第4章模拟通信系统

通信原理第4章模拟通信系统4模拟通信系统 研究对象：模拟通信系统研究目的：（1）通过介绍模拟调制解调原理，使读者初步认识和了解《通信原理》这门课是在模块级系统级层次上分析和设计通信系统（2）通过分析不同模拟调制解调系统的抗噪声性能，了解各种系统的抗噪声能力与调制解调器有关参数的关系，这有助于人们在实际工作中正确地设计和选用调制方式，优化模拟通信系统的性能

研究方法：不同模拟调制解调原理及其抗噪声性能预备知识：信号与系统、随机过程基本要求掌握调制的目的、定义、基本原理及分类；掌握线性调制方式的时域波形、频谱结构及解调方法；掌握非线性调制方式的时域波形、频谱结构及解调方法；了解各种模拟调制方式的抗噪声性能及性能比较；了解频分复用概念及其应用。【重点】调制的目的、定义和基本原理；线性调制方式和非线性调制方式的时域波形、频谱结构及解调方法。【难点】

线性调制方式和非线性调制方式的时域波形、频谱结构及解调方法。4.1概述：基带信号信息源语言音乐图像频率很低的电信号直接转换包括（或不包括）直流分量的低通频谱最高频率和最低频率之比远大于1基带信号如电话信号的频率范围在300～3000Hz基带信号可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输，但不可能在无线信道直接传输即使可以在有线信道传输，但一对线路上只能传输一路信号，对信道的利用是很不经济的4.1概述：调制和解调原始信号调制器调制：发送端把基带信号频谱搬移到给定信道通带内的过程原始信号解调器解调：在接收端把已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号的过程4.1概述4.1.1

调制在通信系统中的作用4.1.2调制的基本特征和分类4.1.3调制系统中讨论的主要问题和主要参数4.1.1调制在通信系统中的作用调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求容易辐射实现频率分配实现多路复用减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力4.1.2调制的基本特征和分类调制器m(t)C(t)sm

(t)单音正弦波连续变化的模拟量：模拟调制离散的数字量：二进制数字脉冲数字调制单频正弦波连续波形连续载波调制脉冲波形脉冲载波调制矩形周期脉冲4.1.2调制的基本特征和分类调制器m(t)C(t)sm

(f)线性调制非线性调制m(f)sm

(f)m(t)改变载波信号C(t)的不同参数幅度调制：AM、PAM、ASK

sm

(t)相位调制：PM、PPM、PSK频率调制：PM、FM、FSK频谱之间呈线性搬移关系：AM、ASK频谱之间没有线性对应关系：FM、PM、FSK

4.1.3

调制系统中讨论的主要问题和主要参数重点：m(t)为取值连续的调制信号，c(t)为正弦载波问题：（1）工作原理：包括调整系统的物理过程；调制信号、载波信号和已调信号三者的关系（如数学关系、波形关系及频谱关系等）。（2）已调信号的带宽（3）过滤关系（4）噪声对调制系统性能的影响调制系统的主要参数为：（1）发送功率（2）传输带宽（3）抗噪声性能，如输出信噪比等（4）设备的复杂性4.2

幅度调制（线性调制）的原理h(t)m(t)幅度调制：用调制信号去控制正弦载波的振幅，使其按调制信号作线性变化的过程

基带调制信号

在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移幅度调制信号频谱搬移是线性的线性调制4.2.1调幅（AM）：原理及波形滤波器H(f)=1）

调制信号叠加直流A04.2.1调幅（AM）：波形分析

m(t)

max>A0将会出现过调幅现象而产生包络失真

当满足条件

m(t)

max

A0时，AM信号的包络与调制信号成正比可以用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号重要参数调幅度m

满调幅m=1，此时

m(t)

max=A0

欠调幅，一般m小于1过调幅，m大于1，A(t)min为负值不能用包络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用同步解调

4.2.1调幅（AM）：频谱分析1.SAM(

)由载频分量和上、下两个边带组成2.上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像3.AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽fH的两倍BAM=2fH4.2.1调幅（AM）：功率分析不带信息的载波功率

调制信号平均功率（

也称边带功率）调制效率：边带功率与总平均功率的比值，用符号

AM表示

调制后信号的总平均功率“满调幅”时，如果m(t)为矩形波形，则最大可得到

AM=0.5，而m(t)为正弦波时可得到

AM=33.3%。

一般情况下，m都小于1，调制效率很低，即载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占有的功率较小

4.2.1调幅（AM）：优缺点优点：可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号缺点：AM信号的功率利用率比较低问题：能否去掉不带信息的载波，提高功率利用率？解决方法：抑制载波双边带4.2.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）将载波抑制

DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致需采用相干解调（同步检波）在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180o突变4.2.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）：功率谱DSB信号节省了载波功率，功率利用率提高了频带宽度仍是调制信号带宽的两倍上、下两个边带是完全对称的问题：能否只传输其中一个边带，节省带宽？单边带调制4.2.3单边带调制（SSB）DSB信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。两种产生方法：滤波法和相移法4.2.3单边带调制（SSB）：用滤波法产生单边带信号

h(t)m(t)SDSB(t)边带滤波器理想高通SSSB(t)理想低通解决方法：在工程中往往采用多级调制滤波用滤波法形成SSB信号的技术难点带来问题：滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现一般调制信号都具有丰富的低频成分经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄要求单边带滤波器在fC附近具有陡峭的截止特性4.2.3单边带调制（SSB）：用相移法形成单边带信号

研究方法：从简单的单频调制出发，得到SSB信号的时域表示式，然后再推广到一般表示式

设单频调制信号m(t)=Amcos2

fmt载波c(t)=cos2

fCt相乘得DSB信号为sDSB(t)=Amcos2

fmtcos2

fCt

保留上边带

保留下边带

4.2.3单边带调制（SSB）：用相移法形成单边带信号（希尔伯特变换）

Amcos2

fmt

Amsin2

fmt

希尔伯特变换

相移

/2，而幅度大小保持不变

Hilbert

任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和傅里叶变换

傅里叶变换

称传递函数Hh(f)为希尔伯特滤波器

4.2.3单边带调制（SSB）：用相移法形成单边带信号实质上是一个宽带相移网络，表示把m(t)幅度不变，所有的频率分量均相移

/2所有的频率分量均精确相移

/2正是难点所在解决方法：维弗法4.2.3单边带调制（SSB）：结论SSB调制方式在传输信号时，不但可节省发射功率，且信号占用带宽BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，所以，它目前是短波通信中的一种重要调制方式。SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也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。4.2.4残留边带调制（VSB）DSB信号占用频带宽SSB信号实现困难折衷残留边带调制VSB不是完全抑制一个边带逐渐切割，使其残留一小部分4.2.4残留边带调制（VSB）VSB信号必须相干解调。

相干解调选择合适的低通滤波器的截止频率，消掉

2fC处的频谱代入无失真地重现调制信号m(t)

M(f)

4.2.4残留边带调制（VSB）：滤波器残留部分上边带的滤波器特性残留部分下边带的滤波器特性在

fC处具有互补对称（奇对称）特性4.2.4残留边带调制（VSB）：滤波器特性HVSB(f

fC)和HVSB(f+fC)在f=0处具有互补对称的滚降特性

矛盾：残留边带信号的带宽与滤波器的实现之间4.3线性调制系统的抗噪声原理研究对象：噪声对线性调制系统的影响研究目的：掌握存在加性高斯白噪声时，各种线性调制系统的抗噪声性能研究方法：用解调器的抗噪声性能来衡量。抗噪声能力通常用“信噪比”来度量。所谓信噪比，这里是指信号与噪声的平均功率之比。

4.3.1分析模型AWGN平稳窄带高斯噪声同相分量正交分量平均功率为Ni若白噪声的双边功率谱密度为n0/2

带宽B应等于已调信号的频带宽度，当然也是窄带噪声ni(t)的带宽

4.3.1分析模型评价指标：解调器的输出信噪比物理含义：衡量一个模拟通信系统质量的好坏与调制方式有关与解调方式有关不同类调制方式同类调制方式制度增益不同解调方式G越大，表明解调器的抗噪声性能越好

越大，表明解调器的抗噪声性能越好

4.3.2线性调制相干解调的抗噪声性能：DSB与相干载波相乘解调器输入信号低通滤波器后输出信号

有用信号功率B=2fH

4.3.2线性调制相干解调的抗噪声性能：DSB与相干载波相乘解调器输入噪声低通滤波器后输出噪声

噪声平均功率4.3.2线性调制相干解调的抗噪声性能：DSB有用信号功率噪声平均功率B=2fH

输出信噪比输入信噪比制度增益DSB信号的解调器使信噪比改善一倍

这是因为采用同步解调，使输入噪声中的一个正交分量nS(t)被消除的缘故

4.3.2线性调制相干解调的抗噪声性能：SSBB=fH

解调器输入信号低通滤波器后输出信号

输出信号平均功率输入信号平均功率4.3.2线性调制相干解调的抗噪声性能：SSBSSB解调器输入信噪比SSB解调器输入信噪比B=2fH

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

GDSB=2GSSB。这能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好呢？

4.3.2线性调制相干解调的抗噪声性能：SSB与DSB比较输入信号平均功率DSBSSB所以两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到的

如果我们在相同的输入信号功率Si，相同输入噪声功率谱密度n0，相同基带信号带宽fH条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比是相等的

结论：DSB和SSB信号的抗噪声性能是相同的，但双边带信号所需的传输带宽是单边带的2倍

4.3.2线性调制相干解调的抗噪声性能：VSBVSB调制系统的抗噪声性能的分析方法与上面的相似。但是，由于采用的残留边带滤波器的频率特性形状不同，所以，抗噪声性能的计算是比较复杂的。结论：残留边带不是太大的时候，近似认为与SSB调制系统的抗噪声性能相同。

4.3.3调幅信号包络检波的抗噪声性能A0为载波幅度，m(t)为调制信号。这里仍假设m(t)的均值为0，且A0

m(t)

max

理想包络检波器的输出解调器的输入信号解调器的输入噪声解调器的输入信噪比解调器的输入合成包络合成相位4.3.3调幅信号包络检波的抗噪声性能：大信噪比情况条件：输入信号幅度远大于噪声幅度有用信号与噪声独立地分成两项

包络检波器的输出信号功率包络检波器的输出噪声功率包络检波器的输出信噪比4.3.3调幅信号包络检波的抗噪声性能：大信噪比情况解调器的输入信噪比解调器的输出信噪比制度增益结论：1、AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加。2、对包络检波器来说，为了不发生过调制现象，应有A0

m(t)

max。所以GAM总是小于1。3、解调器对输入信噪比没有改善，而是恶化了例：100%的调制（即A0=

m(t)

max）且m(t)又是正弦型信号时，有AM系统的最大信噪比增益

4.3.3调幅信号包络检波的抗噪声性能：大信噪比情况思考题：若采用同步检波法解调AM信号，则得到的调制制度增益GAM与式（4-64）给出的结果关系是怎样的的？由此可以得出什么结论？4.3.3调幅信号包络检波的抗噪声性能：小信噪比情况条件：输入信号幅度远大于噪声幅度有用信号m(t)被噪声扰乱，致使m(t)cos

(t)也只能看作是噪声

4.3.3调幅信号包络检波的抗噪声性能：小信噪比情况输出信噪比急剧下降，这种现象称为解调器的“门限效应”。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。这种门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的。相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。结论：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；但随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应；一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化。

4.4非线性调制（角调制）的原理研究对象：非线性调制（频率和相位调制）研究目的：非线性调制的内涵研究方法：分析调频和调相及两者之间的关系4.4.1角调制的基本概念任意一个幅度不变的正弦函数正弦波的瞬时相位

正弦波的瞬时频率

未调制载波角调制后瞬时相位瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率偏移4.4.1角调制的基本概念瞬时相位瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率偏移相位调制：瞬时相位偏移随调制信号m(t)而线性变化频率调制：瞬时频率偏移随调制信号m(t)而线性变化4.4.1角调制的基本概念如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号

图4-17直接和间接调相图4-18直接和间接调频实际相位调制器的调制范围有限

适用于窄带调制

适用于宽带调制

适用于宽带调制

4.4.2窄带调频与宽带调频窄带调频（NBFM）宽带调频（WBFM）