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1、工学模拟调制系统2、调制的作用和目的、调制的作用和目的1)将将调调制制信信号号（基基带带信信号号）转转换换成成适适合合于于信信道道传传输输的的已已调调信号（频带信号）；信号（频带信号）；2)实现信道的实现信道的多路复用多路复用，提高信道利用率；，提高信道利用率；3)扩扩展展信信号号带带宽宽，提提高高系系统统抗抗干干扰扰能能力力，实实现现传传输输带带宽宽与信噪比之间的互换与信噪比之间的互换；5.0 调制调制23、调制的分类、调制的分类 分类方法一：根据分类方法一：根据调制信号调制信号的形式：的形式：v 模拟调制模拟调制v 数字调制数字调制 分类方法二：根据分类方法二：根据载波载波的选择：的选择：
2、v 以以正弦波正弦波作为载波的连续波调制作为载波的连续波调制v 以以脉冲串脉冲串作为载波的脉冲调制作为载波的脉冲调制本章介绍以本章介绍以正弦波正弦波为载波的为载波的模拟调制模拟调制5.0 调制调制35.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理 幅度调制是用调制信号去幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅控制高频载波的振幅，使其按调，使其按调制信号的规律而变化的过程。制信号的规律而变化的过程。频谱是基带信号频谱的频谱是基带信号频谱的简单搬移简单搬移，是线性的，也称，是线性的，也称线性调制线性调制 载波：载波：调制信号：调制信号：已调信号：已调信号：45.1.1 调幅（调幅（AM
3、）载波分量载波分量载波分量载波分量载波分量载波分量边带分量边带分量v 调制信号调制信号m(t)叠加直流叠加直流A0后与载波相乘后与载波相乘v Em(t)=0;5载波分量载波分量上边带上边带下边带下边带5.1.1 调幅调幅（AM）65.1.1 调幅调幅（AM）通常假设通常假设m(t)无直流分量无直流分量（因为直流不携带任何信息），因此：（因为直流不携带任何信息），因此：功率计算：功率计算：载波功率载波功率边带功率（含信息）边带功率（含信息）75.1.1 调幅（调幅（AM）调制效率调制效率：用于传送消息的功率与已调信号的总功率的比：用于传送消息的功率与已调信号的总功率的比【注注】AM信号的信号的功
4、率利用率比较低功率利用率比较低，但，但解调方便解调方便（包络解调）。（包络解调）。举例：举例：85.1.2 双边带双边带调制（调制（DSB）载波分量载波分量边带分量边带分量（无载波分量）（无载波分量）5.1.2 双边带双边带调制（调制（DSB）上边带上边带上边带上边带下边带下边带5.1.3 单边带调制（单边带调制（SSB）DSB两两边边带带占占用用带带宽宽两两边边带带所所含含的的信信息息相相同同SSB优点优点:较较DSB节省带宽和发射功率节省带宽和发射功率115.1.3 单边带调制（单边带调制（SSB）1、滤波法滤波法 缺点缺点：v 理想滤波器不易实现理想滤波器不易实现;v 通通常常信信号号具
5、具有有丰丰富富的的低低频频成成分分,因此因此,失真严重失真严重。121、滤波法滤波法一级一级DSB调制和边带滤波调制和边带滤波5.1.3 单边带调制（单边带调制（SSB）131、滤波法滤波法两级两级DSB调制和边带滤波调制和边带滤波5.1.3 单边带调制（单边带调制（SSB）145.1.3 单边带调制（单边带调制（SSB）希尔伯特变换希尔伯特变换:缺点缺点：所有频率分量严格所有频率分量严格/2的相移是很困难的的相移是很困难的;2、相移法相移法155.1.4 残留边带调制（残留边带调制（VSB）残留边带调制是介于残留边带调制是介于SSB与与DSB之间的一种调制方式，之间的一种调制方式，它它既克服
6、了既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现信号实现上的难题上的难题:v 传送一个边带传送一个边带,保留另一个边带的一部分保留另一个边带的一部分;v 不需要理想滤波器不需要理想滤波器;v 代价是频带增宽了一些，代价是频带增宽了一些，略大于略大于fH;161.DSB,SSB和和VSB信号的频谱比较信号的频谱比较5.1.4 残留边带调制（残留边带调制（VSB）H()172.VSB调制和解调模型调制和解调模型5.1.4 残留边带调制（残留边带调制（VSB）182.VSB调制和解调模型调制和解调模型无失真无失真,要求要求:5.1.4 残留边带调制（残留边带
7、调制（VSB）193.残留上边带的滤波器的几何解释残留上边带的滤波器的几何解释5.1.4 残留边带调制（残留边带调制（VSB）在在c c处具有互处具有互补对称特性补对称特性205.1.4 残留边带调制（残留边带调制（VSB）4.残留边带滤波器特性残留边带滤波器特性残留下边带的滤波器残留下边带的滤波器残留上边带的滤波器残留上边带的滤波器215.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能5.2.1 分析模型分析模型 由由于于加加性性噪噪声声只只对对已已调调信信号号的的接接收收产产生生影影响响，因因而而调调制制系系统统的的抗抗噪噪声声性性能能可可以以用用解解调调器器的的抗抗噪噪声声性性能能
8、来来衡衡量量。分分析析解调器的抗噪声性能的模型如图解调器的抗噪声性能的模型如图:n(t):平稳高斯白噪声，双边功率谱密度为平稳高斯白噪声，双边功率谱密度为n0/2;输入输入信噪比信噪比输出输出信噪比信噪比221.输入信噪比输入信噪比5.2.1 分析模型分析模型ni(t)：平稳窄带高斯白噪声：平稳窄带高斯白噪声sm(t)：已调信号：已调信号已调信号已调信号sm(t)的带宽的带宽23 评评价价一一个个模模拟拟通通信信系系统统质质量量的的好好坏坏，最最终终是是要要看看解解调调器器的输出信噪比。输出信噪比定义为的输出信噪比。输出信噪比定义为:2.输出信噪比输出信噪比5.2.1 分析模型分析模型243.
9、调制制度增益调制制度增益5.2.1 分析模型分析模型 为为了了便便于于衡衡量量同同类类调调制制系系统统不不同同解解调调器器对对输输入入信信噪噪比比的的影响影响，还可用输出信噪比和输入信噪比的比值，还可用输出信噪比和输入信噪比的比值G来表示，即来表示，即:G越越大大，解解调调器器的的性性能能越越好好！，但但不不能能表表示示整整个个调调制制系统系统的抗噪声性能！的抗噪声性能！25输入输入信噪比信噪比输出输出信噪比信噪比调制调制制度增益制度增益5.2.1 分析模型分析模型4.分析方法分析方法26相干解调器相干解调器5.2.2 DSB调制系统的性能（相干解调）调制系统的性能（相干解调）相干解调的分析模
10、型相干解调的分析模型(1)输入信噪比输入信噪比B=2fH275.2.2 DSB调制系统的性能（相干解调）调制系统的性能（相干解调）（2）输出信噪比输出信噪比低通低通285.2.2 DSB调制系统的性能（相干解调）调制系统的性能（相干解调）（2）输出信噪比输出信噪比窄带随机过程窄带随机过程低通低通295.2.2 DSB调制系统的性能（相干解调）调制系统的性能（相干解调）（3）调制制度增益调制制度增益解调器使信噪解调器使信噪比改善比改善2倍倍305.2.3 SSB调制系统的性能（相干解调）调制系统的性能（相干解调）（1）输入信噪比输入信噪比B=fH315.2.3 SSB调制系统的性能（相干解调）调
11、制系统的性能（相干解调）（2）输出信噪比输出信噪比325.2.3 SSB调制系统的性能（相干解调）调制系统的性能（相干解调）（3）调制制度增益调制制度增益解调器对信噪解调器对信噪比没有改善比没有改善335.2.3 SSB调制系统的性能（相干解调）调制系统的性能（相干解调）（4）DSB,SSB调制调制系统抗噪声性能系统抗噪声性能比较比较 GDSB=2GSSB。这能否说明这能否说明DSB的抗噪声性能比的抗噪声性能比SSB好呢？好呢？衡衡量量一一个个系系统统的的抗抗噪噪声声性性能能，要要在在相相同同的的输输入入信信号号功功率率Si，相相同同输输入入噪噪声声功功率率谱谱密密度度n0，相相同同基基带带信
12、信号号带带宽宽fH条条件件下下，对对这这两种调制方式的两种调制方式的输出信噪比输出信噪比进行比较：进行比较：一一样样【注注】SSB所需带宽是所需带宽是DSB的一半，因此，有效性更好！的一半，因此，有效性更好！5.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能B=2fH（1）输入信噪比输入信噪比355.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能（2）输出信噪比输出信噪比包络检波器的输入包络检波器的输入:包络检波器的输出包络检波器的输出:包包络络检检波波器器输输出出中中有有用用信信号号与与噪噪声声无无法法完完全全分分开开。因因此此，计算输出信噪比是件困难的事。我们来考虑计算输出信噪比是件困难的事。我们来考
13、虑两种特殊情况两种特殊情况:365.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能（2）输出信噪比输出信噪比大信噪比大信噪比375.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能（2）输出信噪比输出信噪比大信噪比大信噪比直流分量直流分量,被电容阻隔被电容阻隔有用信号有用信号噪声噪声 100%调制，调制，且且m(t)是是正弦正弦信号信号:385.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能（2）输出信噪比输出信噪比小信噪比小信噪比令令:395.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能（2）输出信噪比输出信噪比小信噪比小信噪比分分析析:(t)是是一一个个随随机机噪噪声声,使使m(t)被被其其扰扰乱乱,调调制制信信
14、号号m(t)无无法法与与噪噪声声分分开开,有有用用信信号号淹淹没没在在噪噪声声中中,使使输输出出信信噪噪比比不不再再与与输输入入信噪比成比例信噪比成比例,而是急剧恶化而是急剧恶化,这种现象被称为这种现象被称为门限效应门限效应.门门限限效效应应定定义义:当当包包络络检检波波的的输输入入信信噪噪比比降降低低到到一一个个特特定定的的数数值后值后,检波器的检波器的输出信噪比出现急剧恶化输出信噪比出现急剧恶化的一种现象的一种现象.405.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能（3）总结总结 包络检波的抗噪声性能包络检波的抗噪声性能：v 大大信信噪噪比比情情况况下下，几几乎乎与与相相干干解解调调法法相相
15、同同（AM的的相相干干解解调的性能大家可以自行分析）调的性能大家可以自行分析）;v 小信噪比小信噪比情况下，出现情况下，出现门限效应门限效应;41附附：线性调制的抗噪声性能小结线性调制的抗噪声性能小结调制调制方式方式信号带宽信号带宽Si/NiSo/NoG设备设备复杂度复杂度DSB2fH2中等中等SSBfH1复杂复杂VSB略大于略大于fH近似近似SSB近似近似SSB近似近似SSB复杂复杂AM2fH简单简单注注AM:只考虑只考虑大信噪比大信噪比情况情况425.3 非线性调制（角度调制）原理非线性调制（角度调制）原理基带信号基带信号调制调制频带信号频带信号即载波信号的某一参量随基带信号变化即载波信号
16、的某一参量随基带信号变化,从而携带信息从而携带信息时域时域频域频域线性调制线性调制载波的载波的幅度幅度随基带信随基带信号变化号变化频带信号的频谱是基带频带信号的频谱是基带信号的信号的线性平移线性平移非线性调制非线性调制载波的载波的频率或相位频率或相位随随基带信号变化基带信号变化频带信号的频谱产生频带信号的频谱产生与与频谱平移不同的新的频频谱平移不同的新的频率分量率分量 注注:非线性调制中的调频和调相又统称为非线性调制中的调频和调相又统称为角度调制角度调制435.3.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念1、FM和和PM信号的一般表达式信号的一般表达式未调制的正弦波未调制的正弦波角调制信号角调
17、制信号时域表达式时域表达式瞬时相位瞬时相位瞬时相位偏移瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率瞬时频率偏移瞬时频率偏移445.3.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念1、FM和和PM信号的一般表达式信号的一般表达式相位调制相位调制(PM)频率调制频率调制(FM)时域表达式时域表达式瞬时相位瞬时相位瞬时相位偏移瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率瞬时频率偏移瞬时频率偏移Kp:调相灵敏度调相灵敏度(rad/V)；Kf:调频灵敏度调频灵敏度(rad/sV)；455.3.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念由于角度调制系统的由于角度调制系统的非线性非线性，即使对于简单的基带信号，数，即使对于简单的基带信号，数学上
18、也学上也很难求出其精确频谱很难求出其精确频谱，因此一般在非常，因此一般在非常简单的基带信号简单的基带信号（单一频率）（单一频率）情况下，分析其频谱特性，然后进行推广。情况下，分析其频谱特性，然后进行推广。2、单音调制、单音调制FM与与PM(1)PMmP=KPAm:调相指数，表示最大的相位偏移；调相指数，表示最大的相位偏移；465.3.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念2、单音调制、单音调制FM与与PM(2)FMmf:调频指数，最大的相位偏移；调频指数，最大的相位偏移；:最大角频偏，最大角频偏，f:最大频偏；最大频偏；473、FM与与PM的关系的关系5.3.1 角度调制的基本概念角度调制的
19、基本概念485.3.2 窄带窄带调频调频窄带调频窄带调频(NBFM)定义为定义为最大瞬时相位偏移最大瞬时相位偏移满足满足:反之反之,即为即为宽带调频宽带调频(WBFM).首先看一下窄带调频信号首先看一下窄带调频信号:NBFMx很小时有：很小时有：cosx1sinxx495.3.2 窄带窄带调频调频 AM和和NBFM的比较的比较：v AM和和NBFM都有都有载波和两个边带，带宽相同载波和两个边带，带宽相同；v AM已调信号频谱是基带信号频谱的已调信号频谱是基带信号频谱的线性搬移线性搬移;v NBFM已调信号频谱是基带信号频谱的已调信号频谱是基带信号频谱的非线性搬移非线性搬移：两个边带分别乘了因式
20、：两个边带分别乘了因式：1/(c)一个边带与一个边带与AM反相反相；505.3.3 宽带宽带调频调频FMJn(mf):第一类第一类n阶贝塞尔阶贝塞尔(Bessel)函数函数 Jn(mf)随着随着n的增大而逐渐减小，取的增大而逐渐减小，取适当的适当的n值使边频分量值使边频分量小到可以忽略小到可以忽略的程度，调频信号可近似认为具有的程度，调频信号可近似认为具有有限频谱有限频谱:卡森公式卡森公式窄带调频窄带调频大指数宽带调频大指数宽带调频5.3.3 宽带调频宽带调频525.3.3 宽带调频宽带调频帕塞瓦尔定理（附录帕塞瓦尔定理（附录A）【注注】调频过程只是进行调频过程只是进行载波功率的重新分配载波功
21、率的重新分配，而分配，而分配的原则与调频指数的原则与调频指数mf有关。有关。功率：功率：535.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调1.调频信号的产生调频信号的产生v 直接调频法直接调频法:压控振荡器压控振荡器调制器调制器v 间接调频法（阿姆斯特朗法）间接调频法（阿姆斯特朗法）:545.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调1.调频信号的产生调频信号的产生v 间接调频法（阿姆斯特朗法）间接调频法（阿姆斯特朗法）:NBFM信号的产生信号的产生55kd:鉴频器灵敏度，鉴频器灵敏度，V/(rad/s)（滤去直流后的输出）滤去直流后的输出）2.调频信号的解调调频信号的解调非相干解
22、调非相干解调：5.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调565.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调 2.调频信号的解调调频信号的解调相干解调相干解调：仅适用于：仅适用于NBFM575.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能5.4.1 输入信噪比输入信噪比585.4.2 大信噪比大信噪比时的解调增益时的解调增益以以单音调制信号单音调制信号为例为例:m(t)=Amcos mt=cos mt附附：FM与与AM的抗噪声性能比较的抗噪声性能比较 设设FM与与AM信信号号均均为为单单音音调调制制，AM信信号号:大大信信噪噪比比100%调调制制,FM信信号号:大大信信噪噪比比宽
23、宽带带调调频频。当当两两者者的的输输入入信信号号功功率率Si相相等等，信信道道噪噪声声功功率率谱谱密密度度n0相相同同，基基带带信信号号带带宽宽fm相相同同条条件件下下时时，比比较调频系统与调幅系统的抗噪声性能。较调频系统与调幅系统的抗噪声性能。60附附：FM与与AM的抗噪声性能比较的抗噪声性能比较FM抗噪声性抗噪声性能优于能优于AMFM性能的提高是以增加带宽为代价的性能的提高是以增加带宽为代价的!61 当当输输入入信信噪噪比比减减小小到到一一定定程程度度时时，解解调调器器的的输输出出中中不不存存在在单单独独的的有有用用信信号号项项，信信号号被被噪噪声声扰扰乱乱，因因而而输输出出信信噪噪比比急
24、急剧剧下下降降。我我们们称称之之为为门门限限效效应应。出出现现门门限限效效应应时时所所对对应应的的输输入入信噪比值被称为信噪比值被称为门限值门限值。5.4.3 小信噪比时的门限效应小信噪比时的门限效应mf,门限值门限值；在门限值以上在门限值以上,mf,S0/N0；在门限值以下在门限值以下,mf,S0/N0下降越快；下降越快；625.5 各种模拟调制系统的性能比较各种模拟调制系统的性能比较调制调制方式方式传输带宽传输带宽设备设备复杂度复杂度主要应用主要应用AM2fm简单简单中短波无线电广播中短波无线电广播DSB2fm中等中等应用较少应用较少SSBfm复杂复杂短波无线电广播、短波无线电广播、话音频
25、分复用话音频分复用、载波通信、数据传输载波通信、数据传输VSB略大于略大于fm近似近似SSB复杂复杂电视广播电视广播、数据传输、数据传输FM2(mf+1)fm中等中等超短波小功率电台超短波小功率电台(窄带窄带FM)；调频调频立体声广播等高质量通信立体声广播等高质量通信(宽带宽带FM)635.6 频分复用和调频立体声频分复用和调频立体声5.6.1 频分复用频分复用64v 每路电话信号的频带每路电话信号的频带：3003400Hz v CCITT建议采用建议采用SSB调制进行调制进行频分复用频分复用每路电话信号取每路电话信号取4000Hz作为标准带宽作为标准带宽 5.6.1 频分复用频分复用举例：模
26、拟电话多路复用系统举例：模拟电话多路复用系统留防护频带留防护频带65基群基群基群基群超群超群超群超群主群主群主群主群举例：模拟电话多路复用系统举例：模拟电话多路复用系统5.6.1 频分复用频分复用B=48KHzB=48KHzB=240KHzB=240KHzB=2.4MHzB=2.4MHz665.6.1 频分复用频分复用LSBUSBLSBUSB67 普普通通FM广广播播中中，调调制制（基基带带）信信号号（L+R）的的最最高高频频率率fm=15KHz，最大频偏，最大频偏 f=75KHz，由卡森公式：，由卡森公式：5.6.2 调频立体声广播调频立体声广播各电台之间的频率间隔取各电台之间的频率间隔取2
27、00KHz留防护频带留防护频带68 调调频频立立体体声声广广播播系系统统占占用用频频段段为为88108 MHz，采采用用FDM方方式式，每每频频道道400KHz。在在调调频频之之前前，首首先先采采用用DSB方方式式调调制制左左右右两两个个声声道道信信号号之之差差(L-R)，然然后后与与左左右右两两个个声声道道信信号之和号之和(L+R)实行实行频分复用频分复用，作为，作为FM的基带信号的基带信号：5.6.2 调频立体声广播调频立体声广播695.6.2 调频立体声广播调频立体声广播70功率计算：功率计算：附附:已调信号的功率计算已调信号的功率计算帕塞瓦尔定理帕塞瓦尔定理附附:已调信号的功率计算已调信号的功率计算72附附:相移法公式的推导相移法公式的推导首先分析首先分析上边带上边带,对应滤波器的对应滤波器的传递函数传递函数:单位阶跃函数单位阶跃函数定义定义:注注:一般一般t=0 不定义不定义,或者规或者规定定u-1(t)=1/273两边取两边取傅立叶反变换傅立叶反变换,并利用频移性质并利用频移性质:附附:相移法公式的推导相移法公式的推导74求解求解:附附:相移法公式的推导相移法公式的推导75完完附附:相移法公式的推导相移法公式的推导76此此课课件下件下载载可自行可自行编辑编辑修改，修改，仅仅供参考！供参考！感感谢谢您的支持，我您的支持，我们们努力做得更好！努力做得更好！谢谢谢谢