通信技术与系统-第三章模拟调制系统

1、第三章第三章 模拟调制系统模拟调制系统主要内容主要内容n调制的功能和分类调制的功能和分类n调幅和检波调幅和检波n角度调制和解调角度调制和解调调制的概念调制的概念n调制是通信原理中一个十分重要的概念；调制是通信原理中一个十分重要的概念；话筒扩音机扬声器调制的概念调制的概念n调制：让载波的某个（或几个）参数随调制：让载波的某个（或几个）参数随调制信号的变化而变化的过程或方式；调制信号的变化而变化的过程或方式；n调制定理是调制技术的理论基础；调制定理是调制技术的理论基础；调制定理调制定理n若一个信号若一个信号f(t)与一个正弦型信号与一个正弦型信号cosct相乘，从频谱上看，相当于把相乘，从频谱上看

2、，相当于把f(t)的频谱搬移到的频谱搬移到c处。处。n设设f(t)的傅里叶变换（也可称为频谱）为的傅里叶变换（也可称为频谱）为F()，则有，则有( )( )cos ()()1( )( )cos ()()2cccmcccf tFtstf ttFF 调制定理调制定理nf(t)称为调制信号或基带信号（原始信号）；称为调制信号或基带信号（原始信号）；ncosct称为载波；通常载波频率比调制信号称为载波；通常载波频率比调制信号的最高频率要高得多；的最高频率要高得多；nsm(t)称为已调信号。称为已调信号。调制示意图调制示意图tttcF()C()cHHcc000Sm()sm(t) c(t) f (t)f

3、(t)c(t)(a) 载波(b) 调制信号(c) 已调信号(d) 载波频谱(e) 调制信号频谱(f) 已调信号频谱2H000调制功能调制功能n频谱变换频谱变换n将低频信号的基带频谱搬移到适当的或指定将低频信号的基带频谱搬移到适当的或指定的频段；的频段；n实现信道复用实现信道复用n实现多个用户的信号共用同一个较大带宽的实现多个用户的信号共用同一个较大带宽的信道；信道；n提高抗干扰能力提高抗干扰能力n提高传输的有效性和可靠性；提高传输的有效性和可靠性；调制分类调制分类n按调制信号分类按调制信号分类n模拟调制：语音、图像信号模拟调制：语音、图像信号n数字调制：数字化编码符号或脉冲编码波形数字调制：数

4、字化编码符号或脉冲编码波形n按载波信号分类按载波信号分类n连续波调制连续波调制n脉冲波调制脉冲波调制n按调制器的功能分类按调制器的功能分类n幅度调制：幅度调制：n频率调制：频率调制：n相位调制：相位调制：n按调制器的传输函数分类按调制器的传输函数分类n线性调制线性调制n非线性调制非线性调制常规调幅常规调幅(AM)n线性调制系统中最先应用的一种幅度调线性调制系统中最先应用的一种幅度调制制n频域：已调波频谱是基带调制信号频谱频域：已调波频谱是基带调制信号频谱的线性位移；的线性位移；n时域：已调波包络与调制信号波形呈线时域：已调波包络与调制信号波形呈线性关系；性关系；常规调幅常规调幅(AM)设调制信

5、号为设调制信号为f(t)，其频谱为，其频谱为F()，即有，即有 f(t) F() A+f(t) 2A()+F()设载波为设载波为c(t) c(t)=cosct (+c)+(-c)则已调信号则已调信号 sAM(t)=A+f(t)cosct常规调幅常规调幅(AM)1( )2( )( ) ()()212( )( ) ()()21 ()() ()()2AMccccccccSAFAFAFF 常规调幅常规调幅(AM)tt0t0cF()C()cHHcc000SAM()sAM(t) (A f (t)c(t)A f (t)c(t)2H(a) 载波(b) 调制信号(c) 已调信号(d) 载波频谱(e) 调制信号频

6、谱(f) 已调信号频谱A0常规调幅常规调幅(AM)nAM频谱构成：频谱构成：n以载波频率为中心的上边带和下边带，且将以载波频率为中心的上边带和下边带，且将基带带宽扩展为基带带宽扩展为2倍；倍；n已调波频谱由载波和上下边频构成；已调波频谱由载波和上下边频构成；常规调幅常规调幅(AM)n调幅电路的功率分配调幅电路的功率分配第一项为载波功率，确保无过调失真；第一项为载波功率，确保无过调失真；第二项为双边带功率，含有调制信号的功率，第二项为双边带功率，含有调制信号的功率，传送有效信息的功率。传送有效信息的功率。2)(2220tfAPAM常规调幅常规调幅(AM)n调制效率：包含信息的双边带功率与总调制效

7、率：包含信息的双边带功率与总平均功率之比；平均功率之比；n单音频信号调制效率单音频信号调制效率)()(2202tfAtfAM2202220222/2/mmmmAMAAAAAA抑制载波的双边带调幅（抑制载波的双边带调幅（DSB）n已调信号的频谱中包含上、下两个边带已调信号的频谱中包含上、下两个边带且没有冲激分量的调幅方法称为抑制载且没有冲激分量的调幅方法称为抑制载波的双边带调幅。波的双边带调幅。n调制信号与载波直接相乘后的频谱；调制信号与载波直接相乘后的频谱；n没有载波频谱中的冲激分量，在载频两没有载波频谱中的冲激分量，在载频两边是完全对称的调制信号的频谱；边是完全对称的调制信号的频谱；n小于载

8、频的部分叫下边带频谱，大于载小于载频的部分叫下边带频谱，大于载频的部分叫上边带频谱。频的部分叫上边带频谱。抑制载波的双边带调幅（抑制载波的双边带调幅（DSB）f (t)sDSB(t)cosct抑制载波的双边带调幅（抑制载波的双边带调幅（DSB）非线性器件非线性器件反相器带通滤波器fcx1y1y2x2f (t) f (t)cosctysDSB(t)平衡式调制器平衡式调制器 AM和和DSB的性能比较的性能比较nAM和和DSB虽然都属于幅度调制的范畴，虽然都属于幅度调制的范畴，但在性能上各有千秋。在这里我们主要但在性能上各有千秋。在这里我们主要从两个方面来加以比较：一个是发射效从两个方面来加以比较：

9、一个是发射效率，另一个是总的使用成本。率，另一个是总的使用成本。AM和和DSB的性能比较的性能比较nAM调制的最高调制效率为调制的最高调制效率为50%；DSB的调制效率为的调制效率为100%。也就是说，在同。也就是说，在同等信号功率的前提下，等信号功率的前提下，AM的总功率至少的总功率至少要大于（或等于）要大于（或等于）DSB总功率的二倍。总功率的二倍。AM和和DSB的性能比较的性能比较n从发送信息的角度上看，从发送信息的角度上看，AM的成本较高，的成本较高，技术较复杂。但解调电路简单。因此，技术较复杂。但解调电路简单。因此，一般来说，在总的使用成本上一般来说，在总的使用成本上AM调制要调制要

10、比比DSB低。低。nDSB的发射系统虽然比的发射系统虽然比AM经济，但接收经济，但接收机却比较复杂，因此，一般多用于一些机却比较复杂，因此，一般多用于一些不在乎成本的专用（点对点）通信中。不在乎成本的专用（点对点）通信中。单边带调制（单边带调制（SSB)n双边带调制（双边带调制（AM和和DSB）中上下两个边）中上下两个边带是完全对称的，即两个边带所包含的带是完全对称的，即两个边带所包含的信息完全一样。信息完全一样。n双边带传输显然浪费了一个边带所占用双边带传输显然浪费了一个边带所占用的频段，降低了频带利用率。的频段，降低了频带利用率。n单边带调制。单边带调制。单边带调制（单边带调制（SSB)n

11、单边带调制就是只传送双边带信号中的单边带调制就是只传送双边带信号中的一个边带（上边带或下边带）。一个边带（上边带或下边带）。n产生单边带信号最直接的方法就是从双产生单边带信号最直接的方法就是从双边带信号中滤出一个边带信号即可。这边带信号中滤出一个边带信号即可。这种方法称为滤波法，是最简单、最常用种方法称为滤波法，是最简单、最常用的方法。的方法。单边带调制（单边带调制（SSB)f (t)sDSB(t)c(t) cosct单 边 带 滤 波 器HSSB()sSSB(t)单边带调制（单边带调制（SSB)0000cccccc0ccccSDSB()HSSB()SSSB()HSSB()SSSB()(a)(

12、b)(c)(d)(e)单边带调制（单边带调制（SSB)n若保留上边带，则若保留上边带，则HSSB()应具有高通特应具有高通特性性n若保留下边带，则应具有低通特性若保留下边带，则应具有低通特性1,( )0,cSSBcH1,( )0,cSSBcH单边带调制（单边带调制（SSB)单频正弦型信号单频正弦型信号 f(t)=Ecost载波信号为载波信号为 c(t)=Acosct 则则DSB信号为信号为( )coscoscos()cos() 2DSBcccstAEttAEtt单边带调制（单边带调制（SSB)n上边带信号为上边带信号为 n下边带信号为下边带信号为( )cos()2( )cos()2LSBcLS

13、BcAEstAtAEstAt单边带调制（单边带调制（SSB)n频带利用率比频带利用率比DSB调制高；调制高；n所需发射功率也比所需发射功率也比DSB调制小；调制小；n保密性强，普通调幅接收机不能接收保密性强，普通调幅接收机不能接收SSB信号，通常采用相干解调法。信号，通常采用相干解调法。单边带调制（单边带调制（SSB)n接收机需要复杂且精度高的自动频率控制系统接收机需要复杂且精度高的自动频率控制系统来稳定本地载波的频率和相位。来稳定本地载波的频率和相位。n对于低通型调制信号（含有直流或低频分量的对于低通型调制信号（含有直流或低频分量的信号）用滤波法的时候，要求滤波器的过渡带信号）用滤波法的时候

14、，要求滤波器的过渡带非常窄，即滤波器边缘必须很陡峭，理想状态非常窄，即滤波器边缘必须很陡峭，理想状态是一根垂直线。实际工程中，滤波器很难达到是一根垂直线。实际工程中，滤波器很难达到这样的要求，用滤波器产生的单边带信号，要这样的要求，用滤波器产生的单边带信号，要么频带不完整，要么多出一部分上边带（对下么频带不完整，要么多出一部分上边带（对下边带信号而言）或下边带（对上边带信号而边带信号而言）或下边带（对上边带信号而言）。言）。单边带调制（单边带调制（SSB)n对于带通型调制信号而言，只要载频相对于带通型调制信号而言，只要载频相对于调制信号最低频率分量的频率不要对于调制信号最低频率分量的频率不要太

15、大，滤波法就可以实现太大，滤波法就可以实现SSB调制，否调制，否则，就必须采用多级调制的方法降低每则，就必须采用多级调制的方法降低每一级调制对滤波器过渡带的要求，从而一级调制对滤波器过渡带的要求，从而完成完成SSB信号的产生。信号的产生。n产生单边带信号还可采用的一种方法叫产生单边带信号还可采用的一种方法叫做移相法。做移相法。单边带调制（单边带调制（SSB) 移相器2 移相器2f (t)sSSB(t)cosct)(tf残留边带调制（残留边带调制（VSB)n低通型调制信号由于上下边带的频谱靠低通型调制信号由于上下边带的频谱靠得很近甚至连在一起，因此用滤波器很得很近甚至连在一起，因此用滤波器很难干

16、净彻底地从难干净彻底地从DSB中分离出单边带信中分离出单边带信号，甚至得不到单边带信号。号，甚至得不到单边带信号。n残留边带调制：传输频带既包含一个完残留边带调制：传输频带既包含一个完整的边带（上边带或下边带），又包含整的边带（上边带或下边带），又包含另一个边带的一部分。另一个边带的一部分。 残留边带调制（残留边带调制（VSB)f (t)sDSB(t)c(t)cosct残留边带滤波器HVSB()sVSB(t)残留边带调制（残留边带调制（VSB) 移相器移相器2 f (t)sSSB(t)cos ct)(tfHd( )tcsin残留边带调制（残留边带调制（VSB)n特点：以载波特点：以载波0为中心

17、，在频谱幅度为中心，在频谱幅度1/2处，即坐标为（处，即坐标为（ 0 ，1/2）处，）处，使边带滤波器的过渡带呈现使边带滤波器的过渡带呈现“互补对称互补对称滚降滚降”特性；特性；n相当于：相当于：)()()(dSSBVSBHHH残留边带调制（残留边带调制（VSB)0ccSDSB()0000cccccccc(a)(b)(c)(d)(e)HVSB()HVSB()HVSB()SVSB()10.5残留边带调制（残留边带调制（VSB)H(f + f0)-(f0+fm)0000ffff0-f0f0+fm-2f02f0-2f02f0fm-fmfmfH(f)H(f - f0)H(f + f0) + H(f f

18、0)线性调制的通用模型线性调制的通用模型/2HQ()HI()f(t)SI(t)SQ(t)COS0tS(t)ttsttstsQISSB00sin)(cos)()(线性调制的通用模型线性调制的通用模型nAM：没有正交项，基本信号中增加直流分量；没有正交项，基本信号中增加直流分量；nDSB：没有正交项；没有正交项；nSSB：正交项通过希尔伯特变换，利用希尔正交项通过希尔伯特变换，利用希尔伯特（正交）滤波器产生；伯特（正交）滤波器产生；nVSB：比比SSB复杂，正交项通过特殊的正交复杂，正交项通过特殊的正交滤波器产生；滤波器产生；ttsttstsQISSB00sin)(cos)()(线性调制的通用模型

19、线性调制的通用模型分类分类时间表达式时间表达式频谱表达式频谱表达式AMA0+f(t)cos0tDSBf(t) cos0tSSBVSB一般一般)()(21)()(00000FFA)()(2100FF)()(21)()(210000FFjFF)()(21)()(210000FFjFF)()(21)()(210000QQIIssjssttfttf00sin)(cos)(ttfttf00sin)(cos)(ttsttsQI00sin)(cos)(频分复用频分复用(FDM)n频分复用（频分复用（Frequency Division Multiplex）：）：通过对多路调制信号进行不同载频的调制，通过对多

20、路调制信号进行不同载频的调制，使得多路信号的频谱在同一个传输信道的使得多路信号的频谱在同一个传输信道的频率特性中互不重叠，从而完成在一个信频率特性中互不重叠，从而完成在一个信道中同时传输多路信号的目的。道中同时传输多路信号的目的。频分复用频分复用(FDM)调制器1调制器2调制器3cos1tcos2tcos3t信道解调器1带通滤波器1H1()解调器2带通滤波器2H2()解调器3带通滤波器3H3()cos1tcos2tcos3t发话人1发话人2发话人3F1()F2()F3()受话人1F1()F2()F3()受话人2受话人3频分复用频分复用(FDM)信道带通滤波器2低通滤波器带通滤波器1低通滤波器带

21、通滤波器3低通滤波器f1(t)f2(t)f3(t)cos1tcos2tcos3tY()信道通频带0123P1()0123p1(t)p2(t)p3(t)cos1tcos2tcos3t01230123P2()P3()y (t)f1(t)f2(t)f3(t)y(t)0mm0mm0mmF3()F2()F1()0mm0mm0mmF3()F2()F1()调幅信号的解调调幅信号的解调n解调：从已调信号中恢复调制信号的过解调：从已调信号中恢复调制信号的过程或方法。程或方法。n非相干解调（包络检测）非相干解调（包络检测）n相干解调相干解调非相干解调（包络检测）非相干解调（包络检测）放电时常数放电时常数需满足：需

22、满足：t00t0tRCVDf (t)sAM(t)包络失真22cm载波插入法包络检波载波插入法包络检波nDSB、SSB和和VSB不能采用简单的包络不能采用简单的包络检波法进行解调，一般采用实现难度大、检波法进行解调，一般采用实现难度大、成本高的相干解调法；成本高的相干解调法；n如果插入很强的载波，则上述三种调制如果插入很强的载波，则上述三种调制仍然可用包络检波法进行解调；仍然可用包络检波法进行解调；载波插入法包络检波载波插入法包络检波s(t)sa(t)cd(t) Adcosct包络检波sd(t)只要插入载波的幅值只要插入载波的幅值Ad足够大，足够大，sd(t)就会与调制信号就会与调制信号f(t)

23、很近似。强载波可很近似。强载波可以在发射端加入，也可以在接收端插入。显然在发射端插入对广大的信号以在发射端加入，也可以在接收端插入。显然在发射端插入对广大的信号接收者有益，因此，在广播电视中为使接收机结构简单、成本低廉，都是接收者有益，因此，在广播电视中为使接收机结构简单、成本低廉，都是在发射时插入强载波在发射时插入强载波 相干解调相干解调n相干解调（同步解调）：利用同频同相相干解调（同步解调）：利用同频同相载波对已调信号直接相乘后取低通分量，载波对已调信号直接相乘后取低通分量，从而得到原始的调制信号的解调方法。从而得到原始的调制信号的解调方法。n相干载波：同频、同相的相干载波：同频、同相的“

24、本地载波本地载波”。相干解调相干解调相干解调器数学模型相干解调器数学模型低通滤波器低通滤波器Cos (0t+)s(t)sp(t)sd(t)VSB滤波器互补特性滤波器互补特性HVSB()0cc0cc0cc0ccHVSB(c)HVSB(c)HVSB(c) HVSB(c)相干解调的同步误差相干解调的同步误差n不满足同频、同相的条件不满足同频、同相的条件存在同步误差时，不仅在频率和相位上出现存在同步误差时，不仅在频率和相位上出现失真，在正交项上也会出现正交失真。失真，在正交项上也会出现正交失真。)()cos()(0ttcd本地载波：本地载波：)sin()()cos()(21)(sttsttstQId检

25、波输出：检波输出：线性调制系统的噪声性能分析线性调制系统的噪声性能分析BPFsi(t)ni(t)LPFsd(t)+nd(t)Cos(0t+)ttnttntnQIi00sin)(cos)()(线性调制系统的噪声性能分析线性调制系统的噪声性能分析n输入信噪比（输入信噪比（P82）n输出信噪比（输出信噪比（P82）n信噪比得益（信噪比得益（P83）nSSB与与DSB性能比较的结论：性能比较的结论：nSSB节省一半带宽，同时介入的噪声功率也小一半；节省一半带宽，同时介入的噪声功率也小一半；n相同解调信号时，已调制信号功率，相同解调信号时，已调制信号功率，SSB比比DSB大大一倍；一倍；n上述条件时，输

26、出信噪比上述条件时，输出信噪比SSB比比DSB大大1倍；倍；n综上所述，综上所述，SSB较较DSB性能为佳性能为佳角度调制角度调制n调频（调频（FM）：）：让瞬时频率偏移随调制信号而变化，让瞬时频率偏移随调制信号而变化，即将调制信号调制到载波的瞬时频率上即将调制信号调制到载波的瞬时频率上 n调相（调相（PM）：）：瞬时相位偏移瞬时相位偏移(t)(t)随调制信号而随调制信号而变化，即将调制信号调制到载波的瞬时相位上变化，即将调制信号调制到载波的瞬时相位上 ( )( )( )cos( )cos( )ftFMccfdtK f tdtstAttAtKfd( )( )( )cos( )cos( )pPM

27、ccptK f tstAttAtK f t角度调制角度调制n单音调频单音调频n单音调相单音调相)sincos(00ttAsAkmFMFMmmFMFM)coscos(00ttAsAkmPMPMPMmPMPM角度调制角度调制f (t)(t)f (t)(t)sPM (t)sFM (t)tttttt(a) 调相信号示意图(b) 调频信号示意图n仅仅从已调信号的波形分不出是调相信号还是调频信号仅仅从已调信号的波形分不出是调相信号还是调频信号角度调制角度调制nFM与与PM的关系的关系n对调制信号对调制信号f(t)f(t)先进行一次积分运算，然后再进行先进行一次积分运算，然后再进行调相，则调相器的输出就变成

28、了调频信号；调相，则调相器的输出就变成了调频信号；n若先对若先对f(t)f(t)进行微分再调频，则调频器的输出就变进行微分再调频，则调频器的输出就变成了调相信号。成了调相信号。 积分器调相器f (t)sFM(t)(a) 用调相器产生调频信号微分器调频器f (t)sPM(t)(b) 用调频器产生调相信号窄带角调制和宽带角调制窄带角调制和宽带角调制n根据已调信号瞬时相位偏移的大小划分根据已调信号瞬时相位偏移的大小划分n窄带角调制；窄带角调制；n宽带角调制；宽带角调制；调制指数（调制指数（p=KpAm和和f=KfAm/m）远）远远小于远小于1的调制称为窄带调制；反之，称为的调制称为窄带调制；反之，称

29、为宽带角调制。宽带角调制。窄带角调制窄带角调制n窄带调频窄带调频n窄带调相窄带调相maxmax:( )6:( )6ffNBFMKf t dtNBPMKf t窄带角调制窄带角调制n窄带调频的频谱与窄带调频的频谱与AM的频谱很相似，的频谱很相似，n载波分量和载频两边的边带；载波分量和载频两边的边带；n带宽是调制信号最高频率分量的两倍。带宽是调制信号最高频率分量的两倍。n与与AM频谱的主要不同之处有两点，频谱的主要不同之处有两点，n一是下边频的相位与上边频相反（正、负频一是下边频的相位与上边频相反（正、负频率分量相差率分量相差180）；）；n二是正、负频率分量分别乘有因式二是正、负频率分量分别乘有因式1/(-c)和和1/(+c)。窄带角调制窄带角调制SAM()SNBFM()F ()0mm0ccmccmcmcmcmccmcmccm0窄带角调制窄带角调制n窄带调相窄带调相n也包括载波和一对边频；也包括载波和一对边频；n两个边频均为负值，且其频谱与载波相差两个边频均为负值，且其频谱与载波相差90o。宽带角调制宽带角调制n单频宽带调频的频谱包含有载波、各次单频宽带调频的频谱包含有载