第5章模拟调制..ppt

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1、 模拟调制系统 通信原理（第7版）第5章樊昌信 曹丽娜 编著调制简介定义 目的 分类线性调制（幅度调制）原理 线性调制系统的抗噪声性能 非线性调制（角度调制）原理 各种模拟调制系统的性能比较 频分复用（FDM）本章内容:第5章 模拟调制 调制目的各种调制解调原理抗噪性能特点应用FDM调 制 简 介n 调制定义调制定义调制调制：把：把 消息信号消息信号 搭载到搭载到 载波载波 的某个参数上。的某个参数上。比喻比喻货物运输：货物运输：将将 货物货物 装载到装载到 飞机飞机/轮船轮船 的某个仓位上的某个仓位上载波载波：一种高频周期振荡信号，如正弦波。：一种高频周期振荡信号，如正弦波。受调载波称为受调

2、载波称为已调信号已调信号，含有消息信号特征。，含有消息信号特征。解调解调：调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。：调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。何谓调制？进行频谱搬移，匹配信道特性，减小天线尺寸；实现多路复用，提高信道利用率；改善系统性能（有效性、可靠性）；实现频率分配 看来，调制在通信系统中起着至关重要的作用！对呀，不同的调制方式，具有不同的特点和性能!n 调制目的调制目的为什么要进行调制？消消息息信信号号基基带信信号号 正正弦弦波波脉脉冲冲序序列列受受调调载载波波含含有有m(t)信信息息 调制信号调制信号 载载 波波 已调信号已调信号n 调制分类调制分类 运载工具 多种形式 同

3、义词先先认识一下一下 调制制过程程 所涉及的所涉及的 三种信号三种信号模模拟调制制数字数字调制制连续波波调制制脉冲脉冲调制制幅度幅度调制制频率率调制制相位相位调制制按按调制信号制信号m(t)的的类型型分分按按按按载波信号载波信号载波信号载波信号c(t)c(t)的类型的类型的类型的类型分分分分线性性调制制非非线性性调制制按按按按正弦载波正弦载波正弦载波正弦载波的受调参量的受调参量的受调参量的受调参量分分分分 按按已调信号已调信号 的频谱结构的频谱结构分分可从不同角度分类：可从不同角度分类：都有哪些调制方式？n 幅度调制幅度调制（线 性）：AM、DSB SSB、VSB n 角度调制角度调制（非线性

4、）：FM、PM 本章研究的模拟调制模拟调制方式：是以正弦信号 作为载波的 n 一般模型5.1 幅度调制（线性调制）的原理边带滤波器边带滤波器5.1.1 常规 调幅（AM）nAM表达式表达式nAM调制器调制器条件：边带项载波项nAM波形和频谱波形和频谱nAM信号的信号的特点特点l 时，AM波的包络正比于调制信号m(t)，故可采用包络检波。lAM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。lAM传输带宽是调制信号带宽的两倍：lAM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。lAM信号功率：nAM信号的缺信号的缺点点边带边带功率功率载载波功率波功率AM功率利用率低！l调制效率（功率利用率）：-不含有用信息

5、，却“浪费”大部分的发射功率。-包含有用信息m(t)，满调幅时，边带功率最大。定义调幅系数 m（用百分比表示时，又称调幅度）反映基带信号改变载波幅度的程度：m1 过调幅载波边带 当然，AM正是利用这种“浪费”去换取解调的“便宜”，即包检。当m=1(满调幅)时，AM调制效率的最大值仅为1/3，可见，AM的功率利用率很低。高调幅度的重要性！条件：如何提高调制效率？抑制载波！QA5.1.2 双边带调制（DSB-SC）条件：nDSB表达式表达式nDSB调制器调制器double-sideband suppressed carriernDSB波形和频谱波形和频谱nDSB信号的信号的特点特点l包络不再与m(

6、t)成正比；当m(t)改变符号时载波相位反转，故不能采用包络检波，需相干解调。l无载频分量，只有 上、下 边带。l带宽与AM的相同：l调制效率100，即功率利用率高。l主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。能否只传输能否只传输 一个边带一个边带？QA5.1.3 单边带调制（SSB）nSSBSSB信号的产生信号的产生（1 1）滤波法 技术难点之一技术难点之一原理原理：先形成先形成DSB信号，边带滤波即得信号，边带滤波即得上上或或下下边带信号。边带信号。要求：要求：滤波器滤波器HSSB()在载频处具有陡峭的截止特性。在载频处具有陡峭的截止特性。边带滤波特性边带滤波特性 HS

7、SB()（2 2）相移法 USB+-传递函数传递函数：是是 m(t)m(t)的的希尔伯特变换 含义含义：幅度不变，相移幅度不变，相移 /2/2 Hh()对 m(t)的所有 频率分量精确相移/2 技术难点之二技术难点之二下边带上边带 要求要求：24nSSB信号的信号的特点特点l优点之一是频带利用率高。其传输带宽仅为AM/DSB的一半：因此，在频谱拥挤的通信场合获得了广泛应用，尤其在短波通信和多路载波电话中占有重要的地位。l优点之二是低功耗特性，因为不需传送载波和另一个边不需传送载波和另一个边带而节省了功率带而节省了功率。这一点对于移动通信系统尤为重要。l缺点是设备较复杂，存在技术难点缺点是设备较

8、复杂，存在技术难点。也。也需相干解调。需相干解调。5.1.4 残留边带调制（VSB）介于介于SSB与与DSB之之间的折中方案。的折中方案。nVSBVSB信号的产生信号的产生应该具有怎样的滤波特性？nVSBVSB信号的解调信号的解调应该具有怎样的滤波特性？相乘：LPF解调输出：若要若要无失真恢复无失真恢复 m(t)，VSB滤波器的波器的传输函数必函数必须满足：足：在在载频载频处处 具有具有互补对称互补对称特性特性含义：含义：n残留边带滤波器的几何解释：nVSB信号的信号的特点特点l 仅仅比比SSB所需所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。l 应用：商业电

9、视广播中的电视信号传输等。n滤波法滤波法5.1.5 线性调制（幅度调制）的一般模型n相移法相移法在在接收接收端端，如何从如何从已调信号已调信号中恢复出中恢复出调制信号调制信号m(t)呢呢？QA解调的任务!5.1.6 相干解调 与 包络检波n相干解调相干解调 适用适用：AM、DSB、SSB、VSB特点特点：无门限效应：无门限效应要求要求：载波同步：载波同步 n包络检波包络检波 适用适用：AM 信号优势优势：简单、无需载波同步 要求要求：|m(t)|max A0 n插入载波包络检波法插入载波包络检波法 适用适用：DSB、SSB或VSB等抑制载波的已调信号原理原理：将这些信号插入恢复载波，使之成为或

10、近似 为AM信号，然后用包络检波器恢复出m(t)要求要求：Ad 很大，载波同步方法方法：发端/收端插入载波 n分析模型分析模型5.2 线性调制系统的抗噪声性能高斯白噪声高斯白噪声已已调信号信号 B 和和 f0 取决于已取决于已调信号的信号的频谱DSB信号：信号：B=2fH f0=fcSSB信号信号：B=fH f0=fcfH/2BPF5.2.1 模型与指标窄带高斯噪声窄带高斯噪声输出噪声出噪声输出信号出信号高斯白噪声高斯白噪声已已调信号信号BPF解调器解调器相干解调相干解调包络检波包络检波n分析模型分析模型解调器解调器n性能指标性能指标调制制度增益调制制度增益（信噪比增益）：（信噪比增益）：输出

11、信噪比：输出信噪比：BPF5.2.2 DSB-相干解调系统的抗噪声性能相干解调器Si So No Ni DSBB=2fH 相干解调将相干解调将 ni(t)中的中的正交分量正交分量抑制掉，抑制掉，从而使信噪比改善从而使信噪比改善1 1倍。倍。原因原因正交分量正交分量5.2.2 DSB-相干解调系统的抗噪声性能相干解调器Si So No Ni 5.2.3 SSB B=2fH B=fH SSBDSB 相干解调抑制正交相干解调抑制正交分量分量（无论信号还是噪声）（无论信号还是噪声）原因原因正交分量正交分量 能否说：DSB系统的抗噪声性能 优于 SSB 系统呢？在相同的Si，n0，fH条件下：B=2fH

12、 B=fH DSB和SSB的抗噪声性能相同。QA合成包络5.2.4 AM 包络检波系统的抗噪声性能（1）大信噪比时隔掉检波输出检波输出：讨论：l由于由于|m(t)|max A0，所以，所以GAM 1，即，即l100%调制，且制，且 m(t)为单频正弦正弦时：l相干解相干解调的的GAM 如同上式，但不受信噪比条件的限制。如同上式，但不受信噪比条件的限制。小信噪比时，信号被扰乱成噪声，导致输出 信噪比急剧恶化门限效应门限效应。（2）小信噪比时 可见：原因原因：包络检波器 的非线性解调作用。u大大信噪比时信噪比时：u小小信噪比时信噪比时：门限效应门限效应AM-包络检波包络检波系统的抗噪声性能：系统的

13、抗噪声性能：归纳归纳BPF解调器相干解调相干解调包络检波包络检波B=2fH f0=fcB=fH f0=fcfH/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：DSBSSBVSBAM抑制正交分量相干解调相干解调小结小结5.3 非线性调制（角度调制）原理n概述概述l角度调制：FM和PM的总称。l载波的幅度恒定，而频率或相位受调制。l属于非线性调制。l抗噪声性能优于幅度调制优势。5.3.1 角度调制的基本概念 n1 角角调信号一般表达式调信号一般表达式载波的恒定振幅载波的恒定振幅 ct+(t)已已调信号的瞬信号的瞬时相位相位 相相对于于 ct的的瞬瞬时相位偏移相位偏移 c+d(t)/dt 已

14、已调信号的瞬信号的瞬时角角频率率 相相对于于 c的的瞬瞬时角角频偏偏Kf=rad/(sV)Kp=rad/VPM：FM：角调信号：n2 PM与与 FM的关系的关系l PM 是 相位偏移 随 m(t)作 线性 变化；l FM 是 相位偏移 随 m(t)的积分作 线性 变化。若预先不知m(t)形式，能否判断已调信号是PM还是FM信号?57则为窄带调频（窄带调频（NBNBFMFM）；否则宽带调频（宽带调频（WBWBFMFM）若最大瞬时相位偏移满足：5.3.3 宽带 调频 最大相位偏移最大相位偏移n1 单音调频单音调频 FM 调频指数调频指数最大角频偏 单音调频信号单音调频信号：，则 设n2 FM信号的

15、频谱与带宽信号的频谱与带宽第一第一类 n 阶贝塞塞尔函数函数 是是调频指数指数 mf 的函数的函数傅里叶傅里叶变换级数展开数展开讨论讨论l 载频分量 c和无数多对边频和无数多对边频 cn m（分布在（分布在 c两侧）；两侧）；l 边频幅度边频幅度 A AJn(mf)随着随着 n 的增大而逐渐减小；的增大而逐渐减小；l 工程上工程上，保留上、下边频分量共有保留上、下边频分量共有 2n=2(mf+1)个；相个；相邻边频之间的频率间隔为邻边频之间的频率间隔为 fm，所以，所以FM带宽近似为带宽近似为：窄带调频(NBFM)(NBFM)宽带调频(WBFM)(WBFM)FM频谱和传输带宽：对于多音或任意带

16、限调制信号时的FM信号：FM广播的最大频偏 f=75kHz，最高调制频率fm=15kHz，故调频指数mf 5，FM信号的频带宽度为：推广推广：调制信号的最高频率例如例如：n3 FM信号的功率分配信号的功率分配载波功率 调制后总的功率不变，只是重新分配，而功率分配的比例与调频指数mf 有关。=1n4 FM的特点的特点 优势优势 应用应用应用：要求高质量或信道噪声大的场合，例如：调频广播，电视伴音、卫星通信、移动通信、微波通信和蜂窝电话等系统中。l包络恒定；l频偏随调制信号m(t)作线性变化；l相偏随消息信号m(t)的积分作线性变化；l带宽与m(t)的带宽和mf 有关，比AM带宽大(mf+1)倍。

17、优势：抗噪声能力强；代价：占用较大的信道带宽，因而频谱利用率较低。5.3.4 调频信号的产生与解调n1 调频调频信号的产生信号的产生 1)1)直接法直接法原理原理：调制电压控制振荡器的频率：优点优点：电路简单、可获得较大的频偏；缺点缺点：频率稳定度不高，可采用PLL调频器进行改进。2)2)间接法间接法原理原理：积分 调相(NBFM)n次倍频 WBFM优点优点：频率稳定度好；缺点缺点：需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。n2 调频调频信号的解调信号的解调 1)1)非相干解调非相干解调2)2)相干解调相干解调适用：适用：NBFMNBFM和WBFMWBFM思路思路：完成频率电压的转换，即：鉴频器鉴频

18、器一种振幅鉴频器仅适用仅适用NBFMNBFM微分器微分器：把幅度恒定的把幅度恒定的调调调调频频频频波波波波 调调调调幅幅幅幅调调调调频频频频波波波波 ：包包络检络检波器：波器：检检出出包包络络并滤去直流并滤去直流，原理原理：幅幅/频都随频都随m(t)m(t)变化变化经LPF即即得解得解调输调输出出：5.4 调频系统的抗噪声性能模型和方法与线性调制系统相似。解-鉴频器：单音调制时n n大信噪比时大信噪比时：可见可见：FM系统可通过增加传输带宽带宽来改善抗噪声性能;注意注意:以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。n n小信噪比时小信噪比时：门限效应门限效应mf 所有系统在所有系统在“同等条件同等

19、条件”下进行比较下进行比较：解调器输入信号功率为解调器输入信号功率为 Si 信道噪声均值为信道噪声均值为0，单边单边功率谱密度为功率谱密度为 n0 基带信号带宽为基带信号带宽为 fm 其中其中AM的调幅度为的调幅度为 100%，正弦型调制信号正弦型调制信号5.5 各种模拟调制系统的比较调制方式调制方式信号带宽信号带宽输出信噪比输出信噪比制度增益制度增益设备设备AMDSBSSB VSBFM21简单中等中等中等中等复复杂复复杂n n性能比较性能比较：1）抗噪声性能：FM最好，DSB/SSB、VSB次之，AM最差；2）频谱利用率：SSB最高，VSB较高，DSB/AM次之，FM最差；3）功率利用率：F

20、M最高，DSB/SSB、VSB次之，AM最差；4）设备复杂度：AM最简，DSB/FM次之，VSB较复杂，SSB最复杂。n n特点与应用特点与应用 1）AM：优点是接收点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波能力差。主要用在中波和短波调幅广播。幅广播。2）DSB：优点是功率利用率高，点是功率利用率高，带宽与与AM相同。主要用于相同。主要用于调频立体声中的差信号立体声中的差信号调制，彩色制，彩色TV中的色差信号中的色差信号调制。制。3）SSB：优点是功率利用率和点是功率利用率和频带利用率都利用率都较高，抗干高，抗干扰能能力和抗力和抗选择性衰落

21、能力均性衰落能力均优于于AM，而，而带宽只有只有AM的一半；的一半；缺点是收缺点是收发设备都复都复杂。常用于。常用于频分多路复用系分多路复用系统中。中。4）VSB：抗噪声性能和抗噪声性能和频带利用率与利用率与SSB相当。在相当。在电视广播广播等系等系统中得到了广泛中得到了广泛应用。用。5）FM：抗干抗干扰能力能力强，广泛，广泛应用于用于长距离高距离高质量的通信系量的通信系统中。缺点是中。缺点是频带利用率低，存在利用率低，存在门限效限效应。5.6 频分复用(FDM)l复用：在一条信道中同时传输多路信号l目的：充分利用信道的频带或时间资源l分类：FDM、TDM、SDM、CDMl频分：按频率划分信道的复用方式l方法：调制 合成 传输 分路 解调l原理：图示 n nFDMFDM系统原理框图：系统原理框图：n n典型例子典型例子-多路多路载波电话系统载波电话系统（目前，TDM替代）替代）层次结构层次结构：基群频谱结构示意图：基群频谱结构示意图：12 路 一个基群 5 个基群 一个超群（60路电话）10个超群 一个主群（600路电话）多个主群 一个巨群（每路4kHz）