通信原理第5章

1、1第五章第五章 模拟调制系统模拟调制系统2本章主要内容：本章主要内容：q 线性调制的原理线性调制的原理q 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能q 非线性调制原理非线性调制原理q 非线性调制系统的抗噪声性能非线性调制系统的抗噪声性能q 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较q小小 结结第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统3q 调制的概念及分类调制的概念及分类第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统是按原始电信号的变化规律去改变载波某些是按原始电信号的变化规律去改变载波某些参量的过程，把信号转换成适合在信道中传参量的过程，把信号转换成适合在信道中传输的形式。输的形式。调制器调制器H(

2、)m(t)c(t)sm(t)调制信号调制信号载波信号载波信号已调信号已调信号模拟调制模拟调制数字调制数字调制连续载波调制连续载波调制脉冲载波调制脉冲载波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线性调制线性调制非线性调制非线性调制4第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统q 调制在通信系统中的作用调制在通信系统中的作用u 易于辐射，提高传输性能易于辐射，提高传输性能u 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u 扩展信号带宽，提高抗干扰能力扩展信号带宽，提高抗干扰能力q 最常用的模拟调制方式最常用的模拟调制方式u 线性调制（幅度调制）线性调制（幅度调制）u 非线性调制（角

3、度调制）非线性调制（角度调制）载波为正弦波载波为正弦波55.1 线性调制线性调制q 定义定义输出已调信号的频谱和输入调制信号的频谱输出已调信号的频谱和输入调制信号的频谱之间满足线性搬移的关系。之间满足线性搬移的关系。 q 四种具体的调制方法四种具体的调制方法u振幅调制（振幅调制（AM）u双边带调制（双边带调制（DSB）u单边带调制（单边带调制（SSB）u残留边带调制（残留边带调制（VSB） 65.1 线性调制线性调制5.1.1 振幅调制（振幅调制（AMAM）AMAM信号时域表示：信号时域表示： AMAM信号的频谱：信号的频谱： 外加直流外加直流分量分量载载 波波ttmtAttmAtscccAM

4、cos)(coscos)()(00)()(21)()()(0ccccAMMMAS75.1 线性调制线性调制时域波形图时域波形图频谱图频谱图载频载频分量分量载频载频分量分量下边带下边带下边带下边带上边带上边带上边带上边带 AMAM信号是带有载波分量的双边带信号。信号是带有载波分量的双边带信号。包络检包络检波解调波解调85.1 线性调制线性调制q AMAM信号特性信号特性u 带带 宽宽带宽是基带信号带宽带宽是基带信号带宽f fH H的两倍：的两倍： HAMfB2u 平均功率平均功率22202222200( )( ) coscos( )cos2( )cosAMAMccccPstAm ttAtm tt

5、A m tt一般假设调制信号均值为一般假设调制信号均值为0 0，即：，即： 0)(tmScAMPPtmAP2)(2220载波功率载波功率 边带功率边带功率95.1 线性调制线性调制u 调制效率调制效率q AMAM信号特性（续）信号特性（续） 2220SAMAMmtPPAmt由于只有边带携带有用信息，而载波并不携带由于只有边带携带有用信息，而载波并不携带信息，所以有用功率占总功率的比值，称为信息，所以有用功率占总功率的比值，称为调调制效率制效率。 3/1AM AMAM信号功率利用率较低，用于中短波调幅广信号功率利用率较低，用于中短波调幅广播播tAtmmmcos)( 2/2/2202mmmAAAm

6、ax max 0AAm满调制满调制101010第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统学习内容：学习内容：q 线性调制线性调制l振幅调制（调幅）振幅调制（调幅）l双边带调制双边带调制l单边带调制单边带调制l残留边带调制残留边带调制l线性调制信号的解调线性调制信号的解调q 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能q 非线性调制非线性调制q 1111复复 习：习：q 调制的概念及分类调制的概念及分类q 线性调制概念线性调制概念q AM AM调制模型调制模型q AM AM信号频谱特点信号频谱特点第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统125.1 线性调制线性调制5.1.2 双边带调制（双边带调制（D

7、SBDSB）u时域表示式时域表示式：无直流分量：无直流分量A A0 0ttmtscDSBcos)()(u频频 谱谱：无载频分量：无载频分量 )()(21)(ccDSBMMSu曲曲 线：线： p调制效率调制效率：100p优优 点点：节省了载波：节省了载波功率。功率。p缺缺 点点：不能用包络：不能用包络检波，需用相干检波，检波，需用相干检波，较复杂。较复杂。135.1 线性调制线性调制5.1.3 单边带调制（单边带调制（SSBSSB）q 原原 理理双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调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制信号频谱M( ( ) )的所有频谱成分，因此仅传输的所有频谱

8、成分，因此仅传输其中一个边带即可。其中一个边带即可。q 实现方法实现方法 滤波法滤波法 相移法相移法145.1 线性调制线性调制q 滤波法实现滤波法实现SSBSSBu滤波法原理图滤波法原理图H( ( ) )为单边带滤波器的传输函数：为单边带滤波器的传输函数：1,( )( )0,cUSBcHH保留上边带保留上边带或或：1,( )( )0,cLSBcHH保留下边带保留下边带155.1 线性调制线性调制uSSBSSB信号的频谱信号的频谱 ( )( )SSBDSBSSHu上边带频谱图上边带频谱图p难难 点点：边带滤波：边带滤波器的制作，很难实器的制作，很难实现陡峭的截止特性。现陡峭的截止特性。p解决方

9、法解决方法：采用：采用多级多级DSB调制及边调制及边带滤波带滤波165.1 线性调制线性调制q 相移法实现相移法实现SSBSSBu相移法原理图相移法原理图ttmcsin)(21希尔伯特滤波器希尔伯特滤波器是一个使相位滞后是一个使相位滞后 /2的全通移的全通移相网络相网络，其传递函数为，其传递函数为sgn)(/ )()(jMMHh希尔伯特希尔伯特滤波器滤波器p优优 点点：不需要滤不需要滤波器具有陡峭的截止波器具有陡峭的截止特性特性。p缺缺 点点：宽带相移宽带相移网络难用硬件实现。网络难用硬件实现。+：保留下边带：保留下边带-：保留上边带：保留上边带175.1 线性调制线性调制5.1.4 残留边带

10、调制（残留边带调制（VSBVSB）u原原 理理介于介于SSB与与DSB之间的一种折中方式，既克服了之间的一种折中方式，既克服了DSBDSB信信号占用频带宽的缺点，又解决了号占用频带宽的缺点，又解决了SSBSSB信号实现中的困难。信号实现中的困难。185.1 线性调制线性调制u滤波法实现滤波法实现VSBVSB tsVSB传递函数传递函数H ( ( ) )必须满足：必须满足：常数)()(ccHHH即：即：H( )在在 c处具有处具有互补对互补对称称（奇对称）特性（奇对称）特性残留部分上边带残留部分上边带残留部分下边带残留部分下边带195.1 线性调制线性调制5.1.5 线性调制信号的解调线性调制信

11、号的解调q 解调含义解调含义u 相干解调相干解调u 包络检波包络检波解调是调制的逆过程，作用是从接收的已调信解调是调制的逆过程，作用是从接收的已调信号中恢复原基带信号（即调制信号）。号中恢复原基带信号（即调制信号）。q 解调方法解调方法具有普适性具有普适性不具有普适性不具有普适性205.1 线性调制线性调制q 相干解调相干解调u一般模型一般模型u解调原理解调原理接收端提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）接收端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，它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波的本地载波，它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信

12、号。器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。本地载波本地载波/ /相干载波相干载波相干解调适用于所有线性调制信号的解调。相干解调适用于所有线性调制信号的解调。215.1 线性调制线性调制u相干解调性能分析相干解调性能分析以单边带调制为例以单边带调制为例单边带信号的一般表达式为：单边带信号的一般表达式为： 与相干载波相乘：与相干载波相乘： 经低通滤波器滤波，得到：经低通滤波器滤波，得到： ttmttmtsccSSBsin)(21cos)(21)(ttmttmtmcc2sin)(412cos)(41)(41ttstscSSBpcos)()()(41)(tmtsd225.1 线性调制线性调制q

13、包络检波包络检波u适用条件适用条件AMAM信号，且要求信号，且要求|m(t)|max A0 u包络检波器结构包络检波器结构cHfRCf /1u原原 理理直接从已调信号的幅度中提取信号，直接从已调信号的幅度中提取信号， 0( )dstAm t隔去直流，就得到原调制信号隔去直流，就得到原调制信号m(t)。 235.1 线性调制线性调制u包络检波器结构包络检波器结构242424复复 习：习：q DSBDSB调制方法及频谱特点调制方法及频谱特点q SSB SSB调制方法调制方法q VSB VSB调制方法调制方法q 相干解调原理相干解调原理q 包络检波原理包络检波原理第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统

14、255.2 线性调制系统的抗噪性能线性调制系统的抗噪性能5.2.1 分析模型分析模型其中各个参数如下：其中各个参数如下： 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) 输出噪声输出噪声窄带窄带高斯噪声高斯噪声研究在信道加性高斯噪声背景下，各种线研究在信道加性高斯噪声背景下，各种线性调制系统的抗噪声性能。性调制系统的抗噪声性能。 265.2 线性调制系统的抗噪性能线性调制系统的抗噪性能u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

15、出有用信号的平均功率解调器输出噪声的平均功率解调器输出信噪比是模拟通信系统的主要质量指标解调器输出信噪比是模拟通信系统的主要质量指标，显然输出信噪比越大越好。显然输出信噪比越大越好。u调制制度增益（信噪比增益）调制制度增益（信噪比增益）G越大，表示该调制方式抗噪声性能越好。越大，表示该调制方式抗噪声性能越好。iiNSNSG/00275.2 线性调制系统的抗噪性能线性调制系统的抗噪性能5.2.2 DSB DSB调制系统的性能调制系统的性能 ( )ms t LPF BPF )(tn ( )ms t )(tni )(tno o( )m t cosct q DSBDSB相干解调抗噪声性能分析模型相干解

16、调抗噪声性能分析模型相干解调相干解调BnNi0BnNo041)(21cos)()(222tmttmtsScmi22oo1( )( )4Sm tm t285.2 线性调制系统的抗噪性能线性调制系统的抗噪性能q 信噪比计算信噪比计算u输入信噪比输入信噪比BntmNSii02)(21u输出信噪比输出信噪比22oo01( )( )414im tSm tNn BNq 调制制度增益（信噪比增益）计算调制制度增益（信噪比增益）计算iiooDSBNSNSG/2DSB调制系统可使信噪比改善一倍。调制系统可使信噪比改善一倍。5.2 线性调制系统的抗噪性能线性调制系统的抗噪性能5.2.3 SSB SSB调制系统的性

17、能调制系统的性能q 噪声功率噪声功率B B为带通滤波器的带宽为带通滤波器的带宽q 信号功率信号功率输出信号：输出信号：o1( )( )4mtm t输出端信号平均功率：输出端信号平均功率：22oo1( )( )16Sm tm t输入端信号平均功率：输入端信号平均功率：)(2tsSmi)(412tmo01144iNNn BBnNi02930305.2 线性调制系统的抗噪性能线性调制系统的抗噪性能q 信噪比信噪比输入信噪比：输入信噪比：BntmBntmNSii02024)()(41输出信噪比：输出信噪比：22oo001( )( )16144m tSm tNn Bn Bq 调制制度增益（信噪比增益）调

18、制制度增益（信噪比增益）oo/1/SSBiiSNGSNSSB调制系统不能改善信噪比。调制系统不能改善信噪比。31315.2 线性调制系统的抗噪性能线性调制系统的抗噪性能q 讨讨 论论能否根据能否根据 ，判断，判断DSB系统的系统的抗噪性能优于抗噪性能优于SSB系统呢？系统呢？12SSBDSBGG，不能不能！因为计算的前提条件不一致，不能直接比较。因为计算的前提条件不一致，不能直接比较。若设定相同的前提条件，二者抗噪性相同，而若设定相同的前提条件，二者抗噪性相同，而SSB只需只需DSB的一半带宽，因而应用普遍。的一半带宽，因而应用普遍。325.3 非线性调制非线性调制q 调制分类调制分类载波参量

19、载波参量幅幅 度度频频 率率相相 位位调制类别调制类别幅度调制（调幅）幅度调制（调幅）频率调制（调频）频率调制（调频）相位调制（调相）相位调制（调相）线性调制线性调制非非 线线 性性调调 制制角度调制角度调制335.3 非线性调制非线性调制5.3.1 基本概念基本概念q FMFM和和PMPM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：角度调制信号的一般表达式：)(cos)(ttAtscmu A 载波的恒定振幅；载波的恒定振幅； u ct + (t) (t) 瞬时相位；瞬时相位； ud ct + (t)/dt = (t) 瞬时角频率瞬时角频率u (t) 瞬时相位偏移。瞬时相位偏移。

20、u d (t) / dt 瞬时频率偏移。瞬时频率偏移。345.3 非线性调制非线性调制相位调制相位调制瞬时相位偏移随调制信号作线性变瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，即化，即)()(tmKtpKp 调相灵敏度调相灵敏度，单位调制信号幅度引起的，单位调制信号幅度引起的相位变化，单位是相位变化，单位是rad/Vrad/V。代入一般表达式，得代入一般表达式，得PM信号的表达式：信号的表达式：)(cos)(tmKtAtspcPMq调调 相（相（PMPM）355.3 非线性调制非线性调制频率调制频率调制瞬时频率偏移随调制信号作线性变瞬时频率偏移随调制信号作线性变化，即化，即)()(tmKdttdfKf

21、调频灵敏度调频灵敏度，单位调制信号幅度引起的，单位调制信号幅度引起的频率变化，单位是频率变化，单位是rad/s V 。( )( )ftKmd代入一般表达式，得代入一般表达式，得FM信号的表达式：信号的表达式：( )cos( )FMcfstAtKmdq调调 频（频（FMFM）365.3 非线性调制非线性调制)(cos)(tmKtAtspcPM( )cos( )FMcfstAtKmdpPM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是相位是相位偏移随偏移随m(t)的积分呈线性变化。的积分呈线性变化。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，则无法

22、判的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。断已调信号是调相信号还是调频信号。比较可见：比较可见：qPMPM与与FMFM的区别的区别375.3 非线性调制非线性调制qFMFM与与PMPM的关系的关系)(cos)(tmKtAtspcPM( )cos( )FMcfstAtKmd可互相转换可互相转换（a a）直接调频）直接调频 （b b）直接调相）直接调相 （c c）间接调频）间接调频（d d） 间接调相间接调相FM波应用较多，以下将主要讨论频率调制波应用较多，以下将主要讨论频率调制。5.3 非线性调制非线性调制5.3.2 单音调频单音调频设单音调制信号设单音调制信号 频率调制，得到单音

23、频率调制，得到单音FM信号信号 cosncfmAtm sitfmfmmmK Afmf调频指数调频指数，表，表示最大的相位示最大的相位偏移偏移最大频偏最大频偏tAtmmmcos)(q单音单音FMFM信号表达式信号表达式( )cos( )FMcfstAtKmdcoscosdAKtAmmfc395.3 非线性调制非线性调制单音单音FMFM信号波形信号波形405.3 非线性调制非线性调制q单音单音FMFM信号频谱信号频谱( )()()()FMnfcmcmSAJ mnn 单音单音FM信号信号 sincos)(tmtAtsmfcFM()cos()nfcmnAJ mnt=傅立叶级数傅立叶级数展开展开对上式进

24、行傅里叶变换，得频谱为：对上式进行傅里叶变换，得频谱为： 贝塞尔函数贝塞尔函数415.3 非线性调制非线性调制( )()()()FMnfcmcmSAJ mnn p调频信号的频谱由载波分量调频信号的频谱由载波分量 c和无数边频和无数边频( c n m)组成。组成。p当当n = 0时是载波分量时是载波分量 c ；当；当n 0时是对称分布在载频时是对称分布在载频两侧的边频分量两侧的边频分量( c n m) 。 p由此可见，由此可见，FM信号的频谱不再是调制信号频谱的线性搬信号的频谱不再是调制信号频谱的线性搬移，而是一种非线性过程。移，而是一种非线性过程。p示意图如下，图中只画出了单边振幅谱：示意图如

25、下，图中只画出了单边振幅谱：单音宽带调单音宽带调频波谱图频波谱图42u调频信号的带宽调频信号的带宽卡森公式卡森公式5.3 非线性调制非线性调制原则：包含幅度大于原则：包含幅度大于0.1的边频的边频当当mf 1，取边频数，取边频数n = mf + 1即可。因为即可。因为n mf + 1以以上的边频幅度均小于上的边频幅度均小于0.1。卡森公式（卡森公式（CarsonCarson）：)( 2) 1( 2mmfFMfffmB窄带调频（窄带调频（mf 1）fBFM 2最大频偏最大频偏调制频率调制频率435.3 非线性调制非线性调制u调频信号的功率分配调频信号的功率分配调频信号的平均功率为调频信号的平均功

26、率为 2FMFMPst22()2nfnAJm利用贝塞尔函数性质利用贝塞尔函数性质2()1nfnJm得到得到22FMcAPP上式说明：调频信号的平均功率等于未调载波的平均上式说明：调频信号的平均功率等于未调载波的平均功率，即调制后总的功率不变，只是将原来载波功率功率，即调制后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。中的一部分分配给每个边频分量。 444444复复 习：习：q 调制制度增益调制制度增益q PM PM、FMFM信号一般表达式信号一般表达式q PMPM、FMFM区别与联系区别与联系q 单音单音FMFM信号表达式与频谱信号表达式与频谱q 卡森公式卡森公式第第5章章

27、模拟调制系统模拟调制系统45第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统q 练习题练习题某角度调制波表达式如下，求解：某角度调制波表达式如下，求解：（1）最大频偏、最大相偏和带宽；）最大频偏、最大相偏和带宽；（2）判别该信号是）判别该信号是FM信号还是信号还是PM信号。信号。)2000cos10102cos(10)(6tttsm解解：（1）该已调波的瞬时角频率为）该已调波的瞬时角频率为tt2000sin200010102)(6故最大频偏为：故最大频偏为：kHzf102/20001046第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统调频指数：调频指数：10fm最大相偏：最大相偏：rad10带宽：带宽：mffmB)

28、 1(2kHz2210) 110(23（2）由于不知）由于不知m(t)的形式，故无法确定的形式，故无法确定sm(t)是是FM信信号还是号还是PM信号。信号。mHzfm310)2000cos10102cos(10)(6tttsm另：另：也可写做：也可写做：)(2mffBkHz22)1011010(233475.3 非线性调制非线性调制5.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调q 直接调频法直接调频法q 间接调频法间接调频法1. 1. 调频信号的产生调频信号的产生485.3 非线性调制非线性调制q 直接调频法直接调频法原原 理理：用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使：用调制信号直接去

29、控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。其按调制信号的规律线性地变化。改进途径改进途径：采用锁相环（：采用锁相环（PLL）调制器）调制器 优点：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 优点：保证频率稳定度；优点：保证频率稳定度； 缺点：低频调制性能较差；缺点：低频调制性能较差；495.3 非线性调制非线性调制q 间接调频法间接调频法原原 理理：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即：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可产生一个窄带调频(NBFM)信号，再经信号，再经n次倍频器得次倍频器得到宽带调频到宽带调

30、频 (WBFM) 信号。信号。 优点：频率稳定性好。优点：频率稳定性好。 缺点：需多次倍频和混缺点：需多次倍频和混 频，电路复杂频，电路复杂50q 非相干解调非相干解调q 相干解调相干解调调频信号的解调方法调频信号的解调方法5.3 非线性调制非线性调制2. 2. 调频信号的解调调频信号的解调适用于适用于NBFM和和WBFM仅适用于仅适用于NBFM515.3 非线性调制非线性调制q 非非相干解调相干解调原原 理理：利用频率检波器（鉴频器），实现频率：利用频率检波器（鉴频器），实现频率-电压转换。电压转换。( )cos( )tFMcfstAtKmd消除幅度消除幅度起伏起伏调幅调幅调频波调频波检出包

31、络检出包络)()(tmKKtmfdo( )( )sin( )tdcfcfs tAK m ttKmd 525.3 非线性调制非线性调制q 相干解调相干解调 NBFM( )st LPF BPF )(tSi o( )m t ( )c t 微分 )(tSp ( )dst ( )cos( ) sintNBFMcfcstAtA Kmdt( )sin2( ) (1 cos2)22tpcfcAAsttKmdt tfddmKAts)(2)()(2)(0tmAKtmfttccsin)(仅适用于仅适用于NBFM535.4 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非相干解调非相干解调时的抗噪声性能

32、，需时的抗噪声性能，需计算解调器的输入信噪比、输出信噪比和调制计算解调器的输入信噪比、输出信噪比和调制制度增益（信噪比增益）制度增益（信噪比增益）q 分析模型分析模型 FM( )st BPF )(tn )(tSi )(tni LPF )(tno o( )m t 限幅 鉴频 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545.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能带带 宽宽FMiiBnANS022/5422oo034fmA mSNn fu调制制度增益调制制度增益2ooFMFM/3/2fiimSNBGmSNf宽带调频时，信号带宽：宽带调频时，信号带宽：)(2) 1(2mmfFMfffmB代入，有：代入，有：23(1)FMffGmm1fm33FMfGm在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益很高，即抗噪声性能好。很高，即抗噪声性能好。u输入信噪比输入信噪比u输出信噪比输出信噪比输入信噪比足够大；输入信噪比足够大；m(t)为单一频率余弦波为单一频率余弦波555.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能q 思思