通信原理与通信技术3版第2章

1第2章模拟调制22.1调制的概念2.3常规双边带调幅(AM)

2.5单边带调制(SSB)

2.6残留边带调制(VSB)2.8频分复用(FDM)

2.10调制的功能与分类

2.2抑制载波的双边带调幅(DSB)2.7插入载波的包络检波2.9角调制2.4AM和DSB的性能比较第2章模拟调制主要内容3

通信原理所含的主要知识是：调制，解调，编码，译码。

把声音快速远距离的传输出去有两种方法：1.铺设一条长距离有线传输介质；2.利用无线电通信；第2章模拟调制2.1

调制的感念

4方法一其传输成本之高、线路利用率之低，人们无法接受。

方法二中，利用无线电通信时，需满足一个基本条件：欲发射信号的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的几何尺寸可比拟。而音频信号的频率范围是20Hz～20kHz，最小的波长为：第2章模拟调制5调制：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或方式。

载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。调制也可以理解为一个信号（原始信号）对另一个信号（高频信号）的控制。第2章模拟调制6生活中，人们要把一件货物运到远方，就必须使用运载工具，或汽车、或火车、或飞机。在这里，货物相当于调制信号，运载工具相当于载波。把货物装到运载工具上相当于调制，从运载工具上卸下货物就是解调。这个例子（见图2-1）虽然不十分贴切，但可以帮助理解调制与解调的感念。第2章模拟调制7这称为调制定理，是调制技术的理论基础。

若一个信号f(t)与一个正弦型信号相乘，从频谱上看，相当于把f(t)的频谱搬移到处。设f(t)的傅里叶变换（也可称为频谱）为F(ω)，则有:第2章模拟调制(2.1-1)8第2章模拟调制9幅度调制将调制信号调制到载波的幅值参量上的方法，简称调幅。

通过上述调制方法，我们就可以将多路调制信号分别调制到不同频率的载波上去，只要它们的频谱在频域上不重叠，我们就可以想办法把它们分别提取出来，实现频分复用。

同样，我们也可将一低频信号调制到一个高频载波上去，完成低到高的频率变换，从而通过几何尺寸合适的天线将信号发射出去。第2章模拟调制102.2抑制载波的双边带调幅（DSB）

抑制载波的双边带调幅：已调信号的频谱中包含上、下两个边带且没有冲激分量的调幅方法。抑制载波的双边带调幅已调信号通常记为。

第2章模拟调制11第2章模拟调制12第2章模拟调制13

DSB信号的解调

解调：把从已调信号中恢复调制信号的过程或方法。对于抑制载波双边带调幅信号的解调通常采用相干解调法。第2章模拟调制(2.1-2)14

相干解调或同步解调：在接收端利用同频同相载波对抑制载波双边带调幅信号直接相乘进行解调的方法。第2章模拟调制15在抑制载波双边带调幅信号中，已调信号的幅值虽然随调制信号的变化而变化，但它的时域波形包络与调制信号并不一样。我们注意到已调信号的波形在幅值的形状上（包络上）部分地与调制信号相同。常规双边带调幅（AM）：已调信号的频谱中包含上、下两个边带且有冲激分量的调幅方法。第2章模拟调制2.3

常规双边带调幅（AM）

17第2章模拟调制18设调制信号为f(t)，其频谱为F(ω)，即有f(t)F(ω)A+f(t)2πAδ(ω)+F(ω)

设载波为c(t)：

则已调信号：其频谱为第2章模拟调制(2.3-1)(2.3-2)19AM信号的解调

AM的解调是采用包络解调法或叫包络检波法，包络检波器如下。第2章模拟调制20【例题2-1】画出下图所示原始（基带）信号的DSB和AM波形以及通过包络检波后的波形，并说明包络检波后的波形差别。第2章模拟调制21解：该信号的DSB、AM、DSB的解调波形和AM的解调波形分别如下图的a、b、c、d所示。显然，DSB的解调波形包络与原信号相比，已严重失真，而AM的解调波形包络没有变化，说明DSB信号不能直接采用包络检波。第2章模拟调制22主要从两个方面来对AM和DSB加以比较：

1.发射效率，

2.是总的使用成本。

AM调制：AM调制的效率低，导致发射功率比DSB大，但其解调电路简单。一般多用于点对多点的通信中。

DSB调制：DSB调制的效率高，发射功率比AM小，但其解调电路比较复杂，使用成本较高。一般多用于一些不在乎成本的专用（点对点）通信中。第2章模拟调制2.4

AM和DSB的性能比较23SSB信号：相对于双边带信号而言，只具有其中一个边带（上边带或下边带）的信号叫SSB信号。

2.5

单边带调制（SSB）第2章模拟调制24第2章模拟调制25

则DSB信号为(2.5-3)上边带信号为

下边带信号为(2.5-4)(2.5-5)第2章模拟调制26单边带调制的优点

1.受多径传播引起的选择性衰落的影响比DSB调制小；

2.频带利用率比DSB调制高；

3.所需发射功率也比DSB调制小；

4.保密性强，普通调幅接收机不能接收SSB信号。单边带调制的缺点1.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。2.接收端对滤波器的要求严。解决方法

1.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；

2.产生单边带信号还可采用的一种方法叫做移相法，如图2-10所示。第2章模拟调制27第2章模拟调制28

VSB信号：相对于双边带信号而言，只具有其中一个完整边带和部分另一个边带的信号叫VSB信号。

残留边带调制（VSB）：已调信号的频谱中既包含一个完整的边带（上边带或下边带）又有另一个边带的一部分的调制方法。第2章模拟调制2.6残留边带调制(VSB)29第2章模拟调制30第2章模拟调制31

VSB信号的解调和SSB信号一样也不能用包络检波，而要采用相干解调法。

从图2-11中得到VSB信号的频谱为：在图2-5中，设输入信号为，m(t)是乘法器的输出，则其频谱为(2.6-1)第2章模拟调制32将式（2-11）代入式（2-12）可得(2.6-2)(2.6-3)第2章模拟调制33设低通滤波器的输出（解调信号）为，如果能选择合适截止频率的低通滤波器将上式中第二个中括号项滤除掉，则有（2.6-4）解调信号无失真地重现调制信号，就需要与F(ω)成比例，即要求(2.6-5)式中，C为常数。图2―13以低通滤波器为例图解了上式的几何意义，即一个传输函数过渡带的上、下部分互补对称。第2章模拟调制34第2章模拟调制35DSB、SSB和VSB都不能采用简单直接的包络检波法进行解调，但插入很强的载波，则上述三种调制仍然可用包络检波法进行解调。在图2-14中：s(t)是DSB、SSB或VSB信号；cd(t)是幅度很大的载波；sd(t)是包络检波器的输出信号。

滚降形状：滤波器的边缘形状（过渡带）。可分为：直线滚降和余弦滚降。第2章模拟调制

2.7插入载波的包络检波36可以证明只要插入载波的幅值Ad足够大，sd(t)就会与调制信号f(t)很近似。第2章模拟调制37

频分复用通过对多路调制信号进行不同载频的调制，使得多路信号的频谱在同一个传输信道的频率特性中互不重叠，从而完成在一个信道中同时传输多路信号的目的。第2章模拟调制

2.8频分复用(FDM)38第2章模拟调制39第2章模拟调制角调制：频率调制和相位调制的统称。载波的一般表达式为

设则θ(t)称为载波的瞬时相位，φ称为初始相位。若对θ(t)求导则可得

(2.9-2)第2章模拟调制

2.9角调制

(2.9-1)41若初相φ不是常数而是t的函数，则φ(t)称为瞬时相位偏移。称为瞬时频率偏移。式（2.9-1）变为(2.9-3)式（2-17)变为

(2.9-4)瞬时相位的导数即为瞬时角频率，即正弦型信号的瞬时相位与瞬时角频率成微积分关系。第2章模拟调制42设调制信号为f(t)，则有式中，Kp为比例常数（相移常数），SPM(t)为调相信号。

相位调制

让瞬时相位偏移φ(t)随调制信号而变化，即将调制信号调制到载波的瞬时相位上去。第2章模拟调制

(2.9-5)43

频率调制瞬时频率偏移随调制信号而变化，即将调制信号调制到载波的瞬时频率上去。设调制信号为f(t)，则有式中，Kf为比例常数（频偏常数）；sFM(t)为调频信号。第2章模拟调制

(2.9-6)44

当调制信号为一单频余弦波时，调相信号和调频信号的示意图（见图2-17）。设

则有(2.9-7)(2.9-8)第2章模拟调制45式中,称为调相指数；称为调频指数。因为实际上就是调频信号的最大频偏，所以有第2章模拟调制46第2章模拟调制【例题2-2】已知一调制器的输出为，频偏常数KF=2，求：（1）载频fc；（2）调频指数；（3）最大频偏；（4）调制信号。【解】（1）（2）与式（2.9-8）相比，可知，（3）Δωmax=KFAm=βF×ωm=8×103πrad/s因此，Δfmax=Δωmax/2π=4kHz（4）Am=Δωmax/KF=8×103π/2=4×103π因此，f(t)=Amsinωmt=4×103πsin103πt答：载频为500kHz；调制指数为8；最大频偏为4kHz；f(t)=4×103πsin103πt。47第2章模拟调制48窄带调制：调制指数远远小于1的调制；宽带角调制：调制指数不是远远小于1的调制。窄带角调制和宽带角调制调制指数远远小于1与最大瞬时相位偏移小于30度等价，所以，窄带、宽带之分也可用最大瞬时相位偏移做标准。即第2章模拟调制

(2.9-9)49式中,NBFM是窄带调频的缩写，NBPM是窄带调相的缩写。

窄带调频的特点：

1.窄带调频的频谱有载波分量和载频两边的边带，其带宽也是调制信号最高频率分量的两倍。

2.下边频的相位与上边频相反（正、负频率分量相差180°）；正、负频率分量分别乘有因式1/(ω-ωc)和1/(ω+ωc)。第2章模拟调制50第2章模拟调制51

单频宽带调频的特点：

1.频谱包含有载波、各次边带谐波及各种交叉调制谐波，它形成一个无限宽的频谱结构且频谱对称分布于载频两侧；

2.尽管宽带调频信号的频谱为无限宽，但其频谱的主要成分集中于载频附近的有限带宽内。所以，单频宽带调频同样具有有限的带宽。计算公式为

(2.9-10)式中,是调频信号频带宽度，是调制信号的频率，是最大频偏，该式叫做卡森公式。第2章模拟调制52【例题2―3】有一个2MHz的载波受一个单频正弦信号调频，峰值频偏为10kHz，求：（1）调频信号的频带带宽；（2）调制信号幅度加倍后调频信号的带宽；（3）调制信号频率加倍后调频信号的带宽。解根据题意有：（1）由式（2.9-10）可得：第2章模拟调制53（2）因为βf=KfAm/ωm，所以，调制信号幅度加倍意味着βf加倍，即βf=2,则由式（2.9-10）可得

BFM=2（βf+1）fm=2（2+1）×10=60kHz

（3）调制信号频率加倍，即fm=20kHz,所以

BFM=2(Δfmax+fm)=2(10+20)=60kHz

（1）调频信号带宽为40kHz；（2）、（3）调频信号带宽为60kHz。第2章模拟调制54直接调频法利用压控振荡器(VCO，VoltageControlledOscillator）作为调制器，调制信号直接作用于压控振荡器使其输出频率随调制信号变化而变化的等幅振荡信号，即调频信号。直接法示意图见图2-20。调频信号的产生与解调第2章模拟调制第2章模拟调制55间接法不是直接用调制信号去改变载波的频率，而是先将调制信号积分再进行调相，继而得到调频信号，其图如（图2-21）。阿姆斯特朗（Armstrong）法在间接调频法的基础上，再在后面加一级倍频电路，将窄带调频变为宽带调频的方法。第2章模拟调制第2章模拟调制56

鉴频器：调频信号的解调器；

鉴相器：调相信号的解调器。

鉴频器的设计思路：在接收端能够从调频信号中取出ω(t)，再想办法去掉项，就可以得到调制信号f(t)。对调频信号求导第2章模拟调制

(2.9-11)57调频信号的导数是一个既调频又调幅的新信号，因为调制信号f(t)的全部信息不但反映在该信号的频率上而且也反映在该信号的包络上，所以我们只要对该信号像调幅信号一样进行包络检波即可恢复出调制信号（原始信号）f(t)。由此我们得到鉴频器需要由微分器和包络检波器组成的结论。第2章模拟调制58鉴频器的输入输出关系，即鉴频关系如图2-23：鉴频灵敏度：曲线中间的直线段部分的斜率，用表示。

结论：直线段的斜率越大，鉴频灵敏度高。反之鉴频灵敏度就低。第2章模拟调制59

信噪比增益：。式中分母是解调器输入已调信号的平均功率与解调器输入噪声的平均功率之比，分子是解调器输出调制信号的平均功率与解调器输出噪声的平均功率之比。频率调制的主要优点是抗干扰能力强。■频率调制的特点第2章模拟调制60原因分析：信道中的噪声干扰最常见的为加性干扰，即干扰信号线性叠加到传输信号的幅值上。因为调幅信号的信息就在它的包络上，也就是幅值上，所以干扰对信号的影响很大；而调频信号的信息搭载在频率上与信号的幅值无关，因此，信道干扰对传输的信息影响很小。窄带调频的频带宽度虽然与调幅信号相同，其抗干扰性比不上宽带调频，但比调幅信号还是要好。第2章模拟调制61频率调制的输出信噪比高的优点是以增加频带宽度为代价的。在理想通信系统（图2-25）中假定输入端的信号带宽为赫兹，信息传输速率为。此信号经过理想调制（或编码）后的带宽变为B赫兹。输出信噪比与信道带宽的关系第2章模拟调制62根据香农公式，这时到达理想调解器（或理想译码器）输入端的信息速率为式中,是信道输出信噪比。理想解调器将把带宽为B的信号解调（还原）为带宽为的信号，且其输出信号的信息传输速率必须与输入信号的相等。因此，解调器输出信息速率可表示为这里，是解调器输出端的信号和噪声的功率比。于是可得第2章模拟调制63由于实际上信噪比都远远大于1，因此上式变为由此可知输出信噪比随带宽B按指数规