模拟调制技术

模拟调制技术第1页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理第2章模拟调制技术第2页，共66页，2023年，2月20日，星期五模拟通信系统模型

第3页，共66页，2023年，2月20日，星期五4调制技术的发展主流是数字调制引言为什么还要学习模拟调制技术？

理解通信技术发展历程从整体上把握通信系统各要素掌握通信／电子系统分析评价方法目前仍存在不少模拟广播／通信系统模拟通信技术：

“昨日黄花，芳香犹在”

第4页，共66页，2023年，2月20日，星期五第2章模拟调制技术

本章重点讨论用取值连续的调制信号去控制正弦载波的参数（幅度、频率或相位）的模拟调制（分为幅度调制和角度调制）。主要内容有：各种已调信号的时域表达式、调制与解调的原理、性能特点。第5页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理第2章模拟调制技术2.1模拟调制概述2.2振幅调制（AM调制）2.3

双边带调制（DSB）2.4单边带调制（SSB）2.5残留边带调制（VSB）2.6角度调制（非线性调制）2.7模拟调制系统的性能比较第6页，共66页，2023年，2月20日，星期五补充知识—三角函数公式7第7页，共66页，2023年，2月20日，星期五补充知识--三角函数公式8第8页，共66页，2023年，2月20日，星期五一、基本概念

1.基带信号

从信源输出的信号通常是低通型信号，即该信号的频谱特征是从0（或接近0）的频率到某一截止频率fm，低通型信号又称为基带信号，也称为调制信号。如语音信号。2.频带信号

调制以后的信号称为频带信号或已调信号，是

基带信号对载波进行调制后产生的信号。频带信号大多数情况下均为窄带信号。2.1模拟调制概述【注】窄带信号：若信号能量集中在ω0附近，带宽为∆，当ω0>>∆时，称为窄带信号。第9页，共66页，2023年，2月20日，星期五2.1模拟调制概述信号频率：信号每秒钟变化的次数叫频率，用赫兹（Hz）作单位，信号的频率有高有低，低频到高频的范围叫信号频带。信号带宽：信号自身所占最高频率与最低频率之差，用B来表示，单位Hz。信道频带：信道允许传送的信号的最高频率与最低频率之间的频率范围。

如：微波的工作频率范围为300MHz－300GHz，电话双绞线的工作频率范围在0到数百千Hz。信道带宽：信道能传送的信号的最高频率与最低频率之差，用B来表示，单位Hz。第10页，共66页，2023年，2月20日，星期五

【注意】只有信号的频带在信道的频带允许范围内，才能够在信道中传输。大部分需传送的信号都位于较低的频带上，而传输信道（如电缆、光缆等）的适用传输频率，一般都位于高频范围。因此，需调制解决二者的不匹配。第11页，共66页，2023年，2月20日，星期五2.1模拟调制概述一、基本概念

3.调制

把信号频谱搬移到较高频率范围以适应信道频率传输特性的过程。

4.载波

作为基准信号的正弦信号或脉冲串或数字信号。

5.载波调制

按基带信号的变化规律改变载波某些参数的过程。第12页，共66页，2023年，2月20日，星期五6.模拟调制

又称连续调制，调制信号的取值是连续的。7.数字调制

调制信号的取值是离散的，如PCM脉冲编码调制。8.线性调制

已调信号的频谱是调制信号的水平搬移及线性变换。9.非线性调制

已调信号的频谱将产生频谱的非线性变换，会有新的频率分量产生。2.1模拟调制概述第13页，共66页，2023年，2月20日，星期五二、模拟调制的目的1、信道传输频率特征的需要。2、实现信道复用。3、改善系统的抗噪声性能，或通过调制来提高系统频带利用率。采用不同的调制技术对系统性能将产生很大的影响。2.1模拟调制概述第14页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理三、调制模型载波信号的三要素：振幅、频率、相位第15页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理调制技术模拟调制(连续调制)数字调制线性调制(幅度调制)非线性调制(角度调制)DSB：抑止载波双边带调幅AM：常规双边带调幅SSB：单边带调制VSB：残留边带调制FM：频率调制PM：相位调制PCM：脉冲编码调制数字载波调制(键控系统)2ASK、2PSK等多进制键控系统改进型数字调制四、调制分类第16页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理§2.2振幅调制（AM调制）

AM调制又称为常规调幅。AM（Amplitudemodulation）中的调制信号必须包含一定的直流分量。1、调制原理

设AM的基带信号：设载波信号为：

第17页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理则当基带信号通过调制后，得到AM信号为：振幅调制调制信号已调信号第18页，共66页，2023年，2月20日，星期五调幅AM示意图(波形和频谱)第19页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理例：AM调制后的频谱变化频域表示：第20页，共66页，2023年，2月20日，星期五已调信号功率：Pc载波功率Ps边带功率第21页，共66页，2023年，2月20日，星期五22第22页，共66页，2023年，2月20日，星期五第23页，共66页，2023年，2月20日，星期五说明（1）调制后频谱在形状上没有改变，只是位置搬移了±ωc，而幅度降为原来的一半。（2）AM已调信号的带宽是基带信号带宽的两倍，即（3）AM已调信号除连续谱外，还包括离散谱线（即载波信号分量）。离散谱线不携带信息，但会占用一定的发送信号功率，因此AM的调制效率较低。（4）对于AM信号的解调可以采用非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步解调）。第24页，共66页，2023年，2月20日，星期五（5）为了使调制不失真，必须满足两个条件:(a)对于所有t，必须满足A0+f(t)≥0，否则会出现包络失真。(b)载波频率应远大于f(t)的最高频率分量,即ωc>ωm，否则会出现频率交叠。第25页，共66页，2023年，2月20日，星期五根据基带信号和叠加直流信号大小关系不同，又可分为1.正常调幅2.满调幅3.过调幅调幅系数（或调制指数）的表达式为第26页，共66页，2023年，2月20日，星期五下图为幅度调制信号波形图。当β<1时，为正常调幅此时能从s(t)的包络中恢复f(t)。第27页，共66页，2023年，2月20日，星期五当β>1时，为过调幅，此时不能从s(t)的包络中恢复f(t)。下图为过幅度调制信号波形图。第28页，共66页，2023年，2月20日，星期五f(t)的最大幅度应小于或等于载波振幅的一半。调幅系数为调制深浅程度的指标，考虑受限条件β≤1，当β>1时，若采用包络检波法会造成解调后信号失真。第29页，共66页，2023年，2月20日，星期五例：已知调制信号f(t)=3cos20t，载波信号c(t)=cos(20000t+/2)，试写出当调制系数分别为1.5和0.5的完全调制信号是s(t)。解：当调制信号f(t)=3cos20t，即，根据调制系数的定义，由于

可写出调制信号表达式当=1.5时，则A0=2,有s(t)=[f(t)+2]c(t)=(3cos20t+2)cos(20000t+/2)当=0.5时，则A0=6,有s(t)=[f(t)+6]c(t)=(3cos20t+6)cos(20000t+/2)第30页，共66页，2023年，2月20日，星期五

解调：解调是调制的逆过程。通信系统的接收端从已调信号中恢复基带信号的过程就叫解调。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搬回到原来的位置。

解调的分类：相干解调（同步检波法）：从已调波的相位信息中提取调制信号非相干解调（包络检波法）：从已调信号的幅度信息中提取调制信号解调方法第31页，共66页，2023年，2月20日，星期五解调方法1.相干解调

适用所有的线性调制信号（对于AM、DSB、SSB及VSB都适用），没有门限效应必须使用相干载波

2.非相干解调

非相干解调实现起来非常简单。常规调幅信号使用包络检波包络携带原调制信号信息包络检波简单有效，不必要用相干解调其他线性调制信号

无载波分量，包络不能体现调制信号信息不能采用一般的包络检波方法

第32页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理解调方法－包络检波法示意图第33页，共66页，2023年，2月20日，星期五解调方法－（1）包络检波法BPF：为带通滤波器，其作用是在保证信号顺利通过的前提下，最大限度地限制噪声进入。【注】带通滤波器的响应函数，会把已调信号的频谱重新搬移回去。LED：是检波电路（半波或全波整流器），它的输出与输入信号的包络很相近。LPF：是低通滤波器，作用是滤除检波后信号中的高频成分。11四月2023数字通信原理AM信号的包络检波法电路框图第34页，共66页，2023年，2月20日，星期五包络检波法说明包络检波法的优点:

解调电路简单。AM调制在无线电短波广播中得到广泛的应用。包络检波法的缺点:

准确性不太好，抗噪声性能较差。在相同误码率情况下，信噪比较相干解调要高1dB；抗噪声性能稍差于相干解调；

第35页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理解调方法－（2）相干解调法经低通滤波器后，可过滤出s(t)。p第36页，共66页，2023年，2月20日，星期五相干解调法说明由于相干解调需要在接收端提供本地载波信号，且该信号要和已调信号中的载波分量同频同相，所以要求采用载波同步技术。该技术需要准确判别某个载波信号的频率和相位，要求比较高，设备比较复杂。

缺点：实现困难；技术要求高，设备复杂；第37页，共66页，2023年，2月20日，星期五38

不足AM调制的优点与不足：

优点简单易行，成本低廉应用示例：中波无线电广播。功率利用率低频率利用率低抗噪声性能不佳第38页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理§2.3双边带调制（DSB）DSB－DublesidebandAM功率利用率很低。为提高功率利用率，必须去除AM的载波，即采用DSB。又称为抑制载波双边带调制DSB/SC。该调制信号中不含直流分量，即频谱中无离散谱。不能采用包络检波法第39页，共66页，2023年，2月20日，星期五DSB调制的示意图-波形和频谱第40页，共66页，2023年，2月20日，星期五DSB调制效率第41页，共66页，2023年，2月20日，星期五42第42页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理调制后频谱在形状没有改变，位置搬移了±ωcDSB调制信号中不包含直流分量，因而已调信号频谱中不包含离散谱线，已调信号中没有载波分量。频带信号的带宽是原始信号带宽的2倍由于出现了反相点，DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，所以不能采用包络检波的方式恢复原来的信号。一般采用相干解调法。DSB的特点第43页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理§2.4单边带调制（SSB）由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种方式称为单边带调制。SSB是在双边带基础上，把其中|w|>wc（上边带USB）或|w|<wc（下边带LSB）的部分进行调制。SSB－Singlesideband

第44页，共66页，2023年，2月20日，星期五F(ω)ωωmωm0SSSB(ω)ωωcωc0SSSB(ω)ωωcωc0SDSB(ω)ω-ωcωc02ωmUSBUSBLSBLSB---(a)基带信号(b)DSB信号(c)SSB信号(USB)(d)SSB信号(LSB)第45页，共66页，2023年，2月20日，星期五单边带信号的产生：方法：（1）用滤波法形成单边带信号（2）用相移法形成单边带信号（1）用滤波法形成单边带信号

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。第46页，共66页，2023年，2月20日，星期五取上边带的滤波函数取下边带的滤波函数第47页，共66页，2023年，2月20日，星期五-f0HL(f)特性上边带(b)上边带滤波器特性和信号频谱f00f单边带信号的频谱上边带S(f)上边带下边带HH(f)特性HH(f)特性(a)滤波前信号频谱(c)下边带滤波器特性和信号频谱S(f)S(f)-f00f-f0f0f下边带f0上边带

滤波法难点：滤波器陡峭截止难第48页，共66页，2023年，2月20日，星期五49

相移法SSB优点：不需要陡峭截止，一次调制即可

不足：实现复杂，宽带移相网络难实现。可用维弗法解决。相移法sin

应用短波通信，频分复用SSB解调需采用相干解调。（2）用相移法形成单边带信号当调制信号中含直流或较丰富低频信号时，滤波法SSB不再适用。第49页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理SSB的相干解调第50页，共66页，2023年，2月20日，星期五51第51页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理§2.5残留边带调幅（VSB）VSB－VestigialSideBand产生单边带信号需要理想滤波器，这在实际电路中难以实现。残留边带(VSB)滤波器容易设计，同时又能使上下边带频谱巧妙地互补，解调后得到完整信号。残留边带信号：保留了下边带频谱的大部分(仅仅是靠近fc附近的频谱有一定衰减)，同时还保留了上边带信号的一小部分。第52页，共66页，2023年，2月20日，星期五11四月2023数字通信原理残留边带滤波器的特性第53页，共66页，2023年，2月20日，星期五残留边带解调的频谱示意图第54页，共66页，2023年，2月20日，星期五第55页，共66页，2023年，2月20日，星期五说明对VSB信号进行解调时，只要在

Wc两侧位置上的频具有互补性（即相加后的和保持一定），则通过低通滤波器解调出的基带信号，就是没失真的调制信号。残留边带信号的带宽，介于单边带和双边带之间。VSB信号的解调过程可以采用相干解调，也可以在VSB信号中插入强载波，而采用包络检波法解调，以简化接收机电路。VSB对滤波器的要求不是很高，广泛用于PAL制电视系统中。11四月2023数字通信原理第56页，共66页，2023年，2月20日，星期五2.6角度调制（非线性调制）非线性调制：已调信号频谱不再是原基带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。实现方法：通过改变载波的频率和相位（角度）来实现。即载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。分类：角调制可分为频率调制（FM）和相位调制（PM）。与幅度调制技术相比的优势：角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能

优点：抗噪声性能好缺点：频带占用宽第57页，共66页，2023年，2月20日，星期五FM调制与PM调制调相信号调频信号PM调制－－是指瞬时相位偏移随基带信号而线性变化FM调制－－是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化第58页，共66页，2023年，2月20日，星期五

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。

调相信号调频信号调频与调相并无本质区别，两者之间可以互换－－缩减研究内容；为FM、PM信号的实现/调制、解调提供了新的方法。第59页，共66页，2023年，2月20日，星期五（1）一般表达式第60页，共66页，2023年，2月20日，星期五Kp

－调相灵敏度，量纲：相位调制