第4章 模拟调制系统教材

2024/3/211第4章模拟调制系统4.1幅度调制的原理4.2线性调制系统的抗操声性能4.3

角度调制（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）调制的概念序调制的功能

1调制的定义2调制的分类3调制的功能我们通常把消息经过适当处理后所得到的原始信号称为基带信号，这种信号不能在信道中直接进行传输吗？模拟通信系统模型为什么要调制？为什么要调制？频率在300～3000Hz是人们日常交流最常用的声音频率范围，我们以3000Hz为例，计算它的波长。天线的长度要大于信号波长的1/10，才能有效地辐射电磁波，可计算出天线的长度为：为什么要调制？一万米的手机天线你敢用么？减小天线长度减小信号波长增大信号频率调制如何减少天线的长度呢？为什么要调制？调制的概念调制信号载波信号已调信号调制的功能频谱变换实现信道的复用改善系统性能实现频率分配调制的基本作用是频率搬移，通过调制将信号频谱搬移到所需要的位置。通过调制，可使实现在一个信道里同时传输多个信号。将信号变换，使它占据较大的带宽，它将具有较强的抗干扰性。通过调制将各类业务的信号搬移到所分配的频谱位置，使之相互间不干扰。调制的定义基本概念调制－把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义调制－分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。狭义调制－仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。调制信号－指来自信源的基带信号载波调制－用调制信号去控制载波的参数的过程。载波－未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已调信号－载波受调制后称为已调信号。解调（检波）－调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。

调制的分类幅度调制频率调制相位调制以调制信号去控制载波的幅度变化以调制信号去控制载波的频率变化以调制信号去控制载波的相位变化2024/3/2112调制的分类：根据不同，分类不同。（1）根据m(t)的不同，分为模拟调制和数字调制。（2）根据载波的不同，分为连续载波调制和脉冲载波调制。（3）根据调制器的不同，分为幅度调制、频率调制和相位调制。（4）根据调制器频谱搬移特性的不同，分为线性调制和非线性调制。调制器的模型：调制器m(t)c(t)Sm(t)2024/3/2113调制系统中讨论的主要问题和主要参数：

主要内容：（1）工作原理（包括调制系统的物理过程；调制信号、载波信号和已调信号的关系）；（2）已调信号的带宽；（3）噪声对调制系统的影响。主要参数：（1）发送功率；（2）传输带宽；（3）抗噪声性能；（4）设备的复杂性。这些参数是各种调制系统比较的基础，也是选择和设计调制系统的依据。2024/3/21144.1幅度调制的原理

4.1.1幅度调制的一般模型

定义：用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。

图4-1幅度调制模型2024/3/21154.1.2常规双边带调幅（AM）

1.AM信号的表达式、频谱及带宽若假设滤波器为全通网络：为了保证包络检波时不发生失真，必须满足2024/3/2116

AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即2024/3/21172.AM信号的功率分配及调制效率已调信号功率为：调制效率：显然，AM信号的调制效率总是小于1。2024/3/21183.AM信号的解调调制的逆过程叫做解调。AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。

（1）相干解调用一个低通滤波器，就无失真的恢复出原始的调制信号：

2024/3/2119（2）包络检波法

电路由二极管D、电阻R和电容C组成。这时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即：

2024/3/21204.1.3抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）

1.DSB信号的表达式、频谱及带宽2024/3/2121DSB信号不能进行包络检波，需采用相干解调；除不含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱由上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍。2.DSB信号的功率分配及调制效率显然，DSB信号的调制效率为100%。

2024/3/21223.DSB信号的解调

DSB信号只能采用相干解调，则乘法器输出为：经低通滤波器滤除高次项，得

2024/3/21234.1.4单边带调制（SSB）

由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。

1.SSB信号的产生

（1）滤波法2024/3/21242024/3/2125（2）用相移法形成SSB信号可以证明，SSB信号的时域表示式为：式中，“－”对应上边带信号，“+”对应下边带信号；

为希尔伯特滤波器，它实质上是一个宽带相移网络，对m(t)中的所有频率分量均相移 。

2024/3/21262.SSB信号带宽、功率和调制效率3.SSB信号的解调

SSB信号的解调也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调.2024/3/2127乘法器输出为：经低通滤波后的解调输出为2024/3/2128单边带调制的优点：带宽利用率比DSB调制高。其主要缺点是接收机复杂。另外，用滤波法的时候，要求滤波器的过渡带非常窄，即滤波器的边缘必须很陡峭，理想状态是一根垂直线。在实际工程中，滤波器很难达到这样的要求.SSB主要用于远距离固定业务通信系统，在特高频散射通信、车辆和航空通信方面也有应用。总结：2024/3/21294.1.5残留边带调制（VSB）1.残留边带信号的产生残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。在残留边带调制中，除了传送一个边带外，还保留了另外一个边带的一部分。2024/3/2130残留边带滤波器在载频附近必须具有互补对称特性2024/3/21312.残留边带信号的解调2024/3/2132经LPF为了准确地获得M（ω）必须满足ωH是基带信号的截止角频率2024/3/2133VSB信号频谱示意图2024/3/2134在H

(ω+ωc)与H

(ω-ωc)的交界处,两个曲线互补，使得曲线在交界处为水平直线。图中是一个传输函数过渡带的上半部分和另一个传输函数过渡带的下半部分互补，实际上也就是一个传输函数过渡带的上、下部分互补对称。通常把滤波器的边缘形状（过渡带）称为滚降形状。满足互补的滚降形状有多种，常用的是直线滚降和余弦滚降。它们分别在电视信号和数据信号的传输中得到应用。我国目前的电视节目音频信号采用调频方法、视频（图像）信号采用残留边带方式传输。2024/3/21354.2线性调制系统的抗操声性能

本节将要研究的问题是，信道存在加性高斯白噪声时各种线性系统的抗噪性能。4.2.1通信系统抗噪性能分析模型2024/3/2136

为窄带高斯噪声，可以表示为：其功率为：

2024/3/2137输出信噪比定义为输入信噪比人们常用信噪比增益作为不同调制方式下解调器抗噪性能的度量。它可以定义为：2024/3/21384.2.2线性调制相干解调的抗噪声性能

1.DSB调制系统的性能（1）输出信号的功率

2024/3/2139（2）输出噪声的功率

解调器最终的输出噪声为2024/3/2140（3）输出信号的功率解调器输入信号平均功率为

解调器的输入和输出信噪比为

因而调制制度增益为信噪比改善了一倍，原因是输入噪声中的正交分量被抵消了。2024/3/21412.SSB调制系统的性能（1）输出信号的功率

与相干载波相乘，并经低通滤波器滤除高频成分后，得解调器输出信号和功率为：（2）输出噪声的功率

2024/3/2142（3）输出信号的功率解调器输入信号平均功率为解调器的输出信噪比和调制制度增益为为什么？2024/3/2143DSB解调器的调制制度增益是SSB的二倍。但不能因此就说，双边带系统的抗噪性能优于单边带系统。具体分析如下：2024/3/21444.VSB调制系统的性能

VSB调制系统抗噪性能的分析方法与上面类似。但是，由于所采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同，所以难以确定抗噪性能的一般计算公式。

4.2.3常规调幅包络检波的抗噪声性能

AM信号可采用相干解调或包络检波，具体原理见图。2024/3/2145解调器输入信号为：输入噪声为：输入的信号功率、噪声功率和信噪比：

2024/3/2146解调器输入的信号加噪声的合成波形是：其中合成包络：为简化起见，我们考虑两种特殊情况。

（1）大信噪比情况

2024/3/2147输出信号功率、噪声功率和信噪比：调制制度增益：对于100％调制（即），且又是单音频正弦信号时：

2024/3/2148（2）小信噪比情况

此时噪声幅度远大于输入信号幅度，即

在小信噪比情况下，包络检波器会把有用信号扰乱成噪声，这种现象通常称为“门限效应”：指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被称为“门限”。这种门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。2024/3/2149

结论：在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同；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变坏。思考：相干解调是否会出现门限效应？为什么？2024/3/2150

用同步检波解调各种线性调制信号时，由于解调过程可视为信号与噪声分别解调，所以，解调器输出端总是单独存在有用信号项的，不存在门限效应。2024/3/21514.3角度调制（非线性调制）的原理及抗噪声性能

与线性调制不同，角度调制的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，会产生新的频率成分，故又称为非线性调制。角度调制可分为频率调制（FM）和相位调制（PM）。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。

2024/3/21524.3.1角度调制的基本概念角度调制信号的一般表达式为瞬时相位；瞬时相位偏移；瞬时频率；瞬时频偏。所谓相位调制，是指瞬时相位偏移随基带信号而线性变化的调制。2024/3/2153调相信号可表示为：所谓频率调制，是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化的调制，即则可得调频信号为

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。2024/3/2154

如果将调制信号先微分，再进行调频，则可得到调相信号；如果将调制信号先积分，再进行调相，则可得到调频信号。从以上分析可见，调频与调相并无本质区别，两者之间可以互换。

2024/3/21554.3.2窄带调频与宽带调频

根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（WBFM）与窄带调频（NBFM）。当

时，称为窄带调频。否则，称为宽带调频。

1.窄带调频（NBFM）2024/3/2156经推导可得NBFM信号的频域表达式：进行比较，NBFM与AM带宽相同，即

2024/3/2157

结论：两种调制的相似性和不同处。两者都含有一个载波和位于±ωc处的两个边带，所以它们的带宽相同，都是调制信号最高频率的两倍。不同的是，NBFM的两个边频分别乘了因式1/(ω-ωc)和1/(ω+ωc)，由于因式是频率的函数，所以这种加权是频率加权，加权的结果引起调制信号频谱的失真。另外，有一边频和AM反相。2024/3/2158

由于NBFM信号最大相位偏移较小，占据的带宽较窄。目前仅用于抗干扰性能要求不高的短距离通信中。在长距离高质量的通信系统中，如微波或卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等多采用宽带调频。2024/3/21592.宽带调频（WBFM）为使问题简化，我们先研究单音调制的情况，然后把分析的结果推广到多音情况。（1）单频调制时宽带调频信号的频域表达设单频调制信号为则单音调频信号的时域表达式为：

2024/3/2160调频指数为：

傅氏变换即为频谱：从上式可以看到调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。

（2）单频调制时的频带宽度一个广泛用来计算调频波频带宽度的公式为：

2024/3/2161（3）单频调制时的功率分配因为，调频信号虽然频率在不停地变化，但振幅不变是个等幅波，而功率仅由幅度决定，与频率无关，故它的功率即为：（4）任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽频偏比；最大频率偏移2024/3/21624.3.3调频信号的产生与解调

1.调频信号的产生（1）直接法

就是利用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器（VCO），它的输出频率正比于所加的控制电压，即2024/3/2163（2）间接法

经N次倍频后可以使调频信号的载频和调制指数增为N倍。2024/3/21642.调频信号的解调

（1）非相干解调

最简单的解调器是具有频率-电压转换作用的鉴频器。

2024/3/2165

理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。则微分器输出

用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出：

Kd称为鉴频器灵敏度。

（2）相干解调

2024/3/2166设窄带调频信号为：相干载波：

则乘法器输出为：经低通滤波器滤除高频分量，得再经微分，得输出信号2024/3/21674.3.4调频系统的抗噪声性能调频系统抗噪性能分析与解调方法有关，这里只讨论非相干解调系统的抗噪性能。1.输入信噪比设输入调频信号为：2024/3/2168输入信号功率：输入噪声功率：输入信噪比：2.输出信噪比及调制制度增益（1）大信噪比情况信号和噪声的相互作用可以忽略经推导可以得到：

宽带调频系统制度增益为：2024/3/2169

下面考虑单频调制时的情况，设调制信号为：，则这时的调频信号为：式中解调器输出信噪比：解调器制度增益：宽带调频时，信号带宽为：2024/3/2170所以，上式还可以写成：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。2024/3/2171调频系统与调幅系统的比较：在大信噪比的情况下，调幅信号包络检波器的输出信噪比为：如果调幅信号为100%调制，m(t)为正弦信号B是调幅信号的带宽，通常是基带信号的2倍（B=2fm)2024/3/2172

在大信噪比的情况下，如系统接收端的输入A与n0相同，则宽带调频系统解调器的输出信噪比是调幅系统的倍改善G是以增加带宽换来的结论注意2024/3/2173讨论宽带调频的传输带宽BFM与调幅的传输带宽BAM的关系:BFM=2(Δf+fm)=2(mffm+fm)=2fm(mf+1)=BAM(mf+1)当mf》1时BFM≈BAMmfmf≈BFM/BAM2024/3/2174

宽带调频输出信噪比相对于调幅的改善将与其传输带宽的平方成正比在大信噪比的情况下，调频系统抗噪声性能将比调幅系统优越，且其优越程度将随着传输带宽的增加而提高说明结论2024/3/2175（2）小信噪比情况与门限效应

解调器性能曲线2024/3/21764.4各种模拟调制系统的比较各种模拟调制方式总结（见表4-1）各种模拟调制方式性能比较

抗噪性能，WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM与AM接近。有效性，SSB最好，VSB与SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。

2024/3/2177表4-12024/3/2178性能曲线:2024/3/21793.各种模拟调制方式的特点与应用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