第5章模拟调制系统

1、15.0 引言引言 5.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理5.3 非线性调制非线性调制(角度调制角度调制)的原理的原理第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统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 频分复用和调频立体声频分复用和调频立体声 作业作业5.2 线性调制系统的抗噪性能线性调制系统的抗噪性能 5.4 调频系统的抗噪性能调频系统的抗噪性能25.0 引引 言言5.0.1 调制调制调制是通信原理中一个十分重要的概念，调制是通信原理中一个十分重要的概念，是一种信号处理技术。无论在模拟通信、数是一种信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据通信中都扮演着

2、重要角色。字通信还是数据通信中都扮演着重要角色。那么为什么要对信号进行调制处理？那么为什么要对信号进行调制处理？什么是调制呢？我们先看看下面的例什么是调制呢？我们先看看下面的例子。子。3我们知道，通信的目的是为了把信息向远我们知道，通信的目的是为了把信息向远处传递（传播）处传递（传播）, ,在传播人声音时，我们可以在传播人声音时，我们可以用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）播放出去。由于喇叭的功再用喇叭（扬声器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此声音可以传得比较远。率比人嗓大得多，因此声音可以传得比较远。话筒扩音机扬声器扩音

3、示意图4 但如果我们还想将声音再传得更远一些，但如果我们还想将声音再传得更远一些，比如几十千米、几百千米，那该怎么办？比如几十千米、几百千米，那该怎么办？ 大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题：但会出现两个问题： 铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传一路声音信号，其传输成本之高、线路利用传一路声音信号，其传输成本之高、线路利用率之低率之低, ,人们是无法接受的。人们是无法接受的。5利用无线电通信利用无线电通信 需满足一个基本条件，即欲发射信号的波需满足一个基本条件，即欲发射信号的波长必须能与发射天线的

4、几何尺寸可比拟，该信长必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。线尺寸应大于波长的十分之一）。而音频信号而音频信号的频率范围是的频率范围是20Hz20kHz，最最小小的波长为：的波长为：8433 101.5 10 ( )20 10cmf6可见，要将音频信号直接用天线发射出去，可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150150米高。因此，要想把音频信号通过可接受米高。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出

5、去，就需要想办法提高欲发的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。射信号的频率（频率越高波长越短）。解决方法解决方法1、在一个信道中对多路信号进行频分复用、在一个信道中对多路信号进行频分复用 2、是把欲发射的低频信号、是把欲发射的低频信号“搬搬”到高频载波到高频载波上去（或者说把低频信号上去（或者说把低频信号“变变”成高频信号）。成高频信号）。方法有的共同点：要对信号进行调制处理。方法有的共同点：要对信号进行调制处理。7对于调制，我们给出一个概括性的定义：对于调制，我们给出一个概括性的定义：让载波的某个参数（或几个）随调制信号让载波的某个参数（或几个）随调制信号

6、（原始信号）的变化而变化的过程或方式称（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制为调制。而载波通常是一种用来搭载原始信。而载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身号（信息）的高频信号，它本身不含有任何不含有任何有用信息有用信息。85.0.2 基本概念基本概念1 1、调制信号：原始电信号（低频信号）、调制信号：原始电信号（低频信号）2 2、载波：单一频率的正弦波（高频信号）、载波：单一频率的正弦波（高频信号）3 3、已调信号：调制信号和载波的合成信号、已调信号：调制信号和载波的合成信号（高频信号）（高频信号）4 4、解调（检波）：调制的逆过程、解调（检波）：调制的逆过程95.0

7、.3 调制的目的调制的目的 将调制信号变换成适合信道传输的已调信号将调制信号变换成适合信道传输的已调信号l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。l实现信道的多路复用，提高信道利用率。实现信道的多路复用，提高信道利用率。l扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，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。还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。5.0.4 调制的方法调制的方法 幅度幅度: AM、DSB、SSB、VSB角度角度: FM、PM模拟模拟数字数字105.1 幅度调制的原理幅度调制的原理1、幅度调制的一般原理、幅度调制的一般原理2、AM

8、调幅调幅-常规幅度调制常规幅度调制6、线性调制的一般模型、线性调制的一般模型3、DSB双边带调制双边带调制4、SSB单边带调制单边带调制5、VSB残留边带调制残留边带调制7、相干解调与包络检波、相干解调与包络检波11调幅定义：调幅定义： 载波的载波的振幅振幅随调制信号的变化而变化随调制信号的变化而变化)cos()(0tAtcc设设 载波为载波为)t (m调制信号调制信号(基带信号基带信号)为为则则 已调信号为已调信号为: :)cos()()(0ttAmtscm1、幅度调制的一般原理、幅度调制的一般原理式中，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

9、载波初始相位（以后假定 0 0）。）。 12n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，则已调信号的频谱为频谱为在在波形波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；而正比地变化；在在频谱结构频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为因此，幅度调制通常又称为线性调制线性调制。()()2mccASMMttAmtscmcos)()(13四种调幅信号四种调幅信号 1) AM 信号：普通调幅信号信

10、号：普通调幅信号 2) DSB 信号：双边带信号信号：双边带信号 3) SSB 信号：单边带信号信号：单边带信号 4) VSB 信号：残余边带信号信号：残余边带信号142、AM调制调制Amplitude Modulation(1) AM调制的原理调制的原理(2) 时域分析时域分析 (4) 解调方式解调方式(3) 频域分析频域分析(5) 功率分析功率分析(6) 优缺点优缺点ttmAtscAMcos)()(0)()(21)()()(0ccccAMMMASscAMPPtmAP2)(2220相干解调和非相干解调相干解调和非相干解调15AM调制原理调制原理 设调制信号为设调制信号为m(t)，且，且 载波

11、为载波为c(t)=cosct，普通幅度调制是将普通幅度调制是将m(t)与一直流量与一直流量A0相加后，再对载波进行幅度调制。相加后，再对载波进行幅度调制。( )0m t 要求要求: 0max| )(|Atmm(t)A0cosctsAM(t)ttmAtscAMcos)()(016ttmtAttmAtscccAMcos)(coscos)()(. 00（1）信号时域表达式：）信号时域表达式：tAtmmmcos)(设设（2）信号时域波形：）信号时域波形：要求：要求：否则会出现过调幅否则会出现过调幅0max|)(|AAtmm定义：定义： 为为调幅指数调幅指数 0/ AAmAMm (t)OtA0 m (t

12、)OtOOttcosc(t)sAM(t)1M ()A0HHccA0SAM()021017调幅指数为调幅指数为0.518调幅指数为调幅指数为119调幅指数为调幅指数为1.520AM 频域表达式频域表达式：)(2)()(cos)()(00AAtMtmccc因为因为所以所以ttmAtscAMcos)()(0且且ttmtAcccos)(cos. 0ttmAtscAMcos)()(0)()(21)()(cos)(21)(00cccccAMMMAtFTtmAFTS21AM 频谱示意图：频谱示意图：从频谱结构上看，从频谱结构上看， 的频谱是的频谱是 的频的频谱在频域内的线性搬移谱在频域内的线性搬移,称之为线

13、性调制。称之为线性调制。) t (SAM)t (mHc c Hc )(AMS0Hc Hc c 0c c 上边带上边带下边带下边带H 2)(M H 0)()(21)()()(0ccccAMMMAS22m(t)OtA0 m(t)OtOOttcosc(t)sAM(t)1M()A0HHccA0SAM()02101. SAM( )由载频分量和上、下两个边带组成由载频分量和上、下两个边带组成2. 上边带的频谱结构与原调制信号的频谱上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。结构相同，下边带是上边带的镜像。3. AM信号是带有载波的双边带信号，它的信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是

14、基带信号带宽带宽是基带信号带宽fH的两倍的两倍,即即:HAMfB2m(t)OtA0 m(t)OtOOttcosc(t)sAM(t)1M()A0HHccA0SAM()021023解调方式解调方式1、非相干解调、非相干解调 由于已调信号的包络载有原调制信号的信由于已调信号的包络载有原调制信号的信息，因此通过包络检波，就可以恢复原调制息，因此通过包络检波，就可以恢复原调制信号。设备简单信号。设备简单,但要求不能出现过调幅。但要求不能出现过调幅。2、相干解调、相干解调 AM亦可采用相干解调。在解调端需要产生亦可采用相干解调。在解调端需要产生与发送端同频同相的载波。如果这个条件得不与发送端同频同相的载波

15、。如果这个条件得不到保证，将会对原始信号的恢复产生不利影响。到保证，将会对原始信号的恢复产生不利影响。24nAM信号在信号在1电阻上的平均功率应等于电阻上的平均功率应等于sAM(t)的均方值。当的均方值。当m(t)为确知信号时，为确知信号时，sAM(t)的均的均方值即为其平方的时间平均，即方值即为其平方的时间平均，即22202222200( )( ) coscos( )cos2( )cosAMAMccccpStAm tw tAw tmtw tA m tw t=+=+220( )22AMcsAm tppp=+=+载波功率载波功率边带功率边带功率AM信号的功率信号的功率由由可得可得：0)(tm)

16、12(cos21cos2ttcc25定义调制效率：边带功率与总平均功率的定义调制效率：边带功率与总平均功率的比值，用符号比值，用符号 AM表示表示 一般情况下，一般情况下， AM都小于都小于1，调制效率很低，调制效率很低，即载波分量占据大部分信号功率，有信息的即载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占有的功率较小。两个边带占有的功率较小。 v可以证明：若可以证明：若m(t)为单频调制正弦信号，为单频调制正弦信号，调制效率最大为调制效率最大为13。)()(2202tmAtmPPAMsAM26AM信号的优缺点信号的优缺点优点：可以采用包络检波法解调，不需本优点：可以采用包络检波法解调，不需本

17、地同步载波信号。地同步载波信号。缺点：缺点：AM信号的功率利用率比较低，已调信号的功率利用率比较低，已调信号频带是调制信号最高频率的信号频带是调制信号最高频率的2倍。倍。问题：能否去掉不带信息的载波，提高功问题：能否去掉不带信息的载波，提高功率利用率？率利用率？解决方法：抑制载波双边带。解决方法：抑制载波双边带。273、双边带（、双边带（DSB）调制）调制Double Sideband(1)、DSB调制的原理调制的原理(2)、时域分析、时域分析 (4)、解调方式、解调方式(3)、频域分析、频域分析(5)、功率与效率功率与效率(6)、优缺点、优缺点ttmtscDSBcos)()()()(21)(

18、ccDSBMMS2(t)mP2DSB相干解调相干解调28DSB信号表达式及波形信号表达式及波形cos0tOttOm (t)sDSB(t)OtOccM ()OHHSDSB()Occ载波反相点2HttmtscDSBcos)()(DSB信号的表达式信号的表达式DSB信号波形信号波形29DSB信号频域表达式信号频域表达式因为因为)()(21cos)(21)(cccAMMMtFTtmFTS所以所以ttmtscDSBcos)()(且且)()(cos)()(ccctMtm30ttmtStScDSBmcos)()()(DSB 信号表达式：信号表达式：tcosA)t(m 设设信号波形：信号波形：DSB 频谱结构

19、频谱结构)t (mtA0)t (Smt0)()(21)(ccDSBMMS频谱图频谱图：t0tcoscH)(M0Hc c Hc )(DSBSHc Hc c 0c c 0H 2下边带下边带上边带上边带单一频率单一频率包络包络31DSB信号频谱示意图信号频谱示意图cos0tOttOm (t)sDSB(t)OtOccM ()OHHSDSB()Occ载波反相点2HDSB信号的频谱特点：信号的频谱特点：1、上、下边带均包含调制信号的全部信息；、上、下边带均包含调制信号的全部信息；2、幅度减半，带宽加倍；、幅度减半，带宽加倍；3、线性调制。、线性调制。4、带宽是基带信号带宽带宽是基带信号带宽fH的两倍的两倍

20、HAMfB232 调制信号为单频余弦信号时，调制信号为单频余弦信号时，DSB信号的频信号的频谱为：谱为： )cos()(tAtmsm33DSB信号的解调信号的解调相干解调相干解调图中图中SL(t)为本地载波，也叫相干载波，必须与为本地载波，也叫相干载波，必须与发送端的载波完全同步。发送端的载波完全同步。 若插入载波（恢复波）且幅度较大（满足若插入载波（恢复波）且幅度较大（满足A|m(t)|max)，亦可采用包络检波器来解调。，亦可采用包络检波器来解调。 34功率与效率功率与效率%100DSB)(cos)()(222ttmtsPcDSBDSB DSB信号的功率仅由边带功率构成，调制效信号的功率仅

21、由边带功率构成，调制效率为：率为： 双边带信号不存在载波分量，所有的功率都双边带信号不存在载波分量，所有的功率都集中在两个边带中，因此调制效率为集中在两个边带中，因此调制效率为100%，这是它的最大优点。这是它的最大优点。 功率功率)(21)2cos()(21)(21222tmttmtmc35DSB优缺点优缺点优点：调制效率高。优点：调制效率高。缺点：占用频带宽，为消息基带信号的缺点：占用频带宽，为消息基带信号的2倍；倍；解调复杂。解调复杂。问题：问题：能否只传输其中一个边带，节省带宽？能否只传输其中一个边带，节省带宽？364、单边带（、单边带（SSB）信号）信号Single Sideband

22、(1) SSB调制原理调制原理(2) SSB信号表达式信号表达式 (4) 解调方式解调方式(5) 功率与效率功率与效率(6) 优缺点优缺点421(t)mPP2DSBSSB相干解调相干解调ttmttmtSccSSBsin)(21cos)(21)(3) SSB信号的产生信号的产生 37(1) SSB调制原理调制原理m(t )SDSB(t)SSSB(t)tccos)(SSBH38滤波法产生滤波法产生SSB信号滤波器的特性信号滤波器的特性 Hfcfcff Hfcfcff11 a bM()HHSM()ccOO 上边带 下边带 下边带 上边带ccO上边带频谱Occ下边带频谱39(2) SSB信号表达式信号

23、表达式 Hfcfcff Hfcfcff11 a b01)(USBHc|10)(LSBHc|)sgn()sgn(21cc40 设单频调制信号为设单频调制信号为载波为载波为则则tAtmmmcos)(ttcccos)(tAtAttAtsmcmmcmcmmDSB)cos(21)cos(21coscos)(1( )cos()2USBmCmstAt11coscossinsin22mmcmmcAtAt1( )cos()2LSBmCmstAt11coscossinsin22mmcmmcAttAtt41将上两式合并：将上两式合并： “”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

24、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。把这一相移过程称为希尔伯特变换，的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为记为“ ”，则有，则有ttAttAtscmmcmmSSBsinsin21coscos21)(tAtAmmmmsinso c11( )coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAtt上式可以改写为：上式可以改写为：42把上式推广到一般情况，则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 式中的式中的-jsgn 可以看作是希尔伯特滤波器传

25、递可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即函数，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)(/ )()(jMMHh43m(t )SDSB(t)SSSB(t)tccos)(SSBH)(H)(S)(SDSBSSB )()(21)(ccDSBMMS )(Sgn)(Sgn)(Hcc 21 )()()()(41)()(41)()()()(41)()()(21)(cccccccccccc

26、SSBSgnMSgnMMMSgnSgnMMHMMS下以下边带为例：以下边带为例：ttmMMccccos)(21)()(21tatmSgnMSgnMcccccsin)(21)()()()(41ttmttmtSccSSBLsin)(21cos)(21)(44(3) SSB信号的产生信号的产生 MfHfHfOfffOOcfcfcfcf上边带频谱下边带频谱滤波法滤波法45用滤波法的困难：用滤波法的困难： 一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间信号的上、下边带之间的间隔很窄，要求单边带滤波器在隔很窄，要求单边带滤波器

27、在fC附近具有陡峭附近具有陡峭的截止特性。的截止特性。带来问题：带来问题：滤波器的设计和制作很困难，有滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。时甚至难以实现。解决方法：解决方法：在工程中往往采用多级调制滤波在工程中往往采用多级调制滤波46多级调制多级调制 47相移法产生相移法产生SSB信号信号ttmttmtsccSSBsin)(21cos)(21)(Hh()221m(t)sSSB(t)21m(t) cosctcosct21m(t)cosct21m(t)Hh实质上是一个宽带相移网络，把实质上是一个宽带相移网络，把m(t)幅度不幅度不变，所有频率分量相移变，所有频率分量相移900。48(4)

28、SSB信号解调信号解调相干解调相干解调非相干解调非相干解调载波插入法载波插入法 人为地给人为地给SSB信号加入一个大幅度的载波，信号加入一个大幅度的载波，再用包络检波方法。再用包络检波方法。 注意注意：该方法也需要载波同步。：该方法也需要载波同步。 49(6) 优缺点优缺点优点优点：具有最窄的传输带宽，信道利用率：具有最窄的传输带宽，信道利用率最高；最高；缺点缺点： （1）电路实现复杂，技术要求高；）电路实现复杂，技术要求高； （2）解调时同步误差要小）解调时同步误差要小 505、残留边带（、残留边带（VSB）调制）调制 Vestigial SideBandDSB信号占用频带宽信号占用频带宽S

29、SB信号实现困难信号实现困难折衷折衷残留边带调制残留边带调制VSB(1) VSB调制原理调制原理51M()2B2BODSB()ccO(a)(b)SSB()OccccVSB()O(c)(d)(SSBS)(DSBS)(VSBS52)()()(21)()(VccVSBmHMMSS讨论满足要求的讨论满足要求的)(VH(2) VSB 频谱结构频谱结构 分析思路：分析思路： 发送端对信号进行调制的目的是为了使接收发送端对信号进行调制的目的是为了使接收端完整不失真地端完整不失真地还原还原信号，因而信号，因而 的作用需的作用需和接收机的功能综合考虑。和接收机的功能综合考虑。 接收端收到的信号是接收端收到的信号

30、是 ，因而还，因而还原信号与原信号与接收方法接收方法有关。有关。)()(VDSBHS)(VHm(t )SDSB(t)SSSB(t)tccos)(SSBH53(3) (3) 同步解调同步解调)()(21)()(21)(1cVSBcVSBVSBSSSSS)()2()(21)()()()2(21)(cVccVSBcVccVSBHMMSHMMS )()()(Scc 低低 通通)(VSBS)(S1)(S)()(0MS)()()(5 . 0)(VccVSBHMMS54)()()()(41)(0MHHMScVcV)()2()(41)()()2(41)(1cVccVcHMMHMMS低低 通通)(VSBS)(S

31、1)(S)()(0MS)()2()(5 . 0)()()()2(5 . 0)(cVccVSBcVccVSBHMMSHMMS)()(21)()(21)(1cVSBcVSBVSBSSSSS55)()()()(41)(0MHHMScVcV结论结论：常常数数)()(cVcVHH低低 通通)(VSBS)(S1)(S)()(0MS56(4) VSB滤波器的特性滤波器的特性cfcfOfcfcfO OfcfcfOfcfcfOf VSBHfVSBcHffVSBcHffVSBcVSBcHffHff a b c dCHHcVcV)()(矛盾：残留边带矛盾：残留边带信号的带宽与滤信号的带宽与滤波器的实现之间波器的实现

32、之间在在f=0处具有互补处具有互补对称的滚降特性对称的滚降特性 CffHffHcVcV)()(57 在在H (w+wc)与与H (w-wc)的交界处，两个曲线的交界处，两个曲线互补，曲线在交界处为水平直线。也就是一互补，曲线在交界处为水平直线。也就是一个传输函数过渡带的上、下部分互补对称。个传输函数过渡带的上、下部分互补对称。只要残留边带滤波器的特性只要残留边带滤波器的特性HVSB(w)在在wc处处具有互补对称（奇对称）特性，采用相干解具有互补对称（奇对称）特性，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号。需的基带信号。cfcfOfcfc

33、fOOfcfcfOfcfcfOfVSBHfVSBcHffVSBcHffVSBcVSBcHffHffabcd58HVSB()10.50cccc00.51HVSB()( a )( b ) 通常把滤波器的边缘形状（过渡带）称为通常把滤波器的边缘形状（过渡带）称为滚滚降形状降形状。满足互补的滚降形状有多种，常用。满足互补的滚降形状有多种，常用的是的是直线滚降和余弦滚降直线滚降和余弦滚降。它们分别在电视。它们分别在电视信号和数据信号的传输中得到应用。我国目信号和数据信号的传输中得到应用。我国目前的电视节目音频信号采用调频方法、视频前的电视节目音频信号采用调频方法、视频（图像）信号采用残留边带方式传输。（

34、图像）信号采用残留边带方式传输。HV S B()10.50cccc00.51HV S B()( a )( b )596、线性调制系统一般模型、线性调制系统一般模型(1) 滤波法模型滤波法模型滤波法线性调制的一般模型如下：滤波法线性调制的一般模型如下： 输出信号时域表示式为：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：适当选择适当选择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)()(thH60(2) 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将上式展