通信技术原理1

第4章：模拟信号的调制与解调幅度调制的基本原理习题线性调制的噪声影响调幅调制的应用场景1235目录CONTENTS角度调制原理

模拟调制系统的比较467调幅信号的解调幅度调制的基本原理1调幅

调幅(ＡＭ)信号的调制原理框图如4-1所示，图中m(t)为消息信号，s（t）为已调信号，ωc是载波的角频率。

AM（AmplitudeModulation，调幅）信号的时域和频谱波形分别反映了调幅信号的瞬时振幅变化及其频率分布。

1幅度调制的基本原理图4－1

ＡＭ调制原理1幅度调制的基本原理1.时域波形图4－2ＡＭ

信号的时域和频谱波形SAM（t=[A0+m(t)]cos(ωct)A0是载波的幅度；m（t）是消息信号（调制信号）；ωc是载波的角频率，与频率fc的关系为ωc=2πfc。如图4-2（a）所示，

振幅随消息信号m（t）的变化而改变，形成包络线，与消息信号的波形相同，所以又叫信号包络。2.频谱波形1幅度调制的基本原理AM信号的频谱由载波频率和两个边带组成。假设m（t）为频率ωm的单一正弦信号，则调幅信号的频谱包含以下成分：载波频率ωc​；上边带，频率为ωc+ωm；下边带，频率为ωc−ωm。因此，AM信号的频谱波形在ωc处出现一个主峰，在ωc+ωm和ωc−ωm处出现两个对称的边带频率峰，边带是两个离散谱。如果m（t）对应频谱函数M（ω）是一个连续谱，如图4-2（b）所示，则已调波形的频谱是上下边带就是对称的连续谱波形。由图4－2可见，ＡＭ

调制有以下特点:信号包络与调制信号成正比：当调制信号的最大值m(t)max≤A0时，已调信号的包络与调制信号成正比，可以通过包络检波器解调信号。频谱对称性：AM信号的频谱由载波和上下对称的两个边带组成，其带宽为调制信号最高频率的两倍，即BAM=2ωH,或者BAM=2fH

式中ωＨ

为调制信号

ｍ（t）的最高角频率，BAM为已调信号的带宽。ＡＭ

由于载波不携带信息，却占据了传输信号中的大部分能量，因此功效比较低。1幅度调制的基本原理图4－3DSB调制器模型双边带调制（DSB）在

ＡＭ

信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送，因此，如果将载波抑制，也就是在图4－1中将直流

Ａ０

去掉，则变成图4－3所示模型，这种传输方式称为双边带抑制载波(DoubleSideBand-SuppressedCarrier或者DSB-SC)调制，简称DSB调制，其时域和频域波形如图4-4所示。1幅度调制的基本原理DSB调制有如下特点：1.DSB（t）波形包络不再与m（t）的形状相同，而是按照∣m(t)∣的规律变化，这意味着不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，必须采用相干解调，2.除了不再含有载波分量外，DSB信号的频谱与AM信号的频谱完全相同，仍由上下对称的两个边带组成，因此DSB信号的带宽与AM信号的带宽相同，即BDSB=2ωＨ

或者BDSB=2fH

式中，ωＨ为调制信号m（t）的最高角频率。图4－4DSB信号的时域和频谱波形1幅度调制的基本原理单边带调制（SSB）图4－5SSB信号的频谱1幅度调制的基本原理DSB信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱

Ｍ(w)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

。

产生SSB信号的方法有很多，其中常见的方法有滤波法。

由于单边带信号只传送双边带信号的一个边带，因此产生单边带信号的最直观的方法就是将双边带信号通过一个单边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带，如图4-5所示

。SSB调制有以下特点:1.节省了发射功率这个重要的资源，因为只发射一个边带，相比其他幅度调制，节约了发射功率，2.减少了占用的信道带宽，SSB信号的带宽BSSB=ωH或者BSSB=fH，即与调制信号的最高频率相同，它比

ＡＭ

和DSB信号的带宽减少了一半，1幅度调制的基本原理图4－5SSB信号的频谱图4－7残留边带滤波器特性图

图4－6DSB、SSB和VSB信号的频谱残留边带调制VSB1幅度调制的基本原理

残留边带调制

（VestigialSideBand）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，而是逐渐切割，使其残留一小部分，如图4－6所示

。

用滤波法实现残留边带调制的原理框图与SSB滤波法相同，其残留边带滤波器传输特性

ＨVSB(ω)有所不同，

必须遵循的一定的条件，即在载波ωｃ

附近必须满足互补对称特性。

满足该条件的可能形式有两种:图4－7(ａ)所示的低通滤波器，图4－7(b)为高通滤波器。

以低通滤波器为例，其传输特性如图4-8（a）所示，在-ωＨ

⩽ω⩽ωＨ范围内，经过（b）和（c）的平移后，然后叠加如（d）所示，ＨVSB(ω)应为常数

。1幅度调制的基本原理图4－8残留边带滤波器的几何解释VSB调制有以下特点:1.VSB调制既克服了DSB占用频带宽的缺点，又解决了SSB实现困难的缺点。2.VSB信号的带宽介于SSB和DSB之间，即ωＨ<ＢVSB<２ωＨ

，一般典型值为ＢVSB=1.25ＢSSB

调幅信号的解调2图4－9相干解调的一般模型2调幅信号的解调调幅信号的相干解调相干解调也叫同步检波，相干解调器的一般模型如图4－9所示，它由相乘器和低通滤波器组成，其中，Sｍ(ｔ)为接收到的已调信号，ｃ(ｔ)＝cosωｃｔ

为接收机提供的本地相干载波，它与接收信号中的载波必须同频同相，Sp（t）为已解调信号，S0（t）为输出信号，相干解调适用于所有线性调制信号的解调。调幅信号(AM)的非相干解调2调幅信号的解调

非相干解调一般只适合

ＡＭ

调制，当调幅信号中的

ＡＭ

信号在不发生过调制时，可采用包络检波，其原理框图如图4－10(ａ)所示，这是一种非相干解调，在解调过程中不需要本地相干载波。图4－１0(ｂ)为包络检波器的电路设计，相对于相干解调，包络检波器电路简单，效率高，包络检波器的输出基本上与输入信号的包络变化呈线性关系，隔去直流后就得到原信号m(t)。图4-10包络解调包络解调通常是通过检测信号的包络线来提取调制信息，因此，这种解调方式适用于幅度调制（AM）信号。如图4-11所示，已调信号SAM(t)波形

在示波器的一个通道显示，经过包络解调后，输出波形在另外一个通道显示，即原始正弦波信号。此实验验证了包络解调的效果。图4-11示波器显示包络解调后的输出波形2调幅信号的解调线性调制的噪声影响33线性调制的噪声影响

比较以上四种线性调制方式，在加性高斯白噪声背景下，其抗噪声性能从差到优排序为：AM<DSB<VSB<SSB

其中，单边带调制（SSB）

由于只传输一个边带，带宽利用效率最高，抗噪声性能最好；而

调幅（AM）

系统由于载波和两边带都被传输，噪声容易对其产生干扰，因此抗噪声性能较差。残留边带调制（VSB）

在带宽与信号保真度之间取得了折中，常用于电视信号传输。调幅调制的应用场景4幅度调制（AM）是一种经典的调幅方式，常用于模拟广播通信，尤其是在中波广播和短波无线电通信中。与AM相比，抑制载波双边带调制（DSB）在功率效率上有了显著提升。例如军事通信和低成本的音频传输场景。然而，DSB的缺点在于接收端需要进行载波同步，解调的复杂度因此增加，技术门槛较高。单边带调制（SSB）则在频谱利用和功率节省上表现得尤为出色。使其在短波通信、卫星通信及无线电广播等远距离通信中广受欢迎。尤其是在频谱资源有限或需要高效长距离传输的场合，SSB成为理想的选择。最后，残留边带调制（VSB）主要用于电视广播中。在模拟电视信号传输时，VSB通过传输一个完整的边带和部分的另一个边带，成功实现了带宽的节省，同时保留了足够的调制信息以保持信号的完整性。4调幅调制的应用场景角度调制原理55角度调制原理

任何一个正弦时间函数，如果它的幅度不变，则可表示为ｃ(ｔ)＝Ａｃｏｓθ(ｔ)式中，θ(ｔ)称为正弦波的瞬时相位角度调制信号的一般表达式为ｓｍ(ｔ)＝Ａｃｏｓ[ωｃｔ

＋φ(ｔ)]式中，Ａ

是载波的恒定振幅，[ωｃｔ

＋φ(ｔ)]是信号的瞬时相位θ(ｔ)，而φ(ｔ)称为相对于载波相位ωｃｔ

的瞬时相位偏移。角度调制：图4-12PM和FM信号波形图FM和PM信号波形如图4-12所示，由图可见，FM波形实际是一个疏密在变化的等幅波，其疏密变化反映了调制信号的变化规律，而PM也是一个疏密变化的等幅波，但它的疏密变化不直接反映调制信号的变化规律，而是反映了导数dm(t)/dt的变化规律。

调频信号是通过调制信号控制瞬时频率的变化，调相信号则是通过调制信号控制瞬时相位的变化。由于频率和相位之间存在微分和积分的关系，调频FM与调相PM有很强的关联性。FM和PM非常相似，均为幅度恒定的正弦波，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

。图4-12PM和FM信号波形图5角度调制原理调频信号的频谱与带宽5角度调制原理调频波的带宽为Ｂ

ＦＭ

=２(ｍｆ

+１)ｆｍ

=２(Δｆ＋ｆｍ)(4-1)式(4-1)称为卡森(Ｃａｒｓｏｎ)公式，它说明调频信号的带宽取决于最大频偏和调制信号的频率，当

ｍｆ≪１

时，称为窄带调频，上式可以近似为Ｂ

ＦＭ=２(ｍｆ+１)ｆｍ≈２ｆｍ

(4-2)这就是窄带调频的带宽，当

ｍｆ≫１

时，称为宽带调频，上式可以近似为Ｂ

ＦＭ

≈２Δｆ

这时，带宽由最大频偏Δｆ决定，而与调制频率

ｆｍ

无关，

以上讨论的是单音调频情况，对于多音或者其他任意调制信号来说，由于调频是一种非线性过程，其频谱分析更加复杂，根据经验，对于任意带限信号调制时的调频信号带宽仍可

用卡森公式来估算，即

Ｂ

ＦＭ

=２(ｍｆ

+１)ｆｍ=２(Δｆ＋ｆｍ

)但是，这里的

ｆｍ

是调制信号的最高频率，ｍｆ

是最大频偏Δｆ与

ｆｍ

的比值.例4-1频率调制的带宽估计已知某调频广播系统的调制信号最大频率为15KHz，频率偏移为75KHz，求该调频系统的带宽。根据卡森带宽公式：BFM​=2(Δf+fm​)其中，Δf为频率偏移，fm为调制信号的最大频率。代入数据可得：BFM=2(75 KHz+15 KHz)=180 KHz因此，该调频系统的带宽为180KHz。在调频广播系统中，为了提供高质量的话音和音乐节目，一般规定调制信号的最高频率

ｆｍ

为１５ｋＨｚ，最大频偏Δｆ为

７５ｋＨｚ，故调频指数

ｍｆ

＝

５，调频广播的频带宽度为

１８０

ｋＨｚ，调频广播的频率范围为

８８－１０８ＭＨｚ，各个电台之间的最小频道间隔为

２００ｋＨｚ。

5角度调制原理调频信号的解调5角度调制原理根据解调的同步要求，调频信号的解调可以分为两大类：相干解调（CoherentDemodulation）和非相干解调（Non-CoherentDemodulation）。1.相干解调相干解调通常包含以下几个关键步骤：（1）相位同步相位同步是相干解调中最关键的一步，接收端需要使用相位同步技术来确保本地产生的载波信号与接收到的调频信号保持同步。常见的相位同步技术如锁相环（PLL）。锁相环通过实时跟踪接收信号的频率变化，动态调整本地振荡器的频率和相位，从而使接收信号与本地产生的参考信号在频率和相位上保持同步。这一过程确保了解调的准确性，使得接收信号的相位与本地生成信号的相位差最小。（2）相位比较当同步完成后，接收信号与本地产生的参考信号通过相位比较器进行比较。相位比较器会计算两者之间的相位差，该相位差与原始信息信号的频率变化成比例。通过这种比较，解调器能够提取出调频信号中的频率变化，从而还原出原始信息信号。相干解调具有很高的抗噪声能力，能够在较强的噪声环境中有效地提取信息。这使得它在高质量通信系统中得到了广泛应用。特别是在高频通信系统中，调频信号往往由于其频率变化特性，具有比幅度调制信号更强的抗干扰能力，因此相干解调方法是最常见的选择。5角度调制原理5角度调制原理2.非相关解调

非相干解调不需要在接收端生成与发射端载波严格同步的参考信号，而是直接对调频信号的频率变化进行检测。常见的非相干解调方法包括斜率检测法和鉴频器法。

斜率检测法：利用滤波器或频率选择性电路对调频信号的频率变化进行检测，将调频信号的频率变化转化为幅度变化，然后再利用包络检波提取出原始信息信号。

鉴频器法：通过提取调频信号的相位变化来获取频率信息的一种解调方法。在调频信号中，频率变化与相位变化之间存在密切关系。相位鉴频器主要是通过观察相位变化，反映信号的频率变化，从而解调出原始信号。相位鉴频器可以精确地检测频率的变化，但需要高精度的时钟同步。它容易受到噪声的影响，尤其在频偏较大时，可能出现相位模糊现象。不过，相位鉴频器鉴频特性的线性较好，鉴频灵敏度也较高。。非相干解调的优点在于不需要相位同步电路，电路结构简单，成本较低，但是抗干扰能力相对较差，输出信号的信噪比不如相干解调。多用于短距离通信和一些对信号质量要求不高的场合，如FM广播接收。6模拟调制系统的比较6模拟系统的比较表4-1是关于调幅四种实现方式、频率调制（FM）的对比，主要展示了它们在带宽需求、抗噪声性能、功率效率以及应用场景等方面的特点。表4-1模拟调制方式的对比调制方式带宽需求

(BW)抗噪声性能功率效率应用场景标准调幅

(AM)2fm较差，易受幅度噪声干扰低，载波和边带均需功率广播电台，对讲机双边带抑制载波

(DSB)2fm略高于标准AM无需载波传输，功率效率较高电视图像传输，数据传输单边调幅

（SSB)fm抗干扰能力强，适合远距离传输高，仅需一个边带长距离通信，国际长波通信残留边带调幅

(VSB)fm+Δf优于标准AM和DSB介于标准AM和SSB之间电视图像广播频率调制

(FM)2(Δf+fm)优异，对幅度噪声不敏感较高，主要用于频率偏移FM广播，卫星通信7习题一、单选题1.对频谱资源有效利用较好的调制方式是（

）。A.AM和VSBB.DSB和SSBC.SSB和VSBD.VSB和DSB2.幅度调制的实质是进行（

）。A.幅度放大B、幅度缩小C、频谱搬移D、频谱扩大3.3.对于相同的模拟基带信号，下列已调信号中带宽最大的是（

）。A.FMB.SSBC.DSBD.AM4.下列各项中不属于幅度调制的是（

）。A.F B.DSBC.AMD.SSB5.相干解调对本地载波的要求是（

）。A.同频同相B.同频不同相C.同相不同频D.频差恒定6.仅利用一个边带传输信息的调制方式就是单边带调制，简称（

）。A.AMB.DSBC.SSBD.VSB7习题7.如下各调制方式中，抗噪声能力从强到弱依次为（

）。A.FM、AM、SSB、DSBB.FM、SSB、DSB、AMB.AM、SSB、DSB、FMD.SSB、DSB、AM、FM8.模拟调制分为幅度调制和（

）。A.频率调制B.相位调制C.角度调制D.线性调制9.实现相干解调的关键是要求接收端提供一个与调制载波严格同步的（

）。A.高频载波B.同步检波C.包络检波D.相干载波10.按载波的不同，调制可分为（

）。A.模拟调制和数字调制B.连续波调制和脉冲调制B.线性调制和非线性调制D.幅度调制和相位调制7习题11.以下各种调制中，所需传输带宽最小的是（

）。A.VSBB.