第5章 模拟调制系统

1、第第5 5章章 模拟调制系统模拟调制系统 前言前言5.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理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5.3 非线性调制（角度调制）的原理非线性调制（角度调制）的原理5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较5.6 频分复用频分复用(FDM)和调频和调频(FM)立体声立体声5.7 小结小结广义调制分类广义调制分类：基带调制和：基带调制和带通调制（载波调制）带通调制（载波调制）；载波调制载波调制：用：用消息信号（即调制信号、基带信号）消息信号（即调制信号、基带信号）去控制去控

2、制载载波波的某个或多个参数的过程的某个或多个参数的过程。- 调制信号调制信号： 也称为基带信号，指来自信源的也称为基带信号，指来自信源的消息信号消息信号。可以是数字的，也可以是模拟的。可以是数字的，也可以是模拟的。- 载波载波：未受调制的周期性振荡信号，它是运载基带信号：未受调制的周期性振荡信号，它是运载基带信号的载体。可以是正弦波，也可以周期性脉冲波。的载体。可以是正弦波，也可以周期性脉冲波。 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。 解调（检波）解调（检波）： 调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。制信号

3、恢复出来。前前 言言调制比喻调制比喻n调制的基本概念消息信号消息信号基带信号基带信号 正弦波正弦波脉冲序列脉冲序列受调载波受调载波含有含有m(t) 信息信息 调制信号调制信号 载载 波波 已调信号已调信号( )m t( )mst 运载工具 多种形式 同义词先认识一下先认识一下 调制过程调制过程 所涉及的所涉及的 三种信号三种信号n调制过程说明模拟调制模拟调制数字调制数字调制连续波调制连续波调制脉冲调制脉冲调制幅度调制幅度调制频率调制频率调制相位调制相位调制按按调制信号调制信号m(t)的类型的类型分分线性调制线性调制非线性调制非线性调制 按按已调信号已调信号 的频谱结构的频谱结构分分都有哪些调制

4、方式？按按正弦载波的正弦载波的受调参量受调参量分分按按载波信号载波信号c(t)的类型的类型分分（详见表（详见表1-1） 是以正弦信号 作为载波的 进行频谱搬移，匹配信道特性，减小天线尺寸；进行频谱搬移，匹配信道特性，减小天线尺寸；实现多路复用，提高信道利用率；实现多路复用，提高信道利用率；改善系统性能（有效性、可靠性）；改善系统性能（有效性、可靠性）；实现频率分配实现频率分配 。 幅度调制幅度调制（线 性）： AM、DSB、SSB、VSB 角度调制角度调制（非线性）：FM、PM ( )cos()cc tAtn调制的目的n本章讨论内容-连续波模拟调制n本章内容调制简介定义 目的 分类线性调制（幅

5、度调制）原理 线性调制系统的抗噪声性能 非线性调制（角度调制）原理 各种模拟调制系统的性能比较 频分复用（FDM） 调制目的各种调制解调原理抗噪性能特点应用FDM5.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理 一般原理一般原理5.1.1 调幅（调幅（AM） 5.1.2 双边带调制（双边带调制（DSB）5.1.3 单边带调制（单边带调制（SSB）5.1.4 残留边带（残留边带（VSB）调制）调制5.1.5 线性调制的一般模型线性调制的一般模型5.1.6 相干解调与包络检波相干解调与包络检波设：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

6、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）一般可表则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成示成式中，式中， m(t) 基带调制信号。基带调制信号。0( )coscc tAt( )( )cosmcstAm tt一般原理一般原理n表达式设调制信号设调制信号m(t)的频谱为的频谱为M( )，则已调信号的频谱为，则已调信号的频谱为在波形上：已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变在波形上：已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；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在频谱结构上：它的频谱完全是基带信号

7、频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为又称为线性调制线性调制。注意：这里的注意：这里的“线性线性”并不意味着已调信号与调制信号之并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。 )()(2)(ccmMMASn频谱讨论讨论( )( )cosmcstAm tt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，表示叠加的直流分量。条件条件 若若m(t)为确知信号

8、，则为确知信号，则AM信号的频谱为信号的频谱为调制器模型调制器模型5.1.1 调幅（调幅（AM） 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0max0m tm tA和 0cAMccc12AMMS n时域表达式n频谱n波形图n频谱图AM波形讨论及波形讨论及调幅系数调幅系数nAM信号的特点信号的特点 时，AM波的包络正比于调制信号m(t)， 故可采用包络检波。 AM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。AM传输带宽是调制信号带宽的两倍： AM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。AM2HBf 0maxm tAnAM信号的缺点AM信号功率： 0AMccoscoscttm tts

9、A推导推导20AM2( )22scAtPmPP载波功率载波功率调制效率（功率利用率）：调制效率（功率利用率）：-考虑单音调制信号考虑单音调制信号 ，当当 时：时：-对于一般对于一般的的m(t)，有有0max( )m tA2sAM22AM0( )( )Pm tPAm tAM功率利用率低！%50)(202AMAtm故tAtmmm cos)( mAA 031max222202220222/2/)()(AMAMmmAMmmAAAtmAtm10AAmmAM2/)(22mAtm20AM2( )22scAtPmPP载波功率载波功率【例，增例，增】 已知一个已知一个AM广播电台的发射功率是广播电台的发射功率是

10、50 kW，采用，采用单频余弦信号进行调制，调幅系数为单频余弦信号进行调制，调幅系数为0.707。 (1) 计算调幅效率和载波功率；计算调幅效率和载波功率； (2) 如果天线用如果天线用50负载表示，求载波信号的峰值幅度负载表示，求载波信号的峰值幅度。解：解：1) 2)kWPPPPPPPPPmmAMAMsAMcAMscssAMAMAMAM40)511 (50)1 (510.70720.70722222VRPARAPcc200022/2【例，增例，增】 1）设）设m(t)是正弦信号，调幅系数为是正弦信号，调幅系数为100%，求调制效率。，求调制效率。 2）设）设m(t)是方波信号，调幅系数为是方

11、波信号，调幅系数为100%，求调制效率。，求调制效率。 解：解：1） 2） 314/2/4/4/2)(2/1220222200mmcssAMmscmAMAAAPPPAtmPAPAAm212/2/2/2/2)(2/1220222200mmcssAMmscmAMAAAPPPAtmPAPAAm结论：结论： 调制效率不仅调制效率不仅与调制指数有与调制指数有关，还与调制关，还与调制信号有关信号有关 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和条件：抑制载波！n如何提高AM信号的调制效率？5.1.2 双边带调制（双边带调制（DSB-SC）

12、double-sideband suppressed carrier cDSBcosm tstt cDSBc12MMS 0m t 条件：nDSB表达式表达式nDSB调制器调制器nDSB频谱频谱nDSB波形和频谱波形和频谱nDSB信号的信号的特点特点包络不再与m(t)成正比；当m(t)改变符号时载波相位反转，故不能采用包络检波，需相干解调。 无载频分量，只有 上、下 边带。带宽与AM的相同： 调制效率100，即功率利用率高。主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。DSBAM2HBBf nSSB原理原理 双边带信号两个边带中双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调的任意一个都

13、包含了调制信号频谱制信号频谱M( )的所的所有频谱成分，因此有频谱成分，因此仅传仅传输其中一个边带即可输其中一个边带即可。 节省发送功率；节省一节省发送功率；节省一半传输频带，这种方式半传输频带，这种方式称为称为单边带调制单边带调制。 产生产生SSB信号的方法有信号的方法有两种：滤波法和相移法。两种：滤波法和相移法。 5.1.3 单边带调制（单边带调制（SSB） 先用乘法器得到先用乘法器得到DSB信号；信号； 用边带滤波器用边带滤波器HSSB( ) ，滤除不要的边带。，滤除不要的边带。 若它具有如下理想低通特性，则可滤除上边带。若它具有如下理想低通特性，则可滤除上边带。 若它具有如下理想高通特

14、性，则可滤除下边带。若它具有如下理想高通特性，则可滤除下边带。1 1、滤波法及、滤波法及SSBSSB信号的频域表示信号的频域表示n滤波法原理滤波法原理ccUSBSSBHH0, 1)()(ccLSBSSBHH0, 1)()(nSSB信号频谱信号频谱)()()(SSBDSBSSBHSS 滤波法的技术难点滤波法的技术难点陡峭的滤波截止特性难以做到；陡峭的滤波截止特性难以做到； 例如：例如：话音信号的最低频率为话音信号的最低频率为300Hz 则上下边带之间的频则上下边带之间的频率间隔为率间隔为600Hz 允许过渡带为允许过渡带为600Hz。在。在600Hz过渡带和过渡带和不太高的载频情况下，滤波器不难

15、实现；但当载频较高时，不太高的载频情况下，滤波器不难实现；但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。 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调制及边带滤波的方法，调制及边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行即先在较低的载频上进行DSB调制，目的是增大过渡带的归调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。次调制。当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用

16、了。讨论讨论 问题引出问题引出设单频调制信号为设单频调制信号为载波为载波为则则DSB信号的时域表示式为信号的时域表示式为若保留上边带，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tAtmmmcos)(ttcccos)(tAtAttAtsmcmmcmcmmDSB)cos(21)cos(21coscos)(2、相移法和、相移法和SSB信号的时域表示信号的时域表示两式仅正负号不同ttAttAtAtscmmcmmmcmUSBsinsin21coscos21)cos(21)(ttAttAtAtscmmcmmmcmLSBsinsin21coscos21)-cos(21)(nSSB信号的时域信

17、号的时域表达式表达式 将上两式合并：将上两式合并： 式中，式中，“”表示上边带信号，表示上边带信号，“+”表示下边带信号。表示下边带信号。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。把这的结果。把这一一相移相移 /2过程称为希尔伯特变换过程称为希尔伯特变换，记为，记为“ ”，则有，则有 这样，上式可以改写为这样，上式可以改写为ttAttAtscmmcmmSSBsinsin21coscos21)(tAtAmmmmsinso c11( )coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAtt把上式推广到一般情况，则

18、得到把上式推广到一般情况，则得到 式中，式中，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 可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即11( )coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAttttmttmtsccSSBsin)(21cos)(21)(的希尔伯特变换的希尔伯特变换是是)()(tmtm为为的的傅傅里里叶叶变变换换)()( Mtmsgn)()(jMM1,0sgn1,0sgn)(/ )()(jMMHh希尔伯特变换希尔伯特变换特点讨论：特点讨论：优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。优点：不需要滤波

19、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。n相移法相移法SSB调制调制器方框图器方框图nSSB信号的特点信号的特点优点之一是频带利用率高。其传输带宽仅为AM/DSB的一半： 因此，在频谱拥挤的通信场合获得了广泛应用，尤其在短波通信和多路载波电话中占有重要的地位。优点之二是低功耗特性，因为不需传送载波和另一个边不需传送载波和另一个边带而节省了功率带而节省了功率。这一点对于移动通信系统尤为重要。缺点是设备较复杂，存在技术难点缺点是设备较复杂，存在技术难点。也。也需相干解调。需相干解调。SSBAM/2HBBf 残留边带调制是介于残留边带调制是介于SSB与与

20、DSB之间。它既克服了之间。它既克服了DSB信号占用频带宽信号占用频带宽的缺点，又解决了的缺点，又解决了SSB信号实现中的困难。信号实现中的困难。 在这种调制方式中，不像在这种调制方式中，不像SSB那样完全抑制那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留逐渐切割，使其残留小部分，如下图所示小部分，如下图所示：5.1.4 残留边带（残留边带（VSB）调制）调制n基本原理基本原理 用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法SSB调制器调制器相同。相同。 滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不滤波器的特性应按残留边

21、带调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。（制作。（下面详细讨论下面详细讨论）n滤波法实现方法滤波法实现方法应该具有怎样的滤波特性 ？n对残留边带滤波对残留边带滤波器特性的要求器特性的要求 可以证明，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号可以证明，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号m(t)，上图中的传递函数必须满足：，上图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。()()ccHHH常数，证明证明 含义含义()()ccHHH常数，在在载频载频处处 具

22、有具有互补对称互补对称 特性特性残留残留“部分上边带部分上边带”的滤波器特性的滤波器特性残留残留“部分上边带部分上边带”的滤波器特性的滤波器特性几何解释几何解释 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“部分下边带部分下边带”的滤波器特性的滤波器特性 ：下图：下图(b)不是唯一的不是唯一的nVSB信号的特点信号的特点 仅比仅比SSB所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。 应用：商业电视广播中的电视信号传输等。VSB2HHfBf滤波法线性调制的一般模型如

23、下：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。)(cos)()(thttmtscm)()()(21)(HMMSccm)()(thH5.1.5 线性调制的一般模型线性调制的一般模型n滤波法模型滤波法模型 原理原理因因将上式展开，则可得到另一种形式的时域表示式，即将上式展开，则可得到另一种形式的时域表示式，即式中式中上式表明，上式表明，sm(t)可等效

24、为两个互为正交调制分量的合成。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由此可以得到移相法线性调制的一般模型如下： )(cos)()(thttmtscm( )( )cos( ) inmIcQcsts ttst st( )( )( )IIs th tm t( )( )cosIch th tt( )( )( )QQsthtm t( )( )sinQchth tt推导推导n相移法模型相移法模型它同样适用于所有线性调制。它同样适用于所有线性调制。( )( )cos( ) inmIcQcsts ttst st在接收端，如何从在接收端，如何从已调信号已调信号中恢复出中恢

25、复出调制信号调制信号m(t)呢呢？解调的任务!1、相干解调、相干解调5.1.6 相干解调与包络检波相干解调与包络检波n相干解调器的一般相干解调器的一般模型模型为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个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调载波严格同步（同频同相）的本地载波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），（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。分量，即可得到原始的基带调制信号。n相干解调器原理相干解调器原理原理分析原理分析适用适用：AM、

26、DSB、SSB、VSB特点特点：无门限效应：无门限效应要求要求：载波同步：载波同步2、包络检波、包络检波包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。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。原理说明原理说明适用适用：AM 信号优势优势：简单、无需载波同步 要求要求：|m(t)|max A0 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5.2.1 分析模型分析模型5.2.2 DSB调制系统的性能调制系统的性能5.2.3 SSB调制系统的性能调制系统的性能5.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能5.2.1 分析模型分析模型n分析模型分析模型高斯白噪声高斯白

27、噪声已调信号已调信号 B 和和 f0 取决于已调信号的频谱取决于已调信号的频谱DSB信号：信号：B=2fH f0=fcSSB信号信号：B= fH f0=fcfH /2BPF白噪白噪声声窄带高斯噪声窄带高斯噪声输出噪声输出噪声输出信号输出信号i0222ics( )( )( )n tn tn tNn B高斯白噪声高斯白噪声已调信号已调信号BPF解调器解调器相干解调相干解调包络检波包络检波ic0s0( )( )cos( )sinn tn ttn tt窄带高斯噪窄带高斯噪声声 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的性能。便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能。G 也反

28、映了这种调制制度的优劣。也反映了这种调制制度的优劣。 解调器输入信噪比定义解调器输入信噪比定义 解调器输出信噪比定义解调器输出信噪比定义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)()(tntsNSimii22 功功率率解解调调器器输输入入噪噪声声的的平平均均平平均均功功率率解解调调器器输输入入已已调调信信号号的的iiNSNSG/00n性能指标性能指标分析模型：分析模型：- 在分析在分析DSB、SSB、VSB相干解调相干解调抗噪声性能时，解调抗噪声性能时，解调器是器是相干解调器相干解调器。- 对于对于DSB信号有：信号有：5.2.2 DSB调制

29、系统的性能调制系统的性能nDSB相干相干解调抗噪解调抗噪声性能分声性能分析析Si So No Ni )(tsmttmccos)( 解调器输出信噪比解调器输出信噪比22oo01( )( )414im tSm tNn BN 解调器输入信噪比解调器输入信噪比BntmNSii02)(21推导推导推导推导 制度增益制度增益221020200 BntmBntmNSNSGiiDSB)(/)(/DSB调制系统的制度增益为调制系统的制度增益为2。DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。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

30、缘故。的缘故。221020200 BntmBntmNSNSGiiDSB)(/)(/c000s2i0( ) cosco( )sin)co(ssn ttn tttn tt正交分量正交分量结论结论5.2.3 SSB调制系统的性能调制系统的性能分析模型分析模型对于对于SSB信号有：信号有：nSSB相干相干解调抗噪解调抗噪声性能分声性能分析析相干解调器So No Ni Si 11cosis n22ccmm tttm tst解调器输出信噪比解调器输出信噪比 22oo001( )( )16144m tSm tNn Bn B解调器输入信噪比解调器输入信噪比BntmBntmNSii02024)()(41 制度增

31、益制度增益144020200 BntmBntmNSNSGiiSSB)(/)(/推导推导推导推导 在相干解调过程中，信号和噪声中的正交分量均被抑制掉，在相干解调过程中，信号和噪声中的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善。故信噪比没有改善。144020200 BntmBntmNSNSGiiSSB)(/)(/ 11cosis n22ccmm tttm tstic0s0( )( ) cos( )sinn tnttntt正交分量正交分量GDSB = 2GSSB，这能否说明，这能否说明DSB系统的抗噪声性能比系统的抗噪声性能比SSB系统系统好呢？回答是否定的。好呢？回答是否定的。在相同的在相同的Si，n0

32、， fH条件下，可以发现它们的输出信噪比是条件下，可以发现它们的输出信噪比是相等的。这就是说，相等的。这就是说，两者的抗噪声性能是相同的两者的抗噪声性能是相同的。但但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得到普遍得到普遍应用。应用。VSB的抗噪声性能分析比较复杂。可近似的抗噪声性能分析比较复杂。可近似SSB噪声性能。噪声性能。讨论讨论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。 5.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能ttmAtscm cos)()( 0n包络检波包络检波器分析模器分析模型型设解调器输入信号为设解调器输入

33、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ttmAtscm cos)()( 0ttnttntncscci sin)(cos)()( 222202)()(tmAtsSmi BntnNii02 )(BntmANSii02202)( n输入信噪输入信噪比计算比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系便是所求的合成包络。当包络检波器的传输系数为数为1时，则检波器的输出就是时，则检波器的输出就是E

34、(t)。 220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()()()(0tntmAtnarctgtcs合成包络 icc0cscossinmAm tntstn tnttt cosctttEn包络计算包络计算检波器输出信号检波器输出信号1、大信噪比情况、大信噪比情况分析计算分析计算输出信号功率输出信号功率 滤除直流分量滤除直流分量A0后，分为有用信号与噪声两项。输出后，分为有用信号与噪声两项。输出信号功率为信号功率为输出噪声功率为输出噪声功率为 输出信噪比为输出信噪比为 2o( )Sm t22o0( )( )ciNn tn tn B2oo0( )Sm tNn Bn输出信噪输出信噪比

35、计算比计算 0cAmnE ttt)()()(/)(/tmAtmBntmABntmNSNSGiiAM22020220020022 1、AM信号的调制制度增益信号的调制制度增益GAM随随A0的减小而增加。的减小而增加。 2、对于单频信号：、对于单频信号： GAM mf + 1以以上的边频幅度均小于上的边频幅度均小于0.1。被保留的上、下边频数共有被保留的上、下边频数共有2n = 2(mf + 1)个，相邻边频之个，相邻边频之间的频率间隔为间的频率间隔为fm，所以调频波的有效带宽为，所以调频波的有效带宽为它称为卡森（它称为卡森（Carson）公式。）公式。 2、调频信号的带宽、调频信号的带宽频谱图频

36、谱图n调频信号调频信号带宽带宽FM2(1)2()fmmBmfff 当当mf 1时，上式可以近似为时，上式可以近似为这就是这就是宽带调频的带宽宽带调频的带宽。当任意限带信号调制时，当任意限带信号调制时，mf是最大频偏是最大频偏 f 与与 fm之比。之比。mFMfB2fBFM 2卡森公式讨论卡森公式讨论FM2(1)2()fmmBmfff FM广播的最大频偏 f = 75kHz，最高调制频率fm=15kHz， 故调频指数mf 5，FM信号的频带宽度为：例如例如：FM2(5 1) 152(75 15)180 kHzB3、调频信号的功率分配、调频信号的功率分配 FFM2MsPt22()2nfnAJm22

37、cPA载波功率 调制后总的功率不变，只是重新分配，而功率分配的比例与调频指数mf 有关。 FM()cos()ncmnfmJstAnt=1nFM信号的功率分配信号的功率分配结结论论nFM的特点的特点 优势优势 应用应用应用：要求高质量或信道噪声大的场合，例如：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等系统中。包络恒定；频偏随调制信号m(t)作线性变化；相偏随消息信号m(t)的积分作线性变化；带宽与m(t)的带宽和mf 有关，比AM带宽大(mf+1) 倍。优势：抗噪声能力强； 代价：占用较大的信道带宽，因而频谱利用率较低。4、FM小结（增）小结（增） 原理：用调制信号直接去控制载

38、波振荡器的频率。原理：用调制信号直接去控制载波振荡器的频率。 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)自身就是一个自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即 方框图方框图 LC振荡器：用变容二极管实现直接调频。振荡器：用变容二极管实现直接调频。0( )( )iftK m t5.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调1、调频信号的产生、调频信号的产生n调频信号调频信号的产生方的产生方法法直接调频法直接调频法和和间接调频法间接调频法n直接调频直接调频直接调频法的主要优缺点：直接调频法的主要优缺点：优点

39、：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：频率稳定度不高改进途径：改进途径：采用如下锁相环（采用如下锁相环（PLL）调制器）调制器 （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，即可产生原理：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频次倍频器得到宽带调频 (WBFM) 信号。信号。 方框图方框图 n间接调频间接调频倍频器倍频器间接法产生窄带调频信号间接法产生窄带调频信号窄带调频公式：窄带调频公式：窄带调频信号可看成由正交分量与同

40、相分量合成的。窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成的。可以用下图产生窄带调频信号：可以用下图产生窄带调频信号： ( )os( )sintNBFMcfcstActAKmdt典型实例：调频广播发射机典型实例：调频广播发射机载频：载频：f1 = 200kHz 调制信号最高频率调制信号最高频率 ：fm = 15kHz 间接法产生的最大频偏间接法产生的最大频偏 ： f1 = 25 Hz 调频广播要求的最终频偏：调频广播要求的最终频偏： f =75 kHz发射载频在发射载频在88-108 MHz频段内频段内倍频数：倍频数：倍频后新的载波频率倍频后新的载波频率(nf1 )高达高达600MHz，不符合，

41、不符合 fc =88-108MHz的要求；的要求；因此需用因此需用混频器混频器进行下变频来解决这个问题。进行下变频来解决这个问题。300025/1075/31ffn典型实例典型实例1212112)(fnnfffnnfc NBFM下混频下混频【例例5-1，P113】 在上述宽带调频方案中，设调制信号是在上述宽带调频方案中，设调制信号是fm =15 kHz的单频余弦信号，的单频余弦信号，NBFM信号的载频信号的载频f1 =200 kHz，最大频偏最大频偏 f1 =25 Hz；混频器参考频率；混频器参考频率f2 = 10.9 MHz，选，选择倍频次数择倍频次数n1 = 64，n2 =48。 (1)

42、求求NBFM信号的调频指数；信号的调频指数； (2) 求调频发射信号（即求调频发射信号（即WBFM信号）的载频、最大信号）的载频、最大频偏和调频指数。频偏和调频指数。【解解】（1）NBFM信号的调频指数为信号的调频指数为 （2）调频发射信号的载频为）调频发射信号的载频为 （3） 最大频偏为最大频偏为（4） 调频指数为（相当于宽带指数）调频指数为（相当于宽带指数）kHzfnnf8 .7625486412112. 51015108 .7633mfffm-3113251.67 1015 10mfmfMHz2 .91)109 .101020064(48)(632112ffnnfc2、调频信号的解调、调

43、频信号的解调n解调方法解调方法及适用范及适用范围围1)非相干解调非相干解调2)相干解调相干解调和鉴频器鉴频器n非相干解非相干解调调：完成频率电压的转换，再进行包络检波；完成这种频率完成这种频率-电压转换的器件是频率检波器，简称电压转换的器件是频率检波器，简称鉴频器鉴频器；鉴频器的种类很多，例如鉴频器的种类很多，例如振幅鉴频器振幅鉴频器、相位鉴频器相位鉴频器、比例比例鉴频器鉴频器、正交鉴频器正交鉴频器、斜率鉴频器、频率负反馈解调器、斜率鉴频器、频率负反馈解调器、锁相环锁相环(PLL)鉴频器鉴频器等；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： 基本原理基本原理 调频信号的一般表达式为

44、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( )cos( )tFMcfstAtKmdo( )( )fm tK m tn非相干解非相干解调调：完成频率电压的转换，再进行包络检波；一种振幅鉴频器 振幅鉴频器振幅鉴频器原理原理说明：说明：微分电路和包络检波器：构成了具有近似理想鉴频特性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；的鉴频器；限幅器的作用：消除信道中噪声等引起的调频波的幅度限幅器的作用：消除信道中噪声等引起的调频波的幅度起伏；起伏； 微分器的作用：幅度恒定的调频波微分器的作用：幅度恒定的调频波sFM (t) 幅度和频率幅度和频率都随调制信号都随调制信号m(t)变

45、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，再经低通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滤波后即得解调输出 )()(0tmKKtmfd 鉴频器灵敏度，鉴频器灵敏度，单位为单位为V/rad/s( )cos( )tFMcfstAtKmd( )( )sin)(ccffds tAtdK m tKm 相干解调仅适用于相干解调仅适用于NBFM信号信号 NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和，可以采用线信号可分解成同相分量与正交分量之和，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。性调制中的相干解调法来进行解调，如下图

46、所示。n相干解调相干解调 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经低通滤波器取出其低频分量 再经微分器，即得解调输出再经微分器，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( ) sintNBFMcfcstAtA Kmdtttccsin)( )sin2( ) (1 cos2)22tpcfcAAsttKmdt tFddmKAts)(2)()(2)(0tmAKtmF 前言前言5.4.1 输入信噪比输入信噪比5.4.2 大信噪比时的解调增益大信噪比时的解调增益5.4.3

47、小信噪比时的门限效应小信噪比时的门限效应5.4.4 预加重和去加重预加重和去加重5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能 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 分析模型分析模型 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 ;BPF 抑制调频信号带宽外的噪声；抑制调频信号带宽外的噪声；限幅器限幅器 消除信道中噪声及其他原因引起的调频波的幅消除信道中噪声及其他原因引起的调频波的幅度起伏。度起伏。n前言前言设输入调频信号为设输入调频信号为 故其输入信号功率为故其输入信号功率为 输入噪声功率为输入噪声功率为 式中，

48、式中，BFM 调频信号的带宽，即带通滤波器的带宽调频信号的带宽，即带通滤波器的带宽因此输入信噪比为因此输入信噪比为2/2ASiFMiBnN05.4.1 输入信噪比输入信噪比dmKtAtstfc)(cos)(FMFM02ii2BnANS n输入信噪输入信噪比比在输入信噪比足够大的条件下，信号和噪声的相互作用在输入信噪比足够大的条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这时可以把信号和噪声分开来计算。可以忽略，这时可以把信号和噪声分开来计算。计算输出信号平均功率计算输出信号平均功率输入噪声为输入噪声为0时，解调输出信号为时，解调输出信号为 故输出信号平均功率为故输出信号平均功率为5.4.2 大信噪比时

49、的解调增益大信噪比时的解调增益)()()(22200tmKKtmSfd )()(0tmKKtmfd n输出信噪输出信噪比比 计算输出噪声平均功率计算输出噪声平均功率假设调制信号假设调制信号m(t) = 0，则加到解调器输入端的是未调，则加到解调器输入端的是未调载波与窄带高斯噪声之和，即载波与窄带高斯噪声之和，即最终可推出解调器输出（最终可推出解调器输出（LPF输出）的噪声输出）的噪声 功率（图中阴影部分）为功率（图中阴影部分）为噪声平均功率计噪声平均功率计算算ttnttntAtntAcscccicsin)(cos)(cos)(cos 2220o222302483mmmmffddffdmK nN

50、Pf dff dfAK n fA 计算输出信噪比计算输出信噪比于是，于是，FM非相干解调器输出端的输出信噪比为非相干解调器输出端的输出信噪比为 简明情况简明情况考虑考虑m(t)为单一频率余弦波时的情况，即为单一频率余弦波时的情况，即 这时的调频信号为这时的调频信号为式中式中将这些关系代入上面输出信噪比公式，将这些关系代入上面输出信噪比公式，得到：得到：222o23o03( )8fmA K m tSNn fttmmcos)(sincos)(tmtAtsmfcFM22oo03/22fmSAmNn ffmfmmmK Afmf制度增益制度增益 考虑在宽带调频时，信号带宽为考虑在宽带调频时，信号带宽为

51、所以，上式还可以写成所以，上式还可以写成 当当mf 1时有近似式时有近似式)(2) 1(2mmfFMfffmB23(1)FMffGmm33FMfGmmfiifBmNSNSGFM200FM23/ n制度增益制度增益可见可见：FM系统可通过增加传输带宽带宽来改善抗噪声性能;注意注意: : 以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。调幅系统与调频系统比较调幅系统与调频系统比较在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能将比调幅系在大信噪比情况下，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。统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。调频系统中以带宽换取性能改善并不是无止境的

52、，随着调频系统中以带宽换取性能改善并不是无止境的，随着带宽的增加，输入噪声功率增大，在输入信号功率不变带宽的增加，输入噪声功率增大，在输入信号功率不变的条件下，输入信噪比降低；的条件下，输入信噪比降低；当输入信噪比降到一定程度时，输出信噪比将急剧恶化，当输入信噪比降到一定程度时，输出信噪比将急剧恶化，这种现象称为这种现象称为门限效应门限效应。门限值：门限值：出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值，记为限值，记为(Si /Ni) b。5.4.3 小信噪比时的门限效应小信噪比时的门限效应n什么是门什么是门限效应限效应门限值与调制指数门限值与调制指数mf

53、 有关有关。 mf 越大，门限值越高。越大，门限值越高。不过不同不过不同mf 时，门限值时，门限值的变化不大，大约在的变化不大，大约在8dB 11dB的范围内变化的范围内变化一般认为门限值为一般认为门限值为10 dB左右。左右。 单音调制时，在不同调制指单音调制时，在不同调制指数下，调频解调器的输出信噪比数下，调频解调器的输出信噪比与输入信噪比的关系曲线。与输入信噪比的关系曲线。n门限效应门限效应特性特性在门限值以上时，在门限值以上时， (So /No)FM与与(Si /Ni)FM呈线性呈线性关系，关系，且且mf 越大，输出越大，输出信噪比的改善越明显。信噪比的改善越明显。在门限值以下时，在门

54、限值以下时， (So /No)FM将随将随(Si /Ni)FM的下的下降而急剧下降。降而急剧下降。且且mf越大，越大， (So /No)FM下降越快。下降越快。 单音调制时，在不同调制指数单音调制时，在不同调制指数下，调频解调器的输出信噪比与输下，调频解调器的输出信噪比与输入信噪比的关系曲线。入信噪比的关系曲线。n门限效应门限效应特性（续）特性（续）门限效应是门限效应是FM系统存在的一个实际问题。尤其在采用调系统存在的一个实际问题。尤其在采用调频制的远距离通信和卫星通信等领域中，对调频接收机的频制的远距离通信和卫星通信等领域中，对调频接收机的门限效应十分关注，希望门限点向低输入信噪比方向扩展。

55、门限效应十分关注，希望门限点向低输入信噪比方向扩展。降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如，可以降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如，可以采用锁相环解调器和负反馈解调器，它们的门限比一般鉴采用锁相环解调器和负反馈解调器，它们的门限比一般鉴频器的门限电平低频器的门限电平低610dB。还可以采用还可以采用“预加重预加重”和和“去加重去加重”技术来进一步改善调技术来进一步改善调频解调器的输出信噪比。这也相当于改善了门限。频解调器的输出信噪比。这也相当于改善了门限。 说明说明高频端的输出信噪比明显下降：高频端的输出信噪比明显下降：鉴频器输出噪声功率谱随鉴频器输出噪声功率谱随f呈抛物线形状

56、增大。呈抛物线形状增大。因此，在频率高端的信号谱密度最小，因此，在频率高端的信号谱密度最小，而噪声谱密度却是最大，致使高频端的输出信噪比明显下而噪声谱密度却是最大，致使高频端的输出信噪比明显下降，这对解调信号质量会带来很大的影响降，这对解调信号质量会带来很大的影响。5.4.4 预加重和去加重预加重和去加重“预加重和预加重和“去加重去加重”：为了为了改善调频解调器的输出信噪比，改善调频解调器的输出信噪比，针对鉴频器输出噪声谱呈抛物针对鉴频器输出噪声谱呈抛物线形状这一特点，在调频系统线形状这一特点，在调频系统中广泛采用了加重技术。其设中广泛采用了加重技术。其设计思想是保持输出信号不变，计思想是保持

57、输出信号不变，有效降低输出噪声，以有效降低输出噪声，以达到提达到提高输出信噪比的目高输出信噪比的目的。的。 n目的目的 去加重：就是在解调器输出端接一个传输特性随频率增加去加重：就是在解调器输出端接一个传输特性随频率增加而滚降的线性网络而滚降的线性网络Hd (f) ，将调制频率高频端的噪声衰减，将调制频率高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。使总的噪声功率减小。预加重：必须在调制器前加入一个预加重网络预加重：必须在调制器前加入一个预加重网络Hp(f) ，人为，人为地提升调制信号的高频分量，以抵消去加重网络的影响。地提升调制信号的高频分量，以抵消去加重网络的影响。显然，为了使传输信号不失真，应该

58、有显然，为了使传输信号不失真，应该有 )(1)(dpfHfH n原理原理)(1)(fHfHdp 这是保证输出信号这是保证输出信号不变的必要条件不变的必要条件 方框图：加有预加重和去加重的调频系统方框图：加有预加重和去加重的调频系统由于采用预加重由于采用预加重/去加重系统的输出信号功率与没有采用预去加重系统的输出信号功率与没有采用预加重加重/去加重系统的功率相同，所以调频解调器的输出信噪去加重系统的功率相同，所以调频解调器的输出信噪比的改善程度可用加重前的输出噪声功率与加重后的输出比的改善程度可用加重前的输出噪声功率与加重后的输出噪声功率的比值确定，即噪声功率的比值确定，即dffHfPdffPd

59、ffdffdmmmm2)()()( 进一步说明，输出信进一步说明，输出信噪比的改善程度取决噪比的改善程度取决于去加重网络的特性于去加重网络的特性 n性能性能一种实际中常采用的预加重和去加重电路，它在保持信号一种实际中常采用的预加重和去加重电路，它在保持信号传输带宽不变的条件下，可使输出信噪比提高传输带宽不变的条件下，可使输出信噪比提高6 dB左右。左右。 n实用电路实用电路设滤波器设滤波器 3dB 带宽为带宽为 f1=1/RC，其传递函数和模值平方，其传递函数和模值平方分别为：分别为：预加重和去加重技术在调频系统中得到了实际应用。预加重和去加重技术在调频系统中得到了实际应用。预加重和去加重技术

60、还在音频传输系统中，例如杜比降噪预加重和去加重技术还在音频传输系统中，例如杜比降噪系统。系统。 22dd1111)(11)(fffffHjfH 5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较所有系统在所有系统在“同等条件同等条件”下进行比较下进行比较： 解调器输入信号功率为解调器输入信号功率为 Si 信道噪声均值为信道噪声均值为0，单边单边功率谱密度为功率谱密度为 n0 基带信号带宽为基带信号带宽为 fm 其中其中AM的调幅度为的调幅度为 100% ，正弦型调制信号正弦型调制信号n比较条件比较条件n各种模拟各种模拟调制系统调制系统比较比较AMDSBSSB VSBFM2mfmfmf略大于2