第3章模拟调制系统

3.1线性系统的调制与解调

3.2线性调制系统的信噪比

3.3非线性调制原理

3.4非线性调制抗噪声性能

3.5角度调制的接收

3.6预加重和去加重技术第3章模拟调制系统2学习目标：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预加重与去加重技术要点：掌握线性调制的原理及系统的抗噪声性能、掌握非线性调制的原理;了解非线性调制系统抗噪声性能及预加重与去加重技术。学习目标及要点33.1

线性系统的调制与解调

3.1.1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。43.1

线性系统的调制与解调

3.1.1调制的概念图2―1扩音示意图53.1

线性系统的调制与解调

3.1.1调制的概念调制过程——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。63.1

线性系统的调制与解调

调制的概念调制的本质：◆

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；调制（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73.1

线性系统的调制与解调

3.1.1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83.1

线性系统的调制与解调1.普通调幅波的数学表达式及其频谱令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规律线性变化。93.1

线性系统的调制与解调

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103.1

线性系统的调制与解调

普通调幅波的数学表达式及其频谱多频率分量信号的调制为分析简单，令ka=1，，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(ω)113.1

线性系统的调制与解调

普通调幅波的数学表达式及其频谱多频率分量信号的调制

所以的频域表达式为：123.1

线性系统的调制与解调13当满足条件|f(t)|max≤Ucm

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。3.1

线性系统的调制与解调143.1

线性系统的调制与解调

普通调幅波的数学表达式及其频谱调幅波的功率

AM信号平均功率应等于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：

载波功率边带功率153.1

线性系统的调制与解调普通调幅波的数学表达式及其频谱163.1

线性系统的调制与解调3.1.2双边带调制（DSB）

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。DSB的时域、频域及功率令直流信号的Ucm=0，得到DSB调制信号的时域和频域描述DSB的全部功率包含在边带上，即DSB的调制效率173.1

线性系统的调制与解调3.1.2双边带调制（DSB）2.DSB调幅波的产生及频谱分析图2―3抑制载波的双边带调幅模型图183.1

线性系统的调制与解调193.1

线性系统的调制与解调3.1.2双边带调制（DSB）DSB的波形及其频谱由DSB的时间波形可知，DSB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制信号，需采用相干解调（同步检波）。另外，在调制信号f(t)的过零点处，高频载波相位有180°的突变。由频谱图可知，DSB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。DSB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。203.1

线性系统的调制与解调3.1.3单边带调制（SSB）

基本思想：只传送两个USB或两个LSB，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。1.SSB的频谱2.单边带信号的产生滤波法产生单边带信号：产生SSB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，滤除不要的边带。213.1

线性系统的调制与解调223.1

线性系统的调制与解调3.1.3单边带调制（SSB）233.1

线性系统的调制与解调3.1.3单边带调制（SSB）Hd

()是边带滤波器的传输函数，以c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。反过来则可滤除上边带，保留下边带。用滤波法形成SSB信号的技术难点是，若调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，这要求单边带滤波器在f0

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。其已调信号表达式243.1

线性系统的调制与解调3.1.3单边带调制（SSB）3.单边带信号的表达式单边带调制下边带时域表达式为：上边带信号的表达式：253.1

线性系统的调制与解调3.1.4残留边带调制（VSB）1.VSB的频谱残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难题。在VSB中，不是完全抑制一个边带（如同SSB中那样），而是逐渐切割，使其残留—小部分，如图所示。263.1

线性系统的调制与解调3.1.4残留边带调制（VSB）2.VSB信号的产生用滤波法实现残留边带调制的原理如图所示。图中,滤波器的特性HVSB()应按残留边带调制的要求来进行设计。273.1

线性系统的调制与解调3.1.4残留边带调制（VSB）2.VSB信号的产生残留边带信号必须使用相干解调。283.1

线性系统的调制与解调3.1.4残留边带调制（VSB）2.VSB滤波器的特性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VSB滤波器传输特性HVSB()必须遵循条件：HVSB(+c)+HVSB(−c)=常数。满足上述条件的HVSB()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。293.1

线性系统的调制与解调3.1.5解调信号解调的目的信号解调的方法：相干解调和非相干解调303.1线性系统的调制与解调相干解调（同步检波）313.1线性系统的调制与解调非相干解调（包络检波）AM信号UCM+f(t)323.2

线性调制系统的信噪比

首先解调方框图，如下：

图中u(t)为已调信号，n(t)为加性高斯白噪声。u(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ui(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。最后经解调器解调输出的有用信号为uo(t)，噪声为no(t)。33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：

3.2

线性调制系统的信噪比343.2

线性调制系统的信噪比

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。353.2

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解调器输入端的信噪比线性调制系统相关解调方框图363.2

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：373.2

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解调器输入端的信噪比则进一步得到信噪比为：解调器输出端的信噪比先写出输出端信号的表达式：383.2

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通过相干解调，然后通过低通滤波器其表达式为：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：393.2

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因为解调器输出端的信噪比故输出端的信噪比为：解调器的信噪比增益403.2

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：符号“-”表示上边带，符号“+”表示下边带。413.2

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:423.2

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：433.2

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：443.2

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SSB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倍，所以DSB与SSB调制的抗噪声性能是一样的。45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：(1）该理想带通滤波器中心频率为多大？(2)解调器输入端的信噪功率比为多少？(3)调器输出端的信噪功率比为多少？(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463.2

线性调制系统的信噪比3.2.3AM调制系统非相干解调的抗噪声性能解调器输入端的信噪比包络检波法解调方框图473.2

线性调制系统的信噪比3.2.3AM调制系统非相干解调的抗噪声性能解调器输入端的信噪比包络检波器输入有用信号为：输入端的信号平均功率：噪声功率为：解调器输入端的信噪比为：483.2

线性调制系统的信噪比3.2.3AM调制系统非相干解调的抗噪声性能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。493.2

线性调制系统的信噪比3.2.3AM调制系统非相干解调的抗噪声性能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：条件：503.2

线性调制系统的信噪比3.2.3AM调制系统非相干解调的抗噪声性能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：513.2

线性调制系统的信噪比3.2.3AM调制系统非相干解调的抗噪声性能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。条件：523.2

线性调制系统的信噪比3.2.3AM调制系统非相干解调的抗噪声性能解调器输出端的信噪比3、门限效应

包络检波器的输入端信噪比大小会影响包络检波器的抗噪声性能。只有信噪比大于某个临界值时，包络检波器才能正常解调，该临界值称为门限值，则包络检波器存在门限值这一现象称为门限效应。533.3

非线性调制的原理3.3.1角度调制的基本原理原理

基带信号改变载波信号的角度这个参量，且形成的频谱结构不再与原始基带信号频谱结构相同。角度调制信号的表达式连续波调制的高频载波

振幅调制线性调制FMPM非线性调制543.3

非线性调制的原理3.3.1角度调制的基本原理原理式中：称为信号的瞬时相位。称为瞬时相位偏移。称为信号的瞬时角频率。称为瞬时角频率偏移。553.3

非线性调制的原理3.3.1角度调制的基本原理PM调制原理定义：瞬时相位偏移是调制信号f(t)的线性函数。即：