简明通信原理第4章模拟调制系统

学习目标,调制的功能和分类；幅度调制及其抗噪声性能；角度调制的概念，卡森公式；各种调制方式的优势及主要应用；频分复用（FDM）的概念。,4.1调制简介,调制是许多通信系统（尤其是无线通信）的关键技术。,4.1.1什么是调制？,比喻,货物运输,调制传输,货物,消息信号,运载工具,载波,把货物装载到运载工具上,调制过程,到达目的地后，则要从运载工具上卸下货物,解调过程,调制,把消息信号搭载在载波上的过程。,换言之,就是使载波的某个参数（,幅度,、,频率,、,相位,）,随着消息信号的规律而变化。,幅度调制过程示意,载波,一种高频周期信号（如正弦波、脉冲串），其本身不含任何有用信息。,：,已调信号,经过调制后的载波，它含有消息信号的全部特征。,调制过程中涉及的3种信号,消息信号,载波,已调信号,“,消息信号,、,调制信号,和,基带信号,”,对于已调信号来说是,同义词,。,解调,（或称检波）,是调制的逆过程,从已调信号中还原消息信号,：,4.1.3调制的类型,根据,消息信号,、,载波的被调参数,和,频谱结构的不同,，,可将基本调制方式分为：,若用模拟消息信号分别控制载波的幅度、频率和相位，则相应产生模拟已调信号,幅度调制（AM）,频率调制（FM）,相位调制（PM）,若用数字消息信号分别控制载波的幅度、频率和相位，则相应产生数字已调信号：,振幅键控（ASK）,频移键控（FSK）,相移键控（PSK）,4.2幅度调制,4.2.1常规调幅,幅度调制是使正弦载波的振幅按照模拟消息信号的变化规律成比例地变化。,幅度调制有4种方式,AM,DSB,SSB,VSB,常规双边带调幅,抑制载波双边带调制,单边带调制,残留边带调制,1AM信号的产生,图4-2AM调制模型,2AM信号的波形与频谱,AM信号的时域表达式：（4-2-1）式中，为载波角频率。利用以下傅里叶变换对：,（4-2-2）,则可由式（4-2-1）写出AM信号的频域表达式：,其波形和频谱（幅度谱）示意图:,图4-3AM信号的波形和频谱,由图可见：（1）AM波的包络反映了基带信号的变化规律，可进行包络检波。（2）AM的频谱由载频分量和上、下对称的两个边带组成，传输带宽为,线性调制,（3）已调信号的频谱仅仅是基带信号频谱的简单搬移即在调制过程中频谱结构没有发生变化，只是频谱位置平移了,（4-2-3）,4.2.2抑制载波双边带调制,图4-5DSB信号的波形和频谱,由图可见：,（2）DSB频谱中没有载波分量，因此，调制效率达到,100%,。,问题：,DSB信号的带宽与AM相同，仍是基带信号带宽的两倍，即,这就引发出一种想法：,能否只传输DSB其中的一个边带呢？,4.2.3单边带调制,1SSB信号的产生,滤波法,：,先产生一个DSB信号，然后用,滤掉一个边带，即可得,到SSB信号。,图4-6滤波法产生SSB的模型,若为,高通滤波器,，,则产生,上边带（USB）信号,；,若为,低通滤波器,，,则产生,下边带（LSB）信号,。,图4-7边带滤波器特性,图4-8SSB信号的频谱,4.3角度调制,角度调制,调频（FM）,调相（PM）,角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。,这种优势的代价是占用比调幅信号更宽的带宽。,4.3.2FM信号的频谱与带宽1频谱结构角度调制属于非线性调制，已调信号的频谱不再是消息信号频谱的简单搬移。FM信号的频谱结构与调频指数密切相关。,2带宽理论上，FM信号的频谱含有无穷多个频率分量，所以其带宽为无穷大。卡森公式当时，谱线只有载波分量和一对边频，此时为当1时，边频分量增多，频带变宽，此时称为例如，在FM广播中规定最大频偏为75kHz，最高调制频率为15kHz，故调频指数，由卡森公式可算出FM信号的频带宽度为180kHz。,实际上，FM信号的有效带宽为,窄带调频,宽带调频,4.3.4FM特点与应用（1）调频是将调制到载波的频率上，表现为FM波的过零点密度与成比例，而幅度保持恒定。（2）FM属于非线性调制，其频谱结构与调频指数密切相关，所需的传输带宽比AM信号的带宽大倍，因此，有效性不如调幅系统。（3）FM信号的带宽随的变化而改变，大，频带宽。但大，调频系统的抗干扰能力也强。因此，调频方式可以实现带宽与信噪比的互换（即有效性与可靠性的互换）。关于值的选择，要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于远距离高质量的通信（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系统），需采用宽带调频，即值选得大些；对于一般通信，选用较小的调频方式。,讨论：（1）DSB的制度增益为2，即解调器输出信噪比是输入信噪比的2倍，表示信噪比改善了一倍。（2）SSB的制度增益为1，表示信噪比没有改善。（3），能否说明DSB系统的抗噪声性能比SSB系统好呢？（4）VSB系统的抗噪声分析方法及结果与SSB相似。（5）AM系统的抗噪声分析方法与DSB相似，分析结果为（4-4-26）,不能,因为在上述分析中，两者的输入信号功率、输入噪声功率和带宽不同。,如果给定相同的,和,条件下，,DSB和SSB的输出信噪比是相同的，即两者的抗噪声性能一样。,2小信噪比情况当输入信噪比低于门限值时，鉴频器也会出现门限效应。门限效应是所有非相干解调器都存在的一种特性。无论是AM的包络检波器，还是FM的鉴频器都存在门限效应。而相干解调器不存在门限效应。（4-4-54）,4.4.5模拟调制系统性能比较抗噪声性能：频谱利用率：同时涉及到FM系统的有效性和可靠性，FM系统的抗噪声能力（可靠性）的提高是以占用更宽的传输带宽（有效性降低）为代价换取的。,调频指数,FM,DSB/SSB,VSB,AM,SSB,VSB,DSB/AM,FM,4.5频分复用是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术。其目的是为了提高信道的利用率。复用方式有多种，本节介绍频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM），下一章介绍时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）。4.5.1FDM基本原理FDM是按频率区分各路信号的复用方式，它将信道带宽分成多个互不重叠的小频带（子通道），每路信号占据其中一个子通道。FDM系统框图：图4-29频分复用系统原理框图,复用,FDM的优点是信道利用率高、复用的路数多、技术成熟。它不仅用在模拟通信，在数字通信中也得到广泛应用。FDM的缺点是设备复杂，并且在复用和传输过程中会不同程度地引入非线性失真，从而产生路际干扰（对语音而言，也叫串音）。4.5.2应用举例FDM在立体声调频广播、电视广播系统、蜂窝移动电话系统、微波中继系统等中得到了广泛应用。最典型的应用例子就是传统的有线多路载波电话系统。该系统采用SSB调制方式（旨在节省频带），12路电话复用成一个基本群信号，称为基群；5个基群复用为一个超群，共60路电话；10个超群复用为一个主群，共600路电话；在信道带宽允许的情况下还可将多个主群进行复用