通原第5章模拟调制

1、 模拟调制系统 第5章樊昌信 曹丽娜 编著调制简介定义 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: l本章学习中应重点注意的知识点：本章学习中应重点注意的知识点：n时域时域u表达式、波形表达式、波形n频域频域u频谱表达式、频谱图、带宽、载波频谱表达式、频谱图、带宽、载波n框图框图u调制、解调、系统框图调制、解调、系统框图n抗噪性能抗噪性能u输入信噪比、输出信噪比、调制制度增益输入信噪比、输出信噪比、调制制度增益学习中应注意的问题：学习中应注意的问题：u调制与解调的方框图及各点波形；调制与解

2、调的方框图及各点波形；u已调信号的数学表达式、波形及其频谱；已调信号的数学表达式、波形及其频谱；u信号调制、解调前后的频带变化；信号调制、解调前后的频带变化；u调制系统的抗噪声性能。调制系统的抗噪声性能。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

3、式？( )cos()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 时域波形图时域波形图 AM AM频谱图频谱图 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

4、 0maxm tAlAM信号功率：nAM信号的缺信号的缺点点20AM2( )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 3 3种调幅信号种调幅信号 ( )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！u AM信号的解调信号的解调 解调是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中解调是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中 恢复原基带信号（

5、即调制信号）。恢复原基带信号（即调制信号）。l 包络检波（非相干解调）包络检波（非相干解调）AMAM信号在满足信号在满足0max)(Atm 的条件下，其包络与的条件下，其包络与调制信号调制信号)(tm的形状完全一样，可采用包络检波恢复。的形状完全一样，可采用包络检波恢复。 包络检波法包络检波法 l同步检波（相干解调）同步检波（相干解调）相干解调器适用于所有线性调制信号的解调。相干解调器适用于所有线性调制信号的解调。相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，接收端相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相同频同

6、相）的本地载波（称为的本地载波（称为相干载波相干载波），它与接收的已调信号），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。基带调制信号。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 DSB DSB波形图波形图 DSB DSB频谱图频谱图 nDSB信号的信号的特点特点l包络不再与m(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

7、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 DSB DSB相干解调相干解调 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 SSB SSB滤波法及频谱图滤波法及频谱图 11cossscoinsin22mccmmmtAtAtt cosmmm tAt设 coscosDSBmmcstAtt LSB1cos2mcmstAt 11cossin22ccttm tm t1cosc21os2mcmmc

8、mAtAt（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 SSB SSB相干解调相干解调 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。 各信号频谱示意图各信号频谱示意图 nVSBVSB信号的产生信号的产生应该具有怎样的滤波特性 ？nVS

9、BVSB信号的解调信号的解调 VSBDSB12ccSSMMHH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

10、）的一般模型n相移法相移法( )( )h tH解调的任务!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 t

11、2ii2ii( )( )SstNntn性能指标性能指标制度增益：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 2

12、o14Sm ti0Nn Boi14NNoioi2SSNN即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 2o11

13、6Smto1( )4( )m tm t2i1( )4Sm 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/SNGSNoioi

14、SSNN即原因原因正交分量正交分量SSB1GoioiSSNN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( )(

15、)( )Am tn ttn tE隔掉220cs( )( )( )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

16、( )( )( )csAm tn tn t cosER ttm 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

17、移瞬时相位偏移 c +d (t)/dt 已已调信号的瞬时调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

18、dtK Atsinfmmt cosmmfdtAKtdt最大角频偏 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

19、广播的最大频偏 f = 75kHz，最高调制频率fm=15kHz， 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

20、频偏；缺点缺点：频率稳定度不高，可采用PLL调频器进行改进。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。n2 调频信号的解调调频信号的解调 1)1)非相干解调非相干解调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 )()(otm

21、KKtmfd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、 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