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1、第五章第五章模拟调制系统模拟调制系统 n引言引言n幅度调制幅度调制n频分复用频分复用n线性调制应用举例线性调制应用举例n线性调制系统的抗噪性能分析线性调制系统的抗噪性能分析 n角度调制角度调制n调频信号的产生和解调调频信号的产生和解调n调频应用举例调频应用举例n调频系统的抗噪性能分析调频系统的抗噪性能分析 n 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较5.1 引言引言n关于载波调制的几个概念关于载波调制的几个概念n调制用基带信号的变化规律去控制载波的某些参数n解调从已调信号的参数中提取基带信号的变化规律 n调制信号来自信源的消息信号（基带信号），模拟/数字n载波未受调制的周期性振荡信号，适合
2、在信道中传送，正弦波/周期性脉冲n已调信号载波调制后的信号，含有调制信号的全部特征引言（续）引言（续）n载波调制的目的载波调制的目的n无线传输中，把基带信号的频谱搬到较高的载波频率上，提高传输性能，降低发送功率，缩短天线尺寸；n把多个基带信号分别搬移到不同的载频，实现频分复用，提高信道利用率n扩展信号带宽，实现带宽与信噪比之间的互换，提高抗干扰、抗衰落能力。n调制对通信系统的有效性和可靠性都有影响。引言引言(续续)调制调制方法方法正弦波正弦波调制调制模拟模拟调制调制幅度调制幅度调制线性调制线性调制标准调幅标准调幅AM双边带调制双边带调制DSB单边带调制单边带调制SSB残留边带调制残留边带调制V
3、SB角度调制角度调制非线性调制非线性调制调频调频FM调相调相PM数字调制数字调制振幅键控振幅键控ASK频移键控频移键控FSK相移键控相移键控PSK，DPSK其他其他QAM，MSK脉冲调制脉冲调制模拟调制模拟调制脉幅调制脉幅调制PAM脉宽调制脉宽调制PDM脉位（脉速）调制脉位（脉速）调制PPM数字调制数字调制脉码调制脉码调制PCM增量调制增量调制M差分脉码调制差分脉码调制DPCMm(t)OtA0+m(t)OtOOttcoswc(t)sAM(t)1M(w)pA0wHwHwwcwcpA0SAM(w)021w0正弦载波：A：振幅c=2fc：角频率0：初相位 正弦波调制的信号波形PAM、PDM、PPM的
4、信号波形5.2 幅度调制原理幅度调制原理 一、通用模型二、标准调幅AM三、抑制载波双边带调幅DSB四、单边带调幅SSB五、残留边带调幅VSB 一、通用模型乘法器用于基本调制，h(t)控制产生不同的调幅波。调制信号控制载波的幅度，使之随调制信号呈线性变化调制信号控制载波的幅度，使之随调制信号呈线性变化二、标准调幅AM1调制 m(t)为直流=0的基带信号，A0为外加直流（若m(t)含有直流分量，将其归入A0）SAM(t)=A0+m(t)cos ct标准调幅AM(续)调制1M(w)wHwHw0pm0wcwcpm0SAM(w)021w下边带上边带载频m(t)Otm0+m(t)OtOOttcoswc(t
5、)sAM(t)A0A0A0标准调幅AM(续)调制n说明：1.调制使频谱搬移，但未改变形状。AM频谱波形关于c对称，分上、下边带2.调制使已调信号带宽增加一倍3.若m(t)为随机信号，频域使用功率谱描述，结论相同4.要求A0+m(t)0，否则，“过调幅”，使包络失真。称|m(t)|max/A0为调幅指数5.要求cH，否则，发生交叠失真标准调幅AM(续)解调2.解调包络检波电路：结果：当Ao+m(t)0且fH1/(RC)fc时 mo(t)Ao+m(t)，经隔直电路得到m(t)整流器低通滤波器标准调幅AM(续)3.应用中短波广播通信标准调幅AM(续)4.效率 AM波的平均功率为：调制效率：Pc为载波
6、功率，Ps为边带功率举例标准调幅AM(续)5.缺点：边带传递有效信息，载波不传，但载波要占一半以上的功率，发送功率的效率低。三、抑制载波双边带调幅DSBn目的：提高发送功率的效率 1.调制 m(t)为直流=0的基带信号，若m(t)含有直流分量，可通过隔直电路去掉。(a)调制信号频谱密度M(f)f01(b)已调信号频谱密度fc0fcfS(f)上边带上边带下边带1/2抑制载波双边带调幅DSB(续)2.解调相干解调 抑制载波双边带调幅DSB(续)3.应用立体声广播 4.效率 SDSB(t)信号无载频分量，Pc=0 效率DSB=100%5.缺点：已调信号带宽增大一倍,信道利用率低四、单边带调幅SSBn
7、目的：提高信道利用率 1.调制(滤波法)H(w)为理想低通时，提取下边带（+）；H(w)为理想高通时，提取上边带（-）单边带调幅SSB(续)n原理原理：n两个边带包含相同的信息n只需传输一个边带：上边带或下边带n要求m(t)中无太低频率n技术难点技术难点n陡峭截止特性的滤波器难实现n采用多级DSB调制及边带滤波的方法。先在较低载频上进行DSB调制，增大过渡带的归一化值。再在要求的载频上二次调制fcHL(f)特性上边带(b)上边带滤波器特性和信号频谱上边带fc0f上边带S(f)上边带下边带HH(f)特性HH(f)特性(a)滤波前信号频谱(c)下边带滤波器特性和信号频谱S(f)S(f)fc0ffc
8、fcf下边带fc单边带调幅SSB(续)n相移法：相移法：不需要滤波器具有陡峭的截止特性sin单边带调幅SSB(续)2.解调相干解调 S(f)(b)上边带信号频谱上边带上边带fc0fcf2fc2fc(a)载波频谱fc0fcfC(f)(c)载波和上边带信号频谱的卷积结果fc0fcf2fc2fcM(f)HL(f)1/21/4单边带调幅SSB(续)3.应用 载波通信，短波无线电话 4.缺点：要求边带滤波器是理想低通或理 想高通。不易实现。五、残留边带调幅VSBn目的:信道利用率较高,边带滤波器易实现 1.调制 H()满足：关于c点奇对称互补。，H为基带信号截止频率）(上式要求：滤波器的截止特性对上式要
9、求：滤波器的截止特性对于于 fc具有互补的对称性具有互补的对称性：H(f+fc)(fc+fm)0000ffffcfcfc+fm2fc2fc2fc2fcfmfmfmfH(f)H(f fc)H(f+fc)+H(f fc)残留边带调幅VSB(续)nVSB使一个边带的大部分通过（小部分损失），另一个边带的小部分残留，且残留部分刚好弥补损失部分。nVSB系统的频率特性及相干解调原理如下图所示残留边带调幅VSB(续)2.解调相干解调 3.应用 电视图象 线性调制的解调方法n相干解调：适用于所有类型的线性调制系统，需要相干载波，比较复杂n包络检波：适用于已调信号包络与调制信号的形状完全相同的情况下的解调，结
10、构简单，用于AM解调n插入载波包络检波：对DSB、SSB、VSB信号，在发送端或接收端插入很强的载波，使之成为近似AM的信号，然后采用包络检波。要求插入的载波同频同相。AM例题n已知AM电台的输出功率是50KW，对单频余弦信号进行调制，调幅指数为0.707。求：（1）调制效率（2）载波功率（3）若天线用50电阻表示，求载波的峰值幅度。DSB例题n接收DSB信号时，设本地载波与发送载波有频差，相位差，分析对解调结果的影响。SSB例题n03KHz的基带信号经过20MHz的载波调制后，生成下边带信号。接收机框图如下，其中，两级混频器的频点分别为fo和fd。已知fo高于输入信号的频率，中频放大器的通频
11、带范围为1010.003MHz，求fo和fd。中频放大器中频放大器SSSB(t)foLPFmo(t)fd5.3 频分复用频分复用n当信道带宽远大于一路信号的带宽时，利用调制技术将多路信号调制道互不交叠的各个频段上，在同一信道中一起传输，以提高信道利用率的方法。频分复用频分复用(续续)5.4 线性调制应用举例线性调制应用举例一、载波电话系统二、电视三、立体声广播 一、载波电话系统n在多路载波电话系统中采用：SSB调制，频分复用传输技术来节省传输频带。n每路电话信号限带3003400Hz，SSB调制后，为便于接收，另加保护间隔，每路载波电话取4KHz做为标准频带。载波电话系统(续)n多路载波电路分
12、群等级：分群等级分群等级分群等级分群等级容量（路数）容量（路数）容量（路数）容量（路数）带宽带宽带宽带宽（KHzKHz）基本频带（基本频带（基本频带（基本频带（KHzKHz）基群基群基群基群121248486010860108超超超超 群群群群5*12=605*12=60240240312552312552基本主群基本主群基本主群基本主群5*60=3005*60=3001200120081220448122044基本超主群基本超主群基本超主群基本超主群3*300=9003*300=9003600360085161238885161238812MHz12MHz系统系统系统系统3*900=2700
13、3*900=270010.8MHz10.8MHz 载波电话系统(续)n基群频谱：60 64 68 108 f/kHz二、电视1.黑白电视信号 n图象信号VSB调制，上边带宽5.5MHz，下边带宽1.25MHz；n伴音信号FM调制，伴音载频距图象载频6.5MHz；n二者频分复用，信号总带宽8MHz。电视(续)2.彩色电视信号 n彩色电视由RGB三原色组成，为与黑白电视兼容，传送三色合成的亮度信号Y（既黑白的图象信号）和两路色差信号：R-Y（红色-亮度之差），B-Y（兰色-亮度之差）n亮度信号YVSB调制；n色差信号正交的DSB调制，彩色付载频距图象载频4.43361875MHz，色差信号频谱落于
14、亮度信号频谱范围内，带宽不变；n伴音信号FM调制，伴音载频距图象载频6.5MHz；电视(续)3.电视信号的频谱4.解调：发射时插入大的载波，接收机 包络检波三、立体声广播n广播信号频带015KHz，包括左右两个声道L和R。立体声广播传送L+R和LR。nL+R：基带信号，频带015KHz；nLR：DSB调制，载频38KHz；频带2353KHz；n导频：19KHz，做为立体声指示（STEREO），并提取相干载波；n三者频分复用后再调频。n普通调频广播与立体声调频广播兼容，但只发送L+R信号。立体声广播(续)5.5 线性调制系统的抗噪性能分析线性调制系统的抗噪性能分析一、分析模型二、各种调幅信号相干
15、解调的抗噪性能三、AM系统包络检波的抗噪性能一、分析模型nn(t)为高斯白噪声，单边功率谱为n0(W/Hz)；基带信号带宽为fm。分析模型(续)为解调器输入端的信噪比。Si，Ni为解调器输入端信号和噪声的平均功率，So，No为解调器输出端信号和噪声的平均功率，为解调器输出端的信噪比。为信噪比得益（调制制度增益）通常，用解调器输出端的信噪比 表示系统的抗噪性能，用G表示解调器的性能。二、各种调幅信号相干解调的抗噪性能BPF带宽为：各种调幅信号相干解调的抗噪性能(续)各种调幅信号相干解调的抗噪性能(续)各种调幅信号相干解调的抗噪性能(续)说明：AM解调器对输入信噪比没有改善DSB解调器使信噪比改善
16、1倍但DSB与SSB的抗噪性能相同三、AM系统包络检波的抗噪性能AM系统包络检波的抗噪性能(续)为包络 AM系统包络检波的抗噪性能(续)n大输入信噪比时 大信噪比时，包络检波与相干解调的抗噪性能相同 AM系统包络检波的抗噪性能(续)n小输入信噪比时 小信噪比时，包络检波出现“门限效应”，信号完全被淹没在噪声中。“门限效应”是所有非相干解调的共同问题。5.6 角度调制原理角度调制原理一、基本概念二、窄带调频（NBFM）三、宽带调频（WBFM）四、FM的产生五、FM的解调一、基本概念1.角调波的一般表达式 A：振幅，保持不变：瞬时角频率；：瞬时频偏；(t)：瞬时相移；(t)=ct+(t)：瞬时相位
17、；基本概念(续)2.调相（PM）瞬时相移随基带信号成线性变化 Kp：调相灵敏度基本概念(续)3.调频（FM）瞬时频偏随基带信号成比例变化 Kf：调频灵敏度基本概念(续)nPM 信号和FM 信号波形 (a)PM 信号波形 (b)FM 信号波形 基本概念(续)4.FM与PM的转换 由于调相器调相范围在（-，）内，直接调相和间接调频适宜窄带调制；基本概念(续)5.宽带调频与窄带调频 调频信号:瞬时角频率:最大角频偏:瞬时相位偏移:最大相位偏移:基本概念(续)n假设m(t)=cosmt（基带带宽fm，m=2fm）结论结论：对任一归一化的基带信号m(t)（带宽fm），最大角频偏：最大相位偏移：，又称调制
18、指数调制指数 基本概念(续)n可见，瞬时频偏Kf m(t)项表示载波频率自其静态值c的偏移，它将决定调频信号的频谱宽度。n mf 0.5(f k的Jn(mf)忽略。则 BFM=2kfm。n一般：kmf+1，B=2(mf+1)fm=2(f+fm)n近似地mf 1时，kmf，B=2 mf fm=2f（WBFM）本结论适用于任意最高频率为fm的基带信号m(t)例题n调频广播，最大频偏为75KHz。(1)调制信号的带宽取4KHz时，广播信号带宽是多少？(2)调制信号的带宽取15KHz时，广播信号带宽是多少？四、FM的产生1.直接法 n 改变振荡器回路元件（L，C）的数值来改变其输出频率。n 如：用压控
19、振荡器VCO做受控振荡器，用变容管做受控电抗元件。FM的产生直接法(续)可变电容C受基带信号m(t)线性控制：C=C0+C=C0+K m(t)(C V(t)），信号与噪声分别计算n 信号信号部分：n 噪声噪声部分：鉴频器输出正比于输入信号的瞬时角频率n输出信噪比输出信噪比增大频偏Kf，即增加传输带宽，可以大大增加信噪比 ns(t)的功率谱密度为Pi(f)=n0，理想微分电路的传输函数为则鉴频器输出噪声nd(t)的功率谱密度为鉴频器前、后的噪声功率谱密度举例n1.m(t)=Acoswmt时，宽带调频的调制制度增益。n2.FM与AM的性能比较举例n3.已知调制信号是8MHz的单频余弦信号，若要求输
20、出信噪比为40dB，试比较调制效率为1/3的常规调幅系统和调频指数为5的调频系统的带宽和发射功率。设信道噪声的单边功率谱密度为n0=510-15w/Hz。信道损耗为60dB。三、小输入信噪比时的抗噪性能n小输入信噪比时（A V(t)）出现出现“门限效应门限效应”，信号完，信号完全被淹没在噪声中。全被淹没在噪声中。nmf越大，门限值越高，一般为10dBn门限值以上，信噪比线性改善n门限值以下，信噪比急剧下降n用锁相环解调，以降低门限。四、预加重和去加重n原因：鉴频器输出噪声功率谱随f呈抛物线增大，信号高频分量的的噪声干扰大，而调频广播信号的能量集中在低频段n目的：改善调频解调器的输出信噪比n思路
21、：n发送端预加重：加强高频分量的信号n传输信道：加入噪声n接收端去加重：衰减还原高频分量的信号，同时衰减了噪声的影响n技术：杜比（Dolby）降噪系统5.9各种模拟调制系统比较AMDSBSSBVSBFM带宽2fm2fmfmfm 2fmNBFM:2fm;WBFM:2(f+fm)调制加入直流分量A抑制直流单边带滤波器成型残留边带滤波器成型1.压控振荡器；2.NBFM+倍频解调包络检波相干解调相干解调相干解调1.鉴频器2.NBFM相干非相干解调存在门限效应非相干解调存在门限效应各种模拟调制系统比较AMDSBSSBVSB FM问题功率利用率低带宽利用率低单边带成型困难折中抗噪性能当当m(t)为归一的正弦信号时，各种调制系统的输出信噪比为归一的正弦信号时，各种调制系统的输出信噪比各种模拟调制系统比较当当m(t)为归一的正弦信号时，各种调制系统的输出信噪比为归一的正弦信号时，各种调制系统的输出信噪比各种模拟调制系统比较AM DSBSSBVSBFM设备复杂度小中等（解调）较大（调制解调）较大（调制解调）中等（调制）应用广播模拟数据传输话音频分多路系统电视广播，微波中继