模拟调制重点

通信原理各章重点第五章模拟调制系统学习目标：通过本章学习，掌握以下内容：☞调制的定义、功能和分类

☞线性调制（AM,DSB,SSB,VSB）原理（表达式，频谱，带宽，产生与解调）

☞线性调制系统的抗噪声性能，包络检波的门限效应

☞调频（FM），调相（PM）的基本概念及两者间的关系

☞单频调制时宽带和窄带调频信号的时域表示

☞调频信号频带宽带的计算——卡森公式

☞调频信号的产生与解调方法

☞预加重和去加重的概念

☞FM,DSB,SSB,VSB,AM的性能比较

☞了解频分复用和多级调制的概念重点：各种调幅系统的调制和解调数学模型、已调信号时域表达式、波形、频谱函数、频谱图、解调方法、系统抗噪声性能，角频率与相位的关系、调频与调相的关系、窄带调频、宽带调频、调频信号的产生与解调、抗噪声性能。难点：频谱函数、频谱图、解调方法、功率分析，窄带调频、宽带调频、抗噪声性能调制的定义所谓调制（这里指载波调制）就是用调制信号（基带信号）去控制载波的某一个或几个参数，使这一个或几个参数按照基带信号的变化规律而变化的过程。调制后得到的信号称为已调信号或频带信号。调制是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程（即把基带信号的频谱搬移到较高的载频附近）。解调（也叫检波）是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。调制的目的：（为什么要进行载波调制？）(1)把基带信号转换成适合在信道中传输的已调信号（即实现有效传输、配置信道、较小天线尺寸，提高天线辐射效率）；(2)把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率；(3)扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。调制的类型据调制信号的形式分为：模拟调制和数字调制；据载波的不同分为：以正弦波作为载波的连续载波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制。按调制参数不同分为：幅度调制（标准调幅AM、双边带DSB、单边带SSB和残留边带VSB）和角度调制（频率调制FM、相位调制PM）。按已调信号频谱结构分为：线性调制和非线性调制。幅度调制都属于线性调制，而角度调制属于非线性调制。解调方式有两种：相干解调（也叫同步检波）与非相干解调（也叫包络检波）。相干解调适用于各种线性调制系统，非相干解调一般只适用幅度调制（AM）信号。(1)相干解调a、原理b、关键技术在接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（相干载波），(2)非相干解调a、原理b、需满足条件：|m(t)|max门限效应当AM或FM采用非线性解调时，AM或FM信号的信噪比较小时，解调器输出信号无法与噪声分开，有用信号“淹没”在噪声之中，这时候输出信噪比不是按比例地随输入信噪比下降，而是急剧恶化，这种现象称为解调器的门限效应。这种门限效应是由解调器的非线性解调作用所引起的。AM调制(1)已调信号的时域表达式(2)已调信号的频域表达式(3)信号的产生（调制器模型）：(4)波形和频谱图：频谱特点：a、频谱由载波分量和上、下两个边带组成，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号是带有载波的双边带信号。b、带宽是基带信号带宽fH（基带信号的最高频率）的两倍，即BAM=2fHc、为实现“无失真”频谱搬移，载波的频率必须大于基带信号的最高频率，即ωc>ωH，一般要求，ωc>>ωH（载波频率远离于调制信号中的最高频率）。d、“常规调幅”是指|m(t)|max≤A0时的调幅波，实际中都为此种调幅波；“满调幅”是指|m(t)|max=A(5)平均功率：其中，为载波功率，为边带功率。(6)调制效率当（单音余弦信号）时，，此时，当“满调幅”时，调制效率最大为，AM的功率利用率很低。 (7)解调当满足条件|m(t)|max≤A0（β(8)包络检波解调的抗噪声性能大信噪比时：100%的调制(即A0=|m(t)|max)且m(t)又是正弦型信号时，小信噪比时：发生门限效应。(9)主要应用场合：中短波调幅广播DSB调制(1)已调信号的时域表达式(2)已调信号的频域表达式(3)信号的产生（调制器模型）：(4)波形和频谱图：频谱特点：a、DSB信号由上、下两个完全对称的边带组成，它们都携带了调制信号的全部信息。b、带宽是基带信号带宽fH（基带信号的最高频率）的两倍，即BDSB=2fHc、为实现“无失真”频谱搬移，载波的频率必须大于基带信号的最高频率，即ωc>ωH，一般要求，ωc>>ωH（载波频率远离于调制信号中的最高频率）。d、在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180°的突变。(5)平均功率：仅有边带功率。(6)调制效率节省了载波功率，功率利用率较之AM大大提高。(7)解调DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调法(同步检波)。(8)相干解调的抗噪声性能(9)主要应用场合：应用场合较少，主要用于FM立体声中的差信号调制，彩色TV系统中的色差信号调制。SSB调制(1)已调信号的时域表达式其中，减法时为上边带信号sUSB(t)；加法时为下边带信号sLSB(t)。(2)已调信号的频域表达式(3)信号的产生（调制器模型）：a、滤波法技术难点：要求单边带滤波器在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。解决方法：工程上采用的多级调制滤波方法。b、相移法技术难点：宽带相移网络要对调制信号m(t)的所有频率分量严格相移π/2，这一点即使近似达到在制作上也是困难的。解决方法：采用混合法（也叫维弗法），即采用两次正交调制。(4)频谱图：频谱特点：a、SSB信号由上边带或者下边带组成，它们都携带了调制信号的全部信息。b、带宽等于基带信号带宽fH（基带信号的最高频率），即BSSB=fHc、为实现“无失真”频谱搬移，载波的频率必须大于基带信号的最高频率，即ωc>ωH，一般要求，ωc>>ωH（载波频率远离于调制信号中的最高频率）。(5)平均功率：仅有边带功率。(6)调制效率和DSB信号的功率利用率相同，而带宽却减为一半。(7)解调SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。(8)相干解调的抗噪声性能说明：虽然GDSB=2GSSB，但这不能说明DSB的抗噪声性能优于SSB系统。因为在上述讨论中，双边带已调信号的平均功率是单边带信号的2倍，所以两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到的。如果我们在相同的输入信号功率Si，相同输入噪声功率谱密度n0，相同基带信号带宽fH条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比是相等的。因此两者的抗噪声性能是相同的，但双边带信号所需的传输带宽是单边带的2倍。(9)主要应用场合：除广播外，单边带调制逐渐取代调幅，尤其适合已经拥挤不堪的高频频谱区，目前，SSB是短波通信中的一种重要调制方式。由于SSB不传送载波和另一个边带，节省了大量功率，这一结果带来的低功耗特性和设备重量减轻对于移动通信系统尤为重要。在载波电话、微波多路传输和地空的电话通信和移动通信中应用广泛。说明：SSB带宽的节省是以复杂度的增加为代价的。VSB调制(1)已调信号的频域表达式(2)信号的产生（调制器模型）：技术难点：残留边带滤波器的设计解决方法：残留边带滤波器的特性H(w)在ωc其中ωH是调制信号的最高频率，此时，相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信号。(3)频谱图：频谱特点：a、SSB信号由上边带和一小截下边带或者下边带和一小截上边带组成。b、带宽近似等于基带信号带宽fH（基带信号的最高频率），即BVSB(4)解调采用相干解调。(5)相干解调的抗噪声性能残留边带不是太大的时候，近似认为与SSB调制系统的抗噪声性能相同。(6)主要应用场合：VSB信号既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难题。而且带宽介于DSB和SSB之间，调制效率100%，带宽仅比SSB有很小的增加，却换来电路实现的简化，因此，在商业电视广播中的电视信号传输中得到广泛应用。角度调制是指用调制信号控制高频载波的频率或相位，而载波的幅度保持不变。其一般表达式为相位调制(PM)：(1)相位调制(PM)是指瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，即：，其中，Kp为调相灵敏度，含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量，单位是rad/V。(2)PM信号的时域表达式为，其中，其中A为载波幅度，ωc为载波角频率。(3)对于单音信号而言，有为调相指数，表示最大的相位偏移。频率调制(FM)：(1)频率调制是指瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，即：，其中，Kf为调频灵敏度，单位是rad/(s∙V)。或HZ/V。(2)可见，FM是相位偏移随m(t)的积分呈线性变化。(3)对于单音信号而言，有为调频指数，表示最大的相位偏移。，表示最大角频偏。，表示最大频偏。调频必调相，调相必调频。如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；同样，如果将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫间接调频。PM和FM波形FM和PM信号参数总结如果FM信号的最大瞬时相位偏移小于π/6，则称为窄带调频（NBFM）；否则为宽带调频（WBFM）。调频信号的功率调频信号的平均功率等于未调制载波的平均功率，即调制后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。调制的过程只是进行功率的重新分配，而分配的原则与调频指数mf有关卡森（Carson）公式：WBFM的有效带宽：若mf<<1时，BFM≈2fm，这就是窄带调频(NBFM)的带宽；若mf>>1时，BFM≈2Δf，这是大指数宽带调频(WBFM)的带宽，该带宽由最大频偏Δf决定。调频信号的抗噪声性能在高调频指数时，调频系统的输出信噪比远大于调幅系统。但这一优越性是以增加传输带宽来换取的。即：在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能将比调幅系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。但是，FM系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。随着传输带宽的增加，输入噪声功率增大，在输入信号功率不变的条件下，输入信噪比下降，当输入信噪比降到一定程度时就会出现门限效应，输出信噪比将急剧恶化。各种调制系统的性能比较表中的So/No是在“同等条件下”得到的，这个“同等条件”是指：假设所有系统在接收机输入端具有相等的输入信号功率Si，且加性噪声都是均值为0、单边功率谱密度为n0的高斯白噪声，基带信号m(t)的带宽均为fm，并在所有系统中都满足：结论：抗噪声性能：WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差，NBFM和AM接近；(2)门限点以上，FM的调频指数mf越大，抗噪声性能越好，门限点以下，AM和FM曲线迅速下跌，出现门限效应，而DSB和SSB无门限效应；(3)频带利用率：SSB的带宽最窄，其频带利用率高，VSB较高，DSB/AM次之，FM最差。FM的带宽随调频指数mf的增大而增大，频带利用率最低，FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。(4)功率利用率：FM最高，DSB/SSB/VSB次之，AM最差。(5)设备复杂度：AM最简单，DSB、FM次之，VSB较复杂，SSB最复杂。频分复用(FDM）多路复用是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术。频分复用