第三章 调幅系统

1、1 第三章 调幅系统2引言引言3.1 标准调幅（标准调幅（AM）3.2 抑制载波双边带调幅（抑制载波双边带调幅（DSB）3.3 单边带调幅（单边带调幅（SSB）3.4 残留边带调幅（残留边带调幅（VSB）3.5 调幅信号的相干解调调幅信号的相干解调3.6 调幅信号的非相干解调调幅信号的非相干解调3.7 各种调幅信号相干解调的噪声性能各种调幅信号相干解调的噪声性能3.8 AM系统包检波器的噪声性能系统包检波器的噪声性能3.9 各种调幅系统的比较各种调幅系统的比较3.10 小结小结3n定义：用定义：用调制信号调制信号( (基带信号基带信号) )的变化规律去控制的变化规律去控制载波的载波的某个参数某

2、个参数，使这个参数按照信号的规律变化。，使这个参数按照信号的规律变化。n调制过程对通信系统至关重要，主要目的主要有调制过程对通信系统至关重要，主要目的主要有: : 提高频率以便辐射提高频率以便辐射; ; 实现信道复用；实现信道复用； 引言引言AMAM，FMFM，PMPMASKASK，FSKFSK，PSKPSK，QAMQAMPAMPAM，PDMPDM，PPMPPMPCM/DPCM/ADPCMPCM/DPCM/ADPCM4连续波已调信号连续波已调信号本章主要介绍连续波本章主要介绍连续波(CW)(CW)模拟调制系统，其中包括：模拟调制系统，其中包括： 调幅调幅( (线性线性) )：调制信号调制信号(

3、 (基带信号基带信号) )频谱的线性搬移过频谱的线性搬移过 程。程。 AM,DSB,SSB,VSBAM,DSB,SSB,VSB 调角调角( (非线性非线性) )：调制信号频谱与已调信号频谱间无线性对调制信号频谱与已调信号频谱间无线性对应关系。应关系。 FMFM、PMPM53.13.1标准幅度标准幅度(AM)(AM)标准调幅标准调幅用信号用信号m(t)去控制载波去控制载波C(t)的振幅，使已调信号包络按照的振幅，使已调信号包络按照f(t)的规律线性变化的过程的规律线性变化的过程1 1、调幅波的产生、调幅波的产生+*实际调幅器可用二极管、晶体管等任何非线性器件都可以充当乘法实际调幅器可用二极管、晶

4、体管等任何非线性器件都可以充当乘法器作用器作用, ,而其上加一定的直流偏置便可实现加法器功能而其上加一定的直流偏置便可实现加法器功能AM数学模型数学模型A0m(t)cos(ct)( )mst6 00coscoscos AMcccsAm ttAtm ttDSB载波项双边带信号 m ttt AMsttcosct0m AMst 中的各项波形图t0m m t 0ftAm t2、波形及其频谱、波形及其频谱 0maxAM( )Am tm t当满足时，波包络与形状完全一样7000AM00()()0( ),( )cos()( )( )cos()( )2j w tj w ttC tw tstAm tw teeA

5、m t设调制信号m载波为则已调信号可表示为： 012AMccccSAMM jttccccsincosF类似地： cosFcosFtmtmcc 00 ctjFetfFtfc , 注意：注意：8讨论：讨论：1、频率成分包含载频分量、上、频率成分包含载频分量、上边带和下边带分量，若设调制边带和下边带分量，若设调制信号信号f(t)的消息带宽为的消息带宽为Wm,则调则调制后带宽：制后带宽：BAM=2Wm2、不失真调幅的条件：、不失真调幅的条件：第一第一,必须满足必须满足 0Wm;第二第二,|m(t)|maxA0 以保证调以保证调制后载波相位不会改变制后载波相位不会改变,否则会否则会出现过调制，包洛失真出

6、现过调制，包洛失真3、调制指数、调制指数:又叫调制度，又叫调制度，AM= |m(t)|max / A0，避免过调，避免过调失真，失真， AM=19例：单频调制例：单频调制AMAM103 3、AMAM的功率分布和效率的功率分布和效率 2例：试用峰例：试用峰峰值为峰值为2Am且不含且不含直流分量的方波对振幅为直流分量的方波对振幅为A0的载波进行标准调幅。试求的载波进行标准调幅。试求已调波的功率和效率。已调波的功率和效率。20202_2)(1)(2)(21AAAAAtfPmmmf11例：单频调制AM的效率在各种调制信号中，调制效率最高的是在各种调制信号中，调制效率最高的是100%调制时的方波，为调制

7、时的方波，为50，标准调幅最大缺点，效率低，标准调幅最大缺点，效率低12 3.23.2抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制(DSB)1、波形及其频谱、波形及其频谱 ttmtscDSBcos ccDSBMMS2113$m(t)m(t)改变符号的时刻改变符号的时刻, ,载波相位出现倒相点载波相位出现倒相点, ,包络不再与包络不再与m(t)m(t)的形的形状相同，而按状相同，而按|m(t)|m(t)|的规律变化的规律变化, ,信息包含在振幅和相位两者之中信息包含在振幅和相位两者之中. .$DSBDSB和和AMAM频谱的区别仅在于前者频谱中不含载波分量频谱的区别仅在于前者频谱中不含载波分量. .$带宽

8、与带宽与AMAM一样一样2W2WM M142 2、DSBDSB产生产生DSBDSB的实现的实现: :在标准调幅波中令在标准调幅波中令A0=0 A0=0 ，实际常采用简单稳，实际常采用简单稳定定, ,平衡性好，可很好抑制载波信号的平衡性好，可很好抑制载波信号的平衡调制器平衡调制器.DSBDSB解调解调: :必须用相干解调必须用相干解调. .区别于区别于AM,AM,不可用包络检波器进行不可用包络检波器进行非相干解调，倒相点的存在使得已调波的包络不再与非相干解调，倒相点的存在使得已调波的包络不再与m(t)m(t)形形状相同状相同.m(t)m(t)153.33.3单边带调幅（单边带调幅（SSB)SSB

9、)单边带调幅单边带调幅(SSB)(SSB)在在AMAM或或DSBDSB中中, , 0 0处出现了两个与处出现了两个与F()F()形状完全相同的频谱形状完全相同的频谱, ,但任但任何物理可实现信号其频谱都是何物理可实现信号其频谱都是的偶函数的偶函数, ,因此不可能做到只传送其因此不可能做到只传送其中一个频谱中一个频谱. .以以 0 0为中心的频谱分成为中心的频谱分成USBUSB和和LSBLSB两部分后两部分后, ,我们可以只传送我们可以只传送USBUSB或或LSB,LSB,它们均为它们均为的偶函数的偶函数, ,且包含了且包含了F()F()的全部信息的全部信息. .SSBSSB带宽比带宽比AMAM

10、或或DSBDSB减小了一倍减小了一倍. .提高了信道的利用率提高了信道的利用率而不发送载波只发送一个边带而不发送载波只发送一个边带, ,可以更节省功率可以更节省功率1、单边带信号的频谱图、单边带信号的频谱图162 2、滤波法形成单边带信号、滤波法形成单边带信号( (从频域概念出发从频域概念出发) )滤波法的概念滤波法的概念: :在双边带调制后接上一个边带滤波器在双边带调制后接上一个边带滤波器, ,让有用边带让有用边带通过而抑制掉无用边带通过而抑制掉无用边带. .滤波器可用高通滤波器可用高通( (产生产生USB)USB)或低通滤波器或低通滤波器( (产产生生LSB).LSB).滤波法实现滤波法实

11、现SSBSSB的数学模型如图的数学模型如图. .() f(t)SSB(t)cos(0t)缺点缺点：要求在：要求在0 0处有锐截止特性处有锐截止特性, ,实际滤波器难易程度与过渡带相对载实际滤波器难易程度与过渡带相对载频的归一化值有关。解决办法是采用多级频率搬移频的归一化值有关。解决办法是采用多级频率搬移, ,即在低载频上形成单即在低载频上形成单边带信号边带信号, ,然后通过变频将频谱搬移到更高的载频然后通过变频将频谱搬移到更高的载频. .1()2()cos (1t)cos(2t)f(t)17 HSSDSBLSB sincossinsin22cos2sin112sin2cos12sinsin22

12、LSBDSBcDSBccccccccccStSth ttSh tdmtmttdtmmtddttmtdttm tm tt coscos2211sinsinsin2coscos22211cossin22ccccccccctm ttm ttm tttttm ttm tt下边带频域下边带频域下边带时域下边带时域18 ttmttmtSccuSBsincos2121同理得上边带同理得上边带SSB信号时域表示式信号时域表示式上、下边带的上、下边带的SSB信号时域表示信号时域表示 ttmttmtSccSSBsincos2121 12 m t 12m t 12sincm tt 12coscm tt SSBSt2

13、 HHcosctSSB信号可节省载波发射功率，频带宽度只有双边带的一半，即频带利用率提高一倍193.4 3.4 残留边带调制残留边带调制残留边带调幅残留边带调幅(VSB)(VSB)1 1、频谱、频谱f(t)f(t)的频谱有丰富的低频成份时的频谱有丰富的低频成份时, ,不宜采用不宜采用SSBSSB. .在在VSBVSB中中, ,不是对一个边带不是对一个边带完全抑制完全抑制, ,而是使它逐渐截止而是使它逐渐截止. .截止特性使传输边带在载频附近被抑制的部截止特性使传输边带在载频附近被抑制的部分被不需要边带的残留部分精确补偿。分被不需要边带的残留部分精确补偿。202 2、虑波法产生、虑波法产生VSB

14、VSB信号信号残留边带滤波器残留边带滤波器: :频率特性在频率特性在|0|0|附近具有滚降特性附近具有滚降特性, ,且要求这段具有互补且要求这段具有互补对称性对称性, ,如图如图, ,这将意味着将这将意味着将|H|HV V()|()|分别移动分别移动-0-0和和+0+0后所得后所得H HV V( 0)0)相加后在零频附近恒为常数相加后在零频附近恒为常数.在在|Wm范围内有范围内有: HV(-0)+ HV(+0)=const=221VSBVSB的频谱表达式的频谱表达式优点优点: : (1) (1)在节省带宽方面几乎与单边带系统相同，并有在节省带宽方面几乎与单边带系统相同，并有 双边带所具有的良好

15、低频基带特性双边带所具有的良好低频基带特性 (2)VSB(2)VSB滤波器比滤波器比SSB SSB 锐截止特性滤波器易于制作锐截止特性滤波器易于制作对于电视信号以及要求有良好相位特性的信号或低频分量的传输很重要的对于电视信号以及要求有良好相位特性的信号或低频分量的传输很重要的信号，采用信号，采用VSB VSB 是一种标准的方法是一种标准的方法。22 3.5 3.5调幅信号的相干解调调幅信号的相干解调解调解调: :也是一个频谱搬移过程，在接收端恢复信号的时候也是一个频谱搬移过程，在接收端恢复信号的时候, ,从已调信号的频谱中从已调信号的频谱中, ,将位于载频的信号频谱从载频位置将位于载频的信号频

16、谱从载频位置再搬回低频再搬回低频. .解调几种主要方法解调几种主要方法: : 相干解调相干解调:AM,DSB,SSB:AM,DSB,SSB以及以及VSBVSB都适用都适用. . 非相干解调非相干解调: :标准调幅信号标准调幅信号AMAM以及具有大载波的以及具有大载波的DSBDSB、SSBSSB、VSBVSB信号适用信号适用. . 23调幅信号的相干解调调幅信号的相干解调条件条件: :为不失真恢复信号为不失真恢复信号, ,本地载波和发送载波必须相位相干或同步本地载波和发送载波必须相位相干或同步, ,即要求本地载波和接收信号载波必须保持同频同相即要求本地载波和接收信号载波必须保持同频同相. .也叫

17、零拍检测也叫零拍检测相干解调数学模型如下图相干解调数学模型如下图cos(0t+)LPF(t)vd(t)Vp(t)241 1、AMAM和和DSBDSB信号的相干检测信号的相干检测25理想低通滤波器传输特理想低通滤波器传输特性性, ,它要求它要求: :截止频率等截止频率等于或大于最高调制频率于或大于最高调制频率Wm,Wm,但远小于载频但远小于载频00令令:Ao=0:Ao=0时，上述分析为时，上述分析为DSBDSB的结果的结果 262 2、SSBSSB信号的相干检测信号的相干检测1( )( )2dV tf t同步时同步时273 3、残留边带信号的解调、残留边带信号的解调输入信号为输入信号为VSB,在

18、频域分析比较方便。假设本地载波完全相干，由乘法在频域分析比较方便。假设本地载波完全相干，由乘法器输出信号器输出信号 的傅氏变换为的傅氏变换为)cos()()(0twttVVSBp)()(21)(00wwwwwVVSBVSBp将将)()()(21)(00wwFwwFwHwVVSB代入上式得：代入上式得：)2()()2()(41)()()(41)(000000wwFwwHwwFwwHwwHwwHwFwVvvvvp经过经过LPFLPF后，后，)()()(41)(00wwHwwHwFwVvvd在在|Wm|Wm范围内有范围内有: H: HV V(- -0 0)+ H)+ HV V(+ +0 0)=con

19、st=2)=const=2滤波器互补对称特性滤波器互补对称特性283.63.6调幅系统的非相干解调调幅系统的非相干解调291 1、AMAM信号的非相干解调信号的非相干解调包络检波器包络检波器30整流检波：整流检波：输出为输出为0w仅将已调信号整流，整流相当于将已仅将已调信号整流，整流相当于将已调信号和频率为调信号和频率为 的方波相乘。的方波相乘。包络检波是一个非线性系统，整流检包络检波是一个非线性系统，整流检波器是线性时变参量系统波器是线性时变参量系统条件条件 才可使用整流检波。这时调幅信号的才可使用整流检波。这时调幅信号的零交点周期性的位于载波的半周期点零交点周期性的位于载波的半周期点上，整

20、流才等效于与方波相乘。上，整流才等效于与方波相乘。312 2、具有大载波的、具有大载波的SSBSSB信号的非相干解调信号的非相干解调221 / 200( )( )( )( )( )A tAftftftarctgAftj=+-=+包络检波输出包络检波输出323.73.7各种调幅信号相干解调的噪声性能分析各种调幅信号相干解调的噪声性能分析 BPFBPF带宽是已调信号带宽，滤除信号带外噪声带宽是已调信号带宽，滤除信号带外噪声n(t)宽带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为宽带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为ni(t)窄带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为窄带白高斯噪声，均值为零，双边功率

21、谱密度为)sin()()cos()()(0000twtntwtntnsci33(1)首先计算解调器输入信号功率首先计算解调器输入信号功率输入信号平均功率可由信号的输入信号平均功率可由信号的均方值求得：均方值求得：(2)输入噪声功率输入噪声功率34(3)为了计算输出信号功率和噪声，认为解调过程是线性的为了计算输出信号功率和噪声，认为解调过程是线性的,满足叠加定理满足叠加定理在在 W Wm m和和n n0 0相同的情况下，相同的情况下，SSB,VSBSSB,VSB的的输入端信噪比为双边带时的输入端信噪比为双边带时的4 4倍倍_2)(tfP39 )()(41)(110ccPPp求噪声输出功率求噪声输

22、出功率35(4)36iS(5)(5)但是实际上在各种调制方法中，已调波的功率是不相同的，但是实际上在各种调制方法中，已调波的功率是不相同的，合理的方法是假设相同输入信号功率合理的方法是假设相同输入信号功率结论结论：在输入信号功率和：在输入信号功率和WmWm、n n0 0都相同的情况下，都相同的情况下，DSB,SSBDSB,SSB和和VSBVSB系统的噪声性能相同，系统的噪声性能相同，AMAM差差3dB3dB以上以上37信噪比增益：输出信噪比和输入信噪比的比值信噪比增益：输出信噪比和输入信噪比的比值注意注意：信噪比增益的改善只适用于同类调制系统，不同的解调器：信噪比增益的改善只适用于同类调制系统

23、，不同的解调器对输入信噪比的改善，而不能作为不同调制系统的抗噪声性能分析。对输入信噪比的改善，而不能作为不同调制系统的抗噪声性能分析。在给定输入信号功率下，在给定输入信号功率下，DSB和和SSB输出端的信噪比是相同的，从信输出端的信噪比是相同的，从信噪比改善观点看，噪比改善观点看，DSB,SSB性能是相同的。性能是相同的。383.8AM3.8AM系统包洛检波器的噪声性能分析系统包洛检波器的噪声性能分析输入信号为输入信号为输入信号功率输入信号功率输入噪声功率输入噪声功率输入信噪比输入信噪比与相干解调与相干解调相同相同39ni(t)窄带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为窄带白高斯噪声，均值为零

24、，双边功率谱密度为)sin()()cos()()(0000twtntwtntnsci)(cos)()sin()()cos()()()()(0000000ttwtAwtntwtntfAtntscii2/1220)()()()(tntntfAtAsc包络检波器输入信号之和包络检波器输入信号之和（* *）(1) (1) 大信噪比时大信噪比时)()()(220tntntfASC)()()()()()()(21)()(02/1202200tntfAtfAtntntfAtntfAtACSCC40iiCoNtntnN_2_2)()(_20)(tfS )2()()()()(0220_2_20miiAMoWnS

25、tfAtfNtfNS输出信号功率输出信号功率输出噪声功率输出噪声功率输出信噪比输出信噪比信噪比增益信噪比增益(2)(2)小信噪比时小信噪比时)()()(220tntntfASC与相干解调与相干解调相同相同41（* *）式可以化为）式可以化为)()()()()()()()()()()()()(21)()()(22220222/ 102222tntntftntntntnAtntntfAtntntntntntASCCSCCSCSCCSC门限效应：门限效应：输出信噪比与输入信噪比不成正比输出信噪比与输入信噪比不成正比423.9各种调幅系统的比较各种调幅系统的比较1 1、标准调幅、标准调幅(AM) (AM) 优点：优点：( (1)接收系统简单接收系统简单(2)(2)大功率信号的调幅信号容易产生大功率信号的调幅信号容易产生缺点：缺点： 载波本身不携带信息，却占据了一半以上的功率，载波本身不携带信息，却占据了一半以上的功率， 带宽比较宽，带宽比较宽，抗选择性衰落