通信原理(第7版)-第5章 模拟调制(7版)

1、 制作：曹丽娜 美工设计：陈英 技术支持：张嘉等人 课 件 模拟调制系统 通信原理（第7版）第5章樊昌信 曹丽娜 编著调制简介定义 目的 分类线性调制（幅度调制）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） 本章内容: 第5章 模拟调制 调制目的各种调制解调原理抗噪性能特点应用FDM 调 制 简 介n 调制定义调制定义调制调制：把：把 消息信号消息信号 搭载到搭载到 载波载波 的某个参数上。的某个参数上。 比喻比喻货物运输：货物运输： 将将 货物货物 装载到装载到 飞机飞机/ /轮船轮船 的某个仓位上的某个仓位上载波载波：一种高频周

2、期振荡信号，如正弦波。：一种高频周期振荡信号，如正弦波。 受调载波称为受调载波称为已调信号已调信号，含有消息信号特征。，含有消息信号特征。解调解调：调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。：调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。 何谓调制？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；改善系统性能（有效性、可靠性）；实现频率分配 看来，调制在通信系统中起着至关重要的作用！对呀，不同的调制方式，具有不同的特点和性能!n 调制目的调制目的为什么要进行调制？ 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

3、调制信号 载载 波波 已调信号已调信号n 调制分类调制分类( )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 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)的类型的类型分分按按载波信号载波信号c(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正弦载波正弦载波的受调参量的受调参量分分 按按已调信号已调信号 的频谱结构的频谱结构分分可从不同角度分类：可从不同角度分类：都有哪些调制方式？ n 幅度调制幅度调制（线

4、性）： AM、DSB SSB、VSB n 角度调制角度调制（非线性）：FM、PM ( )cos()cc tAt本章研究的模拟调制模拟调制方式： 是以正弦信号 作为载波的 n 一般模型5.1 幅度调制（线性调制）的原理( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )()()( )2mccSMMH边带滤波器边带滤波器( )( )h tH5.1.1 常规 调幅（AM） 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和nAM表达式表达式nAM调制器调制器条件：边带项载波项nAM波形和频谱波形和频谱 nAM信号的信号的特点特点l 时

5、，AM波的包络正比于调制信号m(t)， 故可采用包络检波。 lAM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。lAM传输带宽是调制信号带宽的两倍： lAM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。AM2HBf 0maxm tAlAM信号功率：nAM信号的缺信号的缺点点20AM2( )22scAtPmPP0max( )m tA220( )m tAAM50%故边带功率边带功率 0AMccoscoscttm ttsA载波功率载波功率2sAM22AM0( )( )Pm tPAm tAM功率利用率低！l调制效率（功率利用率）： -不含有用信息 ，却“浪费”大部分的发射功率。 -包含有用信息m(t)， 满调幅

6、时，边带功率最大。 定义调幅系数 m（用百分比表示时，又称调幅度） 反映基带信号改变载波幅度的程度： max0( )mm tAm1 过调幅载波边带 当然， AM正是利用这种“浪费”去换取解调的 便宜“，即包检。 2sAM22AM0( )( )Pm tPAm tmax0( )mm tA22220AM2222200/22/2mmmmAAAmAAAAm( )cosmmm tAt设（单音正弦），22( )/2mm tA则当m=1(满调幅)时，AM调制效率的最大值仅为1/3， 可见，AM的功率利用率很低。高调幅度的重要性！ 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AM

7、MS 0max0m tm tA和条件：如何提高调制效率？抑制载波！ 5.1.2 双边带调制（DSB-SC） cDSBcosm tstt cDSBc12MMS 0m t 条件：nDSB表达式表达式nDSB调制器调制器double-sideband suppressed carriernDSB波形和频谱波形和频谱 nDSB信号的信号的特点特点l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。 l无载频分量，只有 上、下 边带。l带宽与AM的相同： l调制效率100，即功率利用率高。l主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。DSBAM

8、2HBBf 5.1.3 单边带调制（SSB）nSSBSSB信号的产生信号的产生（1 1）滤波法 技术难点之一技术难点之一原理原理 先形成先形成DSB信号，边带滤波即得信号，边带滤波即得上上或或下下边带信号。边带信号。要求：要求： 滤波器滤波器HSSB() 在载频处具有陡峭的截止特性。在载频处具有陡峭的截止特性。边带滤波特性边带滤波特性 HSSB() 11cossscoinsin22mccmmmtAtAtt cosmmm tAt设 coscosDSBmmcstAtt LSB1cos2mcmstAt 11cossin22ccttm tm t1cosc21os2mcmmcmAtAt（2 2）相移法

9、coscc tt载波USB + - - 10sgn10，传递函数传递函数( )( )sgn( )hMHjM m t希尔伯特变换 含义含义 Hh( ) 对 m(t) 的所有 频率分量精确相移 /2 技术难点之二技术难点之二 SSB11cossin22ccStm ttm tt下边带上边带 要求要求：nSSB信号的信号的特点特点l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。l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

10、为重要。l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 5.1.4 残留边带调制（VSB）介于介于SSB与与DSB之间的折中方案。之间的折中方案。nVSBVSB信号的产生信号的产生应该具有怎样的滤波特性 ？nVSBVSB信号的解调信号的解调 VSBDSB12ccSSMMHH应该具有怎样的滤波特性？ VSB2cospcststt VSBVSBpccSSS相乘 VSB12ccSMHM 1( )22122cccpcSMMHHMMLPF解调输出： d12ccHSMH若要若要无失真恢复无失真恢复 m(t)， VSB滤波器的传输函数必须

11、滤波器的传输函数必须满足：满足：在在载频载频处处 具有具有互补对称互补对称 特性特性()()ccHHH常数，含义：含义： d12ccHSMH ()()ccHHH常数，n残留边带滤波器的几何解释： nVSB信号的信号的特点特点l 仅仅比比SSB所需所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。l 应用：商业电视广播中的电视信号传输等。VSB2HHfBfn滤波法滤波法( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )()()( )2mccSMMH5.1.5 线性调制（幅度调制）的一般模型n相移法相移法( )( )h tH在在接收接收端端，如何从如何从已调信号

12、已调信号中恢复出中恢复出调制信号调制信号m(t)呢呢？解调的任务! 5.1.6 相干解调 与 包络检波n相干解调相干解调 适用适用：AM、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 n包络检波包络检波 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 n插入载波包络检波法插入载波包络检波法 适用适用： DSB、SSB或VSB等抑制载波的已调信号原理原理：将这些信号插入恢复载波，使之成为或近似 为AM信号，然后用包络检波器恢复出m(t)要求要求：Ad 很大，载波同步方法方法：发端/收端插入载波 n分析模型分析模型5.2

13、线性调制系统的抗噪声性能高斯白噪声高斯白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 /2BPF5.2.1 模型与指标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 n分析模型分析模型解调器解调器ooii/SNGSN2oo2oo( )( )Sm tNn t2ii2i

14、i( )( )SstNntn性能指标性能指标制度增益：制度增益：输出信噪比：输出信噪比：BPF5.2.2 DSB- -相干解调系统的抗噪声性能相干解调器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni DSB21cos1 cos22利用（）DSB2Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH 2i12Smt 2o14Sm

15、 ti0Nn Boi14NNoioi2SSNN即020cocs( )ostc ttsin22sincos利用 c000s2i0( ) cosco( )sin)co(ssn ttn tttn tt 相干解调将相干解调将 ni(t)中的中的正交分量正交分量抑制掉，抑制掉，从而使信噪比改善从而使信噪比改善1 1倍。倍。ooDSBii/2/SNGSNoioi2SSNN即sin22sincos利用原因原因正交分量正交分量 5.2.2 DSB -相干解调系统的抗噪声性能相干解调器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2

16、o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni 11cosis n22ccmm tttm tst 2o116Smto1( )4( )m tm t2i1( )4Sm t5.2.3 SSB SSB1Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH oioiSSNN即i0Nn BB=fH SSBDSBoN 2o116Smt2i1( )4Sm ti0Nn Boi14NNi14N 相干解调抑制正交相干解调抑制正交分量分量 11cosis n22ccmm tt

17、tm tstic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttooSSBii/1/SNGSNoioiSSNN即原因原因正交分量正交分量 SSB1GoioiSSNN即DSB2Goioi2SSNN即ooooDSBSSBSSNN 能否说：DSB系统的抗噪声性能 优于 SSB 系统呢？ 在相同的Si，n0， fH条件下： B=2fH B=fH i0Nn Bi0Nn B DSB和SSB的抗噪声性能相同。合成包络5.2.4 AM 包络检波系统的抗噪声性能 22022itSmAAM0( )( )coscstAm ttic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn tt0iNn B

18、icc0cscossinmAm tn tstn tn ttt cosctttE（1）大信噪比时 220cs( )( )( )Am tn ttn tE隔掉220cs( )( )( )Am tn tn t 0cAmnE ttt omt on t 22oomtmSt 2oicnNNt2AM2202( )( )m tGAm t检波输出检波输出： 讨论：2AM2202( )( )m tGAm tl由于由于|m(t)|max A0 ，所以，所以GAM 1，即，即l100%调制，且调制，且 m(t) 为单频正弦时：为单频正弦时：l相干解调的相干解调的GAM 如同上式，但不受信噪比条件的限制。如同上式，但不受

19、信噪比条件的限制。oioiSSNN32AMG 小信噪比时，信号被扰乱成噪声，导致输出 信噪比急剧恶化门限效应门限效应。 22csntRntt arctansctntnt（2）小信噪比时220( )( )( )csAm tn tn t cosER ttm ttA 220cs( )( )( )Am tn ttn tE 可见：原因原因：包络检波器 的非线性解调作用。u大大信噪比时信噪比时：u小小信噪比时信噪比时：门限效应门限效应AM-包络检波包络检波系统的抗噪声性能：系统的抗噪声性能：2AM2202( )( )m tGAm t32AMG100% 单音正弦归纳归纳 BPF解调器相干解调相干解调包络检波

20、包络检波SSB1GDSB2G2AM2202( )( )m tGAm tB=2fH f0=fcB= fH f0=fcfH /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：DSBSSBVSBAM抑制正交分量相干解调相干解调小结小结 5.3 非线性调制（角度调制）原理n概述概述l角度调制：FM和PM的总称。l载波的幅度恒定，而频率或相位受调制。l属于非线性调制。l抗噪声性能优于幅度调制优势。5.3.1 角度调制的基本概念 n1 角调信号一般表达式角调信号一般表达式( )cos( )mcstAtt载波的恒定振幅载波的恒定振幅 ct + (t) 已已调信号的瞬时相位调信号的瞬时相位 相对于相对于

21、 ct的的瞬时相位偏移瞬时相位偏移 c +d (t)/dt 已已调信号的瞬时调信号的瞬时角频率角频率 相对于相对于 c的的瞬时角频偏瞬时角频偏 Kf =rad/(sV)Kp=rad/V( )cos( )mcstAttPM( )cos( )pcstAKtm tPM：FM：角调信号：( )( )pKtm t( )( )fdtm tdtKFM( )( )coscfstAdtKm n2 PM与与 FM的关系的关系l PM 是 相位偏移 随 m(t) 作 线性 变化；l FM 是 相位偏移 随 m(t) 的积分作 线性 变化。若预先不知m(t)形式，能否判断已调信号是PM还是FM信号?( )( )fdt

22、m tdtKFM( )( )coscfstAdtKm( )( )ftmdK max(0.56fKm t dt或）则为否则若最大瞬时相位偏移满足：5.3.3 宽带 调频 fmfmmmK Afmf最大相位偏移最大相位偏移n1 单音调频单音调频 FM 调频指数调频指数( )cosmmm tAt cossinfmmfmmmtK At dtK Atsinfmmt cosmmfdtAKtdt最大角频偏 2mmffmK A2fmfm fFM( )cossinfcmstAtmt单音调频信号单音调频信号：， 则 设n2 FM信号的频谱与带宽信号的频谱与带宽 FMcossincfmstAtmt FM()cos()

23、ncmnfmJstAntFM( )()()()nfcmcmSAJmnn 第一类第一类 n 阶贝塞尔函数阶贝塞尔函数 是调频指数是调频指数 mf 的函数的函数傅里叶变换傅里叶变换级数展开级数展开讨论讨论l 载频分量c和无数多对边频和无数多对边频cnm（分布在（分布在c两两侧）；侧）； l 边频幅度边频幅度 A AJn(mf) 随着随着 n 的增大而逐渐减小；的增大而逐渐减小；l 工程上工程上，保留上、下边频分量共有保留上、下边频分量共有 2n=2(mf+1)个；相邻个；相邻边频之间的频率间隔为边频之间的频率间隔为 fm，所以，所以FM带宽近似为带宽近似为：FM2(1)2()fmmBmfff FM

24、12fmBmf时：FM12fBfm 时：窄带调频宽带调频 FM频谱和传输带宽：对于多音或任意带限调制信号时的FM信号： 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：推广推广：调制信号的最高频率FM2(1)2()fmmBmfff 例如例如：FM2(5 1) 152(75 15)180 kHzBn3 FM信号的功率分配信号的功率分配 FFM2MsPt22()2nfnAJm22cPA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=1n4 FM的特点的特

25、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。l包络恒定；l频偏随调制信号m(t)作线性变化；l相偏随消息信号m(t)的积分作线性变化；l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。5.3.4 调频信号的产生与解调n1 调频信号的产生调频信号的产生 1)1)直接法直接法原理原理：调制电压控制振荡器的频率： 0iftK m t优点优点：电路简单、可获得较大的频偏；缺点缺点：频率稳定度不高，可采用PLL调频器进行改进。2)2)

26、间接法间接法原理原理：积分 调相(NBFM) n次倍频 WBFM优点优点：频率稳定度好；缺点缺点：需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。n2 调频信号的解调调频信号的解调 1)1)非相干解调非相干解调2)2)相干解调相干解调和：完成频率电压的转换，即：FM( )cos( )cfstAtKmdo( )( )fm tK m t鉴频器鉴频器一种振幅鉴频器微分器微分器：把幅度恒定的把幅度恒定的包络检波器：检出包络检波器：检出包络包络并滤去直流并滤去直流，原理原理：( )( )sin)(ccffds tAtdK m tKm )()(otmKKtmfd幅/频都随m(t)变化经经LPF即即得解调输出得解调输出

27、FM( )cos( )cfstAtKmd5.4 调频系统的抗噪声性能模型和方法与线性调制系统相似。解-鉴频器：单音调制时FM2(1)2()fmmBmfff 2FM3(1)ffGmm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。门限效应门限效应mf 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5.5 各种模拟调制系统的比较AMDSBSSB VSBFM2mfmfmf略大于2mf21fmmf2/3231ffmm 0imSn f0imSn f013imSn f2032ifmSmn f21SSB近似SSB近似简单简单中等中等中等中等复杂复杂复杂复杂：1）抗噪声性能：FM最好