通信原理第5章 模拟调制系统

1、 第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 通信教研室通信教研室 w 掌握调制的定义、功能和分类；掌握调制的定义、功能和分类； w 掌握线性调制掌握线性调制(AM、DSB、SSB、VSB)原理原理(表示式、表示式、 频谱、带宽、产生与解调频谱、带宽、产生与解调)； w 熟悉线性调制系统的抗噪声性能，门限效应；熟悉线性调制系统的抗噪声性能，门限效应； w 掌握调频、调相的基本概念；掌握调频、调相的基本概念； w 掌握调频信号频带宽度的计算掌握调频信号频带宽度的计算卡森公式；卡森公式； w 熟悉调频信号的产生与解调方法；熟悉调频信号的产生与解调方法； w 了解预加重和去加重的概念；了解预加重和去加重的

2、概念； w 掌握掌握FM、AM、DSB、SSB、VSB的性能比较；的性能比较； w 掌握频分复用的概念。掌握频分复用的概念。 目标要求目标要求 v基本要求基本要求 w 重点是：重点是： （1）AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM信号的产生与解信号的产生与解 调调(会画原理框图会画原理框图) ； （2）AM、DSB信号波形和频谱（会画）；信号波形和频谱（会画）； （3）AM、DSB、SSB、FM、PM信号的表达式；功率和带宽信号的表达式；功率和带宽 的计算；输入信噪比、输出信噪比、制度增益的计算；调频指的计算；输入信噪比、输出信噪比、制度增益的计算；调频指 数、相偏及频偏的计算。数、相偏及频

3、偏的计算。 w 难点是：难点是： （1）调制信号、载波和已调信号概念的理解；）调制信号、载波和已调信号概念的理解； （2）VSB边带滤波特性。边带滤波特性。 （3）“线性调制线性调制”与与“非线性调制非线性调制”概念的理解。概念的理解。 目标要求目标要求 v重点、难点重点、难点 u 5.1 5.1 幅度调制（线性调制）原理幅度调制（线性调制）原理 u 5.2 5.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 u 5.3 5.3 非线性调制（角度调制）原理非线性调制（角度调制）原理 u 5.4 5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能 u 5.5 5.5 各种模拟调制系统的比较各

4、种模拟调制系统的比较 u 5.6 5.6 频分复用和调频立体声频分复用和调频立体声 u 5.7 5.7 小结小结 u 思考题、习题思考题、习题 主要内容主要内容 引入问题引入问题 v1. 怎样实现无线传输？怎样实现无线传输？ v2. 什么是调制？为什么要调制？什么是调制？为什么要调制？ v3. 天线的作用？天线的作用？ v4. 天线的尺寸主要取决于什么？天线的尺寸主要取决于什么？（/4， =c/f ） （1）假设发送一基带信号）假设发送一基带信号(f=3000Hz)，如果不通过载波而，如果不通过载波而 直接耦合到天线发送，计算一下天线有多长？直接耦合到天线发送，计算一下天线有多长？ （2413

5、5km） (2)若用载波若用载波(f=900MHz)来携带信号发送，计算一下天线有来携带信号发送，计算一下天线有 多长？（多长？（8cm） 广义调制广义调制 分为基带调制和带通调制。分为基带调制和带通调制。 狭义调制狭义调制 仅指带通调制（也称载波调制）。在无线通仅指带通调制（也称载波调制）。在无线通 信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。 调制调制 用调制信号用调制信号( (基带信号基带信号) )去控制载波参数去控制载波参数 的过程。的过程。 解调解调 调制的逆过程，其作用是将已调信号调制的逆过程，其作用是将已调信号 中的调制信号恢复出来。中的调

6、制信号恢复出来。 第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 v基本概念基本概念 载波载波 未受调制的周期性振荡信号，它可以是未受调制的周期性振荡信号，它可以是 正弦波，也可以是非正弦波。正弦波，也可以是非正弦波。 已调信号已调信号 载波受调制后称为已调信号。载波受调制后称为已调信号。 基带信号基带信号 指携带着信息的信号指携带着信息的信号 基带信号基带信号 载波载波 已调信号已调信号 M(w) -wHwHw SDSB(w w) -wt twt tw0 SDSB(t) t t t 第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 w 调制的目的调制的目的 提高无线通信时的天线辐射效率。提高无线通信时的天线辐射效

7、率。 使信号特性适合信道特性，或使信号与信道匹配。使信号特性适合信道特性，或使信号与信道匹配。 提高信道利用率。多路复用，把多个基带信号分别搬移到不同提高信道利用率。多路复用，把多个基带信号分别搬移到不同 的载频处。的载频处。 提高系统抗干扰、抗衰落能力。提高系统抗干扰、抗衰落能力。 可实现传输带宽与信噪比之间的互换。可实现传输带宽与信噪比之间的互换。 w 调制方式调制方式 模拟调制模拟调制 数字调制数字调制 w 常见的模拟调制常见的模拟调制 幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带。幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带。 角度调制：频率调制、相位调制。角度调制：频率调制、相位调制。 第第

8、5章章 模拟调制系统模拟调制系统 v一般原理一般原理 表示式：表示式： 设正弦型载波为设正弦型载波为: 式中，式中，A 载波幅度；载波幅度； w wc 载波角频率；载波角频率； 0 载波初始相位（以后假定载波初始相位（以后假定 0 0）。）。 w 幅度调制信号（已调信号）一般可表示成：幅度调制信号（已调信号）一般可表示成： 式中，式中，m(t) 基带信号。基带信号。 () 0 ( )cos c c tAtw ( )( )cos mc stAm ttw 5.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理 00 ( )( )coscos( )cos AMccc stAm ttAtm tt

9、www 0 1 ( ) ()()()() 2 AMcccc SAMMw w w w ww ww w- A0 cos ct w m(t)sm(t) 5.1.1 调幅（调幅（AM） （1）时域表示式）时域表示式 （2）频谱：若）频谱：若m(t)为确知信号，则为确知信号，则AM信号的频谱为信号的频谱为 式中式中 m(t) 基带信号，均值为基带信号，均值为0； A0 常数，表示叠加的直流分量。常数，表示叠加的直流分量。 若若m(t)为随机信号，则用功率谱描述。为随机信号，则用功率谱描述。 （3）调制器模型）调制器模型 （4 4）信号的波形图）信号的波形图 由波形可以看出，当满足条件：由波形可以看出，当

10、满足条件： 时，其包络与调制信号波形相同， 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因此用包络检波法很容易恢复出 原始调制信号。原始调制信号。 否则，出现否则，出现“过调幅过调幅”现象。这现象。这 时用包络检波将发生失真。但是，时用包络检波将发生失真。但是， 可以采用其他的解调方法，如同可以采用其他的解调方法，如同 步检波（相干解调）。步检波（相干解调）。 0 |( )|m tA SAM(t) t t t t A0+m(t) m(t) 载波载波 5.1.1 调幅（调幅（AM） 载频分量载频分量 上边带上边带 上边带上边带 下边带下边带 下边带下边带 l （5）频谱图）频谱图

11、 由频谱可以看出，由频谱可以看出，AM 信号的频谱由载频分量、信号的频谱由载频分量、 上边带、下边带三部分上边带、下边带三部分 组成。组成。 上边带的频谱结构与上边带的频谱结构与 原基带信号的频谱结构原基带信号的频谱结构 相同，下边带是上边带相同，下边带是上边带 的镜像。的镜像。 载频分量载频分量载频分量载频分量 -wH-wH -wc -wc SAM(w) M(w) w 0w 5.1.1 调幅（调幅（AM） wAM信号的特性信号的特性 带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基 带信号带宽带信号带宽 fH 的两倍：的两倍： 功率：功率： 当当m(t

12、)为确知信号时，为确知信号时， 若若 则则 式中式中 载波功率，载波功率， 边带功率。边带功率。 2 AMH Bf 222 0 22222 00 ( )( ) cos cos( )cos2( )cos AMAMc ccc PstAm tt Atm ttA m tt w www ( )0m t 22 0 ( ) 22 AMcS Amt PPP 2 ( )/ 2 s Pm t 2 0 2 c A P 2 11 cos=+cos2 22 cc ttww 5.1.1 调幅（调幅（AM） 调制效率调制效率 AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分

13、。只有边带功率 才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有 用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率：用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率： 当当 时，代入上式，得到时，代入上式，得到 当当 时（时（100调制），调制效率最高，这时调制），调制效率最高，这时 ( ) ( ) 2 22 0 S AM AM mtP P Amt 22 ( )/ 2 m mtA ( ) ( ) 2 2 22 22 0 0 2 m AM m mtA AA Amt ( )cos mm m tAtw max0 |( )|m t

14、Amax 1 3 5.1.1 调幅（调幅（AM） A A - -A A 2fm S(f) 2fm -f0f0 f C(f) f0-f0 f t 1 0 1+m (t) c(t) t s(t) t M (f) fm f -fm 调幅信号的波形与频谱分析调幅信号的波形与频谱分析 载波功率载波功率 上边带功率上边带功率 下边带功率下边带功率 5.1.1 调幅（调幅（AM） 1. 时域表示式：时域表示式： 曲线：曲线： ( )( )cos DSBc stm ttw 载波反相点载波反相点 SDSB(t) t 5.1.2 双边带调制（双边带调制（DSB） 5.1.2 双边带调制（双边带调制（DSB） 1

15、( )()() 2 DSBcc SMMwwww w- 频谱：无载频分量频谱：无载频分量 调制效率：调制效率：100 优点：节省了载波功率优点：节省了载波功率 缺点：不能用包络检波，需用相干解调，较复杂。缺点：不能用包络检波，需用相干解调，较复杂。 w原理：原理： 双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信 号频谱号频谱M(w w)的所有频谱成分，因此仅传输其中一个的所有频谱成分，因此仅传输其中一个 边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传 输频带，这种方式称为单边带调制。输频带，这种方式称为单边带调制

16、。 产生产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。信号的方法有两种：滤波法和相移法。 5.1.3 单单边带调制（边带调制（SSB） 滤波法及滤波法及SSB信号的频域表示信号的频域表示 滤波法的原理方框图滤波法的原理方框图 用边带滤波器，滤除不要的边带用边带滤波器，滤除不要的边带: 图中，图中，H(w w)为单边带滤波器的传输函数。为单边带滤波器的传输函数。 （1）若具有如下理想低通特性：）若具有如下理想低通特性： 则可滤除上边带则可滤除上边带,保留下边带。保留下边带。 1, ( )( ) 0, c LSB c HH ww ww ww SDSB(t)SSSB(t)m(t) H(w) 载波载波C

17、(t) 5.1.3 单单边带调制（边带调制（SSB） w SSB信号的频谱信号的频谱: ( )( )( ) SSBDSB SSHwww 1, ( )( ) 0, c USB c HH ww ww ww -f0 HL(f)特性特性 上边带上边带 (b) 上边带滤波器特性和信号频谱上边带滤波器特性和信号频谱 f00 f 上边带上边带 S (f) 上边带上边带 下边带下边带 HH(f)特性特性HH(f)特性特性 (a) 滤波前信号频谱滤波前信号频谱 (c) 下边带滤波器特性和信号频谱下边带滤波器特性和信号频谱 S(f) S(f) -f00 f -f0f0 f 下边带下边带 f0 上边带上边带 5.1

18、.3 单单边带调制（边带调制（SSB） （2）若单边带滤波器具有理想高通特）若单边带滤波器具有理想高通特 性，则可滤除下边带，保留上边带。性，则可滤除下边带，保留上边带。 w原理：原理： 让一个边带绝大部分顺利通过，而让另一个边带残留一让一个边带绝大部分顺利通过，而让另一个边带残留一 部分。部分。VSB是介于是介于SSB与与DSB之间的一种折中方案之间的一种折中方案。 5.1.4 残留边带（残留边带（VSB）调制）调制 ( ( ) )w wM w w w w w w w w -fc 0 DSB SSB VSB fc v滤波法模型滤波法模型 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

19、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：按照此模型得到的输出信号频域表示式为： 式中，式中， 只要适当选择只要适当选择H H( (w w) )，便可以得到各种幅度调制信号。，便可以得到各种幅度调制信号。 ( ) ( )cos( ) mc stm tth tw 1 ( )()( ) 2 mcc SMMHwwwwww- ( )( )Hh tw 5.1.5 线性调制的一般模型线性调制的一般模型 1.1.相干解调原理相干解调原理 u相干解调器的一般模型相干解调器的一般模型 u相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接

20、收端必须提供一 个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载 波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即 可得到原始的基带调制信号。可得到原始的基带调制信号。 5.1.6 相干解调与包络检波相干解调与包络检波 相干解调推导过程：相干解调推导过程： 已调信号的一般表达式为（窄带随机信号）已调信号的一般表达式为（窄带随机信号） 与同频同相的相干载波与同频同相的相干载波c(t)相乘后，得相乘后，得 经低通滤波器后，得到经低通滤波器后，得到 sd(t

21、)就是解调输出，即就是解调输出，即 ( )( )cos( ) in mIcQc sts ttst stww ( )( )cos 111 ( )( )cos2( ) in2 222 pmc IIcQc sts tt s ts tts t st w ww ( ) 1 ( ) 2 dI sts t ( )( ) 1 ( ) 2 dI ststm t v包络检波包络检波 u适用条件：适用条件：AM信号，且要求信号，且要求|m(t)|max A0 ， u包络检波器结构：包络检波器结构： 通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如，通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如， u性能分析性能分析 设输

22、入信号是设输入信号是 选择选择RC满足如下关系满足如下关系 式中式中fH 调制信号的最高频率调制信号的最高频率 在大信号检波时（一般大于在大信号检波时（一般大于0.5 V），二极管处于受控的开关状态，检波器），二极管处于受控的开关状态，检波器 的输出为的输出为 隔去直流后即可得到原信号隔去直流后即可得到原信号m(t)。 0 ( )( )cos AMc stAm ttw 1/ Hc fRCf ( ) 0 ( ) d stAm t v 包络检波原理：包络检波原理： 包络检波器解调调幅信号包络检波器解调调幅信号 整流器整流器 低通滤波器低通滤波器 v5.2.1 分析模型分析模型 v研究的问题：加性高

23、斯白噪声信道下，各种线性调制系统研究的问题：加性高斯白噪声信道下，各种线性调制系统 的抗噪声性能。的抗噪声性能。 图中图中 sm (t) 已调信号已调信号 n(t) 信道加性高斯白噪声信道加性高斯白噪声 ni(t) 带通滤波后的噪声带通滤波后的噪声 mo(t) 输出有用信号输出有用信号 no(t) 输出噪声输出噪声 分析解调器分析解调器 前后的信噪前后的信噪 比比 5.2 5.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 v（2） 解调器输出信噪比定义解调器输出信噪比定义 S0/N0与调制方式和解调方式均密切相关，当输入解调器的信噪比与调制方式和解调方式均密切相关，当输入解调器的信噪比

24、 相同时，相同时， S0/N0越大越好。因此，越大越好。因此，S0/N0反映了解调器的抗噪声性反映了解调器的抗噪声性 能。能。 v （3）制度增益定义：）制度增益定义： 00 / / ii SN G SN 2 oo 2 o o ( ) ( ) Sm t N n t 解调器输出有用信号的平均功率 解调器输出噪声信号的平均功率 2 2 ( ) ( ) im i i Ss t N n t 解调器输入有用信号的平均功率 解调器输入噪声信号的平均功率 模拟通信系统模拟通信系统 的性能指标是的性能指标是 解调器的输出解调器的输出 信噪比信噪比 （1）输入信噪比）输入信噪比Si /Ni 的定义是：的定义是：

25、 v DSB相干解调抗噪声性能分析模型相干解调抗噪声性能分析模型 由于经过相干解调后，得到的信号和噪声相互独立，因此可以分别计算由于经过相干解调后，得到的信号和噪声相互独立，因此可以分别计算 解调器输出的信号功率和噪声功率。解调器输出的信号功率和噪声功率。 5.2.2 DSB5.2.2 DSB调制系统的性能调制系统的性能 v1. 噪声功率计算噪声功率计算 解调器输入端的窄带噪声可表示为解调器输入端的窄带噪声可表示为 （1） 解调器输入噪声的平均功率解调器输入噪声的平均功率 Ni ( ) ( )cos( )sin iccsc n tn ttn ttww- 222 ( )( )( ) icsi n

26、tntntN 设白噪声的单边功率谱密度为设白噪声的单边功率谱密度为n0，带通滤波器是高度为，带通滤波器是高度为1、 带宽为带宽为B的理想矩形函数，则解调器的输入噪声功率为的理想矩形函数，则解调器的输入噪声功率为: 0i Nn B （2）解调器输出噪声功率）解调器输出噪声功率 窄带噪声与相干载波相乘后，得窄带噪声与相干载波相乘后，得 经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为 得解调器输出噪声的平均功率得解调器输出噪声的平均功率 式中式中B=2fH o 1 ( )( ) 2 c n tn t 22 oo0 111 ( )( ) 444 ci Nn tn tNn

27、B ( )cos( )cos( )sincos icccscc n ttn ttn tttwwww- 11 ( )( )cos2( )sin 2 22 cccsc n tn ttn ttww- v2. 信号功率计算信号功率计算 设解调器输入信号为设解调器输入信号为 （1 1）解调器输入信号平均功率为解调器输入信号平均功率为 （2 2）解调器输出信号平均功率为解调器输出信号平均功率为 与相干载波与相干载波cosw wct相乘后，得相乘后，得 ( )( )cos mc stm ttw 2 22 1 ( )( )cos( ) 2 imc Sstm ttm tw 2 11 ( )cos( )( )co

28、s2 22 cc m ttm tm ttww v经低通滤波器后，输出信号为经低通滤波器后，输出信号为 因此，解调器输出端的有用信号功率为因此，解调器输出端的有用信号功率为 v 3. 信噪比计算信噪比计算 u输入信噪比输入信噪比 u输出信噪比输出信噪比 2 0 1 ( ) 2i i mt S Nn B 2 2 o o0 1 ( ) ( ) 4 1 4 i mt Smt Nn B N o 1 ( )( ) 2 m tm t 22 oo 1 ( )( ) 4 Sm tm t v 4. 制度增益制度增益 oo / 2 / DSB ii SN G SN 由此可见，由此可见，DSB调制系统的制度增益为调制

29、系统的制度增益为2。也就是说，。也就是说，DSB 信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用相干解调，使信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用相干解调，使 输入噪声中的正交分量被消除的缘故输入噪声中的正交分量被消除的缘故(参看式参看式(5.2-11)至至(5.2-12)。 u 前言前言 频率调制简称调频频率调制简称调频(FM)，相位调制简称调相，相位调制简称调相(PM)。 这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的 变化都表现为载波瞬时相位的变化。变化都表现为载波瞬时相位的变化。 角度调制：频率调制和相位调制的总称。角度调制：频率调

30、制和相位调制的总称。 已调信号频谱不再是原调制信号频谱的简单搬移，产生了已调信号频谱不再是原调制信号频谱的简单搬移，产生了 与原频谱不同的新频率成分，又称为非线性调制。与原频谱不同的新频率成分，又称为非线性调制。 与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的 抗噪声性能。抗噪声性能。 5.3 角度调制的原理角度调制的原理 1.角度调制信号的一般表达式为角度调制信号的一般表达式为 式中式中 载波的恒定振幅；载波的恒定振幅； 瞬时相位；瞬时相位； 瞬时相位偏移瞬时相位偏移 瞬时角频率瞬时角频率 瞬时角频偏瞬时角频偏 ( )cos( ) mc

31、stAttw ( )( ) ct ttw ( ) t ( ) ( ) c dtt t dt w w ( )dt dt A 5.3.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念 2. 相位调制相位调制(PM)和频率调制和频率调制(FM) ： （1）PM：瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，即：瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，即 式中式中Kp 调相灵敏度，含义是单位调制信号幅度引起调相灵敏度，含义是单位调制信号幅度引起PM信号信号 的相位偏移量，单位是的相位偏移量，单位是rad/V。 将上式代入一般表达式将上式代入一般表达式 得到得到PM信号表达式信号表达式 ( )( ) p tK m t ( )co

32、s( ) PMcp stAtK m tw ( )cos( ) mc stAttw （2）频率调制）频率调制(FM)： 瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，即瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，即 式中式中 Kf 调频灵敏度，单位是调频灵敏度，单位是rad/s/V。 这时相位偏移为这时相位偏移为 将其代入一般表达式将其代入一般表达式 得到得到FM信号表达式信号表达式 ( ) ( ) f dt K m t dt ( )( ) f tKmdtt ( )cos( ) FMcf stAtKmdwtt ( )cos( ) mc stAttw （3）单音调制）单音调制FM与与PM 设调制信号为单一频率的正弦波，

33、即设调制信号为单一频率的正弦波，即 PM调制时，用它对载波进行相位调制时，将上式代入调制时，用它对载波进行相位调制时，将上式代入 得到得到 式中，式中，mp = Kp Am 调相指数，表示最大的相位偏移。调相指数，表示最大的相位偏移。 ( )coscos2 mmmm m tAtAf tw ( )cos( ) PMcp stAtK m tw PM( ) coscos cpmm stAtK Atwwcoss cpm Atm cotww FM调制时，用它对载波进行频率调制时，将调制时，用它对载波进行频率调制时，将 代入代入 得到得到FM信号的表达式信号的表达式 式中式中 调频指数，表示最大的相位偏移

34、调频指数，表示最大的相位偏移 最大角频偏最大角频偏 最大频偏最大频偏 ( )coscos2 mmmm m tAtAf tw FM( ) coscos cfmm stAtK Adww t t ( )cos( ) FMcf stAtKmdwtt cosn cfm Atm sitww fm f mmm K A f m f w ww fm K Aw fm fmf PM信号和信号和FM信号波形信号波形 (a) PM信号波形信号波形 (b) FM信号波形信号波形 cos cfmm K Atww sin cpmm K Atww- 1、若载波、若载波uC(t)=UCcosCt，调制信号，调制信号u(t)= U

35、sint，则调频波的表，则调频波的表 达式为达式为 （ B ） 2、无论是调频信号还是调相信号，它们的频率和相位都同时受到、无论是调频信号还是调相信号，它们的频率和相位都同时受到 调变，其区别仅在于按调制信号规律线性变化的物理量不同，这调变，其区别仅在于按调制信号规律线性变化的物理量不同，这 个物理量在调相信号中是个物理量在调相信号中是 （ D ） A瞬时相位瞬时相位 B瞬时角频率偏移瞬时角频率偏移 C瞬时频率瞬时频率 D瞬时相位偏移瞬时相位偏移 .( )cos(sin) .( )cos(cos) .( )(1sin)cos .( )cos(cos) FMccf FMccf FMcfc FMc

36、cf AutUtmt ButUtmt CutUmtt DutUtmt w w w w - 练练 习习 ( )0.5 6 t f Kmd tt - （或） 5.3.2 窄带调频（窄带调频（NBFM） 1. 定义：定义：FM信号的最大瞬时相位偏移满足下式条件信号的最大瞬时相位偏移满足下式条件 2. 单音调制时的频谱和带宽单音调制时的频谱和带宽 1 ( ) ()()()() 2 AMcccc SAMMw w w w ww ww w- NBFM( ) ()() cc sAw ww ww- ()() 2 f cc cc AK MMwwww wwww - - - （1）NBFM和和AM信号频谱的比较信号频

37、谱的比较 （2）NBFM信号的带宽信号的带宽 两者都含有一个载波和位于两者都含有一个载波和位于w wc处的两个边带，所以它们的处的两个边带，所以它们的 带宽相同带宽相同 不同的是，不同的是，NBFM的两个边频分别乘了因式的两个边频分别乘了因式1/(w w - w wc)和和 1/(w w + w wc) ，由于因式是频率的函数，所以这种加权是频，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。率加权，加权的结果引起调制信号频谱的失真。 另外，另外，NBFM的一个边带和的一个边带和AM反相。反相。 u 频谱图频谱图 l 宽带调频信号的频谱分析较困难，下面只研究单

38、音调制宽带调频信号的频谱分析较困难，下面只研究单音调制 信号的情况。信号的情况。 5.3.3 宽带调频宽带调频 某单音宽带调频波的频谱：图中只画出了单边振幅谱。某单音宽带调频波的频谱：图中只画出了单边振幅谱。 则称为窄带调频；反之，称为宽带调频。则称为窄带调频；反之，称为宽带调频。 单音信号调制时的调频信号带宽单音信号调制时的调频信号带宽 它称为卡森（它称为卡森（Carson）公式。）公式。 2(1)2() FMfmm Bmfff 当当mf 1时，上式可以近似为时，上式可以近似为 这就是宽带调频的带宽。这就是宽带调频的带宽。 2 FMm Bf 2 FM Bf 任意带限调频信号的带宽任意带限调频

39、信号的带宽 仍可用卡森（仍可用卡森（Carson）公式。当任意限带信号调制时，上式中）公式。当任意限带信号调制时，上式中fm 是基带信号的最高频率，是基带信号的最高频率， mf是最大频偏是最大频偏 f 与与 fm之比之比。 例如，调频广播中规定的最大频偏例如，调频广播中规定的最大频偏 f为为75kHz，最高基带信号频率，最高基带信号频率 fm为为15kHz，故调频指数，故调频指数mf 5，由上式可计算出此，由上式可计算出此FM信号的频信号的频 带宽度为带宽度为180kHz。 调频信号的功率分配调频信号的功率分配 调频信号的平均功率等于未调载波的平均功率，即调制后总的调频信号的平均功率等于未调载

40、波的平均功率，即调制后总的 功率不变，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分功率不变，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分 量。量。 2 2 FMc A PP 调频信号的产生调频信号的产生 直接调频法：直接调频法： 用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使 其按调制信号的规律线性地变化。其按调制信号的规律线性地变化。 压控振荡器：每个压控振荡器压控振荡器：每个压控振荡器(VCO)自身就自身就 是一个是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于调制器，因为它的振荡频率正比于 输入控制电压，即输入控制电压，即 方框图方框图 LC振荡器：用变容二极管

41、实现直接调频。振荡器：用变容二极管实现直接调频。 0 ( )( ) if tK m tww 5.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调 u 直接调频法的主要优缺点：直接调频法的主要优缺点： 优点：可以获得较大的频偏。优点：可以获得较大的频偏。 缺点：频率稳定度不高缺点：频率稳定度不高 u 改进途径：采用如下锁相环（改进途径：采用如下锁相环（PLL）调制器）调制器 PD-相位检测器；相位检测器；LF-环路滤波器；环路滤波器；VCO-压控振荡器压控振荡器 w 间接法调频间接法调频 阿姆斯特朗（阿姆斯特朗（Armstrong）法）法 原理：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产原理：

42、先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产 生一个窄带调频生一个窄带调频(NBFM)信号，再经信号，再经n次倍频器得到宽带调次倍频器得到宽带调 频频 (WBFM) 信号。信号。 方框图方框图 w 调频信号的解调调频信号的解调 非相干解调：调频信号的一般表达式为非相干解调：调频信号的一般表达式为 解调器的输出应为解调器的输出应为 完成这种频率完成这种频率-电压转换关系的器件是频率检波器，电压转换关系的器件是频率检波器， 简称鉴频器。简称鉴频器。 鉴频器的种类很多，例如振幅鉴频器、相位鉴频器、鉴频器的种类很多，例如振幅鉴频器、相位鉴频器、 比例鉴频器、正交鉴频器、斜率鉴频器、频率负反馈比例鉴频器

43、、正交鉴频器、斜率鉴频器、频率负反馈 解调器、锁相环解调器、锁相环(PLL)鉴频器等。鉴频器等。 下面以振幅鉴频器为例介绍：下面以振幅鉴频器为例介绍： ( )cos( ) t FMcf stAtKmdwtt - o( ) ( ) f m tK m t 振幅鉴频器方框图振幅鉴频器方框图 图中，微分电路和包络检波器构成了具有近似理想鉴图中，微分电路和包络检波器构成了具有近似理想鉴 频特性的鉴频器。限幅器的作用是消除信道中噪声等引起频特性的鉴频器。限幅器的作用是消除信道中噪声等引起 的调频波的幅度起伏的调频波的幅度起伏 微分器的作用是把幅度恒定的调频波微分器的作用是把幅度恒定的调频波sFM (t)变

44、成幅变成幅 度和频率都随调制信号度和频率都随调制信号m(t)变化的调幅调频波变化的调幅调频波sd(t)，即，即 包络检波器则将其幅度变化检出并滤去直流，再经包络检波器则将其幅度变化检出并滤去直流，再经 低通滤波后即得解调输出低通滤波后即得解调输出 式中式中Kd 为鉴频器灵敏度，单位为为鉴频器灵敏度，单位为V/rad/s ( )( )sin( ) t dcfcf s tAK m ttKmdwwtt - - o( ) ( ) df m tK K m t 相干解调：相干解调仅适用于相干解调：相干解调仅适用于NBFM信号信号 由于由于NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和，信号可分解成同相分量与正

45、交分量之和， 因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调， 如下图所示。如下图所示。 设窄带调频信号设窄带调频信号 并设相干载波并设相干载波 则相乘器的输出为则相乘器的输出为 经低通滤波器取出其低频分量，再经微分器，即得解调输出经低通滤波器取出其低频分量，再经微分器，即得解调输出 可见，相干解调可以恢复原调制信号。可见，相干解调可以恢复原调制信号。 ( )cos( ) sin t NBFMcfc stAtA Kmdtwttw - - ( )sin c c ttw - ( )sin2( ) (1 cos2) 22 t pcfc AA sttKmdt

46、wttw - - ( )( ) 2 t dF A stKmdtt - 0( ) ( ) 2 F AK m tm t u重点讨论重点讨论FM非相干解调时的抗噪声性能非相干解调时的抗噪声性能 u分析模型分析模型 图中图中n(t) 均值为零，单边功率谱密度为均值为零，单边功率谱密度为n0的高斯白噪声的高斯白噪声 5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能 结论：在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能将比调结论：在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能将比调 幅系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。幅系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。 但是，但是，FM系统以带宽换取输出信噪

47、比改善并不是无止境的。系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。 随着传输带宽的增加，输入噪声功率增大，在输入信号功随着传输带宽的增加，输入噪声功率增大，在输入信号功 率不变的条件下，输入信噪比下降，当输入信噪比降到一率不变的条件下，输入信噪比下降，当输入信噪比降到一 定程度时就会出现门限效应，输出信噪比将急剧恶化。定程度时就会出现门限效应，输出信噪比将急剧恶化。 调制方调制方 式式 传输传输 带宽带宽 设备复杂设备复杂 程度程度 主要应用主要应用 AM2fm简单简单中短波无线电广播中短波无线电广播 DSB 2fm 中等中等应用较少应用较少 SSB fm 复杂复杂 短波无线电广播、话音频分复

48、用、载波通短波无线电广播、话音频分复用、载波通 信、数据传输信、数据传输 VSB略大于略大于fm 近似近似SSB复杂复杂电视广播、数据传输电视广播、数据传输 FM中等中等 超短波小功率电台（超短波小功率电台（窄带窄带FM）；）；调频立体调频立体 声广播等高质量通信声广播等高质量通信（宽带（宽带FM） oo /SN o o0 AM 1 3 i m SS Nn f o o0 DSB i m SS Nn f o o0 SSB i m SS Nn f 2(1) fm mf 2 o o0 FM 3 2 i f m SS m Nn f 5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较 抗噪声性能：抗噪

49、声性能： WBFM抗噪声性能最好，抗噪声性能最好， DSB、SSB、VSB抗噪声抗噪声 性能次之，性能次之，AM抗噪声性抗噪声性 能最差。能最差。 各种模拟调制系统的性能曲线各种模拟调制系统的性能曲线 u频带利用率频带利用率 SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调占用的带宽随调 频指数频指数mf的增大而增大，其频带利用率最低。可以说，的增大而增大，其频带利用率最低。可以说，FM 是以牺牲有效性来换取可靠性的。是以牺牲有效性来换取可靠性的。 特点与应用特点与应用 AM： 优点：接收设备简单；优点：接收设备简单； 缺点：功率利用率低，抗干扰能力差。主要

50、用在中短波调幅广播。缺点：功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中短波调幅广播。 DSB调制：调制： 优点：功率利用率高，且带宽与优点：功率利用率高，且带宽与AM相同相同 缺点：设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。缺点：设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。 SSB调制：调制： 优点：功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性优点：功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性 衰落能力均优于衰落能力均优于AM，而带宽只有，而带宽只有AM的一半；的一半； 缺点：发送和接收设备都复杂。缺点：发送和接收设备都复杂。SSB常用于频分多路复用系统中。常用于频分多路复用系统中

51、。 FM： 优点：优点：FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量通信系统中。的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量通信系统中。 缺点是频带利用率低，存在门限效应。缺点是频带利用率低，存在门限效应。 v5.6.1 频分复用（频分复用（FDM） 目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率 原理原理 5.6 频分复用频分复用(FDM)和调频和调频(FM)立体声立体声 fx1 f X1( f ) 0 fx2 f X2( f ) 0 fx3 f X3( f ) 0 f fc1+fx1 X1( f ) 0 fc1fc2fc2+fx2fc3+fx3fc3 SS

52、B调制调制 设设x1(t)、 x2(t)、 x3(t)的频谱分别为的频谱分别为X1(f)、X2(f) 、X3(f)，采用，采用SSB 调制调制 方式，保留上边带，则方式，保留上边带，则FDM之后信号之后信号x(t)的频谱如下图所示：的频谱如下图所示： B1 B2 复用信号的带宽复用信号的带宽 12312SSBFDMxxx BfffBB 防护频带防护频带 复用信号的频谱复用信号的频谱 w典型例子：多路载波电话系统典型例子：多路载波电话系统 每路电话信号的频带限制在每路电话信号的频带限制在3003400Hz，在各路已调信号间留有防护，在各路已调信号间留有防护 频带，每路电话信号取频带，每路电话信号

53、取4kHz作为标准带宽作为标准带宽 层次结构：层次结构：12路电话复用为一个基群；路电话复用为一个基群；5个基群复用为一个超群，共个基群复用为一个超群，共60 路电话；由路电话；由10个超群复用为一个主群，共个超群复用为一个主群，共600路电话。如果需要传输更路电话。如果需要传输更 多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群。多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群。 基群频谱结构图基群频谱结构图(12个下边带信号个下边带信号)，占用，占用60-108kHz频率范围。频率范围。 载波频率载波频率 ()6441kHz cn fn- 64104108 f ( KHz) fc1=fc2= 68fc

54、12=60 48KHz ,112n FDM 技术主要用于模拟信号，普遍应用在多路载波技术主要用于模拟信号，普遍应用在多路载波 电话系统中。电话系统中。 其主要优点其主要优点:信道利用率高，技术成熟；信道利用率高，技术成熟； 缺点缺点:是设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和是设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和 传输过程中，调制、解调等过程会不同程度地引入非传输过程中，调制、解调等过程会不同程度地引入非 线性失真，而产生各路信号的相互干扰。线性失真，而产生各路信号的相互干扰。 u 调制信号、载波和已调信号的概念；调制信号、载波和已调信号的概念； u 模拟调制的概念模拟调制的概念 (调制信号是

55、模拟信号调制信号是模拟信号)； u 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)有哪些调制方式，信号表达方式，有哪些调制方式，信号表达方式， 有哪些有哪些 解调方式（相干解调和包络检波）；解调方式（相干解调和包络检波）； u相干解调的原理；相干解调的原理； u调频、调相最终体现在角度的变化，因此把它们统称为角度调调频、调相最终体现在角度的变化，因此把它们统称为角度调 制（非线性调制），制（非线性调制），“非线性非线性”的理解；的理解； u窄带调频和宽带调频的界定；窄带调频和宽带调频的界定； u门限效应（非相干解调和包络检波）门限效应（非相干解调和包络检波） ； u各种模拟系统的比较（带宽、抗噪声性能各

56、种模拟系统的比较（带宽、抗噪声性能-制度增益）；制度增益）； u频分复用的概念和基本原理框图。频分复用的概念和基本原理框图。 小小 结结 讨论题讨论题 v第第11组，于组，于1周后讲周后讲 1、常规、常规AM中外加的直流分量对解调过程有什么益处？但直中外加的直流分量对解调过程有什么益处？但直 流分量对调制效率有什么不好的影响？流分量对调制效率有什么不好的影响？ 2、比较常规、比较常规AM、DSB-SC已调信号的异同。（时域、频谱、已调信号的异同。（时域、频谱、 带宽、调制效率等方面来比较）带宽、调制效率等方面来比较） 3、推导、推导AM已调信号的平均功率。已调信号的平均功率。 /2 2 AM

57、/2T /2 2 2 0 /2T 1 Plim( ) 1 lim( )cos (2) T AM T T c T St dt T Am tf t dt T - - Matlab设计设计全体同学做，于全体同学做，于2周后交，周后交， 由第由第12组讲组讲 1、消息信号、消息信号m(t)为：为： 其中其中t0=0.1s。用这个消息来调制载波。用这个消息来调制载波 （1）写出常规）写出常规AM已调信号的表达式。（注意，已调信号的表达式。（注意，A0的取值）的取值） （2）画出消息信号和已调信号的波形图、频谱图。）画出消息信号和已调信号的波形图、频谱图。 （3）假设该消息信号是周期信号，其周期等于）假设该消息信号是周期信号，其周期等于t0,求已调信号的功率和求已调信号的功率和 调制效率。调制效率。 （4）假设已调信号通过信道传输时，有噪声信号叠加在它上面，）假设已调信号通过信道传输时，有噪声信号叠加在它上面，SNR 为为10dB，求噪声功率。，求噪声功率。 参考书参考书现代通信系统（现代通信系统（MATLAB版）版），电子工业出版社，刘树棠译，电子工业出版社，刘树棠译 0 sin (100 ), ( ) 0, cttt m t else ( )cos(2),250 cc c tf t