第04章模拟调制系统

1、第四章第四章模拟调制系统模拟调制系统 目录目录4.1 引言引言4.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能4.3 角度调制的原理及抗噪声性能角度调制的原理及抗噪声性能4.4 各种模拟调制系统的性能比较各种模拟调制系统的性能比较4.5 频分复用频分复用4.6 复合调制及多级调制的概念复合调制及多级调制的概念4.1 引言引言一、模拟调制的定义：一、模拟调制的定义： 模拟调制是指按基带信号的变化规律去改变高频载波某些参数的过程。调制的实质是频谱搬移，其作用和目的是：1、 将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）；2 、实现信道的多路复用，提高信道利用率；3、

2、减小干扰，提高系统的抗干扰能力；4、 实现传输带宽与信噪比之间的互换。 因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响。 4.1 引言引言二、调制的分类：二、调制的分类： 1、载波、载波 （1）正弦型信号）正弦型信号-连续波调制连续波调制 （2）脉冲串）脉冲串-脉冲调制脉冲调制 2、调制信号、调制信号 （1）模拟调制）模拟调制-调制信号取值连续调制信号取值连续 （2）数字调制）数字调制-调制信号取值离散调制信号取值离散三、模拟调制的分类：三、模拟调制的分类： 幅度调制幅度调制（属线性调制）：已调信号的频谱是基带信号频谱的平移或线性变换，如：调幅(AM)、双边带(DSB)调制、单边带(SSB)

3、调制、残留变带(VSB)调制。4.1 引言引言 角度调制角度调制（属非线性调制）：已调信号不再保持原来基带信号的频谱结构 ，其频谱会产生无限的频谱分量，如：调频(FM)和调相(PM)。点-点通信系统:信源调制发滤波器信道收滤波器解调调制信宿n(t)(C 通常，信道是一个理想的恒参信道，研究各种调制、解调方式、系统的可靠性和有效性。 基带信号m(t)调制器Sm(t)C(t)载波正弦载波： C(t)=Acos(ct + ) 脉冲调制： C(t)为脉冲周期信号 4.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能 幅度调制是高频正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。一、幅度调制的原理：一

4、、幅度调制的原理： 1. 线性调制器的一般模型：线性调制器的一般模型： 时域： 频域： 4.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能 通过适当选择带通滤波器的冲击响应 h(t)，就可以得到各种幅度调制信号。 2. 调幅调幅 (AM) 信号：信号： 2.1 AM调制调制 若调制信号m(t)含有直流分量，即： 且 ；h(t)为理想带通滤波器的冲击响应，则输出已调信号为标准调幅信号，即： )()(MtmFT )()(2)(00MAtmAFT ccFTcCt)(cos ccccAMMMACMAS21)()()(*)(21)(004.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性

5、能 其波形和频谱如下所示： 由上式和上右图知：AM信号的频谱由载频分量和上、下两个边带组成，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号（调制信号）带宽fH的两倍，即 。HAMfB24.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能说 明： 基带信号（调制信号）频谱经过调制后变为两个边带信号频率：一个是 ，位于 的上边，称为上边频；另 一个 ，位于 的下边，称为下边频；如上图（a）所示。 双边带：上边带由 到 ；下边带由 到 。HcHcccccHcHcc22 AM解调 包络检波要求 A+m(t)0 相干解调

6、收滤波器LPF载波同步m0（t）abtcosccd)(21)(2cos1)(21cos)(2tmtmttmAttmAoLPFcc-fcfc0-fcfc0-2fc2fc00-fHfHffffabcd4.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能23 AM的缺陷AM信号在1电阻上的平均功率等于SAM(t)均方值。当m(t)为确知信号时，即为其平方的时间平均，即： scccccAMAMPPtmAttmAttmtAttmAtsP2)(2cos)(2cos)(coscos)()(22020222202202 只有边带功率才与调制信号有关，载波分量不携带信息，因而从AM信号的功率利用率较低。

7、 3. 双边带双边带 (DSB) 信号：信号： 若调制信号m(t)无直流分量，h(t)为理想带通滤波器的冲击响应，则输出已调信号为抑制载波双边带调幅信号，即： 4.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能 其波形和频谱如下所示： 4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能推论：(1)DSB信号的解调只能采用相干解调。 (2)DSB信号的频谱也具有上下对称的两个边带， 携载了相同的信息，其传输带宽亦为基带信号 的最高频率的两倍。 4. 单边带单

8、边带 (SSB)信号：信号： 若带通滤波器h(t)传输特性如图所示： * 通信原理辅导 P47 图 4-4 * 4.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能 则图A将产生上边带信号，图B将产生下边带信号，相应的频谱如图所示： 4.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能 其中：“+”为下边带，“-”为上边带； (t)是m(t)的 希尔伯特变换。 注：若m(t)的傅氏变换为M()，则 (t)的 傅氏变换为： 其中符号函数 设： 为希尔伯特滤波器的传递函数，实质上 4.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能就是一个宽带相移网络，表示把m(t)幅度不

9、变， 相移 即可得到 (t) 。 推导SSB信号的时域表达式：下边带带通滤波器可表示为 ccsgnsgn21)(Hc0)sgn(cc0)sgn(c)sgn()()sgn()(41)()(41)sgn()()sgn()(41)sgn()()sgn()(41)sgn()sgn(21)()(21)(ccccccccccccccccccSSBMMMMMMMMMMS得下边带SSB信号： tsin) t (m21tcos) t (m21) t (SccLSB(载波为cosct) 同理，上边带信号： tsin) t (m21tcos) t (m21SccUSB当载波为sinct时 tcos) t (m21t

10、sin) t (m21) t (SccLSBtcos) t (m21tsin) t (m21) t (SccUSB说 明： 是m(t)的希尔伯特变换，sinct是cosct的希尔伯特变换，且是cosct相移/2； m(t)(Htsin) t (mctcosct1) t (h, )sgn(j)(H)sgn()()sgn()(41)()()sgn()(41)()()sgn()(2121sin)(21ccccccccFTcMMMjjMttm 由上可知，它实质是一个宽带相移网络，表示把m(t)幅度不变，所有的频率分量均相移/2，即可得到。单边带时域式中的系数1/2可为任一常数。 用相移法形成单边带信号

11、： 单边带调制相移法的一般模型如图所示：设单频调制信号为 ，载波为 ，两者相乘的DSB信号的时域表示式： 保留上边带，则：保留下边带，则： tAtmmmcos)(ttcccos)(tAtAttAtsmcmmcmcmmDSB)cos(21)cos(21coscos)(ttAttAtAtscmmcmmmcmUSBsinsin21coscos21)cos(21)(ttAttAtAtscmmcmmmcmLSBsinsin21coscos21)cos(21)( 可以看成是 相移/2，而幅度大小保持不变，这一过程称为希尔伯特变换。即： 。tAmmsintAmmcos结 论：SSB调制方式在传输信号时，不但

12、可节省载波发射功率，而且占用的频带宽度为 ，只有AM、DSB的一半。 HSSBfBtAtAmmmmsincos4.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能推论：(1)SSB信号的解调只能采用相干解调。 (2)SSB信号的频带宽度只有DSB信号的一半，即频带利用率提高一倍，可以节省载波发射功率。 5. 残留边带残留边带 (VSB) 信号：信号： 残留边带调制从频域上看是介于SSB与DSB之间的一种调制方式，它保留了一个边带和另一个边带的一部分，它既克服了DSB信号占用频带宽的问题，又解决了SSB滤波器不易实现的难题。 VSB系统: m(t)Sm(t)GT(f)C(f)n(t)GR

13、(f)tcosc载波同步tcoscLPFVSB信号U(t)m0(t)n0(t)非标准的VSB信号 H(w)=GT(w)C(w)GR(w)对H(w)的要求: H(w+wC)+ H(w-wC)=C ； 两边互补在cHH)(0 证明: )()()(HSSmVSB)()()(21HMMcc)()()2(41)()()2(41)()(21)(cccccVSBcVSBHMMHMMSSU)()()(41)(0ccHHMM当 )(4)()(4)(,0,)()(00tmCtmMCMCHHHcc时Sm(f)-fcfcf0-fcfcH(f)f-fcfcSVSB(f)残留上边带fM0(f)0ff2fc-2fc0fff

14、H-fH0Hccff0,C)ff (H)ff (H4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能说 明：只要残留边带滤波器的特性 在 处具有互补对称（奇对称）特性，那么，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号。 )(VSBHc4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能三、线性调制系统的抗噪声性能：三、线性调制系统的抗噪声性能： 1. 分析解调器性能的一般模型：分析解调器性能的一般模型： 其中 是解调器输入信号，n(t)是加性高斯白噪声， 是窄带高斯噪声，且满足： 4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能 （均值）； （平

15、均功率）； 其中B是理想带通滤波器的带宽，即已调信号的带宽，亦即解调器的输入端噪声带宽； 是解调器的输入噪声功率； 是噪声的单边功率谱密度，它在通带B内是恒定的。 定义： 输出信噪比：输出信噪比： 输入信噪比：输入信噪比： 4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能 调制制度增益：调制制度增益： 注：在相同的 和 的条件下，输出信噪比越高，则解调器的抗噪声性能越好。 2. 双边带双边带 (DSB) 信号：信号： 设解调器输入信号为： 则解调器输出信号与噪声为： 输出信号平均功率为： 4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能 输出噪声平均功率为： 输入信号平

16、均功率为： 输入噪声平均功率为： 其中 （ 为基带信号的截止频率）， 是DSB信号的带宽。 调制制度增益： 推推 论：由于相干解调抑制了噪声中的正交分量，使得噪论：由于相干解调抑制了噪声中的正交分量，使得噪声功率减半，故双边带信号解调器的输出信噪比比输声功率减半，故双边带信号解调器的输出信噪比比输4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能 入信噪比改善了一倍。入信噪比改善了一倍。 3. 单边带单边带 (SSB)信号：信号： 设解调器输入信号为： 则解调器输出信号与噪声为： ； 输出信号平均功率为： 输出噪声平均功率为： 输入噪声平均功率为： 4.2 幅度调制的原理幅度调制的原

17、理及抗噪声性能及抗噪声性能 其中: （ 为基带信号的截至频率），是 SSB信号的带宽。 调制制度增益： 推论：(1)由于相干解调同等抑制了信号和噪声中的正交 分量，使得信号和噪声的功率都减半，故单边 带信号解调器的输出信噪比与输入信噪比相比 没有改善。 (2)尽管 ，但并不能说明双边带系统的抗噪声性能优于单边带系统，而且两种系统实际上具有相同的抗噪声性能： 4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能 由于 ，所以在相同的 和 ： 4. 调幅调幅 (AM) 信号：信号： AM信号的解调可以采用相干解调和包络检波；相干解调时其分析方法与前面两种系统相同，而实际系统中多采用包络检波

18、法。 设解调器输入信号为: 4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能 其中A为直流分量，m(t)为交流分量，且 解调器输入信号与噪声为： 其中二者的合成包络为： 4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能讨论：(1)大信噪比情况： 则： 所以输出信号功率和噪声功率为： 调制制度增益为； 推论：对于100%调制（即 ），且 m(t)又是单音频正弦信号，则： ， 这是包络检波器能够得到的最大信噪比改善值。 4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能 注：在大信噪比情况，采用相干解调时的性能 与采用包络检波时的性能几乎一样，但此时的 G不受信号

19、与噪声相对幅度假设条件的影响。 (2)小信噪比情况： 则： 其中r(t)和(t)分别是噪声 的包络和相位。 推论：小信噪比情况，信号与噪声无法分开，推论：小信噪比情况，信号与噪声无法分开， 且有且有用信号湮没在噪声中。此时的输出信噪比不是按比例用信号湮没在噪声中。此时的输出信噪比不是按比例的随输入信噪比下降，而是急剧恶化，即发生门限效的随输入信噪比下降，而是急剧恶化，即发生门限效应；而开始出现门限效应的输入信噪比即为门限值。应；而开始出现门限效应的输入信噪比即为门限值。 4.2 幅度调制的原理幅度调制的原理及抗噪声性能及抗噪声性能 注：相干解调器不存在门限效应；因为信号和噪声可以分开解调，解调

20、器输出端总是单独存在有用信号。 4.3 非线性调制（角度调制）非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能的原理及抗噪声性能 非线性调制（角度调制）分为频率调制(FM)和相位调制(PM)，即载波的幅度保持不变，而其频率或相位随基带信号变化的调制方式。一、非线性调制（角度调制）的原理：一、非线性调制（角度调制）的原理： 1. 角度调制的一般表达式：角度调制的一般表达式： 其中： 是信号的瞬时相位； 是信号的瞬时相位偏移； 是信号的瞬时角频率； 是信号的瞬时角频率偏移；二者关系: tdt)()(4.3 非线性调制（角度调制）非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能的原理及抗噪声性能 2. 相位调制相位

21、调制(PM)： 随基带信号m(t)成比例变化，即： 其中 称为调相灵敏度，所以调相波可表示为： 设单频调制： 则： 其中 ： 称为调相指数。 4.3 非线性调制（角度调制）非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能的原理及抗噪声性能 最大瞬时相位偏移为： 最大瞬时角频率偏移为： 3. 频率调制频率调制(FM)： 随基带信号m(t)成比例变化，即： 其中 称为调频灵敏度，所以调频波可表示为： 设单频调制： 则： 4.3 非线性调制（角度调制）非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能的原理及抗噪声性能 其中 ： 称为调频指数； 最大瞬时角频率偏移为： 最大瞬时相位偏移为： 4. 相位调制相位调制(P

22、M)与频率调制与频率调制(FM)的转换关系：的转换关系： 设 ，则： 4.3 非线性调制（角度调制）非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能的原理及抗噪声性能 二、窄带调频与宽带调频：1、当 时为窄带调频(NBFM)。因： ；6)(dttmKFconstAdttmKtAtstfcFM令：)(cos)(tdttmKtdttmKttScFctfcNBFMsin)(cos)(cos)()()(21sin)(;)()();()(cccccFFtdttmjMdttmMtm NBFM的频谱： AM频谱： )()(2)()()(ccccfccNBFMFFKS)()(21)()()(ccccAMMMS两者都含

23、有一个载波和位于 处的两个边带，所以它们的带宽相同，都是调制信号最高频率的两倍。不 同：NBFM的两个边带分别乘因式和 ，由于因式是频率的函数，所以这种加权是频率加权，加权的结果引起调制信号频谱的失真，此外，有一边频和AM反相。c)(1c)(1c2、宽带调频（WBFM）：（研究单音调制 多音）设单音调制信号： tfAtAtmmmmm2coscos)(则调频信号的瞬时相偏： tmtKAdKAtmfmmfmtmfmsinsincos)(其中：AmKf为最大角频偏，记为； mf为调频指数： mmmfmfffKAm单音频调频的时域表示式： nmcfnmfcFMtnmJtmtAts)cos()(sinc

24、os)(级数展开频谱为： nmcmcfnFMnnmJS)()()()(由上式可见，调频波的频谱包含无穷多个分量。当n=0时就是载波分量 ，其幅度为 ；当n0时在载频两侧对称分布上下边频分量 ，谱线之间的间隔为 ，幅度为 ，且当n为奇数时，上下边频极性相反；当n为偶数时极性相同。 c)(fnmJmcnm)(fnmJ调频波的带宽： ，说明调频信号的带宽取决于最大频偏和调制信号的频率，该式称为卡森公式。1 若 时， ，这是窄带调频的带宽；2 若 时， ，这是大指数宽带调频的情况，带宽由最大频偏决定。)(2) 1(2mmfFMfffmB1fmmFMfB210fmfBFM 2三三 FM信号的产生信号的产

25、生1、直接调频：m(t)VCOdt) t (mKtcosAFc问题: 载频fc不稳定优点：在实现线性调频的要求下，可以获得高质量的FM或PM信号。VCO一般为LC、RC振荡器，为10-3。2、窄带调频倍频 先对调制信号积分后对载波进行相位调制，产生窄带调频信号（NBFM）。然后，利用倍频器把NBFM变换成宽带调频信号（WBFM）。如图： tcosc-90。积分m(t)-+倍频来自晶振)(tsNBPM3锁相调频晶振RPDfrLF+m(t)VCOuo(t)Nud(t)dttmKtNAtuVro)(cos)(条件：环路自然谐振频率fnfL 四四 FM信号的解调信号的解调1、限幅鉴频器SFM(t)n(

26、t)带通限幅带通微分包络检波地通hL(t)SFM(t)ni(t)ni(t)FD) t (mo) t (nomo(t)no(t)暂不考虑噪声，理想鉴频器可看成是带微分器的包络检波器。 FMAMdt) t (mKtsin) t (mKAdt) t (dSdt) t (mKtcosA) t (SFcFcFMFcFM包络检波输出：m(t) 2、锁相鉴频（PLL鉴频）ui(t)PDLFVCOuo(t)Kv) t (mKK) t (uVFc) t (mKK) t (udt) t (uKdt) t (mKffdt) t (uKtcosU) t (udt) t (mKtsinA) t (uVFccvFHncv

27、cooFci时，当锁相后3、NBFM的相干解调NBFM微分低通tsinc设窄带调频信号为： tdmKAtAtsctfcNBFMsin)(cos)(相干载波： ttccsin)(乘法器输出： )2cos1()(22sin2)(tdmKAtAtsctfcp 经微分、低通滤波器输出信号： )(2)(0tmAKtmf4.3 非线性调制（角度调制）非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能的原理及抗噪声性能 调频信号的解调通常采用鉴频法，接入带通限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变。 2. 调频信号的抗噪声性能：调频信号的抗噪声性能： (1)大信噪比情况： 设解调器输入信号为： 解调器输入端信噪

28、比为： 解调器输出端信噪比为： 注：其中 4.3 非线性调制（角度调制）非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能的原理及抗噪声性能 当 （窄带调频）时： ； 当 （宽带调频）时： ； 调制制度增益： 推论：在AM调制系统中，由于信号带宽是固定的， 因而不能利用传输带宽换取信噪比的改善；在 窄带调频时，其带宽也是固定的，而其抗噪声 性能与AM调制系统相差也不大。 在宽带调频时，其抗噪声性能比AM调制系统 优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而增 加，亦即以传输带宽换取通信质量的改善。 4.3 非线性调制（角度调制）非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能的原理及抗噪声性能 当 时： (2)小信噪比情况： 如图所示：当输入信噪比低于某一门限（一般取a=10dB）时，FM解调器将出现门限效应，随着输入信噪比的继续降低，解调器的输出信噪比将急剧恶化，甚至比AM系统还差。 在实际中，常用锁相环路鉴频法及调频负回授鉴频法改善门限效应；或者采用“预加重”和“去加重”技术来改善解调器的输出信噪比。 4.3 非线性调制（角度调制）非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能的原理及抗噪声性能 4.4 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较 假设所有系统在接收机输入端