第3章 模拟调制系统-1

1、第3章 模拟调制系统3.1 概述一、调制的定义一、调制的定义 用信源信号用信源信号m(tm(t) )去控制载波去控制载波C(tC(t) )的某一个或几个参数，的某一个或几个参数，使该参数按照使该参数按照m(tm(t) )的规律变化。的规律变化。 tm ts调制信号调制信号载波载波已调信号已调信号信源信号信源信号余弦波或脉冲序列第3章 模拟调制系统3.1 概述本章模拟调制系统的载波为余弦波，即本章模拟调制系统的载波为余弦波，即 00cosc tAt振幅振幅 角频率角频率 初始相位初始相位载波的三个参量：载波的三个参量：调幅调幅(AM)(AM) 调频调频(FM)(FM)调相调相(PM)(PM)三种

2、调制方式：三种调制方式：角度调制角度调制 dtttdttdt一、调制的定义一、调制的定义第3章 模拟调制系统3.1 概述二、调制的功能二、调制的功能（1）便于天线辐射发送。）便于天线辐射发送。（2）实现信道复用。）实现信道复用。（3）实现频率分配。）实现频率分配。（4）提高信号通过信道的抗干扰性能。）提高信号通过信道的抗干扰性能。频谱搬移频谱搬移扩频通信扩频通信3.1 概述三、调制的分类三、调制的分类（1）按调制信号分）按调制信号分模拟调制模拟调制数字调制数字调制m(t)为模拟信号为模拟信号m(t)为数字信号为数字信号（2）按载波信号分）按载波信号分连续波调制连续波调制脉冲调制脉冲调制c(t)

3、为余弦波为余弦波c(t)为脉冲序列为脉冲序列（3）按调制器的功能分）按调制器的功能分幅度调制幅度调制频率调制频率调制相位调制相位调制（4）模拟调制）模拟调制线性调制线性调制非线性调制非线性调制已调信号的频谱是调制信号的频谱的已调信号的频谱是调制信号的频谱的沿着频率轴的搬移沿着频率轴的搬移不仅存在频谱搬移，而且频谱结构改变不仅存在频谱搬移，而且频谱结构改变线性调制线性调制非线性调制非线性调制s(t)调制调制信号信号m m( (t t) )A Acoscos 0 0t tH H( (f f) )已调已调信号信号s s( (t t) )3.2 线性调制载波为：载波为： 000coscos2c tAt

4、Af t相乘器的输出为：相乘器的输出为： 0cos2s tm t Af t0已调信号为：已调信号为： s t线性调制器的原理模型线性调制器的原理模型滤波器滤波器时域分析：时域分析：与滤波器的特性有关。与滤波器的特性有关。结论：输出已调信号的振幅不再为常数结论：输出已调信号的振幅不再为常数A A，而是，而是Am(tAm(t) ) 即载波的振幅受到了即载波的振幅受到了m(tm(t) )的调制。的调制。3.2 线性调制相乘器输出相乘器输出 0cos2s tm t Af t频域分析：频域分析：( )( )m tM f调制信号调制信号)()(2)(00ffMffMAfSM(f)f0S(f)f0f-f00

5、 输入信号频谱密度 输出信号频谱密度结论：输出已调信号的频谱是调制信号频谱沿着频率轴搬移到结论：输出已调信号的频谱是调制信号频谱沿着频率轴搬移到f f0 0频率频率 位置上，幅度存在一定衰减，但频谱结构与调制信号结构相同，位置上，幅度存在一定衰减，但频谱结构与调制信号结构相同， 因此为线性调制。因此为线性调制。 |m (t)| 1， m (t)|max = m3.2.1 振幅调制（AM）s(t)调制调制信号信号m m( (t t) )A Acoscos 0 0t tH H( (f f) )已调已调信号信号s s( (t t) )设: m(t) = 1+m(t)s(t) = 1+m(t)Acos

6、0t，m (t)101+m (t)101+m (t)则：时域分析：时域分析：调幅度交流分量调制原理：调制原理：3.2.1 振幅调制（AM）s(t) = 1+m(t)Acos0t频域分析：频域分析：m(t)m(t) = 1+m(t)Acos0t-00时域时域频域频域3.2.1 振幅调制（AM）频域分析：频域分析：-00已调信号的频谱特征：已调信号的频谱特征： （1 1）包含两部分：边带分量和载波分量。）包含两部分：边带分量和载波分量。 （2 2）已调信号带宽为调制信号带宽的）已调信号带宽为调制信号带宽的2 2倍。倍。 （3 3）载波频率应大于调制信号的最高频率。）载波频率应大于调制信号的最高频率

7、。M(f)S(f)3.2.1 振幅调制（AM）s(t) = 1+m(t)Acos0tAM信号的解调：包络检波信号的解调：包络检波发送端接收端m(t)=1+m(t)调制s(t) = 1+m(t)Acos0tm(t)=1+m(t)解调3.2.1 振幅调制（AM）s(t) = 1+m(t)Acos0tAM信号的解调：包络检波信号的解调：包络检波发送端m(t)=1+m(t)调制101+m (t)3.2.1 振幅调制（AM）AM信号的解调：包络检波信号的解调：包络检波接收端s(t) = 1+m(t)Acos0tm(t)=1+m(t)解调101+m (t)包络检波器原理参考王秉钧主编通信原理00000(

8、)1( ) cos( )cos( )sin1( )( )cos( )sincscsy tm t Atn ttn ttm t An ttn tt3.2.1 振幅调制（AM）包络检波器的抗噪声性能（信噪比）包络检波器的抗噪声性能（信噪比）输入电压：输入电压：输入噪声（输入噪声（窄带窄带）输入输入已调已调信号信号包络：包络：)()()( 1)(22tntnAtmtVscy在大信噪比下：( )1( )( )ycVtm tAn t)()( )(tnAtmtvc输出电压：隔直流隔直流000() 1() cos()cos()sincsytm t At n tt n tt 3.2.1 振幅调制（AM）包络检波

9、器的抗噪声性能（信噪比）包络检波器的抗噪声性能（信噪比）输入电压：输入电压：)()( )(tnAtmtvc输出电压：输入信噪比：输入信噪比：)(/)( 121222tnAtmEri输出信噪比：输出信噪比：)(/)(2220tnAtmErc3.2.1 振幅调制（AM）包络检波器的抗噪声性能（信噪比）包络检波器的抗噪声性能（信噪比）输入信噪比：输入信噪比：)(/)( 121222tnAtmEri输出信噪比：输出信噪比：)(/)(2220tnAtmErc222222220)( 1 )(2)(/)( 121)(/)(tmtmEtnAtmtnAtmErrci可见：由于可见：由于m (t) 1，显然比值，

10、显然比值r0/ri小于小于1。 即检波后信噪比下降了。即检波后信噪比下降了。3.2.1 振幅调制（AM）优点：接收电路可采用包络检波，电路简单。优点：接收电路可采用包络检波，电路简单。缺点：缺点：（1）占用带宽较宽。占用带宽较宽。（2 2）包含不携带信息的载波分量，效率较低。）包含不携带信息的载波分量，效率较低。-003.2.1 振幅调制（AM）s(t) = 1+m(t)Acos0t= Acos0t +m(t) Acos0t 载波分量载波分量边带分量边带分量 当当m (t) =1时，边带分量功率最大，与载波分量功率相时，边带分量功率最大，与载波分量功率相等，而通常等，而通常m (t) 1，因此

11、调幅信号中的大部分功率被载波，因此调幅信号中的大部分功率被载波占用，而载波并不携带有用信息，因此可以不传输此载波。占用，而载波并不携带有用信息，因此可以不传输此载波。3.2.2 双边带调制（DSB）s(t) = 1+m(t)Acos0t= Acos0t +m(t) Acos0t 调制信号调制信号m(t)中无直流分量，则中无直流分量，则s(t) = m(t)Acos0tDSB信号信号s(t)调制调制信号信号m m( (t t) )A Acoscos 0 0t tH H( (f f) )已调已调信号信号s s( (t t) )调制原理调制原理3.2.2 双边带调制（DSB）图图3.2.5 双边带调

12、制信号的频谱双边带调制信号的频谱(a) 调制信号频谱密度调制信号频谱密度M(f)f0(b) 已调信号频谱密度已调信号频谱密度f00-f0fS(f)上边带上边带上边带上边带下边带下边带频谱：频谱：s(t) = m(t)Acos0t时域：时域：可见：上边带和下边带包含相同的信息。可见：上边带和下边带包含相同的信息。3.2.2 双边带调制（DSB）解调原理解调原理s(t) = m(t)Acos0t m(t)图图3.2.6 双边带信号解调器原理方框图双边带信号解调器原理方框图基带基带信号信号mm( (t t) )接收接收信号信号SS( (t t) )本地载波本地载波r (t) 低通滤波器低通滤波器本地

13、载波本地载波: :)cos(0t)2cos()cos(21)cos(cos)()(000tttmtttmtr乘法器输出乘法器输出: :3.2.2 双边带调制（DSB）01( )( )cos()cos(2)2r tm ttt 乘法器输出乘法器输出: :)cos()(21ttm低通滤波输出低通滤波输出: :可见：仅当本地载波没有频率和相位误差时，输出信号可见：仅当本地载波没有频率和相位误差时，输出信号 才等于才等于m (t) / 2，和调制信号仅差一个常数因子。和调制信号仅差一个常数因子。解调原理解调原理3.2.2 双边带调制（DSB）优点：优点：DSBDSB调制抑制载波，节省发送功率。调制抑制载

14、波，节省发送功率。缺点：缺点：（1）接收解调电路中的本地载波需与发送端调制时接收解调电路中的本地载波需与发送端调制时 载波同频同相，即需同步电路，较为复杂。载波同频同相，即需同步电路，较为复杂。（2 2）占用带宽较宽。）占用带宽较宽。3.2.3 单边带调制（SSB） DSB DSB信号中两个边带包含相同的信息，不必完全传送两信号中两个边带包含相同的信息，不必完全传送两个边带，传输其中一个即可。因此，可以利用滤波器将其中个边带，传输其中一个即可。因此，可以利用滤波器将其中一个边带滤除掉，只传输一个边带，即为单边带调制。一个边带滤除掉，只传输一个边带，即为单边带调制。3.2.3 单边带调制（SSB

15、）高通滤波高通滤波调制原理调制原理3.2.3 单边带调制（SSB）低通滤波低通滤波调制原理调制原理3.2.3 单边带调制（SSB）单双边带信号解调器原理方框图单双边带信号解调器原理方框图基带基带信号信号mm( (t t) )接收接收信号信号SS( (t t) )本地载波本地载波r (t) 低通滤波器低通滤波器解调原理解调原理傅里叶变换的性质：傅里叶变换的性质：z(t) = x(t) y(t)Z( ) = X( ) Y( ) 单边带信号解调时，用本地载波和接收信号相乘，单边带信号解调时，用本地载波和接收信号相乘，则在频域中本地载波频谱和信号频谱相卷积。则在频域中本地载波频谱和信号频谱相卷积。 3

16、.2.3 单边带调制（SSB）图图3.2.8 单边带信号的解调单边带信号的解调S(f)(b) 上边带信号频谱上边带信号频谱上边带上边带上边带上边带f00-f0f2f0-2f0(a) 载波频谱载波频谱f00-f0fC(f)(c) 载波和上边带信号频谱的卷积结果载波和上边带信号频谱的卷积结果f00-f0f2f0-2f0M(f)HL(f)以上边带为例以上边带为例解调原理解调原理3.2.3 单边带调制(SSB)优点：优点： （1 1）SSBSSB调制抑制载波，节省发送功率。调制抑制载波，节省发送功率。 （2 2）仅传送单边带，节约系统带宽。）仅传送单边带，节约系统带宽。缺点：缺点：（1）接收解调电路中

17、的本地载波需与发送端调制时接收解调电路中的本地载波需与发送端调制时 载波同频同相，即需同步电路，较为复杂。载波同频同相，即需同步电路，较为复杂。（2 2）滤波器性能要求较高。）滤波器性能要求较高。（3 3）调制信号中不可含直流或低频分量。）调制信号中不可含直流或低频分量。s(t)调制调制信号信号m m( (t t) )A Acoscos 0 0t tH H( (f f) )已调已调信号信号s s( (t t) )3.2.4 残留边带调制（VSB）介于双边带和单边带调制之间的一种介于双边带和单边带调制之间的一种线性线性调制方式。调制方式。调制信号和载波相乘后的频谱为调制信号和载波相乘后的频谱为)

18、()(2)(00ffMffMAfS设滤波器的传输函数为设滤波器的传输函数为H( f )，则滤波输出的已调信号频谱为，则滤波输出的已调信号频谱为)()()(2)(00fHffMffMAfSH( f )应满足的条件？应满足的条件？调制原理调制原理3.2.4 残留边带调制（VSB）解调原理解调原理接收信号和载波相乘后的频谱为接收信号和载波相乘后的频谱为基带基带信号信号m m( (t t) )接收接收信号信号s s( (t t) )coscos 0 0t tr (t) 低通滤波器低通滤波器)()(2100ffSffS已调信号的频谱已调信号的频谱)()()(2)(00fHffMffMAfSr (t)的频

19、谱的频谱)()()2()()()2(40000ffHfMffMffHfMffMA低通滤波：低通滤波：)()()(400ffHffHfMA3.2.4 残留边带调制（VSB）)()()(400ffHffHfMA为了无失真地传输，要求上式中传输函数满足：为了无失真地传输，要求上式中传输函数满足：CffHffH)()(00mfffM当, 0)(调制信号为限带信号，最高频率为调制信号为限带信号，最高频率为fm,即：即：mffCffHffH,)()(00则传输函数只需满足则传输函数只需满足即滤波器的截止特性对即滤波器的截止特性对于于 f0具有互补的对称性。具有互补的对称性。解调原理解调原理3.2.4 残留

20、边带调制（VSB）mffCffHffH,)()(00即滤波器的截止特性对即滤波器的截止特性对于于 f0具有互补的对称性。具有互补的对称性。H(f + f0)-(f0+fm)0000ffff0-f0f0+fm-2f02f0-2f02f0fm-fmfmfH(f)H(f - f0)H(f + f0) + H(f f0)3.2.4 残留边带调制(VSB)特点：特点： （1 1）频谱中除了保留单边带的全部频谱外，）频谱中除了保留单边带的全部频谱外， 还保留了另一边带的部分频谱和载波分量。还保留了另一边带的部分频谱和载波分量。 （2 2）避免了接收端本地载波的同步问题）避免了接收端本地载波的同步问题 （3

21、 3）调制器的滤波器较易制作。）调制器的滤波器较易制作。 （4 4）占用的频带介于单边带和双边带之间。）占用的频带介于单边带和双边带之间。3.3 非线性调制模拟调制模拟调制线性调制线性调制非线性调制非线性调制已调信号的频谱是调制信号的频谱的沿着频已调信号的频谱是调制信号的频谱的沿着频率轴的搬移。如率轴的搬移。如AM，DSB，SSB，VSB不仅存在频谱搬移，而且频谱结构改变。不仅存在频谱搬移，而且频谱结构改变。如角度调制如角度调制角度调制角度调制频率调制频率调制FM：调制信号控制载波的频率调制信号控制载波的频率相位调制相位调制PM：调制信号控制载波相位调制信号控制载波相位3.3 非线性调制频率的

22、概念频率的概念： 严格地说，只有无限长的恒定振幅和恒定相位的正弦严格地说，只有无限长的恒定振幅和恒定相位的正弦波形才具有单一频率。波形才具有单一频率。相位的概念相位的概念：00( )cos()cos ( )c tAtAt相位相位初始相位初始相位瞬时频率：瞬时频率：瞬时相位：瞬时相位：dttdti)()( ) t0( )it dt3.3 非线性调制相位调制的定义相位调制的定义： 相位相位 (t)随随m(t)线性变化：线性变化：00( )( )pttk m t已调信号为：已调信号为：00( )cos( )pps tAtk m t已调信号的瞬时频率：已调信号的瞬时频率：)(t)0tmdtdkpi（可

23、见：可见： 已调信号相位随调制信号线性地变化。已调信号相位随调制信号线性地变化。 已调信号频率随调制信号的导数线性地变化。已调信号频率随调制信号的导数线性地变化。3.3 非线性调制频率调制的定义频率调制的定义： 瞬时频率随瞬时频率随m(t)线性变化：线性变化：已调信号为：已调信号为：)()(0tmktfi000)()()(dttmktdtttfi瞬时相位瞬时相位)(cos)(00dttmktAtsff可见：可见： 已调信号频率随调制信号线性地变化。已调信号频率随调制信号线性地变化。 已调信号随调制信号的积分线性地变化。已调信号随调制信号的积分线性地变化。3.3 非线性调制（3）若将）若将m (

24、t)先先积分，积分，再对载波进行再对载波进行相位调制，相位调制，得到得到频率调制频率调制信号。信号。 若将若将m (t)先先微分微分，再对载波进行，再对载波进行频率调制频率调制，得到，得到相位调制相位调制信号。信号。（4）已调信号波形上看无法区分二者。）已调信号波形上看无法区分二者。 00( )cos( )pps tAtk m t)(cos)(00dttmktAtsff相位调制和频率调制的对比相位调制和频率调制的对比相位调制：相位调制：频率调制：频率调制： (t)（2）相位调制中载波相位）相位调制中载波相位 (t)随调制信号随调制信号m (t)线性变化。线性变化。 频率调制中载波相位频率调制中

25、载波相位 (t)随调制信号随调制信号m (t)的积分线性变化。的积分线性变化。（1）相位调制和频率调制的已调波）相位调制和频率调制的已调波幅值都是恒定的幅值都是恒定的。3.3 非线性调制若若m(t)作直线变化，则已调信号就是频率调制信号。作直线变化，则已调信号就是频率调制信号。若若m(t)是随是随 t 2变化，则已调信号就是相位调制信号变化，则已调信号就是相位调制信号角度调制波形角度调制波形 i例频率调制？频率调制？ 相位调制？相位调制？因此，调频和调相从波形上无本质区别，可统一进行研究。因此，调频和调相从波形上无本质区别，可统一进行研究。3.3 非线性调制已调信号的频谱和带宽已调信号的频谱和

26、带宽线性调制：线性调制：已调信号的频谱是调制信号的频谱搬移，已调信号的频谱是调制信号的频谱搬移， 带宽为调制信号带宽的带宽为调制信号带宽的12倍。倍。非线性调制：非线性调制：频谱结构发生变化，带宽明显增大。频谱结构发生变化，带宽明显增大。图图3.2.5 双边带调制信号的频谱双边带调制信号的频谱(a) 调制信号频谱密度调制信号频谱密度M(f)f0(b) 已调信号频谱密度已调信号频谱密度f00-f0fS(f)上边带上边带上边带上边带下边带下边带已调信号的频谱已调信号的频谱设调制信号为：设调制信号为：ttmmcos)(频率调制时，载波的角频率为频率调制时，载波的角频率为 tktmktmfficos)

27、()(00最大频率频移为：最大频率频移为： = kf已调信号表示式：已调信号表示式：0( )coscosffmstAtktdt01cossinfmmAtkt0cossinmmAtt 其中，其中， m f / fm为为最大频率偏移和基带信号频率最大频率偏移和基带信号频率之比，称为之比，称为调制指调制指数数mf ，即有：，即有：mfmmfkffm已调信号的频谱已调信号的频谱已调信号表示式：已调信号表示式：0( )cos(/)sinfmms tAtt 是一个含有正弦函数的余弦函数。是一个含有正弦函数的余弦函数。它的展开式为：它的展开式为：式中，式中，Jn(mf)为第为第一类一类n阶贝塞尔函数，其值可以查表。阶贝塞尔函数，其值可以查表。nmfnftnmJAts)cos()()(0 当当n=0时，为载波，当时，为载波，当n0时，称为时，称为边频边频。即已调波有载频。即已调波有载频和边频组成，频谱为和边频组成，频谱为离散谱，且离散谱，且边频在载频两侧边频在载频两侧成对成对出现，相出现，相邻边频间隔为邻边频间隔为m ，边频幅值边频幅值大小大小有系数有系数Jn(mf) 确