通信原理-第五章-模拟调制系统

1、第三章第三章 模拟调制系统模拟调制系统2引言引言1幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能2非线性调制的原理及抗噪声性能非线性调制的原理及抗噪声性能3各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较4本章内容本章内容: :频分复用频分复用(FDM)5复合调制及多级调制的概念复合调制及多级调制的概念63本章重点本章重点 模拟通信系统的原理，各种模拟调制模拟通信系统的原理，各种模拟调制方式及抗噪声性能比较！方式及抗噪声性能比较！模拟调制模拟调制: :线性调制线性调制:AM,DSB,SSB,VSB :AM,DSB,SSB,VSB 非线性调制非线性调制:FM,PM:FM,PM45.1 5.1

2、引言引言调制：用调制信号去控制载波某个参数调制：用调制信号去控制载波某个参数(幅度、频率、相位幅度、频率、相位)。调制信号调制信号 m(t)（信息信号）（信息信号）调制器调制器已调信号已调信号s(t)（传输信号）（传输信号）载波信号载波信号c(t) (单音正弦波单音正弦波)连续变化的模拟量连续变化的模拟量模拟调制模拟调制离散的数字量离散的数字量(二进制数字脉冲二进制数字脉冲)数字调制数字调制(单频正弦波单频正弦波)连续波形连续波形连续波调制连续波调制脉冲波形脉冲波形脉冲调制脉冲调制(矩形周期脉冲矩形周期脉冲)5调制的分类调制的分类载波信号不同：载波信号不同：调制信号不同：调制信号不同：模拟调制

3、：调制信号是连续变化的模拟信号模拟调制：调制信号是连续变化的模拟信号数字调制：调制信号是离散的数字信号数字调制：调制信号是离散的数字信号连续波调制：载波信号是连续波形连续波调制：载波信号是连续波形脉冲调制：载波信号是脉冲波形脉冲调制：载波信号是脉冲波形6调制的分类调制的分类被调制载波参数不同：被调制载波参数不同：幅度调制：载波幅度随调制信号变化幅度调制：载波幅度随调制信号变化频率调制：载波频率随调制信号变化频率调制：载波频率随调制信号变化相位调制：载波相位随调制信号变化相位调制：载波相位随调制信号变化频谱的变化：频谱的变化：已调信号与输入信号频谱之已调信号与输入信号频谱之间间呈线性搬移呈线性搬

4、移已调信号与输入信号频谱之间已调信号与输入信号频谱之间呈非线性搬移呈非线性搬移线性调制：线性调制：非线性调制：非线性调制：sm (f )线性调制非线性调制m (f )sm (f )频谱之间呈线性搬移关系：频谱之间呈线性搬移关系：AM、ASK频谱之间没有线性对应关系：频谱之间没有线性对应关系：FM、PM、FSK 75.2.1 5.2.1 幅度调制的原理幅度调制的原理设正弦型载波为设正弦型载波为: :式中，式中，A A 载波幅度；载波幅度； c c 载波角频率；载波角频率； 0 0 载波初始相位。载波初始相位。幅度调制信号幅度调制信号( (已调信号已调信号) )可表示成可表示成: :式中，式中，

5、m m( (t t) )基带调制信号基带调制信号。0( )coscs tAt0( )( )cos()mcstAm tt8假设假设m m( (t t)M M( ( ) )，则已调信号的频谱为，则已调信号的频谱为: :( )()()2mccASMM 结论结论: :已调信号的幅度随基带信号正比变化已调信号的幅度随基带信号正比变化, ,频谱是基带信号频谱的简单搬移。频谱是基带信号频谱的简单搬移。由于这种搬移由于这种搬移是线性的，因此幅度调制又称为线性调制。是线性的，因此幅度调制又称为线性调制。 注意注意:“:“线性线性”并不意味着已调信号与调制并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。信号之间

6、符合线性变换关系。9Otm( (t) )调制信号调制信号( )0m t 叠加直流叠加直流m0Ot0 0m0+m(t)OtAmaxOts sAM( (t t) )Amin时域表示时域表示（1）标准调幅）标准调幅 AM0( )( )coscos( )cosAMcccstm ttmtm tt10时域波形时域波形 当当m m0 0| |mm( (t t)|)|maxmax时已时已调信号包络与调制信调信号包络与调制信号波形相同，用包络号波形相同，用包络检波法可以恢复出原检波法可以恢复出原始调制信号。始调制信号。 否则否则, ,出现出现“过调过调幅幅”现象现象，包络检波，包络检波失效。失效。Amin A

7、max11 m (t) max m0将会出现过调幅现象而产生包络失真将会出现过调幅现象而产生包络失真, ,不能用包不能用包络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用相干解调络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用相干解调 当满足条件当满足条件 m (t) max m0时，时，AM信号的包络与调制信号成正比，信号的包络与调制信号成正比，可以用包络检波法很容易恢复出原始的调制信号可以用包络检波法很容易恢复出原始的调制信号maxmin0maxminAMAAmmAA重要参数：调幅指数AMAM调制波形分析调制波形分析Otm( (t) )AmaxOts sAMAM( (t t) )Amin满调幅满调

8、幅, , =1，此时，此时m=m0 AM欠调幅欠调幅，一般一般 小于小于1AM过调幅过调幅， 大于大于1 ，Amin为负值为负值AM12频谱频谱AM信号的频谱包含信号的频谱包含:载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带 上边带与原调制上边带与原调制信号的频谱结构相信号的频谱结构相同，下边带是上边同，下边带是上边带的镜像。带的镜像。载频分量载频分量下边带下边带上边带上边带单音调制单音调制01( ) ()()()()2AMccccSmMM 13带宽与功率分配带宽与功率分配调制信号功率：调制信号功率：HAMfB222202222200( )( ) coscos( )cos2( )cosAMAMccc

9、cPstmm ttmtmttm m tt( )0m t 220( )22AMcSmmtPPP调制信号带宽是基带信号带宽调制信号带宽是基带信号带宽f fH H的两倍：的两倍：所以所以载波功率载波功率边带功率边带功率14调制效率调制效率 有用功率（用于传输有用信息的边带功率）有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率。占信号总功率的比例称为调制效率。2220 ( )/2/2 ( )/2SAMAMPmtPmmtAM调制方式调制效率低！调制方式调制效率低！“满调幅满调幅”时，如果时，如果m(t)为矩形波形，则最大可得到为矩形波形，则最大可得到 AM =50%，而，而m(t)为

10、正弦波时可得到为正弦波时可得到 AM =33.3%。 一般情况下，一般情况下，调幅指数调幅指数都小于都小于1，调制效率很低，即，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。有的功率较小。 15优点：可以采用包络检波法解调，不需本：可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号，接收机成本很低。地同步载波信号，接收机成本很低。缺点：AM信号的调制效率比较低信号的调制效率比较低AMAM调制的优缺点调制的优缺点问题：能否去掉不带信息的载波，问题：能否去掉不带信息的载波，提高调制效率？提高调制效率？抑制载波双边带调制抑制载波双

11、边带调制16（2 2）双边带调制（）双边带调制（DSBDSB）时域表示式：无直流分量时域表示式：无直流分量A A0 0频域表达式：无载频分量频域表达式：无载频分量 ttmtscDSBcos)()()()(21)(ccDSBMMS17 时域表示时域表示抑制载波OtOtm( (t) )DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致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）需采用相干解调（同步检波）调制信号调制信号m(t)的过零点处高频载波相位有的过零点处高频载波相位有180o突变突变（2 2）双边带调制（）双边带调制（DSBDSB）ttmtscDSBcos)()(18DSBDS

12、B信号频谱分析信号频谱分析DSB信号节省了载波功率，调制效率为信号节省了载波功率，调制效率为100频带宽度仍是调制信号带宽的两倍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上、下两个边带是完全对称的问题：能否只传输其中一个边带，问题：能否只传输其中一个边带，节省带宽？节省带宽？单边带调制单边带调制)()(21)(ccDSBMMS19（3 3）单边带调制（）单边带调制（SSBSSB） 双边带信号两个边带中的任意一个双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱都包含了调制信号频谱M M( ( ) )的所有频谱的所有频谱信息，因此可以信息，因此可以只传输其中一个边带只传输其中一个边

13、带。既节省发送功率，还可节省一半传输频既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。带，这种方式称为单边带调制。20F+(w)/2F-(w)/2F+(w-wc)/4F-(w+wc)/4F+(w+wc)/4F-(w-wc)/4低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器21SSBSSB信号的频域表示式信号的频域表示式1,( )( )0,cUSBcHH1,( )( )0,cLSBcHH滤除下边带滤除下边带:滤除上边带滤除上边带: 1( )()()2SSBccSMMH22 1( )()()2SSBccSMMH以下边带为例：以下边带为例： 1sgn()sgn()2ccH其中，其中，1()s

14、gn()()sgn()4ccccMM1()()4ccMM1( )cos2cm tt1( )sin2cm tt23SSBSSB信号的时域表示信号的时域表示ttmttmtsccSSBsin)(21cos)(21)(SSB的时域表示式：的时域表示式：所以所以: :11( )( ) cos( )sin22SSBccstm ttm tt上边带上边带下边带下边带24SSBSSB时域波形时域波形00.511.522.533.544.55-3-2-10123SSB调 制 信 号t00.511.522.533.544.55-1.5-1-0.500.511.5SSB调 制 信 号t一般情况：一般情况：单音调制：单

15、音调制：25SSBSSB调制小结调制小结 SSB SSB信号信号DSBDSB一样，不能采用简单的包络检一样，不能采用简单的包络检波，因为它的包络不能直接反映调制信号的变波，因为它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以需采用相干解调。化，所以需采用相干解调。1/2SSBSSBHSSBDSBBfPP工程实现困难？工程实现困难？26（4 4）残留边带调制（）残留边带调制（VSBVSB）残留边带调制是介于残留边带调制是介于SSBSSB与与DSBDSB之间的一种折之间的一种折中方式，它克服了中方式，它克服了DSBDSB信号占用频带宽的缺点，信号占用频带宽的缺点，又解决了又解决了SSBSSB信号实现中的困

16、难。信号实现中的困难。损失部分损失部分残留部分残留部分27滤波法实现残留边带调制滤波法实现残留边带调制 滤波器的特性应按残留边带调制的要求进滤波器的特性应按残留边带调制的要求进行设计，不需要十分陡峭的截止特性，因而它行设计，不需要十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易设计。比单边带滤波器容易设计。残留边带信号的频谱残留边带信号的频谱: : ( )VSBDSBSSH1()()( )2ccMMH 28残留边带滤波器设计残留边带滤波器设计 从接收端分析滤从接收端分析滤波器的设计条件波器的设计条件! VSB( )cospcststt乘法器输出乘法器输出: (2)( )()/4pccSMMH( )

17、(2)()/4ccMMH 对应频谱对应频谱:搬移到搬移到2 的高频分量的高频分量,低通滤波后去除低通滤波后去除!29残留边带滤波器设计残留边带滤波器设计: :低通滤波器的输出低通滤波器的输出:1( )( )()()4dccSMHH 若输出无失真地恢复调制信号若输出无失真地恢复调制信号m(t)，则传递，则传递函数必须满足：函数必须满足：()()ccHHH常数，其中，其中， H 调制信号的截止角频率。调制信号的截止角频率。30 残留边带滤波器的特性残留边带滤波器的特性H H( ( ) )在在 c c处必须具有处必须具有互补对称（奇对称）互补对称（奇对称）特性特性, , 相干解调时才能无失真地从相干

18、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残留边带信号中恢复所需的调制信号。号。()()ccHHH常数，31残留边带滤波器特性的两种形式残留边带滤波器特性的两种形式残留残留“部分上边带部分上边带”残留残留“部分下边带部分下边带”32VSBVSB时域波形时域波形00.511.522.533.544.55-1.5-1-0.500.511.5SSB调 制 信 号t00.511.522.533.544.55-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.52SSB调 制 信 号t一般情况：一般情况：单音调制：单音调制：33 0coscm ttm cossinccm ttm tt coscm

19、tt cossinccm ttm ttAMDSBSSBVSB2fH时域表达式时域表达式带宽带宽2fHfHfH2fH调制方式调制方式各种线性调制方式各种线性调制方式34例例5-15-1已知调幅信号的表达式为已知调幅信号的表达式为SAM(t)=1.25cos2(104)t+4cos2(1.1104)t+1.25 cos2(1.2104)t试求：试求：1)载频为多少？载频为多少？ 2)调幅指数为多少？调幅指数为多少？ 3)调制频率为多少？调制频率为多少？1)载频为：载频为：2)调幅指数为调幅指数为: 3)调制频率为：调制频率为：34( )42.5cos(210 ) cos(21.1 10 )AMst

20、tt解：解：02.50.6254fAMAA421.1 10 rad/s3210 rad/s35幅度调制都属于线性调制，它的解调方式有两种：幅度调制都属于线性调制，它的解调方式有两种：非相干解调：非相干解调： 利用信号的幅度信息。仅适用于标准利用信号的幅度信息。仅适用于标准 调幅信号的解调。调幅信号的解调。相干解调：有本地载波参与解调，利用信号的幅度相干解调：有本地载波参与解调，利用信号的幅度 信息和相位信息，可适用于各种幅度调信息和相位信息，可适用于各种幅度调 制方式信号的解调。制方式信号的解调。(6) (6) 线性调制的解调线性调制的解调36 原理：为了无失真地恢复基带信号，接收端原理：为了

21、无失真地恢复基带信号，接收端必须提供必须提供与发送端载波严格同步（同频同相）的与发送端载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），本地载波（称为相干载波），它与接收信号相乘它与接收信号相乘低通滤波后，可得到原始的调制信号。低通滤波后，可得到原始的调制信号。相干解调器的一般模型相干解调器的一般模型 I I、相干解调、相干解调 37相干解调器时域分析相干解调器时域分析( )( )cos( ) inmIcQcsts ttst st ( )cos111( )( )cos2( ) in2222pmcIIcQcsts tts ts tts t st 1( )2dIststm t已调信号的表达式已调

22、信号的表达式: : 与相干载波相乘与相干载波相乘:低通滤波低通滤波:各种线性调制方式各种线性调制方式sI(t)都包含了都包含了m(t)信息信息!38 /2/2IIQQccccSjSSSS 1/ 2pccSS /222/4IIIccSSS22/ 4QQccjSS /2/2dIMSS 经乘法器后：经乘法器后：低通滤波：低通滤波： 相干解调利用了已调信号中的幅度和相位信息。提取相干解调利用了已调信号中的幅度和相位信息。提取同相分量而抑制正交分量，能够无失真的恢复出原调制信同相分量而抑制正交分量，能够无失真的恢复出原调制信号，可用于各种调制方式。号，可用于各种调制方式。相干解调器频域分析相干解调器频域

23、分析输入信号输入信号：39不同调制方式的相干解调不同调制方式的相干解调 0coscospccstm tttm 01cos2/2cm ttm /2dstm t低通滤波和隔直后，低通滤波和隔直后，2 2）双边带信号）双边带信号与本地载波与本地载波c(tc(t) )相乘相乘, , 2cospcstm tt cos2/2cm tm tt低通滤波后，低通滤波后， /2dstm t1 1）标准调幅信号）标准调幅信号403 3、单边带信号、单边带信号 211cossincos22pcccstm ttm ttt cos2sin2/4ccm tm ttm tt /4dstm t本地载波本地载波c(tc(t) )

24、相乘相乘经低通滤波后，经低通滤波后，4 4、残留边带信号、残留边带信号与本地载波与本地载波c(tc(t) )相乘相乘 211cossincos22pcccstm ttm ttt cos2sin2/4ccm tm ttm tt经低通滤波后，经低通滤波后， /4dstm t41 0cosAMcstm ttm 0maxmmt 00pstmtmtmm dstm t标准调幅信号的包络检波输入信号是AM信号且满足条件则经包络检波和低通后取出的幅度为 再经隔直流电路，得到包络检波非相干解调的最常用电路。具有电路简单、检波效率高等优点。但只能用于AM波的解调。DCRsd(t)sAM(t)II II、非相干解调

25、、非相干解调( (包络检波包络检波) )425.2.2 5.2.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 cossiniccscn tnttnttAWGN平稳窄带高斯噪声 cosicn tV ttt 222icsintntntN同相分量正交分量平均功率为N i1.0f0ff0B Hf若白噪声的单边功率谱密度为n00iNn B带宽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 ，若（AM/DSB）带通滤波器的带宽是2fH43噪声分析噪声分析( )( )cos( )siniccscn tn ttn tt2220( )( )( )iicsNn tn tn tn Bn ni i

26、( (t t) )为平稳窄带高斯噪声为平稳窄带高斯噪声: :解调器输入噪声功率解调器输入噪声功率: :带通滤波器带宽带通滤波器带宽单边功率谱密度单边功率谱密度44信噪比增益信噪比增益( (制度增益制度增益) ) 用用G G便于比较同类调制系统采用不同解调器便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能时的性能, ,也反映了调制制度的优劣。也反映了调制制度的优劣。2oo2oo( )( )Sm tNn t解调器输出有用信号的平均功率解调器输出噪声的平均功率iiNSNSG/00)()(22tntsNSimii功率解调器输入噪声的平均平均功率解调器输入已调信号的信噪比增益定义信噪比增益定义:其中其中,45

27、（1 1）DSBDSB调制系统的性能调制系统的性能 由于相干解调器是线性系统，可以分别计由于相干解调器是线性系统，可以分别计算解调器输出的信号功率和噪声功率。算解调器输出的信号功率和噪声功率。 ( )ms t LPF BPF )(tn ( )ms t )(tni )(tno o( )m t cosct 46解调器输出端的信号功率解调器输出端的信号功率解调器输入信号解调器输入信号: :相干载波相乘相干载波相乘: : 低通滤波低通滤波: :解调器输出信号功率解调器输出信号功率: :ttmtscmcos)()(211( )cos( )( )cos222ccm ttm tm tto1( )( )2m

28、tm t22oo1( )( )4Sm tm t47解调器输出端的噪声功率解调器输出端的噪声功率解调器输入噪声解调器输入噪声: :相干载波相乘相干载波相乘: :低通滤波低通滤波: :输出噪声功率输出噪声功率: :ttnttntncsccisin)(cos)( )(tttnttnttnccscccicossin)(cos)(cos)( )/2 ( )cos2( )sin2/2cccscn tn ttn tto1( )( )2cn tn t22oo0111( )( )444ciNn tn tNn B带通滤波器带宽带通滤波器带宽2f2fH H48信噪比计算信噪比计算解调器输入信号平均功率为解调器输入信

29、号平均功率为输入信噪比输入信噪比: :输出信噪比输出信噪比: :)(21cos)()(222tmttmtsScmiBntmNSii02)(2122oo01( )( )414im tSm tNn BN49DSBDSB系统信噪比增益系统信噪比增益DSBDSB调制系统的信噪比增益为调制系统的信噪比增益为2,2,即解调器即解调器使信噪比改善一倍。使信噪比改善一倍。原因是采用相干解调，使输入噪声中的正原因是采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被抑制。交分量被抑制。oo/2/DSBiiSNGSN50（2 2）SSBSSB调制系统的性能调制系统的性能 输出噪声功率输出噪声功率: :o01144iNNn Bo

30、1( )( )4mtm t22oo1( )( )16Sm tm t带通滤波器带宽带通滤波器带宽f fH H22oo00( )/16( )/44Sm tm tNn Bn B解调器输出信号解调器输出信号: : 平均功率平均功率: : 输出信噪比输出信噪比: :51 )(21)(2141sin)(cos)(41)(2222tmtmttmttmtsSccmi输入信号平均功率输入信号平均功率: :输入信噪比输入信噪比: :21( )4m tBntmBntmNSii02024)()(4152SSBSSB系统信噪比增益系统信噪比增益 SSB SSB系统中，信号和噪声有相同表示形系统中，信号和噪声有相同表示形

31、式，相干解调过程中，式，相干解调过程中，信号和噪声中的正信号和噪声中的正交分量均被抑制交分量均被抑制，故信噪比没有改善。，故信噪比没有改善。oo/1/SSBiiSNGSN53DSBDSB和和SSBSSB两者的输出信噪比是在不同的输入信两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到的号功率情况下得到的。如果我们在相同的输入信号功率如果我们在相同的输入信号功率Si，相同输入，相同输入噪声功率谱密度噪声功率谱密度n0，相同基带信号带宽条件下，相同基带信号带宽条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比输出信噪比是相等的。是相等的。 结论：结论：

32、DSBDSB和和SSBSSB信号的信号的抗噪声性能是相同的，但双边带信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号所需的传输带宽是单边带的2 2倍倍 54 0( )cosAMcstmm ttm0为载波幅度，m(t)为调制信号。这里仍假设m(t)的均值为0， ( )( )cossiniccscn tn ttntt 222022iAMmtmSst 20iiNntn B 22002iiAMmmtSNn B 0( )/2stm t解调器的输入信号解调器的输入信号解调器的输入噪声解调器的输入噪声解调器的输入信噪比解调器的输入信噪比解调器的输出信号解调器的输出信号解调器的输出噪声解调器的输出

33、噪声解调器的输出信噪比解调器的输出信噪比(3) AM(3) AM相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能 220( )/24mtSm t 01( )2cntn t 220001144cNntntn B 2000AMmtSNn B 200220/2/AMAMiiAMSNmtGSNmmt55（4 4） AMAM包络检波的性能包络检波的性能 ( )mst BPF )(tn ( )is t )(tni ( )on t o( )s t 包络检波 检波输出电压正比于输入信号的包络变化检波输出电压正比于输入信号的包络变化 56解调器输入信噪比计算解调器输入信噪比计算输入信号功率输入信号功率: :输入噪声功率

34、输入噪声功率: : 输入信噪比输入信噪比: :2220 ( )( )22immmtSstBntnNii02)(2200 ( )2iiSmmtNn B带通滤波器带宽带通滤波器带宽2f2fH H57解调器输入是信号加噪声的混合波形解调器输入是信号加噪声的混合波形: :当包络检波器的传输系数为当包络检波器的传输系数为1 1时，则检波器时，则检波器的输出就的输出就E(t)。 输出信号包络的计算输出信号包络的计算0( )( ) ( )( )cos( )sin( )cos( )miccsccs tn tmm tn tt n ttE ttt220( )( )( )( )csE tmm tn tn t0( )

35、( )( )( )scn ttarctgmm tn t其中其中,58输出信噪比计算输出信噪比计算220( )( )( )csmm tn tn t22200( )( )2( )( )( )( )ccsE tmm tmm t n tn tn t200120000( )2( ) ( )2( )( ) 1( )( )( ) 1( )cccmm tmm t n tn tmm tmm tn tmm tmm t0( )( )cmm tn t12(1)1,12xxx 当时大信噪比情况大信噪比情况有用信号与噪声独立分成两项有用信号与噪声独立分成两项59输出信号功率输出信号功率: :输出噪声功率输出噪声功率: :

36、 输出信噪比输出信噪比: : 信噪比增益信噪比增益: :2o ( )Smt22o0( )( )ciNn tn tn B2oo0 ( )SmtNn B2oo220/2 ( )/ ( )AMiiSNmtGSNmmt 60小信噪比情况小信噪比情况220( )( )( )csmm tn tn t22200( )( )( )( )2( )( )cscE tmm tn tn tn t mm t220( )( )2( )( )cscn tn tn t mm t220222( )( )( )( ) 1( )( )ccscsn t mm tn tn tn tn t02( )( ) 1cos ( )( )mm t

37、R ttR t)()()(22tntntRsc)()()(tntnarctgtcs小信噪比情况小信噪比情况其中其中R(t) 和和 (t) 代表噪声的包络及相位：代表噪声的包络及相位：61输出信噪比不随着输入信噪比按比例下降，输出信噪比不随着输入信噪比按比例下降，而是急剧恶化，这种现象称为解调器的而是急剧恶化，这种现象称为解调器的门限效门限效应应, ,出现门限效应的输入信噪比称为出现门限效应的输入信噪比称为门限值门限值。0( )( )R tmm t0( )( ) 1cos ( )( )mm tR ttR t02( )( )( ) 1cos ( )( )mm tE tR ttR t0( ) ( )

38、cos ( )R tmm tt因为因为输出没有单独的信号项，有用信号被噪声扰乱输出没有单独的信号项，有用信号被噪声扰乱12(1)12xx 62n在小信噪比情况下，包络检波无法提取有用在小信噪比情况下，包络检波无法提取有用信号的现象称为解调器的信号的现象称为解调器的“门限效应门限效应”。n开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。n门限效应是由包络检波器的非线性解调作用门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的。所引起的。n相干解调的方法解调各种线性调制信号时不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存在门限效应。原因

39、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行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。号项。门限效应门限效应63门限效应小结门限效应小结1. 1. 门限效应是由包络检波器的非线性解调作用门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。相干解调不存在门限效应引起的。相干解调不存在门限效应, ,因为信号与因为信号与噪声分别进行解调，解调器输出端总是存在单噪声分别进行解调，解调器输出端总是存在单独的信号项。独的信号项。2. 2. 大信噪比情况下，大信噪比情况下，AMAM信号包络检波器的性能信号包络检波器的性能与相干解调基本相同。当输入信噪比低于门限与相干解调基本相同。当输入信噪比低于门

40、限值时，包络检波将会出现门限效应，输出信噪值时，包络检波将会出现门限效应，输出信噪比急剧恶化，系统无法正常工作。比急剧恶化，系统无法正常工作。64讨论讨论 1. AM 1. AM信号的调制制度增益信号的调制制度增益G GAMAM随随m m0 0的减小而增加。的减小而增加。 2. G 2. GAMAM总是小于总是小于1 1，这说明对输入信噪比没有改善，这说明对输入信噪比没有改善，反而恶化了。反而恶化了。 3. AM 3. AM调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的性能与同步检测器时几乎一样。但随着信噪解调时的性能与同步检测器时几乎一样。但随着信噪比的

41、减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上比的减小，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。噪比将急剧恶化。 例如：对于例如：对于100%的调制，且的调制，且m(t)是单频正弦信号，是单频正弦信号，这时这时AM 的最大信噪比增益为的最大信噪比增益为2/3。65调制的作用调制的作用、调制的分类调制的分类AM、DSB、SSB和和VSB调制调制（时域、频域、功率分析）（时域、频域、功率分析）线性调制的一般模型（线性调制的一般模型（滤波法和相移法）相干相干/非相干解调非相干解调调幅指数、调制效率调幅

42、指数、调制效率VSB滤波器需满足的特性滤波器需满足的特性滤波法和相移法产生滤波法和相移法产生抗噪声性能分析抗噪声性能分析AM信号相干信号相干/非相干解调非相干解调制度增益制度增益 小信噪比门限效应小信噪比门限效应频率相位误差的影响频率相位误差的影响665.35.3非线性调制的原理及抗噪声性能非线性调制的原理及抗噪声性能角度调制时间域上的特点：角度调制时间域上的特点：幅度始终不变；幅度始终不变；角度（频率、相位）在变化。角度（频率、相位）在变化。 载波的相位角受调制信号的控制而变化，产生具有载波的相位角受调制信号的控制而变化，产生具有恒定振幅和瞬时相角恒定振幅和瞬时相角(t)的正弦波，称之为角度

43、调制。的正弦波，称之为角度调制。 相位调制相位调制 PM 频率调制频率调制 FM非线性调制m (f )sm (f )频谱之间没有线性对应关系 角度调制方式调制前后频率分量不是线性对应关系，角度调制方式调制前后频率分量不是线性对应关系，经调制后将原来的频谱扩展到非常宽的频率范围之内经调制后将原来的频谱扩展到非常宽的频率范围之内传输，所以属于非线性调制。传输，所以属于非线性调制。675.3.1 5.3.1 非线性调制的原理非线性调制的原理 0coscs tAtt 000coscos()cc tAtAt1 1、未调制载波、未调制载波2、角调制后、角调制后瞬时相位瞬时相位瞬时相位偏移瞬时相位偏移瞬时频

44、率瞬时频率瞬时频率偏移瞬时频率偏移 ( )cttt( ) t cdtdttdtdt dtdtm(t) A(t) 幅度调制幅度调制 m(t) 角度调制角度调制( )( )cttt固有相位固有相位固有频率固有频率68相位调制相位调制(PM)(PM) 定义定义: :瞬时相位偏移瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，即随调制信号作线性变化，即 式中式中K KPMPM-调相灵敏度，单位是调相灵敏度，单位是radrad/V/V。( )( )PMtKm t( )cos( )PMcPMstAtKm t时域表达式时域表达式:69瞬时相位：瞬时相位：调相波的表达式：调相波的表达式：KPM称为调相灵敏度，单位为弧度称为

45、调相灵敏度，单位为弧度/伏伏( )( )cPMttKm t瞬时相位偏移瞬时相位偏移: PMtKm t瞬时相位偏移瞬时相位偏移随调制信号随调制信号m(t)而线性变化；而线性变化；最大相移：最大相移： maxPMPMKm t( )cos( )PMcPMstAtKm t70调相波的表达式：调相波的表达式：瞬时频率：瞬时频率：( )( )/( )/cPMtdtdtKdm tdt瞬时频率偏移：瞬时频率偏移：( )/PMKdm tdt最大频偏：最大频偏：max( )/PMPMKdm tdt( )cos( )PMcPMstAtKm t71( )cosmmmcm tAt( )coscosPMcPMmstAtt

46、sincPMmmt瞬时频率：瞬时频率：最大频偏：最大频偏：PMPMmPMmmKA最大相偏：最大相偏：PMPMPMmKA调相指数调相指数瞬时相位：瞬时相位：coscPMmtt单音调相单音调相 72 定义定义: :瞬时频率偏移瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，随调制信号成比例变化，频率调制频率调制(FM)(FM)( )( )FMdtKm tdt ( )tFMtKmd ( )costFMcFMstAtKmd相位偏移相位偏移:时域表达式时域表达式:式中式中K KFMFM-调频灵敏度，单位是调频灵敏度，单位是rad/srad/s V V。 73瞬时频率：KFM称为调频灵敏度，单位为弧度/秒/伏( )(

47、)cFMtKm t瞬时频率偏移: ( )FMdtKm tdt瞬时频率偏移随调制信号m(t)而线性变化；最大频偏： maxFMFMKm t调频波的表达式：调频波的表达式： ( )costFMcFMstAtKmd74调频波的表达式：调频波的表达式：瞬时相位：瞬时相位： ( )tcFMttKmd瞬时相位偏移：瞬时相位偏移：最大相移：最大相移： maxtFMFMKmd tFMKmd ( )costFMcFMstAtKmd75调频指数调频指数教材为教材为mf ( )coscostFMcFMmmstAtKAtdtcossincFMmAtt最大相偏：最大相偏：/FMFMFMmmKAcoscFMmmt瞬时频率

48、：瞬时频率：最大频偏：最大频偏：FMFMmFMmKA瞬时相位：瞬时相位：sincFMmtt单音调频单音调频( )cosmmmcm tAt76PMPM与与 FMFM的关系的关系 1.PM 1.PM的的相位偏移随调制信号相位偏移随调制信号m(tm(t) )线性变化，线性变化，FMFM的的相位偏移随相位偏移随m(tm(t) )的积分的积分呈线性变化。呈线性变化。 2. 2.如果不知道调制信号如果不知道调制信号m(tm(t) )，则，则无法从已调无法从已调信号判断是调相信号还是调频信号信号判断是调相信号还是调频信号。 ( )costFMcFMstAtKmd( )cos( )PMcPMstAtKm t7

49、7FMFM与与PMPM之间的联系之间的联系 （a a）直接调频）直接调频 （b b）间接调频）间接调频 (c) (c) 直接调相直接调相 (d) (d) 间接调相间接调相适用于宽带调制 适用于宽带调制 适用于窄带调制适用于窄带调制 实际相位调制器的调制范围有限 782.2.调频信号的带宽调频信号的带宽卡森（卡森（CarsonCarson）公式）公式 2(1)2()FMFMmmBfff 理论上调频信号的频带宽度为无限宽理论上调频信号的频带宽度为无限宽! 边频幅度随边频幅度随n n增大而减小，所以认为频谱有增大而减小，所以认为频谱有限。限。通常信号频带宽度应包括幅度大于未调载通常信号频带宽度应包括

50、幅度大于未调载波波10%10%以上的边频分量以上的边频分量。当。当FMFM 1 1时时, ,nnFMFM +1 +1以以上的边频幅度均小于上的边频幅度均小于0.10.1。有效带宽有效带宽: :79 调频信号所有频率分量的平均功率之和为常数且等于原来未调频信号所有频率分量的平均功率之和为常数且等于原来未调制的载波功率。调制的载波功率。调制前后总的功率不变，只是将原来载波调制前后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。功率中的一部分分配给每个边频分量。调制的过程使功率进调制的过程使功率进行了再分配。行了再分配。 不同时将有不同的分配。不同时将有不同的分配。FM3 3、调频信号

51、的功率分配、调频信号的功率分配信号功率：信号功率：第第n n对边频功率：对边频功率：载波功率：载波功率：22000()2FMASJ2202()2nnFMASJ222200( )()22FMFMnFMnAASstJ80 100MHz的载波，受振幅为的载波，受振幅为1v的的10KHz的单频正弦调的单频正弦调频，最大频偏为频，最大频偏为1MHz， 求求: 1) FM信号的带宽信号的带宽 ； 2) 调制信号幅度加倍时，调制信号幅度加倍时，FM信号的带宽；信号的带宽； 3) 调制信号频率加倍时，调制信号频率加倍时，FM信号的带宽；信号的带宽；1) 调制信号幅度增大，使最大频偏增加，带宽也增加；调制信号幅

52、度增大，使最大频偏增加，带宽也增加；2) 调制信号频率增大，由于不改变最大频偏，因此带宽增加很少。调制信号频率增大，由于不改变最大频偏，因此带宽增加很少。讨论：讨论：644212(/1)2(10 /101) 102.02FMFMmFMmmmWKAMHz644212(/1)2(2 10 /101) 104.02FMFMmFMmmmWKAMHz644212(/1)2(10 /(2 10 ) 1) 2 102.04FMFMmFMmmmWKAMHz 1)2)3)例例5-55-581直接法就是用调制信号直接控制振荡器的频率，直接法就是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使其按调制

53、信号的规律线性变化 优点优点:在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。缺点缺点:频率稳定度不高。频率稳定度不高。锁相环（锁相环（PLL）调制器，）调制器，可以获得高质量的可以获得高质量的FM或或PM信号。其载频稳定度很信号。其载频稳定度很高，可以达到晶体振荡器高，可以达到晶体振荡器的频率稳定度的频率稳定度 1、直接法直接法压控振荡器自身就是一个压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即：正比于输入控制电压，即： i(t)= c+Kf m(t) 5.3.4 5.3.4 调频信号的产生与解调调频信

54、号的产生与解调82间接法调频间接法调频 阿姆斯特朗阿姆斯特朗ArmstrongArmstrong法法 原理原理: :先将调制信号积分，然后对载波进行调先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个窄带调频相，即可产生一个窄带调频(NBFM)(NBFM)信号，再经信号，再经n n次倍频得到宽带调频次倍频得到宽带调频 (WBFM) (WBFM) 信。信。倍频器的作用是提高调频指倍频器的作用是提高调频指数，从而获得宽带调频数，从而获得宽带调频 83相干解调：只适用于相干解调：只适用于NBFMNBFM、NBPMNBPM信号信号非相干解调：适用于所有非相干解调：适用于所有FMFM和和PMPM信号信号

55、 窄带调频信号可以分解成为正交分量和同相分量，窄带调频信号可以分解成为正交分量和同相分量，而相干解调则是抑制一种分量提取一种分量。而相干解调则是抑制一种分量提取一种分量。带通滤波器带通滤波器低通滤波器低通滤波器微分器微分器SNBFM(t)si(t)sp(t)sd(t)so(t)c(t)=-sin ct 一、相干解调一、相干解调5.3.5 5.3.5 角度调制信号的解调角度调制信号的解调84带通滤波器低通滤波器微分器SNBFM(t)si(t)sp(t)sd(t)so(t)c(t)=-sin ct 1、相干解调、相干解调 (只适用于只适用于NBFM、NBPM信号信号)相乘后，00( )cos( )

56、sintNBFMcFMcstAtA Kmdt低通后，微分后， m(t)调制信号存在于调制信号存在于正交分量中正交分量中0( )( )/2tdFMs tA Kmd0( )( )/2oFMs tA Km t00( )sin2( )(1 cos2)/22tpcFMcAs ttA Kmdt 85注意：相干解调仅适用于窄带角度调制信号的解调注意：相干解调仅适用于窄带角度调制信号的解调带通滤波器带通滤波器低通滤波器低通滤波器SNBPM(t)si(t)sp(t)so(t)c(t)=-sin ct 窄带调相信号相干解调原理框图窄带调相信号相干解调原理框图窄带调相与窄带调频类似，只是不需要微分器。窄带调相与窄带

57、调频类似，只是不需要微分器。86二、非相干解调二、非相干解调( (适用于所有调角信号适用于所有调角信号) )三种方法：鉴频器解调、环路解调器、频率反馈解调器三种方法：鉴频器解调、环路解调器、频率反馈解调器 BPF限幅器限幅器d/dt包络检波包络检波LPFsFM(t)si(t)sd(t)so(t)原理原理：将频率变化转化为幅度变化之后检出幅度变化；：将频率变化转化为幅度变化之后检出幅度变化；组成组成：由微分器和包络检波器组成。：由微分器和包络检波器组成。鉴频器鉴频器KD1、FM信号非相干解调信号非相干解调87削去调频波在传输过程中引起削去调频波在传输过程中引起的幅度变化部分，变成固定幅的幅度变化

58、部分，变成固定幅度度 0cos( )tFMcFMstAtKmd将幅度恒定的将幅度恒定的调频波变成调调频波变成调幅调频波幅调频波 从幅度变化中从幅度变化中检出调制信号检出调制信号 缺点：对于由信缺点：对于由信道噪声和其他原道噪声和其他原因引起的幅度起因引起的幅度起伏也有反应伏也有反应 a) FM信号限幅限幅带通带通滤波器滤波器低通低通滤波器滤波器微分器微分器si(t)sd(t)sp(t)so(t)包络包络检波器检波器sFM(t)鉴频器 0d/d( ) sin( )tFMcFMcFMsttAKm ttKmd 00( )DFMstK KA m t1、鉴频器、鉴频器 0( )dDcFMs tK AKm

59、 t二、非相干解调二、非相干解调( (适用于所有调角信号适用于所有调角信号) )三种方法：鉴频器解调、环路解调器、频率反馈解调器三种方法：鉴频器解调、环路解调器、频率反馈解调器 88SPM(t)=A0cos ct+KPMm(t)sp(t) = dsPM(t)/dt= -A0 c+KPMdm(t)/dt sin ct+KPMm(t)sd(t)= KDKPMA0dm(t)/dtso(t)= sd(t)dt= KDKPMA0m(t) m(t)带通带通滤波器滤波器限幅器限幅器鉴频器鉴频器LPFsPM(t)si(t)sd(t)so(t)积分器积分器sP(t)增加一个积分器增加一个积分器各点信号表示：各点

60、信号表示：b) PMb) PM信号非相干解调信号非相干解调 调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。相干解调仅适用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；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适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是频信号，而且不需同步信号，因而是FM系统的主要解调方式。系统的主要解调方式。89相干解调的抗噪声性能小结相干解调的抗噪声性能小结窄带调频信号相干解调的抗噪声性能窄带调频信号相干解调的抗噪声性能窄带调相信号相干解调的抗噪声性能窄带调相信号相干解调的抗噪声性能 信噪比增益为：信噪比增益为： 输