通信系统原理第4章

1、通信系统原理 第第4章章 模拟调制模拟调制 第第4章章 模拟调制模拟调制 n调制的概念、作用、分类调制的概念、作用、分类 n线性调制系统线性调制系统-AM、DSB、SSB、VSB的概念、的概念、 特点、系统构成、性能分析、应用特点、系统构成、性能分析、应用 n非线性调制非线性调制-FM、PM的概念、特点，重点是的概念、特点，重点是FM 系统构成及性能分析、应用系统构成及性能分析、应用 n各种模拟调制的性能比较各种模拟调制的性能比较 n频分复用频分复用 n复合调制及多级调制复合调制及多级调制 一、调制的概念 在通信系统的发送端通常需要有调制过程，而在接收端则 需要有调制的反过程解调过程。 l 需

2、要进行调制和解调的通信系统为频带传输系统，不需 要进行调制和解调的通信系统为基带传输系统。 信 息 源 信 源 编 码 器 信 道 编 码 器 数 字 调 制 器 信 道 数 字 解 调 器 信 道 译 码 器 信 源 译 码 器 受 信 者 噪声源 数字频带传输系统模型 第第4章章 模拟调制模拟调制 二、调制的作用 1 . 进行频率变换，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置 上，从而将调制信号转换成适合信道传输的已调信号。 每种信道都有特定的工作频率，多数为高频，即使是适 合低频信号传输的某些有线信道如电话线、电缆，在直流和 很低频率处衰减非常剧烈，因此需要按信道允许工作频率对 调制信号进行频

3、率搬移，实现匹配。 第第4章章 模拟调制模拟调制 AM中波段535-1601kHz,中央台频率639kHz, 学校开通英语广播频率： 本校区FM87.2MHz；榆中校区FM 72.5MHz 第第4章章 模拟调制模拟调制 调制的作用 在信道内同时传送多路信号称为复用，各路信号频 率范围相同，会重叠，只有通过调制才有可能区分开 不同路信号。复用方式包括： n 频分复用（FDM） n 时分复用（TDM） n 码分复用（CDM） n 波分复用（WDM） 2. 实现信道多路复用，提高系统的 传输有效性。 各种复用都要通过调制实现。 第第4章章 模拟调制模拟调制 调制的作用 3 . 提高抗干扰能力-通过采

4、用不同的调制方式兼顾 通信的有效性与可靠性。 FM抗噪性能优于AM，但牺牲了带宽; 2PSK抗噪性能优于2ASK。 第第4章章 模拟调制模拟调制 三、调制的分类 1按照调制信号m(t)分: 模拟调制：m(t)为模拟信号，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM 数字调制：m(t)为数字信号，如ASK、FSK、PSK等。 第第4章章 模拟调制模拟调制 调制的分类 2按照载波信号c(t)分 连续波调制：C(t)=cosct 为连续正（余)弦波, AM、DSB、SSB、VSB、 FM、PM、ASK、FSK、PSK等。 脉冲波调制：C(t)为周期性脉冲信号， PAM、 PCM等 脉冲形成 电路 )(

5、tm )(t T )( s M )(H )( H M )(tmH 第第4章章 模拟调制模拟调制 调制的分类 3.按照 m(t)对c(t)不同参数的控制分： n幅度调制：载波的幅度随调制信号线性变化的过程 ， AM、ASK n频率调制：FM、FSK n相位调制：PM、PSK、DPSK 第第4章章 模拟调制模拟调制 n本章属于正弦波模拟调制 n线性调制（幅度调制，AM、DSB、SSB、VSB） n非线性调制（角度调制FM、PM） 对于各种调制方式，分析的思路一致，基本从以下几个方面 进行： 表达式、波形、频谱、带宽、功率分配表达式、波形、频谱、带宽、功率分配 调制和解调方法方框图调制和解调方法方框

6、图 抗噪性能抗噪性能 应用应用 第第4章章 模拟调制模拟调制 4.2 线性调制 特点：调制前后只有频谱位置变化，没有形状变化。 一、 调幅（Amplitude Modulation, AM） 1. 表达式与波形 其中m(t)的平均值为0 ， A0+m(t)0（包络检波不失真条件，也 称不过调条件）或写为 SAM(t)=A0+m(t)cosct， 0 max ( )Am t 第第4章章 模拟调制模拟调制 AM信号的另一种表达 SAM(t)=A0+m(t)cosct =A0 1+amn(t)cosct 其中，a=maxm(t)/A0, mn(t)=m(t)/maxm(t), a称作调幅系数或调制指

7、数 例. SAM(t)=6+3cosmt)cosct，求调幅系数a。 解：变换原式SAM(t)=61+0.5cosmt)cosct，故a=0.5 第第4章章 模拟调制模拟调制 调幅信号波形调幅信号波形 思考： （1）m(t)波形变化； （2）发生过调； 第第4章章 模拟调制模拟调制 调幅信号波形调幅信号波形 SAM(t) t SAM (t)min SAM (t)max m(t ) t 1 m(t)+A0 0 A0 m(t) t Am 这里m(t)为单频正弦信号 第第4章章 模拟调制模拟调制 发生过调时的AM信号波形 A0+m(t)1，低通滤波器的截止频率为1 sin2t sin1t 理想低通相

8、乘器 相乘器相乘器理想低通 相乘器 m(t) sSSB(t) -/2 -/2 cos1t cos2t +取上边带 -取下边带 第第4章章 模拟调制模拟调制 综上所述： SSB调制方式在传输信号时，不但可节省发 射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fm，只有AM、 DSB的一半，因此，它目前已成为模拟通信中的一种重要 调制方式。 SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波， 因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接 反映调制信号的变化， 所以仍需采用相干解调。 说 明 第第4章章 模拟调制模拟调制 5 .单边带信号的解调相干解调 cosct LPF SSSB(t) m

9、0(t) BPF 6. 应用： 载波通信，节省频带 7. 问题： 边带滤波器陡, 实现困难,在低频成分较多的情况， 往往采用残留边带调制。 第第4章章 模拟调制模拟调制 它是介于双边带与单边带之间的一种线性调 制，即克服了DSB占双倍带宽的缺点，又解决了SSB 实现的难题。VSB不是将一个边带完全抑制，而是 逐渐切割、部分抑制，使其仍保留一小部分。 四、 VSB（残留边带调制） 第第4章章 模拟调制模拟调制 比较DSB、 SSB和VSB信号的频谱 M() 2fm2fmO (a) S DSB() cc O (b) S SSB() Occ (c) cc S VSB() O (d) 第第4章章 模拟

10、调制模拟调制 1.VSB产生方法滤波法 HVBS() cos ct m(t) SVSB(t) 第第4章章 模拟调制模拟调制 VSB频谱形成 带宽Bfm2fm M() 2fm2fmO (a) S DSB() cc O (b) cc S VSB() O cc S VSB() O 第第4章章 模拟调制模拟调制 现在我们来确定残留边带滤波器的特性。假设HVSB()是所 需的残留边带滤波器的传输特性。残留边带信号的频谱为 SVSB()= 为了确定上式中残留边带滤波器传输特性HVSB()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。 显然也不能简单地采用包络检波， 采用相干解调器

11、解调 VSB信号。图中，残留边带信号sVSB(t)与相干载波cosct的乘 积为 )()()( 2 1 VSBcc HMM 第第4章章 模拟调制模拟调制 sVSB(t) cosct 1/2SVSB(+c)+SVSB(-c) 代入SVSB()式，选择合适的低通滤波器的截止频率， 消掉2c处的频谱，则低通滤波器的输出频谱 Mo() =1/4 M(-c)H(-c) +H(+c) 为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号M()，必 须要求 HVSB(+c)+HVSB(-c)=常数，|m 式中，m是调制信号的最高频率。 上式就是确定残留边带滤波器传输特性HVSB()所必须 遵循的条件。满足上式的HVS

12、B()的可能形式有两种： 第第4章章 模拟调制模拟调制 残留边带滤波器特性 (a) 残留部分上边带的滤波器特性;b） 残留部分下边带的滤波器特性 HVSB() 1 0.5 0 c c c c 0 0.5 1 HVSB() (a) (b) 低通滤波器形式和高通滤波器形式。 第第4章章 模拟调制模拟调制 c O c HVSB() HVSB( c) c O c HVSB( c) HVSB( c) HVSB( c) O O c c (a) (b) (c) (d) HVSB()要满足互补对称特性过渡部分称滚降 这个滤波器将使上边带小部分残 留，而使下边带绝大部分通过。 将HVSB()进行c的频移，分别

13、得到HVSB(-c)和HVSB(+c)， 将两者相加，其结果在|m范 围内应为常数， 为 了 满 足 这 一 要 求 ， 必 须 使 HVSB(-c)和HVSB(+c)在=0 处具有互补对称的滚降特性。 第第4章章 模拟调制模拟调制 HVSB() 1 0.5 0 c c c c 0 0.5 1 HVSB() (a) (b) 显然， 满足这种要求的 滚降特性曲线并不是惟 一的,而是有无穷多个。 由此我们得到如下重要 概念：只要残留边带滤 波器的特性HVSB()在 c处具有互补对称 （奇对称）特性，那么， 采用相干解调法解调残 留边带信号就能够准确 地恢复所需的基带信号。 第第4章章 模拟调制模拟

14、调制 五、 线性调制的一般模型 h(t) cosct m(t) Sm(t) 几种线性调制都可用一般形式表示,只是不同 调制类型，h(t)的选择不同。 第第4章章 模拟调制模拟调制 4.3 非线性调制 与线性调制相比，频谱除了位置移动，还有频谱结构的变化，FM 与PM都是角度随m(t)变化。 为常数其中AttAts cm ),(cos)( 一 、角度调制的一般表达式 为瞬时相偏为瞬时相位，)()()(tttt c 角）频偏为瞬时角）频率，为瞬时( )( ()( )()( dt td t dt td dt ttd c c t dt)()( )f )( 2 1 ) )( t dt td t dt t

15、d （或（ 第第4章章 模拟调制模拟调制 1. FM瞬时频偏随调制信号（基带信号）成比例变化 2. PM瞬时相偏随调制信号（基带信号）成比例变化 ( )tmK dt td F ）（ )()(tmKt p t FcFM dmKtAts)(cos)( )(cos)(tmKtAts PcPM 二 、FM与PM KF为频偏常数 KP为相移常数 第第4章章 模拟调制模拟调制 3. 二者关系 SPMt) FM 微 分 间接调相 m(t) m(t) SFM(t) PM 积 分 间接调频 SPMt) PM 直接调相 m(t) SFMt) FM 直接调频 m(t) 第第4章章 模拟调制模拟调制 假设调制信号为单

16、频余弦 tAtm mm cos)( 调频 调相 第第4章章 模拟调制模拟调制 例1.一个调角波 判断是FM还是PM？ 3 ( )cos210 m m tAt tAtm m 3 102sin)( 调频 () 63 ( )10cos 21010cos210 m Sttt 调相 思 考 答案：不能确定FM,PM,只有在m(t)给定时，才可确定 第第4章章 模拟调制模拟调制 4. 最大频偏（ ,f）与最大相偏（调制指数）mf n为了简单，讨论m(t)为单一频率余弦情况（单音调制） tAtm mm cos)( 对对FM: )sincos(coscos)(tmtAdAKtAts mfc t mmFcFM

17、对对PM:)coscos(coscos)(tmtAtAKtAts mfcmmPcPM mPf AKm m mF f AK m mF AK mmPA K 第第4章章 模拟调制模拟调制 调频指数即最大相偏mf是影响带宽和输出信噪比的主要因素。 mf m mm f f f m 最大频偏 与最大相偏mf关系 FM、PM二者都有： 实际中FM比PM 应用更广，后面以FM分析为主。 第第4章章 模拟调制模拟调制 三、三、 NBFMNBFM与与WBFM:(WBFM:(窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频) ) 为NBFM 6 )( max dmK t F 不满足此条件，为WBFM 第第4章章 模拟调制模拟调

18、制 1. 窄带调频（窄带调频（NBFM） )(KFdm t )(KFdm t )(KFdm t 有近似式 cos sin 1)(KF dm t )(KFdm t dm t )(KF 调频波的一般表示式为 sFM(t)=A cosct+ = A cosct cos - A sin ctsin sNBFM(t) A cosct-tdmA c t sin)(K F 第第4章章 模拟调制模拟调制 NBFM信号的频谱 对NBFM表达式求付氏变换 SNBFM()=A(+c)+(-c)+ )()( 2 K F c c c c MMA sNBFM(t) A cosct- tdmkA c t f sin)( m

19、(t) M() cosct (+c)+(-c) sinct j(+c)-(-c) )()( 2 1 )(sin c c c c c MM dttmt 第第4章章 模拟调制模拟调制 SAM()=A0(+c)+(-c)+ M(+c)+M(-c) 可以看出两种调制的相似性和不同处。两者都含有一个 载波和位于c处的两个边带，所以它们的带宽相同， 都是调制信号最高频率的两倍。不同的是，NBFM的两 个边频分别乘了因式1/(-c)和1/(+c)，由于因式是频 率的函数，所以这种加权是频率加权，加权的结果引起 调制信号频谱的失真。另外，有一边频和AM反相。 2 1 与AM信号的频谱比较 第第4章章 模拟调制

20、模拟调制 单音调制的AM与NBFM频谱 sAM() O m m F() O c m c c m cm c c m sNBFM() O c m c c m c m c c m BNBFM=2fm 第第4章章 模拟调制模拟调制 AM与NBFM的矢量表示 m 窄带调频 m 下边频 上边频 载波 调幅 载波 上边频 下边频 m m 只有幅度的变化 有角度的变化 第第4章章 模拟调制模拟调制 窄带调频信号的产生 积分器 90移相 m(t) 调制信号 Acos ct 载波 sNBFM(t) 第第4章章 模拟调制模拟调制 由于NBFM信号最大相位偏移较小，占据的带宽 较窄， 使得调制制度的抗干扰性能强的优点

21、不能充分 发挥，因此目前仅用于抗干扰性能要求不高的短距离 通信中。在长距离高质量的通信系统中，如微波或卫 星通信、调频立体声广播、超短波电台等多采用宽带 调频。 第第4章章 模拟调制模拟调制 当不满足式窄带条件时，调频信号的时域表达式不能简化， 因而给宽带调频的频谱分析带来了困难。为使问题简化，我 们只研究单音调制的情况，然后把分析的结论推广到多音情 况。 设单音调制信号 m(t)=Amcosmt=Amcos2fmt 2. 宽带调频（宽带调频（WBFM） 第第4章章 模拟调制模拟调制 代入得单音宽带调频的时域表达式 sFM(t)=Acosct+mfsinmt 利用三角公式展开,有 sFM(t)

22、=Acosctcos(mfsinmt)-Asinctsin(mfsinmt) 将上式中的两个因子分别展成级数形式 tmt kA dk mfm m fm t mf sinsincos (t)=Am 调频信号的瞬时相偏 第第4章章 模拟调制模拟调制 cos(mfsinmt)=J0(mf)+ 2J2n(mf) cos2nmt sin(mf sinmt)=2 J2n-1(mf)sin(2n-1)mt 1n 1n cosAcosB= cos(A-B)+ cos(A+B) sinAsinB= cos(A-B)- cos(A+B) 2 1 2 1 2 1 2 1 三角公式 得调频信号展开式 sFM(t)=A

23、 Jn(mf)cos(c+nm)t n 第第4章章 模拟调制模拟调制 Bessel函数性质 n为奇数时 J-n(mf)=-Jn(mf) n为偶数时 J-n(mf)=Jn(mf) Jn(mf)为第一类n阶贝塞尔（Bessel）函数，它是mf的函数,Jn(mf)随 mf变化的关系曲线， 详细数据可参看Bessel函数表。 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 Jn(mf ) mf 12345678 9 10 11 J0 J1 J2J3 J4 J5 第第4章章 模拟调制模拟调制 SFM()=A Jn(mf)(-c-nm)+(+c+nm) n 可见， 调频波的频谱包含无穷多个分量

24、。当n=0时就是载波分量c，其幅度为 J0(mf)； 当n0 时在载频两侧对称地分布上下边频分量cnm， 谱线之间的间隔 为m，幅度为Jn(mf)，且当n为奇数时，上下边频极性相反； 当n为偶数时极性相同。 mf=5单音宽带调频波的频谱如图: FM频谱 -6 -5 -4 -3 -2-101 23456 - J2(mf ) J1(mf )- J3(mf ) J0(mf ) J1(mf ) J3(mf ) - f fc fm J2(mf ) 第第4章章 模拟调制模拟调制 由于调频波的频谱包含无穷多个频率分量，因此，理论上调频波的频 带宽度为无限宽。 然而实际上边频幅度Jn(mf)随着n的增大而逐渐

25、减小， 因此只要取适当的n值使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可近似 认为具有有限频谱。 根据经验认为：当mf1 以后，取边频数n=mf+1 即可。 因为nmf+1 以上的边频幅度Jn(mf)均小于 0.1，相应产生的功率均在总功 率的 2% 以下，可以忽略不计。根据这个原则，调频波的带宽为 BFM=2(mf+1)fm=2(f+fm) 带宽 调频信号的带宽取决于最大频偏和调制信号的频率，该式称为卡森公式 练习：计算mf=5，fm=15kHz时的FM信号带宽 第第4章章 模拟调制模拟调制 若mfV（t) )t () t (sin A ) t (V ) t (t c 可近似 )t () t (

26、cos) t (VA )t () t (sin) t (V arctan) t (t c ( ) ( )tmK dt td tm FM 2 1 2 1 )( 0 ( )tmKS F 22 M 2 0 4 1 ( )( )( )tttV dt d A tn sin 2 1 )( 0 ( )tn A s 2 1 第第4章章 模拟调制模拟调制 计算输出噪声功率 n利用傅立叶变换的性质及信号通过系统的概念 d/dt ns(t) ( )( )( ) ss s nn n PPjP 2 2 ( ) 2 , 0 B fnfP s n ( ) 2 ,4 0 22 B fnffP s n ( ) 0 2 2 0

27、2 22 4 4 1 0 n A f nf A fP n ( ) 2 3 0 0 3 2 0 A fn dffPN m f f n m m 第第4章章 模拟调制模拟调制 n单音调制时上式变为 ( ) 3 0 2 222 0 0 8 3 m F fn tmKA N S G=3mf2 (mf+1) i ff N mm N S i 2 0 0 S ) 1(3 当mf很大时，G=3mf2 (mf+1)3m3f 第第4章章 模拟调制模拟调制 小信噪比条件下V（t) A )t () t (Acos) t (V )t () t (sin arctan) t (t )(cosaa )sin(a arctan

28、c 2112 211 2 A 无单独信号项，信号被噪声扰乱，FM系统鉴频也存在门 限效应。门限效应一般发生在10dB左右。 第第4章章 模拟调制模拟调制 FM系统的门限效应 n当输入信噪比降到一定程度时FM鉴频法就会出现门 限效应，输出信噪比将急剧恶化。 Ni Si =10dB Ni Si No So 第第4章章 模拟调制模拟调制 思考： n模拟调制中可能存在门限效应的调制类型有哪 种？它们出现门限效应的条件是什么？ 第第4章章 模拟调制模拟调制 加重技术-改善输出信噪比 m(t) 预加重FM信道FD去加重 no(t) HL1(f) fH ff HL2(f) fH f HL1(f)HL2(f)

29、 fH0 HL2(f)对no(t)中的高频噪声衰减大，从 而使no(t)的高频噪声功率谱密度小、No减小。 可改善dB6 N S o ）（ 第第4章章 模拟调制模拟调制 1.AM ( ) 2 o oo mtS Nn B ( ) ( ) 1 2 22 2 tmA tm G o 2.DSB ( ) 2 o oo mtS Nn B G=2 3.SSB ( ) 2 4 o oo mtS Nn B G=1 2 3(1) B ff Gmm与 立方成正比 4.FM 六、各种模拟调制系统的抗噪性能 Bn tm N s i i 0 2 )( 2 1 Bn tm Bn tm N s i i 0 2 0 2 4 )

30、( )( 4 1 Bn tmA N s i i 0 22 0 2 )( 第第4章章 模拟调制模拟调制 各种模拟调制系统的抗噪性能曲线 70 60 50 40 30 20 10 0 1020304050 AM DSBS SB FM mf 3 FM mf 6 / dB Si n0 fm / dB So No 第第4章章 模拟调制模拟调制 （1）DSB的G是SSB的两倍，但是如果输入噪声功率谱密度和输入信号功 率Si相同时，二者抗噪性能相同。 （2）大信噪比条件下，AM系统包络检波器与相干解调抗噪性能相同； 小信噪比条件下，AM系统出现门限效应即输入信噪比到一 定程度，输出信噪比急剧恶化的现象，相干

31、解调器无门限效应。 （3）FM系统抗噪性能最好，但抗噪性能的改善是靠牺牲带宽换取的； FM鉴频法解调在小信噪比时也存在门限效应。 说明： 第第4章章 模拟调制模拟调制 七、 模拟调制系统的性能比较 n有效性，带宽SSB最好，FM最差 n可靠性，信噪比FM系统最好, DSB、SSB次 之，AM最差 n设备复杂程度， AM最简单，FM中等，SSB 较大。 第第4章章 模拟调制模拟调制 八、各种模拟调制的应用 n从有效性看，SSB最好，可靠性不比DSB差，应用多，载波通 信中常用； nAM系统包络检波实现简单，广播中常用； nVSB适用于低频丰富的信号传播，如电视信号的图像传输； nDSB 有效性，

32、可靠性，解调实现都无优势，模拟中少用，但 在数字调制时多用； nFM系统可靠性最好，广泛应用于长距离高质量的通信系统中， 如空间和卫星通信、调频立体声广播、 超短波电台等。 第第4章章 模拟调制模拟调制 4.5 频分复用及其应用实例 一、一、 频分复用原理频分复用原理 所谓频分复用(Frequencydivision Multiplexing-FDM)是指 按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中， 信道 的带宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一 个频段，因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路信号 分开，从而恢复出所需要的信号。 这里给出的是传统频分复用的概念，数字调

33、制技术中有 正交频分复用（OFDM)。 第第4章章 模拟调制模拟调制 频分复用系统组成原理图 各路基带信号先通过LPF限制带宽，然后，各路信号分别对各自的载波进 行调制、合成后送入信道传输。在接收端，分别采用不同中心频率的带通滤波 器分离出各路已调信号，解调后恢复出基带信号。 第第4章章 模拟调制模拟调制 频分复用是利用各路信号在频率域不相互重叠来区分的。 若相邻信号之间产生相互干扰，将会使输出信号产生失真。 为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应合理选择载波频 率fc1, fc2, , fcn，并使各路已调信号频谱之间留有一定的保 护间隔。复用信号的频谱结构示意图如图。 复用信号的频谱结构示意图 O c