第5章 模拟调制

1、第五章第五章 模拟调制系统模拟调制系统 n 引言引言 n 幅度调制幅度调制 n 频分复用频分复用 n 线性调制应用举例线性调制应用举例 n 线性调制系统的抗噪性能分析线性调制系统的抗噪性能分析 n 角度调制角度调制 n 调频信号的产生和解调调频信号的产生和解调 n 调频应用举例调频应用举例 n 调频系统的抗噪性能分析调频系统的抗噪性能分析 n 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较 5.1 引言引言 n关于载波调制的几个概念关于载波调制的几个概念 n调制用基带信号的变化规律去控制载波的某些参数 n解调从已调信号的参数中提取基带信号的变化规律 n调制信号来自信源的消息信号（基带信号），模拟

2、/ 数字 n载波未受调制的周期性振荡信号，适合在信道中传 送，正弦波/周期性脉冲 n已调信号载波调制后的信号，含有调制信号的全部 特征 噪声源 已调 信号 调制 信号 信息源 受信者 调制 信号 已调 信号 调制器 信道 解调器 载波 引言（续）引言（续） n载波调制的目的载波调制的目的 n无线传输中，把基带信号的频谱搬到较高的载 波频率上，提高传输性能，降低发送功率，缩 短天线尺寸； n把多个基带信号分别搬移到不同的载频，实现 频分复用，提高信道利用率 n扩展信号带宽，实现带宽与信噪比之间的互换， 提高抗干扰、抗衰落能力。 n调制对通信系统的有效性和可靠性都有影 响。 引言引言(续续) 调制

3、调制 方法方法 正弦波正弦波 调制调制 模拟模拟 调制调制 幅度调制幅度调制 线性调制线性调制 标准调幅标准调幅AM 双边带调制双边带调制DSB 单边带调制单边带调制SSB 残留边带调制残留边带调制VSB 角度调制角度调制 非线性调制非线性调制 调频调频FM 调相调相PM 数字调制数字调制 振幅键控振幅键控ASK 频移键控频移键控FSK 相移键控相移键控PSK，DPSK 其他其他QAM，MSK 脉冲调制脉冲调制 模拟调制模拟调制 脉幅调制脉幅调制PAM 脉宽调制脉宽调制PDM 脉位（脉速）调制脉位（脉速）调制PPM 数字调制数字调制 脉码调制脉码调制PCM 增量调制增量调制M 差分脉码调制差分

4、脉码调制DPCM m(t) O t A0+m(t) O t O O t t coswc(t) sAM(t) 1 M(w) pA0 wHwHw wcwc pA0 SAM(w) 0 2 1 w 0 正弦载波：)cos()( 0 wtAts c A：振幅 c=2fc：角频率 0：初相位 正弦波调制的信号波形 PAM、 PDM、 PPM的信号波形 x(t) O t 假设信号波形 O t PAM 波形 脉冲高度在变化 t PDM 波形 脉冲位置不变宽度变化 O O 脉冲宽变不变脉 冲位置在变化 t PPM波形 5.2 幅度调制原理幅度调制原理 一、通用模型 二、标准调幅AM 三、抑制载波双边带调幅DSB

5、 四、单边带调幅SSB 五、残留边带调幅VSB 一、通用模型 h (t) m(t) sm(t) cos ct )()()( 2 1 )( )(*cos)()( wwwwww w HMMS thttmts ccm cm 乘法器用于基本调制，h(t)控制产生不同的调幅波。 调制信号控制载波的幅度，使之随调制信号呈线性变化调制信号控制载波的幅度，使之随调制信号呈线性变化 二、标准调幅AM m(t) SAM (t) cos ct A0 1调制 m (t)为直流=0的基带信号，A0为外加直流 （若m (t)含有直流分量，将其归入A0） SAM (t) = A0 + m (t) cos ct 标准调幅AM

6、(续)调制 1 M(w) wHwHw 0 pm0 wcwc pm0 SAM(w) 0 2 1 w 下边带 上边带 载频 m(t) O t m0+m(t) O t O O t t coswc(t) sAM(t) A0 A0 A0 标准调幅AM (续)调制 n说明： 1. 调制使频谱搬移，但未改变形状。AM频 谱波形关于c对称，分上、下边带 2. 调制使已调信号带宽增加一倍 3. 若m(t)为随机信号，频域使用功率谱描述， 结论相同 4. 要求A0 + m(t) 0，否则，“过调幅”，使 包络失真。称|m(t)|max/A0为调幅指数 5. 要求cH，否则，发生交叠失真 标准调幅AM(续)解调 2

7、. 解调包络检波 电路： 结果：当Ao+m(t) 0且fH1/(RC) fc时 mo(t) Ao + m (t)，经隔直电路得到m (t) 整流器低通滤波器 标准调幅AM(续) 3. 应用 中短波广播通信 标准调幅AM(续) 4. 效率 AM波的平均功率为： scAMAM PP tmA tSP 2 )( 2 )( 2 2 0 2 调制效率： 2 1 sc s AM PP P Pc为载波功率，Ps为边带功率 举例 标准调幅AM(续) 5. 缺点：边带传递有效信息，载波不传，但载 波要占一半以上的功率，发送功率的效率低。 三、抑制载波双边带调幅DSB n目的：提高发送功率的效率 1. 调制 m(t

8、) SDSB (t) cos ct m(t)为直流=0的基带信号，若m(t)含有直流分量， 可通过隔直电路去掉。 ttmtsc DSB wcos)()( (a) 调制信号频谱密度 M(f) f 0 1 (b) 已调信号频谱密度 fc0fc f S(f) 上边带 上边带 下边带 1/2 抑制载波双边带调幅DSB(续) 2. 解调相干解调 mo(t) SDSB (t) SAM (t) cosct LPF )( 2 1 )(tmtmo 抑制载波双边带调幅DSB(续) 3. 应用 立体声广播 4. 效率 SDSB (t)信号无载频分量，Pc=0 效率DSB=100% 5. 缺点：已调信号带宽增大一倍,

9、 信道利用率低 四、单边带调幅SSB n目的：提高信道利用率 1. 调制 (滤波法) ttmttmts ccSSB wwsin)( 2 1 cos)( 2 1 )( H(w)为理想低通时，提取下边带（+）； H(w)为理想高通时，提取上边带（-） m(t) SSSB (t) cosct 边带滤波器 H() 单边带调幅SSB(续) n原理原理： n两个边带包含相同的信息 n只需传输一个边带： 上边带或下边带 n要求m(t)中无太低频率 n技术难点技术难点 n陡峭截止特性的滤波器难 实现 n采用多级DSB调制及边带 滤波的方法。先在较低载 频上进行DSB调制，增大 过渡带的归一化值。再在 要求的载

10、频上二次调制 fc HL(f)特性 上边带 (b) 上边带滤波器特性和信号频谱 上边带 fc0 f 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) fc0 f fcfc f 下边带 fc 单边带调幅SSB(续) n相移法：相移法：不需要滤波器具有陡峭的截止特性 ttmttmts ccSSB wwsin)( 2 1 cos)( 2 1 )( sin 单边带调幅SSB(续) 2. 解调相干解调 )( 4 1 )(tmtmo S(f) (b) 上边带信号频谱 上边带 上边带 fc0fc f 2fc2fc

11、(a) 载波频谱 fc0fc f C(f) (c) 载波和上边带信号频谱的卷积结果 fc0fc f 2fc2fc M(f) HL(f) mo(t) SSSB (t) cosct LPF 1/2 1/4 单边带调幅SSB(续) 3. 应用 载波通信，短波无线电话 4. 缺点：要求边带滤波器是理想低通或理 想高通。不易实现。 五、残留边带调幅VSB n目的: 信道利用率较高,边带滤波器易实现 m(t) SVSB (t) cosct 残留边带 滤波器 H() 1. 调制 H()满足：关于c点奇对称互补。 CHH cc )()(wwww H ww |，H为基带信号截止频率） ( 25 五、残留边带调幅

12、VSB nVSB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 VSB 2( )cos pc ststtw ( ) VSBVSB stSw cc cos ct wp ww ww ()() pVSBcVSBc SSSwwwww 26 五、残留边带调幅VSB 将 代入 得到 式中M(w + 2wc)及M(w 2wc)是搬移到+ 2wc和 2wc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 ()() pVSBcVSBc SSSwwwww ( ) VSBDSB SSHwww 1 ()( ) 2 cc MMHwwwww 1 (2)() 2

13、 pcc SMMHwwwwww 1 ( )(2)() 2 cc MMHwwwww 1 ( )( )()() 2 dcc SMHHwwwwww 27 五、残留边带调幅VSB 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，wH 调制信号的截止角频率。 n上述条件的含义是：残留边带滤波器的特性H(w)在wc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。 1 ( )( )()() 2 dcc SMHHwwwwww ()() ccH HHwwwwww常数， 28 五、残留边带调幅VSB n残留边带滤波器特

14、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) AM例题 n已知AM电台的输出功率是50KW，对单 频余弦信号进行调制，调幅指数为0.707。 求： （1）调制效率 （2）载波功率 （3）若天线用50电阻表示，求载波的峰 值幅度。 DSB例题 n接收DSB信号时，设本地载波与发送载波有 频差，相位差，分析对解调结果的影响。 SSB例题 n03KHz的基带信号经过20MHz的载波调 制后，生成下边带信号。接收机框图如 下，其中，两级混频器的频点分别为fo和 fd。已知fo高于输入信号的频率，中频放 大器的通频带范围为1010.003MH

15、z，求 fo和fd。 中频放大器中频放大器 SSSB(t) fo LPF mo(t) fd 5.3 频分复用频分复用 n当信道带宽远大于一路信号的带宽时，利用 调制技术将多路信号调制道互不交叠的各个 频段上，在同一信道中一起传输，以提高信 道利用率的方法。 频分复用频分复用(续续) m2(t) 2 SBF2 LPF mn(t) n SBFn LPF m1(t) 1 SBF1 LPF m1(t) 1 BPF1 LPF 相 加 器 信道 m2(t) 2 BPF2 LPF mn(t) n BPFn LPF 5.4 线性调制应用举例线性调制应用举例 一、载波电话系统 二、电视 三、立体声广播 一、载波

16、电话系统 n在多路载波电话系统中采用：SSB调制， 频分复用传输技术来节省传输频带。 n每路电话信号限带3003400Hz，SSB调 制后，为便于接收，另加保护间隔，每 路载波电话取4KHz做为标准频带。 载波电话系统(续) n多路载波电路分群等级： 载波电话系统(续) n基群频谱： 60 64 68 108 f/kHz 二、电视 1. 黑白电视信号 n图象信号VSB调制，上边带宽5.5MHz， 下边带宽1.25MHz； n伴音信号FM调制，伴音载频距图象载 频6.5MHz； n二者频分复用，信号总带宽8MHz。 电视(续) 2.彩色电视信号 n彩色电视由RGB三原色组成，为与黑白电视兼 容，

17、传送三色合成的亮度信号Y（既黑白的图 象信号）和两路色差信号：R-Y（红色-亮度 之差），B-Y（兰色-亮度之差） n亮度信号YVSB调制； n色差信号正交的DSB调制，彩色付载频距 图象载频4.43361875MHz，色差信号频谱落于 亮度信号频谱范围内，带宽不变； n伴音信号FM调制，伴音载频距图象载频 6.5MHz； 电视(续) 3. 电视信号的频谱 4. 解调：发射时插入大的载波，接收机 包络检波 三、立体声广播 n广播信号频带015KHz，包括左右两个声道L和R。立体声 广播传送L+R和LR。 nL+R：基带信号，频带015KHz； nLR：DSB调制，载频38KHz；频带2353K

18、Hz； n导频：19KHz，做为立体声指示（STEREO），并提取相干 载波； n三者频分复用后再调频。 n普通调频广播与立体声调频广播兼容，但只发送L+R信号。 立体声广播(续) + + + + + + + + + LR 38KHz 震 荡 器 L+R R L 二 分 频 衰 减 调 频 解 调 LPF 015K BPF 2353K BPF 19K 倍 频 (L+R)/2 (LR)/2 L R STEREO LPF 015K 5.5 线性调制系统的抗噪性能分析线性调制系统的抗噪性能分析 一、分析模型 二、各种调幅信号相干解调的抗噪性能 三、AM系统包络检波的抗噪性能 线性调制的解调方法线性调

19、制的解调方法 n相干解调：适用于所有类型的线性调制系统， 需要相干载波，比较复杂 n包络检波：适用于已调信号包络与调制信号 的形状完全相同的情况下的解调，结构简单， 用于AM解调 n插入载波包络检波：对DSB、SSB、VSB信 号，在发送端或接收端插入很强的载波，使 之成为近似AM的信号，然后采用包络检波。 要求插入的载波同频同相。 45 线性调制的一般模型线性调制的一般模型 n线性调制的一般模型 n滤波法模型 在前几节的讨论基础上，可以归纳出滤波法线性调制 的一般模型如下： 按照此模型得到的输出信号时域表示式为： 按照此模型得到的输出信号频域表示式为： 式中， 只要适当选择H(w)，便可以得

20、到各种幅度调制信号。 )(cos)()(thttmts cm w )()( 2 1 )(wwwwwwHMMS ccm )()(thHw 46 线性调制的一般模型线性调制的一般模型 n移相法模型 将上式展开，则可得到另一种形式的时域表示式，即 式中 上式表明，sm(t)可等效为两个互为正交调制分量的合成。 由此可以得到移相法线性调制的一般模型如下： )(cos)()(thttmts cm w ( )( )cos( ) in mIcQc sts ttst stww ( )( )( ) II s th tm t ( )( )cos Ic h th ttw ( )( )( ) QQ sthtm t (

21、 )( )sin Qc hth ttw 47 线性调制的一般模型线性调制的一般模型 它同样适用于所有线性调制。 ( )( )cos( ) in mIcQc sts ttst stww 一、分析模型 nn(t)为高斯白噪声，单边功率谱为n0 (W/Hz) ；基带信号带宽为fm。 mo(t) So No no(t) Sm(t) Si Ni ni(t) m(t) 调制器 n(t) Sm(t) 解调器 信道 BPF 发信机 收信机 分析模型(续) 为解调器输入端的信噪比。 i i N S Si，Ni为解调器输入端信号和噪声的平均功率， So，No为解调器输出端信号和噪声的平均功率， 为解调器输出端的信

22、噪比。 o o N S ii oo NS NS G 为信噪比得益（调制制度增益） 通常，用解调器输出端的信噪比 表示系统 的抗噪性能，用G表示解调器的性能。 o o N S 二、各种调幅信号相干解调的抗噪性能 si(t) ni(t) n(t) sm(t) BPF 解调器 mo(t) no(t) cosct LPF BPF带宽为： ),( ),(2 VSBSSB DSBAM f f B m m 各种调幅信号相干解调的抗噪性能(续) )( )( )( sin)(cos)( 2 1 cos)( cos)( )( 0 SSB DSB AM twtmtwtm twtm twtmA ts cc c c i

23、 )()( 4 1 ),()( 2 1 )( SSBtm DSBAMtm tmo 各种调幅信号相干解调的抗噪性能(续) )( )( )( 4 )( 2 )( 2 )( 2 )( 2 2 2 2 0 2 SSB DSB AM tm tm tmA tsS ii )( 16 )( ),( 4 )( )( 2 2 2 SSB tm DSBAM tm tmS oo )( ),(2 0 0 SSB DSBAM fn fn N m m i 4 i o N N ),( )( )( )( )( 4 )( ),( 2 )( 0 0 2 2 0 2 0 2 0 2 DSBSSB fn S AM fn S tmA t

24、m SSB fn tm DSBAM fn tm N S m i m i m m o o 各种调幅信号相干解调的抗噪性能(续) )(1 )(2 )(1 )( )(2 22 0 2 SSB DSB AM tmA tm G 说明：AM解调器对输入信噪比没有改善 DSB解调器使信噪比改善1倍 但DSB与SSB的抗噪性能相同 三、AM系统包络检波的抗噪性能 so(t) no(t) si(t) ni(t) n(t) sm(t) BPF E(t) 包络检波 ttmAtsciwcos)()( 0 ttnttntncscciwwsin)(cos)()( AM系统包络检波的抗噪性能(续) )()()()( 22

25、0 tntntmAtE sc 为包络 2 )( 2 2 2 0 tmA Si mi fnN 0 2 ttnttntmAtntscscciiwwsin)(cos)()()()( 0 )(cos)(tttEcw AM系统包络检波的抗噪性能(续) n大输入信噪比时 )()( 0 tntmAi )()()( 0 tntmAtEc )()(tmtso)()(tntnco )( 2 tmS o io NN )( )(2 , 2 )( 2 2 0 2 0 2 tmA tm G fn tm N S mo o 大信噪比时，包络检波与相干解调的抗噪性 能相同 AM系统包络检波的抗噪性能(续) n小输入信噪比时 )

26、()( 0 tntmAi cos)()()( 0 tmAtRtE )( )( cos, )()()( 22 tR tn tntntR c sc 小信噪比时，包络检波 出现“门限效应”，信 号完全被淹没在噪声中。 “门限效应”是所有非 相干解调的共同问题。 o N S ）（ i N S ）（ o N S ）（= i N S ）（ 1dB i N S ）（ 门限 G 5.6 角度调制原理角度调制原理 一、基本概念 二、窄带调频（NBFM） 三、宽带调频（WBFM） 四、FM的产生 五、FM的解调 一、基本概念 1. 角调波的一般表达式 )(cos)(ttAtS cm w A：振幅， 保持不变 dt

27、 td)( ：瞬时角频率； dt td)( ：瞬时频偏； (t) ：瞬时相移； (t) = ct + (t) ：瞬时相位； 基本概念(续) 2.调相（PM）瞬时相移随基带信号成线性 变化 Kp：调相灵敏度 )(cos)( )()( tmKtAtS tmKt PcPM p w 基本概念(续) 3.调频（FM）瞬时频偏随基带信号成比例 变化 Kf：调频灵敏度 )(cos)( )( )( t fcFM f dmKtAtS tmK dt td w 基本概念(续) nPM 信号和FM 信号波形 (a) PM 信号波形 (b) FM 信号波形 基本概念(续) 4. FM与PM的转换 m(t) SFM (t

28、) 调相器 PM 积分器 dt)( 间接调频 m(t) SPM (t) 调频器 FM 微分器 dt d )( 间接调相 由于调相器调相范围在（-，）内， 直接调相和间接调频适宜窄带调制； 基本概念(续) 5.宽带调频与窄带调频 调频信号: )(cos)(cos)(tgmtAdmKtAtS fc t fcFM ww 瞬时角频率: )(tmK fci ww 最大角频偏: f tm f KtmK 归一)( max )(w 瞬时相位偏移: )()(tgmt f 最大相位偏移: f tg f mtgm 归一)( max )( 基本概念(续) n假设m(t)=cosmt （基带带宽fm，m=2fm） mm

29、 tm m f f mf tg f m t m f mff f f K m tmtgm t K dKtgm w w w w w w w 归一 归一令 )( max )( max 1sin,)( sincos)( 结论结论：对任一归一化的基带信号m (t)（带宽fm）， 最大角频偏： f Kw 最大相位偏移： m f f f m ，又称调制指数 调制指数 基本概念(续) n可见，瞬时频偏Kf m(t)项表示载波频率自 其静态值c的偏移，它将决定调频信号的 频谱宽度。 n mf 0.5(f k的Jn (mf )忽略。则 BFM = 2kfm。 n一般： kmf+1，B=2 (mf +1)fm=2(

30、f + fm) n近似地 mf 1时，kmf ，B=2 mf fm=2f （WBFM） 本结论适用于任意最高频率为fm的基带信号m(t) 四、FM的产生 1. 直接法 n 改变振荡器回路元件（L，C）的数值来改变其 输出频率。 n 如：用压控振荡器VCO做受控振荡器，用变容管 做受控电抗元件。 m(t) SFM (t) 压控振荡器 VCO FM的产生直接法(续) 可变电容C受基带信号m(t) 线性控制： C = C0 + C = C0 + K m(t) (C V(t) ），信号与噪声分别 计算 n 信号信号部分： n 噪声噪声部分：鉴频器输出正比于输入信号的瞬时角 频率 n输出信噪比输出信噪比

31、 )()(tmKKts fdo )( 222 tmKKS fdo dt tdn A K tn sd o )( )( 3 2 0 2 3 8 m d o f A nK N p 3 0 2 222 8 )(3 m f o o fn tmKA N S p 增大频偏Kf，即增加传输带宽，可以大大增加信噪比 ns(t)的功率谱密度为Pi (f) = n0， 理想微分电路的传输函数为 则鉴频器输出噪声nd(t)的功率谱 密度为 鉴频器前、后的噪声功率谱密度 s d dd dtdntK ntK dtAdt 2 22 2 22Hfjffpp 22 2 2 2 FM 0 2, 2 dd di KKB PfHfPff nf AA p 举例 n m(t)=Acoswmt时，宽带调频的调制制度增益。 13 13 13 2 3 2 ff ff f mm mm mm G