通元第三章资料.ppt

1 第3章 模拟调制系统 3.1 概述 3.2 线性调制 3.3 非线性调制 3.4 小结 2 2 3.1 概述 模拟通信的一般模型 问题： •什么是调制？ •为什么要对信号进 行调制？ 3 大量的传输信号是频带信号，比如长途与无 线通信中的传输信号 基带信号或低通信号 频带信号或带通信号 主要能量或功率集中在零频率附近； 主要能量或功率集中在频率fc附近, fc0 B- B W(f) f fc W(f) f 4 归一化能量，令(欧姆)能量： 归一化功率： 5 调制：就是用待传送的基带信号去控制 某个高频信号的幅度、频率、相位等参量变 化的过程，即用一个信号去装载(携带/运输) 另一信号 这里的控制信号称为调制信号（ modulating signal），被控制信号称为载波 （是个确知信号），输出信号又称为已调信 号(modulated signal) 6 调制的目的： 将基带信号变换成适合在信道中传输 的已调信号，便于信号的发送和接收 实现信道的多路复用 扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗 衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之 间的互换 7 以无线电广播的中波 波段为例：可用波段范围 为530KHz~1600KHz，而 语音信号的频率范围为 300～3400Hz。

530KHz1600KHz 这样中波波段中就可以均匀分布多个电台!!! 上述即为频分复用，它是通过采用不 同载波频率的调制完成的 只传输一路信 号浪费！！ 8 调制的分类 按调制信号的特征不同：模拟调制和数字调制 按调制信号控制载波信号参数的不同 幅度调制—用调制信号改变载波的幅度；AM、 DSB、SSB、VSB 频率调制—用调制信号改变载波的频率；FM 相位调制—用调制信号改变载波的相位；PM 连续波调制—载波为连续波，如余弦波 脉冲调制—载波为脉冲，如周期性矩形脉冲 序列 按载波信号不同 9 按调制器的频谱特性对调制信号的影响分： 线性调制—已调信号的频谱是调制信号的频谱 沿频率轴平移的结果；AM、DSB、SSB、VSB 非线性调制—增加了新的频率成分；PM、FM u这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信 号之间符合线性变换关系事实上，任何调制 过程都是一种非线性的变换过程 10 3.2 线性调制 q 线性（幅度）调制是用调制信号去控制载波 的振幅，使其按调制信号的规律而变化 即:在高频载波瞬时幅度的变化中包含有信息 一般模型可等效为： m(t) h(t) cosct sm(t) 数学表达式 加滤波器的目的：为了得到不同的调制信号。

11 常规调幅（Amplitude Modulation AM） 在AM调制中，调制信号含直流分量，它 可表示为直流分量A0与交流分量m(t)之和，即 载波为 根据定义，常规调幅波的时域表示式为 SAM(t) 12 由波形可以看出，当满足条件： |m(t)|  A0 |m’(t)|  1 1+ m’(t)0 时，其包络与调制信号波形相同，因此用包 络检波法很容易恢复出原始调制信号 m(t) 1 0 1+m(t) 1 0 1+m(t) +1= × = 13 反相点 产生过调幅的波形 如果|m (t)| 1 1+m(t)中有小于0的成分， 会有什么结果？ 这时用包络检波将发 生失真但是，可以 采用其他的解调方法 ，如同步检波 因此，振幅调制必须 满足 |m(t)|  1，此 时可用包络检波，反 之产生过调幅现象. 14 实际系统中，m通常取30%~60%之间 调幅度（调幅指数）：|m(t)|的最大值 称为调幅度m 1515 所对应的频域表示式为 频域分析 滤波器特性 H(w)使SAM(w) 的频谱密度无 失真地全部通 过 16 频谱图 由频谱可以看出 AM信号的频谱由 载频分量 上边带 下边带 三部分组成。

上边带的频谱结构 与原调制信号的频 谱结构相同，下边 带是上边带的镜像 载频分量 载频分量 上边带 上边带 下边带下边带 正半轴上信号能量或 功率所占的频率范围 17 功率与调制效率 AM信号的功率 则 ，且 18 调制效率：含信息的边带功率与总功率之比 载波功率 边带功率 只有边带功率才与调制信号有关 19 例题 1. 若m’(t)为幅度为Am的单频余弦信号，AM 调制，调幅度为1，求此时的调制效率 2. 若m’(t)为幅度为Am的方波信号， AM调制 ，调幅度为1 ，求此时的调制效率 结论： 调制效率不仅与调幅指数有关，还与基 带信号波形有关 2020 AM信号的解调（接收）：相干解调 和非相干解调（包络检波法） 常用的晶体二极管包络检波器： 二极管两端电压 工作过程： 初始 t=0， ＝0， 当 时，二极管导通 充电 很小，充得快 当 时，二极管截止 放电 很大，放得慢 结果： 保持在输入信号的峰值上 输入 等幅波 21 •相干解调：要求本地载波和发送载波必须相 干或同步（即同频同相），相干解调也叫做 同步解调 22 输入信号 与本地载波 相乘 低通滤波器滤除2ω0频率分量 相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同 相位的载波。

如果同频同相位的条件得不到满足，则 会破坏原始信号的恢复 23 AM调制方式在传输信息的过程中： 优点是解调电路简单，可采用包络检波法 缺点是调制效率低，载波分量不携带信息， 但却占据了大部分功率，白白浪费掉如果 抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调 制方式 抑制载波的双边带调幅（DSB-SC） 24 3.2.2 双边带(DSB)调制 • 在振幅调制(AM)中，若m(t)没有直流分量 ，即可输出DSB信号 已调信号带宽 25 q 由DSB的时间波形可知，DSB信号的包络不再与调 制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络 检波来恢复调制信号，需采用相干解调（同步检波 ） q 由频谱图可知，DSB信号虽然节省了载波功率，功 率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带 宽的两倍 DSB 信号的上、下两个边带是完全对 称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此只 需要传输其中一个边带即可 26 wDSB信号的功率和调制效率 n功率： DSB信号的功率只有携带信息的 边带功率，是调制信号功率的一半 ，即 n调制效率：100％ 27 w优点：节省了载波功率，调制效率高；调 制电路简单，仅用一个乘法器就可实现 。

w缺点：频谱中包含两个含有相同的信息边 带不能用包络检波，需用相干解调 接收机需要有专门的载波同步电路，较复杂 coswct 28 经低通滤波器滤除高频分量，得到 解调时所使用的载波与调制载波同频同 相，因此称为相干载波，相应的解调方式称 为相干解调 29 例 设本地载波信号与发送载波的频率误差和相位 误差分别为和，试分析对解调结果的影响 解: 本地载波信号为 与接收到的已调信号s(t)相乘后为 经LPF后得到 30 为了讨论方便，分别设以下两种特殊情况 （1）设△＝0，△≠0时，解调输出为 （2）设 △ ≠0，△ ＝0 时，解调输出为 31 结果说明： （1）只有相位误差时，输出幅度减小，不 产生失真 （2）只有频率误差时，m(t)随着cos(Δωt) 线 性变化，出现失真产生时变衰减，当传输 语音时，表现为语音强度随t作缓慢的周期性 变化为了得到满意的结果，一般令 |Δf|fL； 这样第二级调制后上、下边带的间隔为 此时的频率间隔取决于载频fc1 ；通常fc2 是指定的，合理地选择fc1 、1及2便可设计 出合适的单边带信号调制器。

51 例：用单边带方式传输模拟信号设载频 为12MHz，信号的频带为300Hz～3400Hz ；滤波器归一化值为10-3 试设计滤波器的方 案 解： 滤波器不可实现，需采用多级调制 单级滤波法 ： 上下边带间隔： 取 ，过渡带相对于载频的归一化值： 52 二级滤波法： 取二级滤波器的归一化值 已知 两级滤波器均可实现 53 滤波法的基本要求： 调制信号的低频分量不能太低 •如果调制信号的低频分量接近 零频呢？ 54 用相移法形成单边带信号￿￿ 设单频调制信号为 载波为 则DSB信号的时域表示式为 若保留下边带，则有 若保留上边带，则有 两式仅正负 号不同 55 将上两式合并： 式中，“－”表示上边带信号，“+”表示下 边带信号 希尔伯特变换：上式中Amsinmt可以看作 是Amcosmt 相移-/2的结果把这一相移 程称为希尔伯特变换，记为“ ^ ”，则有 这样，上式可以改写为 56 coswct sinwct Hilbert滤波器实质上是一个宽带相移网络，幅度不 变，所有频率分量均相移/2 1/t 1/(-t) 57 单边带信号只能用相干解调 相干解调的框图如图所示，解调 器由乘法器和低通滤波器组成。

单边带信号相干解调的基本模型 58 单边带信号的时域表达式为 乘上相干载波后得 经低通滤波器后的解调输出为 59 从频域来看解调过程 若 z(t) =x(t) y(t)，则有 Z()=X()Y()/2π 单边带信号解调时， 用载波cos0t 和接收信号 相乘，相当于 在频域中载波频谱和信号 频谱相卷积 图3.2.8 单边带信号的解调 S(w ) (b) 上边带信号频谱 上边带 上边带 w00-w0 w 2w0-2w0 (a) 载波频谱 w00-w0 f C(w ) (c) 载波和上边带信号频谱的卷积结果 w00-w0 w 2w0-2w0 M(w ) HL(w ) 60 ①不但可节省载波发射功率，而且它所占 用的频带宽度为BSSB=fm=BDSB/2 ￿￿ ②SSB信号的解调和DSB一样不能采用简 单的包络检波，需采用相干解调 ③对滤波器特性要求严格, 由于理想滤波 器不可能实现，所以要求调制信号的低 频分量不能太低 SSB信号的特点： 61 3.2.4 残留边带调制（VSB） n残留边带（VSB）调制是介于单边带调制与双边带调 制之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带 宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。

n在残留边带调制中，除了传送一个边带外，还保留了 另外一个边带的一部分对于具有低频及直流分量的调 制信号，用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带无 限陡的理想滤波器，在残留边带调制中已不再需要，这 就避免了实现上的困难 62 w调制方法：用滤波法实现残留边带调制的 原理框图与滤波法SBB调制器相同 w 不过，这时图中滤波器的特性应按残 留边带调制的要求来进行设计，而不再要 求十分陡峭的截止特性，因而它比单边带 滤波器容易制作 63 w对残留边带滤波器特性的要求 n由滤波法可知，残留边带信号的频谱为 为了确定上式中残留边带滤波器传输 特性H()应满足的条件，我们来分析一下 接收端是如何从该信号中恢复原基带信号 的 64 VSB信号解调器方框图 图中 因为 根据频域卷积定理可知，乘积sp(t)对应的频 谱为 65 将 代入 得到 式中M( + 2c)及M( - 2c)是搬移到+ 2c和 -2c处的频谱，它们可以由解调器中的低通 滤波器滤除于是，低通滤波器的输出频谱为 66 显然，为了保证相干解调的输出无失真 地恢复调制信号m(t)，上式中的传递函数 必须满足： 式中，H － 调制信号的截止角频率。

上述条件的含义是：残留边带滤波器的特 性H()在c处必须具有互补对称（奇对 称）特性, 相干解调时才能无失真地从残 留边带信号中恢复所需的调制信号 67 n残留边带滤波器特性的两种形式 n残留“部分上边带”的滤波器特性：下图(a) n残留“部分下边带”的滤波器特性 ：下图(b) 68 以残留上 边带的滤波器 为。