通信原理-模拟调制系统

幅度调制（线性调制）的原理线性调制系统的抗噪声性能非线性调制（角调制）的原理调频系统的抗噪声性能各种模拟调制系统的性能比较模拟调制系统

原则性描述模拟调制、数字调制连续波调制、脉冲调制幅度调制、角度调制波形、频谱结构、原理、抗噪声性能调制的基本概念调制器m(t)调制信号Sm(t)已调信号模拟调制系统调制的实质是频谱搬移，其作用和目的是：将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）；实现信道的多路复用，提高信道利用率；减少干扰，提高系统抗干扰能力；实现传输带宽与信噪比之间的互换。幅度调制的原理AM调制模型及其时域、频域表达式DSB调制模型及其时域、频域表达式SSB调制模型及其时域、频域表达式滤波法相移法抗噪声性能分析一般模型DSB相干解调器抗噪声性能分析SSB相干解调器抗噪声性能分析AM包络检波器抗噪声性能分析幅度调制原理幅度调制器的一般模型输出已调信号的时域和频域一般表示式为×h(t)m(t)sm(t)coswctFT调幅(AM)AM调制器模型AM信号的波形和频谱OtOtOOttpA0wcpA0SAM(w)021w1M(w)-wHwHw0A0基带信号调幅指数单音信号AM调制

AM<1

AM=1

AM>1(2

A0)(Am)0fm(Am)-fmf(

A0)fcfc+fmffc-fm(

A0)-fc-fc+fm-fc-fm0AM信号几点讨论信号带宽

BAM=2fm,

WAM=2

m功率分配由于只有边带功率才与调制信号有关从功率上讲，AM信号的功率利用率比较低。调幅(AM)信号功率PAM⊕载波功率边带功率为调幅指数（或调制幅度）调幅(AM)调制效率抑制载波双边带调制（DSB-SC）将AM信号中的A0去掉，即可输出DSB-SC信号f(t)s(t)c(t)抑制载波双边带调制（DSB-SC）DSB信号的波形和频谱信号带宽BDSB=2fm,

WDSB=2

m

DSB调制后带宽为基带信号的2倍功率分配调制效率DSB信号几点讨论需采用相干解调(同步检波)，不能采用简单的包络检波。在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180°的突变。DSB信号功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。DSB信号的特点（与AM信号相比）：抑制载波双边带调制（DSB-SC）单边带调制（SSB）hSSB(t)HSSB(

)f(t)c(t)=cos(

ct)sSSB(t)滤波法生成单边带（SSB）信号形成SSB信号的滤波特性上边带下边带-

c

c

0HLSB(

)下边带滤波器-

c

c0

SLSB(

)-

c

c0

SDSB(

)-

c

c

0HLSB(

)滤波法生成下边带信号频谱图-

c

c

0HUSB(

)上边带滤波器-

c

c

0HSSB(

)-

c

c0

SSSB(

)-

c

c0

SDSB(

)滤波法生成上边带信号频谱图用相移法形成单边带信号考虑单频调制信号：用相移法形成单边带信号希尔波特（Hilbert）变换

“现在世界上难得有一位数学家的工作不是以某种途径导源于希尔伯特的工作。他像是数学世界的亚历山大，在整个数学版图上，留下了他那显赫的名字。”

————《Science》希尔波特（Hilbert）变换希尔波特滤波器冲激响应及传递函数F.T.希尔波特滤波器幅频、相频特性1|Hh()|

/2

h()

-/21Hh(

)/j

-1例4-1：求信号

的希尔波特变换(希尔波特滤波器输出信号波形）

例4-2：求信号

的希尔波特变换(希尔波特滤波器输出信号波形）

m(t)频谱不是很宽时例4-3：求信号

的傅立叶变换（频谱特性）

m(t)带宽不限相移法生成LSB信号相移法生成USB信号相移法生成SSB信号模型Hh(

)abcdeabcdLSBUSB1/21/4/j不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH=BDSB/2。SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。滤波法中的滤波器和相移法中的宽带相移网络较难制作。SSB信号的特点：单边带调制（SSB）残留边带调制是介于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（如同SSB中那样），而是逐渐切割，使其残留一小部分，如图所示。残留边带调制（VSB，VestigialSideband)DSB、SSB和VSB信号的频谱(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残留边带滤波器特性VSB调制和解调器模型残留边带滤波器的几何解释实现容易；只要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。VSB信号的特点：残留边带调制已调信号线性调制系统的抗噪声性能分析模型带通滤波器sm(t)n(t)sm(t)ni(t)解调器mo(t)no(t)＋加性白噪声窄带加性白噪声已调信号解调后的调制信号解调后的噪声信号ni(t)为平稳窄带高斯白噪声Ni为解调器输入噪声ni(t)的平均功率线性调制系统的抗噪声性能若白噪声的双边功率谱密度为n0/2，则有线性调制系统的抗噪声性能评价一个模拟通信系统质量的好坏，最终是要看解调器的输出信噪比(SNR)。线性调制系统的抗噪声性能线性调制相干解调的抗噪声性能DSB调制系统的性能带通滤波器sm(t)sm(t)n(t)ni(t)mo(t)no(t)低通滤波器coswct＋线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型线性调制相干解调的抗噪声性能乘法器LPF有用信号输出功率线性调制相干解调的抗噪声性能乘法器LPF线性调制相干解调的抗噪声性能SSB调制系统的性能线性调制相干解调的抗噪声性能线性调制相干解调的抗噪声性能

AM信号可采用相干解调和包络检波。相干解调时AM系统的性能分析方法与前面双边带（或单边带）的相同。实际中，AM信号常用简单的包络检波法解调。调幅信号包络检波的抗噪声性能已调信号分析模型带通滤波器sm(t)n(t)sm(t)ni(t)包络检波mo(t)no(t)＋加性白噪声窄带加性白噪声已调信号解调后的调制信号解调后的噪声信号AM包络检波的抗噪声性能分析模型调幅信号包络检波的抗噪声性能你能直接写出来了吗？调幅信号包络检波的抗噪声性能

E(t)是理想包络检波器的输出包络检波是信号和噪声的包络哦调幅信号包络检波的抗噪声性能大信噪比情况此时，输入信号幅度远大于噪声幅度，即调幅信号包络检波的抗噪声性能式中直流分量A0被电容器阻隔，有用信号与噪声独立地分成两项

，因而可分别计算出输出有用信号功率及噪声功率调幅信号包络检波的抗噪声性能小信噪比情况此时，噪声幅度远大于输入信号幅度，即调幅信号包络检波的抗噪声性能不能独立地分成两项不能解调小信噪比时存在门限效应；相干解调不存在门限效应；结论：在大信噪比情况下，包络检波的性能与相干解调相同；但随着信噪比的减小，包络检波会才出现门限效应，致使解调器的输出信噪比急剧下降。AM信号包络检波抗噪声性能的特点：调幅信号包络检波的抗噪声性能例4-4若对某一信号用DSB进行传输，设加至接收机的调制信号m(t)的功率谱密度为试求：1)接收机的输入信号功率；2)接收机的输出信号功率；3)若叠加于DSB信号的白噪声具有双边功率谱密度为n0/2，那么，输出信噪功率比为多少？输入信号功率0fm-fmfnm/2输出信号功率输出信噪比例4-5若对某一信号用SSB进行传输(忽略信道的影响)，设加至接收机的调制信号m(t)的功率谱密度为试求：1)接收机的输入信号功率；2)接收机的输出信号功率；3)若叠加于DSB信号的白噪声具有双边功率谱密度为n0/2，那么，输出信噪功率比为多少输入信号功率0fm-fmfnm/2输出信号功率输出信噪比例4-6DSB调制和SSB调制中，若基带信号均为3kHz限带低频信号，载频为1MHz，接收信号功率为1mW，AWGN双边功率谱密度为10-3W/Hz。接收信号经过带通滤波后，进行相干解调。比较解调器输入信噪比比较解调器输出信噪比<解答>比较解调器输入信噪比比较解调器输出信噪比幅度调制属于线性调制，它是通过改变载波的幅度，以实现调制信号频谱的平移及线性变换的。一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量，因此，我们不仅可以把调制信号的信息寄托在载波的幅度变化中，还可以寄托在载波的频率或相位变化中。这种使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制（FM）和相位调制(PM)。因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。非线性调制（角调制）的原理角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制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，故又称为非线性调制。由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在密切的关系，即调频必调相，调相必调频。鉴于FM用的较多，本节将主要讨论频率调制。非线性调制（角调制）的原理角调制的基本概念瞬时相位瞬时频率未调制的正弦波角度调制信号相位调制调相信号频率调制相位偏移调频信号角调制的基本概念调相指数、调频比例常数调频指数、调频比例常数最大瞬时频偏、相移正比于调制信号正比于调制信号窄带调频与宽带调频窄带调频（NBFM）宽带调频（WBFM）不满足满足窄带调频（NBFM）窄带调频（NBFM）则NBFM信号为以单音调制为例。设调制信号窄带调频（NBFM）AM信号为在AM中，两个边频的合成矢量与载波同相，只发生幅度变化；而在NBFM中，由于下边频为负，两个边频的合成矢量与载波则是正交相加，因而NBFM存在相位变化Δφ，当最大相位偏移满足NBFM条件时，幅度基本不变。这正是两者的本质区别。窄带调频（NBFM）窄带调频（NBFM）单音调制的AM与NBFM频谱单频信号瞬时相偏宽带调频调频指数宽带调频（WBFM)调频指数=最大瞬时相偏调频波的频谱包含无穷多个分量。宽带调频（WBFM)调频信号的频谱（mf=5）理论上调频波的频带宽度为无限宽。实际上边频幅度Jn(mf)随着n的增大而逐渐减小，因此只要取适当的n值使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可近似认为具有有限频谱。宽带调频（WBFM)那么多大的边频分量可以忽略呢？这取决于实际应用中对信号失真的要求。一个比较精准的标准是：时不能忽略不计。假设满足上述频率的最高边频次数为nmax，那么调频信号的频带宽度为卡森公式窄带调频的带宽大调频指数情况，带宽由最大频偏决定宽带调频（WBFM)用卡森公式推广到任意信号调制的调频波的估算公式宽带调频（WBFM)例4-8有一单频调制的调频信号，最大角频偏为Δω=6π×104，调制频率ωm=2π×104，求1)载波分量功率2)落在卡森公式带宽内的边频分量功率之和。J0(3)=-0.26J1(3)=0.339J2(3)=0.486J3(3)=0.309J4(3)=0.132J5(3)=0.043由卡森公式载波分量功率为4次边频分量的功率和为调频信号的总功率为其中，载波分量功率占4次边频分量的功率和占只有0.4%落在了卡森公式规定的频带之外。典型实例：调频广播发射机 载频：f1=200kHz

调制信号最高频率fm=15kHz

间接法产生的NBFM信号最大频偏

f1=25Hz

调频广播要求的最终频偏

f

=75kHz，发射载频在88-108MHz频段内。

在宽带调频方案中，设调制信号是fm

=15kHz的单频余弦信号，NBFM信号的载频f1=200kHz，最大频偏

f1=25Hz；混频器参考频率f2=10.9MHz，选择倍频次数n1=64，n2=48。1)NBFM信号的调频指数；2)调频发射信号的载频;3)WBFM信号的最大频偏;4)WBFM信号的调频指数.解：1)NBFM信号的调频指数2)调频发射信号的载频为3)WBFM信号的最大频偏4)WBFM信号的调频指数由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号的幅度，因而调频信号的解调器必须能产生正比于输入频率的输出电压。调频信号的解调鉴频器特性与组成Kd称为检频器灵敏度

以上解调过程是先用微分器将幅度恒定的调频波变成调幅调频波，再用包络检波器从幅度变化中检出调制信号，因此上述解调方法又称为包络检测。

其缺点之一是包络检波器对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应，为此，在微分器前加一个限幅器和带通滤波器以便将调频波在传输过程中引起的幅度变化部分削去，变成固定幅度的调频波，带通滤波器让调频信号顺利通过，而滤除带外噪声及高次谐波分量。鉴频器特性与组成相干解调窄带调频信号的相干解调宽带调频信号能采用相干解调？调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号；而非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是FM系统的主要解调方式。调频系统抗噪声性能分析模型调频系统的抗噪声性能输入功率输入噪声功率输入SNR调频系统的抗噪声性能大信噪比情况输入信号(单音)调频信号输出SNR调频系统的抗噪声性能SNR增益宽带调频时SNR增益调频系统的抗噪声性能应该指出，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，我们称之为门限效应。出现门限效应时所对应的(Si/Ni)FM值被称为门限值（点），记为(Si/Ni)b。下图给出了在单音调制的不同调制指数mf下，调频解调器的输出信噪比与输入信噪比近似关系曲线。小信噪比情况与门限效应调频系统的抗噪声性能mf不同，门限值不同。mf越大，门限点(Si/Ni)b越高。(Si/Ni)FM＞(Si/Ni)b时，(So/No)FM与(Si/Ni)FM呈线性关系，且mf越大，输出信噪比的改善越明显。(Si/Ni)FM＜(Si/Ni)b时，(So/No)FM将随(Si/Ni)FM的下降而急剧下降。且mf越大，(So/No)FM下降得越快，甚至比DSB或SSB更差。

非相干解调的门限效应调频系统的抗噪声性能综合前面的分析，各种模拟调制方式的性能如表所示。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，其中AM为100%调制，调制信号为单音正弦。1.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。NBFM和AM的性能接近。各种模拟调制系统的性能比较调制方式信号带宽制度增益设备复杂度主要应用DSB2中等较少应用SSB1复杂短波无线电广播，话音频分多路VSB略大于近似SSB近似SSB复杂商用电视广播AM2/3简单中短波无线电广播FM中等超短波小功率电台(窄带FM)，微波中继，调频立体声广播(宽带FM)各种模拟调制系统的性能比较2.特点与应用

AM调制的优点