第5章 模拟调制系统

通信原理——第5章模拟调制系统新疆师范大学物理与电子工程学院主讲人：赵忠华13319801893108757488@调制在通信系统中有重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱的搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制转化为适合信道传输或便于信道变路复用的已调信号，而且对系统传输的有效性和传输的可靠性有很大的影响。本章的主要内容包括：幅度调制原理及抗噪声性能；非线性调制原理及抗噪声性能；频分复用等。本章内容

重点：1、线性和非线性调制的信号及其频域表示；2、线性和非线性调制的频谱图；3、线性和非线性调制的调制和解调原理；4、线性和非线性调制系统的抗噪声性能分析。

难点： 系统的抗噪声性能的分析方法。本章内容章节目录幅度调制的原理5.1线性调制系统的抗噪声性能5.2非线性调制原理5.3调频系统的抗噪声性能5.4各种模拟调制系统的比较5.5本章小结频分复用原理5.61、基本概念基带信号（调制信号）：来自信源的具有较低的频率分量的信号，在许多信道中不宜直接传输，位于调制前、解调后的信号。频带信号（已调信号）：调制后得到的信号，位于调制后、解调前的信号。调制：把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程广义的调制分为：基带调制和带通调制（载波调制）。载波调制：用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或几个参数按照调制信号的规律而变化。载波调制后的信号称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。2、调制的目的（1）搬移频率，使基带信号适合信道传输；（2）多路复用，有效利用信道频带；（3）提高性能，特别是抗干扰能力。3、调制的分类根据调制信号的类型和载波的形式分：模拟连续波调制、数字连续波调制、模拟脉冲调制和数字脉冲调制等最常用和最重要的模拟调制方式：幅度调制（线性调制）：调幅（AM）、双边带（DSB）、单边带（SSB）、残留边带（VSB）；角度调制（非线性调制）：频率调制（FM）、相位调制（PM）调制器m(t)C(t)sm

(t)单音正弦波连续变化的模拟量：模拟调制离散的数字量：数字调制单频正弦波连续波形连续载波调制脉冲波形脉冲载波调制矩形周期脉冲二进制数字脉冲§5.1

幅度调制原理m(t)幅度调制：用调制信号去控制正弦载波的振幅，使其按调制信号作线性变化的过程。基带调制信号在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化。在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。幅度调制信号频谱搬移是线性的线性调制调制信号叠加直流A01、原理及波形5.1.1

调幅（AM）当满足条件

m(t)

max

A0时，AM信号的包络与调制信号成正比。2、波形分析

m(t)

max>A0将会出现过调幅现象而产生包络失真。不能用包络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用同步解调。调幅度满调幅m=1，此时

m(t)max=A0

欠调幅，m<1；过调幅，m>1。1）SAM(

)由载频分量和上、下两个边带组成；2）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；3）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。3、频谱分析载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带不带信息的载波功率调制信号平均功率（也称边带功率）调制后信号的总平均功率4、功率分析调制效率：边带功率与总平均功率的比值，用符号

AM表示“满调幅”时，可得到最大的调制效率

AM=33.3%。当m(t)=Amcos

mt时如果m(t)为矩形波形，“满调幅”时，则最大可得到

AM=0.5。一般情况下，m都小于1，调制效率很低，即载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占有的功率较小。5、AM特点优点：可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号。缺点：AM信号的功率利用率比较低；问题：能否去掉不带信息的载波，提高功率利用率？解决方法：抑制载波。小结：1）为了实现不失真的调幅，必须满足下列两个条件：（1）保证总是正的，否则将会出现过调制。（2）载波频率应远大于调制信号的最高频谱分量，否则会出现频谱交叠。2）已调信号频谱是原始频谱搬移了的结果，且幅度谱对原点是偶对称的。3）AM波的带宽是调制信号带宽的两倍。抑制载波1、原理时域：无直流分量A0频谱：无载频分量5.1.2

抑制载波的双边带调制（DSB-SC）2、波形分析DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致;需采用相干解调（同步检波）;在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180o突变。3、频谱分析频谱特点：除了不含有载波分量，包含AM的所有频谱特点。4、功率分析DSB信号节省了载波功率，功率利用率提高了；频带宽度仍是调制信号带宽的两倍；上、下两个边带是完全对称的。调制效率：100％问题：能否只传输其中一个边带，节省带宽？单边带调制BAM=2fH小结：1）

DSB信号的包络不与成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调。2）DSB信号虽节省了载波发射功率，但仍具有两个边带，频带宽度与AM信号相同。由于这两个边带所携带的信息相同，传输其中一个边带即可，这种方式是单边带调制。课堂练习：P128（1,2）DSB信号的上、下边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。两种产生方法：滤波法和相移法。5.1.3

单边带调制（SSB）h(t)m(t)SDSB(t)边带滤波器理想高通SSSB(t)理想低通1、滤波法SSB信号的频谱上边带用滤波法形成SSB信号的技术难点: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要求单边带滤波器在fC附近具有陡峭的截止特性解决方法：在工程中往往采用多级（一般采用两级）调制滤波。不能用于调制信号中含有直流及低频分量。带来问题：滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。例如，若经过滤波后的话音信号的最低频率为300Hz，则上下边带之间的频率间隔为600Hz，即允许过渡带为600Hz。在不太高的载频情况下，滤波器不难实现；但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。设单频调制信号m(t)=Amcosωmt载波c(t)=cosωCt相乘得DSB信号sDSB(t)=AmcosωmtcosωCt

2、相移法上边带下边带（1）研究方法：从简单的单频调制出发，得到SSB信号的时域表示式，然后再推广到一般表示式。保留上边带保留下边带合并起来写为：“－”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。Amcosωmt

Amsinωmt

希尔伯特变换，记作相移

/2，幅度不变（2）希尔伯特变换：单边带调制的一般表示基带波形总可以表示成许多正弦信号之和。傅里叶变换傅里叶变换称传递函数Hh(ω)为希尔伯特滤波器Hilbert所有的频率分量均精确相移

/2是难点解决方法：维弗法是一个宽带相移网络，将信号m(t)所有的频率分量均相移

/2。小结：1

）节省发射功率，信号带宽BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，所以，它目前是短波通信中的一种重要调制方式。2）包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。3）相移法不需要具有陡峭截止特性的滤波器。4）缺点：宽带相移网络难用硬件实现。课堂练习：P128（3）DSB信号占用频带宽SSB信号实现困难折中残留边带调制VSB不是完全抑制一个边带逐渐切割，使其残留一小部分5.1.4

残留边带调制（VSB）调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法SSB调制器相同。不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。由滤波法可知，残留边带信号的频谱为：残留边带滤波器传输特性H(

)满足的条件？VSB信号必须采用相干解调。相干解调代入无失真地重现调制信号要求m(t)

M(ω)

选择合适的低通滤波器的截止频率，消掉

2ωC处的频谱1.0(a)残留下边带滤波器传输特性1.00.50(b)残留上边带滤波器传输特性0.50图4.2.6残留边带滤波器传输特性结论：残留边带滤波器的特性H(

)在

c处必须具有互补对称（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。在

ωC处具有互补对称（奇对称）特性残留部分上边带的滤波器特性残留部分下边带的滤波器特性图4.2.8残留边带滤波器的几何意义(d)(c)(b)(a)1.00.501.000.51.000.51.000.5HVSB(ω

ωC)和HVSB(ω+ωC)在ω=0处具有互补对称的滚降特性矛盾：残留边带信号的带宽与滤波器的实现之间课堂练习：P128（4）5.1.5线性调制的一般模型1、滤波法选取不同的H(ω)可得到DSB、SSB或VSB信号。2、移相法调制过程是一个频谱搬移的过程，它将低频调制信号的频谱搬移到载频位置。而解调是将位于载频的信号频谱再搬回来，并且要无失真地恢复出原始基带信号。解调的方式有两种：相干解调与非相干解调。相干解调适用于各种线性调制系统，非相干解调一般只适用幅度调制（AM）信号。5.1.6

相干解调与包络检波相干解调器适用于所有线性调制信号的解调。1、相干解调——频谱搬移相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。——在接收端解调信号时不需要本地载波，而是利用已调信号中的包络信息来恢复原基带信号。因此，属于非相干解调。适用条件：AM信号，且要求|m(t)|max

A0特点：电路简单，效率高，所以几乎所有的幅度调制（AM）接收机都采用这种电路。2、包络检波串联型包络检波器电路包络检波器就是从已调波的幅度中提取原基带调制信号，其输出是相干解调的两倍。一个理想包络检波器的输出就是输入的包络。包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成。设输入信号是选择RC满足fH

－调制信号的最高频率在大信号检波时（一般大于0.5V），二极管处于受控的开关状态，检波器的输出为隔去直流后即可得到原信号m(t)作业P12856

1、请写出AM、DSB、SSB的已调信号的时域表示式。并画出频谱示意图。2、设信号在信道中传输时输入噪声的双边功率谱密度n0=1×10-3W/Hz。请计算出AM、DSB、SSB的输入噪声功率。课堂练习§5.2

线性调制系统的抗噪声性能研究对象：噪声对线性调制系统的影响。研究目的：掌握存在加性高斯白噪声时，各种线性调制系统的抗噪声性能。研究方法：用解调器的抗噪声性能来衡量。抗噪声能力通常用“信噪比”来度量。信噪比指信号与噪声的平均功率之比。5.2.1

分析模型

带通滤波器图5-14解调器抗噪声性能分析模型解调器问题：信道中存在加性高斯白噪声时，各种线性调制系统的抗噪声性能有什么区别？考虑信道中加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可用解调器的抗噪声性能来衡量。AWGN同相分量正交分量平均功率为Ni若白噪声的双边功率谱密度为n0/2

带宽B应等于已调信号的频带宽度，当然也是窄带噪声ni(t)的带宽

.平稳窄带高斯噪声与调制方式和解调方式有关不同类调制方式评价指标：解调器的输出信噪比。物理含义：衡量一个模拟通信系统质量的好坏调制制度增益同一调制方式，G越大，表明解调器的抗噪声性能越好。越大，表明解调器的抗噪声性能越好。比较同类调制系统采用不同解调器时的性能解调器可以是相干解调器，也可以是包络检波器。相干解调属于线性解调，故在解调过程中，输入信号及噪声可分开解调，适用于DSB、SSB、VSB、AM信号的解调。包络检波属于非线性解调，信号与噪声无法分开解调，可用于AM信号的解调。5.2.2

DSB调制系统的性能与相干载波相乘解调器输入信号线性系统，分别计算解调器输出的信号功率和噪声功率。低通滤波器后输出信号

有用信号功率与相干载波相乘解调器输入噪声低通滤波器后输出噪声噪声平均功率有用信号功率噪声平均功率B=2fH

输出信噪比基带信号的截止频率输入信噪比调制制度增益DSB信号的解调器使信噪比改善一倍这是因为采用同步解调，使输入噪声中的一个正交分量nS(t)被消除的缘故。5.2.3

SSB调制系统的性能B=fH

解调器输入信号低通滤波器后输出信号输出信号平均功率输入信号平均功率SSB解调器输入信噪比SSB解调器输出信噪比B=fH

制度增益在SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善。GDSB=2GSSB。能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好？输入信号平均功率DSBSSB所以两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率和噪声情况下得到的。相干解调的抗噪声性能：SSB与DSB比较输入噪声平均功率B=2fH

B=fH

输入信噪比如果在相同的输入信号功率Si，相同输入噪声功率谱密度n0，相同基带信号带宽fH条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比是相等的。DSB和SSB信号的抗噪声性能是相同的，但双边带信号所需的传输带宽是单边带的2倍。结论：VSB调制系统的抗噪声性能由于VSB调制系统采用的残留边带滤波器的频率特性形状不同，所以，抗噪声性能的计算是比较复杂的。结论：残留边带不是太大的时候，近似认为与SSB调制系统的抗噪声性能相同。作业P12989115.2.4AM包络检波的性能AM信号可采用相干解调和包络检波。相干解调时AM系统的性能分析方法与前面双边带（或单边带）的相同。实际中，AM信号的解调常用简单的包络检波法。A0为载波幅度，m(t)为调制信号。仍假设m(t)的均值为0，且A0

m(t)

max

解调器的输入信噪比解调器输入信号解调器输入噪声功率功率解调器的输入合成包络合成相位理想包络检波器的输出输入信号幅度远大于噪声幅度有用信号与噪声独立地分成两项

1、大信噪比情况：包络检波器的输出信号功率包络检波器的输出噪声功率包络检波器的输出信噪比解调器的输入信噪比制度增益结论：（1）AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加。（2）对包络检波器来说，为了不发生过调制现象，应有A0

m(t)

max。所以GAM总是小于1。（3）解调器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。例：100%的调制（即A0=

m(t)

max）且m(t)又是正弦型信号时，有若采用同步检波法解调AM信号，则得到的调制制度增益GAM与式（4-64）给出的结果一样。即在大信噪比时，采用包络检波解调和同步检测时的性能一样。但采用同步检测时其调制制度增益不受信号与噪声相对幅度假设条件的限制。AM系统的最大信噪比增益

条件：输入信号幅度远小于噪声幅度2、小信噪比情况合成包络当x<<1时，有用信号m(t)被噪声扰乱，致使m(t)cos

(t)也只能看作是噪声输出信噪比急剧下降，这种现象称为解调器的“门限效应”。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。这种门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的。相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。结论：（1）在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同。（2）随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应；一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化。作业P1301314§5.3

非线性调制原理研究对象：非线性调制（频率和相位调制）。研究目的：非线性调制的内涵。研究方法：分析调频和调相及两者之间的关系。线性调制是通过调制信号改变载波的幅度来实现的，而非线性调制是通过调制信号改变载波的角度来实现的。5.3.1角度调制的基本概念1、FM和PM信号的一般表达式任一未调制的正弦载波可表示为式中，A为载波的振幅，称为载波信号的瞬时相位；称为载波信号的角频率；为初相。调制后正弦载波可表示为：任意一个幅度不变的正弦函数可表示为：正弦波的瞬时频率未调制载波角度调制后瞬时相位角调波瞬时相位瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率偏移相位调制：瞬时相位偏移随调制信号m(t)而线性变化调相灵敏度瞬时频率频率调制：瞬时频率偏移随调制信号m(t)而线性变化调频灵敏度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。

2、单音调制FM和PM调相指数：最大相位偏移调频指数：最大相对频率偏移(a)载波(b)m(t)(c)FM(d)PM如果不知道调制信号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。

图

直接和间接调相图

直接和间接调频实际相位调制器的调制范围有限

适用于窄带调制

适用于宽带调制

适用于宽带调制

3、FM和PM之间的关系5.3.2窄带调频宽带调频（WBFM）A＝1窄带调频窄带调频（NBFM）都含有载波和边带频率加权引起频谱的失真例如单音调制信号为m(t)=Amcos

mt，分析其窄带调频后的频谱。而单音AM信号两个边频的合成矢量与载波同相，只发生幅度变化下边频为负NBFM：两个边频的合成矢量与载波则是正交相加，因而存在相位变化

，当最大相位偏移满足式（5.3-11）时，幅度基本不变。在长距离高质量的通信系统中，如微波或卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等多采用宽带调频。NBFM信号最大相位偏移较小占据的带宽较窄抗干扰性能强的优点不能充分发挥用于抗干扰性能要求不高的短距离通信中5.3.3宽带调频当不满足式的窄带条件时，为简化宽带调频的频谱分析，只研究单音调制的情况，然后把分析的结论推广到多音情况。

设单音调制信号为m(t)=Amcos

mt则调频信号瞬时相位偏移为最大角频率偏移1、调频信号表达式调频信号调频指数最大频率偏移展成级数形式Jn(mf)为第一类n阶贝塞尔（Bessel）函数Bessel函数性质n为奇数时：J-n(mf)=

Jn(mf)n为偶数时：J-n(mf)=Jn(mf)频谱包含无穷多个频率分量，因此，理论上调频波的频带宽度为无限宽边频幅度Jn(mf)随着n的增大而逐渐减小，调频信号可近似认为具有有限频谱n为奇数时，上下边频极性相反；n为偶数时，上下边频极性相同。载波分量相邻边频间隔fm当mf

1以后，取边频数n=mf

+1即可调频波的带宽mf

<<1时，BFM=2fm是窄带调频的带宽；mf

>>1时，BFM=2

f。卡森公式2、调频信号的带宽推广到多音调制情况：任意带限信号调制时的调频信号带宽的估算公式：BFM=2(mf+1)fm

（5.3-26）这里，fm是调制信号的最高频率，mf是最大频偏

f与fm的比值。调频信号消耗的平均功率为

由贝塞尔函数的性质3、调频信号的功率分配结论：调频信号的平均功率等于未调载波的平均功率，即调制后总功率不变，只是将原来载波中的一部分功率分配给每个边频。分配原则与调频指数有关。调频信号的产生----调制：直接法和间接法调频信号的解调：非相干解调和相干解调1、调频信号的产生——直接法直接法——用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即：

i(t)=

0+Kfm(t)5.3.4调频信号的产生与解调优点：在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。缺点：频率稳定度不高。锁相环（PLL）调制器，可以获得高质量的FM或PM信号。其载频稳定度很高，可以达到晶体振荡器的频率稳定度。PLL是一个能够跟踪输入信号相位的闭环启动控制系统。由于PLL具有引人注目的特性，即载波跟踪特性、调制跟踪特性和低门限特性，因而使得它在无线电通信的各个领域得到了广泛的应用。由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。倍频器的作用是提高调频指数mf，从而获得宽带调频2、调频信号的产生——间接法——宽带调频——窄带调频输出－－输入间的关系为输入信号为调频信号输出信号为去掉直流载频和相位偏移均增为2倍，调频指数也必然增为2倍倍频器：以理想平方律器件为例结论：经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍。间接调频存在的问题？调频广播的调频发射机首先以f1=200kHz为载频，用最高频率fm=15kHz的调制信号产生频偏

f1=25Hz的窄带调频信号。调频广播的最终频偏

f=75kHz，载频fC在88-108MHz频段内。因此需要经过的n=

f/

f1=75

103/25=3000的倍频，但倍频后新的载波频率(nf1)高达600MHz，不符合fC的要求。解决方法：

混频器进行下变频。混频器只改变载频而不影响频偏混频器1混频器设计P113:【例5-1】在上述宽带调频方案中，设调制信号是fm=15kHz的单频余弦信号，NBFM信号的载频f1=200kHz，最大频偏

f1=25Hz；混频器参考频率f2=10.9MH，选择倍频次数n1=64，n2=48。求（1）NBFM信号的调频指数；（2）求调频发射信号（即WBFM）的载频、最大频偏和调频指数。解：（1）NBFM信号的调频指数（2）先求调频发射信号的载频：优点：频率稳定度好。缺点：需要多次倍频和混频，电路较复杂。3、调频信号的解调——非相干解调调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。m0(t)

Kfm(t)削去调频波在传输过程中引起的幅度变化部分，变成固定幅度将幅度恒定的调频波变成调幅调频波从幅度变化中检出调制信号缺点：对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应。则包络检波器的输出为：滤除无用的直流信号，得仅适用于NWFM，由于窄带调频信号可分解成正交分量与同相分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调。4、调频信号的解调——相干解调设窄带调频信号为：相干载波为：经低通滤波器滤除高频分量得：经微分器得输出为：§5.4

调频系统的抗噪声性能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；非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是FM系统的主要解调方式。5.4.1输入信噪比图5-30FM非相干解调抗噪声性能分析模型均值为零，单边功率谱密度为n0的AWGN消除接收信号在幅度上可能出现的畸变抑制信号带宽以外的噪声非相干解调无法分别计算输出信号与噪声功率，因此考虑两种极端情况，即大信噪比和小信噪比情