数字通信原理：第4章 模拟调制系统

1、第四章 模拟调制系统调制的定义和分类幅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各种模拟调制系统的比较频分复用(FDM)11 调制的定义和分类(1)调制目的：将原始电信号变换成频带适合信道传输的信号方式：按调制信号的变化规律去改变载波的某些参数作用：频谱搬移影响系统的传输有效性和可靠性调制信号：原始基带信号载波：携带调制信号的信号 正弦波调制：正弦型信号作为载波 脉冲调制：脉冲串作为载波 模拟调制：调制信号取值连续 数字调制：调制信号取值离散 正弦波模拟调制 正弦波数字调制 脉冲模拟调制 脉冲数字调制21 调制的定义和分类(2)正弦波模拟调制调制信号：模拟信号：载波：连续正弦波： 已调

2、信号 线性调制角度调制/非线性调制32.1 幅度调制的原理(1)幅度调制：正弦型载波的幅度随调制信号作线性变化的过程已调信号的频谱是调制信号频谱的线性搬移。线性调制 时域 频域42.1 幅度调制的原理(2)幅度调制器的一般模型 双边带调幅(DSB) 标准调幅(AM) 单边带调幅(SSB) 残留边带调幅(VSB)5常规调幅AM：H()为全通网络，m(t) 有直流成分。抑制载波双边带调制DSB： H()为全通网络， m(t)无直流成分。单边带调制SSB：H()是截止频率为 c的高通或低通滤波器。残留边带调制VSB： H()是特定的互补特性滤波器。62.1 幅度调制的原理(3)双边带(DSB)信号7

3、2.1 幅度调制的原理(4)已调信号的包络与m(t)不同反相点：当载波与m(t)同时改变极性时出现(不影响性能)提取包络tsm(t)T反相点反相点82.1 幅度调制的原理(5)DSB信号的频谱特点上下边带分别包含调制信号的全部信息.9通信中的两种解调方法相干解调：接收机能复制载波并利用其解调的方法非相干解调：不用复制载波的解调方法性能： (1)相干解调信噪比可低于0dB； (2)非相干解调信噪比需大于10dB ； (3)相干解调的信噪比性能优于非相干解调，而非相干解调对移动、大动态信噪比环境下的适应性更好。102.1 幅度调制的原理(6)DSB信号的解调相干解调载波提取：发端加小功率导频112

4、.1 幅度调制的原理(7)调幅(AM)信号载波分量DSB分量122.1 幅度调制的原理(8)调幅系数包络已调信号的包络与调制信号成比例变化.过调制132.1 幅度调制的原理(9)AM信号的解调去直流相干解调142.1 幅度调制的原理(10)包络提取方式：半波整流低通非相干解调 包络检波 + 隔直 包络检波的理解：152.1 幅度调制的原理(10)AM信号的功率载波功率边带功率162.1 幅度调制的原理(11)单边带(SSB)信号 定义：单边带调制信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的。产生SSB信号的方法有滤波法和移相法。1. 滤波法及SSB信号的频域表示：DSB信号通过一个边带滤波器滤除

5、不要的边带，即可得到SSB信号。滤波法SSB信号调制器：17USBLSB信号频谱图：182.1 幅度调制的原理(12)-1920 212. 滤波法及SSB信号的频域表示：设单频调制信号为 载波为DSB信号的时域表示式为22上、下边带 分别为：23上、下边带公式合并起来写，可以写成 式中：“”表示上边带信号，“+”表示下边带信号 可以看成是 相移/2的结果，而且幅度保持不变，把这一过程称为希尔波特变换，即：24故上、下边带公式可以改写为： 任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和，推广可得到调制信号为任意信号时SSB信号的时域表示式：式中的 是m(t)希尔伯特变换 25若M()为的m(t)傅

6、里叶变换，则 的傅里叶变换为 物理意义为：m(t)通过传递函数为-jsgn的滤波器即可得到其希尔伯特变换。 26由此可知，-jsgn即是希尔伯特滤波器的传递函数，记为 上式表明，希尔伯特滤波器实质上是一个宽带相移网络，对m(t)中的任意频率分量均相移/2。 272.1 幅度调制的原理(13)SSB信号的产生滤波法：频域相移法：时域 相移法是利用相移网络，将载波和调制信号进行相移，在合成时抵消其中一个边带，获得SSB信号。28SSB信号的实现的优缺点SSB调制方式在传输信息时节省发射功率所占用带宽比AM、DSB减少一半实现比AM、DSB要复杂是短波通信中的一种重要方式。SSB的解调不能用包络检波

7、，要用相干解调。29SSB信号的解调相干解调30单边带调制频带利用率比DSB调制高；普通调幅接收机不能接收SSB信号。其主要缺点是接收机需要复杂且精度高的自动频率控制系统来稳定本地载波的频率和相位。对于低通型调制信号（含有直流或低频分量的信号）用滤波法的时候，要求滤波器的过渡带非常窄，即滤波器的边缘必须很陡峭，理想状态是一根垂直线。在实际工程中，滤波器很难达到这样的要求。总结：31用滤波器产生的单边带信号，要么频带不完整，要么多出一部分上边带（对下边带信号而言）或下边带（对上边带信号而言）。对于带通型调制信号而言，只要载频相对于调制信号最低频率分量的频率不要太大，滤波法就可以实现SSB调制，否

8、则，就必须采用多级调制的方法降低每一级调制对滤波器过渡带的要求，从而完成SSB信号的产生。SSB主要用于远距离固定业务通信系统，在特高频散射通信、车辆和航空通信方面也有应用。322.1 幅度调制的原理(14)残留边带(VSB)信号克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号调制与解调中的困难。VSB调制33 LPFVSB解调342.1 幅度调制的原理(15)352.1 幅度调制的原理(16)只要残留边带滤波器的截止特性在载频处具有互补对称特性，那么采用相干解调法就能准确恢复原有的基带信号。残留边带滤波器的衰减特性有很大的选择自由度，但这并不等于对滤波器的衰减特性没有限制。滤波器的衰减特

9、性又称滚降特性，目前应用最多的就是直线滚降和余弦滚降。例如，在电视信号传输和数据信号传输中就分别使用了直线滚降和余弦滚降。362.1 幅度调制的原理(17)随机调制信号的功率谱密度特性372.2 线性调制系统的抗噪声性能(1)实际中，任何通信系统都避免不了噪声的影响。由有关信道与噪声的内容可知，各种信道中的加性高斯白噪声是普遍存在的一种噪声。本节将要研究的问题是，在信道加性高斯白噪声的背景下，各种线性调制系统的抗噪声性能。由于加性噪声被认为只对已调信号的接收产生影响，因而通信系统的抗噪声性能可以用解调器的抗噪声性能来衡量。38图中，sm(t)为已调信号，n(t)为信道加性高斯白噪声。带通滤波器

10、的作用是滤除已调信号频带以外的噪声，因此，经过带通滤波器后到达解调器输入端的信号仍可认为是sm(t)，而噪声为ni(t)。解调器输出的有用信号为m0(t)，噪声为n0(t)。2.2 线性调制系统的抗噪声性能(2)性能分析模型( B BPF带宽/已调信号带宽 )392.2 线性调制系统的抗噪声性能(3)解调器输入端噪声ni(t)是由平稳高斯白噪声n(t)经过带通滤波器得到。当带通滤波器的带宽远小于其中心频率时，可视为窄带滤波器，故ni(t)为平稳窄带高斯噪声，可表示为：由随机过程的知识可知，窄带噪声ni(t)及其同相分量nc(t)和正交分量ns(t)的均值都为0，且具有相同的方差，即：402.2

11、 线性调制系统的抗噪声性能(4)若白噪声的单边功率谱密度为n0，带通滤波器是高度为1、带宽为B的理想矩形函数，则解调器的输入噪声功率为：带宽B等于已调信号的频带宽度。模拟通信系统的主要质量指标是解调器的输出信噪比。其定义为：412.2 线性调制系统的抗噪声性能(5)为了便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能，还可采用调制制度增益或信噪比增益G表示：式中，Si/Ni为输入信噪比，定义为：422.2 线性调制系统的抗噪声性能(6)DSB调制系统的性能设解调器输入信号为：与相干载波cosct 相乘后，得：经低通滤波器后，输出信号为：解调器输出端有用信号功率为：432.2 线性调制系统的抗噪声性能

12、(7)噪声经相干解调、低通滤波器后输出为：输出噪声功率为：442.2 线性调制系统的抗噪声性能(8) 解调器输入信号平均功率为：输入信噪比为：输出信噪比为：452.2 线性调制系统的抗噪声性能(9)依此类推：SSB调制系统的性能(B=W )462.2 线性调制系统的抗噪声性能(10) 比较DSB-SC与SSB-SC 系统的抗噪声性能是否说明DSB系统的抗噪声性能比SSB系统好呢？答案是否定的。因为两者的输入信号功率不同、带宽不同，在相同的噪声功率谱密度n0条件下，输入噪声功率也不同，所以两者的输出信噪比是在不同条件下得到的。若在相同的输入信号功率Si，相同的输入噪声功率谱密度n0，相同的基带信

13、号带宽条件下，可得出输出信噪比相等的结论。表明：两者的抗噪声性能是相同的。472.2 线性调制系统的抗噪声性能(11)AM包络检波的性能设解调器输入信号为：解调器输入噪声为：则解调器输入的信号功率Si和噪声功率Ni分别为：482.2 线性调制系统的抗噪声性能(12)由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即：其中：E(t)便是所求的合成包络。由于E(t)中的信号和噪声存在非线性关系。因此，分为两种特殊情况来考虑。492.2 线性调制系统的抗噪声性能(13) 大信噪比情况:有用信号 噪声注：大信噪比下，包络检波的性能与相干解调相同502.2 线性调制系统的抗噪声性能(14) 小信噪比情况:门限效应

14、：小信噪比下，包络检波器把有用信号扰乱成噪声，输出信噪比急剧恶化。513.1 角度调制的原理(1)正弦载波有三个参量：幅度、频率和相位。不仅仅可以把调制信号的信息载荷于载波的幅度变化中，还可以载荷于载波的频率或相位中。若载波的频率随调制信号变化，称为频率调制或调频(Frequency Modulation, FM)；若载波的相位随调制信号变化，称为相位调制或调相(Phase Modulation, PM)；在这两种调制过程中，载波的幅度都保持恒定不变，而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化，故把调频和调相统称为角度调制或调角。523.1 角度调制的原理(2)角度调制信号的一般表达式为：所

15、谓相位调制(PM)，是指瞬时相位偏移随调制信号m(t)线性变化，即Kp的含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量。所以，调相信号为：533.1 角度调制的原理(3)频率调制(FM)，是指瞬时频率偏移随调制信号m(t)成比例变化，即此时，相位偏移为：则调频信号为：PM与FM的区别：PM是相位偏移随调制信号m(t)线性变化，FM是相位偏移随m(t)的积分呈线性变化。543.1 角度调制的原理(4)单音调制FM与PM设调制信号m(t)为单一频率的正弦波：PM信号为：mp为调相指数，表示最大的相位偏移。FM信号为：mF为调频指数：553.1 角度调制的原理(5)PM与FM的关系 直接调频和间接调

16、频 直接调相和间接调相563.1 角度调制的原理(6)如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足以下条件：FM信号的频谱宽度比较窄，称为窄带调频(NBFM)；否则，为宽带调频(WBFM)。在窄带调频的情况下：573.1 角度调制的原理(7)由AM信号的频谱： 区别：AM中两个边频的合成矢量与载波同相，所以只有幅度变化；而NBFM由于下边频为负，有相位变化及很小的幅度变化。583.1 角度调制的原理(8)宽带调频： 调制指数/最大相偏 第一类 n 阶贝塞尔函数593.1 角度调制的原理(9)由FM时域、频域表达式可知：调频信号的频谱由载波分量c和无数边频组成。当n=0时是载波分量c，其幅度为AJ0(mf

17、)；当n不等于0时，为对称分布在载频两侧的边频分量，其幅度为AJn(mf)，相邻边频之间的间隔为m；当n为奇数时，上下边频极性相反；当n为偶数时极性相同。由此可知：FM信号的频谱不再是调制信号频谱的线性搬移。603.1 角度调制的原理(10) 窄带调频613.1 角度调制的原理(11)623.1 角度调制的原理(12)调频信号的带宽调频信号的频谱包含无穷多个频率分量，因此理论上调频信号的频带宽度为无限宽。但由于Jn(mf)随n的增大而逐渐减小，因此只要取适当的n值使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可近似认为具有有限频谱。调频波的有效带宽为：这就是广泛用于计算调频信号带宽的卡森公式。NBFM

18、时：WBFM时：633.1 角度调制的原理(13)已调信号总功率：载频功率：边频功率：调制信号不提供功率，但可以控制功率的分布.643.1 角度调制的原理(14)调频的方法主要有两种：直接调频和间接调频。直接调频就是用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。由外部电压控制振荡频率的振荡器叫做压控振荡器(VCO)。在直接调频法中，振荡器与调制器合二为一。优点：在实现线性调制的要求下，可以获得较大的频偏；缺点：频率稳定度不高。653.1 角度调制的原理(15)间接调频法（简称间接法）是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个NBFM信号，再经过n次倍频器得到W

19、BFM信号，原理图如下：663.1 角度调制的原理(16)调频信号的解调分为相干解调和非相干解调。相干解调仅适用于NBFM信号；而非相干解调对NBFM信号和WBFM信号均适用。1）非相干解调调频信号的一般表达式为：解调器的输出应该为：完成这种频率电压转换关系的器件是频率检波器，简称鉴频器。673.1 角度调制的原理(17)调频信号的解调 振幅鉴频器鉴频器FM信号FM至AM变换器AM信号包络检波器输出调频到调幅的变换1 微分 包络683.1 角度调制的原理(18)调频到调幅的变换2：使用调谐电路的上升频率特性(线性区)平衡鉴频器：展宽频率特性的线性范围（如下图所示）693.1 角度调制的原理(1

20、9)2）相干解调由于NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调。设窄带调频信号为：相干载波为：相乘器输出信号，经低通滤波器后为：703.2 角度调制系统的抗噪声性能(1)如前所述,调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种；相干解调仅适用于窄带调频信号,且需同步信号,故应用范围受限；而非相干解调不需同步信号,且对于NBFM信号和WBFM信号均适用,因此以下将重点讨论FM非相干解调时的抗噪声性能。713.2 角度调制系统的抗噪声性能(2)性能分析模型( B BPF带宽/已调信号带宽 )输入信噪比：723.2 角度调制系统的抗噪声性能(3)大信噪比：在输

21、入信噪比足够大的条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略,这时可以把信号和噪声分开来计算。设输入噪声为0，由包络检波器的输出，可知输出信号为:则输出信号平均功率为:式中Kd为鉴频器灵敏度。733.2 角度调制系统的抗噪声性能(4)那如何计算解调器输出端噪声的平均功率呢?假设调制信号 m(t)=0,则加到解调器输入端的是未调载波与窄带高斯噪声之和,即:其中,相位偏移可进一步的简化为:743.2 角度调制系统的抗噪声性能(5)由于鉴频器的输出正比于输入的频率偏移,故输出噪声(在假设调制信号为0时,解调结果只有噪声)为:其实是ns(t)通过理想微分电路的输出,故它的功率谱密度为:则最终解调器输出(LPF

22、输出)的噪声功率为:753.2 角度调制系统的抗噪声性能(6)大信噪比下，调频信号解调器的输出信噪比：G = 450.763.2 角度调制系统的抗噪声性能(7)大信噪比下，FM系统与AM系统的性能比较结论：在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能比调幅系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。773.2 角度调制系统的抗噪声性能(8)以上分析结果都是在输入信噪比Si/Ni足够大的条件下得到的，但如果此条件不满足,如Si/Ni低于一定数值时,解调器的输出信噪比So/No急剧恶化，这种现象称为调频信号解调的门限效应。出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值。理论分析如下:783.2 角度调

23、制系统的抗噪声性能(9)小信噪比： 有用信号已被噪声淹没，无法单独提取，引起门限效应。793.2 角度调制系统的抗噪声性能(10)由图5-32调频解调器的输出信噪比与输入信噪比的关系曲线,可知:门限值与调制指数mf有关。mf越大,门限值越高。不过不同mf时,门限值在8dB11dB的范围内变化,一般认为门限值为10dB左右。在门限值以上时,So/No与Si/Ni呈线性关系,且mf越大,输出信噪比的改善越明显。在门限值以下时, So/No将随Si/Ni的下降而急剧下降，且mf越大, So/No下降越快。803.2 角度调制系统的抗噪声性能(11) 带宽限制 功率限制813.2 角度调制系统的抗噪声

24、性能(12)由以上分析可知,门限效应是FM系统存在的一个实际问题，希望门限点向低输入信噪比方向扩展。降低门限值(也称门限扩展)的方法很多,如可采用锁相环解调器和负反馈解调器本节重点介绍通过采用预加重和去加重技术来进一步改善调频解调器的输出信噪比，相当于改善了门限值。823.2 角度调制系统的抗噪声性能(13)改善门限效应的方法由于鉴频器输出噪声功率谱随f呈抛物线形状增大,但话音信号的能量却主要分布在低频端,且功率谱密度随f增大而减小. 接收端加入去加重网络，衰减高频分量，减小输出噪声功率 发送端加入预加重网络，加重高频分量，以消除信号失真频率解调器频率调制器834 各种模拟调制系统的性能比较(

25、1)844 各种模拟调制系统的性能比较(2)由理论推导可知:WBFM抗噪声性能最好,DSB,SSB,VSB抗噪声性能次之,AM抗噪声性能最差.当输入信噪比较高时,FM的调频指数mf越大,抗噪声性能越好.SSB的带宽最窄,其频带利用率最高;FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大,其频带利用率最低.可以说,FM是以牺牲有效性来换取可靠性的.因此,mf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑.854 各种模拟调制系统的性能比较(3)调制方式传输带宽直流响应设备复杂性主要应用DSB无中等：要求相干解调，常传输小导频模拟数据传输；低带宽多路复用系统AM有较小：调制与解调简单无线电广播SSB无较大：要求相干解调，调制器也较复杂话音通信，话音频分多路通信VSB有较大：要求相干解调，调制器需要对称滤波数据传输，宽带(电视)系统FM有中等：调制器有点复杂，解调器较简单数据传输，无线电广播，微波中继865 频分复用(1)当一条物理信道的传输能力高于一路信号的需求时,该信道就可以被多路信号共享.例如:电话系统的干线通常有数千路信号在一根光纤中传输.复用就是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术,其目的是为了充分利用信道的频带/时间/空间资源,提高信道的利用率.两种常用的方法