通信原理_第7讲_模拟调制系统(1)_电11

1、第1页2022-4-28夏夏 舸舸第2页2022-4-285.0 一些基本概念一些基本概念5.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理5.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能5.3 非线性调制（角度调制）原理非线性调制（角度调制）原理5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较5.6 频分复用和调频立体声频分复用和调频立体声5.7 小结小结第3页2022-4-28调制调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义调制广义调制 分为分为基带调制基带调制和

2、和带通调制带通调制（也称载波调制）。（也称载波调制）。 狭义调制狭义调制 仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。制一词均指载波调制。调制信号调制信号 指来自信源的基带信号，可以是模拟的或数字的。指来自信源的基带信号，可以是模拟的或数字的。载波调制载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的一用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的一个或某几个参数按照调制信号的规律变化。个或某几个参数按照调制信号的规律变化。载波载波 未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非

3、正弦波。是非正弦波。已调信号已调信号 载波受调制后称为已调信号。载波受调制后称为已调信号。第4页2022-4-28 调制的目的调制的目的q 提高无线通信时的天线辐射效率。提高无线通信时的天线辐射效率。q 把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。提高信道利用率。q 扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。与信噪比之间的互换。 调制方式调制方式 q 模拟调制模拟调制q 数字调制数字调制 常见的模拟调制常见的模

4、拟调制q 幅度调制：幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带调幅、双边带、单边带和残留边带q 角度调制：角度调制：频率调制、相位调制频率调制、相位调制第5页2022-4-28设：正弦型载波为：设：正弦型载波为：c(t)=Acos( ct+ 0) 式中：式中：A 载波幅度；载波幅度； c 载波角频率；载波角频率； 0 载波初始相位（以后假定载波初始相位（以后假定 0=0）。）。则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成 m(t) 基带调制信号。基带调制信号。 幅度调制通常又称为幅度调制通常又称为线性调制线性调制。但应注意，这里的。但应

5、注意，这里的“线性线性”并不意味并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。是一种非线性的变换过程。 ( )( )cosmcstAm tt第6页2022-4-28一、一、调幅调幅（AM）二、二、双边带调制双边带调制（DSB）三、三、单边带调制单边带调制（SSB）四、四、残留边带调制残留边带调制（VSB）五、线性调制的一般模型五、线性调制的一般模型六、相干解调六、相干解调七、包络检波七、包络检波第7页2022-4-28调制器模型：调制器模型：一、调幅（一、调幅（AM） m t ms

6、tcosct0A第8页2022-4-28标准标准调幅调幅常规双边带调幅常规双边带调幅时域表示式：时域表示式：sAM(t)=A0+m(t)cos( ct)= A0cos( ct)+m(t)cos( ct)式中：式中：m(t) 调制信号，均值为调制信号，均值为0；A0 常数，表示叠加的直流分量。常数，表示叠加的直流分量。频谱：频谱：若若m(t)为确知信号，则为确知信号，则AM信号的频谱为：信号的频谱为： 若若m(t)为随机信号，则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述为随机信号，则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述。 一、调幅（一、调幅（AM） )()(21cos)()()(cos)()(cccc

7、c0c0 MMttmAtAMtm )()(21)()()(cccc0AM MMAS第9页2022-4-28波形图：波形图：一、调幅（一、调幅（AM）第10页2022-4-28由波形可以看出：由波形可以看出：q 当满足条件：当满足条件：|m(t)|max A0时，其包络与调制信号波形相时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号。同，因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号。q 否则，出现否则，出现“过调幅过调幅”现象。这时用包络检波将发生失现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其它的解调方法，如同步检波。真。但是，可以采用其它的解调方法，如同步检波。一、调幅（

8、一、调幅（AM）第11页2022-4-28载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带频谱图：频谱图： )()(21)()()(cccc0AM MMAS第12页2022-4-28由频谱可以看出，由频谱可以看出，AM信号的频谱由：信号的频谱由：载频分量载频分量、上边带上边带、下边带下边带三部分组成。三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。下边带是上边带的镜像。一、调幅（一、调幅（AM）第13页2022-4-28AM信号的特性：带宽：带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基

9、带信号带宽带宽 fH 的两倍：的两倍：功率：功率：设设 m(t) 为确知信号为确知信号一、调幅（一、调幅（AM）第14页2022-4-28AM信号的特性：调制效率：调制效率：AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。部分。只有边带功率才与调制信号有关只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携，载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信带信息。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：号总功率的比例称为调制效率：一、调幅（一、调幅（AM）)()(2202tmAtmPPAMSAM第15页2022-4-28A

10、M信号的特性：调制效率：调制效率： 当当 m(t)=Amcos mt 时，时， ，代入上式，得到：，代入上式，得到： 当当|m(t)|max=A0 时（时（100调制），调制效率最高，这时：调制），调制效率最高，这时： max=1/3一、调幅（一、调幅（AM）2/)(22mAtm 220222022)()(mmAMAAAtmAtm第16页2022-4-28时域表示式：无直流分量无直流分量A0：频谱：无载频分量：无载频分量：二、双边带调制（二、双边带调制（DSB）ttmtscDSB cos)()( )()(21)(ccDSBMMS 第17页2022-4-28调制效率：100优点：节省了载波功率节

11、省了载波功率缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。二、双边带调制（二、双边带调制（DSB）第18页2022-4-28原理：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M( )的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。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。称为单边带调制。产生产生SSB信号的方法有两种：信号的方法有两种：滤波法滤波法和和相移法相移法。三、单边带调制（三、单边带

12、调制（SSB）第19页2022-4-28滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图滤波法的原理方框图用边带滤波器，滤除不要的边带：用边带滤波器，滤除不要的边带：H( )为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性： 则可滤除下边带。则可滤除下边带。三、单边带调制（三、单边带调制（SSB） ccHH 01)()(USB第20页2022-4-28滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图滤波法的原理方框图用边带滤波器，滤除不要的边带：用边带滤波器，滤除不要的边带： 若具有如下理想低通特性：若具有如下理想低通特性： ，则可滤，则可滤除

13、上边带。除上边带。SSB信号的频谱：信号的频谱：三、单边带调制（三、单边带调制（SSB） ccHH 01)()(LSB)()()( HSSDSBSSB 第21页2022-4-28滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图滤波法的原理方框图三、单边带调制（三、单边带调制（SSB）第22页2022-4-28滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的技术难点：滤波法的技术难点： 滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性。滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性。 例如：若经过滤波后的话音信号的最低频率为例如：若经过滤波后的话音信号的最低频率为300Hz，则上下边带之间的频率间隔为则上下边带之间的频率间隔为600H

14、z，即允许过渡带为，即允许过渡带为600Hz。在。在600Hz过渡带和不太高的载频情况下，滤波器过渡带和不太高的载频情况下，滤波器不难实现；但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方不难实现；但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。法已不可能实现单边带调制。三、单边带调制（三、单边带调制（SSB）第23页2022-4-28滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的技术难点：滤波法的技术难点： *可以采用多级（一般采用两级）可以采用多级（一般采用两级）DSB调制及边带滤波调制及边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行的方法，即先在较低的载频上进行DSB调制，目的是增大调制，目的是

15、增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。频上进行第二次调制。 当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。了。三、单边带调制（三、单边带调制（SSB）第24页2022-4-28相移法和SSB信号的时域表示：若若 m(t) 是确定信号，其傅氏频谱为是确定信号，其傅氏频谱为 M(f)，上边带滤波器的传递函数为：，上边带滤波器的传递函数为：此此HUSB(f)也可表示为：也可表示为：HUSB(f)=u(ffc)+ u(ffc)，式中，式中u()表示表示单位单位阶跃函数

16、阶跃函数。 基本思路基本思路：为得到单边带调幅信号的时域表示式，先写出单边带调幅为得到单边带调幅信号的时域表示式，先写出单边带调幅信号的频域表示式，再从它的信号的频域表示式，再从它的傅氏反变换傅氏反变换得到时域表示式。得到时域表示式。三、单边带调制（三、单边带调制（SSB） 为为其其它它值值ffffHc01)(USB第25页2022-4-28相移法和SSB信号的时域表示：上边带上边带信号的频域表示式为：信号的频域表示式为： 对上式进行傅氏反变换，并利用傅氏变换的调制定理，得到：对上式进行傅氏反变换，并利用傅氏变换的调制定理，得到：利用下列傅氏变换关系式：利用下列傅氏变换关系式：三、单边带调制（

17、三、单边带调制（SSB） )()(21)()(21)()()(21)(USBUSBccccccffuffMffuffMfHffMffMfS tfjtfjccefuFtmefuFtmts 2121USB)()(21)()(21)( )(2)(21)(2)(21futjtFfutjtF SDSB(t)第26页2022-4-28相移法和SSB信号的时域表示：得到：得到：在上式中使用了下列恒等式：在上式中使用了下列恒等式：三、单边带调制（三、单边带调制（SSB） tfjtfjtfjtfjccccetmjtmetmjtmetjttmetjttmts 2222USB)()(41)()(412)(21)(2

18、12)(21)(21)( )()()(tmttm )(1)(tmttm 第27页2022-4-28相移法和SSB信号的时域表示：式中的式中的 是是 m(t) 的希尔伯特变换。将的希尔伯特变换。将 m(t) 输入希尔伯特滤波器，输入希尔伯特滤波器，其输出是其输出是 ，如下图所示：，如下图所示：希尔伯特滤波器是冲激响应为希尔伯特滤波器是冲激响应为 的线型滤波器，其相应的的线型滤波器，其相应的频率响应为：频率响应为： 三、单边带调制（三、单边带调制（SSB）tth 1)( 00)(fjfjfH)(tm)(tm第28页2022-4-28希尔伯特变换：若信号存在傅里叶变换对若信号存在傅里叶变换对 ，则其

19、希尔伯特变换，则其希尔伯特变换的频谱等于该信号频谱的频谱等于该信号频谱F()的负频域全部频率成分相移的负频域全部频率成分相移+/2，而正频域相移，而正频域相移/2完成这种变换的传递函数称完成这种变换的传递函数称为为希氏滤波器传递函数，即有：，即有：Hh()=jsgn() 三、单边带调制（三、单边带调制（SSB）)()( Ftf第29页2022-4-28 利用欧拉公式得到单边带的上边带调幅信号表示式：利用欧拉公式得到单边带的上边带调幅信号表示式：三、单边带调制（三、单边带调制（SSB）tftmtftmtscc 2sin)(212cos)(21)(USB 2cos2sinjxjxjxjxeexje

20、ex tfjtfjccetmjtmetmjtmts 22USB)()(41)()(41)( 第30页2022-4-28 单边带的单边带的下边带下边带调幅信号表示式：调幅信号表示式： 由于：由于： 得到：得到： 单边带调幅信号的时域表示式为单边带调幅信号的时域表示式为：三、单边带调制（三、单边带调制（SSB）)()(DSBLSBUSBtststs ）（tftmtstftmtftmccc 2cos)()(2sin)(212cos)(21LSB tftmtftmtscc 2sin)(212cos)(21)(LSB tftmtftmtscc 2sin)(212cos)(21)(SSB 第31页2022

21、-4-28移相法移相法SSB调制器方框图：调制器方框图：优点：优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。不需要滤波器具有陡峭的截止特性。缺点：缺点：宽带相移网络难用硬件实现。宽带相移网络难用硬件实现。三、单边带调制（三、单边带调制（SSB）希尔伯特滤波器希尔伯特滤波器实质上是一个宽实质上是一个宽带相移网络带相移网络第32页2022-4-28SSB信号的解调：SSB信号的解调和信号的解调和DSB一样，不能采用简单一样，不能采用简单的包络检波，因为的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。包络不能直接反映

22、调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。SSB信号的性能：SSB信号的实现比信号的实现比AM、DSB要复杂，但要复杂，但SSB调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽度比所占用的频带宽度比AM、DSB减少了一半。它目前已成为减少了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。短波通信中一种重要的调制方式。三、单边带调制（三、单边带调制（SSB）第33页2022-4-28原理： 残留边带调制是介于残留边带调制是介于SSB与与DSB之间的一种折中方式，之间的一种折中方式，它既克服了它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了信

23、号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号信号实现中的困难。在这种调制方式中，不像实现中的困难。在这种调制方式中，不像SSB那样完全抑制那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留一小部分，信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留一小部分，如下图所示：如下图所示：四、残留边带调制（四、残留边带调制（VSB）第34页2022-4-28原理：四、残留边带调制（四、残留边带调制（VSB）第35页2022-4-28调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法SBB调制器相同。调制器相同。 不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求不过，这时

24、图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比单来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。边带滤波器容易制作。四、残留边带调制（四、残留边带调制（VSB）第36页2022-4-28对残留边带滤波器特性的要求：(1) 残留边带信号的频谱为（由滤波法可知）：残留边带信号的频谱为（由滤波法可知）： 为了确定上式中残留边带滤波器传输特性为了确定上式中残留边带滤波器传输特性 H( ) 应满足应满足的条件，来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信的条件，来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信号的。号的。四、残留边带调制（四、

25、残留边带调制（VSB） )()()(21)()()(DSBVSB HMMHSScc 第37页2022-4-28对残留边带滤波器特性的要求：(2) VSB信号解调器方框图：信号解调器方框图：因为：因为：根据频域卷积定理可知，乘积根据频域卷积定理可知，乘积sp(t)对应的频谱为：对应的频谱为：四、残留边带调制（四、残留边带调制（VSB）ttstsc cos)(2)(VSBp )()(VSBVSB Sts )()(cosccct )()()(VSBVSBpccSSS 第38页2022-4-28对残留边带滤波器特性的要求：(2) VSB信号解调器方框图：信号解调器方框图：将：将：代入：代入： ，得到：，得到：式中：式中：M( +2 c) 及及 M( 2 c) 是搬移到是搬移到 +2 c 和和 2 c 处的频谱，它们处的频谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为：可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为：