考虑，标准幅度调制是有缺点的2、抑制载波双边带调幅（、抑制载波双边带调幅（DSB-SC））（（1）时域表达：）时域表达：（（2）频域表达：）频域表达：（（3）调制效率：）调制效率： 结论：结论：AM DSB-SC，去掉了载频分量，节省了发送功率；但其，去掉了载频分量，节省了发送功率；但其解调较解调较AM复杂（相干载波提取困难）复杂（相干载波提取困难）3、单边带调幅（、单边带调幅（SSB））§ 双边带抑制载波调幅方式中，不含固定载波分量，因而可双边带抑制载波调幅方式中，不含固定载波分量，因而可以有效地利用发射机的功率传递信息但它是双边带信号，以有效地利用发射机的功率传递信息但它是双边带信号，所占带宽仍为调制信号最高角频率的两倍所占带宽仍为调制信号最高角频率的两倍§ 而从有效传输信息的角度看，只要传送一个边带就够了，而从有效传输信息的角度看，只要传送一个边带就够了，只传送一个边带的调幅信号称为单边调幅，可以选择上边只传送一个边带的调幅信号称为单边调幅，可以选择上边带也可以采用下边带。

带也可以采用下边带§ 显然，显然，SSB既可充分利用发射机的功率又节省占有频带所既可充分利用发射机的功率又节省占有频带所以，它是传输信息的效率最佳的调幅方式以，它是传输信息的效率最佳的调幅方式但是实现这种调幅方式的调制和解调技术都比较复杂但是实现这种调幅方式的调制和解调技术都比较复杂1）频域表达：）频域表达：F(ω)SAM(ω)SDSB(ω)SSSB(ω)（（2）时域表达）时域表达可以证明：希尔伯特变换的实质是一个可以证明：希尔伯特变换的实质是一个90度移相网络度移相网络3）优点）优点›比比DSB节省一半的信号发送功率；节省一半的信号发送功率；›比比DSB节省一半的信号传输带宽节省一半的信号传输带宽 （（4）缺点：）缺点：›调制端对边带滤波器提出很高要求调制端对边带滤波器提出很高要求尤其是截止特性陡峭的尤其是截止特性陡峭的高频网络更难制作高频网络更难制作实际中，往往采用实际中，往往采用多次频移及多次滤波多次频移及多次滤波的办法来实现；的办法来实现；›解调端需要提取相干载波，载波同步困难解调端需要提取相干载波，载波同步困难4、残留边带调制（、残留边带调制（VSB））讨论：讨论： 1）从有效传输信息的角度，）从有效传输信息的角度，SSB是各种调幅方式中最好的。

但是各种调幅方式中最好的但SSB的调制与解调比较复杂的调制与解调比较复杂 2））SSB不适于传送带有直流分量的信号（或大量低频分量）不适于传送带有直流分量的信号（或大量低频分量） 3）在单边带调幅和双边带调幅之间找到了一种）在单边带调幅和双边带调幅之间找到了一种折衷方式折衷方式，这就，这就 是残留边带调幅，简记为是残留边带调幅，简记为VSB，在，在1）和）和2）两方面较优两方面较优4））VSB与与SSB同，它传送被抑制边带的一部分，同时又将被传同，它传送被抑制边带的一部分，同时又将被传送边带抑制掉一部分，故称其为残留边带送边带抑制掉一部分，故称其为残留边带为了保证信号无为了保证信号无失真地传输，传送边带中被抑制的部分和抑制边带中被传送失真地传输，传送边带中被抑制的部分和抑制边带中被传送的部分应满足的部分应满足互补对称关系互补对称关系（（1）频域表达）频域表达 HVSB(ω)0①② ③①③ ②HVSB(ω)0①②③①③②残留部分上边带滤波器残留部分上边带滤波器①①下边带全通区下边带全通区②②下边带抑制区下边带抑制区③③上边带抑制区上边带抑制区残留部分下边带滤波器残留部分下边带滤波器①①上边带全通区上边带全通区②②上边带抑制区上边带抑制区③③下边带抑制区下边带抑制区 那么残留边带滤波器为什么能实现丢失信息的互补呢？它又为什么被称为互补对称滤波器呢？ 以下以残留上边带滤波器为例，就这两个问题进行说明。

v互补性：HVSB(ω)0xα0xξξαyySDSB(ω) v对称性： 综上所述，综上所述，DSBDSB信号通过互补对称滤波器即可得到信号通过互补对称滤波器即可得到VSBVSB信号；由于这种互补对称特性，使得信号；由于这种互补对称特性，使得VSBVSB信号有可能实信号有可能实现无失真解调现无失真解调3）时域表达）时域表达v 残留边带调幅残留边带调幅VSB优点：优点：1）残留边带滤波器（滚降特性的滤波器）的实现比要）残留边带滤波器（滚降特性的滤波器）的实现比要求具有无限截止特性的单边带滤波器容易求具有无限截止特性的单边带滤波器容易2）在节省带宽方面几乎和）在节省带宽方面几乎和SSB相同3）允许调制信号（基带信号）含有低频和直流成分，）允许调制信号（基带信号）含有低频和直流成分，其特性同其特性同DSB、、AM习题2.1P85-86：：v习题习题4-1：加第（：加第（3）问）问——说明（说明（1）、（）、（2）所表示）所表示的是何种线性调制方式的是何种线性调制方式v习题习题4-3、、4-4思考题v本节描述了单对用户通信下的残留边带滤波器的互补本节描述了单对用户通信下的残留边带滤波器的互补对称特性；对于频分复用信道，残留边带滤波器形式对称特性；对于频分复用信道，残留边带滤波器形式应该怎样？应该怎样？第2节 线性调制与解调的实现1、调制的实现（1）滤波法vAM：vDSB-SC：f(t)[f(t)+A0]cosωctA0cosωctf(t)cosωctcosωctf(t)vSSB：vVSB： HVSB(ω)—具有互补对称滚降特性的残 留边带滤波器。

SSSB(t)cosωctf(t)HSSB(ω)SVSB(t)cosωctf(t)HVSB(ω)v一般形式： S(t)cosωctA0+f(t)H(ω)（2）相移法vSSB：由公式得：+-v一般表达： DSB-SC： SSB：+2、线性解调的实现(1)AM解调v包络检波：(e)(d)(c)(a)(b) (g)(f)上包络下包络上包络(h)下包络 在图(c)情况下，保证A0+f(t)≥0恒成立，已调信号的上包络即反映了A0+f(t)波形，如图(g)所示因此只要对常规调幅信号检测出上包络，即可实现包络检波解调 在图(e)情况下，A0+f(t)有部分区域小于0，导致已调信号上、下包络部分重叠，如图(h)所示在部分重叠区解调电路无法正确区分上、下包络，因而无法使用包络检波正确解调所以包络检波解调的前提条件是A0+f(t)≥0检波电路：参见RC一阶电路的暂态响应 y(t)类似于一阶直流 电路的暂态充、放电 过程。

如图(I)所示， 0~2段相当于放电过 程，2~3段相当于充 电过程只要满足条 件 ， 即可得到较为平滑的 y(t)曲线SAM(t)y(t)RC上包络0213y(t) 为使y(t)更为平滑以接近A0+f(t)，通常可在检波后增加一个低通滤波器，最后去除A0 直流分量即可得到与f(t)近似的波形完整的包络检波实现框图如下：v思考题： 用图形示例说明，若f(t)频率很高时，包络检波为什么不能正常工作？SAM(t)包络检波LPFx(t)≈f(t)y(t)A0+-v相干解调：AM相干解调的实现框图： LPF（2）DSB-SC解调 对于DSB-SC信号，不能保证A0+f(t)≥0，所以DSB-SC信号不能采用简单的包络检波解调，一般使用相干解调。

与AM相干解调原理类似地，可得到DSB-SC相干解调实现框图： DSB-SC相干解调的无频谱混叠失真条件同AM相干解调LPF（3）SSB解调（以LSB为例） 出于与DSB-SC同样的原因，SSB信号也不能采用包络检波解调 SSB相干解调实现框图： 以LSB为例， SSB相干解调原理见以下频谱示意图 LSB相干解调的频谱无混叠失真条件同AM、DSB-SCLPF （4）VSB解调（以残留上边带为例） VSB信号是SSB信号的变种，一般也采用相干解调类似地，其解调框图为：LPF 如下图(c)所示，上式第1项的频段为(3)~(4)，第2项的频段为(1)~(2)、(5)~(6)，因此利用低通滤波可以分离第1项和第2项，其原理是：HVSB(ω+ ωc)0①④⑥②③⑤HVSB(ω- ωc)0HVSB(ω)LPF•思考题：自行推导USB信号、残留部分下边带信号的 解调原理和频谱无混叠失真条件（5）线性相干解调一般模型LPF•下节课：线性调制系统的抗噪性习题 2.2 第3节 线性调制系统的抗噪性1、模拟通信系统抗噪性能分析模型NBPF解调器（1）信噪比：信号与噪声功率之比，用以表明合成信号的质量指标。

（2）窄带高斯噪声模型—ni(t)的数学表示v窄带随机过程： 定义为随机过程通过窄带带通滤波器NBPF的输出 v窄带高斯噪声：是高斯白噪声通过窄带带通滤波器NBPF后的输出 所谓高斯白噪声是这样一种随机噪声：其功率密度谱在整个频率轴上都是平坦的—频域白色调；概率密度函数为正态分布（高斯分布）—时域高斯分布（3）分析方法 在ni(t)为零均值窄带高斯噪声的假设前提下，依据抗噪性分析模型，得出特定调制/解调模式下的解调器信噪比增益G2、相干解调的抗噪性能LPF相干解调器LPF（1）DSB-SC（2）AM（3）SSB3、AM包络检波的抗噪性能包络检波解调器NBPF（1）大信噪比情况：（2）小信噪比情况：v门限效应：在解调器输入信噪比低于一定值的情况下，包络检波将有用信号扰乱成噪声，导致输出信噪比急剧恶化的现象称为门限效应开始出现门限效应时的输入信噪比称为AM包络解调门限4、线性调制系统的综合性能比较（1）可靠性： GAM(相干)=GAM(小噪包检)<1，GAM(大噪包检)最差，GDSB=2，GSSB=1vGDSB=2>GSSB=1，并不意味着DSB相干解调抗噪性能优于SSB：对于同一调制信号f(t)，SiDSB=E[f2(t)]/2>SiSSB= E[f2(t)]/4 ，发射信号功率不同。

若令S’iSSB = SiDSB =2 SiSSB ，其他条件不变，则 即当解调器有相同输入信号功率时，输出信噪比相同v可靠性对比结论： DSB=SSB>VSB>AM(相干)>AM(小噪包检)>AM(大噪包检)（2）有效性：WAM=WDSB=2ωm ,WSSB=ωm ,WVSB=1~2ωmv结论：SSB>VSB>AM=DSB（3）易实现性：AM>DSB>VSB>SSB包检解调 调制不滤波 滚降滤波 理想滤波（4）发射功率：DSB

由以上讨论看出， PM与FM是可以互换的，没有本质区别 FM带宽不受限制，在实用中更普遍调频微分调相积分4、调频信号的带宽（1）卡森公式（2）宽带调频和窄带调频v宽带调频：v窄带调频：第5节 调频信号的调制与解调1、调制：分为直接法和间接法（1）直接法：VCO压控振荡器简介v压控振荡器：是一种变频控制元件，用外加电压控制振荡频率 一般是在振荡电路中加入变容二极管，外加电压加在变容二极管上，电压变化导致变容二极管的电容量变化，即振荡电路的电容量变化，则振荡频率发生改变 v例：Motorala 公司MC1648芯片（2）间接法：用窄调频间接实现宽调频v原理：v框图：n级倍频器2、解调（1）鉴频解调：原理：BPF：滤除调频信号频带以外的噪声限幅器：去除大幅噪声微分：限幅器包检LPFBPF包检：LPF：注：鉴频解调对于窄带、宽带调频皆适用（2）NBFM的相干解调LPFBPF原理：第6节 鉴频解调的抗噪性能1、鉴频解调抗噪性分析模型 限幅鉴频LPFBPF2、大信噪比下的解调器增益 经过一定的推导可得：3、小信噪比下的门限效应及其改善方法 门限效应可以利用“预加重/去加重”技术加以改善。

这是由于：解调器输出噪声功率谱密度Po(f)正比于频率f，抑制高频噪声分量有利于改善解调输出信噪比 若在发端调制前提升调制信号高频分量（预加重），而在收端解调之后做反变换以便使信号频谱恢复原状（去加重），就能减少噪声高频分量功率，因为在解调后压低高频信号分量的同时高频噪声分量也受到了抑制•思考题： AM和FM在解调原理上有类似的地方，也都存在门限效应，那么AM的门限效应是否也可以类似预加重/去加重技术的办法来改善呢？4、与AM比较（1）带宽：（2）输出信噪比：第7节 模拟调制系统综合性能比较和应用1、模拟调制系统综合性能比较（1）可靠性 （2）有效性（3）调制解调2、模拟调制系统的应用AM：无线电广播—包络检波清晰度不高DSB：小带宽信号多路复用SSB：载波多路复用系统，尽量减少带宽VSB：广播电视—图象有低频分量FM：无线电广播、立体声广播、电视伴音、微波中继—高保真、占带宽多v习题2.7：P88/4-16v下节课：频分复用、多级调制与复合调制、载波同步系统第8节 载波同步 模拟通信系统当采用相干解调时，收端需要提供一个与发端调制载波同频同相的相干载波。

这个相干载波的获取称为载波提取或载波同步，载波同步的精确性直接影响着相干解调的可靠性 载波同步实现方法很多，从实现机制上可分为两大类：插入导频法和直接法 插入导频法是在发送已调信号的同时，在已调频谱空隙的适当位置上，插入称为导频的正弦波，收端由导频提取相干载波 直接法是指已调信号本身不含载波分量，但可利用某种非线性变换直接从其中提取载波信息在模拟通信系统中，同相正交环法提取相干载波应用较广 以下以DSB相干解调为例，介绍载波同步原理1、插入导频法DSB频谱： 由图可见，DSB频谱在载频处的频谱分量为0，载频附近的频谱分量也很小因而发端可在载频fc点插入导频，而在收端用窄带滤波器滤出此导频不过，这个插入导频并非原来的调制载波c·cosωct，而是正交载波c·sinωct，如下图所示发端框图：BPF-π/2收端框图：BPFπ/2NBPFLPF 但若插入导频为调制载波，则发端和收端都没有移相环节，收端解调过程为：2、同相正交环法（科斯塔斯法） 同相正交环法是一种从已调信号中直接提取载波相位的方法。

其基本原理是：在收端产生一个与发端同频但相位可能不同的本地载波，利用正交锁相环提取本地载波与调制载波间的相位差，然后不断调整本地载波的相位使之逐渐逼近调制载波的相位见图：LPF2VCOLPF1LPF3-π/2第9节 频分复用（FDM） 在通信系统中，信道所能提供的带宽往往要比 传送一路信号所需的带宽宽得多因此，一个信道只传送一路信号是非常浪费的为了充分 利用信道的带宽，因而提出了频分复用的问题 频分复用是一种将若干个彼此独立的信号调制到不同的频段，进而合并为可在一个信道上传输的复合信号的方法 最为典型的频分复用系统是载波多路复用，因为单边带信号能最大限度地节约带宽，因此这种系统使用的就是单边带信号它利用不同频率的载波将各路基带信号分别调制为不同频段的单边带信号，进而合并为在同一信道上同时传输的复合信号；在收端用带通滤波器进行分路 以下是这种系统的组成原理以LSB载波n路复用系统为例： n路信号经过不同频率的载波调制，其下边带信号分别占用不重叠的频段，从而可以在收端用带通滤波器正确分路。

在选择各路载频时，应考虑到单边带频谱的宽度fm；同时，为了防止邻路信号间在信道传输中的频谱展宽造成相互干扰，各路信号间还应留有一定的防护频带fg显然，若fg越大，对单边带滤波器的技术指标可适当放宽，但信道频带利用率就不高频分复用系统和分路系统：调制器1调制器2调制器n信道解调器1解调器2解调器nBPF1BPF2BPFn第10节 复合调制与多级调制1、复合调制 所谓复合调制，是对同一载波进行两种或更多种的调制例如，对一个调频信号再进行一次调幅，就得到了调频调幅信号这里的调制信号可以不止一个 复合调制多用于数字调制，模拟调制使用较少2、多级调制 所谓多级调制，是对同一基带信号进行两次或更多次的调制这里的调制方式可以是相同的，也可以是不同的 常见的多级调制有等SSB/SSB、SSB/FM、FM/FM频分多路微波通信的多级调制采用了SSB/FM方式本章小结v介绍了模拟线性调制和角调制原理、调制/解调实现和抗噪性分析，以及频分复用和多调制概念v重点掌握：调制/解调的概念和作用；各种模拟已调信号的时域表达和频谱图；调制/解调系统的实现及其抗噪性分析；AM和FM包络检波的门限效应。

v下一节课内容：数字基带通信v习题：P88/4-17。