CT-EE3樊昌信《通信原理》(第六版)

通信原理电子信息工程学院郎百和第三章模拟线性调制通信原理2引言基本概念调制:把信号转换成适合信道传输形式的过程。调制信号:来自信源的基带信号。载波:未受调制的周期性振荡信号，可以是正弦波，也可以是脉冲波。已调信号:载波受调制后称为已调信号。解调: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。3引言电信号基带信号（携带信息，频谱的低端有较大能量）频带信号（基带信号经过某种调制，频谱带通）传输方式基带传输调制（频带）传输模拟调制线性调制：AM、DSB、SSB、VSB非线性调制：PM、FM数字调制：ASK、FSK、PSK4引言调制的目的----调制的实质是频谱搬移将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号形式（频带信号）；提高通信时的天线辐射效率传输频率：3kHz，天线高度：25km传输频率：900MHz，天线高度：8cm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。扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力。实现传输带宽与信噪比之间的互换。56振幅键控ASK相移键控PSK、DPSK、QPSK等频移键控FSK其他高效数字调制QAM、MSK等连续波调制模拟调制数字调制线性调制非线性调制脉冲调制模拟调制数字调制脉冲编码调制PCM增量调制∆M差分脉码调制DPCM其他编码方式ADPCM、LPC脉幅调制PAM脉宽调制PDM(PWM)脉位调制PPM常规双边带调幅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频率调制FM相位调制PM目录3.1双边带调幅3.2单边带调制（SSB）3.3残留边带调制（VSB）3.4线性调制和解调的一般模型3.5线性调制系统的抗噪声性能73.1双边带调幅幅度调制（线性调制）的原理幅度调制器的一般模型输出已调信号的时域和频域一般表示式为83.1.1常规调幅(AM)常规调幅(AM)时域频谱93.1.1常规调幅(AM)10上边带上边带下边带下边带载频分量载频分量3.1.1常规调幅(AM)设调制信号为单频余弦信号则调幅信号为调幅指数（调制指数）正常调制，一般在30-60%之间满调制过调制带宽:为基带信号最高频率fH的二倍113.1.1常规调幅(AM)功率设调制信号无直流分量则只有边带功率才与调制信号有关。因此，从功率上讲，AM信号的功率利用率比较低。123.1.1常规调幅(AM)调制效率(边带功率与总功率之比)若则当则133.1.1常规调幅(AM)【例】已知一个AM广播电台输出功率是50KW，采用单频余弦信号进行调制，调制幅度为0.707。计算调制效率和载波功率；如果天线用50Ω电阻负载表示，求载波的峰值幅度。143.1.1常规调幅(AM)【例】解：153.1.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）Double-sidebandSuppressedCarrier将AM信号中的A0去掉，即可输出DSB信号。163.1.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）表达式频谱带宽：为基带信号最高频率fH的二倍功率调制效率173.1.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）DSB-SC信号的波形和频谱183.1.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）DSB-SC信号的特点（与AM信号相比）需采用相干解调(同步检波)，不能采用简单的包络检波。在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180°的突变。DSB-SC信号功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。193.1.3调制与解调1.调制DSB与AM调制过程均是相乘运算。核心部件是相乘器，调制过程是频谱搬移过程。设任意周期双极性信号c(t)，其傅氏级数为与调制信号相乘输出表达式频谱无载频分量和调制信号，只有±nωC分量。203.1.3调制与解调集成模拟乘法器213.1.3调制与解调集成模拟乘法器的调制电路223.1.3调制与解调集成模拟乘法器的调制电路233.1.3调制与解调双平衡环形调幅器实现DSB当载波为正半周时D1、D3导通，D2、D4截止，相乘器输出信号极性与K(t)相同，相当K(t)乘+1；当载波为负半周时D2、D4导通，D1、D3截止，相乘器输出信号极性与K(t)相反，相当K(t)乘-1。243.1.3调制与解调2．解调解调的目的时域：恢复调制波形；频域：提取调制信号频谱，频谱搬回原点。（1）相干解调难点：提载，相干载波，DSB只能用相干解调。253.1双边带调幅若本地载波与发送载波，频差为△ω，相差为△θ。分析对解调结果的影响。设本地载波信号为ci(t)=cos(ωCt+△ωt+△θ)相乘后得SDSB(t)ci(t)=m(t)cosωCt·cos(ωCt+△ωt+△θ)=1/2[m(t)cos(△ωt+△θ)]+1/2[m(t)cos(2ωCt+△ωt+△θ)]经低通滤波后输出为

Sd(t)=1/2[m(t)cos(△ωt+△θ)]263.1双边带调幅讨论：二种特殊情况：①设△ω=0，△θ≠0。Sd(t)=1/2[m(t)cos(△θ)]当二载波只存在相差时（△θ=常数），解调后输出信号幅度被衰减，但信号不失真；当△θ=±π/2时Sd(t)=0；△θ>π/2时Sd(t)不仅幅度衰减，且反号，对模拟信号无影响，但数字信号会引起错误。273.1双边带调幅讨论：二种特殊情况：②设△ω≠0，△θ=0。Sd(t)=1/2[m(t)cos(△ωt)]当二载波只存在频差时，解调输出仍为双边带调幅信号（此时载频为△ω），故有明显失真。△ω较小时,输出受到时变衰减。如为话音输出，音量会有周期性变化。283.1.3调制与解调（2）包络检波（包平方率检波）RC的取值范围为：其中，fm是调制信号的最高频率，fC是载频。

293.1.3调制与解调（2）包络检波（包平方率检波）检波器输出近似为：

为了简化载波分量的提取，可在发送端插入载波（插入导频—相干载波）方式（载波功率可小于AM中载波功率），这样可用包络检波。30目录3.1双边带调幅3.2单边带调制（SSB）3.3残留边带调制（VSB）3.4线性调制和解调的一般模型3.5线性调制系统的抗噪声性能313.2单边带调制（SSB）(Single-sideband)双边带信号中任一边带都含调制信号的全部信息，从传输信息目的看，传送其中一个边带就足够了。这种方式称单边带调制。单边带信号的产生方法：滤波法和相移法。技术难点：滤波法：滤波器要求在fc具有陡峭的截止特性。改进：采用多级调制滤波的方法。相移法：宽带相移网络。改进：Hilbert滤波器323.2.1.用滤波法形成单边带信号HSSB(ω)为单边带滤波器的传递函数上边带滤波器和下边带滤波器的传递函数为：333.2.1.用滤波法形成单边带信号343.2.1.用滤波法形成单边带信号353.2.1.用滤波法形成单边带信号实际滤波器有过渡带△f，要求调制信号上、下边带间有一定间隔△B。仅当△f≤△B时滤波器方可实现。归一化衰减系数α=Δf/fC，α愈小滤波器愈难实现(要求≥10-3).

363.2.1.用滤波法形成单边带信号改进：多级滤波法373.2.1.用滤波法形成单边带信号【例】载频fC2=10MHz,话音300～3400Hz,滤波器归一化衰减系数10-3.试设计SSB方案。[解]若采用一级调制、△B=600Hz，此时，α=6×10-5<10-3，无法实现。若采用二级调制、滤波方案，取α2=2×10-2△B2=α2×fC2=200kHzfC1=1/2（△B2）=100kHzα1=Δf/fC1=ΔB1/fC1=600/（100×10-3）=6×10-3如图：383.2.1.用滤波法形成单边带信号本方法的缺点是：即使采用多级滤波法加宽了边带间隔，也要求信号低频fL不能太低。当调制信号中含有直流或低频分量时滤波法不适用。393.2.2.用相移法形成单边带信号（1）单频调制（2）Hilbert变换403.2.2.用相移法形成单边带信号（1）单频调制单频调制信号：413.2.2.用相移法形成单边带信号（1）单频调制423.2.2.用相移法形成单边带信号（2）Hilbert变换引人Hilbert变换的意义：1.实信号复数表示的必要性，利用解析信号简化窄带信号的分析。2.利用Hilbert传递函数的相移特性实现SSB调制。433.2.2.用相移法形成单边带信号（2）Hilbert变换单频SSB调制信号：任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和。443.2.2.用相移法形成单边带信号（2）Hilbert变换453.2.3.单边带信号的解调单边带信号包络不能反映调制信号波形。单频正弦调制时单边带信号也是单频正弦信号，但频率改变。单边带信号也是一种抑制载波信号，只能用相干解调。463.2.3.单边带信号的解调单边带信号时域为相乘后输出低通滤波器输出【例】用0~3000Hz的信号调制载频为20.000MHz的载波产生SSB信号，用下图超外差接收机解调，两级混频器的本机振荡频率分别为f0和fd，f0高于输入信号频率，中频放大器通带10.000~10.003MHz。求①如是上边带信号，试确定f0和fd

②如是下边带信号，试确定f0和fd

473.2.3.单边带信号的解调

[解]①上边带时，输入为20.000~20.003MHz，因f0高于输入信号频率，有：

f0-(20.000~20.003)=(10.003~10.000)MHz

∴f0=30.003MHz

fd-(10.003~10.000)=(0~0.003)MHz∴fd=10.003MHz483.2.3.单边带信号的解调

[解]②下边带信号时，输入为20.000~19.997MHz，因f0高于输入信号频率，有:f0-(20.000~19.997)=(10.000~10.003)MHz∴f0=30.000MHz(10.000~10.003)-fd=(0~0.003)MHz∴fd=10.000MHz493.2单边带调制（SSB）SSB信号的特点：不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH=BDSB/2。SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。滤波法中的滤波器和相移法中的宽带相移网络较难制作。

50目录3.1双边带调幅3.2单边带调制（SSB）3.3残留边带调制（VSB）3.4线性调制和解调的一般模型3.5线性调制系统的抗噪声性能513.3残留边带调制（VSB）VestigialSideband介于SSB与DSB之间折中的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难点。保留一个边带的绝大部分（不是全部），同时保留另一个边带的一小部分（其残留一小部分）。523.3残留边带调制（VSB）DSB、SSB和VSB信号的频谱533.3.1.残留边带信号的产生从原理上，VSB可用移相法，但一般采用滤波法。543.3.2.残留边带信号的解调残留边带信号也是抑制载波的已调信号——只能用相干解调。乘法器输出频谱LPF选择合适的截止频率，得到553.3残留边带调制（VSB）为保证相干解调结果不失真，必须满足其中，ωH为调制信号的最高频率要求：滤波器的衰减特性（滚降特性）满足互补对称性。5657阴影面积相等空白面积相等3.3残留边带调制（VSB）VSB的特点：BVSB=BSSB;实现容易；只要HVSB(ω)在±ωc处滚降形状具有互补对称特性（奇对称），采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号。

58目录3.1双边带调幅3.2单边带调制（SSB）3.3残留边带调制（VSB）3.4线性调制和解调的一般模型3.5线性调制系统的抗噪声性能593.4线性调制和解调的一般模型线性调制的规律线性调制是指已调信号与调制信号的频谱呈线性对应关系。线性调制信号产生的一般模型滤波法一般模型相移法一般模型线性调制信号解调的一般模型相干解调非相干解调－－包络检波载波插入法解调（需要相干载波）603.4.1线性调制信号产生的一般模型1.滤波法一般模型时域频域613.4.1线性调制信号产生的一般模型2.相移法一般模型已调信号时域展开设令上式两项均为双边调制。第一项为同相分量，第二项为正交分量。

SI(t)、SQ(t)分别为同相分量和正交分量的幅度。623.4.1线性调制信号产生的一般模型I:in-phase，Q:quadratureHI(ω)和HQ(ω)是同相和正交基带滤波器DSBHI(ω)=1，HQ(ω)=0SSBHI(ω)=1，HQ(ω)为Hilbert滤波器VSBHI(ω)=1，HQ(ω)为正交滤波器633.4.2线性调制信号解调的一般模型1.相干解调相干解调适合所有线性调制，但接收必须产生与调制载波同频同相的相干载波。643.4.2线性调制信号解调的一般模型2.非相干解调－－包络检波仅适用于AM调制，因包络中含有调制信号的信息。3.载波插入解调在接收端插入足够大的相干载波，再用包络检波解调瞬时幅度与瞬时相位:653.4.2线性调制信号解调的一般模型由于载波幅度远大于信号幅度瞬时幅度简化对sa(t)包络检波，得A(t)；再滤去直流，得载波可在接收端插入，也可在发送端插入。后者使接收机简化，如地面电视广播亮度信号采用残留边带调制，可用包络检波。66目录3.1双边带调幅3.2单边带调制（SSB）3.3残留边带调制（VSB）3.4线性调制和解调的一般模型3.5线性调制系统的抗噪声性能673.5线性调制系统的抗噪声性能用dB值表示信噪比:10lg(S/N)，无量纲声音功率倍数：增强10倍；增强100倍；增强1000倍人耳的感觉：增加1倍；增加2倍；增加3倍人耳的感觉与声音功率倍数的对数成正比，使用dB值符合人体感官规律。对于不同调制方式，定义信噪比增益在相同的输入功率条件下，通过比较不同系统的信噪比增益，能说明系统的抗噪声性能。68带通滤波器中心频率3.5.1通信系统抗噪声性能分析模型ni(t)为平稳窄带高斯白噪声均值方差平均功率693.5.1通信系统抗噪声性能分析模型带通滤波器传递函数若白噪声的双边功率谱密度为n0/2，则有703.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能1．双边带调制相干解调解调器输入信号窄带噪声713.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能相乘输出低通滤波器输出输入信号平均功率输入噪声平均功率（W为调制信号m(t)带宽）输入信噪比723.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能输出信号平均功率输出噪声平均功率输出信噪比DSB信噪比增益结论：DSB信噪比增益为2，即用DSB方式信噪比改善一倍。这是因为用相干解调，使输入噪声中的一个正交分量被消除。733.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能2．单边带调制相干解调解调器输入信号（“-”为上边带，“+”为下边带）窄带噪声743.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能2．单边带调制相干解调相乘输出（以上边带为例）753.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能低通滤波器输出输出信号平均功率输出噪声平均功率输出信噪比763.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能输入信号平均功率与两者幅度谱相同，只是相位谱不同。输入噪声平均功率773.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能输入信噪比SSB信噪比增益DSB、SSB的抗干扰性能比较：GSSB=1，GDSB=2并不等于DSB的抗干扰性能优于SSB。DSB输入信号平均功率SSB输入信号平均功率78DSBSSBSSB’BG211相干解调抗噪声性能比较793.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能解调器输入信号输入信号功率输入噪声输入噪声功率803.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能解调器输入信噪比解调器输入端信号和噪声合成波形理想包络检波器输出为E(t)

,它与信号和噪声间存在非线性关系，包络检波器输出分两种情况讨论。813.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能1.大信噪比情况输出信号平均功率输出噪声平均功率823.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能输出信噪比信噪比增益结论：1.一般情况所以GAM总小于1，说明解调器对输入信噪比无改善，而是恶化了。2.调制信号为单频时信噪比增益GAM恰好是调制效率ηAM的二倍。833.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能3.可以证明，若采用相干解调时，AM信号的信噪比增益GAM与上面给出的结果相同。由此可见，对于AM调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的性能与同步检波器（相干解调）时的性能几乎一样。但应该注意，后者的信噪比增益不受信号与噪声相对幅度假设条件的限制。2.小信噪比情况843.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能式中幂级数展开得853.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能信噪比小到一定程度，上式中不存在单独的m(t)项，即信号与噪声无法分开。这时无法通过包络检波恢复出信号（信号被噪声淹没）。这种现象称“门限效应”。是由包络检波的非线性解调引起。输出信噪比近似公式863.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能设AM信号包络检波抗噪声性能的特点：存在门限效应，