第二章-模拟调制系统

第2章模拟调制系统本章学习要求：了解：调制的功能与分类驾驭：常规双边带调制(AM)信号的时域表示驾驭：AM信号的频域表示、功率和效率驾驭：AM的调制与解调了解：抑制载波双边带调制信号了解：单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）了解：非线性调制系统了解：窄带频率调制NBFM宽带调频WBFM了解：窄带调相NBPM宽带调相WBPM了解：模拟调制系统的抗噪声性能了解：线性调制系统的抗噪声性能了解：非线性调制系统的抗噪声性能2.1调制的功能及分类信道的概念：全部信号传输媒介的总称，用来将信号从发送设备传到接收设备。信道的分类：无线信道－电磁波（含光波）有线信道－电线、光纤地面对流层平流层电离层10km60km0km无线信道信道的概念明线对称电缆：由很多对双绞线组成导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质同轴电缆信道有多种多样，每种信道都只能传输某一类信号，怎么样让我们想传输的信号能够在信道中高效、牢靠的传输？调制的概念所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。具体的说，就是依据调制信号（基带信号）的变更规律去变更高频载波某些参数的过程。实质上是将调制信号的频谱从某个频率位置搬移到另一频率位置上。调制信号：指来自信源的基带信号。载波：未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已调信号：载波受调制后称为已调信号。解调（检波）：调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号复原出来。2.1.1调制的功能

把基带信号调制到较高的频率(一般调制到几百kHz到几百MHz甚至更高的频率)，使天线简洁辐射；便于频率安排：为使无线电台发出的信号互不干扰，每个放射台都被安排给不同的频率；有利于实现信道多路复用，提高系统的传输有效性、Internet技术的广泛应用；可以减小噪声和干扰的影响，提高系统的传输牢靠性。2.1.2调制的分类（1）依据调制信号分类模拟调制：调制信号是模拟信号的调制；数字调制：调制信号是数字信号的调制。（2）依据载波分类连续载波调制：以正弦信号作载波的调制；脉冲载波调制：以脉冲序列作载波的调制。载波信号是时间间隔匀整的矩形脉冲。（3）依据调制器的功能分类幅度调制一一调制信号变更载波信号的振幅参数，即利用的幅度变更来传送的信息。如调幅(AM)、脉冲振幅调制(PAM)和振幅键控(ASK)等。频率调制一一调制信号变更载波信号的频率参数，即利用的频率变更来传送的信息。如调频(FM)、脉冲频率调制(PFM)和频率键控(FSK)等。相位调制一一调制信号变更载波信号的相位参数，即利用的相位变更来传送的信息。如调相(PM)、脉冲位置调制(PPM)、相位键控(PSK)等。（4）依据调制前后信号的频谱结构关系分类线性调制一一输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性关系，如(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)等。非线性调制一一输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间没有线性对应关系，即已调信号的频谱中含有与调制信号频谱无线性对应关系的频谱成分，如FM、FSK等。模拟通信系统模型

2.2线性调制系统

常规双边带调制系统(AM)

(1)常规双边带调制(AM)信号的时域表示设调制信号为f(t)，其平均值f(t)=0。f(t)叠加直流A0后对载波的幅度进行调制，就形成常规调幅信号。时间波形表达式为：

sAM(t)=AC[A+f(t)]

cos(ct+

c)

其中c为载波信号的角频率

c为载波信号的起始相位一、常规调幅(AM)波形一、常规调幅调制波包络无失真条件A|f(t)|max时，SAM(t)的最小振幅总大于0，保证调幅波的包络与调制信号变更规律一样A|f(t)|max时，会出现过调幅现象，若用包络检波进行解调，其结果就会失真一、常规调幅（AM）调幅系数或调制度

ma=

ma<1为正常调幅ma=1为满调幅ma>1为过调幅|f(t)|maxA

令载波初相为0时，已调信号为：频域特性分析若有：则已调信号的频谱为：载波幅度，已调信号的组成部分

已调信号的频谱图：1.形态相同，位置搬移；2.AM信号含载波重量；3.AM信号是双边带信号，带宽BAM=2W=2fH4.下边带是上边带的镜像下边带上边带上边带载频重量载频重量（2）常规双边带调制信号的频域表示常规双边带调制信号的频谱就是将调制信号的频谱减小一半后分别搬移到以为中心处，且在处还各有一个强度为的冲击重量，如图所示。

调幅信号的平均功率为：功率特性分析常规调幅信号的功率由载波功率Pc和边带功率Pf组成；边带功率与调制信号有关，是有用功率：载波功率？？因为

调制效率：边带功率与总功率之比，即：当时，有：此时：若，调制效率最大值为1/3。常规调幅调制效率低，载波重量不携带信息却占用大部分功率！

改进方案----抑制载波双边带调制

复习：AM调制时间波形表达式为：sAM(t)=AC[A+f(t)]

cos(ct+

c)频域表达及频谱为：AM调制信号的带宽为：BAM=(fc+fm)-(fc+fm)=2fm复习：AM调制AM调制信号的功率为：

ma=ma<1为正常调幅A=1为满调幅ma>1为过调幅|f(t)|maxA调幅系数或调制度为AM调制信号的调制效率为：若，调制效率最大值为1/32.2.2抑制载波双边带调幅（DSB）常规双边带调制的最大缺点就是调制效率低，其功率中的大部分都消耗在本身并不携带有用信息的直流重量上，假如将这个直流成分完全取消，则效率可以提高到100%，这种调制方式就是抑制载波双边带调制，简称DSB。

干脆用f(t)调制载波的幅度DSB信号的表达式双边带信号的时间波形表达式：sDSB(t)=f(t)cosct相应的已调信号的频谱表达式：SDSB()=[F(+c)+F(-c)]/2

抑制载波双边带调幅波形抑制载波双边带调幅频谱反相点视察并分析：包络频谱组成带宽调制效率解调-AM（非相干和相干解调两种方法）（1）干脆接受包络检波法--用非线性器件和滤波器分别提取出调制信号的包络，获得所需的信息，也称之为信号的非相干检波，其原理框图如图（a）所示。（2）相干解调--通过相乘器将收到的信号与接收机产生的、与调制信号中的载波同频同相的本地载波信号相乘，然后再经过低通滤波，即可复原出原来的调制信号，如图（b）所示。解调-AM（非相干和相干解调两种方法）（1）非相干解调（解调器可以是包络检波器）常规调幅信号（AM）一般接受非相干解调包络检波原理如下：其中RC的取值范围为：检波器的输出为：解调非相干解调（解调器可以是包络检波器）常规调幅信号（AM）一般接受非相干解调包络检波原理如下：其中RC的取值范围为：检波器的输出为：解调-DSB（仅能通过相干解调）相干解调：解调时所运用的载波与调制载波同频同相。相干解调的关键：必需产生一个同频同相的载波表达式如下：

经低通后，得到：

从而复原了原有的调制信号。DSB与AM信号的比较DSB的调制效率：100％优点：节约了载波功率。缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较困难。双边带的上、下两个边带有什么关系？一个边带携带了调制信号的全部信息。进一步改进：单边带调制进一步节约载波功率和带宽随着性能的改善，技术困难度也越来越高，实际应用时往往须要折衷取舍。（3）单边带调幅（SSB）用滤波法形成单边带信号

图中HSSB()为单边带滤波器的传递函数仅利用一个边带传输信息的调制方式就是单边带调制，简称SSB用滤波法形成单边带信号上边带和下边带滤波器的传递函数分别为：单边带信号的频谱:

FSSB()=FDSB()HSSB()用滤波法形成单边带信号（选学）只有当fB时，滤波器方可实现f—滤波器从通带到阻带的过滤带B—双边带的上、下边带之间的确定的频率间隔归一化值：反映滤波器衰减特性的陡峭程度其中：f–滤波器过滤带，fc—单边带信号的载频滤波器归一化值：一般要求：α≥10-3否则，滤波就难以实现。

多级滤波法原理如下图所示(仅了解)其中：

，

用相移法形成单边带信号由双边带信号的时域表达式得：

单频调制信号为f(t)=Amcosmt载波为c(t)=cosct

双边带信号的时域表达式为

上边带下边带用相移法形成单边带信号保留上边带的单边带调制信号：保留下边带的单边带调制信号：同相分量正交分量

相移法形成单边带信号原理如下图所示。SSB信号第一项为同相重量，其次项为正交重量。若调制信号为非周期信号，则通过希尔伯特变换实现SSB信号的产生。单边带信号的解调（相干解调）解调器由乘法器和低通滤波器组成，要求接收端的本地载波与发送端载波完全同步

单边带信号的解调（相干解调）由于输入信号为：

所以

经低通后输出为：单边带调制分析性能分析SSB信号的实现比AM、DSB要困难，但SSB调制方式在传输信息时，不仅可节约放射功率，而且它所占用的频带宽度比AM、DSB削减了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。单边带调制节约带宽和功率，实现困难双边带调制简洁实现，占用2倍带宽折衷方案：在实现难度和占用带宽中折衷

（4）残留边带调制（VSB)残留边带调制：对单边带和双边带调制进行折衷，即保留了一个边带的绝大部分和另一个边带的一小部分。优点：避开实现上的困难代价：输出带宽介于SSB和DSB信号的带宽之间。（4）残留边带调制（VSB)残留边带信号的产生（接受滤波法）时域表达式：sVSB(t)=sDSB(t)*hVSB(t)频域表达式：

（4）残留边带调制（VSB)（选讲）残留边带信号的解调（相干解调）

其输出为：=为了相干解调时无失真的得到调制信号，残留边带滤波器的传递函数在载频分割处必需具备互补对称特性

相干解调输出信号的频谱为：

经低通后输出整理合并，得总结总结：各种线性调制的比较AM调制优点：解调简洁，接受包络检波器缺点：调制效率较低，传输带宽较宽应用：广泛用于公共无线电广播DSB调制优点：功率利用率高缺点：带宽仍较宽，设备较困难，接收要求同步解调应用：常用于点对点专用通信，运用不广泛总结：各种线性调制的比较SSB调制优点：功率和频带利用率都较高缺点：设备困难，接收要求有同频同相的相干载波应用：广泛用于短波远距离通信、大容量有线载波通信总结：各种线性调制的比较VSB调制优点：基本性能接近SSB，边带滤波器较SSB边带滤波器简洁实现。缺点：解调要求有同频同相的相干载波应用：广播电视的视频调制改进：若发送时同时发送载频，接收可接受包络检波，简化接收机的电路。2．3非线性调制系统

2．3．1一般概念1、调制——利用高频载波的三个参数（幅度、频率、相位）之一携带调制信号的信息。2、线性调制——使载波的幅度随调制信号发生线性变更。3、非线性调制——载波的瞬时频率或相位随调制信号线性变更，即限制载波的瞬时频率或相位变更，其变更的周期由的频率确定，而幅度则保持不变的调制。依据限制的是载波的角频率还是相位：频率调制(FrequencyModulation)简称调频，记为FM；相位调制（PhaseModulation），简称调相，记为PM。2008.8copyright南航信息科学与技术学院48非线性调制m(f)sm(f)频谱之间没有线性对应关系PM与FM的关系1.PM的相位偏移随调制信号m(t)线性变更，FM的相位偏移随m(t)的积分呈线性变更。2.假如不知道调制信号m(t)，则无法从已调信号推断是调信任号还是调频信号。2．3．2频率调制(FM)

1、依据瞬时相位偏移是否远小于0.5或,可划分为:窄带调频（NBFM）宽带调频（WBFM）依据的数学表示式为：或0.5，调频为窄带调频；否则为宽带调频。2.3.2.1窄带频率调制NBFM1、时域表达式为：2、窄带调频信号的频谱为：xcvxcvxca）、（b）、（c）分别为调制信号、常规双边带调制信号和窄带调频信号的频谱。单频调制时的常规调幅和窄带调频信号频谱

2.3.2.2宽带调频WBFM1、单频信号调制下的宽带调频信号其中称为第一类n阶贝塞尔函数。2、单频调制时宽带调频信号的频谱为：3、由于调频信号只变更载波的频率疏密程度，而不变更其幅度，故调频前后信号的总功率不变，只是由调频前的信号功率全部分在载波上改为调频后安排在载频和各次边频重量上。

4、产生调频信号(1)干脆调频法用调制信号干脆限制高频振荡器的元件参数(一般都是电感或者电容)，使其振荡频率随着而变更。最常用的变容二极管调频电路，就是利用变容二极管的容量随外加电压变更而变更的特性来变更输出振荡频率的。(2)间接调频法间接调频则是通过调相电路来产生调频信号的。。2008.8copyright南航信息科学与技术学院78FM与PM之间的联系

（a）干脆调频（b）间接调频(c)干脆调相(d)间接调相适用于宽带调制

适用于宽带调制

适用于窄带调制

实际相位调制器的调制范围有限

(1)最简洁的非相干解调就是鉴频(2)相干解调方式5、调频信号的解调可以接受