模拟调制技术河北科技

模拟调制技术河北科技第1页，共94页，2023年，2月20日，星期五2.调制的必要性/目的A.便于信号的发送（频谱搬移）根据天线理论，发射天线的尺度与信号的波长满足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射。即

如：因此，GSM手机的工作频段规定在900—1800MHz。B.提高信道的利用率1.调制的定义

调制：就是用待传送信号去控制某个高频信号的幅度、频率、相位等参量变化的过程，即用一个信号去装载(携带/运输)另一信号。这里：控制信号称为调制信号，被控制信号称为载波关于调制第2页，共94页，2023年，2月20日，星期五B.提高信道的利用率以无线电广播的中波波段为例：可用波段范围为530KHz~1600KHz，而语音信号的频率范围为300～3400Hz，经调制后每一个广播电台频道的带宽为9K。530KHz1600KHz3009000这样中波波段中就可以均匀分布多个电台!!!上述即为频分复用，它是通过采用不同载波频率的调制完成的。只传输一路信号。浪费！！3.模拟调制的分类第3页，共94页，2023年，2月20日，星期五3.调制方式分类

连模拟调制续波调制数字调制－ASK、FSK、PSK等

幅度调制(AM)*双边带（DSB)*单边带（SSB)*残留边带(VSB)幅度调制角度调制频率调制(FM)相位调制(PM)第4页，共94页，2023年，2月20日，星期五幅度调制就是指用待传送信号去控制载波信号的幅度变化的过程。5.1幅度调制(线性调制)的原理

数学表达式一般模型h(t)m(t)cosctsm(t)频域表达式第5页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.1.1常规调幅（AM）1、调制原理

时域表达式

m(t)cosctSAM(t)A0条件:

频域表达式第6页，共94页，2023年，2月20日，星期五2.AM信号的波形和频谱第7页，共94页，2023年，2月20日，星期五频谱特点AM信号的频谱由 载频分量 上边带 下边带 三部分组成。带宽：是基带信号带宽fH的两倍：载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带波形特点：已调波包络完全反应调制信号变化规律；第8页，共94页，2023年，2月20日，星期五3.功率分配假设调制信号没有直流分量，即因此，由假设调制信号没有直流分量，即因此，由载波功率边带功率可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分只有边带功率才与调制信号有关，载波分量不携带信息。第9页，共94页，2023年，2月20日，星期五AM信号的缺点：功率利用率比较低；(∵不携带信息的载波分量占据大部分功率总功率)占用频带宽，BAM=2fH

。(∵含有用信息的两个边带)克服措施：将载波抑制掉再传输

抑制载波的双边带调制调制效率当调制信号为单音频时:即使在“满调幅”（时，也称100％调制）条件下，其值为1/3第10页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.1.2双边带调制（DSB）

导致已调信号中的载波分量！！DSB信号的波形和频谱第11页，共94页，2023年，2月20日，星期五cosw0tOtO­wcwcwOt载波反相点­wcwc021wDSB信号的波形和频谱tOm(t)1w0第12页，共94页，2023年，2月20日，星期五

DSB信号特点: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(同步检波)。在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180°的突变。DSB信号无载频分量,调制效率提高.BDSB=2fH缺点：占用频带宽，(∵含有两个完全相同的边带)克服措施：将只传输一个边带单边带调制第13页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.1.3单边带调制（SSB）1.滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图

图中，H()为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性： 则可滤除下边带。 若具有如下理想低通特性： 则可滤除上边带。第14页，共94页，2023年，2月20日，星期五SSB信号的频谱上边带频谱图:滤波法的技术难点第15页，共94页，2023年，2月20日，星期五2.相移法和SSB信号的时域表示首先以单频调制为例，然后推广到一般情况。设单频调制信号为，载波为，保留上边带:保留下边带

第16页，共94页，2023年，2月20日，星期五所以,将上下边带合并起来可以写为

其中:“-”表示上边带；“+”表示下边带。式中，是的希尔伯特变换。

第17页，共94页，2023年，2月20日，星期五物理意义：将f（t）中的所有频率成分的相位都移性质：

希尔伯特变换第18页，共94页，2023年，2月20日，星期五SSB信号的产生方法：第19页，共94页，2023年，2月20日，星期五

SSB信号特点：

由于它仅包含一个边带，因此其功率仅为DSB的一半，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。它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式。对边带滤波器的滤波性能要求很高，实际制造这样的滤波器非常困难。克服措施：对一个边带进行逐渐截止

残留边带调制第20页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.1.4残留边带调制（VSB）原理第21页，共94页，2023年，2月20日，星期五(a)VSB调制器模型(b)VSB解调器模型用滤波法实现残留边带调制的原理如下图所示。图中,滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计。

第22页，共94页，2023年，2月20日，星期五第23页，共94页，2023年，2月20日，星期五第24页，共94页，2023年，2月20日，星期五

显然，满足这种要求的滚降特性曲线并不是惟一的，而是有无穷多个。只要残留边带滤波器的特性HVSB(ω)在±ωc处具有互补对称（奇对称）特性，那么，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。第25页，共94页，2023年，2月20日，星期五

图残留边带滤波器特性（a）残留部分是下边带的滤波器特性（b）残留部分是上边带的滤波器特性

第26页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.1.5模拟幅度调制的解调

解调：在通信系统的接收端从已调信号中恢复出基带信号的过程。从频域上看，解调就是将调制时搬移到载频附近的调制信号频谱再搬回到原来的基带范围内。调幅信号的解调相干解调：利用已调信号的相位变化来恢复调制信号＝>将调幅波与本地载波相乘。非相干解调：从已调信号的幅度变化中提取调制信号。第27页，共94页，2023年，2月20日，星期五

相干解调

要求：收发两端的载波必须做到频率相等，相位相同（即完全同步）。须采用频率合成技术和锁相环技术来保证；可应用于任何类型的调幅波解调器。但是DSB与SSB必须采用这种方法；一般模型LPFSm(t)cosctSd(t)Sp(t)如：DSB解调过程第28页，共94页，2023年，2月20日，星期五相干解调第29页，共94页，2023年，2月20日，星期五讨论：在DSB中，设本地载波信号与发送载波的频率误差和相位分别为试分析其对解调结果的影响。

和解：

解调器模型为

相乘输出LPFS0(t)S

(t)经LPF后得到

讨论

分别设以下两种特殊情况：

设时，输出信号的幅度将受到衰减，衰减程度取决于的大小。当时，输出信号为零。时，幅度受到衰减且符号也要改变。

第30页，共94页，2023年，2月20日，星期五2)设时，

当两端的载波只有频率误差时，解调输出仍为双边带调幅信号，但该信号的载波角频率为，输出信号产生明显失真。通常和两种误差都存在，因此，两种影响也都存在，从而不同程度的影响了通信的质量。第31页，共94页，2023年，2月20日，星期五

非相干解调

快充慢放原理：

当低通滤波器的截止频率满足以下关系时，Uo(t)的波动小，并保证基本上接近于Ui(t)的幅值。若Ui(t)是高频等幅波，则Uo(t)是直流电压。（用于整流电路）若Ui(t)是调幅波，Uo(t)将随Ui(t)的幅值成比例地变化，因此Uo(t)曲线总是接近Ui(t)的包络。（峰值包络检波）第32页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.2线性调制系统的抗噪声性能5.2.1分析模型

衡量标准:输出信噪比和调制制度增益考虑地点:接收端解调器.前提:均值为零的加性高斯白噪声;

理想的且与信号等宽的带通滤波器.第33页，共94页，2023年，2月20日，星期五 其中，ni(t)、nc(t)及ns(t)具有相同的平均功率。第34页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.2.2DSB调制系统的性能带通滤波器n(t)低通滤波器＋Sm(t)ni(t)解调器输入信噪比第35页，共94页，2023年，2月20日，星期五经低通滤波器后，输出信号为解调器输出端的有用信号功率为带通滤波器SDSB(t)sm(t)n(t)ni(t)mo(t)no(t)低通滤波器coswct＋解调器输出信噪比第36页，共94页，2023年，2月20日，星期五噪声ni(t)=nc(t)cosωct-ns(t)sinωct与相干载波cosωct相乘后，得经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为故输出噪声功率为带通滤波器SDSB(t)sm(t)n(t)ni(t)mo(t)no(t)低通滤波器coswct＋第37页，共94页，2023年，2月20日，星期五

DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。原因是采用同步解调，输入噪声中的正交分量ns(t)被消除的缘故。第38页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.2.3SSB调制系统的性能

带通滤波器SSSB(t)sm(t)n(t)ni(t)mo(t)no(t)低通滤波器coswct＋(1)求Si－输入信号的平均功率第39页，共94页，2023年，2月20日，星期五(3)求NO－输出噪声的功率(2)求Ni－输入噪声的功率(4)求SO－输出噪声的功率因为：与相干载波相乘后第40页，共94页，2023年，2月20日，星期五结论：解调器的输入和输出信噪比：调制制度增益：在SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善。第41页，共94页，2023年，2月20日，星期五DSB解调器的调制制度增益是SSB的二倍。因此就说：双边带系统的抗噪性能优于单边带系统？比较前提：解调器的输入噪声功率谱密度n0/2相同； 输入信号的功率Si也相等。具体分析如下：在残留边带滤波器滚降范围不太时，认为VSB调制系统的抗噪性能与SSB系统相同第42页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.2.4AM包络检波的性能数学模型第43页，共94页，2023年，2月20日，星期五

输出信噪比：其中理想包络检波器的输出就是E(t)。由上式可知，检波输出中有用信号与噪声无法完全分开。因此，计算输出信噪比是件困难的事。第44页，共94页，2023年，2月20日，星期五大信噪比情况：我们主要考虑两种特殊情况。

第45页，共94页，2023年，2月20日，星期五输出信噪比第46页，共94页，2023年，2月20日，星期五结论

1.AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加。2.GAM总是小于1，这说明包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。3.可以证明，采用同步检测法解调AM信号时，得到的调制制度增益与上式给出的结果相同。例如：对于100%的调制，且m(t)是单频正弦信号，这时AM的最大信噪比增益为第47页，共94页，2023年，2月20日，星期五（2）小信噪比情况第48页，共94页，2023年，2月20日，星期五调制信号m(t)无法与噪声分开，包络中不存在单独的信号项m(t)。有用信号m(t)被噪声所扰乱，m(t)cosθ(t)只能看作是噪声。这种情况下，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化。通常把这种现象称为门限效应。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。第49页，共94页，2023年，2月20日，星期五结论

1.门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。

2.同步解调不存在门限效应。

3.在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同。但当输入信噪比低于门限值时，将会出现门限效应.第50页，共94页，2023年，2月20日，星期五第51页，共94页，2023年，2月20日，星期五第52页，共94页，2023年，2月20日，星期五本节小结分析模型抗噪声性能作业P1395-85-95-13第53页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.3非线性调制（角度调制）的原理非线性调制：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。实现方法：通过改变载波的频率和相位－角度来实现。分类：角调制可分为频率调制(FM)和相位调制(PM)。第54页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.3.1角度调制的基本概念1.FM和PM信号的一般表达式

A

－载波的恒定振幅；

[ct+(t)]＝(t)

－信号的瞬时相位；

(t)－瞬时相位偏移。

d[ct+(t)]/dt=(t)－称为瞬时角频率

d(t)/dt

－称为瞬时频偏。第55页，共94页，2023年，2月20日，星期五（1）相位调制(PM)：指瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，

（2）频率调制(FM)：指瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，

可见：FM和PM非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。

第56页，共94页，2023年，2月20日，星期五PM信号和FM信号波形

(a)PM信号波形(b)FM信号波形

第57页，共94页，2023年，2月20日，星期五mp=KpAm

－调相指数，表示最大的相位偏移

－调频指数，表示最大的相位偏移

－最大角频偏 －最大频偏。 2.单音调制FM与PM第58页，共94页，2023年，2月20日，星期五3.FM与PM之间的关系比较下面两式可见如将调制信号先微分再调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；同样，如将调制信号先积分再调相，则得到的是调频波，叫间接调频。（a）直接调频

（b）间接调频(c)直接调相(d)间接调相第59页，共94页，2023年，2月20日，星期五（1）时域表示式

1定义：如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足下式条件

则称为窄带调频；反之，称为宽带调频。5.3.2窄带调频（NBFM）第60页，共94页，2023年，2月20日，星期五（2）频域表示式 利用以下傅里叶变换对 可得NBFM信号的频域表达式（设m(t)的均值为0）第61页，共94页，2023年，2月20日，星期五（3）NBFM和AM信号频谱的比较两者都含有一个载波和位于处的两个边带，它们的带宽相同BNBFM=BAM=2fm不同的是，NBFM是一种非线性调制。另外，NBFM的一个边带和AM反相。第62页，共94页，2023年，2月20日，星期五NBFM和AM信号频谱的比较举例 以单音调制为例。设调制信号 按照上两式画出的频谱图和矢量图如下：第63页，共94页，2023年，2月20日，星期五频谱图第64页，共94页，2023年，2月20日，星期五

1.宽带调频信号时域表达式

5.3.3宽带调频+-=第65页，共94页，2023年，2月20日，星期五2.宽带调频信号频域表达式

其频谱图第66页，共94页，2023年，2月20日，星期五3.宽带调频信号的带宽贝塞尔函数的特点：当阶数n>mf+1时，Jn(mf)的数值随着n的增加而迅速减小。实际上可认为n=mf+1，即高低边频的总数为2n=2(mf+1)，则调频波的频谱有效宽度为

2(mf+1)fm

，即频带宽度

它称为卡森（Carson）公式。

理论上调频信号的频带宽度为无限宽。实际上边频幅度随着n的增大而逐渐减小，因此调频信号可近似认为具有有限频谱第67页，共94页，2023年，2月20日，星期五当mf<<1时， 这就是窄带调频的带宽。当mf>>1时，有

当任意限带信号调制时，上式中fm是调制信号的最高频率，mf是最大频偏f与fm之比。例如，调频广播中规定的最大频偏f为75kHz，最高调制频率fm为15kHz，故调频指数mf＝5，由上式可计算出此FM信号的频带宽度为180kHz。第68页，共94页，2023年，2月20日，星期五4.宽带调频信号的功率分配

调频信号的平均功率为第69页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.3非线性调制（角度调制）的原理

角度调制的基本概念；窄带调频；宽带调频；第70页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.3.4调频信号的产生与解调

1.调频信号的产生直接调频法：压控振荡器：优点：可以获得较大的频偏。缺点：频率稳定度不高改进途径：采用如下锁相环（PLL）调制器第71页，共94页，2023年，2月20日，星期五间接法

由窄带调频公式

第72页，共94页，2023年，2月20日，星期五具体方案第73页，共94页，2023年，2月20日，星期五2.调频信号的解调

非相干解调：小信噪比时有门限效应第74页，共94页，2023年，2月20日，星期五相干解调：相干解调仅适用于NBFM信号设相干载波第75页，共94页，2023年，2月20日，星期五(1)输入信噪比1.WBFM的非相干解调分析模型2.抗噪声性能的推导5.4调频系统的抗噪声性能第76页，共94页，2023年，2月20日，星期五

假设调制信号m(t)=0，则加到解调器输入端的是未调载波与窄带高斯噪声之和，即 －包络 －相位偏移计算输出信号平均功率

(2)输出信噪比-----大信噪比的情况下输入噪声为0时，解调输出信号为计算输出噪声平均功率

第77页，共94页，2023年，2月20日，星期五在大信噪比时，当x<<1时，有arctanx

x，故由于鉴频器的输出正比于输入的频率偏移，故鉴频器的输出噪声

第78页，共94页，2023年，2月20日，星期五

理想微分电路的功率传输函数为

则鉴频器输出噪声功率谱密度为第79页，共94页，2023年，2月20日，星期五鉴频器前、后的噪声功率谱密度如下图所示

解调器输出（LPF输出）的噪声功率为:第80页，共94页，2023年，2月20日，星期五计算输出信噪比

3.抗噪声性能的分析

m(t)为单频余弦波时制度增益第81页，共94页，2023年，2月20日，星期五结论：在大信噪比情况下，信噪比增益很高.调频系统可以通过增加传输带宽来改善抗噪声性能.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输入信噪比下降门限效应。第82页，共94页，2023年，2月20日，星期五采用“预加重”和“去加重”技术来进一步改善调频解调器的输出信噪比。预加重---在调制之前,其传输特性随频率的增加而上升,目的是提高信号的高频分量。去加重---在解调之后，传输特性随频率的增加而下降，目的是使高频端的噪声衰减。第83页，共94页，2023年，2月20日，星期五5.5各种模拟调制系统的比较

设：1.输入功率相等Si；3.基带信号m(t)2.加性高斯白噪声，第84页，共94页，2023年，2月20日，星期五输出信噪比第85页，共94页，2023年，2月20日，星期五各种模拟调制系统的性能曲线7060504030201001020304050FM:m=6

m=3DSB/SSBAM第86页，共94页，2023年，2月20日，星期五方式B设备复杂性主要应用DSB2Bb中等(相干解调)(少)模拟数据传输;低带宽信号FDM系统AM2Bb较小(包络检波)无线电广播SSBBb较大（相干解调,调制器复杂）语音通信,话音频分多路通信VSBBb

～2Bb较大（相干解调,调制器复杂）数据传输;宽带(电视)系统FM2(mf+1)Bb中等(调制器较复杂）数据传输;无线广播,微波中继各种系统综合性能比较及其应用：

第87页，共94页，2023年，2月20日，星期五1.复用的概念

“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。2.复用方式有三种基本的多路复用方式：FDM/TDM/CDM。3.复用的目的：提高频带利用率。4.FDM实现的思路：带限、调制（频率分配）、合成、信道、分路、解调5.6频分复用系统FDM第88页，共94页，2023年，2月20日，星期五