模模拟调系统课件

5.1幅度调制（线性调制）的原理5.2线性调制系统的抗噪声性能5.3非线性调制（角度调制）的原理5.4调频系统的抗噪声性能5.5各种模拟调制系统的性能比较5.6频分复用和调频立体声5.7小结7/26/20231CP第五章模拟调制系统模拟通信系统模型：噪声调制信道解调信宿信源1、调制的概念让基带信号（调制信号）m（t）去控制载波的某个（或某些）参数，使该参数按照信号m（t）的规律变化的过程。7/26/20232CP第五章模拟调制系统2、调制的目的（1）与信道相适应（2）天线的要求（3）实现频分复用（4）改善系统性能3、载波（Carrier）（1）正弦波（2）周期脉冲序列4、调制的分类（1）模拟调制：基带信号是模拟信号（2）数字调制：基带信号是数字信号7/26/20233CP第五章模拟调制系统5、常见的模拟调制最常见的模拟调制是以正弦波为载波的调制载波：载波的三要素：幅度调制（线性调制）频率调制相位调制（非线性调制）而由频谱特性的不同，幅度调制又可以分为：AM：标准调幅调制SSB：单边带调制DSB：抑制载波的双边带调制VSB：残留边带调制7/26/20234CP第五章模拟调制系统5.1幅度调制（线性调制）的原理载波：线性调制的一般过程h(t)：冲激响应为h(t)的带通滤波器BPF适当地选择BPF可以得到各种幅度调制：AM、DSB、SSB、VSB7/26/20235CP第五章模拟调制系统时域：频域：

幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号（基带信号）的规律而变化的过程。7/26/20236CP第五章模拟调制系统5.1.1调幅(AM)1、已调信号2、调制模型假设h(t)=δ(t)，即滤波器（H(ω)=1）为全通网络7/26/20237CP第五章模拟调制系统3、AM调制的波形及频谱7/26/20238CP第五章模拟调制系统4、频谱特点（1）调幅过程使原始信号频谱M(ω)左右搬移了ωc，搬移后的频谱中包含：载波分量：边带分量：（2）AM波的带宽是基带信号带宽fH的2倍：

BAM=2fHBAM7/26/20239CP第五章模拟调制系统载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带（3）上边带（USB）和下边带（LSB）7/26/202310CP第五章模拟调制系统当满足条件|m(t)|max≤A0时，AM信号的包络与调制信号的波形相同；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，为保证无失真解调，可以采用同步检波器。5、AM调制要求：|m(t)|max≤A0（不过调）7/26/202311CP第五章模拟调制系统6、AM调制的功率和效率AM信号在1Ω电阻上的平均功率应等于信号sAM(t)的均方值。当m(t)为确知信号时，sAM(t)的均方值即为其平方的时间平均：通常假设调制信号没有直流分量，即：又因为：7/26/202312CP第五章模拟调制系统载波功率边带功率所以，AM信号在1Ω电阻上的平均功率为：（1）AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分，只有边带功率才与调制信号m(t)有关，载波分量不携带信息；（2）|m(t)|max≤A0，所以有：ps≤pc，即使在“满调幅”（|m(t)|max=A0时，也称100％调制）条件下，载波分量仍占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有的功率较小。7/26/202313CP第五章模拟调制系统因此，从功率上讲，AM信号的功率利用率比较低。（3）AM调制波的效率：7、AM调制的特点功率低效，频带利用低，但接收简单。7/26/202314CP第五章模拟调制系统5.1.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）在AM信号中，信息完全由边带传送，载波分量并不携带信息，却占据了2/3以上的功率。

AM调制的缺点：如果将载波抑制，即可得到抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）1、DSB已调信号时域：频谱：7/26/202315CP第五章模拟调制系统2、DSB调制过程的波形及其频谱7/26/202316CP第五章模拟调制系统由时间波形可知，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)。在调制信号m(t)的过零点处，载波相位有180°的倒相；DSB信号的频带宽度是调制信号带宽的两倍：

BDSB=2fH；DSB信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了,但由于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，因此仅传输其中一个边带即可。这就是单边带调制能解决的问题。3、DSB频谱特点7/26/202317CP第五章模拟调制系统5、DSB的特点：优点：功率高效，节省了载波功率，调制效率100％；缺点：频带利用并不高效，多传了一倍的频带信息，且不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。4、DSB的功率和效率而要使频带高效，这就是单边带调制能解决的问题。7/26/202318CP第五章模拟调制系统DSB的频带利用并不高效：7/26/202319CP第五章模拟调制系统5.1.3单边带调制(SSB)1.SSB调制原理：双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M()的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。7/26/202320CP第五章模拟调制系统2.由滤波法产生SSBa、滤波法的原理方框图——用边带滤波器，滤除不要的边带:b、单边带滤波器：——可滤除下边带，产生上边带SSB——可滤除上边带，产生下边带SSBHPF:LPF:7/26/202321CP第五章模拟调制系统边带滤波的演示：7/26/202322CP第五章模拟调制系统C、用滤波法形成单边带信号的困难：

用滤波法形成SSB信号的技术难点是，由于一般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，这就要求单边带滤波器在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。为此，在工程中往往采用多级调制滤波的方法。7/26/202323CP第五章模拟调制系统3、SSB信号的表达式频域：DSB信号边带滤波器时域：例如——产生下边带的滤波器：7/26/202324CP第五章模拟调制系统（1）“－”：上边带（2）“＋”：下边带（3）希尔伯特变换：对m(t)的所有频率分量相移（-π/2）。7/26/202325CP第五章模拟调制系统4、相移法：利用相移网络，对载波和调制信号进行适当移相，以便在合成过程中将其中一个边带抵消掉。7/26/202326CP第五章模拟调制系统

SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。综上所述：SSB调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，因此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式。5、SSB信号的带宽BSSB=fH缺陷：对滤波器要求高，很难实现。7/26/202327CP第五章模拟调制系统5.1.4残留单边带调制(VSB)1、原理：残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现中的困难。在这种调制方式中，不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留—小部分。7/26/202328CP第五章模拟调制系统2、VSB示意图：7/26/202329CP第五章模拟调制系统频域：滚降边带滤波器滤波器特性：互补对称性4、信号带宽：一般B1<fHB1：残留边带带宽，3、表达式：残留边带滤波器的特性H()在c处半幅度点必须具有互补对称（奇对称）特性，相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信号。7/26/202330CP第五章模拟调制系统5.1.5线性调制的一般模型线性调制的一般模型时域表达式：频域表达式：适当地选择滤波器的特性H(w)，便可以得到各种幅度调制信号7/26/202331CP第五章模拟调制系统各种调制的H(w)：DSB、AM:SSB:VSB:7/26/202332CP第五章模拟调制系统幅度调制的比较调制类型时域表达式频域表达式带宽AM2fHDSB2fHSSBfHVSBfH+B17/26/202333CP第五章模拟调制系统5.1.6相干解调和包络检波解调：调制的逆过程，其作用是从已调信号中恢复出原始基带信号。解调分类：相干解调/同步检波包络解调1、相干解调/同步检波（1）相干解调的要求：收方一定要有一个与发方相同的载波。相干/同步/本地载波收方与发方载波的瞬时频率相同收方与发方载波的相位差为07/26/202334CP第五章模拟调制系统（2）相干解调器的一般模型LPFLPF：低通滤波器，带宽：fH；作用：提取基带信号。c(t)：相干/同步/本地载波sm(t)：已调信号7/26/202335CP第五章模拟调制系统（3）相干解调的频谱LPF已调信号sm(t)与载波相干相乘后的sp(t)的频谱：

已调信号sm(t)的频谱：

载波c(t)的频谱：7/26/202336CP第五章模拟调制系统将M(w)搬移到±2ωc处的频谱，为高频信号，由LPF滤除。7/26/202337CP第五章模拟调制系统所以，解调输出so(t)的频谱为：（4）各种调制的相干解调输出：AM：DSB：SSB：VSB：一般不使用相干解调，使用包络解调7/26/202338CP第五章模拟调制系统5.2线性调制系统的抗噪声性能5.2.1分析模型其中，若为同步解调器LPF7/26/202339CP第五章模拟调制系统其中：（1）BPF：带通滤波器，理想的矩形图形，带宽为已调信号sm(t)的带宽，由LC谐振回路放大器实现；作用：滤除带外噪声；让信号通过。（2）经过BPF后：已调信号sm(t)不变噪声由n

(t)变成ni(t)，即由宽带白噪声变成窄带高斯白噪声。衡量模拟通信系统性能好坏的标准是信噪比。7/26/202340CP第五章模拟调制系统窄带高斯过程：输入噪声的平均功率：输入信号的平均功率：输入信噪比：?通常使用：7/26/202341CP第五章模拟调制系统输出噪声的平均功率：输出信号的平均功率：输出信噪比：系统/制度增益7/26/202342CP第五章模拟调制系统5.2.2DSB调制系统的性能1、DSB相干解调模型已调信号：（1）解调器输入端B=2fH7/26/202343CP第五章模拟调制系统信号：（2）解调器输出端A点：B点：高频信号C点：7/26/202344CP第五章模拟调制系统噪声：A点：B点：C点：（B=2fH）7/26/202345CP第五章模拟调制系统输出信噪比：（3）系统/制度增益DSB调制增益很高，但其代价是信号带宽较大：BDSB=2fH7/26/202346CP第五章模拟调制系统5.2.3SSB调制系统的性能（1）解调器输入端B=fH7/26/202347CP第五章模拟调制系统（2）解调器输出端经过LPF信号：7/26/202348CP第五章模拟调制系统噪声：分析过程与DSB类似，结论也相同。（B=fH）输出信噪比：（3）系统/制度增益7/26/202349CP第五章模拟调制系统判断：DSB抗噪声性能优于SSB?结论：在相同的输入信号功率Si、n0和fH的条件下，SSB抗噪声性能与DSB相同，但SSB所需要的传输带宽仅为DSB的一半，所以SSB的应用更为广泛。SiNiSoNo(SNR)oDSBSSBSSB7/26/202350CP第五章模拟调制系统AM同步解调的性能：一般不用同步解调，试自己分析。结论：7/26/202351CP第五章模拟调制系统5.2.4AM包络检波的性能1、AM的包络检波器AM信号2、AM包络解调的优缺点优点：不需要从收到的信号中提取相干载波，电路简单，检波效率高。缺点：性能下降，发方功率要求高。7/26/202352CP第五章模拟调制系统3、AM包络解调的抗噪声性能分析模型解调器输入端：信号：噪声：7/26/202353CP第五章模拟调制系统所以有：解调器输入端的混合信号：7/26/202354CP第五章模拟调制系统其中：（包络）7/26/202355CP第五章模拟调制系统讨论：（1）大信号时，即：则有：（A0：直流部分，可用隔直流电容隔离）输出：输出信号功率：输出噪声功率：（B=2fH）7/26/202356CP第五章模拟调制系统所以有：又因为：(试与AM相干解调结果相比较）7/26/202357CP第五章模拟调制系统AM相干解调与包络解调结果的比较AM解调方式解调输入信号解调输入噪声输入信噪比解调输出信号解调输出噪声输出信噪比制度增益G相干sAM(t)ni(t)包络sAM(t)ni(t)7/26/202358CP第五章模拟调制系统AM调制要求：

|m(t)|max≤A0（不过调）对于100％AM调制，即|m(t)|max＝A0时：则：所以：AM包络检波的最大制度增益7/26/202359CP第五章模拟调制系统（2）小信号时，即：小信号时，解调过程并不理想，经过分析，可以发现包络检波器的输出端没有单独的基带信号m(t)，即不能解调出干净的原始信号。4、包络解调的门限效应当信号小到一定程度（a点），输出信号突然急剧变化，这一现象称为门限效应，而这一点称为门限。门限效应是由包络检波的非线性引起的。注意：相干解调不存在门限效应。7/26/202360CP第五章模拟调制系统例1：已知已调信号试求：（1）载波功率和边带功率；（2）功率的调制效率η；（3）制度增益G；（4）若要求S0/N0≥30dB，求Ni和n0。7/26/202361CP第五章模拟调制系统例2：设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度在该信道中传输DSB信号，并已知调制信号的频带限制在5kHz，而载波为100kHz，已调信号功率为10kW。若接收机的输入信号在加至解调器之前先经过一个理想带通滤波器，试问：（1）该理想带通滤波器的中心频率和带宽为多少；（2）解调器输入端的信噪比为多少；（3）解调器输出端的信噪比为多少；（4）求出解调器输出端的噪声功率谱密度，并画出图形。7/26/202362CP第五章模拟调制系统5.3非线性调制（角度调制）原理5.3.1角度调制的基本概念通过改变载波的频率或相位来实现调制，即载波的幅度保持不变，而载波的频率和相位随基带信号m(t)变化。角度调制信号（已调信号）的一般表达式：式中：A——载波的恒定振幅；ct+(t)——为载波信号的瞬时相位;

(t)——瞬时相位偏移；7/26/202363CP第五章模拟调制系统A——载波的恒定振幅；ct+(t)——为载波信号的瞬时相位;(t)——瞬时相位偏移；可进一步得到：瞬时角频率：瞬时频率偏移：若把基带信号m(t)控制(t)瞬时频率偏移瞬时相位偏移相位调制频率调制7/26/202364CP第五章模拟调制系统1、相位调制（PM）：瞬时相位偏移(t)随基带信号m(t)成线性变化，即：Kp：调相系数，单位：rad/V则调相信号为：2、频率调制（FM）：瞬时频率偏移d[(t)]/dt随基带信号m(t)成线性变化，即：Kf：调频系数，

单位是rad/sV7/26/202365CP第五章模拟调制系统则瞬时相位偏移(t)为：调频信号为：因为瞬时角频率：则：（1）

瞬时角频率7/26/202366CP第五章模拟调制系统（2）

窄带调频和宽带调频如果FM信号的最大瞬时相移满足：此时FM的频谱比较窄，称为窄带调频（NBFM）；对于调频信号：若不满足上式，则FM的频谱比较宽，称为宽带调频（WBFM）。7/26/202367CP第五章模拟调制系统（4）

带宽卡尔森公式因为瞬时频率偏移所以，定义“最大频偏”：或（3）“最大频偏”的定义一般：所以，一般FM信号所占信道非常宽，属于宽带调制。

FM调制的缺点：宽带调频的带宽是线性调制的几十～几百倍。而这一缺点也换来了一个很大的优点——信噪比（保真度）高。7/26/202368CP第五章模拟调制系统（5）

窄带调频和宽带调频的带宽卡尔森公式若为窄带调频，即则带宽为：若为宽带调频，即则带宽为：7/26/202369CP第五章模拟调制系统3、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；如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号；由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，所以FM与PM之间是可以相互转换的。7/26/202370CP第五章模拟调制系统4、PM信号和FM信号波形(a)PM信号波形(b)FM信号波形7/26/202371CP第五章模拟调制系统5.4调频系统的抗噪声性能1、FM非相干解调框图信号：限幅器：消除接收信号在幅度上可能出现的畸变。带宽：BPF：让信号通过，滤除带外噪声。在大信噪比条件下：7/26/202372CP第五章模拟调制系统鉴频器：实现调频信号的解调，产生一个与调频信号的频率成线性关系的输出电压。鉴频器只对信号的角度（相位）感兴趣：对整个相位进行微分，然后再减去一个直流（中心频率），如下：解调输出信号：输入信号：7/26/202373CP第五章模拟调制系统输出噪声no(t)：（fm：基带信号带宽）7/26/202374CP第五章模拟调制系统2、FM非相干解调性能（1）输入信噪比7/26/202375CP第五章模拟调制系统（2）输出信噪比

该信噪比对一切调频均适用，但是比较复杂，若m(t)为简单的单音信号，则该表达式可以进一步简化。7/26/202376CP第五章模拟调制系统3、单音调频若基带信号为单一频率的正弦波，即：当它对载波进行频率调制时，即为单音调频。基带信号截止频率：fm（1）已调信号7/26/202377CP第五章模拟调制系统（2）定义调频指数（只对单音信号有此定义）又因为“最大频偏”：对于单音信号，有：则：所以有：7/26/202378CP第五章模拟调制系统（2）单音信号信噪比的简化

简化？代入信噪比表达式，化简得7/26/202379CP第五章模拟调制系统由于：而n0fm可以看作基带带宽内的输入噪声：所以得到第一种简化形式：7/26/202380CP第五章模拟调制系统G又因为：则有：得到第二种简化形式：7/26/202381CP第五章模拟调制系统可得系统增益：其中调频指数：上式表明，在大信噪比情况下，宽带（mf较大）调频的G是很大的，其抗噪声性能很好。代价：牺牲带宽，换取性能7/26/202382CP第五章模拟调制系统在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益是很高的，即抗噪声性能好。例如，调频广播中常取mf＝5，则制度增益GFM=450。也就是说，加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。例如：mf＝9，fm＝3KHz7/26/202383CP第五章模拟调制系统5、单音调频应用举例4、FM门限效应调频（FM）广播广播电视伴音卫星广播电视7/26/202384CP第五章模拟调制系统例1：设一宽带频率调制（FM）系统，载波幅度为100V，频率为100MHz，调制信号m(t)的频率限制在5kHz，并设信道中噪声功率谱密度是均匀的，其单边功率谱密度为0.001W/Hz，试求：（1）接收机输入端的理想带通滤波器的传输特性H(ω)；（2）接收机输入端的信噪功率比；（3）接收机输出端的信噪功率比；（4）若m(t)以AM调制方法传输，并以包络检波器进行解调，试比较在输出信噪比和所需带宽方面与FM系统有何不同？7/26/202385CP第五章模拟调制系统5.5各种模拟调制系统的比较在同等条件下：相等的信号输入功率Si；均值为零、双边功率谱密度为n0/2的高斯白噪声；基带信号的带宽为fm，且满足：不限制各种调制的带宽B：7/26/202386CP第五章模拟调制系统1、DSB调制2、SSB调制3、100％的AM调制4、FM调制各种调制解调端的输出信噪比：7/26/202387CP第五章模拟调制系统在相同的条件下：各种调制解调端的输出信噪比的比较：例：AM与FM性能比较(1)输出信噪比之比：(2)带宽：性能的得益是以带宽为代价的。7/26/202388CP第五章模拟调制系统5.6频分复用5.6.1频分复用的概念1、复用的定义：将若干个彼此独立信号合并在一起，在同一个信道中进行传输的方法。复用的分类：频分复用——FDM时分复用——TDM码分复用——CDM频分复用：一种按频率划分信道的复用方式，主要用于模拟通信，也可用于数字通信。7/26/202389CP第五章模拟调制系统2、频分复用系统的组成方框图LPF：每路信号通过LPF限制其最高基带频率fm；SBF：边带滤波器，产生各种调制波形；调制端解调端7/26/202390CP第五章模拟调制系统（1）该框图包括DSB、SSB、VSB，区别仅在于SBF；（2）该框图包括同步（相干）AM，但不包括包络AM；（3）该框图不包括FM。注意：7/26/202391CP第五章模拟调制系统（1）fg：防卫带/保护带（GuardBand）作用：防交叠；便于接收，使接收端BPF容易实现。3、频分复用的频谱设每路基带信号具有相同的fm；一般，fg＝900Hz7/26/202392CP第五章模拟调制系统（2）带宽的计算假设：fm相等、fg相等a、SSB的频分复用带宽fi——第i路的载波频率FDM带宽（n路）：B1=fm+fg：一路SSB信号占用的带宽7/26/202393CP第五章模拟调制系统b、DSB的频分复用带宽B1=2fm+fg：一路DSB信号占用的带宽c、FM的频分复用带宽其中：7/26/202394CP第五章模拟调制系统例：3路频分复用电话通信系统原理(a)发送端原理方框图4.3~7.4kHz8.3~11.4kHz4kHz12kHz8kHz多路信号输出相乘带通低通话音输入1f1相乘带通低通话音输入2f2相乘带通低通话音输入3f3300~3400Hz300~3,400Hz300~3,400Hz输入端：4kHz8kHz12kHz基带语音信号300–3,400Hz4.3–7.4kHz8.3–11.4kHz12.3–15.4kHzf07/26/202395CP第五章模拟调制系统多路信号输入(b)接收端原理方框图话音输出1话音输出2话音输出3相乘低通带通f1相乘低通带通f1相乘低通带通f14.3~7.4kHz8.3~11.4kHz12.3~15.4kHz3400Hz3400Hz3400Hz8kHz12kHz4kHz输出端：4kHz8kHz12kHz基带语音信号300–3,400Hz4.3–7.4kHz8.3–11.4kHz12.3–15.4kHzf07/26/202396