通信原理西安电子科技大学黄葆华第二版第5章

1、第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 调制的概念及分类调制的概念及分类 线性调制系统（线性调制系统（AM、DSB、SSB） 线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析 频分复用（频分复用（FDM）及其应用）及其应用调制调制：让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。经调制后的信号称为已调信号或频带信号。调制的分类：调制的分类：线性调制与非线性调制线性调制与非线性调制(1) 线性调制：调制前后，已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系。eg: AM,DSB,SSB等(2) 非线性调制：调制前后，已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈非线

2、性关系。eg: FM5.1 调制的概念及分类调制的概念及分类5.2 线性调制系统线性调制系统幅度调制是用调制信号m(t)控制高频载波c(t)的振幅，使载波的振幅随调制信号作线性变化。图5.1 幅度调制器的一般模型载波c(t)=A0 cos(2f ct+0)，调幅信号s(t)为：0c0( ) ( ) ( )( ) ( )cos(2)( )s tm t c th tm t Af th t( ) ( )cos2( )cs tm tf th t设A0=1，0=0，则若调制信号m(t)的频谱为M(f )，调幅信号的频域表示式为)()()(21 )()()()(ccfHffMffMfHfCfMfS)()(

3、21)(ccfffffC载波c(t)的频谱调幅(AM)：这时H(f )1为全通网络，且m(t)含有直流成分。双边带(DSB)：这时H(f )1为全通网络，且m(t)不含有直流成分。单边带(SSB)：这时H(f )是截止频率为载频f c的高通或低通滤波器。 适当选择滤波器的传输特性H(f )，便可以得到各种幅度调制信号。如：5.2.1 标准调幅标准调幅(AM)图5.2 AM调制器模型A0表示直流分量tftAtftmAtscc0AM2cos)(2cos)()(则调幅信号为：则调幅信号为：1. AM信号的时域描述和波形式中，假定0)(tm当满足|m(t)|maxA0时，AM信号振幅包络的形状与基带信

4、号形状一致，所以可以用包络检波的方法对AM信号进行解调，图5.3 AM信号的波形调幅波包络不失真的条件是基带信号最大振幅值不大于载波信号的幅度，即|m(t)|maxA0minmaxminmax)()()()(tAtAtAtAm当m1时，A(t)min为负值，AM信号包络过零点处载波相位反相，包络和基带信号不再保持线性关系，产生了过调幅失真。分析：调幅度m的定义为：调幅系数例例5.1 已知调幅波 sAM(t)=(100+30 cost+20 cos3t)cos2f ct (V)，求其调幅系数。2. AM信号的频域描述和频谱sAM(t)=A0+m(t)cos2f ct)()(21 )()(2)(c

5、ccc0AMffMffMffffAfS图5.4 AM信号的频谱其中：M(f)表示基带信号m(t)的频谱；C(f)表示载波的频谱；SAM(f)表示调幅信号的频谱。上边带下边带结论： BAM=2f m(Hz)；携带基带信号信息的是边带分量边带分量。3. AM信号的功率和调制效率AM信号在1电阻上的平均功率应等于sAM(t)的均方值。tftAtftAtsttsTPTTTc222c2/2/2AM2AMAM2cos)( 2cos)( )(d)(1lim假定调制信号m(t)没有直流分量，即0)(tm由于04cos,4cos21212cosccc2tftftf且22AM011( )( )22PA tAm t

6、所以22001(2( )( )2AA m tm t220cs11( )22Am tPP载频功率载频功率边带功率边带功率调幅信号中携带调制信号信息的是边带分量，将边带功率与调幅信号平均功率的比值称为调幅信号的调制效率调制效率。scsAMPPP分析：分析：调制效率AM1，在 “满调幅”条件下，如果m(t)为矩形波形，则最大可得到AM=50%；如果m(t)为正弦波，则可得到AM=33.3%。说明 AM信号的功率利用率比较低。5.2.2 抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制(DSB)AM信号的调制效率比较低，是因为不含信息的载波分量占据大部分信号功率。如果只传送两个边带分量，而抑制载波分量，就能够提高

7、功率利用率，这种抑制载波的调幅(DSB-SC)也称为双边带调制双边带调制(DSB)。图5.5 DSB调制器模型1. DSB信号的时域表示式和波形信号的时域表示式和波形tftmtscDSB2cos)()(2. DSB信号的频域表达式和频谱信号的频域表达式和频谱)()(21)(ccDSBffMffMfS图5.6 DSB信号的频谱若调制信号的最高频率为f m，则DSB信号的带宽为BDSB=2fm由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，因此仅传输其中一个边带即可，这就是提出单边带调制的原因。5.2.3 单边带调制单边带调制(SSB)可以从简单的单频调制单频调制出发，得到SSB信号的时域表示式。设单

8、频调制信号m(t)=Am cos2f mt，载波c(t)=cos2f ct，两者相乘得到DSB信号的时域表示式为DSBmmcmcmmcm( )cos2cos211cos2()cos2()22stAf tf tAfftAfft保留上边带项，则得上边带(USB)信号USBmcmmmcmmc1( )cos2()211cos2cos2sin2sin222stAfftAf tf tAf tf t保留下边带项，则得下边带(LSB)信号LSBmcmmmcmmc1( )cos2()211cos2cos2sin2sin222 stAfftAf tf tAf tf tSSBmmcmmc11( )cos2cos2s

9、in2sin222 stAf tf tAf tf t把上、下边带合并起来，则SSB信号的一般表示式为Am sin2f mt可以看成是Am cos2f mt相移/2得到。把一个信号所含的所有频率成分相移/2的过程称为希尔伯特变换希尔伯特变换，所形成的信号称为原信号的正交信号，记为“”，即mmmmcos2sin2Af tAf tSSBcc11( )( )cos2( )sin222 stm tf tm tf t所以任意调制信号m(t)的SSB信号的时域表示式如下：式由单频调制得到的，但是任意一个基带信号可以由n个正弦信号之和来表示。SSB信号的产生信号的产生相移法相移法由式可以画出用相移法相移法产生

10、SSB信号的原理框图，如图5.7所示。图中Hh(f )为希尔伯特滤波器的传递特性，它实质上是一个宽带相移网络，将m(t)的所有频率分量相移/2，而幅度保持不变，即得到 。)( tm图5.7 相移法产生SSB信号5.2.4 调幅系统的解调调幅系统的解调 调幅系统的相干解调调幅系统的相干解调相干解调也称为同步解调，即接收端提供一个与发端调制载波同频同相同频同相的相干载波。图5.8是调幅系统相干解调的原理框图，图中，sr(t)为接收的已调信号，c(t)为接收机提供的本地相干载波，即c(t)=cos2f ct 。图5.8 相干解调原理框图(1) AM信号相干解调)22cos()(21)(21 2cos

11、)(2cos)()()()(c00c20cAMrtftmAtmAtftmAtftstctsts通过低通滤波器LPF ，抑制高频分量2fc，消除直流分量，得)(21)(0tmtm(2) DSB信号相干解调rDSBc2cc( )( )( )( ) cos2( )cos (2)11 ( )( )(cos22)22s ts tc tstf tm tf tm tm tf t通过低通滤波器LPF ，抑制高频分量2fc，得)(21)(0tmtm(2) SSB信号相干解调)22sin()(41)22cos()(41)(41 )2cos(2sin)()2cos()(212cos)()()()(ccccccSSB

12、rtftmtftmtmtftftmtftmtftstctsts通过低通滤波器LPF ，抑制高频分量2fc，得)(41)(0tmtm5.3 线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析1. 线性调制系统相干解调器的抗噪声性能线性调制系统相干解调器的抗噪声性能相干解调器抗噪声性能的分析模型如图5.9所示。图5.9 相干解调器抗噪声性能分析模型 解调器输入端的噪声ni(t)=nI(t) cos2fct-nQ(t) sin2f ct与本地载波相乘后，得4sin)(4cos)(21)(212cos2sin)(2cos)(2cos)(cQcIIccQcIctftntftntntftftntft

13、ntftni通过LPF ，滤除2f c分量，得解调器输出噪声和噪声平均功率为)(21)(Iotntn)(41)(2I2ootntnN由于带通滤波器带宽远小于其中心频率fc，根据第3章所学知识，ni(t)为窄带平稳高斯白噪声，它的表示式为tftntftntnicQcI2sin)(2cos)()(窄带噪声ni(t)有以下统计特性：0)()()(QItnEtnEtnEiiniNtnEtnEtnE22Q2I2)()()(平均功率平均功率Ni为解调器输入噪声ni(t)的平均功率。若白噪声的单边功率谱密度为no，则BnNi0iNtntnN41)(41)(412i2Io则而Ni=noB，其中， B应等于输入

14、信号sr(t)的带宽。1） DSB调制系统相干解调时的抗噪声性能分析调制系统相干解调时的抗噪声性能分析解调器输入信号和输入信号功率为rDSBc222iDSBc( )( )( ) cos21( ) ( )cos2( )2s tstm tf tSstm tf tm tDSB信号相干解调时，解调器输出信号及功率为o222oo1( )( )211( )( )( )24m tm tSm tm tm tmo2mo2DSB4)(22/ )(fntmfntmNSiimo2mo2DSBoo2)(21)(41fntmfntmNS而Ni=noB，其中，B应等于DSB信号的带宽，即B=BDSB=2f m，fm是基带信

15、号的带宽。输入信噪比为输出信噪比为o14iNN注：注：为了比较各种调制系统的性能，还可用输出信噪比和输入信噪比的比值G来表示，G称为调制制度增益调制制度增益。2ooomDSB2iiom( )/22/( )4m tSNn fGSNm tn f结论：即结论：即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。2） AM调制系统相干解调时的抗噪声性能分析调制系统相干解调时的抗噪声性能分析解调器输入信号和输入信号功率为)(2121 )(2)(21 2cos)()(2cos)()(2200220c2202AMc0AMtmAtmAtmAtftmAtSStftmAtsi0)(tmAM信号相干

16、解调时，解调器输出信号和输出信号平均功率为)(21)(otmtm)(41)(21)(222ootmtmtmS而Ni=noB，其中，B应等于AM信号的带宽，即B=BAM=2f m，f m是基带信号的带宽。输入信噪比为输出信噪比为mo220mo220AMii4)(2)(2121fntmAfntmANSmo2mo2AMoo2)(21)(41fntmfntmNSo14iNN注：注：2221)(mAtm)()(24)(2)(2202mo220mo2AMtmAtmfntmAfntmG（1）分析：对于单音频调制信号，即m(t)=Am cos2F t，有采用满调幅，即A0=Am，此时调制制度增益最大值为322

17、/2/22m2m2mMAXAAAG3） SSB调制系统相干解调时的抗噪声性能分析调制系统相干解调时的抗噪声性能分析解调器输入信号和输入信号功率为)(81)(81 2sin)(2cos)(41)(222ccSSBitmtmtftmtftmtsStftmtftmtsccSSB2sin)(212cos)(21)()(412itmS m(t)与)( tm正交，只是相移了/2，幅度不变。SSB信号相干解调时，解调器输出信号和输出信号平均功率为)(41)(otmtm)(161)(22ootmtmS而Ni=noB，其中, B应等于SSB信号的带宽，即B=BSSB=f m，f m是基带信号的带宽。输入信噪比为

18、输出信噪比为mo2mo2SSBii4)(4)(fntmfntmNSmo2mo2SSBoo4)(416)(fntmfntmNSo14iNN注：注：1SSBooSSBiiSSBNSNSG由上面分析得GDSB=2GSSB ，从抗噪声角度看, DSB并不优于SSB。分析：分析：NiSSB=noBSSB=nofmNiDSB=noBDSB=2nofmNiDSB=2NiSSBmoiSSB0SSB4141fnNNmoiDSBoDSB2141fnNNoSSBoDSB2NN在解调器输出端：在解调器输入端：5.4 频分复用频分复用(FDM)多路复用：指多路独立信号同时利用同一信道进行传输。频分多路复用：各路信号同时

19、在同一信道中传输时占用不同的频带。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，从而恢复出所需的信号。FDM系统原理框图如图5.10所示。 设有n路话音信号进行复用，发送端各路话音信号首先通过LPF ，使其频率受限在fm(对话音信号，一般为3.4 kHz)以内，然后将各路信号分别对不同的载波频率进行调制，这些载波(f c1, f c2, f cn)称为副载波。调制方式常用的是SSB调制。 调制器后的BPF 将各路已调信号的频带限制在规定范围以内，然后把各路BPF 的输出合并，形成复用信号s(t)。但在某些场合

20、，还需进行主载波调制。复用信号就可以在信道中传输。 在接收端，将主调制信号进行解调成为频分复用信号s(t)，然后通过分路滤波和SSB解调，恢复各路信号m1(t), m2(t), , mn(t)。fc1fc2fc n图5.10 FDM系统原理框图FDM有一个重要指标是路际串话。路际串话就是甲路在通话的同时又可听到乙路之间的讲话。为了减小FDM复用信号频谱的重叠，各路信号频谱间应留有一定的间隔，此间隔称为防护频带，即f c(i+1)=fci+(f m+f g), i=1, 2, , n式中，fci和fc(i+1)分别为第i路与第i+1路的副载波频率； fm为每路信号的最高截止频率； fg为邻路间隔防护频带。复用信号频谱结构如图5.11所示。副载波采用SSB调制方式。图5.11 复用信号频谱结构 (采用上边带调制)则n路复用信号的带宽为Bn=nf m+(n-1)fg=(n-1)(f m+f g)+fm=(n-1)B1+f m Bnfci和fc(i+1)分别为第i路与第i+1路的副载波频率； fm为每路信号的最高截止频率； fg为邻路间隔防护频带防护频