新版通信原理第3章(上课版)

1、主讲人：于秀兰主讲人：于秀兰通信原理通信原理第第3章章 模拟调制系统模拟调制系统本章的主要内容本章的主要内容一、调制的目的、定义和分类一、调制的目的、定义和分类二、幅度调制（二、幅度调制（AMAM、DSBDSB、SSBSSB、VSBVSB）n时域和频域表示、带宽时域和频域表示、带宽n调制与解调方法调制与解调方法n抗噪声性能抗噪声性能三、角度调制（三、角度调制（FMFM、PMPM）n基本概念基本概念n单频调制时：调频和调相信号的时域表单频调制时：调频和调相信号的时域表示示n宽带调频信号的带宽宽带调频信号的带宽n抗噪性能抗噪性能主讲人：于秀兰主讲人：于秀兰通信原理通信原理3.1 引言引言重点：调制

2、的定义重点：调制的定义3.1 引言引言 一、调制定义：一、调制定义： 按照基带信号（调制信号）的变化规律去改变载波某些按照基带信号（调制信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。参数的过程。二、调制分类：二、调制分类：脉冲调制脉冲调制脉冲无编码调制：用连续的调制信号去改变脉冲脉冲无编码调制：用连续的调制信号去改变脉冲的参数。的参数。脉冲编码调制：对连续的调制信号作数字化处理。脉冲编码调制：对连续的调制信号作数字化处理。正弦波调制正弦波调制（连续载波调制）（连续载波调制）模拟调制：调制信号取值连续；模拟调制：调制信号取值连续；数字调制：调制信号取值离散。数字调制：调制信号取值离散。第第3章章第第

3、6章章第第4章章三、模拟调制三、模拟调制2、载波信号：、载波信号：连续正弦波连续正弦波3、已调信号：、已调信号：1、调制信号：、调制信号：模拟信号模拟信号 tm 为常数其中00cosC，A，,tAtcc 为瞬时相位为瞬时幅度，其中tttttA,tAtSccmcos幅度调制幅度调制（线性调制）（线性调制）角度调制角度调制（非线性调制）（非线性调制）模拟调制模拟调制4、分类：、分类：幅度调制幅度调制（线性调制）：已调信号频谱（线性调制）：已调信号频谱是基带信号频谱的平移及线性变换；是基带信号频谱的平移及线性变换；角度调制角度调制（非线性调制）：已调信号不再（非线性调制）：已调信号不再保持基带频谱的

4、结构，其频谱会产生无限保持基带频谱的结构，其频谱会产生无限的频谱分量。的频谱分量。AMDSBSSBVSBFMPM 幅度调制称为幅度调制称为线性调制，线性调制，是因为这种频谱搬移是因为这种频谱搬移是线性的。但应该注意的是，这种是线性的。但应该注意的是，这种“线性线性”并不是并不是指已调信号与调制信号之间是线性关系，指已调信号与调制信号之间是线性关系，事实上，事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程任何调制过程都是一种非线性的变换过程。四、调制的作用四、调制的作用主讲人：于秀兰主讲人：于秀兰通信原理通信原理3.2 幅度调制的原理幅度调制的原理 重点章节重点章节 CCCCmcmMMSttmtS0

5、0A21cosA频域：时域：一、幅度调制一、幅度调制(AM，Amplitude Modulation)信号信号在波形上，已调波的幅度随基带信号变化而在波形上，已调波的幅度随基带信号变化而变化，所以解调既可以采用相干解调，也可以采变化，所以解调既可以采用相干解调，也可以采用包络解调；用包络解调；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。（属于线性调制）谱结构在频域内的简单搬移。（属于线性调制）时域图和频谱图时域图和频谱图AM 信号的功率分配与调制效率信号的功率分配与调制效率例题例题例题例题二、双边带（二、双边带（DSB，Double S

6、ideband）幅度调制信号）幅度调制信号AM信号：信号：含载频分量和边带分量。含载频分量和边带分量。调制信号的信息包含在调制信号的信息包含在AM信号的包络中。信号的包络中。DSB信号：信号：没有载频分量，只有边带分量。没有载频分量，只有边带分量。调制信号的信息包含在调制信号的信息包含在DSB信号的包络和相位中。信号的包络和相位中。DSB信号的时域波形：信号的时域波形：已调信号的包络随已调信号的包络随 |m(t)| 而变化。而变化。DSB信号的波形和频谱图信号的波形和频谱图时域表达式、时域表达式、 频域表示式？频域表示式？结论结论0 H(w) H(w) -wc -wc wc wc w w 0

7、1 1 形成单边带信号的滤波特性 3、单边带（、单边带（SSB，Single Sideband）幅度调制信号）幅度调制信号DSB信号：信号：包含两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含相同的信息，从传输的角度来看，传输一个边带即可。包含相同的信息，从传输的角度来看，传输一个边带即可。SSB信号：信号：只产生一个边带（上边带或下边带）。只产生一个边带（上边带或下边带）。1）滤波法：滤波法：对对DSB信号信号通过合适的带通滤波器通过合适的带通滤波器来得到上边带来得到上边带(USB)或或下边带下边带(LSB)信号。信号。一、一、SSB信号的产生信号的产生不

8、适合于低频丰富的基带信号，比如图像信号。不适合于低频丰富的基带信号，比如图像信号。2）用相移法形成）用相移法形成SSB信号信号二、二、SSB信号的带宽、功率和调制效率信号的带宽、功率和调制效率4、残留边带（、残留边带（VSB，Vestigial Sideband）幅度调制信号）幅度调制信号 HVSB(w) m(t) s(t)=coswct SVSB(t) LPF SVSB(t) s(t)=coswct m(t) 同步解调法组成方框图 残留边带调制的滤波法形成 从从“接收端恢复调制信号接收端恢复调制信号”入手，来确定残留边带滤波入手，来确定残留边带滤波器的传输特性器的传输特性 v M41MCVC

9、Vo接收端接收端LPF输出端：输出端：接收端接收端LPF输入端：输入端： CVCCVCCVSBCVSBM2M41M2M41SS21 VCCVSBMM21S残留边带滤波器输出端：残留边带滤波器输出端：Hcvcv常数 式中， 是基带信号的截止角频率。H残留边带滤波器的传输特性应该满足残留边带滤波器的传输特性应该满足总结：总结： tcostmc时域表达式时域表达式 tcostmAc0 tsintmtcostm21cc调幅信号调幅信号AMDSBSSB功率功率4Sm2S2Am202Sm设基带信道设基带信道 tm的平均功率为的平均功率为 tmdttmTSTTTmT22221lim解调方式解调方式调幅信号调

10、幅信号AMDSBSSB功率功率4Sm2S2Am22SmVSB频谱图频谱图时域时域波形波形其它其它Am(t) v相干解调、相干解调、非相干解调非相干解调相干解调相干解调相干解调相干解调相干解调相干解调调制调制效率效率1111主讲人：于秀兰主讲人：于秀兰通信原理通信原理3.3 线性调制的解调线性调制的解调一、一、相干解调：相干解调：已调信号与本地载波相乘，并通过已调信号与本地载波相乘，并通过LPF提提取出基带信号分量。要求本地载波与发送载波必须同步或取出基带信号分量。要求本地载波与发送载波必须同步或相干（同频同相）。相干（同频同相）。LPFtSmtcosctSp tm0解调两种方式：相干解调和包络

11、解调解调两种方式：相干解调和包络解调相干解调适用于所有线性调制系统，而包络解调一相干解调适用于所有线性调制系统，而包络解调一般只适合于般只适合于AM信号。信号。LPFtSmtcosctSp tm0 tcostmAtSAMcm: tmA21tm0 tcostmtSDSBcm: tsintm21tcostm21tSSSBccm: tmA2tcos21tcostmAtScc2p 2tmtm0隔直隔直 2tmtm0 4tmtm0LPFtSmtcosctSp tm0 tcostmtSDSBcm: tsintm21tcostm21tSSSBccm: 2tmtm0 4tmtm0 tmA21StcostmAt

12、SAM22icm: 4tmS2tmtm2o0 4tmS2tmS2o2i, 16tmS4tmS2o2i,二、二、包络解调（非相干解调）包络解调（非相干解调）AM信号：可以直接采用包络解调。信号：可以直接采用包络解调。插入大载波分量的插入大载波分量的DSB、SSB、VSB信号信号包络解调器的输出与输入信号的包络呈线性关系。包络解调器的输出与输入信号的包络呈线性关系。包络检波器包络检波器tSmtcosc tm0（了解）（了解） tmtmtcostmAtSocm 非相干解调不需要本地载波，它是利用已非相干解调不需要本地载波，它是利用已调信号中的包络信息来恢复基带信号。调信号中的包络信息来恢复基带信号。

13、 主讲人：于秀兰主讲人：于秀兰通信原理通信原理3.4 线性调制的抗噪性能分析线性调制的抗噪性能分析 带 通 滤波器 + Sm(t) ni(t) Sm(t) n(t) 分分析析解解调调器器抗抗噪噪声声性性能能的的模模型型 解调器 mo(t) no(t) 一、分析模型一、分析模型 带 通 滤波器 + Sm(t) ni(t) Sm(t) n(t) 分分析析解解调调器器抗抗噪噪声声性性能能的的模模型型 解调器 mo(t) no(t) 带 通 滤波器 + Sm(t) ni(t) Sm(t) n(t) 分分析析解解调调器器抗抗噪噪声声性性能能的的模模型型 解调器 mo(t) no(t) BPF BPF的中

14、心频率和带宽分别与的中心频率和带宽分别与已调信号已调信号的中心频率和的中心频率和带宽相同。带宽相同。 噪声噪声 tni ttnttntncsccisincos噪声功率：噪声功率：为带通滤波器的带宽。其中B,0BnNi抗噪性能的评估指标抗噪性能的评估指标 带 通 滤波器 + Sm(t) ni(t) Sm(t) n(t) 线线性性调调制制接接收收的的一一般般模模型型 LPF mo(t) no(t) Sc(t)=coswct 解调器 二、相干解调器（同步检测）的抗噪性能分析二、相干解调器（同步检测）的抗噪性能分析信号功率信号功率噪声功率噪声功率DSBSSB tmA21SAM22oi 4tmS2o 4

15、tmS2tmS2o2i 16tmS4tmS2o2i为带通滤波器的带宽。其中B,0BnNi BnNNio04141tn21tnco 解调器的输入信噪比解调器的输入信噪比 解调器的输出信噪比解调器的输出信噪比 调制制度增益调制制度增益SSBOODSBOOAMONS,NS,NSOSSBiDSBiAMiNS,NS,NSiii 1G2GtmAtm2G_22o_2SSBDSBAM讨论讨论：1）DSB的调制制度增益为的调制制度增益为2。这就是说，。这就是说，DSB信号的信号的解调器使得信噪比改善了解调器使得信噪比改善了1倍，这是因为采用同步解倍，这是因为采用同步解调，使输入噪声中的一个正交分量被消除的缘故。

16、调，使输入噪声中的一个正交分量被消除的缘故。2）SSB的调制制度增益为的调制制度增益为1。这是因为信号和噪声具。这是因为信号和噪声具有相似的表达形式（包含同相分量和正交分量），所有相似的表达形式（包含同相分量和正交分量），所以采用同步解调，信号和噪声的正交分量都被抑制。以采用同步解调，信号和噪声的正交分量都被抑制。3）如果噪声功率谱相同，输入的信号功率也相同，）如果噪声功率谱相同，输入的信号功率也相同，则双边带和单边带在解调器输出端的信噪比相同。这则双边带和单边带在解调器输出端的信噪比相同。这就是说，就是说，从抗噪声的观点看，从抗噪声的观点看，DSB和和SSB是相同的是相同的。例题：例题： 设

17、信道的双边噪声功率谱密度设信道的双边噪声功率谱密度 在信道中传输抑制载波的双边带信号，设调制信号在信道中传输抑制载波的双边带信号，设调制信号 的频带限制在的频带限制在5kHz，而载波频率是，而载波频率是100 kHz ，已调信号，已调信号的功率为的功率为20kW。若接收机的输入信号在加至解调器之前，。若接收机的输入信号在加至解调器之前，先经过一个理想的先经过一个理想的BPF，试问：，试问：（1）理想）理想BPF的传输特性？的传输特性？（2）解调器输入端的信噪比？）解调器输入端的信噪比？（3）解调器输出端的信噪比？）解调器输出端的信噪比？（4）解调器输出噪声的功率谱密度？）解调器输出噪声的功率谱

18、密度？ W/Hz,.fPn31050 tm解：解：WBnNi101010101330(2)2000101020102033/NSWSiii400023OO/NSG)(1)95-105-095105kHz1 BPF讨论：讨论：如果把题目已知条件从如果把题目已知条件从“DSB”改为改为“SSB”，其，其他条件不变，容易得到输出信噪比相同的结论。他条件不变，容易得到输出信噪比相同的结论。kHz310250. W/HzPn5050001( )()()4iiPPP(4)解调器输入端解调器输入端乘法器输出端乘法器输出端（LPF输入端）输入端）解调器输出端解调器输出端（LPF输出端）输出端）三、包络解调器的

19、抗噪性能分析三、包络解调器的抗噪性能分析(1) 大信噪比情形大信噪比情形 需要指出的是，对于需要指出的是，对于AMAM信号系统，信号系统，大信噪比时大信噪比时，采用包络检波和同步解调的性能几乎一样。采用包络检波和同步解调的性能几乎一样。222223( )( )mtGAmtmax( )Am t( )m t222( )Amt对于100单音调制，即，且又是正弦型信号，此时， (2) 小信噪比情形小信噪比情形 tntnttntntRtR(t)tmAtRtmAtntntntEc22cooc22csssarctancos212式中， 有用信号被包络检波器扰成噪声，这种现象称为有用信号被包络检波器扰成噪声，

20、这种现象称为“门门限效应限效应”。所谓。所谓“门限效应门限效应”就是当包络检波器的输入信就是当包络检波器的输入信噪比降到一个特定的数值时，检波器的输出信噪比急剧恶噪比降到一个特定的数值时，检波器的输出信噪比急剧恶化的一种现象。该特定的输入信噪比称为化的一种现象。该特定的输入信噪比称为“门限门限”。1、在大信噪比时，对于、在大信噪比时，对于AM信号系统，采用包络检信号系统，采用包络检波和同步解调的性能几乎一样。但是随着输入信噪比的波和同步解调的性能几乎一样。但是随着输入信噪比的减小，包络检波器将在一个特定的输入信噪比上出现门减小，包络检波器将在一个特定的输入信噪比上出现门限效应，一旦出现，解调器

21、的输出信噪比将急剧变坏。限效应，一旦出现，解调器的输出信噪比将急剧变坏。讨论：讨论：2、同步检测的方法解调各种线性调制信号时，由、同步检测的方法解调各种线性调制信号时，由于解调过程可视为信号与噪声分别的解调，故解调器于解调过程可视为信号与噪声分别的解调，故解调器的输出端总是单独存在有用信号，因而，的输出端总是单独存在有用信号，因而，同步解调不同步解调不存在门限效应存在门限效应。它的调制制度增益不受信号和噪声相。它的调制制度增益不受信号和噪声相对幅度条件的影响。对幅度条件的影响。例题：例题：设信道的双边噪声功率谱密度设信道的双边噪声功率谱密度 在该信道中传输在该信道中传输AM信号，并设调制信号信

22、号，并设调制信号 的频的频带限制在带限制在5kHz，而载波频率是，而载波频率是100 kHz ，已调信号，已调信号的边带功率为的边带功率为10kW，载波功率为，载波功率为40kW。若接收机。若接收机的输入信号，先经过一个理想的的输入信号，先经过一个理想的BPF，再加至包络，再加至包络解调器。试问：解调器。试问：（1）理想）理想BPF的传输特性？的传输特性？（2）解调器输入端的信噪比？）解调器输入端的信噪比？（3）解调器输出端的信噪比？）解调器输出端的信噪比？（4）调制制度增益？）调制制度增益？ W/Hz,.fPn31050 tm例题例题主讲人：于秀兰主讲人：于秀兰通信原理通信原理3.5 非线性

23、调制（角度调制）非线性调制（角度调制）的原理和抗噪性能分析的原理和抗噪性能分析一、调制原理一、调制原理角度调制：角度调制：正弦载波的振幅保持不变，而瞬时频率偏移或瞬正弦载波的振幅保持不变，而瞬时频率偏移或瞬时相位偏移随着基带信号呈线性变化。时相位偏移随着基带信号呈线性变化。 ttAtScmcos其中，其中，载波的恒定振幅；A 瞬时相位偏移；信号的瞬时相位；tttc 瞬时频率偏移；信号的瞬时频率；dttddtttdc1、相位调制（、相位调制（PM）2、频率调制（、频率调制（FM）例题：（单音调制）例题：（单音调制）解：解： tAKtAtStAKtmKtPM:mmPcmmmPPcoscoscos

24、tAKtAtStAKtdtAKttAKtmKdttdFM:mmmcmmmmFtmmF令mmFFsincossincoscosF000问题：问题：最大相移和最大频移分别为多少？最大相移和最大频移分别为多少？解：解： tAKtAtSPM:mmPcmcoscos tAKtAtSFM:mmmcmsincosF调相指数调相指数:它表示最大相移。,mPpAKm 调频指数调频指数:它表示最大相移。,mmFfAKm maxm最大最大相移频移上面的结论只适用于单音调制时。上面的结论只适用于单音调制时。3、FM与与PM的关系的关系1）对于正弦波角度调制，无法从已调波形来区分它）对于正弦波角度调制，无法从已调波形来

25、区分它是是FM还是还是PM。只有与调制信号比较才能区分。只有与调制信号比较才能区分。2）如果将调制信号先积分，再使它对载波进行）如果将调制信号先积分，再使它对载波进行PM，即得即得FM。 如果将调制信号先微分，再使它对载波进行如果将调制信号先微分，再使它对载波进行FM，即得即得PM。FM积分积分PM tm tSFMPM微分微分FM tm tSPM二、调频信号的频谱和带宽二、调频信号的频谱和带宽单音调频信号的频谱单音调频信号的频谱单音调频信号的带宽单音调频信号的带宽2）角度调制信号的带宽）角度调制信号的带宽sradHz/2,2单位为：，。表示基带信号的最高频表示最大频偏，其中，单位为：mmmWf

26、fffB如果是单音调制，如果是单音调制，为调频指数。其中，fmfmfmBFM:,12为调相指数。其中，pmpm,fmBPM:12mfmfffBmfmBm2,2,此时，称为窄带调频此时，称为宽带调频113、调频信号的平均功率、调频信号的平均功率例题例题三、调频信号的解调三、调频信号的解调鉴频器：鉴频器：输出与输入信号的瞬时频率偏移成正比。输出与输入信号的瞬时频率偏移成正比。限幅器限幅器: 消除接收信号在幅度上可能的畸变。消除接收信号在幅度上可能的畸变。1、非相干解调、非相干解调3）鉴频器：）鉴频器：输出与输入信号的瞬时频率偏移成正比。输出与输入信号的瞬时频率偏移成正比。无噪分析：无噪分析： tF

27、cFMdmKtAtScos tmKdttdtF221s0鉴频器输出：鉴频器输出： tmKKtFd0s鉴频器可由鉴频器可由“微分器微分器”和和“包络检波器包络检波器”构成。（参见教材构成。（参见教材83页）页）2、相干解调、相干解调四、角度调制的抗噪声性能四、角度调制的抗噪声性能 + 带带通通 鉴鉴频频 限限幅幅 低低通通 解解调调器器 SFM(t) ni(t) S0(t)+n0(t) 调频系统抗噪声性能分析模型 n(t)1、解调器输入信噪比、解调器输入信噪比2、解调器输出端的信噪比、解调器输出端的信噪比讨论：讨论：231/()/ooffiiSNGmmSN由此可以得到单音调制时，调频系统的调制制

28、度增益G为所以，宽带调频解调器的制度增益是很高的，即抗噪声性能好。调频系统抗噪性能是以增加其传输带宽来换取的；调频系统抗噪性能是以增加其传输带宽来换取的；宽带调频的输出信噪比相对于调幅的改善与其传输宽带调频的输出信噪比相对于调幅的改善与其传输带宽的平方成正比。带宽的平方成正比。 比较调频信号和调幅信号的带宽和输出信噪比，比较调频信号和调幅信号的带宽和输出信噪比，容易得出下列容易得出下列结论结论：小信噪比时，小信噪比时， tVA ，这时，这时 AtttV(tttcsin)因此，这时没有单独存因此，这时没有单独存在的有用信号项，解调在的有用信号项，解调器输出几乎完全由噪声器输出几乎完全由噪声决定。也就是说该解调决定。也就是说该解调器和包络检波器一样同器和包络检波器一样同样样存