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1、5.1引言引言5.2幅度调制原理及抗噪声性能幅度调制原理及抗噪声性能5.3非线性调制原理及抗噪声性能非线性调制原理及抗噪声性能5.4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5.5频分复用频分复用5.6复合调制及多级调制复合调制及多级调制第第5章章模拟调制系统模拟调制系统4/14/20231第四章 模拟调制系统调制的探讨对象问题：为什么要对信号进行调制？什么是调制？4/14/20232第四章 模拟调制系统调制的概念调制：就是将基带信号进行各种变换后，使信号转换成适合在信道中传输形式的过程。其中包括调制映射，频率搬移等等。频率搬移4/14/20233第四章 模拟调制系统调制的目的：提高
2、无线通信时的天线辐射效率。传输频率：3kHz，天线高度：25km传输频率：900MHz，天线高度：8cm把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落实力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。4/14/20234第四章 模拟调制系统调制分类调制信号：指来自信源的基带信号 载波信号：未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已调信号：载波受调制后称为已调信号。解调（检波）：调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号复原出来。幅度调制频率调制相位调制线性调制非线性调制4/14/20235第四章 模拟调制系统5.2
3、 幅度调制原理及抗噪声性能幅度调制原理及抗噪声性能幅度调制原理幅度调制原理5.2.2线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能4/14/20236第四章 模拟调制系统图图 5 1 5 1 线性调制的一般模型线性调制的一般模型5.2.1 幅度调制的原理幅度调制的原理4/14/20237第四章 模拟调制系统5.2.1 幅度调制的原理幅度调制的原理幅度调制是用调制信号去限制高频载波的振幅，幅度调制是用调制信号去限制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变更的过程。已调信号的使其按调制信号的规律而变更的过程。已调信号的时域和频域一般表示式为时域和频域一般表示式为Sm(t)=m(t)cosct*h
4、(t)Sm()=M(+c)+M(-c)H()4/14/20238第四章 模拟调制系统HPF：高通滤波器 LPF：低通滤波器 BPF：带通滤波器DSBDSB：double side-band，双边带调制SSBSSB：single side-band，单边带调制USBUSB：upper side-band，上边带调制LSBLSB：lower side-band，下边带调制VSB:vestigial side-band，残留边带调制4/14/20239第四章 模拟调制系统 AM调制器模型1、调幅、调幅(AM)信号信号4/14/202310第四章 模拟调制系统sAM(t)=A0+m(t)cosct=A
5、0cosct+m(t)cosctSAM()=A0(+c)+(-c)+M(+c)+M(-c)4/14/202311第四章 模拟调制系统AM信号的波形和频谱信号的波形和频谱BAM=2fH4/14/202312第四章 模拟调制系统 调幅信号的平均功率为：功率特性分析常规调幅信号的功率由载波功率Pc和边带功率Pf组成；边带功率与调制信号有关，是有用功率：载波功率？因为因为4/14/202313第四章 模拟调制系统 调制效率：边带功率与总功率之比，即：当当时，有：时，有：此时：此时：若若，调制效率最大值为，调制效率最大值为1/3。常规调幅调制效率低，载波重量不携带信息却占用大部分功率！改进方案-抑制载波
6、双边带调制4/14/202314第四章 模拟调制系统AM小结优点：结构简洁，实现简洁。缺点：功率效率特别低，最大为1/3频谱效率也不高，为信号最高频率的2倍。应用：中短波段AM广播。4/14/202315第四章 模拟调制系统思路：思路：AM信号，载波重量占据了大部信号，载波重量占据了大部分功率，又不包含信息，造成功率奢侈，分功率，又不包含信息，造成功率奢侈，可去除直流部分。可去除直流部分。原理：调制信号原理：调制信号m(t)没有直流重量时，没有直流重量时，得到得到DSB信号信号。频谱：两个边带包含相同的信息频谱：两个边带包含相同的信息。2、抑制载波双边带调制（、抑制载波双边带调制（DSB-SC
7、）4/14/202316第四章 模拟调制系统DSBDSB信号的波形和频谱信号的波形和频谱信号的波形和频谱信号的波形和频谱 4/14/202317第四章 模拟调制系统DSB小结 优点：功率利用率较高（与AM相比）。缺点：解调困难。DSB信号不能接受简洁的包络检 波来复原调制信号，需接受相干解调。节约了载波功率，但频带与AM信号同，是 调制信号带宽的2倍。应用：FM立体声中的差信号调制，彩色TV系统中 的色差信号调制，以及正交调制等。4/14/202318第四章 模拟调制系统3、单边带调制、单边带调制(SSB)原理：思路：思路：DSBDSB信号中，调制形成的两个信号中，调制形成的两个 边带互为对称
8、，很自然的想到只传输边带互为对称，很自然的想到只传输 一个边带，这就是一个边带，这就是SSB.SSB.原理：4/14/202319第四章 模拟调制系统表示式：滤波器：频域表示FLASH演示演示4/14/202320第四章 模拟调制系统单边带信号时域表达式时域关系：滤波器：4/14/202321第四章 模拟调制系统3、单边带调制、单边带调制(SSB)（1）用滤波法形成单边带信号用滤波法形成单边带信号 产生产生SSB信号最直观的方法是让双边信号最直观的方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所须要带信号通过一个边带滤波器，保留所须要的一个边带，滤除不要的边带。的一个边带，滤除不要的边带。用滤波法
9、形成用滤波法形成SSB信号的技术难点在信号的技术难点在于滤波器的设计和制作有困难。于滤波器的设计和制作有困难。（2）用相移法形成单边带信号用相移法形成单边带信号 相移法形成相移法形成SSB信号的技术难点在于信号的技术难点在于宽带相移网络的制作宽带相移网络的制作4/14/202322第四章 模拟调制系统形成SSB信号的滤波特性4/14/202323第四章 模拟调制系统 相移法形成SSB信号 设调制信号为：载波信号为：则DSB信号为：上边带信号为：下边带信号为：4/14/202324第四章 模拟调制系统相移法形成单边带信号相移法形成单边带信号4/14/202325第四章 模拟调制系统小结 优点：调
10、制前后带宽保持不变（与调制信号相同）。缺点：信号产生及其解调困难。应用：长途（载波）电话。4/14/202326第四章 模拟调制系统 综上所述：SSB调制方式在传输信号时，不但可节约载波放射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，因此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式。SSB信号的解调和DSB一样不能接受简洁的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能干脆反映调制信号的变更，所以仍需接受相干解调。4/14/202327第四章 模拟调制系统 4、残留边带调制、残留边带调制(VSB)思路：AM和DSB信号的带宽是原信 号的两倍，而SSB调制系
11、统实现较困难，因此提出了一种介于DSB和SSB 之间的调制方式VSB。原理：4/14/202328第四章 模拟调制系统频域表示FLASH演示演示2)()()(1)()()()(CCVSBVSBVSBDSBVSBFFHSthtStSwwwwww+-=*=4/14/202329第四章 模拟调制系统解 调接受相干解调解调不失真条件：要求滤波器特性满足互补对称性。4/14/202330第四章 模拟调制系统残留边带滤波器的传输特性残留边带滤波器的传输特性4/14/202331第四章 模拟调制系统残留边带滤波器的几何说明残留边带滤波器的几何说明4/14/202332第四章 模拟调制系统 满足互补对称特性的
12、滚降形态并不是唯一的，目前应用最多的是直线滚降和余弦滚降。它们分别在电视信号传输和数据信号传输中得到应用。4/14/202333第四章 模拟调制系统 说明只要残留边带滤波器的截止特性在载只要残留边带滤波器的截止特性在载频处具有互补对称特性，则接受同步频处具有互补对称特性，则接受同步解调法解调残留边带信号就能精确地解调法解调残留边带信号就能精确地复原所需的基带信号。复原所需的基带信号。残留边带滤波器的截止特性具有很大残留边带滤波器的截止特性具有很大的选择自由度。但有选择自由度并不的选择自由度。但有选择自由度并不意味着对意味着对“陡峭程度陡峭程度”就没有制约了。就没有制约了。残留边带信号的带宽与滤
13、波器的实现残留边带信号的带宽与滤波器的实现之间存在着冲突，在实际中，须要恰之间存在着冲突，在实际中，须要恰当处理。当处理。4/14/202334第四章 模拟调制系统 5.2.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能通信系统的质量指标模拟调制系统的性能评估指标 信噪比增益：说明：本节要探讨的问题是信道存在加性高斯白噪说明：本节要探讨的问题是信道存在加性高斯白噪声时，各种线性调制系统的抗噪声性能。而抗噪声声时，各种线性调制系统的抗噪声性能。而抗噪声实力通常用实力通常用“信噪比信噪比”来度量，即信号的平均功率来度量，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比。与噪声的平均功率之比。4/14/2
14、02335第四章 模拟调制系统图图5-7解调器抗噪声性能分析模型解调器抗噪声性能分析模型5.2.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能4/14/202336第四章 模拟调制系统带通滤波器传输特性带通滤波器传输特性4/14/202337第四章 模拟调制系统4/14/202338第四章 模拟调制系统线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型4/14/202339第四章 模拟调制系统1、DSB调制系统调制系统经低通滤波器后，输出信号为经低通滤波器后，输出信号为 解调器输出端的有用信号功率为解调器输出端的有用信号功率为4/14/202340第四章 模拟调制系
15、统解解调调DSB时时，接接收收机机中中的的带带通通滤滤波波器器的的中中心心频频率率0与与调调制制载载频频c相相同同，因因此此解解调调器器输输入入端端的的噪噪声声ni(t)可表示为可表示为它与相干载波它与相干载波cosct相乘后，得相乘后，得4/14/202341第四章 模拟调制系统 解调器输入信号：解调器输入信号：可得解调器的输入信噪比为可得解调器的输入信噪比为：4/14/202342第四章 模拟调制系统 解调器输出信号：解调器输出信号：可得解调器的输出信噪比为可得解调器的输出信噪比为：4/14/202343第四章 模拟调制系统 GDSB=2 由此可见，DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。这是
16、因为接受同步解调，使输入噪声中的一个正交重量ns(t)被消退的原因。4/14/202344第四章 模拟调制系统 2 SSB调制相干解调 由于 所以有 经低通后输出为：4/14/202345第四章 模拟调制系统 输出信号功率为：输出噪声功率为：输出信噪比为：输入信号功率为：输入噪声功率为：信噪比增益为：4/14/202346第四章 模拟调制系统物理意义分析GSSB=1，解调对信噪比没有改善。因为在SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声中的正交重量均被抑制掉，故信噪比没有改善。4/14/202347第四章 模拟调制系统 GDSB=2GSSB这能否说明双边带系统的抗噪
17、声性能比单边带系统好呢？回答是否定的。因为在上述探讨中，双边带已调信号的平均功率是单边带信号的 2 倍，所以两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率状况下得到的。假如我们在同等条件下（相同的输入信号功率Si，相同输入噪声功率谱密度n0，相同基带信号带宽fH条件下），对这两种调制方式进行比较，可以发觉它们的输出信噪比是相等的。但双边带信号所需的传输带宽是单边带的 2 倍。4/14/202348第四章 模拟调制系统 例5-1 对双边带信号和单边带进行相干解调，接收信号功率为2 mW，噪声双边功率谱密度为 ，调制信号是最高频率为4 kHz的低通信号。(1)比较解调器输入信噪比；(2)比较解调器输出信噪
18、比。解：SSB信号的输入信噪比和输出信噪比分别为：DSB信号的输入信噪比和输出信噪比分别为：4/14/202349第四章 模拟调制系统 输入信噪比的比较为 输出信噪比的比较为 计算结果说明两种信号的抗噪声性能一样。4/14/202350第四章 模拟调制系统3、AM包络检波的抗噪声性能分析模型包络检波的抗噪声性能分析模型4/14/202351第四章 模拟调制系统 4/14/202352第四章 模拟调制系统（1）大信噪比状况）大信噪比状况4/14/202353第四章 模拟调制系统这里利用了近似公式这里利用了近似公式 式中直流重量A0被电容器阻隔，有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别计算出输出信
19、号功率及噪声功率比：4/14/202354第四章 模拟调制系统 明显，AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加。但 对 包 络 检 波 器 来 说,为 了 不 发 生 过 调 制 现 象,应 有A0|m(t)|max，所以GAM总是小于1。例如：100%的调制(即A0=|m(t)|max)且m(t)又是正弦型信号时），有 这这是是AM系系统统的的最最大大信信噪噪比比增增益益。这这说说明明解解调调器对输入信噪比没有改善，器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。而是恶化了。4/14/202355第四章 模拟调制系统 可以证明，若接受同步检波法解调AM信号，则得到的调制制度增益GAM与上式给出的结
20、果相同。由此可见，对于AM调制系统，在大信噪比时，接受包络检波器解调时的性能与同步检波器时的性能几乎一样。但应当留意，后者的调制制度增益不受信号与噪声相对幅度假设条件的限制。4/14/202356第四章 模拟调制系统 其中其中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（2）小信噪比时：）小信噪比时：4/14/202357第四章 模拟调制系统E(t)近似表示为：近似表示为：4/14/202358第四章 模拟调制系统 由以上分析可得如下结论：大信噪比状况下，AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同；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；
21、一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化。解调器的门限效应。起先出现门限效应的输入信噪比称为门限值。这种门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的。4/14/202359第四章 模拟调制系统 门限效应输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化，通常把这种现象称为解调器的门限效应。起先出现门限效应的输入信噪比称为门限值。4/14/202360第四章 模拟调制系统 例5-2 对单频调制的常规调幅信号进行包络检波。设每个边带的功率为10 mW，载波功率为100 mW，接收机带通滤波器的带宽为10 kHz，信道噪声单边功率谱密度为5109 W/Hz。(1)求解调输出信噪比；(2)假如改为DSB，其性能优于常规调幅多少分贝？解(1)已知常规调幅信号的带宽为 ，其调制效率和解调信噪比增益分别为：4/14/202361第四章 模拟调制系统 输入SNR为 输出SNR为 （2）改为DSB时，信号功率相同，而由于带宽不变，所以，输入噪声功率也不变，所以输入SNR亦为：而输出SNR为：所以所求为：4/14/202362第四章 模拟调制系统总结：幅度调制原理、时域和频域表达式、总结：幅度调制原理、时域和频域表达式、波形；调制解调方法。波形；调制解调方法。4/14/202363第四章 模拟调制系统