第4章模拟调制系统

1、第第4 4章章 模拟调制系统模拟调制系统线性调制线性调制4.14.1非线性调制非线性调制4.24.2调制就是使载波的某个参量随基带信调制就是使载波的某个参量随基带信号的规律变化。号的规律变化。与调制相对应，在通信系统的接收端与调制相对应，在通信系统的接收端则需要解调，通过解调恢复出发送的基带则需要解调，通过解调恢复出发送的基带信号。信号。对载波进行调制的信号称为调制信号，对载波进行调制的信号称为调制信号，经过调制的带通信号称为已调信号。经过调制的带通信号称为已调信号。调制有如下目的：第一，通过调制把调制有如下目的：第一，通过调制把基带信号变为带通信号，即把信号的频谱基带信号变为带通信号，即把信

2、号的频谱变换到载波频率附近。变换到载波频率附近。第二，通过调制提高信号通过信道传第二，通过调制提高信号通过信道传输的抗干扰能力。输的抗干扰能力。第三，通过调制可以实现多路信号复第三，通过调制可以实现多路信号复用，在同一条线路中实现多路信号的传输。用，在同一条线路中实现多路信号的传输。调制可分为数字调制和模拟调制。根调制可分为数字调制和模拟调制。根据调制器的频谱变换特性的不同，调制可据调制器的频谱变换特性的不同，调制可分为线性调制和非线性调制。分为线性调制和非线性调制。线性调制的已调信号频谱结构和调制线性调制的已调信号频谱结构和调制信号的频谱结构相同，只是调制信号频谱信号的频谱结构相同，只是调制

3、信号频谱沿频率轴平移的结果。沿频率轴平移的结果。非线性调制其已调信号的频谱结构已非线性调制其已调信号的频谱结构已经和调制信号频谱结构有很大不同，除了经和调制信号频谱结构有很大不同，除了频谱搬移之外，还增加了许多新的频率成频谱搬移之外，还增加了许多新的频率成分。分。线性调制的种类包括：常规调幅、双线性调制的种类包括：常规调幅、双边带、单边带、残留边带等。边带、单边带、残留边带等。 4.1.1 常规调幅常规调幅常规调幅（常规调幅（AM）是将已调信号的包）是将已调信号的包络与基带信号的变化成比例。络与基带信号的变化成比例。 m（t ）是不含分量的基带信号其波形）是不含分量的基带信号其波形如图如图4-

4、1（a）。）。 图图4-1 AM信号的产生信号的产生AM信号的时域和频域表示式分别为信号的时域和频域表示式分别为 （4-1） （4-2）AM0c0cc( )( )coscos( )cosstAm ttAtm ttAM0cccc( ) ()()1()()2SAMM 式（式（4-2）中，）中，M( )是是m(t)的频谱。的频谱。按照式（按照式（4-2）画出的频谱图如图）画出的频谱图如图4-2所示。所示。图中，图中，S( )是是s(t)的频谱。的频谱。图图4-2 AM信号的频谱信号的频谱AM信号的频谱信号的频谱 由载频分量和由载频分量和上、下两个边带组成，上边带的频谱结构上、下两个边带组成，上边带的

5、频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。上边带的镜像。AM( )S因此，因此，AM信号是带有载波的双边带信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽信号，它的带宽是基带信号带宽 的两的两倍，即倍，即 。产生产生AM信号的调制器原理框图如图信号的调制器原理框图如图4-3所示。所示。 HfAMH2Bf图图4-3 AM调制器原理框图调制器原理框图AM信号的解调有两种方法。信号的解调有两种方法。一种是非相干解调法，通常采用包络一种是非相干解调法，通常采用包络检波器实现非相干解调，其原理框图如图检波器实现非相干解调，其原理框图如图4-4（a）所

6、示。）所示。另一种是采用相干解调器，其原理框另一种是采用相干解调器，其原理框图如图图如图4-4（b）所示。）所示。 图图4-4 AM信号解调器框图信号解调器框图下面给出采用相干解调器的工作原理：下面给出采用相干解调器的工作原理：设相干解调器输入的设相干解调器输入的AM信号是信号是 （4-3）AM0c( )( )cosStAm tt图图4-5所示给出图所示给出图4-4中中AM信号非相干信号非相干解调器中解调器中a、b各点和相干解调器中各点和相干解调器中a、b、c各点波形。各点波形。图图4-5 AM信号解调器各点波形信号解调器各点波形图图4-5 AM信号解调器各点波形（续）信号解调器各点波形（续）

7、（4-7）220AMCS( )22AmtPPP式（式（4-7）表明，）表明，AM信号的总功率信号的总功率PAM包括载波功率包括载波功率PC和边带功率和边带功率PS两部分。两部分。但是只有边带功率才携带信息，载波但是只有边带功率才携带信息，载波功率在接收信号中是不包含信息量的。功率在接收信号中是不包含信息量的。我们把边带平均功率与总平均功率的我们把边带平均功率与总平均功率的比值称为功率利用率，用符号比值称为功率利用率，用符号 表示表示 （4-8）AM2AMSAM220( )/( )mtPPAmt4.1.2 抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制为了提高为了提高AM信号的功率利用率，可信号的功率利用

8、率，可以抑制掉不携带信息的载波，只发送两个以抑制掉不携带信息的载波，只发送两个边带。边带。双边带（双边带（DSB）信号。）信号。时域和频域表示式分别为时域和频域表示式分别为 （4-9） （4-10）DSBc( )( )cosStm ttDSBcc1( )()()2SMM按照上两式画出的按照上两式画出的DSB信号波形和频信号波形和频谱如图谱如图4-6所示。所示。图图4-6 DSB信号的波形图和频谱图信号的波形图和频谱图图图4-6 DSB信号的波形图和频谱图信号的波形图和频谱图DSB信号的相干解调器原理框图和调信号的相干解调器原理框图和调制信号为正弦波时的解调器各点波形如图制信号为正弦波时的解调器

9、各点波形如图4-7（a）和（）和（b）所示。）所示。图图4-7 DSB相干解调器原理框图及其各点波形相干解调器原理框图及其各点波形由式（由式（4-9），设解调器），设解调器a点输入信号点输入信号为为DSBc( )( )cosStm tt则它在解调器中和相干载波相乘后，则它在解调器中和相干载波相乘后，得到得到b点波形为点波形为ccc11( )coscos( )( )cos222m tttm tm tt它经过它经过LPF滤波后，除去了二倍载频滤波后，除去了二倍载频的高频成分，只保留低频成分，故解调器的高频成分，只保留低频成分，故解调器输出信号为输出信号为 （4-11）01( )( )2m tm t

10、4.1.3 单边带调制单边带调制如上节所述，双边带调制中两个边带如上节所述，双边带调制中两个边带包含相同的信息。包含相同的信息。为了进一步节省发送功率和节省带宽，为了进一步节省发送功率和节省带宽，只传输一个边带就能发送调制信号所包含只传输一个边带就能发送调制信号所包含的全部信息，这就是单边带（的全部信息，这就是单边带（SSB）调制。）调制。得到得到SSB信号，最简单的办法就是用信号，最简单的办法就是用滤波器把滤波器把DSB信号滤除一个边带。信号滤除一个边带。图图4-8所示画出所示画出SSB信号的频谱示意图。信号的频谱示意图。 图图4-8 单边带信号的频谱单边带信号的频谱图图4-8 单边带信号的

11、频谱（续）单边带信号的频谱（续）单边带信号的解调也必须采用相干解单边带信号的解调也必须采用相干解调，调，SSB解调器的原理框图和解调器的原理框图和DSB信号解信号解调器的原理框图完全一样（如图调器的原理框图完全一样（如图4-7（a）所示）。所示）。 SSB信号与信号与DSB信号相比，能够进一信号相比，能够进一步节省发送功率和占用频带，所以在模拟步节省发送功率和占用频带，所以在模拟通信中是一种应用较广泛的传输体制。通信中是一种应用较广泛的传输体制。4.1.4 残留边带调制残留边带调制VSB调制属于线性调制。调制属于线性调制。图图4-9所示为所示为VSB调制器的原理框图。调制器的原理框图。 图图4

12、-9 VSB调制器原理框图调制器原理框图图图4-9中相乘器的输出信号频谱表示式中相乘器的输出信号频谱表示式为为（4-15）AMcc1( )()()2SMM在经过其滤波后得出的残留边带信号在经过其滤波后得出的残留边带信号sVSB(t)的频谱应为的频谱应为（4-16）VSBcc1( )()()( )2SMMH（4-22）ccH()()K,HH若调制器中的滤波器特性满足式（若调制器中的滤波器特性满足式（4-22）条件，则相干解调器的输出可无失真）条件，则相干解调器的输出可无失真恢复恢复m(t)。满足上述条件的满足上述条件的 的可能形式有的可能形式有两种：低通滤波器形式和带通（或高通）两种：低通滤波器

13、形式和带通（或高通）滤波器形式，如图滤波器形式，如图4-10所示。所示。 ( )H图图4-10 的两种形式的两种形式( )H4.1.5 线性调制器原理模型线性调制器原理模型线性调制器的一般模型如图线性调制器的一般模型如图4-11所示。所示。图图4-11 线性调制器的一般模型线性调制器的一般模型若调制信号若调制信号 的频谱为的频谱为 ，滤，滤波器的传输函数为波器的传输函数为 ，冲激响应为，冲激响应为h(t)，则该模型输出已调信号的时域和频域一般则该模型输出已调信号的时域和频域一般表示式为表示式为 （4-23） （4-24）( )m t( )M( )Hmc( )( )cos( )Stm tth t

14、mcc1( )()( )2SMMH由式（由式（4-23）和式（）和式（4-24）可见，在）可见，在频域上，已调信号的频谱完全是基带信号频域上，已调信号的频谱完全是基带信号频谱在频域内平移构成的，因此属于线性频谱在频域内平移构成的，因此属于线性调制。调制。 4.2.1 基本原理基本原理线性调制是因为在调制信号和已调信线性调制是因为在调制信号和已调信号之间存在线性关系。号之间存在线性关系。所谓线性关系是指两者之间满足叠加所谓线性关系是指两者之间满足叠加原理。原理。即若调制信号为即若调制信号为m1(t)时，已调信号为时，已调信号为s1(t)，调制信号为，调制信号为m2(t)时，已调信号为时，已调信号

15、为a2(t)，则当调制信号为时则当调制信号为时a1m1(t)+a2m2(t)，已调信，已调信号为号为a1s1(t)+a2s2(t)，其中，其中a1和和s1为任意常数。为任意常数。 非线性调制，其调制信号和已调信号非线性调制，其调制信号和已调信号之间是非线性关系。之间是非线性关系。非线性调制是将调制信号附加到载波非线性调制是将调制信号附加到载波的相角上，使载波的频率和相位随调制信的相角上，使载波的频率和相位随调制信号而变，故又称角度调制。号而变，故又称角度调制。线性调制时，角度调制使载波的频率线性调制时，角度调制使载波的频率和相位随调制信号而变；载波是具有恒定和相位随调制信号而变；载波是具有恒定

16、振幅、恒定频率和恒定相位的正（余）弦振幅、恒定频率和恒定相位的正（余）弦波。波。设一个载波可以表示为设一个载波可以表示为（4-25） cc( )cos ( )cos()c tAtAt 随调制信号随调制信号m(t)变化，则统称其变化，则统称其为角度调制。为角度调制。按照它随调制信号变化的规律不同，按照它随调制信号变化的规律不同，角度调制可分为下列两种。角度调制可分为下列两种。( ) t（1）相位调制）相位调制若使相位若使相位 随随m(t)线性变化，即令线性变化，即令（4-30）( ) tccp( )k( )ttm t式（式（4-30）中，）中，kp是常数，则称其为是常数，则称其为相位调制。相位调

17、制。这时，已调信号的表示式为这时，已调信号的表示式为（4-31）（4-32）PMccp( )cosk( )stAtm tcpd( )k( )ditm tt式（式（4-32）表示，在相位调制中瞬时）表示，在相位调制中瞬时角频率角频率 (t) 随调制信号的导函数线性地变随调制信号的导函数线性地变化。化。i（2）频率调制）频率调制若使瞬时角频率若使瞬时角频率 (t) 随调制信号线随调制信号线性地变化，则得到频率调制。性地变化，则得到频率调制。这时，瞬时角频率为这时，瞬时角频率为（4-33）icf( )( )itk m t频率调制时的已调信号表示式为频率调制时的已调信号表示式为（4-35）FMccf(

18、 )cos( )d stAtkm tt从式（从式（4-31）和式（）和式（4-35）可以看出，）可以看出，在相位调制中载波瞬时相位随调制信号在相位调制中载波瞬时相位随调制信号m(t)线性地变化，而在频率调制中载波瞬时相线性地变化，而在频率调制中载波瞬时相位随调制信号的积分线性地变化。位随调制信号的积分线性地变化。 在图在图4-12中举例示出了角度调制的波中举例示出了角度调制的波形。形。其中图其中图4-12（a）所示是已调信号的瞬）所示是已调信号的瞬时角频率时角频率 i和时间的关系，它在和时间的关系，它在 0到到2 0间间作线性变化；图作线性变化；图4-12（b）所示是已调信号）所示是已调信号的

19、波形。的波形。 图图4-12 角度调制波形角度调制波形4.2.2 已调信号的频谱和带宽已调信号的频谱和带宽各种线性调制信号的带宽在调制信号各种线性调制信号的带宽在调制信号带宽的一倍至两倍之间。带宽的一倍至两倍之间。角度调制信号的带宽却可能比调制信角度调制信号的带宽却可能比调制信号的带宽大很多。号的带宽大很多。设调制信号设调制信号m(t)是一个余弦波是一个余弦波 （4-36）( )cosmm tt由式（由式（4-33）可知，用此调制信号调）可知，用此调制信号调频得到的瞬时角频率等于频得到的瞬时角频率等于（4-37）cfcf( )( )cosimtk m tkt式（式（4-37）表示相对于载波角频

20、率的）表示相对于载波角频率的最大角频偏最大角频偏 为为 (rad/s)（4-38）fk设式（设式（4-35）中）中 ，则这时的已，则这时的已调信号表示式为调信号表示式为（4-39）c0FMcfc( )coscosd cos(/)sinmmmstAtkt tAtt 式（式（4-39）中，）中， m f / fm为最为最大频率偏移和调制信号频率之比，称为调大频率偏移和调制信号频率之比，称为调频指数频指数mf（4-40）ffmmmkfmf图图4-13 贝塞尔函数贝塞尔函数已调信号的带宽实际上大部分的功率已调信号的带宽实际上大部分的功率集中在以载频为中心的有限带宽内。集中在以载频为中心的有限带宽内。当调频指数当调频指数 时，由图时，由图4-13可可见，除见，除 和和 外，其他分量都可外，其他分量都可以忽略不计。以忽略不计。这时已调信号的带宽基本等于这时已调信号的带宽基