第五模拟调制系统

第五模拟调制系统演示文稿目前一页\总数四十页\编于六点（优选）第五模拟调制系统目前二页\总数四十页\编于六点5.1引言由信源产生的的原始信号一般不能在大多数信道内直接传输，因此需要经过调制将他变换成适于在信道内传输的信号.

调制的定义：把输入信号变换为适合于通过信道传输的波形信源调制发滤波器信道收滤波器解调调制信宿n(t))(Cw点---点通信系统一、调制的功能

1、频率变换：为了采用无线传送方式，如将（0.3~3.4KHz）有效带宽内的语音信号调制到高频段上去。

2、实现信道复用：例如将多路信号互不干扰的安排在同一物理信道中传输。

3、提高抗干扰性：抗干扰性（即可靠性）与有效性互相制约，通常可通过牺牲有效性来提高抗干扰性，如FM替代AM。目前三页\总数四十页\编于六点二、调制的分类调制方法可以从以下几个角度进行分类。

基带信号m(t)调制器Sm(t)C(t)载波调制器模型

1、按信号m(t)的不同分：

模拟调制，特点：m(t)是连续信号。

数字调制，特点：m(t)是数字信号。2、按载波信号c(t)不同分：

连续波调制，特点：c(t)连续，如c(t)=cosωct；

脉冲调制，特点：c(t)为脉冲，如周期矩形脉冲序列。

3、按调制器功能的功能分：

幅度调制，特点：用:m(t)改变c(t)的幅度，如AM，DSB，SSB，VSB。

频率调制，特点：用:m(t)改变c(t)的频率，如FM。

相位调制，特点：用:m(t)改变c(t)的相位，如PM。

4、按调制器传输函数来分：

线性调制，特点：调制前、后的频谱呈线性搬移关系。

非线性调制，特点无上述关系，且调制后产生许多新成份。

目前四页\总数四十页\编于六点1、AM信号的时域表达式及波形所谓的标准调幅就是指输入的调制信号除了来自消息的基带信号外，还包含了直流信号A，总的输入信号为A+m(t)，h(t)为理想的带通滤波器，这样调制后输出信号便既含载波分量由含有边带分量的标准调幅信号。1）AM调制数学模型

2）数学表达式

SAM(t)=[A+m(t)]cosωct

式中的第一项代表载波分量，第二项代表边带分量,，该项为消息信号。

时域波形

AM信号的波形为幅度随信号变化的余弦波形。目前五页\总数四十页\编于六点4）、线性调幅的条件

由波形图知AM信号有以下特点：

（1）、幅度调制：AM信号的包络是随着信号呈线性关系变化的，所以它是幅度调制。

（2）、频率未变：已调波的波形疏密程度相同，也就是说载波仅仅是幅度受到了调制，频率没有发生变化。

（3）、调幅条件：如果A不够大，已调信号的包络不一定与m(t)成正比，将出现这样无法采用包络检波的方法检出其包络，通常我们称这种现象为过调。保证不过调的条件为：所以线性调幅的条件为：

目前六页\总数四十页\编于六点5）、调制指数

为了衡量标准调幅的调制程度，定义调制指数为

实际工程中，一般调制指数取（0.3～0.8）。2、AM信号的频域表示及频谱图

讨论频域的原因：

（1）系统的有效性就是系统所需的传输带宽，而传输带宽只能在频域中体现。

（2）有时在频域中分析问题较在时域更为方便。信号频谱：就是指时域信号的付式变换。

SAM(t)=[A+m(t)]cosωct目前七页\总数四十页\编于六点S(f)C(f)f0-fcfcM(f)

-fH-fL0fLfHfc(t)载波调制信号m(t)sm(t)已调信号特点：信号的频谱经过AM调制后形状未变，仅仅是幅度下降的一半，位置发生了变换，搬移到了±ωc。带宽由原始消息信号的ωm变为2ωm。在这个频谱搬移过程中没有出现新的频率分量，因此，该调制为线性调制。

问题：通常AM已调信号的频谱中，高于ωc部分称为上边带（USB），低于ωc部分称为下边带（LSB）。事实上，任何一个边带足以表达消息信号的全部信息，显然AM传输有些浪费。

解决办法：采用单边带调制。-fc0fc-fH

fc

fc+fHf目前八页\总数四十页\编于六点3、AM信号的解调

解调：从已调信号中恢复信号的过程。

AM解调方法：相干解调、非相干解调1）、非相干解调（包络检波）2）、相干解调

与DSB的相干解调相同，在DSB中介绍。4、AM系统的特点及其应用

优点：解调方便（包络检波），

缺点：占用频带宽，（消息信号的两倍），调制效率低（发射功率大）

应用：广播。

目前九页\总数四十页\编于六点4.3双边带调幅（DSB）1、DSB信号的时域表达式及波形

DSB的时域表达为2、DSB信号的频域表达式及频谱图

对公式（4.3-1）进行傅立叶变换，得DSB信号的频域表示式DSB信号的频谱有如下特点：

1、上、下边带均包含调制信号的全部信息；

2、幅度减半，带宽加倍；

3、线性调制。m(t)cosωctm(t)cosωctfc0f0f目前十页\总数四十页\编于六点3、DSB信号的解调

方法：相干解调。-fcfc0-fcfc0-2fc2fc00-fmfmffffabcd目前十一页\总数四十页\编于六点4、DSB的特点与应用

优点：调制效率高。

缺点：占用频带宽，为消息基带信号的2倍。

应用：无线通信，常用语传输数字信号，如ASK。SDSB(t)Acosωct包络检波m0(t)目前十二页\总数四十页\编于六点4.4单边带调幅SSB-fcfc0fDSB下边带上边带cc-f

ffH(f)由得下边带LSB,-fcfc0fUSBfH(f)得上边带USB,-fcfc由-fcfc0fLSB一、SSB的一般概念及基础知识

AM、DSB的共同缺点：所需传输的带宽是信号的2倍，这样就降低了系统的有效性。由于从信息传输的角度讲，上、下两个边带所包含的信息相同，因此只传送一个边带即可以传送信号的全部信息。

1、SSB概念

概念：只传送一个边带的调制方式成为单边带调制。

SSB信号的频谱如图4.4-1

显然，SSB信号的带宽是与消息信号m(t)相同。

比较：AM、DSB信号无论在时域还是在频域，都比较直观，但是SSB信号在频域非常直观，但是在时域很难想象。目前十三页\总数四十页\编于六点2、基础知识-希尔波特（Hilbert）变换

1)、定义：将一个信号波形中的全部频率分量相移-90°后所得的时间信号就叫做原信号的希尔波特变换。2）、变化公式在频率域中的数学描述为：希尔波特变换在时间域的数学描述如下：f(t))(Hw)t(f)t1)t(h,)sgn(j)(Hpww=-=目前十四页\总数四十页\编于六点3）、Hilbert变换的性质:

（1）、信号和它的希尔波特变换具有相同的能量谱密度或相同的功率谱密度。

推论：

（2）、信号和它的希尔波特变换的能量(或功率)相同。

（3）、信号和它的希尔波特变换具有相同的自相关函数。

（4）、信号和它的希尔波特变换互为正交。4）、Hilterb变换的用途：

在单边带调制中，用来实现相位选择，以产生单边带信号目前十五页\总数四十页\编于六点二、SSB信号的时域表达式及频谱

1、模型

2、SSB信号的频谱下边带低通滤波器可等效为m(t)cosωctm(t)cosωcth(t)SSSB(t)cw-0w)sgn(cww+cw0w)sgn(cww-4[][])sgn()()sgn()(41)()(41ccccccMMMMwwwwwwwwwwww---+++++-=[][][][])sgn()()sgn()(1)sgn()()sgn()(41)sgn()sgn(21)()(21)(ccccccccccccLSBMMMMMMSwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww---+++-+-+-=--+-++=——载波为cosωct目前十六页\总数四十页\编于六点当载波为sinωct时当载波为cosωct时同理载波为cosωct

目前十七页\总数四十页\编于六点三、SSB信号的产生

(1)滤波法(2)相移法m(t)cosωctm(t)cosωcth(t)SSSB(t)m(t)。90-。90-tcoscw）（tm)++-tsincwSLSB(t)SUSB(t)目前十八页\总数四十页\编于六点四、SSB信号的解调

相干解调法

五、SSB的特点及应用

优点：具有最窄的传输带宽，信道利用率最高；

缺点：（1）电路实现复杂，技术要求高（2）解调时同步误差要小

应用：（1）载波通信和微波多路通信，（2）保密通信（运用频谱倒置）。SSSB(t)cosωctSp(t)LPFm0(t)目前十九页\总数四十页\编于六点4.5残留边带调幅（VSB）一、VSB的一般概念

SSB问题：理想的滤波器难以实现。

VSB调制：与SSB相似，但是允许滤波器有过过渡带，其中一个边带损失的能够恰好被另外一个边带残留的部分补偿。二、Hv(ω)的要求

m(t)cosωctm(t)cosωcthv(t)SSSB(t)Hccff0,C)ff(H)ff(H<<=-++目前二十页\总数四十页\编于六点三、VSB信号的时间表达式四、VSB信号的产生

通常采用二种方法：滤波法

移相法（与SSB相似）五、VSB的特点及应用

1、所需带宽为ωH<ω<2ωH;

2、采用滤波法较易实现。"-"表示取上边带；

"+"表示取下边带。

目前二十一页\总数四十页\编于六点4.6各种幅度调制系统的噪声性能

一、准备知识

考虑加性高斯白噪声,系统的抗噪声性能

n(t)是高斯白噪声，功率谱密度为n0/2。

BPF作用：通过已调信号，抑制噪声，其带宽与已调信号的带宽相同。信道内高斯噪声n(t)经过BPF后，形成窄带噪声ni(t)。BPF调制器解制器m(t)sm(t)n(t)h(t)m0(t)ni(t)式中B是理想带通滤波器的带宽，即已调信号带宽，也是解调器输入端的噪声带宽；目前二十二页\总数四十页\编于六点评价模拟通信系统的质量性能指标用输出信噪比：也可用信噪比增益（调制制度增益）作用：用来判断解调器性能的优劣，

G越大，性能越好。其中Si/Ni为输入信噪比，定义为

显然，输出信噪比和G不仅与调制方式有关，也与解调方式有关。在相同的Si和n0的条件下，输出信噪比越高，则解调器的抗噪声性能越好。目前二十三页\总数四十页\编于六点二、相干解调DSB系统的性能

1、输入信噪比定义：指解调器的输入信号平均功率与输入噪声平均功率之比。假设：（1）SDSB（t）与ni(t)相互独立

（2）信道是理想的，无衰减。

设解调器输入信号输入信号平均功率输入噪声平均功率输入信噪比Sm(t)n(t)带通滤波器Sm(t)ni(t)tcoscw低通滤波器m0(t)n0(t)B目前二十四页\总数四十页\编于六点2、输出信噪比

DSB相干解调后，输出信号：输出信号平均功率So

输出噪声平均功率为No，经过LPF后，噪声为输出信噪比3、解调增益G（信噪比增益）

DSB解调器信噪比改善一倍。原因是相干解调把噪声中的正交分量抑制掉，从而使噪声功率减半。目前二十五页\总数四十页\编于六点三、相干解调SSB系统的性能

1、输入信噪比解调器输入信号：输入信噪比：其中带宽B=fH解调器输出信号与噪声分别为输出信噪比：Sm(t)n(t)带通滤波器Sm(t)ni(t)tcoscw低通滤波器m0(t)n0(t)B制度增益：SSB解调器信噪比未改善。原因是信号和噪声有相同表示形式，相干解调中，信号和噪声中的正交分量均被抑制掉。目前二十六页\总数四十页\编于六点四、AM调制（包络检波）设解调器输入信号SAM(t)=[A+m(t)]cosωctA>=|m(t)|max信号传输带宽：B=2fH输入信噪比：Si/Ni=[A2+m2(t)]/(2n0B)解调器输入端信号加噪声的合成包络：其中包络：（1）大信噪比情况（小噪声情况）解调器输出包络输出信噪比

制度增益：目前二十七页\总数四十页\编于六点（2）小信噪比时：包络近似为：式中R(t)及θ(t)分别为噪声ni(t)的包络及相位。讨论（a）小信噪比时，信号m(t)无法与噪声分开，有用信号“淹没”在噪声中，这时，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比上升，而是急剧恶化，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。（b)相干解调器不存在门限效应。原因是信号与噪声可分开解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。目前二十八页\总数四十页\编于六点4.7角度调制（非线性调制）系统概述一、角度调制的基本概念

1、角度调制的概念

一个余弦信号可以写成s(t)=A0cos[ωct+θ(t)](4.7-1)其中，A0为常数，当θ(t)随基带信号m(t)变化时，则称角度调制。2、角度调制的方法

两种方法：调频FM：角频率随消息信号m(t)变化；

调相PM：相位随消息信号m(t)变化。3、瞬时相位与瞬时角频率

概念：瞬时相位和瞬时角频率。

瞬时相位：公式（4.7-1）中θ(t)称为瞬时相位(或瞬时相角)

瞬时角频率：瞬时相位的导数称为瞬时角频率，ω(t)＝dθ(t)/dt

二者之间的关系为：(4.7-2)4、角度调制的特点

角度调制的优点：（1）抗干扰性强；（2）实现和解调都较简单。

缺点：频带利用率低(有效性低)。目前二十九页\总数四十页\编于六点二、调相信号PM

相位随基带信号m(t)成比例变化，即φ(t)=Kpm(t)调相波可表示为SPM(t)=Acos[ωct+Kpm(t)]三、调频信号FM

dφ(t)/dt随基带信号m(t)成比例变化，即

dφ(t)/dt=Kfm(t)式中Kf为比例常数，调频波表示为设单频调制信号m(t)=Amcosωmt则式中KfAm为最大角频偏，记为Δω；ωm为调制角频率mf称为调频指数:结论：FM、PM波的幅度是恒定的，已调波的功率为P=A02/2

目前三十页\总数四十页\编于六点四、调频信号的产生1、直接调频

常用压控振荡器产生.

工作原理：震荡器的频率随着外加电压m(t)线性变化。2、间接调频

用调相电路产生调频波;五、调频信号的解调1、鉴频器

1）构成：由一个微分器和一个包络检波器级联而成；

2）基本功能

微分电路将幅度衡定的调频波变换为调幅调频波，即幅度和频率都随基带信号m(t)线性变化。

2、锁相环解调鉴相器、环路滤波器、压控振荡器VCO目前三十一页\总数四十页\编于六点六、抗噪声性能BPF的作用：与线性调制系统相同，通带范围与SFM(t)的频带相同。限幅的作用：FM波的幅度是恒定的，但是在信道噪声的影响下，FM波的幅度或多或少的会发生变化，因此需要加以限制，加限幅的作用就是限制幅度噪声。鉴频器（DIS）的作用：先将Si(t)经微分电路，变成调幅调频波，然后再由包络检波器提取包络。这实际上相当于对瞬时相位求导数。

LPF的作用：SFM（t）与ni(t)经DIS（鉴频器）后，输出中有信号和噪声，但此时噪声所占频带宽度一般较宽，即噪声的带宽大于消息信号m(t)的带宽。这样LPF可以限制带外噪声，提高输出信噪比。

目前三十二页\总数四十页\编于六点(a)mf不同，调频波的频谱结构不同。调频波带宽:BFM=2(mf+1)fm=2(Δf+fm)当mf<<1(窄带调频）时：BFM=2fm当mf>>1(宽带调频）时：BFM=2Δf(b)mf增加，传输带宽加大，系统的抗噪声性能改善。调频方式的这种以带宽换取信噪比的特性十分有益。而调幅信号带宽固定，因此不能实现带宽与信噪比的互换。结论：大信噪比时，调频系统抗噪声性能比调幅系统优越，且其优越程度随传输带宽的增加而增加。大信噪比（限幅鉴频器）时，制度增益：目前三十三页\总数四十页\编于六点七、PM波与FM波的关系尽管PM、FM是两种不同的调制方式，但是并无本质上的区别。

原因：用FM电路可以实现PM波，而用PM电路也可以实现FM波。目前三十四页\总数四十页\编于六点调制系统的抗噪性能类别BG备注AM2fH2/3DSB2fH2

SSBfH1

VSBfH～2fH//

FM2(mf+1)fm2(Δf+fm