大连海事大学通信原理教程第三章.ppt

大连海事大学信息科学技术学院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 本章小结 大连海事大学信息科学技术学院2 3.1 概述 为什么要对信号进行调制处理？ 由于从消息变换过来的原始信号具有较低的频 谱分量，在许多信道中都不适宜进行传输。 在通信系统的发送端需要调制过程，而在接收 端则需要反调制过程解调过程。 通信的目的是为了把信息向远处传递（传播）, 那么在传播人声时，可以用话筒把人声变成电信号 ，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）播放出去 。由于喇叭的功率比人嗓大得多，声音可以传得比 较远。 大连海事大学信息科学技术学院3 如果还想将声音再传得更远一些，比如几十千 米、几百千米，那该怎么办？ 扩音示意图 大家想到用电缆或无线电进行传输，但会出现 两个问题： (1)铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传 一路声音信号，传输成本之高、线路利用率之低，人 们无法接受； 大连海事大学信息科学技术学院4 （2）利用无线电通信时，需满足一个基本条件： 欲发射信号的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离 ）必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过 天线有效地发射出去（通常认为天线尺寸应大于波长的十 分之一）。 音频信号的频率范围是20Hz20kHz，最小的波长为 式中，为波长（m）；c为电磁波传播速度（光速）（ m/s）；f为音频（Hz）。 大连海事大学信息科学技术学院5 要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即 便按波长的百分之一取也要150米高（不包括天线底座 或塔座）。 因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射 出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高 波长越短）。 第一个问题的解决方法是在一个物理信道中对多路 信号进行频分复用（FDM，Frequency Division Multiplex）； 第二个问题的解决方法是把欲发射的低频信号“搬” 到高频载波上去（或者说把低频信号“变”成高频信号） 大连海事大学信息科学技术学院6 两个方法有一个共同点就是要对信号进行调制处理。 对于调制，我们给出一个概括性的定义： 让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信 号）的变化而变化的过程或方式称为调制。 载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频 信号，它本身不含有任何有用信息。 调制的载波分为两类： 正弦波调制：用正弦型信号作为载波 脉冲调制：用脉冲串或一组数字信号作载波 调制分为模拟调制和数字调制两种： 调制信号的取值是连续还是离散 大连海事大学信息科学技术学院7 调制的作用： 可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位 置上，将调制信号转换成适合信道传输或便于信道多路复 用的已调信号。 对系统的传输有效性和传输可靠性有很大的影响。 正交振 幅调制 大连海事大学信息科学技术学院8 最重要的模拟调制方式是用正弦波作载波的幅度调 制和角度调制: 幅度调制（线性调制）： 调幅（AM） 双边带（DSB） 残留边带（VSB） 单边带（SSB） 角度调制（非线性调制）： 频率调制（FM） 相位调制（PM） 大连海事大学信息科学技术学院9 3.1 概述 u 模拟调制：用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波 。 u 载波：确知的周期性波形 余弦波： 式中，A为振幅； 0：载波角频率； 0：初始相位。 u 定义： 调制信号m(t) 自信源来的信号 已调信号s(t) 调制后的载波称为已调信号 调制器 进行调制的部件 图3.1.1 调制器 调制器 已调信号 s(t) 调制信号 m(t) 大连海事大学信息科学技术学院10 3.2 线性调制（幅度调制） 设载波为：c(t) = Acos0 t = Acos2 f0t 调制信号为能量信号m(t)，其频谱为M(f ) 载 波：c(t) 相乘结果：s(t) 滤波输出： s(t) s(t) 调制 信号 m(t ) Acos0t H(f) 已调 信号 s(t) 图3.1 线性调制的原理模型 大连海事大学信息科学技术学院11 用“”表示傅里叶变换： 可见：相乘器输出信号的频谱是调制信号频谱密度平移 的结果（差一个常数因子）。 M(f) f 0 S(f) f0 f -f00 (a) 输入信号频谱密度 (b) 输出信号频谱密度 图3.2 相乘器输入信号和输出信号的频谱密度 s(t) 调制 信号 m(t ) Acos0t H(f) 已调 信号 s(t) 图3.1 线性调制的原理模型 大连海事大学信息科学技术学院12 幅度调制信号特点： 在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化； 在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内 的简单搬移。 由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制 。 图3.1称为调制器的一般模型，是因为在该模型中，适当选 择滤波器的特性H(f)，便可以得到各种幅度调制信号。例如，调 幅、双边带、单边带及残留边带信号等。 s(t) 调制 信号 m(t ) Acos0t H(f) 已调 信号 s(t) 图3.1 线性调制的原理模型 大连海事大学信息科学技术学院13 3.2.1 振幅调制（AM） 基本原理 设: m(t) = 1+m(t)， |m(t)| 1， |m(t)|max = m 1 调幅度 则有调幅信号： s(t) = 1+m(t)Acos0t， 式中， 1+m(t) 0，即s(t) 的包络是非负的。 m(t) 1 0 1+m(t) 1 0 1+m(t) +1 =+1 = = = 大连海事大学信息科学技术学院14 AM信号的频谱密度 含离散载频分量 当m(t)为余弦波，且m为最大时，两边带功率之和 载波功率之半。 m(t) s(t) M(f) C(f) c(t) A -A fm f0-f0 2fm S (f) 2fm -f0 f0 f f f t t 1 0 1+m(t) t -fm 上 边 带 下边带 载波本身不含基带信号的信息 可以不传载波（DSB） 大连海事大学信息科学技术学院15 AM信号的接收：常用包络检波 原理： l 性能：设包络检波器的输入电压为 式中 为检波器输入窄带高斯噪声电压 n(t) y(t)的包络： 在大信噪比下： 整流器低通滤波器 图3.2.4 包络检波器解调调幅信号 大连海事大学信息科学技术学院16 检波后（已滤除直流分量）： 输出信号噪声功率比： 在检波前的信号噪声功率比等于 检波前后信噪功率比之比为 由于m(t) 1，上式比值r0/ri小于1，即检波后信噪比下降了。 AM也可用相干解调。 大连海事大学信息科学技术学院17 3.2.2 双边带（DSB）调制 全称双边带抑制载波调制 原理：调制信号m(t)没有直流分量时，得到DSB信号 。 频谱：两个边带包含相同的信息 。 图3.2.5 双边带调制信号的频谱 (a) 调制信号频谱密度 M(f) f 0 (b) 已调信号频谱密度 f00-f0 f S(f) 上边带 上边带 下边带 大连海事大学信息科学技术学院18 由于发送DSB时不发送载波，可以节省发送载波功率 解调时需要在接收端的电路中加入本地载波： 与发送端载波同频、同相 设接收的DSB信号为 接收端的本地载波频率相位有一定误差，即 图3.2.6 双边带信号解调器原理方框图 基带 信号 m(t) 接收 信号 s(t) cos0t r(t) H(f) 大连海事大学信息科学技术学院19 两者相乘后，得到 低通滤波后，得到 仅当本地载波没有频率和相位误差时，输出信号才等于 m(t) / 2。和调制信号仅差一个常数因子 优缺点： DSB信号可以节省发送功率，但接收电路较为复杂 。 大连海事大学信息科学技术学院20 3.2.3 单边带(SSB)调制 原理： 两个边带包含相同的信息 只需传输一个边带： 上边带或下边带 要求m(t)中无太低频率分量 解调：需要本地载波 若 z(t) = x(t) y(t) ，则有 Z() = (1/2)X() Y() 单边带信号解调时， 用载波cos0t 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。 -f0 HL(f)特性 上边带 (b) 上边带滤波器特性和信号频谱 上边带 f00 f 图3.2.7 单边带信号的频谱 上边带 S(f) 上边带 下边带 HH(f)特性HH(f)特性 (a) 滤波前信号频谱 (c) 下边带滤波器特性和信号频谱 S(f) S(f) -f00 f -f0f0 f 下边带 f0 大连海事大学信息科学技术学院21 下图以上边带为例，示出用低通滤波器滤出解调后的信号。 图3.2.8 单边带信号的解调 S(f) (b) 上边带信号频谱 上边带 上边带 f00-f0f2f0-2f0 (a) 载波频谱 f00-f0 f C(f) (c) 载波和上边带信号频谱的卷积结果 f00-f0f2f0-2f0 M(f) HL(f) SSB优点：比DSB信号进一步节省发送功率和占用带宽 大连海事大学信息科学技术学院22 3.2.4 残留边带(VSB)调制 VSB调制的优点：解调时不需要本地载波，容许调制信号 含有很低频率和直流分量。 原理：VSB仍为线性调制。 调制信号和载波相乘后的频谱为 设调制器的滤波器的传输函数为H( f )，则滤波输出的 已调信号频谱为 s(t) 调制 信号 m(t ) Acos0t H(f) 已调 信号 s(t) 图3.1 线性调制的原理模型 VSB频谱介于SSB和DSB之间，且含载波分量 大连海事大学信息科学技术学院23 下面求出为得到VSB信号，发端H( f )应满足的条件： 若仍用右图相干解调器， 则接收信号和本地载波相 乘后得到的r (t)的频谱为： 将已调信号的频谱 代入上式，得到r (t)的频谱为： 上式中 M(f + 2f0) 和 M(f 2f0) 两项可以由低通滤波器滤除，所以得 到滤波输出的解调信号的频谱密度为： 基带 信号 m(t) 接收 信号 s(t) cos0t r(t) H(f) 大连海事大学信息科学技术学院24 为了无失真地传输，要求上式 中的 由于 (fm为基带调制信号最高频率） 所以，上式可以写为 上式即产生VSB信号的条件。 上式要求：滤波器的截止特性在 f0处具有互补的对称性。 大连海事大学信息科学技术学院25 H(f + f0) -(f0+fm) 0 0 0 0 f f f f0-f0f0+fm -2f0 2f0 -2f02f0fm-fm fm f H(f) H(f - f0) H(f + f0) + H(f f0) VSB调制所需H(f)特性示意图 大连海事大学信息科学技术学院26 3.3.1 基本原理 设一个载波可以表示为 式中，0为载波的初始相位，为常数； (t) = 0t + 0 为载波的瞬时相位 ; 0 = d (t) / d t 为载波的角频率，为常量。 瞬时频率： 上式中 (t)是经角度调制后的瞬时相位，可改写为： 3.3 非线性调制 是时间的函数 大连海事大学信息科学技术学院27 角度调制的定义： 由上式可见，(t)是载波的瞬时相位。若使它随调制信号 m(t)以某种方式变化，则称其为角度调制。 相位调制：若使瞬时相位(t)随m(t)线性变化，即令 则称为相位调制。这时，已调信号的表示式为 此已调载波的瞬时频率为： 上式表示：在相位调制中瞬时频率随调制信号的导函 数线性地变化。 大连海事大学信息科学技术学院28 频率调制：若使瞬时频率直接随调制信号线性地变化，则称为频 率调制。这时，瞬时频率为 及瞬时相位为 这时，已调信号的表示式为： 上式表明：载波瞬时相位随调制信号的积分线性地变化。 相位调制和频率调制的比较： 在相位调制中载波相位(t)随调制信号m(t)线性地变化，而在 频率调制中载波相位(t)随调制信号m(t)的积分线性变化。 若将m(t)先积分，再对载波进行相位调制，即得到频率调制信 号。类似地，若将m(t)先微分，再对载波进行频率调制，就得到 相位调制信号。 相位调制和频率调制的振幅均恒定。 仅从已调信号波形上看无法区分二者。 大连海事大学信息科学技术学院29 角度调制的波形 角度调制波形 i i(t) Sp(t)或Sf(t) 若m(t)作直线变化，则已调信号就是频率调制信号，i(t)=kfm(t). 若m(t)是随 t 2变化，则已调信号就是相位调制信号，i(t)=kpdm(t)/dt. 大连海事大学信息科学技术学院30 3.3.2 已调信号的频谱和带宽 设：调制信号m(t)是一个余弦波， 用其对载波作频率调制，则载波的瞬时频率为 则最大频移为 = kf（rad/s） 已调信号表示式： （令初始相位为0） 式中， mf / fm为最大频率偏移和基带信号频率 之比，称为调制指数mf ，即有： 大连海事大学信息科学技术学院31 是一个含有正弦函数的余弦函数，它的展开式为： 式中，Jn(mf)为第一类n阶贝塞尔函数， 它具有如下性质： 故上式可以改写为： 已调信号最终表示式 x 大连海事大学信息科学技术学院32 频谱特点 边频成对出现 大部分功率集中在以载频为中心的有限带宽内 调频信号的带宽 当调制指数mf 1 时，带宽B： 式中，f 调制最大频移，fm 调制信号频率。 称为宽带调频(WBFM) 一般，当 时，称为NBFM，否则为WBFM。 大连海事大学信息科学技术学院33 m kHz kHz kHz kHz作 kHz kHz kHz kHz B 边频成对出现； 大部分功率集中 在以载频为中心 的有限带宽内 大连海事大学信息科学技术学院34 3.3.3 角度调制信号的接收 信号振幅的改变不会使信息受到损失 (角度调制信 号的振幅不包含调制信号的信息) 角度调制信号的抗干扰能力较强 (相对于振幅受到 的影响而言，信道中的衰落及噪声对于信号角度的 影响小得多) 接收设备中采用限幅器来消除振幅变化 采用鉴频器或鉴相器解调 下图给出了理想鉴频特性和鉴频器的方框图 大连海事大学信息科学技术学院35 振幅鉴频器特性与原理框图 理想鉴频器可看成是带微分器的包络检波器 限幅器将调频波 在传输过程中引 起的幅度变化部 分削去，变成固 定幅度的调频波 带通滤波器让调频 信号顺利通过，而 滤除带外噪声及高 次谐波分量 将幅度恒定的调频 波变成幅度、频率 均含调制信息的调 幅调频信号 包络检波器将其幅度 变化取出，并滤去直 流后经低通滤波器即 得输出mo(t) 大连海事大学信息科学技术学院36 3.4 各种模拟调制系统的性能比较 假设条件： 所有系统在接收机输入端具有相等信号功率Si、相同噪 声功率谱密度n0、相同基带信号带宽Bb的条件下，调制信号 m(t)为单音正弦型信号，其中AM为100%调制，则 大连海事大学信息科学技术学院37 1. 性能比较 （AM:相干解调或大信噪比包络解调） （WBFM：大信噪比限幅普通鉴频解调） 大连海事大学信息科学技术学院38 此图示出了各种模拟调制系统 的性能曲线, 图中的圆点表示门限 点。门限点以下，曲线迅速下跌 ；门限点以上DSB、SSB的信噪 比比AM高4.7dB以上，而FM（ mf=6）的信噪比比AM高22dB。 由此可见：FM的调制指数mf越 大，抗噪声性能越好，但占据的 带宽越宽，频带利用率低。SSB 的带宽最窄，其频带利用率高。 当输入信噪比较高时，采用FM可 以获得更大的好处。 各种模拟调制系统的性能曲线 大连海事大学信息科学技术学院39 2. 特点与应用 AM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干 扰能力差，在传输中如果载波受到信道的选择性衰落，则在包络 检波时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高。因此 AM制式用于通信质量要求不高的场合。目前主要用在中波和短 波的调幅广播中。 DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，接收 要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信，运用不 太