c7-第5章 模拟调制

1、 模拟调制系统第5章调制简介定义 目的 分类线性调制（幅度调制）原理 线性调制系统的抗噪声性能 非线性调制（角度调制）原理 各种模拟调制系统的性能比较 频分复用（FDM） 本章内容: 调 制 简 介n 调制定义调制定义何谓调制？进行频谱搬移，匹配信道特性，减小天线尺寸；实现多路复用，提高信道利用率；改善系统性能（有效性、可靠性）；实现频率分配 n 调制目的调制目的为什么要进行调制？ 调制信号调制信号 载载 波波 已调信号已调信号( )m t( )mst 运载工具 多种形式 同义词认识一下 调制过程 所涉及的 三种信号n 调制分类调制分类 - 可从不同角度分类：都有哪些调制方式？( )cos()

2、cc tAt本章研究的模拟调制模拟调制方式： 是以正弦信号 作为载波的 n 一般模型5.1 幅度调制（线性调制）的原理边带滤波器边带滤波器( )( )h tH5.1.1 常规 调幅（AM） 0max0m tm tA和nAM表达式表达式nAM调制器调制器条件：边带项载波项nAM波形和频谱波形和频谱 nAM信号的信号的特点特点l 时，AM波的包络正比于调制信号m(t)， 故可采用包络检波。 lAM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。lAM传输带宽是调制信号带宽的两倍： lAM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。AM2HBf 0maxm tAlAM信号功率：nAM信号的缺信号的缺点点20A

3、M2( )22scAtPmPP0max( )m tA220( )m tAAM50%故边带功率边带功率载波功率载波功率AM功率利用率低！l调制效率（功率利用率）： -不含有用信息 ，却“浪费”大部分的发射功率。 m1 过调幅载波边带当然( )cosmmm tAt设（单音正弦），22( )/2mm tA则 0max0m tm tA和条件：如何提高调制效率？抑制载波！5.1.2 双边带调制（DSB-SC） 0m t 条件：nDSB表达式表达式nDSB调制器调制器double-sideband suppressed carriernDSB波形和频谱波形和频谱nDSB信号的信号的特点特点l包络不再与m(

4、t)成正比；当m(t)改变符号时载波相位反转，故不能采用包络检波，需相干解调。 l无载频分量，只有 上、下 边带。l带宽与AM的相同： l调制效率100，即功率利用率高。l主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。DSBAM2HBBf 5.1.3 单边带调制（SSB）nSSBSSB信号的产生信号的产生（1 1）滤波法 技术难点之一技术难点之一边带滤波特性边带滤波特性 11cossscoinsin22mccmmmtAtAtt cosmmm tAt设 coscosDSBmmcstAtt LSB1cos2mcmstAt 11cossin22ccttm tm t1cosc21os2

5、mcmmcmAtAt（2 2）相移法 coscc tt载波USB + - - 10sgn10，传递函数传递函数( )( )sgn( )hMHjM m t希尔伯特变换 含义含义 Hh( ) 对 m(t) 的所有 频率分量精确相移 /2 技术难点之二技术难点之二 SSB11cossin22ccStm ttm tt下边带上边带 要求要求：nSSB信号的信号的特点特点SSBAM/2HBBf 5.1.4 残留边带调制（VSB）介于介于SSB与与DSB之间的折中方案。之间的折中方案。nVSBVSB信号的产生信号的产生应该具有怎样的滤波特性 ？nVSBVSB信号的解调信号的解调 VSBDSB12ccSSMM

6、HH应该具有怎样的滤波特性？ VSB2cospcststt VSBVSBpccSSS相乘 VSB12ccSMHMLPF解调输出： d12ccHSMH若要若要无失真恢复无失真恢复 m(t)， VSB滤波器的传输函数必须滤波器的传输函数必须满足：满足：含义：含义： d12ccHSMHn残留边带滤波器的几何解释：nVSB信号的信号的特点特点l 仅仅比比SSB所需所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。l 应用：商业电视广播中的电视信号传输等。VSB2HHfBfn滤波法滤波法5.1.5 线性调制（幅度调制）的一般模型n相移法相移法( )( )h tH解调的任务!

7、5.1.6 相干解调 与 包络检波n相干解调相干解调 n包络检波包络检波 n分析模型分析模型5.2 线性调制系统的抗噪声性能高斯白噪声高斯白噪声已调信号已调信号BPF5.2.1 模型与指标窄带高斯噪声窄带高斯噪声输出噪声输出噪声输出信号输出信号i0222ics( )( )( )n tn tn tNn B高斯白噪声高斯白噪声已调信号已调信号BPF解调器解调器相干解调相干解调包络检波包络检波ic0s0( )( )cos( )sinn tn ttn ttn分析模型分析模型解调器解调器ooii/SNGSN2oo2oo( )( )Sm tNn t2ii2ii( )( )SstNntn性能指标性能指标制度

8、增益：制度增益：输出信噪比：输出信噪比：BPF5.2.2 DSB- -相干解调系统的抗噪声性能相干解调器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni DSB21cos1 cos22利用（）DSB2Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH 2i12Smt 2o14Sm ti0Nn Boi14NNoioi2SSNN即

9、020cocs( )ostc ttsin22sincos利用c000s2i0( ) cosco( )sin)co(ssn ttn tttn ttooDSBii/2/SNGSNoioi2SSNN即sin22sincos利用原因原因正交分量正交分量5.2.2 DSB -相干解调系统的抗噪声性能相干解调器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni 11cosis n22ccmm tttm tst 2o116Smto1( )4( )m tm t2i1( )4Sm

10、t5.2.3 SSB SSB1Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH oioiSSNN即i0Nn BB=fH SSBDSBoN 2o116Smt2i1( )4Sm ti0Nn Boi14NNi14N 相干解调抑制正交相干解调抑制正交分量分量 11cosis n22ccmm tttm tstic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttooSSBii/1/SNGSNoioiSSNN即原因原因正交分量正交分量SSB1GoioiSSN

11、N即DSB2Goioi2SSNN即ooooDSBSSBSSNN 能否说：DSB系统的抗噪声性能 优于 SSB 系统呢？ 在相同的Si，n0， fH条件下： B=2fH B=fH i0Nn Bi0Nn B DSB和SSB的抗噪声性能相同。合成包络5.2.4 AM 包络检波系统的抗噪声性能 22022itSmAAM0( )( )coscstAm ttic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn tt0iNn B icc0cscossinmAm tn tstn tn ttt cosctttE（1）大信噪比时 220cs( )( )( )Am tn ttn tE隔掉220cs( )( )

12、( )Am tn tn t 0cAmnE ttt omt on t 22oomtmSt 2oicnNNt2AM2202( )( )m tGAm t检波输出检波输出： 讨论：2AM2202( )( )m tGAm tl由于由于|m(t)|max A0 ，所以，所以GAM 1，即，即l100%调制，且调制，且 m(t) 为单频正弦时：为单频正弦时：l相干解调的相干解调的GAM 如同上式，但不受信噪比条件的限制。如同上式，但不受信噪比条件的限制。oioiSSNN32AMG 22csntRntt arctansctntnt（2）小信噪比时220( )( )( )csAm tn tn t cosER t

13、tm ttA 220cs( )( )( )Am tn ttn tE 可见：u大大信噪比时信噪比时：u小小信噪比时信噪比时：门限效应门限效应AM-包络检波包络检波系统的抗噪声性能：系统的抗噪声性能：2AM2202( )( )m tGAm t32AMG100% 单音正弦归纳归纳5.3 非线性调制（角度调制）原理n概述概述5.3.1 角度调制的基本概念 n1 角调信号一般表达式角调信号一般表达式( )cos( )mcstAtt载波的恒定振幅载波的恒定振幅 ct + (t) 已已调信号的瞬时相位调信号的瞬时相位 相对于相对于 ct的的瞬时相位偏移瞬时相位偏移 c +d (t)/dt 已已调信号的瞬时调

14、信号的瞬时角频率角频率 相对于相对于 c的的瞬时角频偏瞬时角频偏Kf =rad/(sV)Kp=rad/V( )cos( )mcstAttPM：FM：角调信号：( )( )pKtm t( )( )fdtm tdtK n2 PM与与 FM的关系的关系若预先不知m(t)形式，能否判断已调信号是PM还是FM信号?( )( )fdtm tdtK( )( )ftmdK若最大瞬时相位偏移满足：5.3.3 宽带 调频 最大相位偏移最大相位偏移n1 单音调频单音调频 FM 调频指数调频指数( )cosmmm tAt cossinfmmfmmmtK At dtK Atsinfmmt cosmmfdtAKtdt最大

15、角频偏 2mmffmK A2fmfm fFM( )cossinfcmstAtmt单音调频信号单音调频信号：， 则 设n2 FM信号的频谱与带宽信号的频谱与带宽 FMcossincfmstAtmt FM()cos()ncmnfmJstAntFM( )()()()nfcmcmSAJmnn 第一类第一类 n 阶贝塞尔函数阶贝塞尔函数 是调频指数是调频指数 mf 的函数的函数傅里叶变换傅里叶变换级数展开级数展开讨论讨论FM12fmBmf时：FM12fBfm 时：窄带调频宽带调频 FM频谱和传输带宽：对于多音或任意带限调制信号时的FM信号： FM广播的最大频偏 f = 75kHz，最高调制频率fm=15

16、kHz， 故调频指数mf 5，FM信号的频带宽度为：推广推广：调制信号的最高频率FM2(1)2()fmmBmfff 例如例如：FM2(5 1) 152(75 15)180 kHzBn3 FM信号的功率分配信号的功率分配 FFM2MsPt22()2nfnAJm22cPA载波功率 FM()cos()ncmnfmJstAnt=1n4 FM的特点的特点 优势优势 应用应用5.3.4 调频信号的产生与解调n1 调频信号的产生调频信号的产生 1)1)直接法直接法原理原理：调制电压控制振荡器的频率： 0iftK m t优点优点：电路简单、可获得较大的频偏；缺点缺点：频率稳定度不高，可采用PLL调频器进行改进

17、。63第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统直接调频法的主要优缺点：优点：可以获得较大的频偏。缺点：频率稳定度不高改进途径：采用如下锁相环（PLL）调制器 2)2)间接法间接法原理原理：积分 调相(NBFM) n次倍频 WBFM优点优点：频率稳定度好；缺点缺点：需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。65第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统间接法产生窄带调频信号由窄带调频公式可知，窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成的。所以可以用下图产生窄带调频信号： ( )os( )sintNBFMcfcstActAKmdt ( )m t 载波coscAt 积分器 NBFM( )St 2/ 66第第5章章

18、模拟调制系统模拟调制系统倍频：目的：为提高调频指数，从而获得宽带调频。方法：倍频器可以用非线性器件实现。原理：以理想平方律器件为例，其输出-输入特性为当输入信号为调频信号时，有由上式可知，滤除直流成分后，可得到一个新的调频信号，其载频和相位偏移均增为2倍，由于相位偏移增为2倍，因而调频指数也必然增为2倍。 同理，经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍。)()(20tastsi)(cos)(ttAtsci)(22cos121)(20ttaAtsc67第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统典型实例：调频广播发射机载频：f1 = 200kHz 调制信号最高频率 fm = 15kHz 间接法

19、产生的最大频偏 f1 = 25 Hz 调频广播要求的最终频偏 f =75 kHz，发射载频在88-108 MHz频段内，所以需要经过次的倍频，以满足最终频偏=75kHz的要求。但是，倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提高了，倍频后新的载波频率(nf1 )高达600MHz，不符合 fc =88-108MHz的要求，因此需用混频器进行下变频来解决这个问题。300025/1075/31ffn68第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统具体方案1212112)(fnnfffnnfc 69第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统【例例5-1】 在上述宽带调频方案中，设调制信号是fm =15 kHz的单频余

20、弦信号，NBFM信号的载频f1 =200 kHz，最大频偏f1 =25 Hz；混频器参考频率f2 = 10.9 MHz，选择倍频次数n1 = 64，n2 =48。 (1) 求NBFM信号的调频指数； (2) 求调频发射信号（即WBFM信号）的载频、最大频偏和调频指数。 【解】（1）NBFM信号的调频指数为（2）调频发射信号的载频为-3113251.67 1015 10mfmfMHz2 .91)109 .101020064(48)(632112ffnnfc70第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统(3) 最大频偏为(4) 调频指数为kHzfnnf8 .7625486412112. 51015108

21、 .7633mfffm71第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u 调频信号的解调p非相干解调：调频信号的一般表达式为解调器的输出应为完成这种频率-电压转换关系的器件是频率检波器，简称鉴频器。鉴频器的种类很多，例如振幅鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器、正交鉴频器、斜率鉴频器、频率负反馈解调器、锁相环(PLL)鉴频器等。下面以振幅鉴频器为例介绍： ( )cos( )tFMcfstAtKmdo( )( )fm tK m t72第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统振幅鉴频器方框图图中，微分电路和包络检波器构成了具有近似理想鉴频特性的鉴频器。限幅器的作用是消除信道中噪声等引起的调频波的幅度起伏 73第第5

22、章章 模拟调制系统模拟调制系统 微分器的作用是把幅度恒定的调频波sFM (t)变成幅度和频率都随调制信号m(t)变化的调幅调频波sd (t)，即包络检波器则将其幅度变化检出并滤去直流，再经低通滤波后即得解调输出式中Kd 为鉴频器灵敏度，单位为V/rad/s ( )( )sin( )tdcfcfs tAK m ttKmd o( )( )dfm tK K m t74第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p相干解调：相干解调仅适用于NBFM信号 由于NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调，如下图所示。 NBFM( )st LPF BPF )(tSi o

23、( )m t ( )c t 微分 )(tSp ( )dst 75第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统设窄带调频信号并设相干载波则相乘器的输出为经低通滤波器取出其低频分量再经微分器，即得解调输出可见，相干解调可以恢复原调制信号。 ( )cos( ) sintNBFMcfcstAtA Kmdtttccsin)( )sin2( ) (1 cos2)22tpcfcAAsttKmdt tFddmKAts)(2)()(2)(0tmAKtmF NBFM( )st LPF BPF )(tSi o( )mt ( )c t 微分 )(tSp ( )dst n2 调频信号的解调调频信号的解调 1)1)非相干解调非相

24、干解调2)2)相干解调相干解调和：完成频率电压的转换，即：FM( )cos( )cfstAtKmdo( )( )fm tK m t鉴频器鉴频器一种振幅鉴频器微分器微分器：把幅度恒定的把幅度恒定的包络检波器：检出包络检波器：检出包络包络并滤去直流并滤去直流，原理原理：( )( )sin)(ccffds tAtdK m tKm )()(otmKKtmfd幅/频都随m(t)变化经经LPF即即得解调输出得解调输出FM( )cos( )cfstAtKmd5.4 调频系统的抗噪声性能模型和方法与线性调制系统相似。解-鉴频器：单音调制时FM2(1)2()fmmBmfff 2FM3(1)ffGmm门限效应门限

25、效应mf 所有系统在所有系统在“同等条件同等条件”下进行比较下进行比较： 解调器输入信号功率为解调器输入信号功率为 Si 信道噪声均值为信道噪声均值为0，单边单边功率谱密度为功率谱密度为 n0 基带信号带宽为基带信号带宽为 fm 其中其中AM的调幅度为的调幅度为 100% ，正弦型调制信号正弦型调制信号5.5 各种模拟调制系统的比较AMDSBSSB VSBFM2mfmfmf略大于2mf21fmmf2/3231ffmm 0imSn f0imSn f013imSn f2032ifmSmn f21SSB近似SSB近似简单简单中等中等中等中等复杂复杂复杂复杂：1）抗噪声性能：FM最好，DSB/SSB、

26、 VSB次之，AM最差；2）频谱利用率：SSB最高，VSB较高， DSB/AM次之，FM最差；3）功率利用率：FM最高，DSB/SSB、 VSB次之，AM最差； 4）设备复杂度：AM最简，DSB/ FM次之， VSB较复杂， SSB最复杂。1）AM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。2）DSB：优点是功率利用率高，带宽与优点是功率利用率高，带宽与AM相同。主要用于相同。主要用于调频立体声中的差信号调制，彩色调频立体声中的差信号调制，彩色TV中的色差信号调制。中的色差信号调制。3）SSB：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有，而带宽只有AM的一半；的一半；缺点是收发设备都复杂。常用于频分多路复用系统中。缺点是收发设备都复杂。常用于频分多路复用系统中。4）VSB：抗噪声性能和频带利用率与抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播相当。在电视广播等系统中得到了广泛应用。等系统中得到了广泛应用。5）FM： 抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的