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1、第五章第五章 模拟调制系统模拟调制系统本章大纲：本章大纲：本章大纲：本章大纲：l各种线性调制与解调的方法各种线性调制与解调的方法 （调幅、抑制载波双边带调幅、单边带调幅、残留边（调幅、抑制载波双边带调幅、单边带调幅、残留边带调幅）带调幅）l线性调制的一般模型线性调制的一般模型l线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能l调频和调相（非线性调制）的基本概念调频和调相（非线性调制）的基本概念信号进行传输时，发送端必须将信号进行信号进行传输时，发送端必须将信号进行调制调制后才能发后才能发送，接收端则需要送，接收端则需要解调解调后再恢复成原始信号。后再恢复成原始信号。调制的功能：调制的功能：频率
2、变换；频率变换；实现信道复用；实现信道复用；提高抗干扰性能；提高抗干扰性能；载波调制载波调制，即用调制信号去控制载波的参数。，即用调制信号去控制载波的参数。调制信号信源（基带信号），可以是模拟或数字的调制信号信源（基带信号），可以是模拟或数字的载波高频正弦波或非正弦波（脉冲序列）载波高频正弦波或非正弦波（脉冲序列）控制的参数幅度、频率或相位。控制的参数幅度、频率或相位。5.1 幅度调制的原理幅度调制的原理幅度调制技术又进一步可分为：幅度调制技术又进一步可分为：残留边带调制残留边带调制(Vestigial Side Band Modulation)单边带调制单边带调制(Single Side B
3、and Modulation)抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅(Double Side Band Modulation-Suppress Carrier)常规双边带调幅常规双边带调幅(Amplitude Modulation)用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号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。的规律变化。设正弦型载波为：设正弦型载波为：要调制的信号为：要调制的信号为：m(t)将将m(t)叠加上一个直流分量叠加上一个直流分量A0后，幅度调制信号可表示为：后，幅度调制信号可表示为：1.调制原理调制原理（设其平均值为（设其平均值为0）常规双边带调幅常规
4、双边带调幅(Amplitude Modulation)2.数学模型数学模型A0c(t)sAM(t)m(t)（均值为（均值为0）（直流）（直流）3.调制信号及已调信号的时域波形：调制信号及已调信号的时域波形：m(t)tm(t)+A0tA04.调幅信号的频谱表示调幅信号的频谱表示已调信号已调信号sAM(t)=m(t)+A0cos ct的频谱为：的频谱为：设调制信号设调制信号m(t)的频谱为的频谱为M()，则则m(t)+A0SAM()SAM()-c-m-c c+m 0 c-m c c+m 2A0()-m 0 m 直流分量直流分量交流分量交流分量上边带上边带下边带下边带载频分量载频分量2B4B基带信号
5、频谱基带信号频谱调幅信号的频谱调幅信号的频谱5.调幅信号的功率分配调幅信号的功率分配调幅波的平均功率：调幅波的平均功率：其中载波功率：其中载波功率：边带功率：边带功率：可见，调幅波的平均功率由载波功率和边带功率两部分组可见，调幅波的平均功率由载波功率和边带功率两部分组成。而只有边带功率才包含有用的信号成份。成。而只有边带功率才包含有用的信号成份。边带功率与平均功率之比称为边带功率与平均功率之比称为调制效率调制效率：调幅信号的效率比较低。调幅信号的效率比较低。但要求已调信号不产生但要求已调信号不产生过调幅现象过调幅现象。可用可用包络检波器包络检波器解调出原始信号。解调出原始信号。6.调幅信号的解
6、调调幅信号的解调m(t)tsAM(t)t因此要求：因此要求：过调幅现象过调幅现象信号包络信号包络在调幅波公式中令调制信号的直流分量在调幅波公式中令调制信号的直流分量A0=0，就可以得到就可以得到双边带信号。双边带信号。m(t)不包括直流分量的调制信号，即其平均值为不包括直流分量的调制信号，即其平均值为01.调制原理调制原理抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅(Double Side Band Modulation-Suppress Carrier)2.原理框图及时域波形原理框图及时域波形调制信号调制信号已调信号已调信号m(t)cosctsDSB(t)m(t)t3.已调信号的频谱已调信号的频谱0
7、 M()sDSB()-c 0 c 2B4B双边带信号中当双边带信号中当 m(t)极性改变时会出现极性改变时会出现反相点反相点，在调，在调幅中是不允许存在的。幅中是不允许存在的。双边带调制后的信号所占有的频带宽度和调幅时一样，双边带调制后的信号所占有的频带宽度和调幅时一样，比原始信号的频带要扩展一倍。比原始信号的频带要扩展一倍。双边带信号可看作是双边带信号可看作是极限情况下的过调幅波形极限情况下的过调幅波形，因此，因此在接收时不能采用简单的包络检波器。在接收时不能采用简单的包络检波器。双边带信号频谱内不存在载频分量，因此节省了载频双边带信号频谱内不存在载频分量，因此节省了载频功率，使调制效率提高
8、到功率，使调制效率提高到100。AM与与DSB的比较与总结的比较与总结调制方式调制方式AMDSB已调信号已调信号时域波形时域波形sAM(t)t已调信号已调信号频谱频谱SAM()sDSB()调制效率调制效率50100带宽带宽基带信号的两倍基带信号的两倍基带信号的两倍基带信号的两倍区别区别需要在基带信号上叠加直流分量，使需要在基带信号上叠加直流分量，使已调信号不发生过调幅现象。已调信号不发生过调幅现象。需要抑制基带信号中的直流分量，需要抑制基带信号中的直流分量，已调信号为极限过调幅波形。已调信号为极限过调幅波形。由于在双边带信号频谱内上下边带所携带的信息相同，由于在双边带信号频谱内上下边带所携带的
9、信息相同，只要利用其中一个边带来传输信息就足够了，这样就只要利用其中一个边带来传输信息就足够了，这样就产生了单边带调制。产生了单边带调制。形成单边带信号的方法有多种，最基本的方法有形成单边带信号的方法有多种，最基本的方法有滤波滤波法法和和相移法相移法。单边带调制单边带调制(Single Side Band Modulation)1.滤波法产生单边带信号滤波法产生单边带信号(1)原理原理HSSB()m(t)cosctsSSB(t)sDSB(t)sDSB()-c 0 c sDSB()-c 0 c -c 0 c HSSB()(2)单边带信号的带宽、功率和调制效率单边带信号的带宽、功率和调制效率其带宽
10、为双边带信号的一半，与基带信号带宽相同。其带宽为双边带信号的一半，与基带信号带宽相同。由于仅包含一个边带，因此单边带信号的功率为双边由于仅包含一个边带，因此单边带信号的功率为双边带信号的一半，即：带信号的一半，即：SSB信号不含有载波成分，单边带幅度调制的效率也为信号不含有载波成分，单边带幅度调制的效率也为100。具有这种理想特性的滤波器很难实现。具有这种理想特性的滤波器很难实现。用滤波法产生用滤波法产生单边带单边带信号的特点：信号的特点：原理框图简洁、直观；原理框图简洁、直观；v要求滤波器具有理想的带通特性，能最大程度地抑制要求滤波器具有理想的带通特性，能最大程度地抑制无用边带，保证有用边带
11、全部通过。无用边带，保证有用边带全部通过。2.相移法产生单边带信号相移法产生单边带信号(1)希尔伯特滤波器希尔伯特滤波器单位冲击响应单位冲击响应h(t)为为1/(t)的滤波器，称为的滤波器，称为希尔伯特滤波器希尔伯特滤波器。其频谱为：其频谱为：|Hh()|100-/2/2h()希氏滤波器的幅频特性希氏滤波器的幅频特性希氏滤波器的相频特性希氏滤波器的相频特性(2)信号的希尔伯特变换信号的希尔伯特变换将信号将信号f(t)通过一个希尔伯特滤波器，其输出即为通过一个希尔伯特滤波器，其输出即为f(t)的希氏的希氏变换。变换。希氏滤波器的作用实际上是将信号进行了希氏滤波器的作用实际上是将信号进行了/2的相
12、移。的相移。(3)单边带信号的时域表示单边带信号的时域表示同相分量同相分量正交分量正交分量若取上边带分量，则：若取上边带分量，则：若取下边带分量，则：若取下边带分量，则：以下边带为例：以下边带为例：m(t)M()(4)单边带信号的频域表示单边带信号的频域表示00000下边带：下边带：(5)相移法产生单边带信号的原理框图相移法产生单边带信号的原理框图-/2Hh()cosctsSSB(t)相移法产生单边带信号的特点：相移法产生单边带信号的特点：较为复杂，要实现理想的宽带较为复杂，要实现理想的宽带/2的相移网络也很困难；的相移网络也很困难；不需要滤波器具有陡峭的截止特性；不需要滤波器具有陡峭的截止特
13、性；残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的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，它既克服了一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的问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。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。另外一个边带的一部分。残留边带调制残留边带调制(Vestigial Side Band Modulation)滤波法产生残留边带信号滤波法产生残留边带信号滤波法产生残留边带信号滤波法产生残留边带信号sDSB(t)HVSB
14、()m(t)cosctsVSB(t)残留下边带滤波器的特性：残留下边带滤波器的特性：HVSB()-c 0 c-a c c+a 由图可见，在载频由图可见，在载频c c附近附近由由(c-a)到到(c+a)范围内边范围内边带频谱呈滚降特性，它保留一部分上边带能量，与下边带带频谱呈滚降特性，它保留一部分上边带能量，与下边带信号同时传输。被抑制掉的一部分下边带信号能量可用保信号同时传输。被抑制掉的一部分下边带信号能量可用保留的部分上边带能量来补偿。留的部分上边带能量来补偿。SVSB()-c 0 c-a c c+a a为了使保留下来的上边带能量恰好能补偿被抑制掉的那部为了使保留下来的上边带能量恰好能补偿被
15、抑制掉的那部分下边带能量，要求残留边带滤波器在截频处具有互补滚分下边带能量，要求残留边带滤波器在截频处具有互补滚降特性。即应满足：降特性。即应满足：显然满足这种要求的截止特性曲线有无穷多个，可以有多显然满足这种要求的截止特性曲线有无穷多个，可以有多种选择。但如果截止特性设计得太陡峭，则滤波器难以制种选择。但如果截止特性设计得太陡峭，则滤波器难以制作；太平坦，则信号占据带宽就越大，因此需要恰当处理。作；太平坦，则信号占据带宽就越大，因此需要恰当处理。作作 业：业：习题：习题：5-1，5-3线性调制的一般模型线性调制的一般模型调幅调幅(AM)双边带调制双边带调制(DSB)单边带调制单边带调制(SS
16、B)残留边带调制残留边带调制(VSB)上述调制过程对信号的频谱是一个线性搬移的过程，上述调制过程对信号的频谱是一个线性搬移的过程，属于属于线性调制线性调制的范畴。的范畴。将调制信号的频谱搬移到将调制信号的频谱搬移到载波频率点处。载波频率点处。1.用滤波法产生线性调制信号的一般模型用滤波法产生线性调制信号的一般模型在不同的调制方式中代表不同的滤波器，如在不同的调制方式中代表不同的滤波器，如双边带滤波器双边带滤波器，单边带滤波器单边带滤波器或或残留边带滤残留边带滤波器波器。m(t)cosctH()s(t)2.相移法产生线性调制信号的一般模型相移法产生线性调制信号的一般模型sI(t)m(t)的同相分
17、量的同相分量双边带信号：双边带信号：单边带信号：单边带信号：HI()HQ()-/2m(t)sI(t)sQ(t)cosctsm(t)sQ(t)m(t)的正交分量的正交分量相干解调与包络检波相干解调与包络检波1.相干解调相干解调解调原理：利用本地参考载波的相位将已调波中的解调原理：利用本地参考载波的相位将已调波中的同相分同相分量量提取出来，并通过提取出来，并通过低通滤波器低通滤波器后恢复成原来的调制信号。后恢复成原来的调制信号。同时抑制掉其中的正交分量。同时抑制掉其中的正交分量。HI()HQ()-/2m(t)sI(t)sQ(t)cosctsm(t)同相分量中包含了被同相分量中包含了被传输的低频信号
18、。传输的低频信号。相移法产生线性调制信号的一般模型相移法产生线性调制信号的一般模型设接收到的线性调制信号为设接收到的线性调制信号为sm(t)，本地参考载波为本地参考载波为cosct，则它们相乘后得：则它们相乘后得：sp(t)=sm(t)cosct其中：其中：此信号通过低通滤波器后的输出为：此信号通过低通滤波器后的输出为：调制信号：调制信号：通过解调：通过解调：经过低通滤波器后：经过低通滤波器后：(1)从时域角度：从时域角度：以以DSB调制系统为例进行分析：调制系统为例进行分析：接收到已调信号的频谱：接收到已调信号的频谱：(2)从频域角度：从频域角度：与本地参考载波与本地参考载波cosct相乘后
19、信号的频谱：相乘后信号的频谱：M()-m 0 m -c-m-c c+m 0 c-m c c+mSDSB()-2c-m -2c-2c+m -m 0 m 2c-m 2c 2c+mM()-m 0 m 1-m 0 mH()Sp()DSB调制调制相干解调相干解调2.包络检波包络检波在不发生过调幅的情况下，在不发生过调幅的情况下，AM信号的包络与调制信号形状信号的包络与调制信号形状完全一样。完全一样。因此，因此，AM信号除可采用相干解调外，还可用包络检波解调。信号除可采用相干解调外，还可用包络检波解调。但包络检波更简单。但包络检波更简单。5.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能1.分析模型
20、分析模型sm(t)n(t)so(t)+no(t)si(t)ni(t)带通带通滤波器滤波器解调器解调器让有用信号完全通过，同时尽可能滤除噪声让有用信号完全通过，同时尽可能滤除噪声如何设计带通滤波器？如何设计带通滤波器？n(t)经带通滤波器后发生了什么变化？即经带通滤波器后发生了什么变化？即n(t)与与ni(t)的关系？的关系？问题问题1：n(t)高斯白噪声，带宽无穷大高斯白噪声，带宽无穷大ni(t)窄带高斯噪声，带宽为已调信号的带宽窄带高斯噪声，带宽为已调信号的带宽若已调信号带宽为若已调信号带宽为B(Hz)，则，则ni(t)的功率的功率 Ni=n0B(W)n0白噪声白噪声n(t)的单边功率谱密度
21、的单边功率谱密度问题问题2：如何对如何对ni(t)进行分析？进行分析？其中，其中，随机过程随机过程nc(t)，ns(t)与与ni(t)具有相同的方差、相同具有相同的方差、相同的平均功率。的平均功率。ni(t)可看作一个零均值的高斯窄带随机过程，中心频率为载可看作一个零均值的高斯窄带随机过程，中心频率为载波频率。表示为：波频率。表示为：=Ni设解调器输出的基带信号为设解调器输出的基带信号为mo(t)，输出噪声为输出噪声为no(t)，则解则解调器输出信噪比为：调器输出信噪比为：模拟通信系统的抗噪声性能用解调器的输出信噪比衡量。模拟通信系统的抗噪声性能用解调器的输出信噪比衡量。若需要比较同一系统采用
22、不同解调器解调时的性能，还可若需要比较同一系统采用不同解调器解调时的性能，还可以观察解调器的输出信噪比与输入信噪比的比值以观察解调器的输出信噪比与输入信噪比的比值G，通常通常称为称为调制制度增益调制制度增益：G=解调器的输出信噪比解调器的输出信噪比解调器的输入信噪比解调器的输入信噪比解调器的输入信噪比：解调器的输入信噪比：2.双边带调制系统双边带调制系统(DSB)的抗噪声性能的抗噪声性能解调器的输出信噪比：解调器的输出信噪比：双边带调制的制度增益：双边带调制的制度增益：=2可见，可见，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。G=解调器的输出信噪比解调器的输出信噪比解调
23、器的输入信噪比解调器的输入信噪比解调器的输入信噪比：解调器的输入信噪比：3.单边带调制单边带调制(SSB)的抗噪声性能：的抗噪声性能：解调器的输出信噪比：解调器的输出信噪比：单边带调制的制度增益：单边带调制的制度增益：G=1单边带调制的制度增益为单边带调制的制度增益为1。即解调后信噪比并未改善。即解调后信噪比并未改善。能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好呢？能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好呢？v不能！不能！因为双边带已调信号的平均功率是单边带信号的因为双边带已调信号的平均功率是单边带信号的 2 倍，倍，两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到两者的输出信噪比是在不同
24、的输入信号功率情况下得到的。的。在在SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故故信噪比没有改善。信噪比没有改善。实际中，在不产生过调幅的情况下，实际中，在不产生过调幅的情况下，AM信号的解调器几信号的解调器几乎都采用包络检波器。乎都采用包络检波器。4.AM包络检波的性能包络检波的性能no(t)si(t)ni(t)带通带通滤波器滤波器包络包络检波器检波器sAM(t)n(t)so(t)解调器的输入信噪比：解调器的输入信噪比：输入信号功率：输入信号功率：输入噪声功
25、率：输入噪声功率：输入信噪比：输入信噪比：Ni解调器的输出信噪比：解调器的输出信噪比：检波器输入端的合成包络：检波器输入端的合成包络：为检波器的输出包络，其中既包含了有用信号也包含了噪声。为检波器的输出包络，其中既包含了有用信号也包含了噪声。其中：其中：i.大信噪比的情况：大信噪比的情况：所谓大信噪比，即所谓大信噪比，即包络检波器的输出为：包络检波器的输出为：对对信号信号噪声噪声输出信号功率：输出信号功率：输出噪声功率：输出噪声功率：输出信噪比：输出信噪比：调制制度增益：调制制度增益：G=AM的调制制度增益随的调制制度增益随A0的减小而增加。但为了不发生过的减小而增加。但为了不发生过调幅现象，
26、调幅现象，A0不能无限减小。即：不能无限减小。即：总的来说，总的来说，AM调制信号经检波器解调后信噪比有所下降。调制信号经检波器解调后信噪比有所下降。ii.小信噪比情况小信噪比情况小信噪比情况下，检波器输出端检测不到单独的信号项。小信噪比情况下，检波器输出端检测不到单独的信号项。有用信号被包络检波器扰乱为噪声，该现象称为有用信号被包络检波器扰乱为噪声，该现象称为门限效应门限效应。R(t)及及(t)代表噪声代表噪声ni(t)的包络及相位。的包络及相位。使门限效应出现的输入信噪比称为使门限效应出现的输入信噪比称为门限门限。综上所述：在大信噪比情况下，综上所述：在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的
27、性信号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同；但随信噪比的减小，包络检能几乎与同步检测器相同；但随信噪比的减小，包络检波器将在一个特定的输入信噪比值上出现门限效应。波器将在一个特定的输入信噪比值上出现门限效应。作作 业：业：习题：习题：5-5，5-7，5-9输入信号功率：输入信号功率：输入噪声功率：输入噪声功率：Ni输出信号功率：输出信号功率：输出噪声功率：输出噪声功率：no(t)si(t)ni(t)带通带通滤波器滤波器sDSB(t)n(t)so(t)低通低通滤波器滤波器解调器解调器输入信号功率：输入信号功率：输入噪声功率：输入噪声功率：Ni输出信号功率：输出信号功率：输出噪声功率：输出噪声功率
28、：no(t)si(t)ni(t)带通带通滤波器滤波器sSSB(t)n(t)so(t)低通低通滤波器滤波器解调器解调器5.3 角度调制（非线性调制）原理角度调制（非线性调制）原理基带信号基带信号随载波的频率变化，随载波的频率变化，随载波的相位变化，随载波的相位变化，称为调频称为调频称为调相称为调相统称角度调制统称角度调制 角度调制的已调信号频谱中含有新的频率成分，故又称角度调制的已调信号频谱中含有新的频率成分，故又称为为非线性调制非线性调制。一、一、角度调制的基本概念角度调制的基本概念角度调制信号的一般表达式为：角度调制信号的一般表达式为：载波的载波的瞬时相位瞬时相位 载波的载波的瞬时相位偏移瞬
29、时相位偏移瞬时相位对时间瞬时相位对时间 t 的导数：的导数：载波的载波的瞬时频率瞬时频率。载波的载波的瞬时频率偏移瞬时频率偏移。1.相位调制相位调制瞬时相位偏移瞬时相位偏移随基带信号成比例变化的调制。随基带信号成比例变化的调制。则相位调制信号可表示为：则相位调制信号可表示为：Kp称为调相器的灵敏度，单位是称为调相器的灵敏度，单位是rad/V。2.频率调制频率调制瞬时频率偏移瞬时频率偏移随基带信号成比例变化的调制。随基带信号成比例变化的调制。则：则：频率调制信号可表示为：频率调制信号可表示为：Kf称为调频器的灵敏度，单位是称为调频器的灵敏度，单位是rad/s.V。调频和调相信号非常相似，如果预先
30、不知道调制信号调频和调相信号非常相似，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。号。将调制信号先微分，再调频，则得到的是调相波，这种将调制信号先微分，再调频，则得到的是调相波，这种方式叫方式叫间接调相间接调相；将调制信号先积分，后调相，将调制信号先积分，后调相，则得到的是调频波，这种则得到的是调频波，这种方式叫方式叫间接调频间接调频。设调制信号为三角波设调制信号为三角波m(t)，如图：，如图：已调波为：已调波为：将它进行调频，载波为将它进行调频，载波为cosct，则调频波的瞬时角频率为：，则调频波的瞬时
31、角频率为：把调频与调相信号的最大相位偏移限制在很小的范围把调频与调相信号的最大相位偏移限制在很小的范围内，则已调波频谱只占有限的或比较窄的频带宽度，内，则已调波频谱只占有限的或比较窄的频带宽度，称为窄带调制，相应地分为称为窄带调制，相应地分为窄带调频窄带调频和和窄带调相窄带调相。二、二、窄带调频窄带调频限定限定设调频波为：设调频波为：Acosct所得调频波的频谱较窄，称为所得调频波的频谱较窄，称为窄带调频窄带调频。和调幅信号和调幅信号(AM)进行比较：进行比较：经分析：经分析：相似性：相似性：都含有一个载波和位于都含有一个载波和位于c c处的两个边带，带宽相同，处的两个边带，带宽相同，都是调制
32、信号最高频率的两倍。都是调制信号最高频率的两倍。vNBFM的两个边频分别乘了因式的两个边频分别乘了因式1/(-c)和和1/(+c)，引起调制信号频谱的失真。引起调制信号频谱的失真。vNBFS的一个边带和的一个边带和AM反相。反相。不同点：不同点：以正弦波作为基带信号，分析以正弦波作为基带信号，分析NBFM的特点：的特点：分别对其进行调幅和窄带调频，基带信号及已调分别对其进行调幅和窄带调频，基带信号及已调信号的频谱如图：信号的频谱如图：-c-m c -c+m 0 c-m c c+m SAM()-m 0 m M()-c-m c 0 c c+m -c+mc-mSNBFM()基带信号频谱基带信号频谱调
33、幅波频谱调幅波频谱窄带调频波频谱窄带调频波频谱三、三、宽带调频宽带调频宽带调频占用的频谱较宽，但它的抗干扰性能好，适用宽带调频占用的频谱较宽，但它的抗干扰性能好，适用于长距离通信。于长距离通信。为使问题简化，仅分析调制信号为为使问题简化，仅分析调制信号为单频正弦波单频正弦波的情况，的情况，以了解宽带调频的一些特点。以了解宽带调频的一些特点。设调制信号设调制信号m(t)=Amcosmt，载波为载波为Acosct：mf调频指数；调频指数；最大角最大角频频偏；偏；f最大最大频频偏。偏。1.宽带调频信号的时域表示：宽带调频信号的时域表示：记：记：其中其中cos(mfsinmt)以及以及sin(mfsi
34、nmt)可以通过第一类可以通过第一类n阶贝塞阶贝塞尔函数尔函数Jn(mf)展成傅氏级数，得：展成傅氏级数，得：由前式可见，即使在最简单的情况由前式可见，即使在最简单的情况单频正弦信号作为单频正弦信号作为调制信号时，调频波的频谱也由无限多个频率分量组成。调制信号时，调频波的频谱也由无限多个频率分量组成。其频谱函数：其频谱函数：2.宽带调频信号的频谱组成宽带调频信号的频谱组成当调制信号为单频余弦信号时，基带信号与宽带调频的频谱图：当调制信号为单频余弦信号时，基带信号与宽带调频的频谱图：-m 0 m M()基带信号双边幅度谱基带信号双边幅度谱调频信号双边幅度谱调频信号双边幅度谱3.带宽带宽对于单音调
35、频来讲，可取其有效频带宽度：对于单音调频来讲，可取其有效频带宽度：BFM=2(mf+1)fm=2(f+fm)当当 mf 1 时，带宽近似为：时，带宽近似为：BFM2f带宽决定于调制信号的频率带宽决定于调制信号的频率fm。带宽由最大频偏带宽由最大频偏f 决定，与调制信号频率决定，与调制信号频率fm无关。无关。例：例：2MHz载波受载波受10kHz正弦波调频，峰值频偏为正弦波调频，峰值频偏为10kHz，求：求：(1)调频信号的带宽；调频信号的带宽；(2)调频信号幅度加倍时，调频信号的带宽；调频信号幅度加倍时，调频信号的带宽；(3)调制信号频率加倍时，调频信号的带宽；调制信号频率加倍时，调频信号的带
36、宽；(4)若峰值频偏减为若峰值频偏减为1kHz，重复计算重复计算(1)、(2)和和(3)。四、调频信号的解调四、调频信号的解调角度调制与线性调制一样可以通过角度调制与线性调制一样可以通过相干解调相干解调和和非相干解非相干解调调两种办法来恢复原来的调制信号。两种办法来恢复原来的调制信号。对于线性调制信号来说，以相干解调为好。但是在角度对于线性调制信号来说，以相干解调为好。但是在角度调制系统中以非相干解调为主。调制系统中以非相干解调为主。1.非相干解调非相干解调非相干解调电路的基本功能包括两部分：非相干解调电路的基本功能包括两部分：一是将幅度恒定的调频波变换为调幅调频波，其幅度随调一是将幅度恒定的
37、调频波变换为调幅调频波，其幅度随调制信号而变；制信号而变；二是将调幅调频波的包络信息提取出来，并经滤波后输出。二是将调幅调频波的包络信息提取出来，并经滤波后输出。调制信号为调制信号为m(t)，载波为，载波为Acosct，调频调频波波为为：调幅调频波：调幅调频波：其幅度变化：其幅度变化：包络检波器检出其包络：包络检波器检出其包络：Kd鉴频器的灵敏度鉴频器的灵敏度最理想的解调器是具有频率最理想的解调器是具有频率电压转换特性的鉴频器。鉴频电压转换特性的鉴频器。鉴频器的种类较多，目前常用的还有锁相环器的种类较多，目前常用的还有锁相环(PLL)鉴频器。鉴频器。限幅器限幅器及带通及带通微分器微分器包络包络
38、检波检波低低 通通滤波器滤波器sFM(t)so(t)鉴频器鉴频器带通滤波器：抑制信号带宽以外的噪声；带通滤波器：抑制信号带宽以外的噪声；带通带通限幅限幅鉴频鉴频低通低通sFM(t)n(t)si(t)ni(t)mo(t)no(t)解调器解调器限幅器：消除接收信号在幅度上可能出现的畸变。限幅器：消除接收信号在幅度上可能出现的畸变。5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能解调器的解调器的输入信噪比输入信噪比：输入信号功率：输入信号功率：输入噪声功率：输入噪声功率：（设调频信号有效频带宽度为（设调频信号有效频带宽度为BFM；）；）解调器的解调器的输出信噪比：输出信噪比：信号通过解调器后是一个有
39、用信号与噪声相混合的包络，信号通过解调器后是一个有用信号与噪声相混合的包络，必须考察解调器的输出信号。必须考察解调器的输出信号。由于鉴频器的非线性作用，无法分别分析信号与噪声由于鉴频器的非线性作用，无法分别分析信号与噪声的输出。可分别考虑大信噪比和小信噪比的情况。的输出。可分别考虑大信噪比和小信噪比的情况。1)大信噪比的情况：大信噪比的情况：输出信号：输出信号：输出信号功率：输出信号功率：mo(t)=KdKfm(t)输出噪声功率：输出噪声功率：输出信噪比：输出信噪比：当调制信号为当调制信号为m(t)=cosmt时：时：此式表明，只要适当增大调频指数，就可以使系统的信噪此式表明，只要适当增大调频
40、指数，就可以使系统的信噪比大为改善。比大为改善。宽带调频的抗噪声性能是以增加其带宽来换取的。宽带调频的抗噪声性能是以增加其带宽来换取的。调制制度增益：调制制度增益：2)小信噪比的情况小信噪比的情况在小信噪比的情况下，解调器的输出几乎完全由噪在小信噪比的情况下，解调器的输出几乎完全由噪声决定。因此，也存在声决定。因此，也存在“门限效应门限效应”。5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较一、抗噪声性能一、抗噪声性能WBFM最好；最好；DSB、SSB、VSB次之；次之；AM最差。最差。二、频带利用率二、频带利用率SSB带宽最窄，频带利用率最高；带宽最窄，频带利用率最高；FM带宽随调频指数
41、增大而增加，频带利用率最低。带宽随调频指数增大而增加，频带利用率最低。三、特点与应用三、特点与应用AM调制：调制：接收设备简单；接收设备简单；功率利用率低，抗干扰能力差；功率利用率低，抗干扰能力差；l主要用于中波和短波的调幅广播。主要用于中波和短波的调幅广播。DSB调制：调制：功率利用率高，带宽与功率利用率高，带宽与AM相同；相同；要求同步解调，设备较复杂；要求同步解调，设备较复杂；l应用较少，一般用于点对点专用通信。应用较少，一般用于点对点专用通信。SSB调制：调制：功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力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和抗选择性衰落能力均优
42、于AM，带宽只有，带宽只有AM的一半；的一半；发送和接收设备都复杂；发送和接收设备都复杂；l多用于频分多路复用系统中。多用于频分多路复用系统中。VSB调制：调制：抗噪声性能和频带利用率与抗噪声性能和频带利用率与SSB相当，适合包含相当，适合包含有低频和直流分量的基带信号；有低频和直流分量的基带信号；l电视广播等系统。电视广播等系统。FM调制：调制：抗快衰落能力较好，抗干扰能力强，可实现带宽与抗快衰落能力较好，抗干扰能力强，可实现带宽与信噪比的互换；信噪比的互换；频带利用率低，存在门限效应；频带利用率低，存在门限效应；l广泛用于长距离高质量的通信系统，如空间和卫星广泛用于长距离高质量的通信系统，
43、如空间和卫星通信、调频立体声广播、超短波电台。通信、调频立体声广播、超短波电台。5.6 频分复用频分复用“复用复用”是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个可在同是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法。一信道上传输的复合信号的方法。常见的信道复用采用按频率区分或按时间区分信号。常见的信道复用采用按频率区分或按时间区分信号。按频率区分信号按频率区分信号频分复用频分复用 (Frequency Division Multiplexing)；按时间区分信号按时间区分信号时分复用时分复用 (Time Division Multiplexing)。为了防止邻路信号间相互干扰
44、，各路信号间应留有一定的防为了防止邻路信号间相互干扰，各路信号间应留有一定的防护频带。按护频带。按CCITT的标准，防护频带间隔应为的标准，防护频带间隔应为900Hz，可使可使邻路干扰电平低于邻路干扰电平低于-40dB以下。以下。图示系统为频分复用系统的方框图图示系统为频分复用系统的方框图频分复用的典型例子：多路载波电话频分复用的典型例子：多路载波电话该系统采用单边带调制后进行频分复用（基带信号带宽该系统采用单边带调制后进行频分复用（基带信号带宽为为4kHz）：）：60 64 68 108 f/kHz12路电话复用为一个基群；路电话复用为一个基群；5个基群复用为一个超群（个基群复用为一个超群（
45、60路电话）；路电话）；10个超群复用为一个主群（个超群复用为一个主群（600路电话）；路电话）；基群频谱结构如图：基群频谱结构如图：优点：优点：信道复用率高，容许复用的路数多，同时分路也很方便。信道复用率高，容许复用的路数多，同时分路也很方便。缺点：缺点：设备生产较为复杂；设备生产较为复杂；因滤波器特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干因滤波器特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。扰。频分复用系统频分复用系统应用：应用：因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式，因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式，特别是在有线和微波通信系统中。特别是在有线和微波通信系统中。思考及
46、作业：思考及作业：1.什么叫做角度调制？角度调制分哪两类？它们什么叫做角度调制？角度调制分哪两类？它们之间有本质的不同吗？之间有本质的不同吗？2.试从频域的角度讨论窄带调频和调幅之间的相试从频域的角度讨论窄带调频和调幅之间的相同与不同点。同与不同点。3.以宽带调频为例，说明为何将角度调制称为非以宽带调频为例，说明为何将角度调制称为非线性调制？线性调制？5-17，5-19习题习题5-1：(1)-6-65-5-77/2(2)-/2-2/2-6/45-5-776-/4习题习题5-2：DSB：AM：习题习题5-3：上边带的时域表示式：上边带的时域表示式：相当于将原信号相当于将原信号m(t)相移相移/2
47、。120001400010000-10000-12000-14000其中复习要点：其中复习要点：第一章第一章 绪绪 论论通信的基本概念、模型、分类、通信方式；通信的基本概念、模型、分类、通信方式；信息及其度量；信息及其度量；主要性能指标，码元速率与信息速率及其关系；主要性能指标，码元速率与信息速率及其关系；第二章第二章&第三章第三章 确知信号分析与随机过程确知信号分析与随机过程随机过程的基本概念，数学期望和自相关函数的求解；随机过程的基本概念，数学期望和自相关函数的求解；平稳随机过程的概念，特点，各态历经性；平稳随机过程的概念，特点，各态历经性；随机过程通过线性系统后，其数学期望、自相关函数和
48、随机过程通过线性系统后，其数学期望、自相关函数和功率谱密度的变化；功率谱密度的变化；白噪声及带限白噪声的双边功率谱密度；白噪声及带限白噪声的双边功率谱密度；第四章第四章 信信 道道恒参信道、随参信道的概念；恒参信道、随参信道的概念；常见信道的分类；常见信道的分类；恒参信道传输特性及其对信号传输的影响：幅频畸变恒参信道传输特性及其对信号传输的影响：幅频畸变和相频畸变；和相频畸变；理想恒参信道的传输特性；理想恒参信道的传输特性；第五章第五章 模拟调制系统模拟调制系统调制的分类：幅度调制和频率调制；调制的分类：幅度调制和频率调制；(1)调幅调幅(AM)、双边带调制双边带调制(DSB)、单边带调制单边
49、带调制(SSB)的原的原理框图，已调信号的时域和频域表示，已调信号带宽理框图，已调信号的时域和频域表示，已调信号带宽与基带信号之间的关系；与基带信号之间的关系；(2)滤波法实现幅度调制的一般模型，包括滤波法实现幅度调制的一般模型，包括SSB（理想矩理想矩形）和形）和VSB（互补滚降）滤波器的特性；（互补滚降）滤波器的特性；(3)幅度调制系统的抗噪声性能：输入信噪比和输出信噪幅度调制系统的抗噪声性能：输入信噪比和输出信噪比的计算，制度增益；比的计算，制度增益；幅度调制原理：幅度调制原理：频率调制原理：频率调制原理：FM调制原理：载波的瞬时频率偏移随基带信号成比例变化；调制原理：载波的瞬时频率偏移随基带信号成比例变化；调频指数的定义；调频指数的定义；