简明通信原理第4章模拟调制系统-课件

学习目标调制的功能和分类；幅度调制及其抗噪声性能；角度调制的概念，卡森公式；各种调制方式的优势及主要应用；频分复用（FDM）的概念。第

4

章模拟调制系统学习目标调制的功能和分类；第4章模拟调制系统4.1调制简介调制是许多通信系统（尤其是无线通信）的关键技术。4.1.1

什么是调制？比喻货物运输调制传输货物消息信号运载工具载波把货物装载到运载工具上调制过程到达目的地后，则要从运载工具上卸下货物解调过程调制把消息信号搭载在载波上的过程。换言之就是使载波的某个参数（幅度、频率、相位）随着消息信号的规律而变化。第

4章模拟调制系统4.1调制简介调制是许多通信系统（尤其是无线通信）的关第

4章模拟调制系统幅度调制过程示意载波一种高频周期信号（如正弦波、脉冲串），其本身不含任何有用信息。：已调信号经过调制后的载波，它含有消息信号的全部特征。调制过程中涉及的3种信号消息信号载波已调信号“消息信号、调制信号和基带信号”对于已调信号来说是同义词。解调（或称检波）是调制的逆过程从已调信号中还原消息信号：第4章模拟调制系统幅度调制过程示意载波一种高频周期信第

4章模拟调制系统4.1.3

调制的类型根据消息信号、载波的被调参数和频谱结构的不同，可将基本调制方式分为：若用模拟消息信号分别控制载波的幅度、频率和相位，则相应产生模拟已调信号幅度调制（AM）频率调制（FM）相位调制（PM）若用数字消息信号分别控制载波的幅度、频率和相位，则相应产生数字已调信号：振幅键控（ASK）频移键控（FSK）相移键控（PSK）第4章模拟调制系统4.1.3调制的类型根据消息第

4章模拟调制系统4.2

幅度调制4.2.1

常规调幅幅度调制是使正弦载波的振幅按照模拟消息信号的变化规律成比例地变化。幅度调制有4种方式AMDSBSSBVSB常规双边带调幅抑制载波双边带调制单边带调制残留边带调制1．AM信号的产生图4-2AM调制模型

第4章模拟调制系统4.2幅度调制4.2.1常规第

4章模拟调制系统2．AM信号的波形与频谱AM信号的时域表达式：

（4-2-1）式中，

为载波角频率。利用以下傅里叶变换对：（4-2-2）则可由式（4-2-1）写出AM信号的频域表达式：

第4章模拟调制系统2．AM信号的波形与频谱AM信号的其波形和频谱（幅度谱）示意图:图4-3AM信号的波形和频谱第

4章模拟调制系统其波形和频谱（幅度谱）示意图:图由图可见：（1）AM波的包络反映了基带信号

的变化规律，可进行包络检波。（2）AM的频谱由载频分量和上、下对称的两个边带组成，传输带宽为

第

4章模拟调制系统线性调制（3）已调信号的频谱仅仅是基带信号频谱的简单搬移即在调制过程中频谱结构没有发生变化，只是频谱位置平移了（4-2-3）

由图可见：第4章模拟调制系统线性调制（3）已调信号的第

4章模拟调制系统4.2.2抑制载波双边带调制

图4-5DSB信号的波形和频谱由图可见：

（2）DSB频谱中没有载波分量，因此，调制效率达到100%。问题：DSB信号的带宽与AM相同，仍是基带信号带宽的两倍，即这就引发出一种想法：能否只传输DSB其中的一个边带呢？第4章模拟调制系统4.2.2抑制载波双边带调制

4.2.3单边带调制1．SSB信号的产生滤波法：先产生一个DSB信号，然后用

滤掉一个边带，即可得到SSB信号。图4-6滤波法产生SSB的模型若为高通滤波器，则产生上边带（USB）信号；若为低通滤波器，则产生下边带（LSB）信号。图4-7边带滤波器特性图4-8SSB信号的频谱4.2.3单边带调制1．SSB信号的产生滤波法：先产生4.3角度调制

第

4章模拟调制系统角度调制调频（FM）调相（PM）角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。这种优势的代价是占用比调幅信号更宽的带宽。4.3角度调制第4章模拟调制系统角度调制调频（4.3.2FM信号的频谱与带宽1．频谱结构

角度调制属于非线性调制，已调信号的频谱不再是消息信号频谱的简单搬移。

FM信号的频谱结构与调频指数

密切相关。

第

4章模拟调制系统4.3.2FM信号的频谱与带宽第4章模拟调制系统2．带宽理论上，FM信号的频谱含有无穷多个频率分量，所以其带宽为无穷大。

——卡森公式当

时，谱线只有载波分量和一对边频，此时为当

>>1时，边频分量增多，频带变宽，此时称为

例如，在FM广播中规定最大频偏

为75kHz，最高调制频率

为15kHz，故调频指数

，由卡森公式可算出FM信号的频带宽度为180kHz。第

4章模拟调制系统实际上，FM信号的有效带宽为窄带调频宽带调频2．带宽第4章模拟调制系统实际上，FM信号的有效带宽4.3.4FM特点与应用（1）调频是将

调制到载波的频率上，表现为FM波的过零点密度与

成比例，而幅度保持恒定。（2）FM属于非线性调制，其频谱结构与调频指数

密切相关，所需的传输带宽比AM信号的带宽大

倍，因此，有效性不如调幅系统。（3）FM信号的带宽随

的变化而改变，

大，频带宽。但

大，调频系统的抗干扰能力也强。因此，调频方式可以实现带宽与信噪比的互换（即有效性与可靠性的互换）。关于

值的选择，要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于远距离高质量的通信（如调频广播、电视伴音、卫星通信、移动通信、微波通信和蜂窝电话系统），需采用宽带调频，即

值选得大些；对于一般通信，选用

较小的调频方式。第

4章模拟调制系统4.3.4FM特点与应用第4章模拟调制系统

讨论：（1）DSB的制度增益为2，即解调器输出信噪比是输入信噪比的2倍，表示信噪比改善了一倍。（2）SSB的制度增益为1，表示信噪比没有改善。（3），能否说明DSB系统的抗噪声性能比SSB系统好呢？（4）VSB系统的抗噪声分析方法及结果与SSB相似。（5）AM系统的抗噪声分析方法与DSB相似，分析结果为

（4-4-26）不能因为在上述分析中，两者的输入信号功率、输入噪声功率和带宽不同。如果给定相同的

和

条件下，DSB和SSB的输出信噪比是相同的，即两者的抗噪声性能一样。讨论：不能因为在上述分析中，两者的输入信号功率、输入噪声2．小信噪比情况当输入信噪比

低于门限值时，鉴频器也会出现门限效应。门限效应是所有非相干解调器都存在的一种特性。无论是AM的包络检波器，还是FM的鉴频器都存在门限效应。而相干解调器不存在门限效应。（4-4-54）2．小信噪比情况4.4.5模拟调制系统性能比较①抗噪声性能：②频谱利用率：

同时涉及到FM系统的有效性和可靠性，FM系统的抗噪声能力（可靠性）的提高是以占用更宽的传输带宽（有效性降低）为代价换取的。③调频指数

FMDSB/SSBVSBAMSSBVSBDSB/AMFM

4.4.5模拟调制系统性能比较③调频指数FMDSB/SS4.5频分复用

是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术。其目的是为了提高信道的利用率。复用方式有多种，本节介绍频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM），下一章介绍时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）。4.5.1FDM基本原理

FDM是按频率区分各路信号的复用方式，它将信道带宽分成多个互不重叠的小频带（子通道），每路信号占据其中一个子通道。FDM系统框图：图4-29频分复用系统原理框图

复用4.5频分复用复用FDM的优点是信道利用率高、复用的路数多、技术成熟。它不仅用在模拟通信，在数字通信中也得到广泛应用。FDM的缺点是设备复杂，并且在复用和传输过程中会不同程度地引入非线性失真，从而产生路际干扰（对语音而言，也叫串音）。4.5.2应用举例

FDM在立体声调频广播、电视广播系统、蜂窝移动电话系统、微波中继系统等中得到了广泛应用。最典型的应用例子就是传统的有线多路载波电话系统。该系统采用SSB调制方式（旨在节省频带），12路电话复用成一个基本群信号，称为基群；5个基群复用为一个超群，共60路电话；10个超群复用为一个主群，共600路电话；在信道带宽允许的情况下还可将多个主群进行复用，组成巨群等。例如，一个地面微波信道通常可以承载3个主群（1

800个语音信道）。

FDM的优点是信道利用率高、复用的路数多、技术成熟。它不仅用基群的频谱结构示意图：该电话基群由12个LSB（下边带）信号组成，占用60～108kHz的频率范围。每路取4

000Hz作为标准带宽。图4-3012路电话基群的频谱结构示意图kHz式中，

是第n路信号的载波频率，n=1～12。简明通信原理第4章模拟调制系统-课件学习目标调制的功能和分类；幅度调制及其抗噪声性能；角度调制的概念，卡森公式；各种调制方式的优势及主要应用；频分复用（FDM）的概念。第

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章模拟调制系统学习目标调制的功能和分类；第4章模拟调制系统4.1调制简介调制是许多通信系统（尤其是无线通信）的关键技术。4.1.1

什么是调制？比喻货物运输调制传输货物消息信号运载工具载波把货物装载到运载工具上调制过程到达目的地后，则要从运载工具上卸下货物解调过程调制把消息信号搭载在载波上的过程。换言之就是使载波的某个参数（幅度、频率、相位）随着消息信号的规律而变化。第

4章模拟调制系统4.1调制简介调制是许多通信系统（尤其是无线通信）的关第

4章模拟调制系统幅度调制过程示意载波一种高频周期信号（如正弦波、脉冲串），其本身不含任何有用信息。：已调信号经过调制后的载波，它含有消息信号的全部特征。调制过程中涉及的3种信号消息信号载波已调信号“消息信号、调制信号和基带信号”对于已调信号来说是同义词。解调（或称检波）是调制的逆过程从已调信号中还原消息信号：第4章模拟调制系统幅度调制过程示意载波一种高频周期信第

4章模拟调制系统4.1.3

调制的类型根据消息信号、载波的被调参数和频谱结构的不同，可将基本调制方式分为：若用模拟消息信号分别控制载波的幅度、频率和相位，则相应产生模拟已调信号幅度调制（AM）频率调制（FM）相位调制（PM）若用数字消息信号分别控制载波的幅度、频率和相位，则相应产生数字已调信号：振幅键控（ASK）频移键控（FSK）相移键控（PSK）第4章模拟调制系统4.1.3调制的类型根据消息第

4章模拟调制系统4.2

幅度调制4.2.1

常规调幅幅度调制是使正弦载波的振幅按照模拟消息信号的变化规律成比例地变化。幅度调制有4种方式AMDSBSSBVSB常规双边带调幅抑制载波双边带调制单边带调制残留边带调制1．AM信号的产生图4-2AM调制模型

第4章模拟调制系统4.2幅度调制4.2.1常规第

4章模拟调制系统2．AM信号的波形与频谱AM信号的时域表达式：

（4-2-1）式中，

为载波角频率。利用以下傅里叶变换对：（4-2-2）则可由式（4-2-1）写出AM信号的频域表达式：

第4章模拟调制系统2．AM信号的波形与频谱AM信号的其波形和频谱（幅度谱）示意图:图4-3AM信号的波形和频谱第

4章模拟调制系统其波形和频谱（幅度谱）示意图:图由图可见：（1）AM波的包络反映了基带信号

的变化规律，可进行包络检波。（2）AM的频谱由载频分量和上、下对称的两个边带组成，传输带宽为

第

4章模拟调制系统线性调制（3）已调信号的频谱仅仅是基带信号频谱的简单搬移即在调制过程中频谱结构没有发生变化，只是频谱位置平移了（4-2-3）

由图可见：第4章模拟调制系统线性调制（3）已调信号的第

4章模拟调制系统4.2.2抑制载波双边带调制

图4-5DSB信号的波形和频谱由图可见：

（2）DSB频谱中没有载波分量，因此，调制效率达到100%。问题：DSB信号的带宽与AM相同，仍是基带信号带宽的两倍，即这就引发出一种想法：能否只传输DSB其中的一个边带呢？第4章模拟调制系统4.2.2抑制载波双边带调制

4.2.3单边带调制1．SSB信号的产生滤波法：先产生一个DSB信号，然后用

滤掉一个边带，即可得到SSB信号。图4-6滤波法产生SSB的模型若为高通滤波器，则产生上边带（USB）信号；若为低通滤波器，则产生下边带（LSB）信号。图4-7边带滤波器特性图4-8SSB信号的频谱4.2.3单边带调制1．SSB信号的产生滤波法：先产生4.3角度调制

第

4章模拟调制系统角度调制调频（FM）调相（PM）角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。这种优势的代价是占用比调幅信号更宽的带宽。4.3角度调制第4章模拟调制系统角度调制调频（4.3.2FM信号的频谱与带宽1．频谱结构

角度调制属于非线性调制，已调信号的频谱不再是消息信号频谱的简单搬移。

FM信号的频谱结构与调频指数

密切相关。

第

4章模拟调制系统4.3.2FM信号的频谱与带宽第4章模拟调制系统2．带宽理论上，FM信号的频谱含有无穷多个频率分量，所以其带宽为无穷大。

——卡森公式当

时，谱线只有载波分量和一对边频，此时为当

>>1时，边频分量增多，频带变宽，此时称为

例如，在FM广播中规定最大频偏

为75kHz，最高调制频率

为15kHz，故调频指数

，由卡森公式可算出FM信号的频带宽度为180kHz。第

4章模拟调制系统实际上，FM信号的有效带宽为窄带调频宽带调频2．带宽第4章模拟调制系统实际上，FM信号的有效带宽4.3.4FM特点与应用（1）调频是将

调制到载波的频率上，表现为FM波的过零点密度与

成比例，而幅度保持恒定。（2）FM属于非线性调制，其频谱结构与调频指数

密切相关，所需的传输带宽比AM信号的带宽大

倍，因此，有效性不如调幅系统。（3）FM信号的带宽随

的变化而改变，

大，频带宽。但

大，调频系统的抗干扰能力也强。因此，调频方式可以实现带宽与信噪比的互换（即有效性与可靠性的互换）。关于

值的选择，要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于远距离高质量的通信（如调频广播、电视伴音、卫星通信、移动通信、微波通信和蜂窝电话系统），需采用宽带调频，即

值选得大些；对于一般通信，选用

较小的调频方式。第

4章模拟调制系统4.3.4FM特点与应用第4章模拟调制系统

讨论：（1）DSB的制度增益为2，即解调器输出信噪比是输入信噪比的2倍，表示信噪比改善了一倍。（2）SSB的制度增益为1，表示信噪比没有改善。（3），能否说明DSB系统的抗噪声性能比SSB系统好呢？（4）VSB系统的抗噪声分析方法及结果与SSB相似。（5）AM系统的抗噪声分析方法与DSB相似，分析结果为

（4-4-26）不能因为在上述分析中，两者的输入信号功率、输入噪声功率和带宽不同。如果给定相同的

和

条件下，DSB和SSB的输出信噪比是相同的，即两者的抗噪声性能一样。讨论：不能因为在上述分析中，两者的输入信号功率、输入噪声2．小信噪比情况当输入信噪比

低于门限值时，鉴频器也会出现门限效应。门限效应是所有非相干解调器都存在的一种特性。无论是AM的包络检波器，还是FM的鉴频器都存在门限效应。而相干解调器不存在门限效应。（4-4-54）2．小信噪比情况4.4.5模拟调制系统性能比较①抗噪声性能：②频谱利用率：

同时涉及到FM系统的有效性和可靠性，FM系统的抗噪声能力（可靠性）的提高是以占用更宽的传输带宽（有效性降低）为代价换取的。③调频指数

FMDSB/SSBVSBAMSSBVSBDSB/AMFM

4.4.5模拟调制系统性能