第5章_模拟调制系统

1、1通信原理第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统2第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统3第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统4第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统5 在通信系统中，由于各种从消息转换过来的原始在通信系统中，由于各种从消息转换过来的原始信号源信号源基带信号具有较低的频谱成分，大多数不基带信号具有较低的频谱成分，大多数不适应在信道上直接传输，或者说信道利用率低等原因，适应在信道上直接传输，或者说信道利用率低等原因，通常在发送端用信号对载波进行调制后再送入信道，通常在发送端用信号对载波进行调制后再送入信道，在接收端经过反调制（解调）将信号恢复出来。所以在接收端经过反调制（解调）将信号恢

2、复出来。所以调制是通信系统的一个重要组成部分。选择不同的调调制是通信系统的一个重要组成部分。选择不同的调制方法，得到不同的通信性能。某种新的调制技术的制方法，得到不同的通信性能。某种新的调制技术的出现往往会给通信技术带来质的变化，因而人们将出现往往会给通信技术带来质的变化，因而人们将调调制理论看作是通信原理的基础制理论看作是通信原理的基础。正因如此，研究调制。正因如此，研究调制解调理论与技术就显得非常重要。解调理论与技术就显得非常重要。 第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统6第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l基本概念基本概念n调制调制 按调制信号（基带信号）的变化规律去按调制信号（基带信号

3、）的变化规律去改变载波某些参数的过程改变载波某些参数的过程，从而达到从而达到把信号转换把信号转换成适合在信道中传输的形式的目的。成适合在信道中传输的形式的目的。n广义调制广义调制 分为分为基带调制基带调制和和带通调制带通调制（也称（也称载载波调制波调制）。）。 n狭义调制狭义调制 仅指带通调制。在无线通信和其他仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。大多数场合，调制一词均指载波调制。7第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n调制信号调制信号 指来自信源的基带信号。指来自信源的基带信号。 n载波调制载波调制 用调制信号去控制载波的参数的用调制信号去控制载波的参数的过程过程。

4、n载波载波 未受调制的周期性振荡信号，它可以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。是正弦波，也可以是非正弦波。n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。n解调（检波）解调（检波） 调制的逆过程，其作用是将调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。已调信号中的调制信号恢复出来。 8第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l调制的目的调制的目的 u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率。u把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。以实现信道的多路复

5、用，提高信道利用率。u扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。9按调制信号按调制信号按载波信号按载波信号 按被调制的参数按被调制的参数按调制器的性质按调制器的性质模拟模拟数字数字连续波（例如正弦波）连续波（例如正弦波）离散波（例如矩形脉冲波）离散波（例如矩形脉冲波） 幅度幅度 频率频率 相位相位 线性线性 非线性非线性l调制分类调制分类 第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统10第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.1幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理(1)一

6、般原理一般原理设：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； c 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）。）。 则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成一般可表示成式中，式中， m(t) 基带调制信号。基带调制信号。0( )coscc tAt( )( )cosmcstAm tt11第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 (2)频谱频谱 设调制信号设调制信号m(t)的频谱为的频谱为M( )，则已调信号的频，则已调信号的频谱为谱为u由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基由以

7、上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到精确到常数因子常数因子)。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为制通常又称为线性调制线性调制。)()(2)()(ccmmMMAtsFS (3)实现方法实现方法 线性调制信号可以由线性调制器产生，如图线性调制信号可以由线性调制器产生，如图5.1.1所示。所示。它由一个相乘器和带通滤波器组成。它由一个相乘器和带通滤波器组成。式中，式中， 、

8、 是滤波器的冲是滤波器的冲激响应和传输函数，适当选激响应和传输函数，适当选取便可得到各种线性调制信号。取便可得到各种线性调制信号。12dttmhtsccm)cos()()()(dtmhtcccos)()(cosdtmhtccsin)()(sin)()()(21)(HMMSccm)(H)(th th tsm tccos tm 图图5.1.1 线性调制器模型线性调制器模型第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统13第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.1.1调幅（调幅（AM） u时域表示时域表示式中式中 m(t) 调制信号，均值为调制信号，均值为0； A0 常数，表示叠加的直流分量。常数，表示叠加

9、的直流分量。00( )( )coscos( )cosAMcccstAm ttAtm tt14第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u波形图波形图p由波形可以看出，由波形可以看出，p当满足条件：当满足条件：|m(t)| A0时，其包络与调制信号波形时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很相同，因此用包络检波法很容易恢复出原容易恢复出原 始调制信号。始调制信号。p否则，出现否则，出现“过调幅过调幅”现象。现象。 这时用包络检波将发生失真。但是，可以这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波。采用其他的解调方法，如同步检波。 0 t 过调幅时 AM 已调波的波形 SAM

10、(t) 第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统16第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 thu调制器模型调制器模型第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频谱频谱)cos()cos()cos()(00ttmtAttmAtScccAM）01( ) ()()()()2AMccccSAMM 18载频分量载频分量下边带下边带上边带上边带第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频谱图频谱图p由频谱可以看出，由频谱可以看出，AM信号的频谱由信号的频谱由载频分量、上边带、下边带载频分量、上边带、下边带三部分组成。三部分组成。p上边带的频谱结构上边带的频谱结构与原调制信号的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带结构

11、相同，下边带是上边带的镜像。是上边带的镜像。 19第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uAM信号的特性信号的特性p带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽宽是基带信号带宽 fH 的两倍：的两倍：HAMfB220第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p功率：功率：当当m(t)为确知信号时，为确知信号时，若若则则式中式中 Pc = A02/2 载波功率，载波功率， 边带功率。边带功率。22202222200( )( ) coscos( )cos2( )cosAMAMccccPstAm ttAtm ttA m tt0)(tmScAMPPtmAP2)(

12、22202/ )(2tmPs21第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p调制效率调制效率 由上述可见，由上述可见，AM信号的总功率包括载波功信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制率和边带功率两部分。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（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：率的比例称为调制效率： 2220SAMAMmtPPAmt22第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统当当m(t) = Am cos mt时，时，代入上式，得到代入上式，得到当当|m(

13、t)|max = A0时（时（100调制），调制效率调制），调制效率最高，这时最高，这时 max 1/322( )/2mmtA 222222002mAMmmtAAAAmt23第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.1.2 双边带调制（双边带调制（DSB）u时域表示式：无直流分量时域表示式：无直流分量A0u频谱：无载频分量频谱：无载频分量 ttmtscDSBcos)()()()(21)(ccDSBMMScos0tOttOm(t)sDSB(t)OtOccM()OHHSDSB()Occ载波反相点2H24第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u调制效率：调制效率：100u优点：节省了载波功率优点：节省

14、了载波功率u缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。杂。 由频谱图可知，由频谱图可知，DSBDSB信号虽然节省了载波功率，信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与带宽的两倍，与AMAM信号带宽相同。由于信号带宽相同。由于DSBDSB信号的上、信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这就的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这就是单边带调制能解决的问题。是单边带调制能解

15、决的问题。25第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.1.3 单边带调制（单边带调制（SSB）u原理：原理：p双边带信号两个边带中的任意一个都包含了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调制信号频谱M( )的所有频谱成分，因此的所有频谱成分，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，还可节省一半传输频带，这种方式称功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。为单边带调制。p产生产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移信号的方法有两种：滤波法和相移法。法。 26第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u滤波法及滤波法及SSB信号的频域

16、表示信号的频域表示p滤波法的原理方框图滤波法的原理方框图 用边带滤波器，滤除用边带滤波器，滤除不要的边带不要的边带: 27第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 H( )为单边带滤波器的传输函数，若它具有如为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：下理想高通特性：则可滤除下边带。则可滤除下边带。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。1,( )( )0,cUSBcHH1,( )( )0,cLSBcHH28第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统pSSB信号的频谱信号的频谱p上边带频谱图上边带频谱图: ( )( )SSBDSBSSH29第第5章章 模拟

17、调制系统模拟调制系统p滤波法的技术难点滤波法的技术难点滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性例如，若经过滤波后的话音信号的最低频例如，若经过滤波后的话音信号的最低频率为率为300Hz，则上下边带之间的频率间隔为，则上下边带之间的频率间隔为600Hz，即允许过渡带为，即允许过渡带为600Hz。在。在600Hz过渡带和不太高的载频情况下，滤波器不过渡带和不太高的载频情况下，滤波器不难实现；但当载频较高时，采用一级调制难实现；但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。 30第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统

18、可以采用多级（一般采用两级）可以采用多级（一般采用两级）DSB调制调制及边带滤波的方法，即先在较低的载频上及边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行进行DSB调制，目的是增大过渡带的归一调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。载频上进行第二次调制。当调制信号中含有直流及低频分量时滤波当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。法就不适用了。31第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u相移法和相移法和SSB信号的时域表示信号的时域表示pSSB信号的时域表示式信号的时域表示式设单频调制信号为设单频调制信号为 载波为

19、载波为则则DSB信号的时域表示式为信号的时域表示式为tAtmmmcos)(ttcccos)(tAtAttAtsmcmmcmcmmDSB)cos(21)cos(21coscos)(32两式仅正负号不同第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统若保留上边带，则有若保留上边带，则有若保留下边带，则有若保留下边带，则有1( )cos()2USBmCmstAt11coscossinsin22mmcmmcAtAt1()cos()2LSBmCmstAt11coscossinsin22mmcmmcAttAtt33第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统将上两式合并：将上两式合并： 式中，式中，“”表示上边带信号，表示上

20、边带信号，“+”表示下表示下边带信号。边带信号。ttAttAtscmmcmmSSBsinsin21coscos21)(34第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统希尔伯特变换希尔伯特变换：上式中：上式中Am sin mt可以看作是可以看作是Am cos mt 相移相移 /2的结果。把这一相移过程的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为称为希尔伯特变换，记为“ ”，则有，则有这样，上式可以改写为这样，上式可以改写为tAtAmmmmsinso c11( )coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAtt35第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统把上式推广到一般情况，则得到把上式推广到一

21、般情况，则得到 式中，式中，11( )coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAttttmttmtsccSSBsin)(21cos)(21)(的希尔伯特变换是)()(tmtm36第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统若若M( )是是m(t)的傅里叶变换，则的傅里叶变换，则式中式中 上式中的上式中的-jsgn-jsgn 可以看作是希尔伯特滤波可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即器传递函数，即sgn)()(jMM1,0sgn1,0sgn)(/ )()(jMMHh37第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p移相法移相法SSB调制器方框图调制器方框图优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。优

22、点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。缺点：宽带相移网络难用硬件实现。缺点：宽带相移网络难用硬件实现。38第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uSSB信号的解调信号的解调SSB信号的解调和信号的解调和DSB一样，不能采用简单的包一样，不能采用简单的包络检波，因为络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，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。需采用相干解调。uSSB信号的性能信号的性能 SSB信号的实现比信号的实现比AM、DSB要复杂，但要复杂，但SSB调制调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且方

23、式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽度比它所占用的频带宽度比AM、DSB减少了一半。减少了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。39第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.1.4 残留边带（残留边带（VSB）调制）调制u原理：在这种调制方式中，不像原理：在这种调制方式中，不像SSB那样完那样完全抑制全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留使其残留小部分，如下图所示：小部分，如下图所示：40第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理调制方法：用滤波

24、法实现残留边带调制的原理框图与滤波法框图与滤波法SBB调制器相同。调制器相同。不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。截止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。41第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u对残留边带滤波器特性的要求对残留边带滤波器特性的要求p由滤波法可知，残留边带信号的频谱为由滤波法可知，残留边带信号的频谱为 为了确定上式中残留边带滤波器传输特性为了确定上式中残留边带滤波器传输特性H( )应满足的条件，我们来分析一下接收端是

25、如何应满足的条件，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。从该信号中恢复原基带信号的。 ( )VSBDSBSSH1() ( )2ccMMH 42第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统pVSB信号解调器方框图信号解调器方框图图中图中因为因为根据频域卷积定理，乘积根据频域卷积定理，乘积sp(t)对应的频谱为对应的频谱为 VSB2( )cospcststt ( )VSBVSBstScccosct ()()pVSBcVSBcSSS43第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统将将代入代入得到得到 ()()pVSBcVSBcSSS ( )VSBDSBSSH1() ( )2ccMMH 1(2)()2

26、pccSMMH 1( )(2) ()2ccMMH 44第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 式中式中M( + 2 c)及及M( - 2 c)是搬移到是搬移到+ 2 c和和 -2 c处的频谱，它们可以由解调器中的低处的频谱，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通滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为谱为 1(2)()2pccSMMH1( )(2)()2ccMMH1( )( )()()2dccSMHH45第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 显然，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制显然，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号信号m(t)，上式中的传递函数必须满足：

27、，上式中的传递函数必须满足： 式中，式中， H 调制信号的截止角频率。调制信号的截止角频率。p含义：残留边带滤波器的特性含义：残留边带滤波器的特性H( )在在 c处必须具有处必须具有互补对称互补对称（奇对称）特性（奇对称）特性, 相干解调时才能无失真地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。从残留边带信号中恢复所需的调制信号。 1( )( )()()2dccSMHH()()ccHHH常数，46第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p残留边带滤波器特性的两种形式残留边带滤波器特性的两种形式残留残留“部分上边带部分上边带”的滤波器特性：下图的滤波器特性：下图(a)残留残留“部分下边

28、带部分下边带”的滤波器特性的滤波器特性 ：下：下图图(b)47第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.1.5 线性调制的一般模型线性调制的一般模型u滤波法模型滤波法模型在前几节的讨论基础上，可以归纳出滤波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：法线性调制的一般模型如下： 48第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统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( )，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。)(co

29、s)()(thttmtscm)()(21)(HMMSccm)()(thH49第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u移相法模型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，将上式展开，则可得到另一种形式的时域表示式，即即式中式中上式表明，上式表明，sm(t)可等效为两个互为正交调制分量可等效为两个互为正交调制分量的合成。的合成。)(cos)()(thttmtscm( )( )cos( ) inmIcQcsts ttst st( )( )( )IIs th tm t( )( )cosIch th tt( )( )( )QQsthtm t( )( )sinQchth tt50第第5章章 模拟

30、调制系统模拟调制系统由此可以得到移相法线性调制的一般模型如下：由此可以得到移相法线性调制的一般模型如下： 同样，它适用于所有线性调制。同样，它适用于所有线性调制。( )( )cos( ) inmIcQcsts ttst st51第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.1.6 相干解调与包络检波相干解调与包络检波u相干解调相干解调p相干解调器的一般模型相干解调器的一般模型 52第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p相干解调器原理：为了无失真地恢复原基相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波调

31、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（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。53 解调信号为：解调信号为： 经经LF后，滤去后，滤去2c分量得分量得 要说明一点的是：要说明一点的是：LF不需要很陡峭的边缘特性，不需要很陡峭的边缘特性，只要足以将只要足以将m（t）与高频分量分开就可以了。）与高频分量分开就可以了。 这是我们在时城域中的分析结果。当然也可以在这是我们在时城域中的分析结果。当然也可以在频域中分析。频域中分析。ttmttstsccmp

32、2cos)(cos)()(2cos1)(2/1ttmc)(2/1)(tmtsd第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统54 在频域中的分析过程如下：在频域中的分析过程如下： 经经LF后，滤去后，滤去2c分量得分量得 结果是相同的。结果是相同的。)()( 2/1)(ccmMMS)()( 2/1)(ccpSSS)()2( 4/1MMc)2()(cMM)2( 4/1)(2/1cMM)2(cM)(2/1)(MSd第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统55 AM信号的相干解调信号的相干解调 AM信号相干解调的原理基本上与上述相干解调的信号相干解调的原理基本上与上述相干解调的一般原理相同，只不过在调制信号中含有

33、直流分量。一般原理相同，只不过在调制信号中含有直流分量。 频域中则为频域中则为 问题提示：问题提示：如何消除直流分量？如何消除直流分量？)(2/1)(cos)()(00tmAtsttmAtsdcAM)()()(0ccAMAS)()( 2/1ccMM)(2/1)()(0MASd第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统56 DSB信号的相干解调信号的相干解调 它和相干解调的一般原理相同。它和相干解调的一般原理相同。第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统57 SSB信号的相干解调信号的相干解调 经经LF后，滤去后，滤去2c分量得分量得 ttmttmtsccSSBsin)(2/1cos)(2/1)(ttst

34、scSSBpcos)()(ttmttmtttmttmccccc2sin)(4/12cos1)(4/1cossin)(2/1cos)(2/12)(4/1)(0tmts第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统58频域法推导：频域法推导： 经经LF后，滤去后，滤去2c分量得分量得 结果也是相同的。结果也是相同的。)()(4/1)(ccSSBMMS)()( 4/1ccMMj)()( 2/1)(cSSBcSSBPSSS)2()2( 8/1)2()2( 8/1)(4/1ccccMMMMM)(4/1)(MSd第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统59 VSB信号的相干解调信号的相干解调 我们从频域中说明我们从频域

35、中说明VSB信号的相干解调，并再次信号的相干解调，并再次证明证明VSB信号形成滤波器的条件。信号形成滤波器的条件。 )()()( 2/1)(VSBccVSBHMMSttstscVSBpcos)()()()( 2/1)(cVSBcVSBPSSS)()2(4/1)()2(4/1)()()(4/1)()2()(4/1)()()2(4/1cVSBccVSBccVSBcVSBcVSBccVSBcHMHMHHMHMMHMM第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统60经经LF后，滤去后，滤去2c分量得分量得 前面讲过，前面讲过，VSB滤波器在滤波器在m内满足：内满足： （常数）（常数）这样就可以无失真地恢复出这

36、样就可以无失真地恢复出m（t）了，同时也再）了，同时也再次证明次证明VSB信号形成信号形成F的条件。的条件。)()()(4/ 1)(cVSBcVSBoHHMSCHHcVSBcVSB)()(第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统61第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u包络检波包络检波p适用条件：适用条件：AM信号，且要求信号，且要求|m(t)|max A0 ;p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。通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如，例如，62第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能n5.2.1 分

37、析模型分析模型图中图中 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63第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u噪声分析噪声分析ni(t)为平稳窄带高斯噪声，它的表示式为为平稳窄带高斯噪声，它的表示式为或或由于由于式中式中 Ni 解调器输入噪声的平均功率解调器输入噪声的平均功率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，带通滤波器是高度为度为1、带宽为、带宽为B的理想矩形函数，则解调器的输的理想矩形函数，则解调器的输

38、入噪声功率为入噪声功率为ttnttntnsci00sin)(cos)()()(cos)()(0tttVtniisciNtntntn)()()(222BnNi064第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u解调器输出信噪比定义解调器输出信噪比定义输出信噪比反映了解调器的抗噪声性能。显然，输出信噪比反映了解调器的抗噪声性能。显然，输出信噪比越大越好。输出信噪比越大越好。2oo2oo( )( )Sm tNn t解调器输出有用信号的平均功率解调器输出噪声的平均功率65第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u制度增益定义：制度增益定义：用用G便于比较同类调制系统采用不同解调器时便于比较同类调制系统采用不同解调

39、器时的性能。的性能。G 也反映了这种调制制度的优劣。其也反映了这种调制制度的优劣。其中式中输入信噪比中式中输入信噪比Si /Ni 的定义是：的定义是：iiNSNSG/00)()(22tntsNSimii功率解调器输入噪声的平均平均功率解调器输入已调信号的66第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.2.2 DSB调制系统的性能调制系统的性能uDSB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 由于是线性系统，所以可以分别计算解调器由于是线性系统，所以可以分别计算解调器输出的信号功率和噪声功率。输出的信号功率和噪声功率。频谱如何？频谱如何？DSB-SC相干解调相干解调 ( )ms t L

40、PF BPF )(tn ( )ms t )(tni )(tno o( )m t cosct 67第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u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与相干载波与相干载波cos ct相乘后，得相乘后，得经低通滤波器后，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ttmtscmcos)()(ttmtmttmcc2cos)(21)(21cos)(2o1( )( )2m tm t22oo1( )( )4Sm tm t68第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统噪声功率计算噪声功率计算解调器输入端的窄带

41、噪声可表示为解调器输入端的窄带噪声可表示为它与相干载波相乘后，得它与相干载波相乘后，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ttnttntncsccisin)(cos)( )(tttnttnttnccscccicossin)(cos)(cos)(2sin)(2cos)(21)(21ttnttntncsccco1( )( )2cn tn t69第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统故输出噪声功率为故输出噪声功率为或写成或写成o1( )( )2cn tn t22oo1( )( )4cNn tn t2o0111( )444iiNn tNn B70第第5章章 模拟调

42、制系统模拟调制系统u输入信号功率计算输入信号功率计算解调器输入信号平均功率为解调器输入信号平均功率为u信噪比计算信噪比计算p输入信噪比输入信噪比)(21cos)()(222tmttmtsScmiBntmNSii02)(2171第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p输出信噪比输出信噪比u制度增益制度增益由此可见，由此可见，DSB调制系统的制度增益为调制系统的制度增益为2。也。也就是说，就是说，DSB信号的解调器使信噪比改善一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。的正交分量被消除的缘故。oo/2/DSBiiSN

43、GSN22oo01( )( )414im tSm tNn BN72第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.2.3 SSB调制系统的性能调制系统的性能u噪声功率噪声功率这里，这里，B = fH 为为SSB 信号的带通滤波器的带宽。信号的带通滤波器的带宽。u信号功率信号功率SSB信号信号与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号出信号因此，输出信号平均功率因此，输出信号平均功率o01144iNNn Bttmttmtsccmsin)(21cos)(21)(o1( )( )4mtm t22oo1( )( )16Sm tm t73第第5章章 模拟调制系统

44、模拟调制系统输入信号平均功率为输入信号平均功率为 )(21)(2141sin)(cos)(41)(2222tmtmttmttmtsSccmi( )( )m tm t因与的幅度相同，所以具有相同的平均功率，故上式)(412tmSi74第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u信噪比信噪比p单边带解调器的输入信噪比为单边带解调器的输入信噪比为p单边带解调器的输出信噪比为单边带解调器的输出信噪比为BntmBntmNSii02024)()(4122oo001( )( )16144m tSm tNn Bn B75第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u制度增益制度增益u讨论：讨论：p因为在因为在SSB系统中，

45、信号和噪声有相同系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声中的正交分量均被抑制掉，故信和噪声中的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善。噪比没有改善。oo/1/SSBiiSNGSN76第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统pGDSB = 2GSSB，能否说明，能否说明DSB系统的抗噪声性系统的抗噪声性能比能比SSB系统好呢？如果我们在相同的输入信系统好呢？如果我们在相同的输入信号功率，相同的输入噪声功率谱密度，相同的号功率，相同的输入噪声功率谱密度，相同的基带信号带宽条件下，对这两种调制方式进行基带信号带宽条件下，对这两种调制方式进行比较，可

46、以发现它们的输出信噪比是相等的。比较，可以发现它们的输出信噪比是相等的。这就是说，两者的抗噪声性能是相同的。但这就是说，两者的抗噪声性能是相同的。但SSB所需的传输带宽仅是所需的传输带宽仅是DSB的一半，因此的一半，因此SSB得到普遍应用。得到普遍应用。77第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能u包络检波器分析模型包络检波器分析模型检波输出电压正比于输入信号的包络变化。检波输出电压正比于输入信号的包络变化。 ( )mst BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )m t 包络检波 78第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u输入信

47、噪比计算输入信噪比计算设解调器输入信号为设解调器输入信号为 解调器输入噪声为解调器输入噪声为则解调器输入的信号功率和噪声功率分别为则解调器输入的信号功率和噪声功率分别为输入信噪比为输入信噪比为ttmAtscmcos)()(0ttnttntncsccisin)(cos)()(2)(2)(2202tmAtsSmiBntnNii02)(BntmANSii02202)(79第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u包络计算包络计算由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即式中式中上式中上式中E(t)便是所求的合成包络。当包络检波器的传输便是所求的合成包络。当包络检波器

48、的传输系数为系数为1时，则检波器的输出就是时，则检波器的输出就是E(t)。 0( )( )( )( )cos( )sin( )cos( )miccsccstn tAm tn ttn ttE ttt220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()()()(0tntmAtnarctgtcs80第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u输出信噪比计算输出信噪比计算p大信噪比情况大信噪比情况输入信号幅度远大于噪声幅度，即输入信号幅度远大于噪声幅度，即因而式因而式可以化简为可以化简为)()()(220tntntmAsc220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()()(

49、)( 2)()(22020tntntntmAtmAtEscc8112(1)1,12xxx 当时第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统)()()()( 2)()(22020tntntntmAtmAtEscc200120000( )2( ) ( )2 ( )( ) 1( )( )( ) 1( )cccAm tAm t n tn tAm tAm tn tAm tAm t0( )( )cAm tn t82第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统由上式可见，有用信号与噪声独立地分成两项，由上式可见，有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别计算它们的功率。输出信号功率为因而可分别计算它们的功率。输出信号功率为输

50、出噪声功率为输出噪声功率为故输出信噪比为故输出信噪比为2o( )Sm t22o0( )( )ciNn tn tn B2oo0( )Sm tNn B83第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统制度增益为制度增益为讨论：讨论：1. 调制制度增益调制制度增益GAM随随A0的减小而增加。的减小而增加。2. GAM总是小于总是小于1，这说明包络检波器对输入信，这说明包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。噪比没有改善，而是恶化了。3. 例如：对于例如：对于100%的调制，且的调制，且m(t)是单频正弦是单频正弦信号，这时信号，这时AM 的最大信噪比增益为的最大信噪比增益为2oo220/2( )/( )A

51、MiiSNm tGSNAm t32AMG84第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统4. 可以证明，采用同步检测法解调可以证明，采用同步检测法解调AM信号时，信号时，得到的调制制度增益与上式给出的结果相同。得到的调制制度增益与上式给出的结果相同。 5. 由此可见，对于由此可见，对于AM调制系统，在大信噪比调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的性能与同步检测时，采用包络检波器解调时的性能与同步检测器时的性能几乎一样。器时的性能几乎一样。85第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p小信噪比情况小信噪比情况此时，输入信号幅度远小于噪声幅度，即此时，输入信号幅度远小于噪声幅度，即包络包络变成变成22

52、0( )( )( )csAm tn tn t220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()(2)()()()(02220tmAtntntntmAtEcsc86第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统其中其中R(t) 和和 (t) 代表噪声的包络及相位：代表噪声的包络及相位：)()(2)()()()(02220tmAtntntntmAtEcsc)()(2)()(022tmAtntntncsc)()()()(21)()(22022tntntmAtntntnsccsc)(cos)()( 21)(0ttRtmAtR)()()(22tntntRsc)()()(tntnarctgtcs87

53、第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统因为因为所以，可以把所以，可以把E(t)进一步近似：进一步近似：)()(0tmAtR)(cos)()(1)(ttRtmAtR)(cos)()( 21)()(0ttRtmAtRtE）时1(21)1 (21xxx)(cos)()(ttmAtR88第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 此时，此时，E(t)中没有单独的信号项，有用信号中没有单独的信号项，有用信号m(t)被噪声扰乱，只能看作是噪声。被噪声扰乱，只能看作是噪声。 这时，输出信噪比不是按比例地随着输入信这时，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化，通常把这种现象称噪比下降，而是急剧恶化，通

54、常把这种现象称为解调器的为解调器的门限效应门限效应。开始出现门限效应的输。开始出现门限效应的输入信噪比称为入信噪比称为门限值门限值。 )(cos)()()(ttmAtRtE89第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统讨论讨论1. 门限效应是由包络检波器非线性解调作用引起的。门限效应是由包络检波器非线性解调作用引起的。 2. 用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调，在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。解调器输出端总是单独存在有用信号项。3. 在大信噪比情况下，在大信噪比

55、情况下，AM信号包络检波器的性能几信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同。但当输入信噪比低于门限值乎与相干解调法相同。但当输入信噪比低于门限值时，将会出现门限效应，这时解调器的输出信噪比时，将会出现门限效应，这时解调器的输出信噪比将急剧恶化，系统无法正常工作。将急剧恶化，系统无法正常工作。90第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.3 非线性调制（角度调制）的原理非线性调制（角度调制）的原理n前言前言 线性幅度调制通过线性幅度调制通过m(t)改变载波的幅度来实现基改变载波的幅度来实现基带信号的频谱搬移，频带服从叠加原理；而载波的频带信号的频谱搬移，频带服从叠加原理；而载波的频率和相位均与率

56、和相位均与m(t)无关，是个常数。已调信号的振幅无关，是个常数。已调信号的振幅变化携带了变化携带了m(t)的全部信息。而非线性调制则不同，的全部信息。而非线性调制则不同，它通过它通过m(t)改变载波的频率和相位实现基带信号的频改变载波的频率和相位实现基带信号的频谱搬移。谱搬移。91第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 现在要讨论的是载波现在要讨论的是载波Acosct+(t)的振幅不变，而的振幅不变，而角度角度(t)将随将随m(t)变化。无论是频率的变化还是相位的变化。无论是频率的变化还是相位的变化，都可以看为载波角度的变化，故这种调制又称变化，都可以看为载波角度的变化，故这种调制又称角度调制。

57、它是一种非线性调制。角度调制。它是一种非线性调制。 非线性调制虽然也要完成基带信号的频谱搬移，但非线性调制虽然也要完成基带信号的频谱搬移，但经搬移后的频谱与基带频谱结构上是不一样的。也就经搬移后的频谱与基带频谱结构上是不一样的。也就是说搬移前后频谱存着非线性关系，这种非线性关系是说搬移前后频谱存着非线性关系，这种非线性关系是由于调制载波的频率或相位受调制信号变化而造成是由于调制载波的频率或相位受调制信号变化而造成的。根据载波角度与的。根据载波角度与m(t)之间的关系，非线性调制分为之间的关系，非线性调制分为PM和和FM两种。两种。 92第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.3.1角度调制的

58、基本概念角度调制的基本概念 uFM和和PM信号的一般表达式信号的一般表达式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，A 载波的恒定振幅；载波的恒定振幅； ct + (t) (t) 信号的瞬时相位；信号的瞬时相位； (t) 瞬时相位偏移。瞬时相位偏移。pd ct + (t)/dt = (t) 称为称为瞬时角频率瞬时角频率pd (t)/dt 称为瞬时频偏。称为瞬时频偏。)(cos)(ttAtscm93第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u相位调制相位调制(PM)：瞬时相位偏移随调制信号作线性：瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，即变化，即式中式中Kp 调相灵敏度，含义是单位调制

59、信号幅度调相灵敏度，含义是单位调制信号幅度引起引起PM信号的相位偏移量，单位是信号的相位偏移量，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)()(tmKtp)(cos)(tmKtAtspcPM)(cos)(ttAtscm94第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频率调制频率调制(FM)：瞬时频率偏移随调制信号成比例：瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，即变化，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)()(tmKdttdf

60、( )( )ftKmd( )cos( )FMcfstAtKmd)(cos)(ttAtscm95第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uPM与与 FM的区别的区别p比较上两式可见，比较上两式可见， PM是相位偏移随调制信号是相位偏移随调制信号m(t)线性变化，线性变化，FM是相位偏移随是相位偏移随m(t)的积分呈的积分呈线性变化。线性变化。p如果预先不知道调制信号如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。)(cos)(tmKtAtspcPM( )cos( )FMcfstAtKmd96第第5章章 模拟调制