第3章模拟调制系统

1、 3.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比 3.3 非线性调制原理非线性调制原理 3.4 非线性调制抗噪声性能非线性调制抗噪声性能 3.5 角度调制的接收角度调制的接收3.6 预加重和去加重技术预加重和去加重技术第第 3 3 章章 模拟调制系统模拟调制系统第3章 模拟调制系统2学习目标：学习目标：v 线性模拟调制的原理及抗噪声性能线性模拟调制的原理及抗噪声性能v 非线性模拟调制的原理及抗噪声性能非线性模拟调制的原理及抗噪声性能v 预加重与去加重技术预加重与去加重技术要点：要点：掌握线性调制的原理及系统的抗噪声性能、掌握线性调制的原理及系

2、统的抗噪声性能、掌握非线性调制的原理掌握非线性调制的原理; ;了解非线性调制系统抗噪声了解非线性调制系统抗噪声性能及预加重与去加重技术。性能及预加重与去加重技术。学习目标及要点学习目标及要点第3章 模拟调制系统33.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.1 调制的概念调制的概念 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？什么是调制呢？我们先看看下面的例子。第3章 模拟调制系统43.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调话 筒扩 音 机扬 声 器 3.1.1 调制的概念调

3、制的概念图21 扩音示意图 )(105 . 11020103438mfc第3章 模拟调制系统53.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.1 调制的概念调制的概念n调制过程让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程，称为调制。 原始（基带）信号较低频率分量，不宜无线传输。 载体（波）运载基带信号的载体。 参数（或特征值）载波的随基带信号变化的参数。第3章 模拟调制系统63.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.1 调制的概念调制的概念n调制的本质： 基带信号转化为适合信道传输的频带信号； 信道多路复用，提高信道利用率； 增强抗干扰能力；n调

4、制（载体）方式： 形式：模拟；数字 载波选择：正弦波连续调制 脉冲波脉冲调制第3章 模拟调制系统73.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.2 振幅调制的基本原理振幅调制的基本原理幅度调制器的一般摸型时域，频域特征AM；DSB；SSB；VSB的形成及解调机理和噪声分析着重对分析方法的认识第3章 模拟调制系统83.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调)(tU) (tU 3.1.3 普通调幅波的数学表达式及其频谱普通调幅波的数学表达式及其频谱q令h(t) = (t) ，调制信号 叠加直流 后与载波相乘，就可形成标准调幅(AM)信号。 载波的振幅受 控制，已调波的包络按照 的

5、规律线性变化。)(tUcmU第3章 模拟调制系统93.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.3 普通调幅波的数学表达式及其频谱普通调幅波的数学表达式及其频谱n单频信号调制 当调制信号为单一频率的余弦波时，其数学表达式为：则：其中： 称为调幅系数FtUtUtumm2coscos)()cos()cos1 ()cos()()(ccacmccacmAMttmUttukUtucmmaaUUkm第3章 模拟调制系统103.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.3 普通调幅波的数学表达式及其频谱普通调幅波的数学表达式及其频谱n多频率分量信号的调制 为分析简单，令ka=1， ，

6、调制信号为f(t)，其频谱为F()则调幅信号的时域表达式为：由傅里叶变换关系得到以下傅里叶变换对： f(t) F()0c)cos()()(ttfUtuccmAM第3章 模拟调制系统113.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.3 普通调幅波的数学表达式及其频谱普通调幅波的数学表达式及其频谱n多频率分量信号的调制 所以 的频域表达式为：)()(21cos)()()(cosccccccmccmFFttfUtU)(tuAM)()(21)()()(cccccmAMFFUS第3章 模拟调制系统123.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调第3章 模拟调制系统13n当满足条件|f(t

7、)|maxUcm 时，AM信号的包络与调制信号成正比，所以用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号，否则，将会出现过调幅现象而产生包络失真。这时不能用包络检波器进行解调，因基带信号被噪声扰乱这种现象叫“门限效应”；为保证无失真解调，可以采用同步检波器。AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽fH的两倍，即BAM=2fH。HHcHcLHAMfffffffB2)()(3.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调第3章 模拟调制系统143.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.3 普通调幅波的数学表达式及其频谱普通调幅波的数学表达式及其频谱n调幅波的功率 AM信号

8、平均功率应等于uAM(t)的均方值。当f(t)为确知信号时，uAM(t)的均方值即为其平方的时间平均，假设调制信号f(t)不含直流分量，则可得： ttfUttftUtupccmcccmAMAM222222cos)(2cos)(cos)(fccmAMAMPPtfUtup2)(2)(222载波功率边带功率第3章 模拟调制系统153.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调)()(222tfUtfPPcmAMmAM 3.1.3 普通调幅波的数学表达式及其频谱普通调幅波的数学表达式及其频谱第3章 模拟调制系统163.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.4 双边带调制（双边带调制（

9、DSB）q 基本思想：抑制不携带信息的载波分量的功率，将有效基本思想：抑制不携带信息的载波分量的功率，将有效功率用于边带传输，从而提高调制效率。功率用于边带传输，从而提高调制效率。q DSB的时域、频域及功率的时域、频域及功率q 令直流信号的令直流信号的Ucm=0 ，得到，得到DSB调制信号的时域和频域描调制信号的时域和频域描述述q DSB的全部功率包含在边带上，即的全部功率包含在边带上，即21( )2DSBfPPftq DSB的调制效率的调制效率1DSB第3章 模拟调制系统173.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.4 双边带调制（双边带调制（DSB）2. DSB调幅波的产

10、生及频谱分析调幅波的产生及频谱分析图23 抑制载波的双边带调幅模型图 f (t)sDSB(t)cosct第3章 模拟调制系统183.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调第3章 模拟调制系统193.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.4 双边带调制（双边带调制（DSB）q DSB的波形及其频谱的波形及其频谱q 由由DSB的时间波形可知，的时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调（同步检波）。另外，在调制信制信号，需采用相干

11、解调（同步检波）。另外，在调制信号号 f(t) 的过零点处，高频载波相位有的过零点处，高频载波相位有180的突变。的突变。q 由频谱图可知，由频谱图可知，DSB信号虽然节省了载波功率，功率利用信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍。率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍。 DSB 信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此只需要传输其中一个边带即可。调制信号的全部信息，因此只需要传输其中一个边带即可。第3章 模拟调制系统203.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调

12、3.1.5 单边带调制（单边带调制（SSB）q 基本思想：只传送两个基本思想：只传送两个USB或两个或两个LSB，节省一半带宽，节省一半带宽，从而提高了信道利用率。同时也更节省了功率。从而提高了信道利用率。同时也更节省了功率。1. SSB的频谱的频谱2. 单边带信号的产生单边带信号的产生q 滤波法产生单边带信号滤波法产生单边带信号 ： 产生产生SSB信号最直观的方法是让信号最直观的方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。滤除不要的边带。 第3章 模拟调制系统213.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解

13、调第3章 模拟调制系统223.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.5 单边带调制（单边带调制（SSB）第3章 模拟调制系统233.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.5 单边带调制（单边带调制（SSB）q Hd ( )是边带滤波器的传输函数，以是边带滤波器的传输函数，以 c为边界，若具有严格为边界，若具有严格的高通特性，则可滤除下边带，保留上边带。反过来则可的高通特性，则可滤除下边带，保留上边带。反过来则可滤除上边带，保留下边带。滤除上边带，保留下边带。q 用滤波法形成用滤波法形成SSB信号的技术难点是，若调制信号都具有信号的技术难点是，若调制信号都具有丰富

14、的低频成分，经调制后得到的丰富的低频成分，经调制后得到的DSB信号的上、下边带信号的上、下边带之间的间隔很窄，这要求单边带滤波器在之间的间隔很窄，这要求单边带滤波器在 f0 附近具有陡峭附近具有陡峭的截止特性，这使滤波器的设计和制作变得困难。的截止特性，这使滤波器的设计和制作变得困难。其已调信号表达式其已调信号表达式第3章 模拟调制系统243.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调ttttftsccUSBfsin)(21cos)(21)( 3.1.5 单边带调制（单边带调制（SSB）3. 单边带信号的表达式单边带信号的表达式ttttftsccLSBfsin)(21cos)(21)(q 单

15、边带调制下边带时域表达式为：单边带调制下边带时域表达式为：q 上边带信号的表达式：上边带信号的表达式：第3章 模拟调制系统253.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.6 残留边带调制（残留边带调制（VSB）1. VSB的频谱的频谱q 残留边带调制是介于残留边带调制是介于SSB与与DSB之间的一种调制方式，它既之间的一种调制方式，它既克服了克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现信号实现上的难题。在上的难题。在VSB中，不是完全抑制一个边带（如同中，不是完全抑制一个边带（如同SSB中中那样），而是逐渐切割，使其残留那样），而是逐渐切

16、割，使其残留小部分，如图所示。小部分，如图所示。 第3章 模拟调制系统263.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.6 残留边带调制（残留边带调制（VSB）2. VSB信号的产生信号的产生q 用滤波法实现残留边带调制的原理如图所示。图中用滤波法实现残留边带调制的原理如图所示。图中,滤波器滤波器的特性的特性HVSB( )应按残留边带调制的要求来进行设计。应按残留边带调制的要求来进行设计。 第3章 模拟调制系统273.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.6 残留边带调制（残留边带调制（VSB）2. VSB信号的产生信号的产生q 残留边带信号必须使用相干解调。残留边

17、带信号必须使用相干解调。第3章 模拟调制系统283.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.6 残留边带调制（残留边带调制（VSB）2. VSB滤波器的特性滤波器的特性q 为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信f(t)F( ) ，要求要求VSB滤波器传输特性滤波器传输特性HVSB( )必须遵循条件：必须遵循条件： HVSB( + c) + HVSB( c) = 常数。常数。q 满足上述条件的满足上述条件的HVSB ( ) 的可能形式有两种：低通滤波器形的可能形式有两种：低通滤波器形式和带通（或高通）滤波器形式。式和带通（或高通）滤波器形式

18、。第3章 模拟调制系统293.1 线性系统的调制与解调线性系统的调制与解调 3.1.7 解调解调q 信号解调的目的信号解调的目的q 信号解调的方法：相干解调和非相干解调信号解调的方法：相干解调和非相干解调第3章 模拟调制系统303.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比 首先解调方框图，如下：首先解调方框图，如下： 图中Sm(t)为已调信号，n(t)为加性高斯白噪声。 Sm(t)和n(t)首先经过一带通滤波器，通过全部有用信号，滤除带外的噪声。经过带通滤波器后到达解调器输入端的信号为Sm(t) 、噪声为高斯窄带噪声ni(t) ，显然解调器输入端的噪声带宽与已调信号的带宽是相同的。最后经解

19、调器解调输出的有用信号为mo(t)，噪声为no(t)。第3章 模拟调制系统31高斯窄带噪声 可表示为： 其中，高斯窄带噪声 的同相分量 和正交分量都是高斯变量，它们的均值都为0，平均功率都相同，即式中 ， 为解调器的输入 噪声功率。 若高斯白噪声的单边功率谱密度为 ，带通滤波器的传输特性是高度为1、带宽为B的理想矩形函数，其传输特性为： tni)()()(222tntntnNiQiIii tni tniI tniQ tnittnttntnciQciIisin)(cos)()(0nBnNi03.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比iN第3章 模拟调制系统323.2 线性调制系统的信噪比线

20、性调制系统的信噪比解调器输入端噪声功率解调器输入端信号功率iiNS解调器输出端噪声功率解调器输出端信号功率00NS 噪声只对通信系统的接收端产生影响，所以调制系统的抗噪声性能，主要由解调器的抗噪声性能来衡量。对于抗噪声性能通过信噪比及信噪比增益来衡量。iiNSNSG00第3章 模拟调制系统333.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比 3.2.1 双边带调制系统相干解调的抗噪声性能双边带调制系统相干解调的抗噪声性能q 解调器输入端的信噪比解调器输入端的信噪比q 线性调制系统相关解调方框图线性调制系统相关解调方框图第3章 模拟调制系统343.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比)(

21、212cos)(21)(21cos)()(222222tmttmtmttmtSSccDSBiDSBmiiBnfntnN0022)(20n 3.2.1 双边带调制系统相干解调的抗噪声性能双边带调制系统相干解调的抗噪声性能q 解调器输入端的信噪比解调器输入端的信噪比解调器输入端的DSB信号的平均功率信号为：解调器输入端的噪声为窄带高斯白噪声，双边功率谱密度为 。所以解调器输入端的噪声平均功率 为 ：iN第3章 模拟调制系统353.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比mmiifntmfntmNS02024)(2)(21 3.2.1 双边带调制系统相干解调的抗噪声性能双边带调制系统相干解调的抗

22、噪声性能q 解调器输入端的信噪比解调器输入端的信噪比则进一步得到信噪比为：q 解调器输出端的信噪比解调器输出端的信噪比先写出输出端信号的表达式： tttnttntmtttnttnttmttntScciQciIcciQciIcciDSBcossin)(cos)()(cossin)(cos)(coscos2第3章 模拟调制系统363.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比)(21)(21)()(00tntmtntSiI )(4121)(22200tmtmtss 3.2.1 双边带调制系统相干解调的抗噪声性能双边带调制系统相干解调的抗噪声性能通过相干解调，然后通过低通滤波器其表达式为：q 解调

23、器输出端的信噪比解调器输出端的信噪比解调器输出端的信号与噪声的平均功率分别为：)(41)(2200tntnNiI第3章 模拟调制系统373.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比)()()(222tntntnNiQiIiimiifnNtnN0202141)(41mmDSBfntmfntmNs0202002)(21)(41 3.2.1 双边带调制系统相干解调的抗噪声性能双边带调制系统相干解调的抗噪声性能因为q 解调器输出端的信噪比解调器输出端的信噪比故输出端的信噪比为：q 解调器的信噪比增益解调器的信噪比增益22)(4)(020200mmiiDSBfntmfntmNSNSG第3章 模拟调制

24、系统383.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比 3.2.2 单边带调制系统相干解调的抗噪声性能单边带调制系统相干解调的抗噪声性能q 解调器输入端的信噪比解调器输入端的信噪比解调器输入端的SSB信号的平均功率信号为：ttmttmtSccSSBsin)(cos)(21)(符号“-”表示上边带，符号“+”表示下边带。)(41sin)(cos)(41)(222tmttmttmtssccssBi第3章 模拟调制系统393.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比mssBifnBnN00 3.2.2 单边带调制系统相干解调的抗噪声性能单边带调制系统相干解调的抗噪声性能q 解调器输入端的信噪比

25、解调器输入端的信噪比则解调器输入端的信噪比为：SSB信号解调器输入端的噪声平均功率为:miifntmNs024)(第3章 模拟调制系统403.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比ttnttnttmttmtntSciQciIcciSSBsin)(cos)(sin)(cos)(21)()( 3.2.2 单边带调制系统相干解调的抗噪声性能单边带调制系统相干解调的抗噪声性能q 解调器输出端的信噪比解调器输出端的信噪比SSB信号加上噪声的表达式：通过乘法器及低通滤波器后，恢复的调制信号和噪声为：)(21)(41)()(00tntmtntsiI第3章 模拟调制系统413.2 线性调制系统的信噪比线

26、性调制系统的信噪比miIfntnN02041)(41)(161)(41)(22200tmtmtss 3.2.2 单边带调制系统相干解调的抗噪声性能单边带调制系统相干解调的抗噪声性能q 解调器输出端的信噪比解调器输出端的信噪比输出端的信号平均功率为：输出端噪声平均功率：解调器输出信噪比为：mmfntmfntmNS0202004)(41)(161第3章 模拟调制系统423.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比 3.2.2 单边带调制系统相干解调的抗噪声性能单边带调制系统相干解调的抗噪声性能q SSB调制增益调制增益注意：虽然DSB是SSB调制增益的2倍，但是DSB信号的传输带宽是单边带的2

27、倍，所以DSB与SSB调制的抗噪声性能是一样的。14)(4)(0202mmfntmfntmG第3章 模拟调制系统43n设某信道具有均匀的双边噪声功率谱度 在该信道中传输抑制载波的双边带信号，并设调制信号的频带限制在5KHz，而载波为100KHz，已调信号的功率为10KW，若接收机的输入信号在加至解调器之前，先经过一个带宽为10KHz的理想带通滤波器滤波，试问：n(1）该理想带通滤波器中心频率为多大？n(2) 解调器输入端的信噪功率比为多少？n(3) 调器输出端的信噪功率比为多少？n(4）求出解调器输出端的噪声功率谱密度？3.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比3105 . 0)(fPn

28、第3章 模拟调制系统443.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比 3.2.3 AM调制系统非相干解调的抗噪声性能调制系统非相干解调的抗噪声性能q 解调器输入端的信噪比解调器输入端的信噪比q 包络检波法解调方框图包络检波法解调方框图第3章 模拟调制系统453.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比)(2121cos)()(2202202tmAttmAtSScAMiBnNi0 3.2.3 AM调制系统非相干解调的抗噪声性能调制系统非相干解调的抗噪声性能q 解调器输入端的信噪比解调器输入端的信噪比包络检波器输入有用信号为：ttmAtscicos)()(0输入端的信号平均功率：噪声功率为

29、：解调器输入端的信噪比为：BntmABntmANsAMii022002202)(2/)(第3章 模拟调制系统463.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比 3.2.3 AM调制系统非相干解调的抗噪声性能调制系统非相干解调的抗噪声性能q 解调器输出端的信噪比解调器输出端的信噪比包络检波器输入有用信号和噪声之和为：则其中包络A(t)为：信号通过包络检波器，其目的是恢复输入信号的包络。)(cos)(sin)(cos)()(sin)(cos)(cos)()()(00tttAttnttntmAttnttnttmAtntScciQciIciQciIciAM)()()(220tnntmAtAiQiI第

30、3章 模拟调制系统473.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比 3.2.3 AM调制系统非相干解调的抗噪声性能调制系统非相干解调的抗噪声性能q 解调器输出端的信噪比解调器输出端的信噪比1、大信噪比情况则其输出包络A(t)为：则检波器输出的信号功率和噪声功率分别为：)()(0tntmAiiIntmAtA)()(0条件：)(20tmS BntnNiI020)(第3章 模拟调制系统483.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比 3.2.3 AM调制系统非相干解调的抗噪声性能调制系统非相干解调的抗噪声性能q 解调器输出端的信噪比解调器输出端的信噪比1、大信噪比情况对于AM非线性解调系统信噪比增益：进一步得到包络检波器输出的信噪比为：BntmNsAM0200)()()(2220200tmAtmNSNSGii第3章 模拟调制系统493.2 线性调制系统的信噪比线性调制系统的信噪比 3.2.3 AM调制系统非相干解调的抗噪声性能调制系统非相干解调的抗噪声性能q 解调器输出端的信噪比解调器输出端的信噪比2、小信噪比情况则其输出包络A(t)为： 由于输出不包含单独的信号项，故包络检波器会把有用信号扰乱成噪声。)()(0tntmAi)()()()()()()(22022tntntntmAtntnt