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1、1第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 基本概念基本概念 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。 载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程。 调制信号 指来自信源的基带信号 载波信号 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。（用于传递消息的信号） 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。 2第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 调制的目的 u使已调信号的频谱与信道的带
2、通特性相匹配。u把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。u扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。 调制分类 u依调制信号不同分：模拟调制和数字调制u依载波信号不同分：连续波调制和脉冲调制u依载波参数不同分：幅度、频率、相位调制或脉宽、脉幅、脉位调制u依已调信号频谱结构分：线性调制和非线性调制3第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统常见的模拟调制u幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带u角度调制：频率调制、相位调制 本章研究的内容u线性调制和非线性调制的原理u线性调制的抗噪声性能分析u频分复用 学习中注意的问题u调制与解
3、调的方框图u已调信号的数学表达式、波形及其频谱u信号调制、解调前后的频带变化u调制系统的抗噪声性能4第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统5.1幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理一般原理u表示式：设：正弦型载波为式中，A 载波幅度； c 载波角频率； 0 载波初始相位（以后假定0 0）。 则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成式中， m(t) 基带调制信号。()0( )coscc tAtwj=+( )( )cosmcstAm ttw=5第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频谱设调制信号m(t)的频谱为M()，则已调信号的频谱为u由以上表示式可见，在波形上，已调信
4、号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。但应注意，这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。 ( )()()2mccASMMwwwww=+-6第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统5.1.1调幅（AM）u时域表示式式中 m(t) 调制信号，均值为0； m0 常数，表示叠加的直流分量。u频谱：若m(t)为确知信号，则AM信号的频谱为若m(t)为随机信号，则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述。u调制器
5、模型00( )( )coscos( )cosAMcccstmm ttmtm ttwww=+=+01( ) ()()()()2AMccccSmMMwpd wwd wwwwww=+-+-7第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u波形图和频谱图8第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 由波形可以看出，当满足条件：|m(t)| max m0 时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号。否则，出现“过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调法，如同步检波。 由频谱可以看出，AM信号的频谱由载频分量、上边带、 和下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号
6、的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。9第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uAM信号的特性 带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽 fH 的两倍： 功率：当m(t)为确知信号时，若则式中Pc = A02/2 载波功率， 边带功率。2AMHBf=22202222200( )( ) coscos( )cos2( )cosAMAMccccPstAm ttAtm ttA m ttwwww=+=+( )0m t =220( )22AMcSAmtPPP=+=+2( )/2sPm t=10第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 调制效率 由上述可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部
7、分。只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率：当m(t) = Am cos mt时，代入上式，得到当|m(t)|max = A0时（100调制），调制效率最高，这时max 1/3()()2220SAMAMmtPPAmth=+22( )/2mmtA=()()222222002mAMmmtAAAAmth=+11第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.1.2 双边带调制（DSB）u时域表示式：无直流量A0u频谱：无载频分量 u曲线：( )( )cosDSBcstm ttw=1( )()()2DSBccSMMwwwww=
8、+-12第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u调制效率：100u优点：节省了载波功率u缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。 5.1.3 单边带调制（SSB）u原理： 双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M()的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。 产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。 13第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图 用边带滤波器，滤除不要的边带: 图中，H()为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：则可滤除下边带。若具有如下
9、理想低通特性：则可滤除上边带。1,( )( )0,cUSBcHHwwwwww= 1,( )( )0,cLSBcHHwwwwww= - +220( )( )( )( )csE tAm tn tn t=+22200( )( )2( )( )( )( )ccsE tAm tAm t n tn tn t=+200120000( )2( )( )2( )( ) 1( )( )( ) 1( )cccAm tAm t n tn tAm tAm tn tAm tAm t+轾犏+犏+臌轾犏+犏+臌0( )( )cAm tn t=+12(1)1,12xxx+ +当时50第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统由上式可
10、见，有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别计算它们的功率。输出信号功率为输出噪声功率为故输出信噪比为制度增益为2o( )Sm t=22o0( )( )ciNn tn tn B=2oo0( )Sm tNn B=2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t=+51第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统讨论1. AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加。2. GAM总是小于1，这说明包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。3. 例如：对于100%的调制，且m(t)是单频正弦信号，这时AM 的最大信噪比增益为4. 可以证明，采用同步检测法解调AM信号时，得到的调制制度增益与
11、上式给出的结果相同。 5. 由此可见，对于AM调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的性能与同步检测器时的性能几乎一样。2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t=+23AMG=52第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 小信噪比情况此时，输入信号幅度远小于噪声幅度，即包络变成其中R(t) 和 (t) 代表噪声的包络及相位：220( )( )( )csAm tn tn t+ +( )( ) 1cos ( )( )Am tR t tR t轾+犏+犏臌02( )( )( ) 1cos ( )( )Am tE tR t tR t+=+12(1)1(12xxx+ ）( )( )
12、cos ( )R tAm t t=+54第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统讨论1. 门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。 2. 用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。3. 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。但当输入信噪比低于门限值时，将会出现门限效应，这时解调器的输出信噪比将急剧恶化，系统无法正常工作。55第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.3 非线性调制（角度调制）的原理非线性调制（角度调制）的原理 前言u频率调制简称调频(FM)，相位调制简称调相(PM)。u这
13、两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化。u角度调制：频率调制和相位调制的总称。u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。u与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。 56第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.3.1角度调制的基本概念 uFM和PM信号的一般表达式角度调制信号的一般表达式为式中，A ：载波的恒定振幅； ：信号的瞬时相位； ：瞬时相位偏移。 ：称为瞬时角频率 ：称为瞬时频率偏移。( )( )c t t t+=( )cos( )mcstA
14、t t=+( ) t( )/( )cd t tdt t+=( )/d tdt57第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u相位调制(PM)：瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，即式中Kp 调相灵敏度，含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量，单位是rad/V。将上式代入一般表达式得到PM信号表达式( )( )p tK m t=( )cos( )PMcpstA tK m t=+( )cos( )mcstA t t=+58第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频率调制(FM)：瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，即式中 Kf 调频灵敏度，单位是rad/sV。 这时相位偏移为将其代入一般表达式得到FM
15、信号表达式( )( )fd tK m tdt=( )( )tftKmd- =jtt( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wtt( )cos( )mcstA t t=+59第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uPM与 FM的区别 比较上两式可见， PM是相位偏移随调制信号m(t)线性变化，FM是相位偏移随m(t)的积分呈线性变化。 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。( )cos( )PMcpstA tK m t=+( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wtt60第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u单音调制FM与PM设调制
16、信号为单一频率的正弦波，即 用它对载波进行相位调制时，将上式代入 得到式中，mp = Kp Am 调相指数，表示最大的相位偏移。( )coscos2mmmmm tAtAf t=wp( )cos( )PMcpstA tK m t=+PM( )coscoscpmmstAtK At=+wwcosscpmAtm cot=+ww61第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统用它对载波进行频率调制时，将代入得到FM信号的表达式式中调频指数，表示最大的相位偏移最大角频偏 最大频偏。 ( )coscos2mmmmm tAtAf t=wpFM( )coscostcfmmstAtK Ad- =+ww t t( )cos
17、( )tFMcfstAtKmd- =+wttcosncfmAtm sit=+wwfmfmmmK AfmfDD=wwwfmK AD=wfmfmfD=62第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uPM 信号和FM 信号波形 (a) PM 信号波形 (b) FM 信号波形 63第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uFM与PM之间的关系由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，所以FM与PM之间是可以相互转换的。 比较下面两式可见 如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；同样，如果将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫间接调频。 ( )cos( )PM
18、cpstAtK m t=+( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wtt64第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统方框图 （a）直接调频 （b）间接调频 (c) 直接调相 (d) 间接调相65第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.3.2 窄带调频（NBFM）u定义：如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足下式条件 则称为窄带调频；反之，称为宽带调频。( )0.56tfKm d- （或）66第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u时域表示式将FM信号一般表示式展开得到当满足窄带调频条件时，故上式可简化为( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wttcoscos( )sinsin(
19、)ttcfcfAtKmdAtKmd- - =-蝌wttwtt1( )tfKm d- cos( )1sin( )( )tfttffKmdKmdKmd- - - 蝌tttttt( )os( )sintNBFMcfcstActAKmdt- -wttw67第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频域表示式利用以下傅里叶变换对可得NBFM信号的频域表达式( )( )cos ()()sin ()()ccccccm tM t tj +-+-( )( )M m t dtj（设m(t)的均值为0） ()()1( )sin2cccccMMm t dttwwwwwwwww轾+-犏-犏+-臌NBFM( ) ()()cc
20、sA=+-wpd wwd ww()()2fccccAKMM轾-+犏+-犏-+臌wwwwwwww68第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uNBFM和AM信号频谱的比较两者都含有一个载波和位于 处的两个边带，所以它们的带宽相同不同的是，NBFM的两个边频分别乘了因式1/( - c)和1/( + c) ，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，NBFM的一个边带和AM反相。1( ) ()()()()2AMccccSAMM=+-+-wpd wwd wwwwwwNBFM( ) ()()ccsA=+-wpd wwd ww()()2fccccAKMM轾-+犏+-
21、犏-+臌wwwwwwwwcw69第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uNBFM和AM信号频谱的比较举例以单音调制为例。设调制信号 则NBFM信号为AM信号为按照上两式画出的频谱图和矢量图如下：( )cosmmm tA t=( )cos( )sintNBFMcfcstAtAKmdt- -wttw1cossinsincmfmcmAtAA Ktt=-wwwwcoscos()cos()2mFccmcmmAA KAttt=+-wwwwww(cos)cosAMmmcsAAtt=+wwscoscoscmmcAcotAt=+wwwcoscos()cos()2mccmcmAAttt=+-wwwww70第第5章章
22、 模拟调制系统模拟调制系统p频谱图71第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p矢量图 (a) AM (b) NBFM在AM中，两个边频的合成矢量与载波同相，所以只有幅度的变化，无相位的变化；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，所以NBFM不仅有相位的变化，幅度也有很小的变化。这正是两者的本质区别 。由于NBFM信号最大频率偏移较小，占据的带宽较窄，但是其抗干扰性能比AM系统要好得多，因此得到较广泛的应用。 72调制方式传输带宽设备复杂程度主要应用AM2fm简单中短波无线电广播DSB2fm中等应用较少SSBfm复杂短波无线电广播、话音频分复用、载波通信、数据传输V
23、SB略大于fm 近似SSB复杂电视广播、数据传输FM中等超短波小功率电台（窄带FM）；调频立体声广播等高质量通信（宽带FM）第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较oo/SNoo0AM13imSSNn f骣骣鼢珑鼢 =珑鼢珑鼢珑桫桫oo0DSBimSSNn f骣骣鼢珑鼢 =珑鼢珑鼢珑桫桫oo0SSBimSSNn f骣骣鼢珑鼢 =珑鼢珑鼢珑桫桫2(1)fmmf+2oo0FM32ifmSSmNn f骣骣鼢珑鼢 =珑鼢珑鼢珑桫桫73第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 抗噪声性能u WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗
24、噪声性能最差。u右图画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。u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。u当输入信噪比较高时，FM的调频指数mf越大，抗噪声性能越好。74第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 频带利用率 SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，其频带利用率最低。可以说，FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。因此， mf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话
25、系统）采用WBFM， mf值选大些。对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用mf 较小的调频方式。75第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 特点与应用uAM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。uDSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。uSSB调制：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。SSB常用于频分多路复用系统中。uVSB调制：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播、数传
26、等系统中得到了广泛应用。uFM： FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。76第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.6 频分复用频分复用(FDM)和调频和调频(FM)立体声立体声 5.6.1 频分复用（FDM）u目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率u原理77第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u典型例子：多路载波电话系统每路电话信号的频带限制在3003400Hz，在各路已调信号间留有防护频带，每路电话信号取4 kHz作为标准带宽 层次结构：12路电话复用为一个基群；5个基群复用为一个超群，共60路电话；由10个超群复用为一个主群，共600路电话。如果需要传输更多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群。 基群频谱结构图载波频率 ()644 12kHzcNfN=+-78第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uFDM 技术主要用于模拟信号，普遍应用在多路载波电话系统中。其主要优点是信道利用率高，技术成熟；缺点是设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和传输过程中，调制、解调等过程会不同程度地引入非线性失真，而产生各路信号的相互干扰。