《通信原理》3模拟调制系统

模拟调制系统线性调制

振幅调制双边带调制单边带调制残留边带调制非线性调制频率调制相位调制2023/1/111研究对象：模拟通信系统研究目的：通过介绍模拟调制解调原理，初步认识和了解《通信原理》这门课是在模块级系统级层次上分析和设计通信系统。通过分析不同模拟调制解调系统的抗噪声性能，了解各种系统的抗噪声能力与调制解调器有关参数的关系，这有助于人们在实际工作中正确地设计和选用调制方式，优化模拟通信系统的性能。本章要点：2研究方法：不同模拟调制解调原理及其抗 噪声性能预备知识：信号与系统、随机过程本章要点：3概念：基带信号：信源发出的没有经过调制的原始电信号调制信号：来自信源的消息信号（基带信号）已调信号：载波调制后的信号载波：未受调制的周期性振荡信号调制：把信号转换成适合在信道中传输的形式的过程解调:调制的逆过程将已调信号中的调制信号解调出来载波调制：用调制信号去控制载波的参数的过程4概述：基带信号信息源语言音乐图像频率很低的电信号直接转换包括（或不包括）直流分量的低通频谱最高频率和最低频率之比远大于1基带信号如电话信号的频率范围在300～3000Hz基带信号可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输，但不可能在无线信道直接传输。即使可以在有线信道传输，但一对线路上只能传输一路信号，对信道的利用是很不经济的。

5概述：调制和解调调制信号调制器调制：把信号转换成适合在信道中传输的形式的过程调制信号解调器解调：在接收端把已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号的过程6调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求，提高传输性能实现多路复用，提高信道利用率减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力实现传输带宽与信噪比之间的互换调制在通信系统中的作用7调制的基本特征和分类调制器m(t)C(t)sm

(t)连续变化的模拟量：单音正弦波模拟调制离散的数字量：二进制数字脉冲数字调制单频正弦波连续波形连续载波调制脉冲波形脉冲载波调制矩形周期脉冲8调制的基本特征和分类调制器m(t)C(t)sm

(f)线性调制非线性调制m(f)sm

(f)sm

(t)频谱之间呈线性搬移关系：AM、ASK频谱之间没有线性对应关系：FM、PM、FSK9调制的基本特征和分类m(t)改变载波信号C(t)的不同参数幅度调制：AM、PAM、ASK相位调制：PM、FM、PSK频率调制：PM、FM、FSK10调制系统中讨论的主要问题和主要参数重点：m(t)为取值连续的调制信号，c(t)为正弦载波问题：（1）工作原理：包括调整系统的物理过程；调制

信号、载波信号和已调信号三者的关系（如数

学关系、波形关系及频谱关系等）。（2）已调信号的带宽（3）过滤关系（4）噪声对调制系统性能的影响11调制系统中讨论的主要问题和主要参数调制系统的主要参数：（1）发送功率（2）传输带宽（3）抗噪声性能，如输出信噪比等（4）设备的复杂性12线性调制的一般模型m(t)Acosω0th(t)s(t)由m(t)、h(t)的不同构成，可获得各种线性已调信号：高频载波：调制信号：13已调信号：线性调制的一般模型已调信号的谱是以f=0为轴的基带谱M(f)搬移到以f0为中心的某个频域上构成，谱结构不变，为线性搬移，称为线性调制。14线性解调相干解调将已调制信号的频率和相位，与载波分量相同的正弦振荡分别相加的幅度解调。指利用乘法器，输入一路与载频相干（同频同相）的参考信号与载频相乘。

15线性解调包络检波从调幅波包络中提取调制信号的过程：先对调幅波进行整流，得到波包络变化的脉动电流，再以低通滤波器滤除去高频分量，便得到调制信号。

16线性解调——相干解调

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。如果不能得到同频同相的载波，则相干解调后将会使原始调制信号减弱，甚至带来严重失真，这在传输数字信号时尤为严重。相干解调的一般模型17线性解调——包络检波包络检波的一般模型18幅度调制h(t)m(t)幅度调制：用调制信号去控制正弦载波的振 幅，使其按调制信号作线性变化 的过程。

基带调制信号

19幅度调制在波形上，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幅度调制信号频谱搬

移是线性

的线性调制20调幅（AM）：原理及波形滤波器H(f)=1调制信号叠加直流

A0S(t)21线性调制的原理

调幅（AM）——H(f)为全通网络，m(t)中含直流分量

抑制载波双边带调制（DSB-SC）——H(f)为全通网络，m(t)中无直流分量

单边带调制（SSB）——H(f)是截止频率为f0的高通或低通滤 波器

残留边带调制（VSB）

——H(f)为在载频f0处具有互补对称性的 残留边带滤波器22调幅（AM）：波形分析m(t)max>A0将会出现过调幅现象而产生包络失真。当满足条件m(t)maxA0时，AM信号的包络与调制信号成正比，可以用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号。S(t)23调幅（AM）：波形分析重要参数调幅度m

满调幅m=1，此时m(t)max=A0

欠调幅，一般m小于1过调幅，m大于1

，

m(t)min为负值

不能用包络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用同步解调。

24调幅（AM）：频谱分析1.

SAM(f)由载频分量和上、下

两个边带组成。2.

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。BAM=2fH25调幅（AM）：频谱分析3.

AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽fH的两倍。BAM=2fH26调幅（AM）：功率分析不带信息的载波功率

调制信号平均功率（也称边带功率）调制后信号的总平均功率27调幅（AM）：功率分析调制效率：边带功率与总平均功率的比值，用符号 AM表示

“满调幅”时，如果m(t)为矩形波形，则最大可得到AM=0.5，而m(t)为正弦波时可得到AM=33.3%。

一般情况下，m都小于1，调制效率很低，即载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占有的功率较小。

28调幅（AM）：优缺点优点：可以采用包络检波法解调，不需本地同 步 载波信号缺点：AM信号的功率利用率比较低问题：能否去掉不带信息的载波，提高功率利 用率？解决方法：抑制载波双边带29幅度调制（线性调制）的原理调幅（AM）

抑制载波双边带调制（DSB-SC）单边带调制（SSB）残留边带调制（VSB）30抑制载波双边带调制（DSB-SC）将载波抑制31抑制载波双边带调制（DSB-SC）DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致需采用相干解调（同步检波）在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有突变。32抑制载波双边带调制（DSB-SC）：功率谱问题：能否只传输其中一个边带，节省带宽？单边带调制

DSB信号节省了载波功率，功率利用率提高了频带宽度仍是调制信号带宽的两倍上、下两个边带是完全对称的33幅度调制（线性调制）的原理调幅（AM）

抑制载波双边带调制（DSB-SC）

单边带调制（SSB）残留边带调制（VSB）34单边带调制（SSB）

DSB信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。两种产生方法：滤波法和相移法。

35单边带调制：用滤波法产生单边带信号产生SSB信号最直观的方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。这只需将滤波器H(f)设计成如下图所示的理想低通特性HLSB(f)或理想高通特性HUSB(f)，就可分别取出下边带信号频谱SLSB(f)或上边带信号频谱SUSB(f)，如下图所示。36单边带调制：用滤波法产生单边带信号h(t)m(t)SDSB(t)SSSB(t)边带滤波器理想高通理想低通H（f）1ff0-f01ff0-f0H（f）37解决方法：在工程中往往采用多级调制滤波用滤波法形成SSB信号的技术难点带来问题：滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现一般调制信号都具有丰富的低频成分经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄要求单边带滤波器在f0附近具有陡峭的截止特性38单边带调制（SSB）：结论

SSB调制方式传输信号时只传送一个边带，节省了频带。不但可节省发射功率，且信号占用带宽BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，所以，它目前是短波通信中的一种重要调制方式。

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

。对于具有直流或极低频率分量的调制信号，无法实现单边带。39幅度调制（线性调制）的原理调幅（AM）

抑制载波双边带调制（DSB-SC）

单边带调制（SSB）残留边带调制（VSB）40残留边带调制（VSB）DSB信号占用频带宽SSB信号实现困难折衷残留边带调制VSB不是完全抑制一个边带逐渐切割，使其残留一小部分41残留边带调制（VSB）VSB信号必须相干解调相干解调代入42残留边带调制（VSB）选择合适的低通滤波器的截止频率，消掉2fC处的频谱无失真地重现调制信号m(t)M(f)

43残留边带调制（VSB）：滤波器残留部分上边带的低通滤波器特性残留部分下边带的高通（带通）滤波器特性在fC处具有互补对称（奇对称）特性44残留边带调制：滤波器特性HVSB(ffC)和HVSB(f+fC)在

f=0

处具有互补对称的滚降特性

矛盾：残留边带信号的带宽与滤波器的实现之间45非线性调制（角度调制）的原理研究对象：非线性调制（频率和相位调制）研究目的：非线性调制的内涵研究方法：分析调频和调相及两者之间的关系46角度调制幅度调制属于线性调制，它是通过改变载波的幅度，以实现调制信号频谱的平移及线性变换的。一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量，因此，我们不仅可以把调制信号的信息寄托在载波的幅度变化中，还可以寄托在载波的频率或相位变化中。47角度调制这种使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制（FM）和相位调制(PM)，分别简称为调频和调相。因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。

48角度调制角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在密切的关系，即调频必调相，调相必调频。鉴于FM用的较多，本节将主要讨论频率调制。

49角度调制的基本概念正弦波的瞬时相位

正弦波的瞬时频率

任意一个幅度不变的正弦函数50角度调制的基本概念未调制载波角度调制后瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率偏移瞬时相位51角度调制的基本概念相位调制：瞬时相位偏移随调制信号m(t)而线性变化频率调制：瞬时频率偏移随调制信号m(t)而线性变化52角度调制的基本概念频率调制和相位调制的关系调制信号先微分，再进行调频，则得到的是调相波调制信号先积分，再进行调相，则得到的是调频波调频和调相并无本质区别，两者之间可互相转换。53各种调制方式的性能比较

调制方式信号带宽解调增益设备复杂性通信中应用情况DSB2Bb2中等；要求相干解调，常与DSB信号一起传输一个小导频较少应用SSBBb1较大；要求相干解调，调制器也较复杂短波无线电通信AM2Bb同步解调和大信噪比包络解调包络解调有门限效应较小；调制与解调（包络检波）简单老式军用无线电台中广泛应用VSB略大于Bb较大；要求相干解调，调制器需要对称滤波数据传输；宽带（电视）系统FM带宽2Bb(mf+1)窄带2Bb大信噪比时非相干解调有门限效应介于SSB和AM之间数据传输；无线电广播，微波中继54各种调