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1、1通信原理-信息学院王学伟05 十一月 20224.1 引言引言4.2 幅度调制的幅度调制的原理原理及抗噪声及抗噪声性能性能 4.2.1 幅度调制的幅度调制的原理原理 4.2.2 线性调制系统的抗噪声线性调制系统的抗噪声性能性能 4.3 非线性调制非线性调制(角度调制角度调制)的的原理原理及抗噪声及抗噪声性能性能 4.3.1 非线性调制的非线性调制的原理原理 4.3.2 非线性调制系统的抗噪声非线性调制系统的抗噪声性能性能 4.4 各种模拟调制系统的各种模拟调制系统的比较比较4.5 频分频分复用复用(FDM)4.6 复合调制及多极调制的复合调制及多极调制的概念概念笫笫笫笫4 4 4 4章章章章
2、笫笫四四章章 模拟调制系统模拟调制系统2通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）4.1 引言引言从消息变换过来的原始信号具有频率较低频从消息变换过来的原始信号具有频率较低频谱谱 重量重量,这种信号在很多信道中不适宜进行传这种信号在很多信道中不适宜进行传输输.载波调制载波调制 按调制信号按调制信号(基带信号基带信号)的变更规律去的变更规律去变更变更 载波某些参数的过程载波某些参数的过程.载波的分类载波的分类 用正弦信号作为载波；用脉冲串或一用正弦信号作为载波；用脉冲串或一组数组数 字信号作为载波。
3、字信号作为载波。3通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n调制的两种方式 模拟(连续调制)和数字调制.n调制在通信系统中的作用 进行频谱搬移,将调制信号转换:1)适合于信适合于信 道传输道传输;2)已调信号便于信道多路频分复用已调信号便于信道多路频分复用.n常用的重要的模拟调制方式 1、用正弦波作为载波的幅度调制包括：调幅AM，双 边带DSB，残留边带VSB，单边带SSB.2、角度调制包括:频率调制FM，相位调制PM.4通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统
4、（模拟调制系统（analog modulative system）4.2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能4.2.1 幅度调制的原理幅度调制的原理n正弦载波为：4.2-1 为载波角频率;为载波的初始相位;A为载波的幅度.5通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n幅度调制是正弦载波的幅度随调制信号作n 线性变更的过程。幅度已调信号可表示成：4.2-2当 时:为基带调制信号.6通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog
5、 modulative system）l设调制信号 的频谱为 。由傅式变换的 频移特性，已调信号 的频谱 u幅度已调信号的频谱u 是基带信号频谱结构在频域内的简洁搬移.u 这种搬移是线性的,因此,幅度调制又称为u 线性调制.4.2-37通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n 线性调制器的一般模型:为带通滤波器图4-18通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l线性调制器模型输出信号的时域和频域
6、 表示式为:时域时域:4.2-44.2-29通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）频域频域:由式4.2-3和时域的卷积定理可得 4.2-5u上述模型称为调制器的一般模型称为调制器的一般模型,在该模型中,适当选择带通滤波器的冲激相应 ,便可得 到各种幅度调制信号.(上次课讲到此处)10通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n双边带DSB信号 图4-1中，如果输入基带信号m(t)没有直流分量 且
7、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抑制载 波双边带(DSB-SC)调制信号.其波形和频谱 如图4-2所示.11通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）12通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）13通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）图4-2 DSB信号的波形
8、及频谱14通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n调幅AM信号 如果输入基带信号 带有直流分量 和交 流分量 ,也是理想带通滤波器的冲 激响应,得到的输出信号便是有载波分量的双 边带信号.l若 ，则该信号为标准调幅信号:l 即：SAMu时域表示:15通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）载波信号DSBSC信号4.2-64.2-7u频域表示:16通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第
9、四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n单边带SSB信号l双边带调制信号包含有两个边带,即上、下边 带.这两个边带包含的信息相同.l在调制器的一般模型中,将带通滤波器设计成 图4-3的带通或带阻形式,带阻(a)将产生上边 带信号，带通(b)将产生下边带信号。频谱如 图4-4所示。17通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）图4-3 形成单边带信号的滤波特性上边带上边带下边带下边带18通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章
10、模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）上边带上边带下边带下边带19通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）图4-4 单边带信号的频谱上边带频谱下边带频谱20通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l单边带信号的时域表示，以下边带的单边调 制为例：u下边带SSB信号,可由一个DSB信号通过理想 低通滤波器获得.令下边带信号频谱为 .由式4.2-5得:4.2-8
11、21通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）带通滤波器的频率特性可表示为：4.2-94.2-10将式4.2-9代入式4.2-8得：4.2-822通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）图4-4 单边带信号的频谱23通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）由于4.2-114.2-1224通信原理-信息
12、学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）是 的希尔伯特变换,故得到下边带 SSB信号的时域表示式为:4.2-134.2-14同理可得上边带SSB信号的时域表示式为:25通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n残留边带VSB信号l 双边带信号调制占用频带宽,单边带实现上较 困难.残留边带调制是介于双边带与单边带之 间的一种线性调制.残留边带信号的频域表示 式为:4.2-1526通信原理-信息学院王学伟05 十一
13、月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l残留边带滤波器的特性 接收端如果采用同步解调法进行解调,如 图4-5所示.相乘器输出信号应为残留边带 信号 与同步载波 的乘积.该乘积信 号的频谱应等于 和 相应频谱的卷 积,即 4.2-1627通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 残留边带滤波器的传输特性的意义:低通滤波器图4-5 同步解调法组成方框图28通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（
14、模拟调制系统（analog modulative system）4.2-174.2-18所以由式4.2-16和式4.2-17可得:u若设同步载波 ,其频谱为:29通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）因为4.2-194.2-1830通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）式4.2-19代入式4.2-18得:4.2-20式中,与 是 搬移到 处的频谱.它可由解调中解调中的低通滤波器滤除的低通滤波器
15、滤除.低 通滤波器输出的频谱为:31通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）4.2-214.2-22 a4.2-22 b上式中c为常数.由于 信号带宽为 ,即 时 .所以,上式4.2-22a成立的条件为 即残留边带滤波器传输特性 必须满足的条件为:为了准确地获得 ,上式中 必须满足:32通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 残留边带滤波器的传输特性的意义:低通滤波器图4-5 同步解调法组成方
16、框图33通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）34通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）图4-6 残留边带滤波器的几何说明35通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u结论u 只要残留边带滤波器的截止特性 在载频处具有u 互补对称特性,接受同步解调法解调残留边带信u 号就 能精确地复原所需的基带
17、信号.u滤波器截止特性的影响u 假如滤波器截止特性特别陡峭,那么所得到的残u 留边带信号便接近单边带信号;假如滤波器截止u 特性的陡峭程度变差,则残留部分就自然增多,残u 留边带信号所占据的带宽也越宽,甚至越来越逼u 近双边带信号.36通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）4.2.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能问题问题 信道存在加性高斯白噪声时信道存在加性高斯白噪声时,各种线各种线性调制系统性调制系统 的抗噪声性能的抗噪声性能.通常认为加性噪声只对信号的接收产生影通常认为
18、加性噪声只对信号的接收产生影响响,故调制故调制 系统的抗噪声性能是利用解调器的抗噪系统的抗噪声性能是利用解调器的抗噪声实力来衡声实力来衡 量量.信噪比信噪比 信号与噪声的平均功率之比信号与噪声的平均功率之比.37通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n 解调器的模型+带通滤波器解调器已调信号高斯白噪声带通型噪声基带信号解调器输出噪声图4-7 分析解调器性能的模型(1)的平均功率的平均功率(4)的直流功率的直流功率(5)方差，方差，的交流功率的交流功率38通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2
19、022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l解调器输入噪声是带通型噪声，通常是一个 窄带高斯噪声 :4.2-234.2-24或写成u 、和 具有相同的平均功率 (方差):4.2-254.2-26 或记为39通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u解调器输入噪声 具有带宽B,输入噪声平 均功率为:4.2-274.2-28l设经解调器解调后得到有用基带信号记为 ,解 调器输出噪声记为 ,解调器输出信号的平均功率 与输出噪声平均功率 之比可表
20、示为:40通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）n调制制度增益G 解调器输出信噪比与输入信噪比的比值.nDSB调制系统的性能l DSB信号的解调器为同步解调器,由相乘器和 低通滤波器构成.4.2-2741通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u 若解调器输入信号为4.2-29 其平均功率为:42通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analo
21、g modulative system）u若同步解调器中相干载波为 ,则解调 器输出信号为:滤掉 输出有用信号功率为:4.2-3043通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u同步解调相乘器输出的噪声 为:解调器的低通滤波滤除44通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u 输出噪声功率为:4.2-314.2-3245通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调
22、制系统（analog modulative system）u 解调器输入信噪比为:4.2-334.2-34u 解调器输出信噪比为:u调制制度增益(DSB调制系统)为:4.2-35结论：结论：DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。信号的解调器使信噪比改善一倍。46通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）nSSB调制系统的性能nSSB信号解调与DSB信号解调方法的区分n 解调方法相同,区分是解调之前的带通滤波器.n SSB带通滤波器只让一个边带信号通过；DSBn 带通滤波器让两个边带信号通过.前者带宽
23、是n 后者的一半.n单边带信号解调器输入噪声与输出噪声为:4.2-3647通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 解调器的输入信号为:4.2-37 是 的所有频率成分都相移 的信号(希尔伯特变换),“+”形成下边带,“”形成上边带.l 单边带解调器输入信号功率 为:4.2-3848通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 单边带解调器输入信号功率 为:4.2-38u 所以得4.2-394.2
24、-40u由于 与 具有相同的功率谱密度或相同的平均功率,故有:49通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 单边带解调器输出功率 由输出信号m0(t)推导得到:u 通过滤波:50通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u 输出功率 为:4.2-414.2-42l单边带解调器输入信噪比为:4.2-4051通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（an
25、alog modulative system）l 单边带解调器输出信噪比为:4.2-434.2-44l 调制制度增益为:4.2-3652通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）nAM系统的性能nAM信号可用同步检测和包络检测两种方法n 解调.实际中,AM信号的解调器几乎都用包络n 检波器(线性检波或平方律检波).下面主要结n 合线性包络检波器探讨.n解调器输入信号为:4.2-45u式中：A|m(t)|max 53通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制
26、系统（analog modulative system）4.2-46l 解调器输入信号功率 和噪声功率 为:u输入噪声 为:4.2-474.2-4854通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）l 检波器输入端信号加噪声的合成包络：4.2-494.2-50u 其中:4.2-51当包络检波器的传输系数 时,就 是检波器的输出。包络 中的信号和噪声存在着非线性关系.55通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative syst
27、em）故:l 包络检波器输出端的信号功率 和噪声功 率 :u大信噪比情况条件:由4.2-5056通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）4.2-5257通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）包络检波器输出的有用信号是 ,输出噪 声是 。输出信号功率S0和噪声功率N0分别为：4.2-5358通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog mo
28、dulative system）故:调制制度增益为:4.2-544.2-55结论：结论：AM信号检波器的G随A的减小而增加,但A不小于 。59通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）100%调制时调制制度增益:此时,且 又是正弦型信 号,有:4.2-564.2-57 调制制度增益:4.2-5560通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）Z结论结论1：G=2/3是包络检波器能够得到的最大是包络检波器
29、能够得到的最大Z 信噪比改善值。信噪比改善值。Z结论结论2：若接受同步检测法解调：若接受同步检测法解调AM信号得到信号得到Z 的调制制度增益也为：（证明略）的调制制度增益也为：（证明略）同步检测器的调制制度增益G不受信号与噪 声相对幅度假设条件的限制,G对一切噪声均 值都相同。61通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）u小信噪比状况u条件:此时有:4.2-504.2-5862通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulati
30、ve system）简化:4.2-5863通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）64通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog modulative system）Z结论:1、检波器输出端没有单独的信号项,只有受 调制的 项。2、是依赖于噪声变化的随机函数,他 也是一个随机噪声。3、信号 被包络检波器扰乱,使 也只能看作是噪声。65通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022 第四章第四章 模拟调制系统（模拟调制系统（analog
31、modulative system）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.该特定的信噪比被称为“门限效应”.同步解调器不存在门限效应.结论 大信噪比状况下,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.66通信原理-信息学院王学伟05 十一月 2022第第二二章章 随机信号分析随机信号分析(analysis of random signal)u作业作业7u思索题思索题u 41；42；43；u习习 题题u 315；41；42；运用；运用matlab画图，要求规范，交电子文档程画图，要求规范，交电子文档程序和图形；序和图形；u 4 3选作选作