第4章模拟通信系统简介

1、1欢迎各位同学光临欢迎各位同学光临通信原理通信原理课程课程禹思敏禹思敏2第第4章章 模拟通信系统简介模拟通信系统简介 模拟通信是数字通信的基础。作为通信原理的模拟通信是数字通信的基础。作为通信原理的一个组成部分，本章简要介绍模拟信号调制与解调一个组成部分，本章简要介绍模拟信号调制与解调的基本原理与方法。具体内容包括：信号的频谱搬的基本原理与方法。具体内容包括：信号的频谱搬移概述、模拟信号的振幅调制与解调、角度调制、移概述、模拟信号的振幅调制与解调、角度调制、窄带调频、调频信号的产生与解调、超外差式调幅窄带调频、调频信号的产生与解调、超外差式调幅和调频发射机与接收机。通过对本章的学习，使读和调频

2、发射机与接收机。通过对本章的学习，使读者对模拟通信系统有一个大概的了解。本章的内容者对模拟通信系统有一个大概的了解。本章的内容仅作为一种辅助阅读材料，不再另外布置习题，目仅作为一种辅助阅读材料，不再另外布置习题，目的是为学习数字通信打好基础。的是为学习数字通信打好基础。 34.1 信号的频谱搬移概述 4.1.1 信号的时域和频域描述 信号既可在时域中描述，反映的是信号的时域波形，观察时域波形的仪器是示波器。信号也可在频域中描述，反映的是信号的频谱，观察信号频谱的仪器是频谱分析仪。信号的时域与频域描述反映了同一事物的两个方面。研究信号的频谱特性，对于设计一个通信系统来说是十分重要的。例如，正弦波

3、)sin()(tAtfC的时域波形及其对应的频谱如图 4-1 所示， 它是离散谱。 语音信号时域波形及其对应的频谱如图 4-2 所示， 它是连续谱等。 在本章中， 为方便起见，凡是连续谱均用某种规则图形来表示，例如，如图 4-2 等等，这种表示虽然与实际信号的连续谱有差别，但不影响对频谱的本质说明。 456付里叶变换有许多重要的性质和定理， 其中调制定理在通信系统中的应用最为广泛， 调制定理实际上是对信号的频谱进行搬移，这是通信系统中调制技术的关键所在。调制定理的表述为 )()(21)cos()()()(CCCFFttfFtf则若 （4-1） 利用调制定理实现频谱搬移的图形描述如图 4-4 所

4、示。 图中的两种频谱表示方法均可使用， 但从物理实现上讲只有正频率，负频率仅只是付里叶变换的数学结果。 可将负频率的部分折叠到右边并且将频谱幅度加倍，可变换成只有正频率的频谱。 784.1.3 信号频谱搬移的作用 在通信中为什么要进行调制与频谱搬移？主要有以下两个方面的原因。 （1）如果不进行频谱搬移，所有电台或电视台信号的频谱都集中低频段，在接收端无法将这些信号区分开来，进行频谱搬移后，每个电台或电视台将各自信号的频谱搬到不同的频段上，它们各自占用不同的频段，从而在接收端可将这些信号区分开来，在一个信道中可传送多路信号，例如，闭路电视就是一个典型的例子，无线电广播也是一个典型的例子。 这就是

5、所谓的频分复用技术 （FDMA） 。 （2）有利于信号的远距离无线电发射。将频谱搬移，使原来的低频信号（基带信号）变成了高频信号（调制信号、射频信号、频带信号） ，根据电磁场与天线理论，高频信号能通过天线发射到更远的距离。 9（3）模拟通信和数字通信系统中的调制与解调，如果从时域波形上来看，它们是对原信号波形的一种变换。但如果从频谱分析的角度来看，它们在本质上则是属于对信号频谱的线性或非线性搬移，如果是对信号进行调制，则将信号的频谱从原来的低频端搬移到以载波频率为中心的某一段高频端的频率范围内，如果是对信号进行解调，则将信号从原来的高频端搬移到解调后的低频端，从而恢复出原信号。因此，理解信号频

6、谱搬移的本质特征，对学习模拟和数字通信系统中的调制与解调技术是至关重要的。 104.1.4 模拟通信系统中的三种调制方式 在模拟通信系统中，利用正弦波作为载波（carrier）以及 正 弦 波 的 三 要 素 ， 利 用 信 号 对 载 波 进 行 调 制（modulation） ，从而实现频谱搬移。利用信号对正弦波幅度进行调制的方法，称为调幅（AM） ，利用信号对正弦波频率进行调制的方法，称为调频（FM） ，利用信号对正弦波相位进行调制的方法，称为调相（PM） 。总之，正弦波的三要素为幅度、频率、相位，它所对应的三种调制方式分别称之为调幅、调频与调相。 114.2 振幅调制 模拟通信系统的振

7、幅调制简称调幅，它是一种线性频谱搬移技术。调幅主要常规（普通）调幅（AM） 、抑制载波的双边带调幅（DSB-SC） 、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB） 。 4.2.1 常规调幅（AM） 1常规调幅（AM）信号 常规调幅信号的时域表达式为 )cos()()(ccAMttAts （4-2） 式中)(tA调幅信号的包络，由于它受到了基带信号)(tf的调制，因而它是随时间变化的，它不是一个常量。)(tA的数学表达式为 12)()(0tfAtA （4-3） 式中0A为未调载波的振幅，)(tf为基带信号。 进一步可将 （4-2）式写为 )cos()()(0ccAMttfAts （4-3） 只需

8、用加法器和乘法器，就可实现常规调幅，如图 4-5 所示，其对应的时域波形图如图 4-6 所示。 1314对于常规调幅来说，应满足0)(tA，即max0 | )(| |tfA，才不会 产生调幅失真。 2调幅指数AMm 若设基带信号为)cos()(mmmtAtf，对应的常规调幅信号为 )cos()cos(1 )cos()cos(1 )cos()cos( )cos()()(00000ccmmAMccmmmccmmmccAMttmAttAAAttAAttfAts （4-4） 式中0AAmmAM称为调幅指数，无失真包络检波的条件应满足1AMm。 153常规调幅信号的频谱 下面分析常规调幅信号的频谱。设（

9、4-4）式中0cm，得 ttmAtAttmAtscmAMccmAMAMcoscoscoscos)cos1 ()(000 （4-5） 利用三角公式)cos(5 . 0)cos(5 . 0coscosyxyxyx，进一步得 下边带分量上边带分量载波分量tAmtAmtAtsmcAMmcAMcAM)cos(2)cos(2cos)(000 根据（4-6）式，得调幅信号的频谱如图 4-7 所示。 161718 4常规调幅信号的特点 （1） 常规调幅信号的解调既可用相干解调 （同步解调）也可用非相干解调（包络检波） ，用包络检波时，为了不产生包络解调失真，要求调幅指数1m，或者满足max0 | )(| |t

10、fA。 （2） 载波的主要作用是便于非相干解调， 从而使得解调电路非常简单。但载波占去了大部分功率，并且不携带任何信息。因此，可进一步采用抑制载波的双边带调幅。 （3）常规调幅信号的带宽是原基带信号带宽的 2 倍。 194.2.2 抑制载波的双边带调幅（DSB-SC） 令（4-3）式中的00A，得抑制载波的双边带调幅信号为 )cos()()(ccDSBttfts （4-8） 只需用一个乘法器，就可实现抑制载波的双边带调幅，如图 4-9 所示。其对应的时域波形如图 4-10 所示，与图 4-6 相比较可以看出，在抑制载波的双边带调幅信号的时域波形中，每当包络过零点时，载波的相位要倒相一次。抑制载

11、波双边带调幅信号的频谱与图 4-7和图 4-8 类似，只是其中少去了载波分量而已，不再画出。 2021抑制载波的双边带调幅信号的特点如下： （1）抑制载波的双边带调幅信号只能用于相干解调（同步解调） ，而不能用于非相干解调（包络检波） ，因此，在接收端解调时，首先必须恢复载波的相位。因此，解调电路要复杂一些。 （2）由于抑制了不携带信息的载波，节省了载波功率，提高了功率利用率。 （3）抑制载波双边带调幅信号的带宽是原基带信号的 2倍，这与常规调幅信号的情况是一样的。 224.2.3 单边带调幅（SSB） 在前面的两种调幅信号中，出现了频谱完全一样的上边带和下边带，调幅信号的频带是原基带信号频带

12、的 2 倍，由于上、下边带代表的信息完全一样，因此，只需用其中的一个边带传输信息就可以了，这就是单边带调幅的由来。产生单边带调幅信号有两种方法：用滤波法产生单边带调幅信号和用相移法产生单边带调幅信号，下面分别介绍。 1用滤波法产生单边带调幅信号 用滤波法产生单边带调幅信号的频谱图如图 4-11 所示。 当使用滤波器)(1 SSBH时，产生下边带调幅信号，当使用滤波器)(2 SSBH时，则产生上边带调幅信号。用滤波法产生单边带信号的原理框图如图 4-12 所示，图中)( ),()(2 1 SSBSSBSSBHHH。 2324252用相移法产生单边带调幅信号 根据付里叶级数，对于一般的基带信号)(

13、tf，它可表示为余弦信号的付里叶级数，即 iiiitFtf)cos()( 式中iF为相对应的谐波频率分量i的振幅，i为相对应的谐波频率分量i的初相。由此可得双边带调幅信号为 iciiicDSBttFttftscos)cos(cos)()( （4-9） 根据三角公式：)cos(5 . 0)cos(5 . 0coscosyxyxyx，得 26下边带上边带iiiciiiiciDSBttFttFts)(cos21)(cos2121)( 其中上边带信号可进一步表示为 ttfttfttfttfttFttFttFtsccccciiiicniiiiiiiciUSSB)90cos()(21cos)(21 sin

14、)(21cos)(21 sin)sin(21cos)cos(21 )(cos21)(01 （4-10） 27式中 iiiiiiiiiiiitFtFtftFtf90)cos()sin()()cos()(0 （4-11） 对于下边带的情况，同理可得 ttfttftsccLSSB)90cos()(21cos)(21)(0 （4-12） 根据（4-10）式和（4-11）式，可得用相移法产生单边带调幅信号的实现框图如图 4-13 所示。 2829 3单边带调幅的特点 （1）单边带调幅与双边带调幅一样，只能采用相干解调，而不能用于非相干解调。 （2）在解调电路中，需要恢复载波的相位，并且解调电路比常规调幅

15、和双边带调幅的解调电路要复杂些。 （3）由于只发射一个边带，故单边带调幅信号的带宽与原基带信号相等，也就是说，单边带调幅信号的频带利用率是常规调幅以及双边带调幅的 2 倍。 304.2.4 残留边带调幅（VSB） 当基带信号的频谱具有丰富的低频分量（如电视信号等）时，在这种情况下，上、下边带很难分离，因此，用上述单边带的方法不能很好地解决这一问题，而残留边带则是解决这一问题的折中方法。它实际上是介于 SSB 和 DSB 之间的一种调制方法，既克服了DSB 占用频带宽的缺点，又解决了 SSB 实现技术上的问题。目前的电视传输系统用的就是是残留边带调幅。残留边带是使两个边带中的一个边带完全通过，另

16、一个边带残留一部分的调幅方法，其信号频谱如图 4-14 所示。 31324.3 振幅调制信号的解调 振幅调制信号的解调通常有两种方法：非相干解调和相干解调。其中常规调幅既可用非相干解调又可用相干解调，而抑制载波的双边带调幅和单边带调幅则只能用相干解调。下面分别对这两种解调基本原理作分析和讨论。 4.3.1 非相干解调（包络检波） 解调的作用是将信息从调幅波中“取下来”，即把还原来的信息还原出来，是调制的逆变换。对于常规调幅信号来说，也就是把它包络“取下来”。在一般的调幅接收机中，可利用检波二极管的单向导电性，可实现包络检波。由于原来的调幅波是一个整体，不能载波和包络两者进行分解，现通过二极管的

17、单向导电性，将其去掉调幅波的上半部分或下半部分，从而可将载波和包络两者进行分解，最后通过低通滤波，可获得调幅波中的包络信息，从而达到了解调的目的。用二极管单向导电性实现包络检波的原理框图如图 4-15 所示。其工作过程如图 4-16 所示。 3334【例 4.1】一种包络检波电路如图 4-17 所示，试分析其解调信号的实际输出包络)(tf。 解 原包络信号为图 4-18 中的虚线)(tf，解调信号的输出波形为图 4-18中的锯齿状波形实线，并满足)()(tftf，因此能解调出原信号。包络检波器工作原理如下：当检波二极管 D 导通时，电容器 C 充电，电压为上正下负，充电时间常数为CrD1，其中

18、Dr为检波二极管的正向导通电阻，从而在图4-18 中形成上升锯齿波，当检波二极管 D 截止时，电容器 C 放电，放电时间常数为RC2，形成下降锯齿波。由于充电时间常数远小于放电时间常数，因此， 充电速度快， 放电速度慢， 故形成了图4-18所示的锯齿状输出包络)(tf。为了不引起惰性失真，电容器 C 的放电速率应大于包络)(tf的最大变化率，即应满足 maxmax)( )(tfvRCdttdfRCvdtdvCCC 353637利用三角公式 )cos()cos(5 . 0coscossinsincoscos)cos(sinsincoscos)cos(yxyxyxyxyxyxyxyxyx 令tyx

19、c，进一步得 2cos1 5 . 0cos2ttcc 最后得)(ty的表达式为 高频分量低频分量ttftfttftycc2cos)(21)(212cos1)(21)( （4-14） 经低通滤波后，滤掉高频分量，取出低频分量，如图 4-20 所示。得输出为 )(21)(0tfty （4-15） 38【例 4.2】设同步检波器的原理框图仍如图 4-19 所示，当输入信号为常规调幅信号ttfAtsCAMcos)()(0时，试求解调后的输出信号)(0ty。并画出相应点的频谱图。 解 图 4-19 中乘法器的输出为 tttfAtycccoscos)()(0 利用三角公式2cos1 5 . 0cos2tt

20、cc，得)(ty的表达式为 高频分量低频分量ttfAtfAttfAtycc2cos)(21)(212cos1)(21)(000 经低通滤波后，滤掉高频分量，取出低频分量，如图 4-21 所示。得输出为 )(21)(00tfAty 394.4 超外差式超外差式AM发射机与接收机（用于广播电视系统）发射机与接收机（用于广播电视系统）（1）超外差式）超外差式AM发射机：发射机：振幅振幅调制调制载波载波tAccos0)(tf高频高频放大放大)(tsAM发射发射40（2） 超外差式超外差式AM接收机接收机调谐调谐回路回路高频高频放大放大变频变频本机本机振荡振荡跟踪统调跟踪统调中频中频放大放大解调解调检波

21、检波音频音频放大放大1f2f12fffI41 图 4-24 所示的超外差式调幅接收机的基本工作原理如下： （1）调谐回路的谐振频率1112/1CLf，接收载波频率为1f的 AM 信号； （1）本机振荡电路的谐振频率为2222/1CLf； （2）利用跟踪统调，可同时改变图 4-19 中电容器的大小，使得12ff 保持不变； （3）利用混频（变频）原理，通过混频（变频）器产生一个中频12fffI； （4） 利用包络检波， 将音频信号包络从调幅信号中解调出来； （5）将音频放大器放大后的语音信号送入扬声器。 42434.5.2 相位调制（PM） 所谓相位调制，就是使载波的相位随基带信号)(tf的变化

22、而变化，即 dtttttfKttcPMc)( )( )()( （4-20） 式中PMK为相移常数，)(t为瞬时相移，其数学表达式为 )()(tfKtPM （4-21） 对（4-20）式求导，得瞬时频率)(t的表达式为 )()(dttdfKtPMc （4-22） 由（4-20）（4-22）式，可得调相信号的数学表达式为 )(cos)(cos)(00tfKtAtAtsFMcPM （4-23） 444.5.3 单频调制 若基带信号为tAtfmmcos)(，称为单频调制，对应的调频信号为 sincos sincos coscos )(cos)(0000tmtAtAKtAtdtAKtAdttfKtAts

23、mFMcmmmFMcmmFMcFMcFM （4-24） 式中mmFMFMAKm称为调频指数，它与调幅信号中的调幅指数AMm的地位相当。 同理，若基带信号为tAtfmmcos)(，称为单频调制，对应的调相信号为 coscos coscos )(cos)(000tmtAtAKtAtfKtAtsmPMcmmFMcFMcPM （4-25） 式中mFMPMAKm称为调相指数，它与调幅信号中的调幅指数AMm的地位相当。 454.5.4 调频波与调相波举例 设基带信号分别为方波和三角波， 根据 （4-16） 式和 （4-22）式，得对应的调频波和调相波的时域波形如图 4-24 所示。根据（4-16）式，调频

24、波中瞬时频率与基带信号之间的关系为 )()(tfKtFMc，由此可得图 4-24 中第二行对应的调频波，它是一种典型的疏密波。根据（4-22）式，调相波中瞬时频率与基带信号之间的关系为 / )()(dttdfKtPMc，当0tt 时，0/ )(dttdfS，当0tt 时，)(tfS的导数为负，表示在0tt 处产生相位突变，其结果如图中第三行的第一个波形所示，而第三行的第二个波形则是显而易见的结果。 46474.6 窄带调频 4.6.1 窄带调频信号的一般时域表达式 调频主要可分为窄带调频和宽带调频两大类， 宽带调频常用于广播与电视系统，而窄带调频则在移动通信中获得了应用，限于篇幅，本节只讨论窄

25、带调频。 根据调频信号的一般表达式)(cos)(0tfKtAtsFMcFM，对该式进行展开，得 )(sin()sin()(cos()cos( )(sin()sin()(cos()cos( )(cos)(00000ttAttAdttfKtAdttfKtAdttfKtAtsccFMcFMcFMcFM （4-26） 48如前所述，式中dttfKtFM)()(称为调频信号的瞬时相 移 。 一 般 而 论 ， 若 调 频 信 号 的 瞬 时 相 移 满 足6/)()(maxmaxdttfKtFM，则称之为窄带调频，否则就称之为宽带调频。 在 满 足 窄 带 调 频 的 情 况 下 ，1)(cost，dt

26、tfKdttfKtFMFM)()(sin()(sin，根据（4-26）式，进一步得 )sin()()cos()(00tdttfKAtAtscFMcNBFM （4-27） 上式即为窄带调频信号的时域表达式。 4950515253根据图 4-25，得 tdttfKAtAdttfKAtdttfKAtAtdttfKAttAttstscFMcFMcFMccFMcccNBFMp2sin)(22sin2)(2 )2sin1 ()(212sin21 )(sin)(sin)cos( sin)()(00000200 （4-28） 式中第一项为低频分量，第二项和第三项为高频分量，经低通滤波器后，得 dttfKAts

27、FMl)(2)(0 （4-29） 经微分后的输出为 )(2)(00tfKAtsFM （4-30） 从而可在输出端解调出原信号)(tf。 5455 根据图 4-30，设输入为（4-19）式所表示的调频信号，得微分器输出的信号为 )(sin)( )(sin)()(0dttfKttAdttfKttfKAtsFMcFMcFMcd （4-31） 上式是一个既调幅又调频的信号，其中包络信号为 )()(0cFMtfKAtA （4-32） 经包络检波后的输出为 cFMAtfKAtAts000)()()( （4-33） 式中第二项为直流项，只需用一个隔直电容便可消除，从而能解调出原信号)(tf。 564.8 超

28、外差式调频发射机与接收机 超外差式调频发射机与接收机目前仍主要用于传统模拟制式的广播与电视系统。根据前面有关调频信号的调制与解调原理，得超外差式调频发射机与接收机的原理框图分别如图 4-31 和图 4-32 所示。 图 4-32 所示的超外差式调频接收机的基本工作原理如下： （1）调谐回路的谐振频率1112/1CLf，接收载波频率为1f的调频信号； （1）本机振荡电路的谐振频率为2222/1CLf； （2）利用跟踪统调，可同时改变图 4-19 中电容器的大小，使得12ff 保持不变； （3）利用混频（变频）原理，通过混频（变频）器产生一个中频12fffI； （4）利用频率调解器（鉴频器） ，将音频信号从调频信号中解调出来； （5）将音频放大器放大后的语音信号送入扬声器。 574.8 超外差式超外差式FM发射机与接收机（用于广播电视系统）发射机与接收机（用于广播电视系统）（1）超外差式）超外差式FM发射机：发射机：频率频率调制调制载波载波tAcCcos)(ts高频高频放大放大)(tfFM发射发射)(tst0) (tfFMt0)(tfFMt058（2） 超外差式超外差式FM接收机接收机调谐调谐回路回路高频高频放大放大变频变频本机本机振荡振荡跟踪统调中频中频放大放大频率频率解调解调音频音频放大放大1f2f12fffI)(tfFMt0)(tst0594.9 频分复用技术（频分多