第四章 模拟调制系统

1、通信原理通信原理第四章第四章 模拟调制系统模拟调制系统课件编写制作课件编写制作 李果李果2003/12第四章第四章 模拟调制系统模拟调制系统4.1 4.1 引言引言 4.2 4.2 幅度调制原理及抗噪声性能幅度调制原理及抗噪声性能4.3 4.3 角度角度调制原理及抗噪声性能调制原理及抗噪声性能4.4 4.4 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较4.5 4.5 频分复用（频分复用（FDM)FDM)4.6 4.6 复合调制及多级调制的概念复合调制及多级调制的概念4.1 4.1 引言引言调制的功能调制的功能调制的定义调制的定义调制的分类调制的分类载波调制载波调制正弦载波正弦载波调制调制脉冲调

2、制脉冲调制模拟调制模拟调制数字调制数字调制脉冲振幅调制脉冲振幅调制PAM脉冲宽度调制脉冲宽度调制PDM脉冲位置调制脉冲位置调制PPM模拟脉冲调制模拟脉冲调制数字脉冲调制数字脉冲调制脉冲编码调制脉冲编码调制PCM扩展频谱调制扩展频谱调制振幅键控振幅键控ASK频率键控频率键控FSK相位键控相位键控PSKDPSK新型调制方式新型调制方式CPM幅度调制幅度调制AMDSBSSBVSB角度调制角度调制FMPM4.2 幅度调制原理及抗噪声性能幅度调制原理及抗噪声性能4.2.14.2.1幅度调制原理幅度调制原理l 幅度调制是正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。幅度调制是正弦载波的幅度随调制信号作线性变化

3、的过程。 最典型最早应用的幅度调制是振幅调制最典型最早应用的幅度调制是振幅调制(AM)。后来进一步。后来进一步 改进出现了双边带调制改进出现了双边带调制 (DSB)，单边带调制，单边带调制 (SSB)，残留，残留 边带调制边带调制 (VSB)。l幅度调制产生的幅度调制产生的已调信号已调信号频谱，是频谱，是调制信号调制信号频谱的频谱的“简单简单” 平移。所以有时也把幅度调制称为平移。所以有时也把幅度调制称为线性调制线性调制。1. 振幅调制振幅调制AM（Amplitude Modulation）1) 调制信号叠加到载波振幅上，使调制信号叠加到载波振幅上，使AM信号的振幅随调制信号信号的振幅随调制信

4、号 线性变化的过程。或着说使线性变化的过程。或着说使AM信号的包络与调制信号的波信号的包络与调制信号的波 形呈线性关系的过程。形呈线性关系的过程。2) 信号分析信号分析 cos(t)Acos(t)正弦载波为正弦载波为调制信号为调制信号为AMcooccs(t)Am(t)cos(t) 0 Acostm(t)cost 振幅调制信号为振幅调制信号为o0 )()(A)(SCC)(M) t (mF 振幅调制信号为振幅调制信号为AMcooccs(t)Am(t)cos(t) 0 Acostm(t)cost )(M)(M21 )()(A)(SCCCCAM3) 波形与频谱波形与频谱00tm0t0cccm cm A

5、Ms(t)AMS( )0t0ccs(t)S( )1AAm(t)2 A ( )M( ) 4) 4) 特点：特点： l AM AM信号的包络线与调制信号完全相似。信号的包络线与调制信号完全相似。 （AMAM信号解调可以包络检波）。信号解调可以包络检波）。l AM AM信号的频谱是调制信号频谱的平移信号的频谱是调制信号频谱的平移( (精确到常数因子精确到常数因子) )再再 加上载频频谱构成。具体含有载频分量、上边频分量、下边加上载频频谱构成。具体含有载频分量、上边频分量、下边 频分量。上频分量。上下边带频谱分量中，呈镜象分量的所含信息为同下边带频谱分量中，呈镜象分量的所含信息为同 一信息。即上边带与

6、下边带包含相同信息。一信息。即上边带与下边带包含相同信息。l 无失真无失真AMAM。要求调制信号无直流分量。要求。要求调制信号无直流分量。要求 fcfc2fm2fm。maxAm(t)l 频谱线占据的频率宽度（信号带宽）频谱线占据的频率宽度（信号带宽）2倍调制信号带宽。倍调制信号带宽。 即即BAM 2fm5) AM调制的数学模型调制的数学模型s(t)m(t)正弦载波正弦载波振幅为振幅为1调制信号调制信号AM信号信号A AAMs(t)带通滤波器带通滤波器中心频率中心频率cc(f )带宽带宽mm2(2f )AM信号信号AMs(t)2.2.双边带调制双边带调制 DSBDSB（Double Sideba

7、ndDouble Sideband）双边带调制：是一种抑制载波的幅度调制。令双边带调制：是一种抑制载波的幅度调制。令AM信号中的信号中的 A=0，即得到即得到DSB信号。信号。 DSBcDSBccs(t)m(t)cost 1S( )M()M()2 DSB信号信号( )( )coscos( )cos( ) ()()1 ()()2cccAMCCCCs tAm ttAtm ttSAMM 0t0ccs(t)S( )0t0m(t)M( )m0t0cccm cm 包络线与调制信号的绝对值相似。包络线与调制信号的绝对值相似。波形与频谱的特点波形与频谱的特点1DSB s(t)DSBS( )DSB信号的波形特点

8、：信号的波形特点：l 包络线与调制信号的绝对值相似。包络线与调制信号的绝对值相似。DSB信号的频谱特点：信号的频谱特点：l 频谱线是调制信号频谱线的平移（精确到常数因子）。频谱线是调制信号频谱线的平移（精确到常数因子）。l频谱线占据的频率宽度（信号带宽）频谱线占据的频率宽度（信号带宽）2倍调制信号带宽。即倍调制信号带宽。即BDSB 2fml 为使频谱不重叠，要求为使频谱不重叠，要求 。cmf2fl 在调制信号改变极性时刻，在调制信号改变极性时刻，DSB信号相位跳变信号相位跳变 。s(t)m(t)正弦载波正弦载波调制信号调制信号带通滤波器带通滤波器中心频率中心频率cc(f )带宽带宽mm2(2f

9、 )DSBs(t)双边带调制信号双边带调制信号双边带调制的数学模型双边带调制的数学模型DSBs(t)双边带调制信号双边带调制信号3. 3. 单边带调制单边带调制 SSBSSB（Single SidebandSingle Sideband）1) 取取DSB信号中的一个边带，称为信号中的一个边带，称为单边带调制单边带调制。（节省频带，提高有效性。）（节省频带，提高有效性。）2) 单边带调制的基本方法单边带调制的基本方法A.相移法相移法 / B.滤波法（常用）滤波法（常用）A.相移法（信号分析）相移法（信号分析） l 建立建立相移法相移法模型模型设一个单音调制的设一个单音调制的DSB信号为信号为DS

10、Bmmcmcmmcms(t)A cost cost A111 A cos()tA cos()t22 上边带（频）上边带（频） 下边带（频下边带（频） 取其一取其一 如果取下边带，有如果取下边带，有根据数学表达式，做出数学模型根据数学表达式，做出数学模型mLSBcmmmmcmcAs(t)cos()t2AA cost costsint sint22 22ccostcsintmmAcost2mmAsint2LSBs(t)j2j ( )hhj2ej 0H ( )H ( ) ejsgn( )e=+j 0 hH ( )10( ) 2200hH ( )j jl 相移网络的传输特性相移网络的传输特性2hH (

11、 )l 相移网络的冲激响应相移网络的冲激响应2h(t)11hj1h(t)F H ( )jF sgn( )jtt l 信号通过信号通过 相移网络的输出响应相移网络的输出响应 2m(t) h(t)m( )h(t)dm( )d(t1m( )d(t) m()t) 该积分称为函数该积分称为函数 的希尔波特变换。记为的希尔波特变换。记为 。m(t)m(t)l SSB SSB信号的一般式信号的一般式SSBcc221c11s(t)m(t)costm(t)sint221m(t) m (t)m (t)costtg2m(t) SSBSSB信号的振幅和相位都与调制信号有关。信号的振幅和相位都与调制信号有关。也可以看出

12、，也可以看出，SSB信号波形的振幅变化是较复杂的。信号波形的振幅变化是较复杂的。22ccostcsint调制信号调制信号 m(t) m(t)载波信号载波信号SSBs(t)：下边带：下边带：上边带：上边带滤波法产生滤波法产生SSB信号的实际问题信号的实际问题 m(t)不能含有直流分量和较低的频率分量。不能含有直流分量和较低的频率分量。 带通边带滤波器为高品质因数滤波器。要求对非选择边带通边带滤波器为高品质因数滤波器。要求对非选择边带的抑制达到带的抑制达到55db。并且。并且SSB在低载频上进行。在低载频上进行。s(t)m(t)正弦载波正弦载波调制信号调制信号DSB信号信号带通边带滤波器带通边带滤

13、波器中心频率中心频率带宽带宽DSBs(t)单边带调制信号单边带调制信号mfSSBs(t)cm1ff2B.B.滤波法产生滤波法产生SSBSSB信号信号4. 残留边带调制残留边带调制VSB（Vestigial Sideband）1) VSB的描述：不是将一个边带完全抑制，而是大部分抑制，还残留小的描述：不是将一个边带完全抑制，而是大部分抑制，还残留小部分。部分。 同时也不是将另一边带完全保留，而是抑制小部分。残留的同时也不是将另一边带完全保留，而是抑制小部分。残留的小部分与抑制的小部分的频谱可以在解调后互补。小部分与抑制的小部分的频谱可以在解调后互补。看一个矩形频谱的示意。看一个矩形频谱的示意。c

14、c0cc0ams(t)m(t)正弦载波正弦载波调制信号调制信号DSB信号信号残留边带滤波器残留边带滤波器DSBs(t)残留边带调制信号残留边带调制信号VSBs(t)残留边带滤波器残留边带滤波器H HVSB( () )特征特征HVSB( c) HVSB(c)常数常数 m 2) 滤波法产生滤波法产生VSB信号信号5.5.幅度调制信号的解调幅度调制信号的解调解调是调制的逆过程。解调是调制的逆过程。幅度调制信号的解调方法幅度调制信号的解调方法 同步解调（相干解调）同步解调（相干解调） 可解调所有的幅度调制信号可解调所有的幅度调制信号 包络检波包络检波 可解调可解调AM信号和具有大载波的信号和具有大载波

15、的VSB/SSB信号信号 0cc 调制调制调制调制解调解调解调解调对于幅度调制对于幅度调制一一. 同步解调同步解调 （可解调所有的幅度调制信号）（可解调所有的幅度调制信号）.同步解调是接收端产生一个恢复载波同步解调是接收端产生一个恢复载波,它与已调信号相乘并它与已调信号相乘并经低通滤波，还原调制信号的过程。经低通滤波，还原调制信号的过程。 无失真的解调要求恢复无失真的解调要求恢复载波与调制端载波载波与调制端载波除振幅不相等外其余完全相同除振幅不相等外其余完全相同同步同步。同步解调数学模型同步解调数学模型s(t)m(t)ms (t)恢复载波恢复载波调制信号调制信号幅度调制信号幅度调制信号低通滤波

16、器低通滤波器带宽带宽mfps (t)设设 幅度调制信号一般形式：幅度调制信号一般形式：对于对于恢复载波恢复载波载波同步载波同步载波非同步载波非同步mIcoQcos (t)m (t)cos(t)m (t)sin(t) cococococos(t)cos(t)s (t)cos(t)cos(t) IQIQIQAM m (t)Am(t) m (t)0DSB m (t)m(t) m (t)011SSB m (t)m(t) m (t)m(t)22： 解调分析：解调分析：载波同步时乘法器输出载波同步时乘法器输出低通滤波器输出（解调输出）低通滤波器输出（解调输出）去直流分量去直流分量pIcoQcocoIcQc

17、oIos (t)m (t)cos(t)m (t)sin(t)cos(t)11 m (t)cos(21m (tt2)m (t)si)2n(2t2)22 Io1mm (t2)(t)解调还原出原调制信号解调还原出原调制信号00001m(t)21m(t1AM m (t)A2DSB m (t)SSB m (t)VSB m)21m(t)(t4m t)4)1(恢复载波恢复载波解调信号解调信号幅度调制信号幅度调制信号低通滤波器低通滤波器cos (t)cos(t) Io1mm (t2)(t)ImcoQcos (t)cos(t)m (t)m (tsi)n(t) 结论：结论：同步解调提取出已调信号中与恢复载波同步的

18、那个同步解调提取出已调信号中与恢复载波同步的那个 信号分量的振幅（信号）信号分量的振幅（信号）。000cccc0cc2 c2解调频谱图解分析解调频谱图解分析IccooQcpIcoQcococcoocooccoos (t)m (t)cos(t)m (t)sin(t) cos(t) cos(tt) 1m (t)2cos(tt)1m (t)2 sin(tt) sin(tt ) ccoo, 若若乘法器输出乘法器输出 关于非载波同步情况的讨论关于非载波同步情况的讨论IccooQccooom (t) 1m (t)cos(tt)21m (t)sin(tt)2 低通滤波器输出低通滤波器输出对于各类幅度调制信号

19、，解调输出信号严重失真。对于各类幅度调制信号，解调输出信号严重失真。cc 几十几十Hz，语音信号还能满足可懂度。，语音信号还能满足可懂度。一般一般ccoo, 若若低通滤波器输出低通滤波器输出IooQooom (t) 1m (t)cos()21m (t)sin()2 对于对于AM/DSB解调输出信号幅度减小，但不失真。解调输出信号幅度减小，但不失真。对于对于SSB/VSB解调输出信号失真。失真由解调输出信号失真。失真由Qoo1m (t)sin()2 项引起。项引起。二二. 包络检波（包络检波（可解调可解调AM信号和具有大载波的信号和具有大载波的VSB/SSB信号）信号） AMco1SSBc21V

20、SBc222s(t)cos(t) m(t)s(t)costtgAm(t)1m (t)m (t)21m (t)m (t)2m(t)m(t)s(t)costtgm(t)观察下列信号振幅：观察下列信号振幅：l只有只有AM信号的包络与信号的包络与m(t)相同，可用包络检波还原相同，可用包络检波还原m(t)。l对于对于SSB/VSB信号的包络与信号的包络与m(t)不相同，不可用包络检波不相同，不可用包络检波 还原还原m(t)。但在但在SSB/VSB信号中加入大载波分量，信号的信号中加入大载波分量，信号的 振幅以及包络于振幅以及包络于AM的近似。故也可用包络检波还原的近似。故也可用包络检波还原m(t)。具

21、有大载波的具有大载波的SSB/VSB信号的包络检波信号的包络检波在调制后，加入大载波，在调制后，加入大载波，SSB/VSB信号变为：信号变为：信号振幅为：信号振幅为：它近似于它近似于AM信号的振幅。故可采用包络检波还原信号的振幅。故可采用包络检波还原m(t)。此种。此种通信方式广泛应用于广播、电视信号的传输。通信方式广泛应用于广播、电视信号的传输。加入大载波时加入大载波时IQIII1/222cQmaxcAm (t)cAm (t)m (t) m (t)Am (t) m (t)m(t)mcIcQcQ1IQcIc22ccs (t)A costm (t)costm (t)sintm (t) Am (t

22、)m (t) costtgAm (t) 4.2.2 幅度调制系统的抗噪声性能分析幅度调制系统的抗噪声性能分析1.采用同步解调，各幅度调制系统的抗噪声性能分析采用同步解调，各幅度调制系统的抗噪声性能分析建立模模型建立模模型抗噪声性能分析抗噪声性能分析抗噪声性能讨论抗噪声性能讨论建立模型建立模型：BPFLPFms (t)n(t)mis (t)n (t)s(t)oom (t)n (t)理想带通理想带通理想低通理想低通iiSNooSN恢复载波恢复载波窄带高斯窄带高斯高斯白噪声高斯白噪声幅度调制信号幅度调制信号输出信号输出信号输出噪声输出噪声解调输入解调输入信噪比信噪比解调输出解调输出信噪比信噪比1.采

23、用同步解调，各幅度调制系统的采用同步解调，各幅度调制系统的抗噪声性能分析抗噪声性能分析22imiio22ooooiiooSs(t) Nn (t)n B S N Sm (t) Nn (t) SN抗噪声性能分析：抗噪声性能分析：22221( )lim( )TTTx tx t dtT 解调器输入信号功率解调器输入信号功率SiAMDSBSSB2imcccc2222222Am (t)2m (Ss(t)Am(t)cost m(t)cost11m(t)costm(t)sint)2mt22(t)4 抗噪声性能分析抗噪声性能分析根据功率谱密度函数通过线性系统的响应功率谱密度函数为根据功率谱密度函数通过线性系统的

24、响应功率谱密度函数为Oi2P ( )H( ) P( ) H ()no/20BPi() )0B1no/2PO()oAMoDSBoSS2iiooHoHo HBoNn (t)P ( )dn Bnn Bn Bn B2fn 2fn f 解调器输入噪声功率解调器输入噪声功率Ni22oAM2oDSB2oiBiSSAm (t) 2n Bm (t) 2n Bm (t) AMSDSBNS 4n BSB 解调器输入信噪比解调器输入信噪比 Si/Ni 2ooI2222Sm (t)1m (t)21m (t) AM41m (t) DSB41m (t) SSB16 解调器输出信号功率解调器输出信号功率So Io1mm (t

25、2)(t)0001AM m (t)A2DSB m (t)SSB mm(t)1m(t)(t)21m(t)4同步解调器对窄带高斯噪声的解调同步解调器对窄带高斯噪声的解调cococsin (t)n (t)cos(t)n (t)sin(t) cos(t)cos(t) ooooocs11n (t)n (t)cos()n (t)sin()22 222csin (t)n (t)n (t)o222oci111n (t)n (t)n (t)n B444oo1BNn4 解调器输出噪声功率解调器输出噪声功率No 解调器输出信噪比解调器输出信噪比 So/No 2oAM2oDSB2oSSBoom (t) n Bm (t

26、) AMSDSB N n Bm (t) 4n BB SS2oAM22oAM2oDSB2oDSB2oSSB2oSSB222m (t)n BAMAm (t)2n Bm (t)n BGDSB m (t)2nm (tBm (t)4n BSSBm (t)4n B)=2=2 Am (t)=2 =1 调制制度增益调制制度增益ooiiGSNS N抗噪声性能抗噪声性能讨论讨论解调器解调器iiSNooSN同步同步解调器对解调器对SSB的信噪比改善程度是的信噪比改善程度是1 （解调抑制了（解调抑制了ni(t)中的中的ns(t)分量，使分量，使No减小减小 解调抑制了解调抑制了SSSB(t)中的中的m(t)分量，使分

27、量，使So减小）减小）同步同步解调器对解调器对DSB的信噪比改善程度是的信噪比改善程度是2 （解调抑制了（解调抑制了ni(t)中的中的ns(t)分量，使分量，使No减小。）减小。）同步同步解调器对解调器对AM的信噪比改善程度是的信噪比改善程度是2/Ni(Si/Ni)Si/Ni)thth 鉴频器正常工作时要求：鉴频器正常工作时要求： SiSi/Ni/Ni(Si/Ni)Si/Ni)thth 但对于远距离的通信但对于远距离的通信(中途中途无法设中继站如卫星通信无法设中继站如卫星通信)以及在恶劣的通信环境下的以及在恶劣的通信环境下的通信，总是：通信，总是： SiSi/Ni/Ni(Si/Ni)Si/Ni

28、)thth，此时信号解调只能采用门限此时信号解调只能采用门限扩展解调器扩展解调器( (锁相环解调器锁相环解调器) )。门限扩展解调器的门限扩展解调器的(Si/Ni)Si/Ni)thth 理论上为理论上为0 0。调制调制方式方式传输传输带宽带宽解调解调方式方式直流直流响应响应抗噪声抗噪声性能性能设备复杂性设备复杂性主要应用主要应用DSB2fm同步同步有有良好良好简单。简单。多应用在中间级多应用在中间级调制调制AM2fm包络包络无无差差简单。简单。中波无线电广播中波无线电广播SSBfm同步同步（包包络络加大载波）加大载波）无无良好良好中等。中等。加大载波可包络加大载波可包络检波。检波。话音通信；话音话音通信；话音频分多路通信频分多路通信VSB略大略大于于fm同步同步（包包络络加大载波）加大载波）有有良好良好中等。残留边带处中等。残留边带处需要对称滤波。加需要对称滤波。加大载波可包络检波。大载波可包络检波。数据传输；电视数据传输；电视传输传输FM鉴频鉴频锁相解调锁相解调有有优良优良中等。中等。无线电广播；微无线电广播；微波中继。波中继。4.4各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较2fm(mf+1)4.5 频分复用频分复用FDM“复用复用”是一种将是一种将若干个彼此独立的信号若干个彼此独立的信号合并为一个可在同一合并为