线性调制（AM）课件讲解

通信原理课程负责人：殷玲Telmail:258475723@项目4模拟信号的调制传输项目描述调制就是把信号形式转换成适合在信道中传输的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。本书中调制一词均为载波调制。载波调制就是利用调制信号去控制载波的参数，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律变化。调制信号是指来自信源的基带信号，这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。载波是指未经调制的周期性振荡信号，可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。载波受调后成为已调信号，它含有调制信号的全部特征。解调则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。教学目标掌握线性调制模拟信号。百学须先立志思政育人懂模拟调制，联系自身优势；面对挫折和困难，灵活变换。百学须先立志线性调制解调模拟信号任务22.1常规双边带调幅

幅度调制（线性调制）是使正弦载波的振幅按照模拟消息信号的变化规律成比例地变化。幅度调制有4种方式AMDSBSSBVSB常规双边带调幅抑制载波双边带调制单边带调制残留边带调制1.AM信号的产生图4.1AM调制模型

2．AM信号的波形与频谱AM信号的时域表达式：

（4-2-1）式中，

为载波角频率。利用以下傅里叶变换对：（4-2-2）则可由式（4-2-1）写出AM信号的频域表达式：其波形和频谱（幅度谱）示意图:图4-2AM信号的波形和频谱由图可见：（1）AM波的包络反映了基带信号

的变化规律，可进行包络检波。（2）AM的频谱由载频分量和上、下对称的两个边带组成

线性调制（3）已调信号的频谱仅仅是基带信号频谱的简单搬移（4-2-3）

注意：上述结果必须符合以下两个条件。①

(4-2-4)否则，将发生“过调幅（overmodulation）”现象，如图4-3所示。

“=”成立时，称为临界调幅（也称满调幅）。图4-3“过调幅”现象

(4-2-5)否则，已调信号的频谱将会发生混叠，包络检波也将产生失真。3．AM信号的功率与效率AM信号的平均功率为(4-2-6)式中，

为载波功率，为边带功率。其中，只有边带功率Pm才与信息信号有关，而载波分量并不携带信息。

定义为边带功率在已调信号功率中所占的比例即(4-2-7)由于

，则有

，所以AM的调制效率

。

【例4-1】

设基带信号为单音余弦，即,求满调幅时的调制效率。

解：将基带信号的均方值,代入式（4-2-7）可得在满调幅（

=

）时，有(4-2-8)

评注：此时AM的最大调制效率仅为

，即33.3%。这意味着AM的调制效率很低，原因在于载波分量不携带信息却占用了大部分功率。，2.2抑制载波双边带调制

图4-4DSB信号的波形和频谱由图可见：

（2）DSB频谱中没有载波分量，因此，调制效率达到100%。问题：DSB信号的带宽与AM相同，仍是基带信号带宽的两倍，即这就引发出一种想法：能否只传输DSB其中的一个边带呢？2.3单边带调制

1.SSB信号的产生滤波法：先产生一个DSB信号，然后用边带滤波器滤H(w)掉一个边带，即可得到SSB信号。图4-5滤波法产生SSB的模型若为高通滤波器，则产生上边带（USB）信号；若为低通滤波器，则产生下边带（LSB）信号。图4-6边带滤波器特性图4-7SSB信号的频谱滤波法的技术难点在于：边带滤波器很难制作。在实际中往往采用多级调制滤波法。相移法：原理是利用相移网络，使DSB信号的上下边带的相位符号相反，以便在合成过程中消除其中的一个边带。图4-8相移法产生SSB的模型SSB信号的时域表达式：式中，

是

的希尔伯特变换。希尔伯特变换滤波器是一个宽带相移网络，其作用是将的所有频率分量都移相，而幅度不变。2.4残留边带调制

残留边带调制（VSB）是介于SSB与DSB之间的一种折衷方式，见图4-9。它既能克服DSB信号占用频带宽的缺点，又能避免SSB实现上的难题。图4-9DSB、SSB和VSB信号的频谱1．VSB滤波器特性滤波法产生VSB信号的模型与SSB类似，区别在于：SSB的滤波器必须在载频处具有陡峭的截止特性；VSB的滤波器只需在载频附近具有圆滑的滚降特性，因而容易制作。要求：Hv(w)应在载频两边具有互补对称（奇对称）的滚降特性。

图4-10滤波法产生VSB的模型

图4-11Hv(w)特性1、AM特点与应用AM的优势在于接收机（可采用包络检波）简单、价格低廉。AM方式广泛用于中短波的调幅广播。2．SSB特点与应用SSB只传输DSB信号中的一个边带，

，所以频谱利用率最高。广泛用于短波通信、多路载波电话和移动通信等系统中。3．VSB特点与应用VSB克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现中的困难，被广泛用于电视广播系统中。

2.5线性调制的解调

图4-12相干解调器模型解调（也称检波）是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号

中恢复出基带信号

。解调方法可分为两类：相干解调和非相干解调（如包络检波）。

1．相干解调组成：相乘器和低通滤波器（LPF）。适用：AM、DSB、SSB、VSB信号的解调。例如：DSB信号

当本地载波与发送载波

同频同相时，即称为收发双方载波同步。这时，乘法器的输出为低通滤波器滤掉

分量后，解调输出为可见，当载波同步时，可以无失真地恢复基带信号

。若

，(4-2-17)解调输出为(4-2-18)式中，

称为载波同步误差（相位误差）。由于,使得

，导致解调输出信号幅度衰减。若

是一个随机量，则解调输出将产生失真。

同频不同相即

时，乘法器的输出为结论：相干解调的关键是接收端必须提供一个与接收信号的载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波）。

图4-13AM信号通过包络检波器及其输出波形

2．包络检波包络检波是指从已调波的幅度中直接提取（检出）原消息信号的波形。组成：整流器和低通滤波器适用：AM信号的解调条件：

设，则检波输出为隔掉直流A0，则可还原消息信号。包络检波器的电路简单，不需要相干载波，因而AM接收机几乎无例外地采用这种电路。【例4-2】

消息信号

的波形如图4-14所示，试画出DSB信号及其通过包络检波器后的波形，并与图4-13中的AM信号通过包络检波器后的波形进行比较。

解：DSB信号可表示为其波形及其通过包检后的波形分别如图4-15（a）和4-15（b）所示。

图4-15DSB信号及其通过包检后的波形

评注：DSB信号的检波输出不再是消息信号

的模样，这表示DSB信号不能直接采用包络检波；而AM信号在满足

的情况下可采用包络检波恢复

。图4-14波形2.6线性调制的抗噪声性能

1．分析模型由于信道加性噪声主要对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可用解调器的抗噪声性能来衡量。分析模型如图4-16所示。

图4-16分析模型BPF的作用是滤除已调信号频带以外的噪声，其传输特性如图：

图4-17带通滤波器的传输特性已调信号信道加性高斯白噪声若假设

的单边功率谱密度为

，则解调器输入噪声

的平均功率为

（4-2-20）此式对于各种调制方式都成立，只是带宽B的大小不同而已。为了保证信号无失真通过的同时，又能最大限度地抑制噪声，B应等于已调信号的频带宽度。解调器可以是相干解调器（见图4-12）—用于各种幅度已调信号的解调，或是包络检波器（见图4-13）—用于AM信号的解调，或是鉴频器—用于FM信号的解调。2．性能指标输出信噪比

（4-2-21）其值与调制方式有关，也与解调方式有关。传输语音信号要求So/No>26dB，传输电视图像要求So/No>40dB。信噪比增益（也叫制度增益）：

（4-2-22）式中，

为解调器输入信噪比：

（4-2-23）线性调制相干解调系统的抗噪声性能线性调制（幅度调制）—DSB、SSB、VSB和AM信号均可采用相干解调器来接收。这时，图4-24所示的分析模型中的解调器应为相干解调器，如图4-18所示。由于相干解调器满足线性叠加，所以信号与噪声可以分开处理。图4-18线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型设解调器的输入已调信号

分别为

DSB信号：（4-2-24）SSB信号：（4-2-25）它与相干载波

相乘，再经低通滤波器（LPF）滤去2分量后，得到解调输出为对于DSB：

（4-2-26）对于SSB：

（4-2-27）因此，输出信号平均功率为对于DSB：

（4-2-28）对于SSB：

（4-2-29）解调器的输入噪声

可表示为同相分量

与正交分量

的组合形式：

（4-2-30）它与相干载波

相乘后的结果为

=（4-2-31）经过低通滤除2分量后，解调器输出噪声为

（4-2-32）输出噪声的平均功率为

（4-2-33）因为窄带噪声

及其同相分量

和正交分量

具有相同的平均功率，即

（4-2-33）所以

（4-2-34）注意：式（4-4-16）对于各种线性调制采用相干解调时都成立。只是接收DSB信号时

。由式（4-4-9）、式（4-4-10）及式（4-4-16）可得解调器的输出信噪比

对于DSB：

（4-2-35）

对于SSB：

（4-2-36）接收SSB信号时而已。解调器输入信号的平均功率可由

的均方值求得

对于DSB：

（4-2-37）

对于SSB：

（4-2-38）解调器输入噪声的平均功率与式（4-4-1）相同，即

（4-2-39）因此，解调器的输入信噪比为

对于DSB：

（4-2-40）

对于SSB：

（4-2-41）信噪比增益为

（4-2-42）

（4-2-43）

讨论：（1）DSB的制度增益为2，即解调器输出信噪比是输入信噪比的2倍，表示信噪比改善了一倍。这是因为相干解调过程中，输入噪声中的正交分量ns(t)被消除的缘故。（2）SSB的制度增益为1，表示信噪比没有改善。这是因为SSB信号和噪声有相同表示形式（同相和正交），在相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，所以信噪比没有改善。（3），能否说明DSB系统的抗噪声性能比SSB系统好呢？不能，因为在上述分析中，两者的输入信号功率、输入噪声功率和带宽不同。如果给定相同的输入信号功率Si和噪声功率谱密度n0条件下，DSB和SSB的输出信噪比是相同的，即两者的抗噪声性能一样。（4）VSB系统的抗噪声分析方法及结果与SSB相似。（5）AM系统的抗噪声分析方法与DSB相似，分析结果为

（4-2-44）

图4-19AM包络检波的抗噪声性能分析模型设AM信号为

（4-2-45）式中，调制信号

的均值为0，且满足

的条件。解调器输入噪声为

（4-2-46）则解调器输入信号功率

和输入噪声功率

分别为

（4-2-47）

（4-2-48）AM包络检波系统的抗噪声性能故输入信噪比为

（4-2-49）解调器输入是信号加噪声的合成波形，即

（4-2-50）其中

（4-2-51）为合成波的包络，也是理想包络检波器的输出。由式（4-4-32）可知，检波输出

中的信号与噪声存在非线性关系。为了便于分析，考虑以下两种特殊的输入情况大信噪比情况小信噪比情况1．大信噪