通信原理_第7講_模擬調制系統(tǒng)(1)_電11

1、第1頁2022-3-16夏夏 舸舸第2頁2022-3-165.0 一些基本概念一些基本概念5.1 幅度調制（線性調制）的原理幅度調制（線性調制）的原理5.2 線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能5.3 非線性調制（角度調制）原理非線性調制（角度調制）原理5.4 調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能5.5 各種模擬調制系統(tǒng)的比較各種模擬調制系統(tǒng)的比較5.6 頻分復用和調頻立體聲頻分復用和調頻立體聲5.7 小結小結第3頁2022-3-16調制調制 把信號轉換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。把信號轉換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義調制廣義調制 分為分為基帶調制基帶調制和

2、和帶通調制帶通調制（也稱載波調制）。（也稱載波調制）。 狹義調制狹義調制 僅指帶通調制。在無線通信和其他大多數(shù)場合，調僅指帶通調制。在無線通信和其他大多數(shù)場合，調制一詞均指載波調制。制一詞均指載波調制。調制信號調制信號 指來自信源的基帶信號，可以是模擬的或數(shù)字的。指來自信源的基帶信號，可以是模擬的或數(shù)字的。載波調制載波調制 用調制信號去控制載波的參數(shù)的過程，使載波的一用調制信號去控制載波的參數(shù)的過程，使載波的一個或某幾個參數(shù)按照調制信號的規(guī)律變化。個或某幾個參數(shù)按照調制信號的規(guī)律變化。載波載波 未受調制的周期性振蕩信號，它可以是正弦波，也可以未受調制的周期性振蕩信號，它可以是正弦波，也可以是非

3、正弦波。是非正弦波。已調信號已調信號 載波受調制后稱為已調信號。載波受調制后稱為已調信號。第4頁2022-3-16 調制的目的調制的目的q 提高無線通信時的天線輻射效率。提高無線通信時的天線輻射效率。q 把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻處，以實現(xiàn)信道的多路復用，把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻處，以實現(xiàn)信道的多路復用，提高信道利用率。提高信道利用率。q 擴展信號帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實現(xiàn)傳輸帶寬擴展信號帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。與信噪比之間的互換。 調制方式調制方式 q 模擬調制模擬調制q 數(shù)字調制數(shù)字調制 常見的模擬調制常見的模

4、擬調制q 幅度調制：幅度調制：調幅、雙邊帶、單邊帶和殘留邊帶調幅、雙邊帶、單邊帶和殘留邊帶q 角度調制：角度調制：頻率調制、相位調制頻率調制、相位調制第5頁2022-3-16設：正弦型載波為：設：正弦型載波為：c(t)=Acos( ct+ 0) 式中：式中：A 載波幅度；載波幅度； c 載波角頻率；載波角頻率； 0 載波初始相位（以后假定載波初始相位（以后假定 0=0）。）。則根據(jù)調制定義，幅度調制信號（已調信號）一般可表示成則根據(jù)調制定義，幅度調制信號（已調信號）一般可表示成 m(t) 基帶調制信號。基帶調制信號。 幅度調制通常又稱為幅度調制通常又稱為線性調制線性調制。但應注意，這里的。但應

5、注意，這里的“線性線性”并不意味并不意味著已調信號與調制信號之間符合線性變換關系。事實上，任何調制過程都著已調信號與調制信號之間符合線性變換關系。事實上，任何調制過程都是一種非線性的變換過程。是一種非線性的變換過程。 ( )( )cosmcstAm tt第6頁2022-3-16一、一、調幅調幅（AM）二、二、雙邊帶調制雙邊帶調制（DSB）三、三、單邊帶調制單邊帶調制（SSB）四、四、殘留邊帶調制殘留邊帶調制（VSB）五、線性調制的一般模型五、線性調制的一般模型六、相干解調六、相干解調七、包絡檢波七、包絡檢波第7頁2022-3-16調制器模型：調制器模型：一、調幅（一、調幅（AM） m t ms

6、tcosct0A第8頁2022-3-16標準標準調幅調幅常規(guī)雙邊帶調幅常規(guī)雙邊帶調幅時域表示式：時域表示式：sAM(t)=A0+m(t)cos( ct)= A0cos( ct)+m(t)cos( ct)式中：式中：m(t) 調制信號，均值為調制信號，均值為0；A0 常數(shù)，表示疊加的直流分量。常數(shù)，表示疊加的直流分量。頻譜：頻譜：若若m(t)為確知信號，則為確知信號，則AM信號的頻譜為：信號的頻譜為： 若若m(t)為隨機信號，則已調信號的頻域表示式必須用功率譜描述為隨機信號，則已調信號的頻域表示式必須用功率譜描述。 一、調幅（一、調幅（AM） )()(21cos)()()(cos)()(cccc

7、c0c0 MMttmAtAMtm )()(21)()()(cccc0AM MMAS第9頁2022-3-16波形圖：波形圖：一、調幅（一、調幅（AM）第10頁2022-3-16由波形可以看出：由波形可以看出：q 當滿足條件：當滿足條件：|m(t)|max A0時，其包絡與調制信號波形相時，其包絡與調制信號波形相同，因此用包絡檢波法很容易恢復出原始調制信號。同，因此用包絡檢波法很容易恢復出原始調制信號。q 否則，出現(xiàn)否則，出現(xiàn)“過調幅過調幅”現(xiàn)象。這時用包絡檢波將發(fā)生失現(xiàn)象。這時用包絡檢波將發(fā)生失真。但是，可以采用其它的解調方法，如同步檢波。真。但是，可以采用其它的解調方法，如同步檢波。一、調幅（

8、一、調幅（AM）第11頁2022-3-16載頻分量載頻分量上邊帶上邊帶下邊帶下邊帶頻譜圖：頻譜圖： )()(21)()()(cccc0AM MMAS第12頁2022-3-16由頻譜可以看出，由頻譜可以看出，AM信號的頻譜由：信號的頻譜由：載頻分量載頻分量、上邊帶上邊帶、下邊帶下邊帶三部分組成。三部分組成。上邊帶的頻譜結構與原調制信號的頻譜結構相同，上邊帶的頻譜結構與原調制信號的頻譜結構相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。下邊帶是上邊帶的鏡像。一、調幅（一、調幅（AM）第13頁2022-3-16AM信號的特性：帶寬：帶寬：它是帶有載波分量的雙邊帶信號，帶寬是基帶信號它是帶有載波分量的雙邊帶信號，帶寬是基

9、帶信號帶寬帶寬 fH 的兩倍：的兩倍：功率：功率：設設 m(t) 為確知信號為確知信號一、調幅（一、調幅（AM）第14頁2022-3-16AM信號的特性：調制效率：調制效率：AM信號的總功率包括載波功率和邊帶功率兩信號的總功率包括載波功率和邊帶功率兩部分。部分。只有邊帶功率才與調制信號有關只有邊帶功率才與調制信號有關，載波分量并不攜，載波分量并不攜帶信息。有用功率（用于傳輸有用信息的邊帶功率）占信帶信息。有用功率（用于傳輸有用信息的邊帶功率）占信號總功率的比例稱為調制效率：號總功率的比例稱為調制效率：一、調幅（一、調幅（AM）)()(2202tmAtmPPAMSAM第15頁2022-3-16A

10、M信號的特性：調制效率：調制效率： 當當 m(t)=Amcos mt 時，時， ，代入上式，得到：，代入上式，得到： 當當|m(t)|max=A0 時（時（100調制），調制效率最高，這時：調制），調制效率最高，這時： max=1/3一、調幅（一、調幅（AM）2/)(22mAtm 220222022)()(mmAMAAAtmAtm第16頁2022-3-16時域表示式：無直流分量無直流分量A0：頻譜：無載頻分量：無載頻分量：二、雙邊帶調制（二、雙邊帶調制（DSB）ttmtscDSB cos)()( )()(21)(ccDSBMMS 第17頁2022-3-16調制效率：100優(yōu)點：節(jié)省了載波功率節(jié)

11、省了載波功率缺點：不能用包絡檢波，需用相干檢波，較復雜。不能用包絡檢波，需用相干檢波，較復雜。二、雙邊帶調制（二、雙邊帶調制（DSB）第18頁2022-3-16原理：雙邊帶信號兩個邊帶中的任意一個都包含了調制信號頻譜雙邊帶信號兩個邊帶中的任意一個都包含了調制信號頻譜M( )的所有頻譜成分，因此僅傳輸其中一個邊帶即可。的所有頻譜成分，因此僅傳輸其中一個邊帶即可。這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，這種方式這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，這種方式稱為單邊帶調制。稱為單邊帶調制。產生產生SSB信號的方法有兩種：信號的方法有兩種：濾波法濾波法和和相移法相移法。三、單邊帶調制（三、單邊帶

12、調制（SSB）第19頁2022-3-16濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的原理方框圖濾波法的原理方框圖用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶：用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶：H( )為單邊帶濾波器的傳輸函數(shù)，若它具有如下理想高通特性：為單邊帶濾波器的傳輸函數(shù)，若它具有如下理想高通特性： 則可濾除下邊帶。則可濾除下邊帶。三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB） ccHH 01)()(USB第20頁2022-3-16濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的原理方框圖濾波法的原理方框圖用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶：用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶： 若具有如下理想低通特性：若具有如下理想低通特性： ，則可濾，則可濾除

13、上邊帶。除上邊帶。SSB信號的頻譜：信號的頻譜：三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB） ccHH 01)()(LSB)()()( HSSDSBSSB 第21頁2022-3-16濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的原理方框圖濾波法的原理方框圖三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB）第22頁2022-3-16濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的技術難點：濾波法的技術難點： 濾波特性很難做到具有陡峭的截止特性。濾波特性很難做到具有陡峭的截止特性。 例如：若經過濾波后的話音信號的最低頻率為例如：若經過濾波后的話音信號的最低頻率為300Hz，則上下邊帶之間的頻率間隔為則上下邊帶之間的頻率間隔為600H

14、z，即允許過渡帶為，即允許過渡帶為600Hz。在。在600Hz過渡帶和不太高的載頻情況下，濾波器過渡帶和不太高的載頻情況下，濾波器不難實現(xiàn)；但當載頻較高時，采用一級調制直接濾波的方不難實現(xiàn)；但當載頻較高時，采用一級調制直接濾波的方法已不可能實現(xiàn)單邊帶調制。法已不可能實現(xiàn)單邊帶調制。三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB）第23頁2022-3-16濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的技術難點：濾波法的技術難點： *可以采用多級（一般采用兩級）可以采用多級（一般采用兩級）DSB調制及邊帶濾波調制及邊帶濾波的方法，即先在較低的載頻上進行的方法，即先在較低的載頻上進行DSB調制，目的是增大調制，目的是

15、增大過渡帶的歸一化值，以利于濾波器的制作。再在要求的載過渡帶的歸一化值，以利于濾波器的制作。再在要求的載頻上進行第二次調制。頻上進行第二次調制。 當調制信號中含有直流及低頻分量時濾波法就不適用當調制信號中含有直流及低頻分量時濾波法就不適用了。了。三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB）第24頁2022-3-16相移法和SSB信號的時域表示：若若 m(t) 是確定信號，其傅氏頻譜為是確定信號，其傅氏頻譜為 M(f)，上邊帶濾波器的傳遞函數(shù)為：，上邊帶濾波器的傳遞函數(shù)為：此此HUSB(f)也可表示為：也可表示為：HUSB(f)=u(ffc)+ u(ffc)，式中，式中u()表示表示單位單位階躍函數(shù)

16、階躍函數(shù)。 基本思路基本思路：為得到單邊帶調幅信號的時域表示式，先寫出單邊帶調幅為得到單邊帶調幅信號的時域表示式，先寫出單邊帶調幅信號的頻域表示式，再從它的信號的頻域表示式，再從它的傅氏反變換傅氏反變換得到時域表示式。得到時域表示式。三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB） 為為其其它它值值ffffHc01)(USB第25頁2022-3-16相移法和SSB信號的時域表示：上邊帶上邊帶信號的頻域表示式為：信號的頻域表示式為： 對上式進行傅氏反變換，并利用傅氏變換的調制定理，得到：對上式進行傅氏反變換，并利用傅氏變換的調制定理，得到：利用下列傅氏變換關系式：利用下列傅氏變換關系式：三、單邊帶調制（

17、三、單邊帶調制（SSB） )()(21)()(21)()()(21)(USBUSBccccccffuffMffuffMfHffMffMfS tfjtfjccefuFtmefuFtmts 2121USB)()(21)()(21)( )(2)(21)(2)(21futjtFfutjtF SDSB(t)第26頁2022-3-16相移法和SSB信號的時域表示：得到：得到：在上式中使用了下列恒等式：在上式中使用了下列恒等式：三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB） tfjtfjtfjtfjccccetmjtmetmjtmetjttmetjttmts 2222USB)()(41)()(412)(21)(2

18、12)(21)(21)( )()()(tmttm )(1)(tmttm 第27頁2022-3-16相移法和SSB信號的時域表示：式中的式中的 是是 m(t) 的希爾伯特變換。將的希爾伯特變換。將 m(t) 輸入希爾伯特濾波器，輸入希爾伯特濾波器，其輸出是其輸出是 ，如下圖所示：，如下圖所示：希爾伯特濾波器是沖激響應為希爾伯特濾波器是沖激響應為 的線型濾波器，其相應的的線型濾波器，其相應的頻率響應為：頻率響應為： 三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB）tth 1)( 00)(fjfjfH)(tm)(tm第28頁2022-3-16希爾伯特變換：若信號存在傅里葉變換對若信號存在傅里葉變換對 ，則其

19、希爾伯特變換，則其希爾伯特變換的頻譜等于該信號頻譜的頻譜等于該信號頻譜F()的負頻域全部頻率成分相移的負頻域全部頻率成分相移+/2，而正頻域相移，而正頻域相移/2完成這種變換的傳遞函數(shù)稱完成這種變換的傳遞函數(shù)稱為為希氏濾波器傳遞函數(shù)，即有：，即有：Hh()=jsgn() 三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB）)()( Ftf第29頁2022-3-16 利用歐拉公式得到單邊帶的上邊帶調幅信號表示式：利用歐拉公式得到單邊帶的上邊帶調幅信號表示式：三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB）tftmtftmtscc 2sin)(212cos)(21)(USB 2cos2sinjxjxjxjxeexje

20、ex tfjtfjccetmjtmetmjtmts 22USB)()(41)()(41)( 第30頁2022-3-16 單邊帶的單邊帶的下邊帶下邊帶調幅信號表示式：調幅信號表示式： 由于：由于： 得到：得到： 單邊帶調幅信號的時域表示式為單邊帶調幅信號的時域表示式為：三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB）)()(DSBLSBUSBtststs ）（tftmtstftmtftmccc 2cos)()(2sin)(212cos)(21LSB tftmtftmtscc 2sin)(212cos)(21)(LSB tftmtftmtscc 2sin)(212cos)(21)(SSB 第31頁2022

21、-3-16移相法移相法SSB調制器方框圖：調制器方框圖：優(yōu)點：優(yōu)點：不需要濾波器具有陡峭的截止特性。不需要濾波器具有陡峭的截止特性。缺點：缺點：寬帶相移網絡難用硬件實現(xiàn)。寬帶相移網絡難用硬件實現(xiàn)。三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB）希爾伯特濾波器希爾伯特濾波器實質上是一個寬實質上是一個寬帶相移網絡帶相移網絡第32頁2022-3-16SSB信號的解調：SSB信號的解調和信號的解調和DSB一樣，不能采用簡單一樣，不能采用簡單的包絡檢波，因為的包絡檢波，因為SSB信號也是抑制載波的已調信號，它的信號也是抑制載波的已調信號，它的包絡不能直接反映調制信號的變化，所以仍需采用相干解調。包絡不能直接反映

22、調制信號的變化，所以仍需采用相干解調。SSB信號的性能：SSB信號的實現(xiàn)比信號的實現(xiàn)比AM、DSB要復雜，但要復雜，但SSB調制方式在傳輸信息時，不僅可節(jié)省發(fā)射功率，而且它調制方式在傳輸信息時，不僅可節(jié)省發(fā)射功率，而且它所占用的頻帶寬度比所占用的頻帶寬度比AM、DSB減少了一半。它目前已成為減少了一半。它目前已成為短波通信中一種重要的調制方式。短波通信中一種重要的調制方式。三、單邊帶調制（三、單邊帶調制（SSB）第33頁2022-3-16原理： 殘留邊帶調制是介于殘留邊帶調制是介于SSB與與DSB之間的一種折中方式，之間的一種折中方式，它既克服了它既克服了DSB信號占用頻帶寬的缺點，又解決了信

23、號占用頻帶寬的缺點，又解決了SSB信號信號實現(xiàn)中的困難。在這種調制方式中，不像實現(xiàn)中的困難。在這種調制方式中，不像SSB那樣完全抑制那樣完全抑制DSB信號的一個邊帶，而是逐漸切割，使其殘留一小部分，信號的一個邊帶，而是逐漸切割，使其殘留一小部分，如下圖所示：如下圖所示：四、殘留邊帶調制（四、殘留邊帶調制（VSB）第34頁2022-3-16原理：四、殘留邊帶調制（四、殘留邊帶調制（VSB）第35頁2022-3-16調制方法：用濾波法實現(xiàn)殘留邊帶調制的原理框圖與濾波法用濾波法實現(xiàn)殘留邊帶調制的原理框圖與濾波法SBB調制器相同。調制器相同。 不過，這時圖中濾波器的特性應按殘留邊帶調制的要求不過，這時

24、圖中濾波器的特性應按殘留邊帶調制的要求來進行設計，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比單來進行設計，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比單邊帶濾波器容易制作。邊帶濾波器容易制作。四、殘留邊帶調制（四、殘留邊帶調制（VSB）第36頁2022-3-16對殘留邊帶濾波器特性的要求：(1) 殘留邊帶信號的頻譜為（由濾波法可知）：殘留邊帶信號的頻譜為（由濾波法可知）： 為了確定上式中殘留邊帶濾波器傳輸特性為了確定上式中殘留邊帶濾波器傳輸特性 H( ) 應滿足應滿足的條件，來分析一下接收端是如何從該信號中恢復原基帶信的條件，來分析一下接收端是如何從該信號中恢復原基帶信號的。號的。四、殘留邊帶調制（四、

25、殘留邊帶調制（VSB） )()()(21)()()(DSBVSB HMMHSScc 第37頁2022-3-16對殘留邊帶濾波器特性的要求：(2) VSB信號解調器方框圖：信號解調器方框圖：因為：因為：根據(jù)頻域卷積定理可知，乘積根據(jù)頻域卷積定理可知，乘積sp(t)對應的頻譜為：對應的頻譜為：四、殘留邊帶調制（四、殘留邊帶調制（VSB）ttstsc cos)(2)(VSBp )()(VSBVSB Sts )()(cosccct )()()(VSBVSBpccSSS 第38頁2022-3-16對殘留邊帶濾波器特性的要求：(2) VSB信號解調器方框圖：信號解調器方框圖：將：將：代入：代入： ，得到：，得到：式中：式中：M( +2 c) 及及 M( 2 c) 是搬移到是搬移到 +2 c 和和 2 c 處的頻譜，它們處的頻譜，它們可以由解調器中的低通濾波器濾除。于是，低通濾波器的輸出頻譜為：可以由解調器中的低通濾波器濾除。于是，低通濾波器的輸出頻譜為：