第4章模拟调制系统ch4_1

1、1通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二4.1 引言引言4.2 幅度调制的幅度调制的原理原理及抗噪声及抗噪声性能性能 4.2.1 幅度调制的幅度调制的原理原理 4.2.2 线性调制系统的抗噪声线性调制系统的抗噪声性能性能 4.3 非线性调制非线性调制(角度调制角度调制)的的原理原理及抗噪声及抗噪声性能性能 4.3.1 非线性调制的非线性调制的原理原理 4.3.2 非线性调制系统的抗噪声非线性调制系统的抗噪声性能性能 4.4 各种模拟调制系统的各种模拟调制系统的比较比较4.5 频分频分复用复用(FDM)4.6 复合调制及多极调制的复合调制及多极调制的概念概念2通信原理-信息学院王学伟

2、2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）4.1 引言引言n从消息变换过来的原始信号具有频率较低频谱 分量,这种信号在许多信道中不适宜进行传输.n载波调制 按调制信号(基带信号)的变化规律去改变 载波某些参数的过程.n载波的分类 用正弦信号作为载波；用脉冲串或一组数 字信号作为载波。3通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n调制的两种方式 模拟(连续调制)和数字调制.n调制在通信系统中的作用 进行频谱搬移,将调制

3、信号转换:1)适合于信适合于信 道传输道传输; 2)已调信号便于信道多路频分复已调信号便于信道多路频分复用用.n常用的重要的模拟调制方式 1、用正弦波作为载波的幅度调制包括：调幅AM， 双 边带DSB，残留边带VSB，单边带SSB. 2、角度调制包括:频率调制FM，相位调制PM.4通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）4.2 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4.2.1 幅度调制的原理幅度调制的原理n正弦载波为： 0coscs tAt4.2-1 为载波角频率; 为载波的初

4、始相位; A为载波的幅度. c05通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n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。幅度已调信号可表示成： 0cosmcstAm tt4.2-2当 时: 00 cos2cccjtjttmeestAm t 为基带调制信号. tm6通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l设调制信号 的频谱为 。由傅式变换的 频移特性，已调信号 的频谱 tm M

5、mst mSu幅度已调信号的频谱 是基带信号频谱结构频谱结构在频域内的简单搬移简单搬移. 这种搬移是线性的,因此,幅度调制又称为称为 线性调制线性调制. 2mmccASF stMM4.2-3 2ccjtjtmeestAm t7通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n 线性调制器的一般模型: 为带通滤波器 thcosct图4-1 tm tsm th mst8通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative sys

6、tem）l线性调制器模型输出信号的时域和频域 表示式为: 时域时域: coscoscossinsinmccccccsthm ttdthm tdthm td 4.2-4 0cosmcstAm tt4.2-29通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）频域频域: 由式4.2-3和时域的卷积定理可得 0.5mccSMMH4.2-5u上述模型称为调制器的一般模型称为调制器的一般模型,在该模型中, 适当选择带通滤波器的冲激相应 ,便可得 到各种幅度调制信号.(上次课讲到此处) th 4. 22-3mmc

7、cASF stMM 0cosmcstAm tt10通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n双边带DSB信号 图4-1中，如果输入基带信号m(t)没有直流分量 且 是理想带通滤波器，则得到的输出信号 便是无载波分量的双边带调制信号或称抑制载 波双边带 (DSB-SC)调制信号.其波形和频谱 如图4-2所示. th11通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）0cc S tst12通信原理-信

8、息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）0HH tM tmt13通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system） tmtstsmt mS0cc2H图4-2 DSB信号的波形及频谱14通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n调幅AM信号 如果输入基带信号 带有直流分量 和交 流分量 , 也是理想带通滤波器的

9、冲 激响应,得到的输出信号便是有载波分量的双 边带信号.l若 ，则该信号为标准调幅信号:l 即：SAMu时域表示: m t0m h t m t0m maxm t15通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system） 00coscoscoscosmccccstm ttmm ttmtm tt载波信号DSBSC信号4.2-6 01 2mccccSmMM 4.2-7 Mmtu频域表示:16通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulat

10、ive system）n单边带SSB信号l双边带调制信号包含有两个边带,即上、下边 带.这两个边带包含的信息相同.l在调制器的一般模型中,将带通滤波器设计成 图4-3的带通或带阻形式,带阻(a)将产生上边 带信号，带通(b)将产生下边带信号。频谱如 图4-4所示。17通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）图4-3 形成单边带信号的滤波特性 tMHH0mScc0上边带上边带下边带下边带 tm tsm th mst18通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系

11、统（模拟调制系统（analog modulative system）H10ccccH01mScc0上边带上边带下边带下边带 tm tsm th mst19通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）图4-4 单边带信号的频谱mScc0上边带频谱mScc0下边带频谱20通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l单边带信号的时域表示，以下边带的单边调 制为例：u下边带SSB信号,可由一个DSB信号

12、通过理想 低通滤波器获得.令下边带信号频谱为 .由式4.2-5得: SSBS 12SSBccSMMH4.2-8 0.5 4.2-5mccSMMH21通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）带通滤波器的频率特性可表示为： 1sgnsgn2ccH4.2-9 141sgnsgn4SSBccccccSMMMM4.2-10将式4.2-9代入式4.2-8得： 12SSBccSMMH4.2-822通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog m

13、odulative system）图4-4 单边带信号的频谱mScc0mScc0sgncsgnccMcM23通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）由于 11cos42cccMMm tt4.2-11 1sgnsgn41sin2cccccMMm tt4.2-1224通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system） 是 的希尔伯特变换,故得到下边带 SSB信号的时域表示式为: 11cossin22mc

14、cstm ttm tt4.2-13 11cossin22mccstm ttm tt4.2-14同理可得上边带SSB信号的时域表示式为: m t m t25通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n残留边带VSB信号l 双边带信号调制占用频带宽,单边带实现上较 困难.残留边带调制是介于双边带与单边带之 间的一种线性调制.残留边带信号的频域表示 式为: 12mccSMMH4.2-1526通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog m

15、odulative system）l残留边带滤波器的特性 接收端如果采用同步解调法进行解调,如 图4-5所示.相乘器输出信号应为残留边带 信号 与同步载波 的乘积.该乘积信 号的频谱应等于 和 相应频谱的卷 积,即 tsm ts tsm ts 11( )22mmSSSS u d4.2-1627通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 残留边带滤波器的传输特性的意义:低通滤波器 tsm ts m t图4-5 同步解调法组成方框图 H1HH028通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期

16、二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system） ccS 4.2-17 11221212mmccmmcmcSSSdSdSS 4.2-18所以由式4.2-16和式4.2-17可得:u若设同步载波 ,其频谱为: coscs tt 11( )22mmSSSSd29通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system） 因为 122mcccSMMH 122mcccSMMH4.2-19 1122mmcmcSSSS4.2-18 0.5 4.2-5mccSMMH30通信原

17、理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）式4.2-19代入式4.2-18得: 112242mccccSSMMHMMH 4.2-20式中, 与 是 搬移到 处的频谱.它可由解调中解调中的低通滤波器滤除的低通滤波器滤除.低 通滤波器输出的频谱为:2cM M2cM2c31通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system） 014ccSMHH4.2-21ccHHc4.2-22 a,ccHHHc 4.2-22 b上

18、式中c为常数.由于 信号带宽为 ,即 时 .所以,上式4.2-22a成立的条件为 即残留边带滤波器传输特性 必须满足的条件为:H MH 0MH H为了准确地获得 ,上式中 必须满足: M H32通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 残留边带滤波器的传输特性的意义:低通滤波器 tsm ts m t图4-5 同步解调法组成方框图 H1HH033通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）cc

19、0cH b Hcc0 acc0cH c34通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）cc0ccHH d图4-6 残留边带滤波器的几何解释HH35通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u结论 只要残留边带滤波器的截止特性 在载频处具有 互补对称特性,采用同步解调法解调残留边带信 号就 能准确地恢复所需的基带信号.l滤波器截止特性的影响 如果滤波器截止特性非常陡峭,那么所得到的残 留边带信号便

20、接近单边带信号;如果滤波器截止 特性的陡峭程度变差,则残留部分就自然增多,残 留边带信号所占据的带宽也越宽,甚至越来越逼 近双边带信号.36通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）4.2.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能n问题 信道存在加性高斯白噪声时,各种线性调制系统 的抗噪声性能.n通常认为加性噪声只对信号的接收产生影响,故调制 系统的抗噪声性能是利用解调器的抗噪声能力来衡 量.n信噪比 信号与噪声的平均功率之比.37通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二

21、 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n 解调器的模型+带通滤波器解调器 mst n t已调信号高斯白噪声 mst in t带通型噪声 0n t 0m t基带信号解调器输出噪声图4-7 分析解调器性能的模型(1) 20( )0REtS 的平均功率的平均功率 t(4) 的直流功率的直流功率 2REt t(5)方差，方差， 的交流功率的交流功率 t 20RR 38通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l解调器输入噪声是带通型噪声，通常是一

22、个 窄带高斯噪声 : in t cossiniccscn tnttntt4.2-23 cosicntV ttt4.2-24或写成u 、 和 具有相同的平均功率 (方差): in t cnt snt222nincns4.2-25 222icsntntnt4.2-26 或记为39通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u解调器输入噪声 具有带宽B,输入噪声平 均功率为: in t 20iiNntn B4.2-27 220000SmtntN4.2-28l设经解调器解调后得到有用基带信号记为 ,解

23、调器输出噪声记为 ,解调器输出信号的平均功率 与输出噪声平均功率 之比可表示为: 0mt 0nt0N0S40通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n调制制度增益G 解调器输出信噪比与输入信噪比的比值.G 输出信噪比输入信噪比nDSB调制系统的性能l DSB信号的解调器为同步解调器,由相乘器和 低通滤波器构成. 20iiNntn B4.2-2741通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u

24、 若解调器输入信号为 cosmcstm tt 222cos0.5micSstm ttmt4.2-29 其平均功率为: 42通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u若同步解调器中相干载波为 ,则解调 器输出信号为: cosct 20cos( )cos111cos222cmcsttmtm ttm ttm t滤掉 cosmcstm tt注： 输出有用信号功率为: 222001124Smtm tmt4.2-3043通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟

25、调制系统（analog modulative system）u同步解调相乘器输出的噪声 为: tn0 0coscossincos11cos2sin22212icccscccccsccntn ttnttntttntnttnttnt解调器的低通滤波滤除44通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u 输出噪声功率为: 220014cNntnt4.2-31 tntntnsci2224.2-32 iiNtnN41412045通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统

26、（模拟调制系统（analog modulative system）u 解调器输入信噪比为: 2012iiSmtn BN4.2-334.2-34 220001144iSmtNmtn BNu 解调器输出信噪比为:u调制制度增益(DSB调制系统)为:002iiSNGSN4.2-35结论：结论：DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。信号的解调器使信噪比改善一倍。46通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）nSSB调制系统的性能lSSB信号解调与DSB信号解调方法的区别 解调方法相同,区别是解调之前的带

27、通滤波器. SSB带通滤波器只让一个边带信号通过；DSB 带通滤波器让两个边带信号通过.前者带宽是 后者的一半.l单边带信号解调器输入噪声与输出噪声为:0iNn B001144iBNNn4.2-3647通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 解调器的输入信号为: 11cossin22mccstm ttm tt4.2-37 是 的所有频率成分都相移 的信号(希尔伯特变换),“+”形成下边带, “”形成上边带. tm tm2l 单边带解调器输入信号功率 为:iS 22221cossin41c

28、ossin2cossin4imccccccSstm ttm ttm ttm ttm t m ttt4.2-3848通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 单边带解调器输入信号功率 为:iS 2221sin2884imcm tmtSstm t m tt4.2-38u 所以得 8822tmtmSi4.2-39 tmSi2414.2-40u由于 与 具有相同的功率谱密度或相同的平均功率,故有: m t tm49通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟

29、调制系统（analog modulative system）l 单边带解调器输出功率 由输出信号m0(t) 推导得到:0S 011cos2cos111sin22222cmccmtsttm tm ttt tmtm410u 通过滤波: 11cossin 4.2-3722mccstm ttm tt50通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u 输出功率 为:0S tmtmS220161414.2-41 BntmBntmNSii02024414.2-42l单边带解调器输入信噪比为: 214iSmt4

30、.2-400iNn B51通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 单边带解调器输出信噪比为: BntmBntmNS0202004411614.2-43001iiSNGSN4.2-44l 调制制度增益为:0014Nn B4.2-3652通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）nAM系统的性能lAM信号可用同步检测和包络检测两种方法 解调.实际中,AM信号的解调器几乎都用包络 检波器(线性

31、检波或平方律检波).下面主要结 合线性包络检波器讨论.l解调器输入信号为: cosmcstAm tt4.2-45u式中：A|m(t)|max 53通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system） cossinicsccn tnttntt4.2-46l 解调器输入信号功率 和噪声功率 为:iSiNu输入噪声 为: tni 2212iSAmt4.2-47 20iiNntn B4.2-48 220 2iiSAmtn BN54通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模

32、拟调制系统（analog modulative system）l 检波器输入端信号加噪声的合成包络： ( ) cossincosmccscicstntAm tn ttn ttE ttt4.2-49 22csE tAm tntnt4.2-50u 其中: cos;mcstAm tt cossinicsccn tnttn tt tntmAtntcsarctan4.2-51当包络检波器的传输系数 时, 就 是检波器的输出。包络 中的信号和噪声存在着非线性关系.1dK tE tE55通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulat

33、ive system） tntmAi tntmAs tntmAc故:l 包络检波器输出端的信号功率 和噪声功 率 :u大信噪比情况条件:0N0S由 22() )csE tAm tntnt4.2-5056通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system） 22221222211ccsccccE tAm tAm tn tntntAm tAm tn tn tAm tAm tn tAm tAm tAm tn t4.2-52 sAm tnt cAm tnt57通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二

34、第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system） 包络检波器输出的有用信号是 ,输出噪 声是 。输出信号功率S0和噪声功率N0分别为： tm tnc 20Smt 2200ciNntntn B4.2-53 ( )( )( )cE tAm tn t注：58通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system） 故: 调制制度增益为: 2000mtSNn B4.2-54 tmAtmNSNSGii2220024.2-55结论：结论：AM信号检波器的G随A的减小而增加,

35、但A不小于 。 maxm t 220 2iiSAmtn BN注：59通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）100%调制时调制制度增益: 此时, ,且 又是正弦型信 号,有: maxtmA tm 222Atm4.2-564.2-5732122222222AAAG 调制制度增益: 200222iimtSNGSNAmt4.2-5560通信原理-信息学院王学伟2022年5月24日星期二 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）Z结论结论1：G=2/3是包络检波器能够得到的最大 信噪比改善值。Z结论结论2：若采用同步检测法解调AM信号得到 的调制制度增益也为：（证明略） tmAtmG2222同