第3章模拟传输

2023/2/31/129通信原理第3章模拟传输2/1292023/2/3本章讲授传统的模拟通信理论与调制/解调技术。同学们作为初学者注意体会实际环境与工程背景，理解理论与技术思想。主要内容有：

掌握：常规幅度调制（AM）、抑制载波双边带调制（DSB-SC）及单边带调制（SSB）的信号特点、频带与带宽、解调方法、基本参数；AM、DSB和SSB系统的噪声性能指标及其相干解调系统的分析方法。模拟角度调制中调相（PM）和调频（FM）的基本概念、信号特征、带宽计算、调制指数；频分复用（FDM）技术。3/1292023/2/3

理解：非相干解调的门限效应；典型系统的性能与应用特点、系统对比、典型系统（如立体声FM）、PM和FM的频谱特性（正弦调制下）、PM和FM的接收方法与噪声性能指标。

了解：残留边带调制（VSB），AM非相干解调的性能分析方法、PM与FM性能分析方法、预加重/去加重问题；典型应用系统。4/1292023/2/3信源调制器发射机信道接收机解调器信宿噪声发送设备接收设备基带信号基带信号调制信号已调带通信号带通信号模拟通信系统——信道中传输模拟波形的通信系统。5/1292023/2/3调制器调制信号已调信号幅度调制角度调制都是的函数未调载波6/1292023/2/3调制的目的：（1）将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）；（2）实现信道的多路复用，提高信道利用率；（3）实现传输带宽与信噪比之间的互换。7/1292023/2/3本章内容----模拟信号的调制、解调3.1幅度调制3.2模拟角度调制3.3幅度调制系统的抗噪声性能3.4*角度调制系统的抗噪声性能3.5各类通信系统的比较与应用

8/1292023/2/33.1

幅度调制(AmplitudeModulation)9/1292023/2/3已调带通信号的频谱是基带信号频谱的简单搬移幅度调制----用信息信号去迫使高频载波瞬时幅度变化。模拟常规调幅（AM）抑制载波双边带调幅（DSB-SC）单边带调幅（SSB）残留边带调幅（VSB）信号10/1292023/2/3(ConventionalAM)3.1.1常规调幅AM1．AM信号

调制：复包络:常规调幅要求

：11/1292023/2/3（常规调幅:）本质:波形:12/1292023/2/3过调幅：载波反相点13/1292023/2/3定义调幅指数：：常规调幅其中：临界调制

：过调制调幅指数影响功率分配modulationindex14/1292023/2/315/1292023/2/32.AM信号的频域分析

频谱图：UppersidebandLowersideband16/1292023/2/33.AM信号的功率与效率

归一化功率：离散载波功率边带功率（上下两个边带）一般：17/1292023/2/3调制效率：18/1292023/2/3例：对于调福指数为100％的AM信号1.调制信号为周期方波：2.调制信号为单频正弦波：19/1292023/2/34.AM信号的接收

常规调幅常用二极管包络检波器解调接收机简单，成本低廉。非相干解调：接收机不需要产生与接收信号中的载波同频同相的本地载波的接收方式。20/1292023/2/3接收机简单，成本低廉。21/1292023/2/3总结：AM信号的特点:

包络检波器用于检测

AM（常规调幅）信号（接收机简单），这是离散载波项的功劳。AM信号的功率效率很低，因为离散载波项浪费功率。AM信号的带宽是信息信号m(t)带宽的2倍.上下两个边带完全对称，带宽浪费一半。

乘积检波器用于检测AM（常规调幅、过调幅）信号，接收机复杂，这是调幅只用常规调幅的原因。检测---解调22/1292023/2/3非常简单实用！但效率很低！AM要点：23/1292023/2/3例3.1中波AM广播系统的频率范围540～1600kHz，其中每个电台可占用10kHz带宽，调制方式为常规AM，试估算音频信号带宽。

解：由题意，已调信号带宽为故音频信号带宽大致为作业：2、324/1292023/2/33.1.2抑制载波双边带调幅Double-SidebandSuppressedCarrier

(DSB-SC)1.DSB-SC信号

25/1292023/2/3载波反相点波形：26/1292023/2/32.DSB-SC信号的频域分析

频谱：UppersidebandLowersideband频谱中没有了离散谱线27/1292023/2/33.DSB-SC信号的功率与效率调制效率:归一化功率:28/1292023/2/34.DSB-SC信号的发射和接收发射（调制）：接收（解调）：相干解调（接收机本地载波与接收载波同频同相）LPF29/1292023/2/3LPFAfterLPF:相干解调原理：乘积检波器30/1292023/2/3Discuss:同步检波，相干解调乘积检波本地载波和接收信号同步31/1292023/2/3DSB系统框图：接收机产生本地相干载波的方法：1.发送端发射小功率离散载波（导频单音信号）2.接收机将接收的DSB信号作非线性变换，再用锁相环提取同频同相载波注意：常规AM也可以用相干解调获取基带信息信号32/1292023/2/3调制解调在频域：33/1292023/2/3总结：DSB信号的特点:

乘积检波器用于检测DSB信号，乘积检波器较包络检波器昂贵。DSB信号的功率效率高。DSB信号的带宽是信息信号m(t)带宽的2倍.上下两个边带完全对称，带宽浪费一半。34/1292023/2/3SingleSidebandsignal(SSB)3.1.3单边带调幅（SSB）1.SSB信号及滤波法

只取DSB-SC信号中的上边带或下边带分量。上边带信号：，频谱：

下边带信号：

，频谱：(1)

SSB信号滤波法产生

35/1292023/2/3保留上边带的边带滤波器：保留下边带的边带滤波器：1136/1292023/2/337/1292023/2/3（2）单边带信号表达式：SSB信号的复包络:

38/1292023/2/32.SSB信号的接收39/1292023/2/3乘积检波器:LPF：以基带信号的最高频率为截止频率的低通滤波器。（相干接收机）40/1292023/2/3SSB解调在频域：41/1292023/2/33.*SSB信号的相移法产生

42/1292023/2/34.SSB信号的功率

归一化平均功率调制效率:43/1292023/2/3总结：SSB信号的特点:

乘积检波器用于检测SSB信号。而且SSB信号的产生也比AM、DSB复杂。SSB信号的功率效率高。SSB信号的带宽等于信息信号m(t)的带宽。只有AM、DSB带宽的一半。作业：4、12旧书作业：4、1144/1292023/2/32023/2/33.1.4残留边带调幅(VSB)DSB、SSB和VSB信号的频谱

M(f)SDSB(f)SSSB(f)SVSB(f)ffff0000fc-fcfc-fcfc-fc都是基带信号频谱的简单平移

(VestigialSideband)B45/1292023/2/3边带滤波器容易实现，VSB系统成本低廉1.用滤波法产生VSB信号46/1292023/2/3残留下边带调制的波形及频谱变换47/1292023/2/3为了恢复调制信号M(f),HVSB(f)

必须满足互补对称性:相干解调，解调器输出信号的谱：48/1292023/2/33.2模拟角度调制

PhaseModulationFrequencyModulation(PMandFM)49/1292023/2/33.2.1角调制的基本概念角调信号表达式：随变化。

1.相位调制与频率调制的概念

(PMandFM)相位和频率的相关概念瞬时相位:对的瞬时相位偏移:：载波频率

非线性调制，已调带通信号的谱不再是基带信号谱的简单搬移恒包络50/1292023/2/3瞬时频率:瞬时频率偏移:instantaneous51/1292023/2/3(1)相位调制（PM）相位偏移正比于调制信号其中:相偏常数PM信号表达式:(调相器的灵敏度)其含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量52/1292023/2/3(2)调频(FM)其中:频偏常数（调频器灵敏度）频率偏移正比于调制信号。调频信号表达式： 其含义是单位调制信号幅度引起FM信号的频率偏移量相位偏移正比于调制信号的积分。53/1292023/2/3例3.2图示方波与锯齿波信号的调相与调频信号波形。

解：

1.信息表现在波形梳密变化上2.恒包络可以用功率效率高的非线性放大器放大54/1292023/2/32.FM、PM之间的转换PMFM(b)直接调相和间接调相FMPM(a)直接调频和间接调频55/1292023/2/33.最大频偏、最大相偏与调制指数

(1)最大相偏（峰值相偏）：角调信号瞬时相位偏移的最大值。(2)最大频偏（峰值频偏）

：角调信号的瞬时频率偏移的最大值。56/1292023/2/3例3.3若消息信号为

它既可对调频，又可调相。试确定调频信号和调相信号的表达式。单频信号57/1292023/2/3解：PM调制：调相信号的表达式：58/1292023/2/3FM调制：所以调频信号的表达式：59/1292023/2/3所以调频信号和调相信号的表达式：对于单频正弦调制信号，其调频、调相的最大相偏称为其调制指数1.调相指数：2.调频指数：B为调制信号带宽60/1292023/2/361/1292023/2/33.2.2角度调制信号的频谱特性

1.基本结论

角调信号:复包络:非的线性函数是的线性函数不再是基带信号谱的简单搬移62/1292023/2/3角调信号带宽估计，卡森规则（卡森公式）：：已调信号带宽，：基带信号带宽，

定义频偏比:角调信号的全部功率的98％在卡森带宽内对于单频调制信号，63/1292023/2/3对于单频调制信号，（1）PM信号的带宽与基带信号的关系（2）FM信号的带宽与基带信号的关系幅度调制的信号带宽由调制信号的带宽决定。角度调制的带宽和调制信号带宽、幅度有关，和调制器的参数有关。FM信号的带宽较易控制

讨论：64/1292023/2/3例3.4实际FM广播系统的频率范围为88～108MHz，电台频率间隔为200kHz。音频信号的最高频率设定为15kHz，调制方式为FM，最大频偏为75kHz。试计算传输带宽与系统的调制指数。解：65/1292023/2/3例3.5已知某单频调频波的振幅为10V，瞬时频率为

试求：（1）调频信号表达式与；（2）若频率fm提高到，求。解：（1）基带信号带宽：

66/1292023/2/3

67/1292023/2/3（2）若（不变）

（变为一半）

（变化不大）

68/1292023/2/3例3.6给定某调相信号

求：（1）信号带宽；（2）若频率fm提高到，求。解：基带信号带宽：（1），于是，（2），于是，带宽成倍增长旧书作业：17、19、21作业：18、20、2269/1292023/2/32.*正弦信号角度调制的谱分析设70/1292023/2/3角调制信号的频谱(正频部分)：注：n

-----第n个频率分量第一类n阶

贝赛尔函数n为－

n次下边频。n为＋

n次上边频。n

为071/1292023/2/3图3.2.4贝塞尔函数曲线72/1292023/2/3正频：73/1292023/2/374/1292023/2/3

角调信号的功率：角调信号:

MF、MP不改变总功率（1）：窄带角调制；变大时为宽带角调制；（2）图中的是以Carson公式估算的结果，准确地反映了信号的带宽，对应的功率包括约98%的功率；（3）为单一频率时，产生的FM或PM信号包含无穷多个边频分量，产生了新的频率分量，该调制为非线性调制。

总结:75/1292023/2/33.2.3*窄带角度调制角调信号：若：，则称为窄带角调制此时：角调信号可作如下近似：恒包络包络有微小起伏产生窄带调频，经倍频产生宽带调频，------间接调频法76/1292023/2/3未调时，调制后，3.2.4调角信号的产生1.直接调频法

用调制信号直接改变载波振荡器频率的方法。原理框图：倍频器VCO77/1292023/2/33.2.5调角信号的接收FM的非相干接收机框图：

低通滤波器限幅及BPF微分器包络检波器sFM(t)sd(t)so(t)鉴频器解调不必产生同步的本地参考载波，是非相干方法。（K为常数）接收机简单，成本低廉。78/1292023/2/33.3幅度调制系统的

抗噪声性能

结合各种抗噪声性能分析，同学们注意体会运用数学知识定量分析通信过程，改进与优化系统的思想。79/1292023/2/33.3.1模拟传输中的噪声问题1.基带传输系统：

直接传输模拟消息信号的系统。LPFB带宽为BAWGN信道接收机LPF平滑滤波r(t)ro(t)Pm---接收信号功率80/1292023/2/3白噪声通过理想LPF输出噪声功率：81/1292023/2/32.频带传输系统PS---接收信号功率解调器输入信噪比：解调器输出信噪比：BPFBW=BTBW=B信道解调调制BW=BT82/1292023/2/3白噪声通过理想

BPF后输出噪声功率：

83/1292023/2/3为比较各种频带传输系统的总体性能，通常与虚拟基带传输系统作比较。假定：（1）实际系统与虚拟系统接收到的信号功率相同；（2）实际系统与虚拟系统的噪声功率谱密度相同。（3）各个系统具有相同的基带信号带宽

B解调增益：反映某种解调器对信噪比的改善能力。基带系统84/1292023/2/3基带系统信噪比与解调器输入信噪比（注意到）之间的关系：系统增益：反映某一调制解调系统相对于基带传输系统的在信噪比上的总体增益，定义为85/1292023/2/3对比：了解不同频带传输系统的解调器对信噪比的改善；对比：了解不同频带传输系统之间在信噪比上的整体优劣。即比较不同频带传输系统抗噪性能的优劣

两个增益：86/1292023/2/33.3.2常规AM系统（非相干解调）BPFBT=2B包络检波器87/1292023/2/388/1292023/2/3于是，输入信噪比：输出信噪比：（如15dB以上）出现门限效应的输入信噪比称为门限值，约为0dB(1)输入信噪比:(2)输入信噪比，则很小，通信无法正常进行。表现为一个“门限效应”。89/1292023/2/3输出信噪比的推导：包络检波器输出：输入大信噪比时:90/1292023/2/3隔直流后：输入小信噪比时:信号被噪声淹没，通信无法进行91/1292023/2/3解调增益：对调制度达100%的正弦消息信号，，对调制度达100%的正弦消息信号，AM系统的抗噪声能力较差。

系统增益：92/1292023/2/33.3.3DSB-SC与AM（相干解调）系统BPFBW=2BLPFBW=B乘积检波器93/1292023/2/394/1292023/2/3DSB：

，AM：

，输入信噪比分别为，输入信噪比:95/1292023/2/3接收信号：输出信噪比:输出信号分量：96/1292023/2/3低通隔直流后:输出噪声分量：97/1292023/2/3LPF后:输出信噪比为，98/1292023/2/3结论：

99/1292023/2/33.3.4*SSB系统BPFBW=BLPFBW=B乘积检波器100/1292023/2/3输入信噪比:，101/1292023/2/3接收信号：输出信噪比:解调后：102/1292023/2/3输出信噪比为，

，SSB系统总体增益与DSC-SC系统是一样的，虽然其解调增益只是DSC-SC的一半。SSB信号占用的带宽要窄一半，信道的利用更为充分。103/1292023/2/3BPFBW=BTLPFBW=B乘积检波器总结：对于几种调幅信号：104/1292023/2/3对于几种调幅信号的相干解调，当本地载波为：1.解调器输出信号分量都为：2.解调器输入输出噪声功率都是：3.当本地载波为：，k值影响输出信号功率和噪声功率，但不影响输出信噪比，也不影响解调增益和系统增益。105/1292023/2/3总结106/1292023/2/3试求：（1）接收机的输入信号功率；（2）接收机的输出信号功率（3）若叠加于DSB信号的白噪声具有双边功率谱密度为，设解调器的输出端接有截止频率为的理想低通滤波器，那么输出信噪比是多少。习题3.13对某一信号用DSB进行传输，设加至发射机的调制信号m(t)之功率谱密度为：107/1292023/2/3⑵相干解调之后，接收机的输出信号，因此输出信号功率⑴设DSB已调信号，则接收机的输入信号功率解：108/1292023/2/3⑶解调器的输出信噪功率比BPFBW=BTLPFBW=B乘积检波器109/1292023/2/3例:考虑如下图所示接收机，设

BPFBW=BLPFBW=B乘积检波器求。110/1292023/2/3解:由题，(旧书)作业：13、15、26作业：14、16、27111/1292023/2/33.4角度调制系统的抗噪声性能

112/1292023/2/3LPFB带宽为BAWGN信道接收机BPFBW=BTBW=B信道解调调制BW=BT113/1292023/2/33.4.1

FM与PM系统的抗噪声性能

角度调制系统用非相干解调，因而存在门限效应。其正常工作所需的输入信噪比常常在10dB以上(大信噪比)。此时其中，是的导函数的峰值。114/1292023/2/3考虑单频正弦波，其（1）FM信号：，则（2）PM信号：，则且，值越大，FM与PM抗干扰性能越好，但值增加会导致门限电平提高，故值增加有上限。115/1292023/2/3DSBSSBAMFM(S/N)i

(dB)(S/N)o(dB)图

各种模拟调制系统的性能曲线

116/1292023/2/3例3.7标准FM广播与模拟TV伴音系统是两个典型的调频系统。两系统中，基带信号带宽同为15kHz，最大频偏分别为75kHz

与25kHz。试分别计算它们的调制指数与抗噪性能。解：（1）标准FM广播系统考虑的正弦调制（2）模拟TV伴音系统考虑的正弦调制117/1292023/2/33.5各类通信系统的

比较与应用118/1292023/2/33.5.1各类通信系统的比较比较前提：各个系统具有相同的基带信号带宽

B

各个系统的信道噪声具有相同的

PSD(N0)各个系统具有相同的接收信号功率Pr

。119/1292023/2/3调制

带宽实现线性调制非线性调制VSBSSBDSBAM111中等最复杂复杂最简单FMPM复杂简单表3.5.1模拟调制系统的带宽与噪声性能注：表中AM信号的是幅度要保证不发生过调制。120/1292023/2/3121/1292023/2/3122/1292023/2/3基带(S/N)baseband(dB)(S/N)o(dB)βFM=1βFM=2βFM=5βFM=10图3.4.1FM系统相对于基带系统的输出信噪比（以正弦调制为例）DSB、SSB123/1292023/2/3结论：（1）带宽上：（2）抗噪声性能：注意：1.AM、FM系统有效性和可靠性之间的互换；2.AM、VSB、FM三个系统实现容易，成本低廉，因而在广播系统中得到广泛应用。124/1292023/2/3调制技术分为：线性调制：满足以下线性关系的调制，非线性调制：不满足线性关系的调制。幅度调制均为线性调制；角度调制为非线性调制。125/1292023/2/3解：基带信号带宽，有

以及，126/1292023/2/3对于AM系统，故对于FM系统，可见，两系统输入信噪比都大于10dB，都工作在门限以上发送功率127/1292023/2/3故又128/1292023/2/3

目的:充分地利用信道资源

复用方法:FDM(频分复用)FrequencyDivisionMultiplexingTDM(时分复用)TimeDivisionMultiplexingCDM(码分复用)CodeDivisionMultiplexing3.5.2频分多路复用多路复用：将多路彼此不相关的消息信号合并为一个复合的群信号，共同在一条信道上进行通信。FDM