通信原理课件：chap4 模拟调制系统

2022/10/21通信原理课件1Chap4模拟调制系统

2022/10/21通信原理课件2本章纲要4.1引言4.2幅度调制1.常规双边带调幅（AmplitudeModulation，AM）2.双边带抑制载波（DoubleSideband－SuppressedCarrier，DSB－SC）3.单边带调幅（SingleSideband，SSB）4.残留边带调幅（VestigialSideband，VSB）4.3各种幅度调制系统的噪声性能2022/10/21通信原理课件3本章纲要4.4角度调制（AngularModulation）（非线性调制）系统4.5调频系统的噪声性能4.6各种模拟调制系统的性能比较4.7频分复用（FDM）作业2022/10/21通信原理课件4引言4.1.1调制（Modulation）定义：使载波信号的某一个（或几个）参量随基带信号改变的过程。实质：频谱搬移。作用与信道特性匹配；实现多路复用；提高抗干扰性。2022/10/21通信原理课件5引言调制的分类（详见第一章表格1-1）按载波信号c(t)分连续波调制脉冲波调制按基带信号m(t)分数字调制模拟调制2022/10/21通信原理课件6引言按调制器的功能分幅度调制——如模拟调幅（AM，DSB，SSB，VSB），脉冲幅度调制（PAM），幅移键控（ASK）；频率调制——如FM，频移键控（FSK），脉宽调制（PDM）；相位调制——如模拟调相（PM），相移键控（PSK），脉位调制（PPM）。2022/10/21通信原理课件7幅度调制4.2.1一般原理概念：用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。模型2022/10/21通信原理课件8幅度调制时域和频域表达式时域频域2022/10/21通信原理课件9幅度调制幅度调制对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；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(精确到常数因子)。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制。线性调制——如各种幅度调制，幅移键控(ASK)；非线性调制——如FM、PM、频移键控(FSK)。2022/10/21通信原理课件102022/10/21通信原理课件11AM（AmplitudeModulation）AM信号的产生波形图2022/10/21通信原理课件12AM（AmplitudeModulation）线性调幅的条件为了解调时能使用包络检波法，线性调幅的条件为：A0≥|m(t)|max

，即保证AM信号的包络总是为正的。过调现象：已调信号的包络与调制信号之间已无线性关系变化可言，包络与调制信号相比，出现了严重的失真，这种现象通常我们称这种现象为过调。2022/10/21通信原理课件13AM（AmplitudeModulation）AM信号的频谱特性频谱图2022/10/21通信原理课件14AM（AmplitudeModulation）特点从频域表达式可以看出，AM信号的频谱是DSB信号的频谱加上载波分量。在这个频谱搬移过程中没有出现新的频率分量，因此，该调制为线性调制。带宽BAM＝2fm。2022/10/21通信原理课件15AM（AmplitudeModulation）AM已调信号的功率分配2022/10/21通信原理课件162022/10/21通信原理课件17例题4-1已知一AM信号（1）请写出基带信号m(t)的表达式；（2）写出载波信号c(t)的表达式；（3）写出s(t)的傅里叶变换S(f)表达式,并画出其频谱图；（4）求边带功率和载波功率。2022/10/21通信原理课件18例题4-1解：信号频率fm=100Hz信号频率fc=1000Hz2022/10/21通信原理课件19DSB－SC4.2.3抑制载波双边带调制DSB－SC(DoubleSideband-SuppressedCarrier)产生载波反向点波形图2022/10/21通信原理课件20DSB－SCDSB信号的频谱特性上边带（USB）：|f|>fc的频率分量下边带（LSB）：|f|<fc的频率分量频谱图2022/10/21通信原理课件21DSB－SC频谱特点1、上、下边带均包含调制信号的全部信息，在载频处无载波分量，这就是抑制载波的效果；2、幅度减半，带宽加倍，BDSB＝2fm；3、线性搬移。2022/10/21通信原理课件222022/10/21通信原理课件23例题4-2设m(t)是正弦型单音频信号，载波信号为c(t)，且，试写出DSB-SC信号及上、下边带信号的时域及频域表达式。解：该DSB信号的频域表达式为：2022/10/21通信原理课件24例题4-2上边带信号的时域及频域表达式下边带信号的时域及频域表达式2022/10/21通信原理课件25SSB（SingleSideband）4.2.4单边带调制由于从信息传输的角度讲，上、下两个边带所包含的信息相同，因此只传送一个边带即可以传送信号的全部信息。

SSB信号的产生方法有：滤波法；相移法；混合法（由于电路较为复杂，因此用途并不广泛）。2022/10/21通信原理课件26SSB（SingleSideband）滤波法图4-6SSB信号的频谱2022/10/21通信原理课件28补充：希尔伯特变换定义：物理可实现系统的传递函数其实部与虚部之间存在对应的确定关系称为Hilbert变换。Hilbert滤波器，它实质上是一个宽带相移网络，对m(t)中的任意频率分量均相移-π/2。2022/10/21通信原理课件29希尔伯特变换常用的希尔伯特变换2022/10/21通信原理课件30SSB（SingleSideband）相移法——实际上是SSB信号表达式的电路表示推导2022/10/21通信原理课件31由例4-2可得2022/10/21通信原理课件32SSB（SingleSideband）SSB信号的频率特性BSSB＝0.5BDSB＝fm；

因SSB信号不含有载波成分，单边带幅度调制的效率也为100%。2022/10/21通信原理课件332022/10/21通信原理课件34图4-8DSB、SSB和VSB信号的频谱2022/10/21通信原理课件36VSB（VestigialSideband）定义SSB问题：理想的滤波器难以实现。VSB调制：残留边带调制是介于SSB与DSB-SC之间的一种调制方式，在VSB中除了传送一个边带之外，还保留另外一个边带的一部分。信号产生2022/10/21通信原理课件37VSB（VestigialSideband）

HVSB(ω)的频率特性须从VSB信号的解调方式入手2022/10/21通信原理课件38VSB（VestigialSideband）经过LPF后，高频成份滤掉，这样解调输出为：当HVSB(ω+ωc)+HVSB(ω-ωc)=常数，|ω|≤ωH时，此时，MO(ω)=C*M(ω)

，从VSB信号中无失真地恢复了原始信号。残留边带滤波器传输函数要求满足的互补对称条件。2022/10/21通信原理课件39VSB（VestigialSideband）几何解释VSB（VestigialSideband）2022/10/21通信原理课件40图4-10残留边带的滤波器特性(a)残留部分上边带的滤波器特性;

(b)残留部分下边带的滤波器特性2022/10/21通信原理课件41VSB（VestigialSideband）VSB的特点及应用（1）所需带宽为ωm<ω<2ωm；（2）采用滤波法较易实现。（3）VSB调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。解调（Demodulation）解调是调制的逆过程。作用是从接收的已调信号中恢复原基带信号。解调的方法可分为两类：相干解调非相干解调（如包络检波，差分相干解调等）2022/10/21通信原理课件42相干解调相干解调也叫同步检波。它由相乘器和低通滤波器组成。相干解调适用于所有线性调制信号的解调。2022/10/21通信原理课件43图4-11相干解调器的一般模型相干解调分析2022/10/21通信原理课件44对于抑止载波双边带信号将其乘上与调制载波同频同相的载波(称为相干载波)后,经低通滤波器滤掉2ωc分量后,得到解调输出演示相干解调2022/10/21通信原理课件45对于单边带信号（上边带信号或下边带信号）与相干载波相乘后得经低通滤波后的解调输出为演示载波同步相干解调的关键是必须在已调信号接收端产生与信号载波同频同相的本地载波。相干载波的获取方法是通过载波同步电路。提取相干载波的方法有两种：直接法（自同步法：发送端不发送专门的同步信息）平方变换法和平方环法同相正交环法（科斯塔斯环法）插入导频法（外同步法）2022/10/21通信原理课件46平方变换法此方法广泛用于建立抑制载波的双边带信号的载波同步。2022/10/21通信原理课件47图11–1平方变换法提取载波平方变换法2022/10/21通信原理课件48设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波的双边带信号为接收端将该信号经过非线性变换——平方律器件后得到上式的第二项包含有载波的倍频2ωc的分量。若用一窄带滤波器将2ωc频率分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。平方环法2022/10/21通信原理课件49在实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，图11-1中的窄带滤波器常用锁相环代替，构成如图11-2所示的方框图，称为平方环法提取载波。图11-2平方环法提取载波同相正交环法同相正交环法又叫科斯塔斯（Costas）环。在此环路中，压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。2022/10/21通信原理课件50

图11-3Costas

环法提取载波包络检波包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成。包络检波属于非相干解调,广播接收机中多采用此法。2022/10/21通信原理课件52整流器LPFSAM(t)So(t)Mo(t)图4-12包络检波器包络检波包络检波2022/10/21通信原理课件54设输入信号是AM信号在大信号检波时(一般大于0.5V)，二极管处于受控的开关状态。选择RC满足如下关系:式中,fH是调制信号的最高频率；fc是载波的频率。在满足式(4.1-17)的条件下,检波器的输出近似为演示2022/10/21通信原理课件55各种幅度调制系统的抗噪声性能4.3.1分析模型概念模拟通信系统的评价标准用有效传输频带（有效性）和接收端输出信噪比（可靠性）来衡量。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。抗噪声能力通常用“信噪比”来度量。2022/10/21通信原理课件56各种幅度调制系统的抗噪声性能解调器模型注：带通滤波器的作用是将混合在噪声中的有用信号过滤出来，同时，滤除已调信号频带外的噪声。解调器输入端的噪声带宽与已调信号的带宽是相同的，但是远小于中心频率。加性高斯白噪声n(t)的双边功率谱密度为n0/2，均值为0。图4–14带通滤波器传输特性2022/10/21通信原理课件58各种幅度调制系统的噪声性能分析模型解调器的输入噪声为窄带高斯白噪声解调器的输入噪声功率输出信噪比2022/10/21通信原理课件59各种幅度调制系统的噪声性能输入信噪比信噪比增益也称为调制制度增益G作用：用来衡量同类调制系统不同解调器对输入信噪比的影响。2022/10/21通信原理课件60各种幅度调制系统的噪声性能4.3.2线性系统的相干解调抗噪性能相干解调的原理原理框图2022/10/21通信原理课件61各种幅度调制系统的噪声性能模型分析sp(t)经过低通滤波器LPF，滤掉高频成份，得以DSB信号为例对有用信号：2022/10/21通信原理课件62各种幅度调制系统的噪声性能对噪声：通过相乘器的噪声信号经过低通滤波器LPF，滤掉高频成份，得2022/10/21通信原理课件63DSB调制系统的抗噪性能DSB调制系统的性能分析解调器输入信噪比已调信号的平均功率输入噪声平均功率输入信噪比2022/10/21通信原理课件64DSB调制系统的抗噪性能解调器输出端信噪比输出信号平均功率输出噪声的平均功率输出信噪比2022/10/21通信原理课件65DSB调制系统的抗噪性能解调增益G（信噪比得益）这说明，DSB信号的解调器使信噪比改善了一倍。这是因为采用同步解调，把噪声中的正交分量ns(t)抑制掉了，从而使噪声功率减半。2022/10/21通信原理课件66SSB调制系统的抗噪性能SSB调制系统的性能分析解调器输入端信噪比已调信号的平均功率2022/10/21通信原理课件67SSB调制系统的抗噪性能输入噪声平均功率输入信噪比注：在这里SSB信号中窄带加性噪声的带宽仅是DSB系统中的一半，因此SSB解调器中的窄带噪声功率是DSB解调器中的一半。同样的符号Ni在DSB系统和SSB系统的值不同！2022/10/21通信原理课件68SSB调制系统的抗噪性能解调器输出端信噪比输出信号平均功率输出噪声的平均功率输出信噪比2022/10/21通信原理课件69SSB调制系统的抗噪性能解调增益G（信噪比得益） SSB解调器具有相同的输入输出信噪比。这说明，SSB信号的解调器对信噪比没有改善。这是因为在SSB系统中，信号和噪声具有相同的表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故信噪比不会得到改善。

2022/10/21通信原理课件70SSB调制系统的抗噪性能注意在相同的噪声背景和相同的输入信号功率条件下，DSB和SSB在解调器输出端的信噪比是相等的。从抗噪声的观点，SSB调制和DSB调制是相同的。但SSB调制所占有的频带仅为DSB的一半。2022/10/21通信原理课件71VSB调制系统的抗噪性能由于所采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同，所以难以确定抗噪性能的一般计算公式。在残留边带滤波器滚降范围不大的情况下，可将VSB信号近似看成SSB信号，即SVSB(t)≈SSSB(t)。 在这种情况下，VSB调制系统的抗噪性能与SSB系统相同。2022/10/21通信原理课件72例4-3教材P98习题4-5解：（1）为了保证信号顺利通过和尽可能地滤除噪声，带通滤波器的宽度等于已调信号带宽，即其中心频率为100kHz，故有

（2）已知解调器的输入信号功率，输入噪声功率为故输入信噪比

2022/10/21通信原理课件73例4-3（3）因为DSB调制制度增益GDSB=2，故解调器的输出信噪比：（4）根据相干解调器的输出噪声与输入噪声功率关系又因解调器中低通滤波器的截止频率为fm=4kHz，故输出噪声的功率谱密度思考题证明AM信号采用相干解调时，其制度增益G为2022/10/21通信原理课件742022/10/21通信原理课件75证：设AM信号为式中，输入噪声为则解调器输入的信号功率和噪声功率分别为设同步检测（相干解调）中，相干载波为则2022/10/21通信原理课件76故输出有用信号和输出噪声分别为所以故2022/10/21通信原理课件77AM调制系统的抗噪性能4.3.3AM信号包络检波解调的抗噪性能AM信号可用相干解调和包络检波两种方法解调。包络检波的原理模型2022/10/21通信原理课件78AM调制系统的抗噪性能AM系统包络检波的抗噪性能解调器输入端信噪比已调信号的平均功率输入噪声平均功率（与DSB相同）输入信噪比2022/10/21通信原理课件79AM调制系统的抗噪性能解调器输出端信噪比解调器输入信号包络：相位：2022/10/21通信原理课件80AM调制系统的抗噪性能情况一：大信噪比（小噪声）情况，即这里利用了公式2022/10/21通信原理课件81AM调制系统的抗噪性能分析：输出信号平均功率输出噪声的平均功率输出信噪比解调增益2022/10/21通信原理课件82AM调制系统的抗噪性能结论：在小噪声情况下，AM系统的相干解调与非相干解调有相同的抗噪性能。当A0=|m(t)|max时，对于单音信号的调制（简称单音调制）m(t)=A0cosωmt， 此时G=2/3。

2022/10/21通信原理课件83AM调制系统的抗噪性能情况二：小信噪比（大噪声）情况，即2022/10/21通信原理课件84AM调制系统的抗噪性能分析：包络E(t)中的m(t)，m(t)cosθ(t)是依赖于噪声变化的随机函数，也就是一个随机噪声。此时包络检波器把有用信号扰乱成噪声。结论：在大噪声情况下，AM系统包络检波法无法恢复原始信号m(t)。2022/10/21通信原理课件85AM调制系统的抗噪性能3.门限效应概念：当输入信噪比小到某一个特定的数值时，就会出现输出信噪比急剧恶化的现象，这种现象称为门限效应，而该特定的数值称为门限。原因：由包络检波器的非线性解调作用所引起的。注意：非相干解调有门限效应；相干解调无门限效应。包络检波是一种非线性解调方法。2022/10/21通信原理课件86例4-4教材P99习题4-11解：(1)设AM信号为，且式中，Pc为载波功率，Ps为边带功率。

2022/10/21通信原理课件87例4-4（2）假定，则理想包络检波输出为（3）制度增益

2022/10/21通信原理课件88角度调制(AngularModulation)频率调制（FrequencyModulation，FM）：载频fc随基带信号变化。相位调制（PhaseModulation，PM）：载波的相位随基带信号变化。调频和调相统称为角度调制。角度调制属于非线性调制，即调制后信号的频谱不再是调制前信号频谱的线性搬移，而产生出很多新的频率成分。2022/10/21通信原理课件89角度调制(AngularModulation)4.4.1基本概念角调波的一般表达式：式中，A为——振幅（恒定）瞬时相位：瞬时角频率：瞬时相位偏移：瞬时角频率偏移：2022/10/21通信原理课件90角度调制(AngularModulation)调相瞬时相位偏移∝基带信号幅值式中，Kp为调相灵敏度，单位为rad/V。则虽然是PM波，但其角频率仍与m(t)有关。2022/10/21通信原理课件91角度调制(AngularModulation)式中，Kf为调频灵敏度，单位为rad/(s.V)。则调频瞬时角频率偏移∝基带信号幅值2022/10/21通信原理课件92角度调制(AngularModulation)总结FM波和PM波从波形上无法区别。区分FM波和PM波的方法是考察频偏还是相移随基带信号的幅值变化。调频与调相之间的关系2022/10/21通信原理课件93角度调制(AngularModulation)2022/10/21通信原理课件94角度调制(AngularModulation)4.4.2窄带调频（NBFM）定义时域表达式频域表达式2022/10/21通信原理课件95角度调制(AngularModulation)与AM信号的频谱比较2022/10/21通信原理课件96角度调制(AngularModulation)4.4.3宽带调频（WBFM）信号表达式设基带信号为单音频信号式中，AmKf为最大角频偏，记为Δω。mf为调频指数2022/10/21通信原理课件97角度调制(AngularModulation)调频信号的级数展开式：调频信号的级数展开式对应的付氏变换谱：调频波的带宽用卡森公式表示：2022/10/21通信原理课件98Kf=50，fc=250Hz，消息带宽W=50Hz则mf=3，B=4002022/10/21通信原理课件99调频信号的产生与解调调频信号的产生NBFM信号的产生直接调频：常用压控振荡器产生；图4-23

PLL调制器调频信号的产生与解调间接调频：用调相电路产生调频波2022/10/21通信原理课件1002022/10/21通信原理课件101调频信号的产生与解调WBFM信号的产生先产生一个NBFM信号，再经过一个倍频器，从而产生WBFM信号。2022/10/21通信原理课件103调频信号的产生与解调混频法2022/10/21通信原理课件104调频信号的产生与解调调频信号的解调NBFM的相干解调2022/10/21通信原理课件105调频信号的产生与解调WBFM的非相干解调非线性调制采用非相干解调。而非相干解调采用的是鉴频器。解调器的输出应当为：频率-电压转换特性的鉴频器锁相环法2022/10/21通信原理课件106调频信号的产生与解调1）鉴频器法微分电路将幅度衡定的调频波变换为调幅调频波，即幅度和频率都随基带信号m(t)线性变化。其缺点之一是包络检波器对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应，为此，在微分器前加一个限幅器和带通滤波器。2022/10/21通信原理课件107调频信号的产生与解调2）锁相环法解调鉴相器：对两输入信号进行相位比较；环路滤波器：平滑鉴相器输出电压及抑制鉴相器输出电压中的噪声和高频分量。压控振荡器VCO：控制输入端的控制信号随uo变化。2022/10/21通信原理课件108调频系统的噪声性能1.模型输入信号功率：输入噪声功率：2022/10/21通信原理课件109调频系统的噪声性能2.结论（1）大信噪比情况输出信噪比：考虑基带信号为单频余弦波时：解调器的制度增益为：2022/10/21通信原理课件110调频系统的噪声性能宽带调频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。也就是说，对于调频系统来说，可以通过增加传输带宽来改善系统的抗噪声性能，调频系统可以用带宽来换取信噪比的改善。但对于调幅系统，因为调幅系统的信号带宽是固定的，因而不能利用带宽换取信噪比的改善。宽带调频时，解调器的制度增益为：教材P97例题4-12022/10/21通信原理课件111调频系统的噪声性能（2）小信噪比情况没发生门限效应时：在相同输入信噪比情况下，FM输出信噪比要好于AM输出信噪比;但是，当输入信噪比降低到某一门限时，FM就开始出现门限效应;如果输入信噪比继续降低，则FM解调器的输出信噪比将急剧变坏，甚至比AM的性能还要差。用普通鉴频器解调调频信号时，其门限效应与输入信噪比有关，一般发生在输入信噪比10dB左右处。和包络检波器一样，FM解调器的门限效应也是由它的非线性的解调作用所引起的。各种模拟调制系统的性能比较2022/10/21通信原理课件1122022/10/21通信原理课件113各种模拟调制系统的性能比较性能比较WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。FM的调频指数mf越大，抗噪声性能越好，但占据的带宽越宽，频带利用率低。SSB的带宽最窄，其频带利用率高。优缺点图4-33各种模拟调制系统的性能曲线频分复用4.7.1频分复用原理频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，