第四章 模拟调制系统

第四章模拟调制系统

4.1引言

4.2幅度调制的原理及抗噪声性能

4.3非线性调制的原理及抗噪声性能

4.4各种模拟调制系统的比较

4.5频分复用（FDM）

4.6复合调制及多级调制的概念4.1引言调制：按基带调制信号的变化规律去改变高频载波某些参数的过程。调制的目的将基带调制信号变换成适合在信道中传输的已调信号有效地利用频带，实现信道的多路复用传输提高通信系统抗噪声/干扰性能调制器m(t)调制信号sm(t)已调信号c(t)载波信号基带信号和载波信号基带信号(调制信号)

包含信息、需要被传输的原始信号，具有频率较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不适宜直接进行传输。载波信号(被调制信号)

在信道中传输、其某些参数受调制信号控制的特定信号。载波信号可以分为两类：用正弦型信号作为载波；用脉冲串或一组数字信号作为载波。模拟调制的分类模拟调制通常采用正弦波作为载波，调制方式有：线性幅度调制：载波的幅度随基带调制信号成比例变化；从频谱上来看，已调信号的频谱与基带信号频谱呈线性搬移的关系。如调幅AM，双边带DSB，单边带SSB等。非线性角度调制：载波的频率或相位随基带调制信号成比例变化。已调信号的频谱不再保持原来基带调制信号频谱的结构，而产生新的频谱分量。如调频FM和调相PM。

4.2幅度调制的原理及抗噪声性能一、幅度调制的原理幅度调制是正弦型载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。正弦型载波

s(t)=Acos(ωct+φ0)ωc：载波频率；

φ0：载波的初始相位；

A：载波的幅度。s(t)t已调信号可表示成：

sm(t)=Am(t)cos(ωct+φ0)m(t)：基带调制信号图4–1幅度调制器的一般模型图4-1之所以称为调制器的一般模型，是因为在该模型中，适当选择滤波器的特性h(t)，便可以得到各种幅度调制信号。根据h(t)特性及所包含频谱成分的不同，幅度调制可分为：调幅（AM)：h(t)为全通网络，m(t)有直流成分；抑制载波双边带（DSB）：h(t)为全通网络，m(t)无直流成分；单边带（SSB）：h(t)为截止频率为fc的高通或低通滤波器；残留边带（VSB）：h(t)为特定的互补特性滤波器。调幅（AM）信号基带信号中含有直流分量

m0:

调制信号中的直流成分

m’(t):

需传送的原始信号图4-2AM信号的波形和频谱sAM(t)的频谱表达式设m’(t)M’(ω)，根据欧拉公式

sAM(t)=[m0+m’(t)](ejωct+e-jωct)/2而

m0ejωct2πm0δ(ω-ωc)m’(t)ejωctM’(ω-ωc)故sAM(t)

的频谱表达式为AM的特点调幅过程使原始频谱M(ω)搬移了±ωc，且频谱中包含载频分量πm0[

δ(ω-ωc)+δ(ω+ωc)]

和边带分量1/2[

M’(ω-ωc)+M’(ω+ωc)]

两部分。标准调幅信号的频谱包含两个频带且|sAM(ω)|对于±ωc是对称的。通常把大于ωc或小于-ωc的频带叫做上边带(USB)，把大于-ωc且小于ωc的频带叫做下边带(LSB)。AM波占用的带宽是原始信号带宽的2倍，即2ωH

。为了实现不失真的调幅，必须满足两个条件:(a)对于所有t，必须满足m0+m’(t)≥0(b)载波频率应远大于m’(t)的最高频率分量,即ωc>ωH。双边带(DSB)信号如果输入基带信号没有直流分量，且h(t)是理想带通滤波器，则得到的输出信号便是无载波分量的双边带调制信号，或称双边带抑制载波（DoubleSideBand-SuppressedCarrier）调制信号，简称DSB信号。时域表达式：

sDSB(t)=m(t)cosωct

m(t)M(ω)

频谱表达式：

sDSB(ω)=1/2[M(ω-ωc)+M(ω+ωc)]

图4-3DSB信号的波形和频谱

由时间波形可知，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)。另外，在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180°的突变。

单边带调制（SSB）

抑制载波的双边带调幅尽管节省了载波功率,但与常规双边带调幅一样，上下两个边带是完全对称的，所携带的信息完全相同，而用一个边带就可以传输全部信息，这样就产生了单边带调制(Singlesideband)。SSB不仅节省了载波功率，而且还节省了一半传输频带。SSB单边带信号的滤波法生成产生SSB信号最直观的方法是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。将带通滤波器H(ω)设计成理想低通HLSB(ω)或理想高通HUSB(ω)，就可分别取出下边带信号频谱SLSB(ω)或上边带信号频谱SUSB(ω)图4–5形成SSB信号的滤波特性图4-6SSB信号的频谱SSB单边带信号的时域表示下边带滤波器-ω

c1ω

c单边带信号时域表达式下边带为例是m(t)的希尔伯特变换下边带信号的时域表示式上边带信号的时域表示式相移法生成SSB信号图4–7相移法形成单边带信号

Hh(ω)称为希尔伯特滤波器的传递函数，它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π/2，即可得到相移法形成SSB信号的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号m(t)的所有频率分量严格相移π/2，这一点即使近似达到也是困难的。

SSB调制方式不但可节省载波发射功率，而且所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，因此，它目前已成为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。残留边带调制(VSB)

残留边带调制（Vestigial-sideband）是介于SSB与DSB之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难题。在VSB中，不是完全抑制一个边带，而是逐渐切割，使其残留一小部分。

图4–9VSB调制和解调器模型图4-8DSB、SSB和VSB信号的频谱VSB信号的时域表达式为：

SVSB(t)=SDSB(t)*hVSB(t)=（m(t)cosωct）*

hVSB(t)VSB信号的频域表达式为：

SVSB(ω)=1/2[M(ω-ωc)+M(ωc+ω)]HVSB(ω)相干解调：

SP(t)=SVSB(t)S

(t)=SVSB(t)cosωctVSB信号的频域表达式为：SP(ω)=1/2[SVSB(ω-ωc)+SVSB(ωc+ω)]

=1/4[M(ω-2ωc)+M(ω)]HVSB(ω-ωc)+1/4[M(ω)+M(ω+2ωc)]HVSB(ω+ωc)经LPF后，其中的M(ω+2ωc)和M(ω-2ωc)被滤除，输出信号频谱：SO(ω)=1/4M(ω)[HVSB(ω+ωc)+HVSB(ω-ωc)]为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号，必须要求

HVSB(ω+ωc)+HVSB(ω-ωc)=常数，|ω|≤ωH

ωH:调制信号的最高频率。上式就是确定残留边带滤波器传输特性HVSB(ω)所必须遵循的条件。满足上式的HVSB(ω)的可能形式有两种：图4-10（a）所示的低通滤波器形式和图4-10(b)所示的带通（或高通）滤波器形式。图4-10残留边带滤波器特性(a)残留部分上边带的滤波器特性;b）残留部分下边带的滤波器特性

图4–11残留边带滤波器的几何解释二、线性调制系统的抗噪声性能解调是调制的逆过程，在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基带范围内。调幅信号的解调方法分相干解调和非相干解调两大类。线性调制信号解调的一般方法所谓相干解调，就是利用已调信号的相位变化来恢复调制信号。相干解调对于AM、DSB、SSB及VSB都适用，没有门限效应，但它要求本地载波和接收信号的载波必须保持同频和同相。相干解调又叫同步检测（同步检波）、相干检测（相干检波）、零拍检测。相干解调分析模型sm(t)：已调信号n(t)：传输过程中叠加的高斯白噪声带通滤波器：滤除已调信号频带以外的噪声，因此经过带通滤波器后,到达解调器输入端的信号仍可认为是sm(t)，窄带噪声为ni(t)。解调器输出：有用信号为mo(t)，噪声为no(t)ni(t)即为平稳高斯窄带噪声，它的表示式为

ni(t)=nc(t)cosωct-ns(t)sinωct

nc(t):同相分量ns(t):正交分量nc(t)和ns(t)都具有零均值高斯分布，且方差相同，即输入噪声ni(t)平均功率Ni=n0B输出信噪比调制制度增益

G越大，表明解调器的抗噪声性能越好。1.DSB调制系统的抗噪声性能解调器输入信号为输入信号平均功率为解调器输入端的噪声ni(t)为高斯白噪声，双边噪声功率谱密度为n0/2调制器的带宽解调器输入端的噪声平均功率为解调器输入信噪比相乘器的输出经低通滤波器后，输出信号为解调器输出端的平均信号功率为窄带噪声与相干载波cosωct相乘后，得经低通滤波器后，解调器的输出噪声为

故输出噪声功率为因所以解调器输出信噪比双边带调制制度增益2.SSB调制系统的抗噪声性能单边带信号的解调方法与双边带信号相同，其区别仅在于解调器之前的带通滤波器的带宽和中心频率不同。单边带带通滤波器的带宽是后者的一半。解调器输入信号解调器输入信号平均功率因所以SSB调制器的带宽解调器输入端的噪声平均功率为解调器输入信噪比相乘器的输出解调器输出信号输出信号平均功率同理可得解调器的输出噪声为输出噪声功率为解调器输出信噪比单边带调制制度增益

3.VSB调制系统的性能

VSB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。但是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.AM系统抗噪声性能1)同步解调解调器输入信号解调器输入信号平均功率AM调制器的带宽解调器输入端的噪声平均功率为解调器输入信噪比相乘器的输出经低通滤波器滤去直流成分和倍频成分输出信号平均功率同理可得解调器的输出噪声为输出噪声功率为AM调制制度增益单音调制1)非同步解调解调器输入信号解调器输入信号平均功率AM调制器的带宽解调器输入端的噪声平均功率为解调器输入信噪比解调器输入端信号加噪声的合成包络

大信噪比情况输出信号平均功率输出噪声功率为解调器输出信噪比AM调制制度增益单音调制小信噪比情况门限效应：当包络检波器的输入信噪比降低到一个特定的数值后，检波器输出信噪比出现急剧恶化的一种现象。该特定的输入信噪比值被称为门限值。幅度调制系统总结AM系统调制解调电路简单，但功率利用率低，抗噪声性能差；DSB系统的功率利用率为100%，抗噪声性能好，但所占用的频带仍与AM相同，都是2fm，且相干解调电路复杂；SSB系统的功率利用率为100%，抗噪声性能好，频带利用率高，所占用的频带只是AM和DSB的一半，但调制、解调电路复杂；VSB系统性能基本与SSB系统性能相近，VSB信号比较容易产生，占用的频带比SSB稍宽。4.3非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能角度调制与线性调制调制的载波参量不同线性调制已调信号的频谱是调制信号频谱的线性搬移；而角调制已调信号的频谱不是调制信号频谱的线性搬移线性调制占据带宽窄，频率利用率高，但抗干扰能力差；角调制频带利用率低，但抗干扰能力强。角度调制基本概念频率调制和相位调制合称为角度调制，又称为非线性调制。频率调制和相位调制二者都是用基带信号控制载波的相角变化。频率调制（FrequencyModulation)是已调信号的瞬时角频率受调制信号的控制。相位调制(PhaseModulation)则是已调信号的瞬时相位受调制信号的控制而改变。

4.3.1非线性调制的原理任何一个正弦时间函数，如果它的幅度不变,则可用下式表示：瞬时相位瞬时相位偏移瞬时频率偏移相位调制（PM）信号（瞬时相偏与调制信号成线性函数关系）瞬时相位瞬时相位偏移瞬时频率偏移频率调制（FM）信号（瞬时频偏与调制信号成线性变化）调频信号的分类窄带调频（NBFM）宽带调频（WBFM）（调频）（调相）（调频）（调相）4.3.2非线性系统的抗噪声能力输入调频信号输入信号功率输入噪声功率输入信噪比计算输出信噪比时，由于非相干解调不满足叠加性，无法分别计算信号与噪声功率，因此考虑两种极端情况，即大信噪比情况和小信噪比情况。

1.大信噪比情况在大信噪比条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这时可以把信号和噪声分开来算，经过分析，解调器的输出信噪比为使上式具有简明的结果，考虑m(t)为单一频率余弦波时的情况即m(t)=cosωmt

这时的调频信号为

sFM(t)=Acos［ωct+mfsinωmt］式中将这些关系式代入上式得

在宽带调频时，信号带宽为

BFM=2(mf+1)fm=2(Δf+fm)解调器的调制制度增益上式表明，大信噪比时宽带调频系统的制度增益是很高的，它与调制指数的立方成正比。例如调频广播中常取mf=5，则制度增益GFM=450。也就是说，加大调制指数mf，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。2.小信噪比情况与门限效应以上分析都是在(Si/Ni)FM足够大的条件下进行的。当(Si/Ni)FM减小到一定程度时，解调器的输出中不存在单独的有用信号项，信号被噪声扰乱，因而(So/No)FM急剧下降。这种情况与AM包检时相似，称之为门限效应。出现门限效应时所对应的(Si/Ni)FM值被称为门限值。4.4各种模拟调制系统的性能比较综合前面的分析，各种模拟调制方式的性能如表4-1所示。表中的So/No是在相同的解调器输入信号功率Si、相同噪声功率谱密度n0、相同基带信号带宽fm的条件下，AM为100%调制，调制信号为单音正弦。

性能比较

WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。图4-12示出了各种模拟调制系统的性能曲线,图中的圆点表示门限点。门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf=6）的信噪比比AM高22dB。由此可见：FM的调频指数mf越大，抗噪声性能越好，但占据的带宽越宽，频带利用率低。SSB的带宽最窄，其频带利用率高.图4-31各种模拟调制系统的性能曲线2.特点与应用AM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，在传输中如果载波受到信道的选择性衰落，则在包检时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高。因此AM制式用于通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中。DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，接收要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信，运用不太广泛。SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM,而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。因此，SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的无线电广播