通信技术基础 第三章 模拟调制技术

1、第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社通信技术基础主编：于宝明 王钧铭主审：宫锦文新世纪高职高专通信类课程规划教材新世纪高职高专通信类课程规划教材国家级精品课件配套教材国家级精品课件配套教材大连理工大学出版社第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社本章知识简介：本章知识简介：调节的基本概念调节的基本概念模拟线性调制（幅度调制）模拟线性调制（幅度调制）能对数字基带信号进行能对数字基带信号进行AMI、HDB3编码编码各种模拟调制方式的总结与比较各种模拟调制方式的总结与比较符合调制与多级调制符合调制与多级调制第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.1 调制的基础概念调制的基础概念让载波的某个参数(或

2、几个)随调制信号(原始信号)的变化规律而变化的过程或方式称为调制。如何对信号进行调制呢? 在傅里叶变换中我们知道,若一个信号 (t)与一个正弦型信号cos ct相乘,从频谱上看,相当于把 (t)的频谱搬移到 c处。设(t)的傅里叶变换(也可称为频谱)为F (),则有第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社这称为调制定理,是调制技术的理论基础。其示意图如图3-2所示。图图3-2第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 调制的功能主要体现在以下几个方面:第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.2 模拟线性调制模拟线性调制 图

3、3-3中,m (t)为调制信号,sm (t)为已调信号,h (t)为滤波器的冲激响应,则已调信号的时域和频域一般表达式分别为3.2.1幅度调制的一般模型幅度调制的一般模型图图3-3第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 由以上表达式可见由以上表达式可见,对于幅度调制信号对于幅度调制信号,在波形上在波形上,它的幅它的幅度随基带信号规律而变化度随基带信号规律而变化;在频谱结构上在频谱结构上,它的频谱完全它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的线性的,因此幅度调制通常又称为线性调制因此幅度调制通常又称为线性调制,相应地相应地,

4、幅度幅度调制系统也称为线性调制系统。调制系统也称为线性调制系统。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.2.2 常规双边带调幅常规双边带调幅(AM)1.AM 信号的表达式、频谱及带宽信号的表达式、频谱及带宽 在图在图3-3中中,若假设滤波器为全通网络若假设滤波器为全通网络(H ()=1),调调制信号制信号m (t)叠加直流叠加直流A0 后再与载波相乘后再与载波相乘,则输出的则输出的信号就是常规双边带调幅信号就是常规双边带调幅(AM)信号。信号。AM 调制器调制器模模型型如图如图3-4所示。所示。图图3-4第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 AM 信号的典型波形和频谱分别如图3-5 (a)

5、、(b)所示,图中假定调制信号m (t)的上限频率为 H。显然,调制信号m (t)的带宽Bm= H。图图3-5第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 AM 信号是带有载波的双边带信号,它的带宽为基带信号带宽的两倍,即 式中:Bm =fH,为调制信号m(t)的带宽;fH 为调制信号的最高频率。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社2.AM 信号的解调信号的解调 调制过程的逆过程叫做解调。AM 信号的解调是把接收到的已调信号SAM (t)还原为调制信号m (t)。AM 信号的解调方法有两种:相干解调和包络检波解调。 1.相干解调，如图相干解调，如图3-6所示所示 2.包络检波解调，如图包络检波解调

6、，如图3-7所示。所示。图图3-6图图3-7第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 由上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以讲第1项与第2项分离，五失真的恢复出原始的调制信号。 将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波,得第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 图3-8为串联型包络检波器的具体电路及其输出波形，电路有二极管VD、电阻R和电容C组成。图图3-8第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.2.3 抑制载波双边带调幅（抑制载波双边带调幅（DSB-SC）1.DSB 信号的表达式、频谱及带宽信号的表达式、频谱及带宽 DSB调制器模型如图3-9所示 可见DSB信号实质上就是基带信号与载波直接

7、相乘，其时域和频域表达式分别为图图3-9第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 DSB信号是不含载波的双边带信号，它的带宽与AM信号相同，也为基带信号带宽的两倍，即 式中:Bm = H,为调制信号m(t)的带宽; H 为调制信号的最高频率。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 乘法器输出 经低通滤波器滤除高次项得 即无失真地恢复初始电信号。2.DSB信号的调解信号的调解第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.2.4单边带调制（单边带调制（SSB）1. SSB信号的产生信号的产生 用滤波法形成SSB信号，如图3-10、3-11所示。图图3-11图图3-10第3章 模拟调制技术大连理工大学出版

8、社 SSB信号的频谱可表示为 用相移法形成SSB信号，如图3-12所示。 SSB信号的时域表达式为图图3-12第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 如图3-13所示 1. SSB信号的调解信号的调解 乘法器输出为 经低通滤波器后的解调输出为图图3-13第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.2.5 残留边带调制（残留边带调制（VSB）1. 残留边带信号的产生残留边带信号的产生 用滤波法实现残留边带调制的原理如图3-14所示。 图3-15示出的是满足该条件的典型实例：图图3-15图图3-14第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 由滤波法可知，VSB信号的频谱为 VSB信号频谱示意如图3-1

9、6所示。图图3-16第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社2.残留边带信号的解调残留边带信号的解调 残留边带信号的解调显然也不能简单地采用包络检波，而必须采用如图3-17所示的相干解调。 为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号m（t），必须要求在。而这正是残留边带滤波器传输函数要求满足的互补对称条件。图图3-17第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.3 模拟非线性调制模拟非线性调制(角度调制）角度调制） 角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不在是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频谱成分，故又称为非线性调制。 角度调制可分为频率调制（FM）和相位

10、调制（PM），即为载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化的调制方式。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 角度调制信号的一般表达式为第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 图3-18直接调相和间接调相 图3-19直接调频和间接调频 直接调相和间接调频的方法仅适用于相位偏移和频率偏移不大的窄带调制情形，而直接调频和间接调相则适用于宽带调制情形。图图3-19图图3-18第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 下面以调制信号为一单频余弦波的特殊情况为例，给出调相信号和调频信号的示意图如图3-20所示。 调频和调相并无本质区别，两者之间可以互换。图图3-20第3章 模拟调制技术大连理工

11、大学出版社3.3.2 窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频 根据调制后载波瞬时相应偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（WBFM）与窄带调频（NBFM）。宽带与窄带调制的区分并无严格的界限，但通常认为由调频所引起的最大顺时相位偏移远小于/6是，即 称为窄带调频。否则，成为宽带调频。称为窄带调频。否则，成为宽带调频。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社1.窄带调频（窄带调频（NBFM） 为方便起见，不妨假设正弦载波的振幅A=1，则由调频信号的一般表达式，得 当满足窄带调频条件时，上式展开后可简化为第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 利用傅里叶变换公式可得NBFM信号的频域表达式为 将上式与

12、AM信号的频域第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 进行比较,可以清楚地看出两种调制的相似性和不同之处。两者都含有一个载波和位于c 处的两个边频。所以它们的带宽相同,即式中:Bm =H,为调制信号m(t)的带宽; H 为调制信号的最高频率。不同的是,NBFM 的正、负频率分量分别乘了因式1/(-c)和1/(+c),且负频率分量与正频率分量反相。上述差别正是NBFM 与AM 的本质差别。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社2.宽带调频（宽带调频（WBFM） 当窄带调频调频条件不满足时，调频信号为宽带调频，此时不能采用上面的近似式，因为宽带调频的分析变得很困难。经验表明，我们可以用下面公式来估

13、算任意限带信号调制的调频信号的宽带：第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 这里H 是调制信号m(t)的最高频率;mf=/H,为调频波的调频指数,是调频信号的一个重要参数,它是一个无因次量, =Kf | m(t) |max,是最大频率偏移。实际应用中,当mf 2时,用下式计算调频信号带宽更符合实际情况:第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.3.3调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调1.调频信号的产生调频信号的产生 产生调频信号的方法通常有两种：第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社直接法直接法 直接法就是利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。振荡频率由外部电压

14、控制的振荡器叫做压控振荡器（VCO）,它产生的输出频率正比于所加的控制电压，即 式中： c是外加控制电压为0时压控振荡器的自由振荡频率，也就是压控振荡器的中心频率；Kf为比例常数。若用调制信号作控制电压，产生的就是FM波。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 优点是实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。 缺点是频率稳定度不高，往往需要附加稳频电路来稳定中心频率。 直接法的主要优点和缺点第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社间接法间接法 间接调频法是先对调制信号积分，在对载波进行相位调制，从而产生调频信号。但这样只能获得窄带调频信号。为了获得宽带调频信号，可利用倍频器再把NBFM信号变换成

15、WBFM信号。其原理框图如图3-21所示。图图3-21第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 由前面的分析可知，NBFM信号可看成正交分量与相同分量的合成，即 因此，可采用图3-22所示的方框图来实现窄带频率调制。图图3-22第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社倍频器的作用是提高调频指数mf，从而获得宽带调频。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社2.调频信号的调解调频信号的调解非相干调解非相干调解 由于调频信号的瞬间频率正比于调制信号的幅度，因而调频信号的调解必须能产生正比于输入频率的输出电压，也就是当输入调频信号为时，调解器的输出应当为第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 最简单的解调

16、器是具有频率-电压转换作用的鉴频器。理想的鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。微分器的输出是一个调幅调频(FM-AM)信号，器幅度和频率皆包含调制信息。用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出 即恢复出原始调制信号。这里，Kd成为鉴频器灵敏度。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 这种方法的缺点是包络检波器对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应。因而，使用中常在微分器之前加一个限幅器和带通滤波器。 上述调解方法称为包络检测，又称为非相干调解第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 实用电路常常采用图3-23所示的双谐振回路组成的平衡鉴频器。图图3-23第3章 模拟调制技术大连理工大

17、学出版社相干解调相干解调 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。相干解调可以恢复原调制信号，这种解调方法与线性调制中的相干解调一样，要求本地载波与调制载同步，否则将使解调信号失真。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.4各种模拟调制方式的总结与比较各种模拟调制方式的总结与比较 3.4.1各种模拟调制方式总结各种模拟调制方式总结,如表如表3-1所示所示第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.4.2各种模拟调制方式性能比较各种模拟调制方式性能比较 就抗噪性能而言，WBFM最好,DSB、SSB、VSB次之,AM最差,NBF与MAM接近。

18、图3-24示出各种各种模拟调制系统的性能曲线图图3-24第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社3.4.3各种模拟调制方式的特点与应用各种模拟调制方式的特点与应用 AM调制的优点优点是接收设备简单；缺点缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，信号带宽较宽，频带利用率不高。 DSB调制的优点优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，频带利用率不高，接受要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信及低带宽信号多路复用系统。 SSB调制的优点优点是功率利用率和频带利用率较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点缺点是发送和接收设备都复杂。第3章 模拟调制技术大连理工大学出版社 VSB调制性与SSB相当，原则上也需要同步解调，但在某些VSB系统中，附加一个足够大的载波，形成（VSB+C）合成信号，就可以包络检波法进行解调。这种（VSB+C）方式综合了AM、SSB和DSB三者的优点。 FM波的幅度恒定不变，这使得它对非线性器件不甚敏感，给FM带来了抗快衰落能力。利用自动增益控制和带通限幅还可以消除快衰落造成的幅度变化效应。这些特点使得NB