通信原理 第五章 模擬調制(第7版)

1、 模擬調制系統(tǒng)第5章調制簡介定義 目的 分類線性調制（幅度調制）原理 線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能 非線性調制（角度調制）原理 各種模擬調制系統(tǒng)的性能比較 頻分復用（FDM） 本章內容: 第5章 模擬調制 調制目的各種調制解調原理抗噪性能特點應用FDM調 制 簡 介n 調制定義調制定義調制調制：把：把 消息信號消息信號 搭載到搭載到 載波載波 的某個參數(shù)上。的某個參數(shù)上。 比喻比喻貨物運輸：貨物運輸： 將將 貨物貨物 裝載到裝載到 飛機飛機/ /輪船輪船 的某個倉位上的某個倉位上載波載波：一種高頻周期振蕩信號，如正弦波。：一種高頻周期振蕩信號，如正弦波。 受調載波稱為受調載波稱為已調信號已調信號，

2、含有消息信號特征。，含有消息信號特征。解調解調：調制的逆過程，從已調信號中恢復消息信號。：調制的逆過程，從已調信號中恢復消息信號。 何謂調制？進行頻譜搬移，匹配信道特性，減小天線尺寸；實現(xiàn)多路復用，提高信道利用率；改善系統(tǒng)性能（有效性、可靠性）；實現(xiàn)頻率分配 看來，調制在通信系統(tǒng)中起著至關重要的作用！對呀，不同的調制方式，具有不同的特點和性能!n 調制目的調制目的為什么要進行調制？消息信號消息信號基帶信號基帶信號 正弦波正弦波脈沖序列脈沖序列受調載波受調載波含有含有m(t) 信息信息 調制信號調制信號 載載 波波 已調信號已調信號n 調制分類調制分類( )m t( )mst 運載工具 多種形式

3、 同義詞認識認識一下一下 調制過程調制過程 所涉及的所涉及的 三種信號三種信號模擬調制模擬調制數(shù)字調制數(shù)字調制連續(xù)波調制連續(xù)波調制脈沖調制脈沖調制幅度調制幅度調制頻率調制頻率調制相位調制相位調制按按調制信號調制信號m(t)的類型的類型分分按按載波信號載波信號c(t)的類型的類型分分線性調制線性調制非線性調制非線性調制按按正弦載波正弦載波的受調參量的受調參量分分 按按已調信號已調信號 的頻譜結構的頻譜結構分分可從不同角度分類：可從不同角度分類：都有哪些調制方式？n 幅度調制幅度調制（線 性）： AM、DSB SSB、VSB n 角度調制角度調制（非線性）：FM、PM ( )cos()cc tAt

4、本章研究的模擬調制模擬調制方式： 是以正弦信號 作為載波的 n 一般模型5.1 幅度調制（線性調制）的原理( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )()()( )2mccSMMH邊帶濾波器邊帶濾波器( )( )h tH5.1.1 常規(guī) 調幅（AM） 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和nAM表達式表達式nAM調制器調制器條件：邊帶項載波項nAM波形和頻譜波形和頻譜nAM信號的信號的特點特點l 時，AM波的包絡正比于調制信號m(t)， 故可采用包絡檢波。 lAM的頻譜由載頻分量、上邊帶和下邊帶組成。lAM傳

5、輸帶寬是調制信號帶寬的兩倍： lAM的優(yōu)勢在于接收機簡單，廣泛用于中短調幅廣播。AM2HBf 0maxm tAlAM信號功率：nAM信號的缺信號的缺點點20AM2( )22scAtPmPP0max( )m tA220( )m tAAM50%故邊帶功率邊帶功率 0AMccoscoscttm ttsA載波功率載波功率2sAM22AM0( )( )Pm tPAm tAM功率利用率低！l調制效率（功率利用率）： -不含有用信息 ，卻“浪費”大部分的發(fā)射功率。 -包含有用信息m(t)， 滿調幅時，邊帶功率最大。 定義調幅系數(shù) m（用百分比表示時，又稱調幅度） 反映基帶信號改變載波幅度的程度： max0(

6、 )mm tAm1 過調幅載波邊帶 當然， AM正是利用這種“浪費”去換取解調的 便宜“，即包檢。2sAM22AM0( )( )Pm tPAm tmax0( )mm tA22220AM2222200/22/2mmmmAAAmAAAAm( )cosmmm tAt設（單音正弦），22( )/2mm tA則當m=1(滿調幅)時，AM調制效率的最大值僅為1/3， 可見，AM的功率利用率很低。高調幅度的重要性！ 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和條件：如何提高調制效率？抑制載波！5.1.2 雙邊帶調制（DSB-SC） cDSB

7、cosm tstt cDSBc12MMS 0m t 條件：nDSB表達式表達式nDSB調制器調制器double-sideband suppressed carriernDSB波形和頻譜波形和頻譜nDSB信號的信號的特點特點l包絡不再與m(t)成正比；當m(t)改變符號時載波相位反轉，故不能采用包絡檢波，需相干解調。 l無載頻分量，只有 上、下 邊帶。l帶寬與AM的相同： l調制效率100，即功率利用率高。l主要用作SSB、VSB的技術基礎，調頻立體聲中的差信號調制等。DSBAM2HBBf 5.1.3 單邊帶調制（SSB）nSSBSSB信號的產生信號的產生（1 1）濾波法 技術難點之一技術難點之

8、一原理原理 先形成先形成DSB信號，邊帶濾波即得信號，邊帶濾波即得上上或或下下邊帶信號。邊帶信號。要求：要求： 濾波器濾波器HSSB() 在載頻處具有陡峭的截止特性。在載頻處具有陡峭的截止特性。邊帶濾波特性邊帶濾波特性 HSSB() 11cossscoinsin22mccmmmtAtAtt cosmmm tAt設 coscosDSBmmcstAtt LSB1cos2mcmstAt 11cossin22ccttm tm t1cosc21os2mcmmcmAtAt（2 2）相移法 coscc tt載波USB + - - 10sgn10，傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)( )( )sgn( )hMHjM m t希爾

9、伯特變換 含義含義 Hh( ) 對 m(t) 的所有 頻率分量精確相移 /2 技術難點之二技術難點之二 SSB11cossin22ccStm ttm tt下邊帶上邊帶 要求要求：24希爾伯特變換希爾伯特變換：將一個信號將一個信號 f(t) 的全部頻率分的全部頻率分量相移量相移-90后所得的時間信號就叫做原信號的后所得的時間信號就叫做原信號的希爾波特變換希爾波特變換 ，信號和它的希爾信號和它的希爾伯伯特變換特變換互為正交互為正交。( )f t正變換：逆變換：頻譜關系：nSSB信號的信號的特點特點l優(yōu)點之一是頻帶利用率高。其傳輸帶寬僅為AM/DSB的一半： 因此，在頻譜擁擠的通信場合獲得了廣泛應用

10、，尤其在短波通信和多路載波電話中占有重要的地位。l優(yōu)點之二是低功耗特性，因為不需傳送載波和另一個邊不需傳送載波和另一個邊帶而節(jié)省了功率帶而節(jié)省了功率。這一點對于移動通信系統(tǒng)尤為重要。l缺點是設備較復雜，存在技術難點缺點是設備較復雜，存在技術難點。也。也需相干解調。需相干解調。SSBAM/2HBBf5.1.4 殘留邊帶調制（VSB）介于介于SSB與與DSB之間的折中方案。之間的折中方案。nVSBVSB信號的產生信號的產生應該具有怎樣的濾波特性 ？nVSBVSB信號的解調信號的解調 VSBDSB12ccSSMMHH應該具有怎樣的濾波特性？ VSB2cospcststt VSBVSBpccSSS相乘

11、 VSB12ccSMHM 1( )22122cccpcSMMHHMMLPF解調輸出： d12ccHSMH若要若要無失真恢復無失真恢復 m(t)， VSB濾波器的傳輸函數(shù)必須濾波器的傳輸函數(shù)必須滿足：滿足：在在載頻載頻處處 具有具有互補對稱互補對稱 特性特性()()ccHHH常數(shù)，含義：含義： d12ccHSMH()()ccHHH常數(shù)，n殘留邊帶濾波器的幾何解釋：nVSB信號的信號的特點特點l 僅僅比比SSB所需所需帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡單。帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡單。l 應用：商業(yè)電視廣播中的電視信號傳輸?shù)?。VSB2HHfBfn濾波法濾波法( ) ( )cos( )mcs

12、tm tth t1( )()()( )2mccSMMH5.1.5 線性調制（幅度調制）的一般模型n相移法相移法( )( )h tH在在接收接收端端，如何從如何從已調信號已調信號中恢復出中恢復出調制信號調制信號m(t)呢呢？解調的任務!5.1.6 相干解調 與 包絡檢波n相干解調相干解調 適用適用：AM、DSB、SSB、VSB特點特點：無門限效應：無門限效應要求要求：載波同步：載波同步 n包絡檢波包絡檢波 適用適用：AM 信號優(yōu)勢優(yōu)勢：簡單、無需載波同步 要求要求：|m(t)|max A0 n插入載波包絡檢波法插入載波包絡檢波法 適用適用： DSB、SSB或VSB等抑制載波的已調信號原理原理：將

13、這些信號插入恢復載波，使之成為或近似 為AM信號，然后用包絡檢波器恢復出m(t)要求要求：Ad 很大，載波同步方法方法：發(fā)端/收端插入載波 n分析模型分析模型5.2 線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能高斯白噪聲高斯白噪聲已調信號已調信號 B 和和 f0 取決于已調信號的頻譜取決于已調信號的頻譜DSB信號：信號：B=2fH f0=fcSSB信號信號：B= fH f0=fcfH /2BPF5.2.1 模型與指標窄帶高斯噪聲窄帶高斯噪聲輸出噪聲輸出噪聲輸出信號輸出信號i0222ics( )( )( )n tn tn tNn B高斯白噪聲高斯白噪聲已調信號已調信號BPF解調器解調器相干解調相干解調包絡檢波包絡檢

14、波ic0s0( )( )cos( )sinn tn ttn ttn分析模型分析模型解調器解調器ooii/SNGSN2oo2oo( )( )Sm tNn t2ii2ii( )( )SstNntn性能指標性能指標制度增益：制度增益：輸出信噪比：輸出信噪比：BPF5.2.2 DSB- -相干解調系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni DSB21cos1 cos22利用（）DSB2Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222o

15、cioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH 2i12Smt 2o14Sm ti0Nn Boi14NNoioi2SSNN即020cocs( )ostc ttsin22sincos利用c000s2i0( ) cosco( )sin)co(ssn ttn tttn tt 相干解調將相干解調將 ni(t)中的中的正交分量正交分量抑制掉，抑制掉，從而使信噪比改善從而使信噪比改善1 1倍。倍。ooDSBii/2/SNGSNoioi2SSNN即sin22sincos利用原因原因正交分量正交分量5.2.3 SSB -相

16、干解調系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調器Si So No Ni 11cosis n22ccmm tttm tst 2o116Smto1( )4( )m tm t2i1( )4Sm tSSB1Go1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttoioiSSNN即i0Nn BB=fH SSBoN 2o116Smt2i1( )4Sm ti0Nn Boi14NNi14N 相干解調抑制正交相干解調抑制正交分量分量 11cosis n22ccmm tttm tstic0s0( )( ) cos( )s

17、inn tn ttn ttooSSBii/1/SNGSNoioiSSNN即原因原因正交分量正交分量SSB1GoioiSSNN即DSB2Goioi2SSNN即ooooDSBSSBSSNN 能否說：DSB系統(tǒng)的抗噪聲性能 優(yōu)于 SSB 系統(tǒng)呢？ 在相同的Si，n0， fH條件下： B=2fH B=fH i0Nn Bi0Nn B DSB和SSB的抗噪聲性能相同。合成包絡5.2.4 AM 包絡檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能 22022itSmAAM0( )( )coscstAm ttic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn tt0iNn B icc0cscossinmAm tn tstn tn

18、 ttt cosctttE（1）大信噪比時 220cs( )( )( )Am tn ttn tE隔掉220cs( )( )( )Am tn tn t 0cAmnE ttt omt on t 22oomtmSt 2oicnNNt2AM2202( )( )m tGAm t檢波輸出檢波輸出： 討論：2AM2202( )( )m tGAm tl由于由于|m(t)|max A0 ，所以，所以GAM 1，即，即l100%調制，且調制，且 m(t) 為單頻正弦時：為單頻正弦時：l相干解調的相干解調的GAM 如同上式，但不受信噪比條件的限制。如同上式，但不受信噪比條件的限制。oioiSSNN32AMG 小信噪

19、比時，信號被擾亂成噪聲，導致輸出 信噪比急劇惡化門限效應門限效應。 22csntRntt arctansctntnt（2）小信噪比時220( )( )( )csAm tn tn t cosER ttm ttA 220cs( )( )( )Am tn ttn tE 可見：原因原因：包絡檢波器 的非線性解調作用。u大大信噪比時信噪比時：u小小信噪比時信噪比時：門限效應門限效應AM-包絡檢波包絡檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能：系統(tǒng)的抗噪聲性能：2AM2202( )( )m tGAm t32AMG100% 單音正弦歸納歸納BPF解調器相干解調相干解調包絡檢波包絡檢波SSB1GDSB2G2AM2202( )( )

20、m tGAm tB=2fH f0=fcB= fH f0=fcfH /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：DSBSSBVSBAM抑制正交分量相干解調相干解調小結小結5.3 非線性調制（角度調制）原理n概述概述l角度調制：FM和PM的總稱。l載波的幅度恒定，而頻率或相位受調制。l屬于非線性調制。l抗噪聲性能優(yōu)于幅度調制優(yōu)勢。5.3.1 角度調制的基本概念 n1 角角調信號一般表達式調信號一般表達式( )cos( )mcstAtt載波的恒定振幅載波的恒定振幅 ct + (t) 已已調信號的瞬時相位調信號的瞬時相位 相對于相對于 ct的的瞬時相位偏移瞬時相位偏移 c +d (t)/d

21、t 已已調信號的瞬時調信號的瞬時角頻率角頻率 相對于相對于 c的的瞬時角頻偏瞬時角頻偏Kf =rad/(sV)Kp=rad/V( )cos( )mcstAttPM( )cos( )pcstAKtm tPM：FM：角調信號：( )( )pKtm t( )( )fdtm tdtKFM( )( )coscfstAdtKm n2 PM與與 FM的關系的關系l PM 是 相位偏移 隨 m(t) 作 線性 變化；l FM 是 相位偏移 隨 m(t) 的積分作 線性 變化。若預先不知m(t)形式，能否判斷已調信號是PM還是FM信號?( )( )fdtm tdtKFM( )( )coscfstAdtKm( )

22、( )ftmdK max(0.56fKm t dt或）則為否則若最大瞬時相位偏移滿足：5.3.3 寬帶 調頻 ( )cos( )tNBFMcfstAtKmdcoscos( )sinsin( )ttcfcfAtKmdAtKmd1tfdmK)( )os( )sintNBFMcfcstActAKmdtNBFM( ) ()()()()2ccfccccsAAKMM fmfmmmK Afmf最大相位偏移最大相位偏移n1 單音調頻單音調頻 FM 調頻指數(shù)調頻指數(shù)( )cosmmm tAt cossinfmmfmmmtK At dtK Atsinfmmt cosmmfdtAKtdt最大角頻偏 2mmffmK

23、A2fmfm fFM( )cossinfcmstAtmt單音調頻信號單音調頻信號：， 則 設n2 FM信號的頻譜與帶寬信號的頻譜與帶寬 FMcossincfmstAtmt FM()cos()ncmnfmJstAntFM( )()()()nfcmcmSAJmnn 第一類第一類 n 階貝塞爾函數(shù)階貝塞爾函數(shù) 是調頻指數(shù)是調頻指數(shù) mf 的函數(shù)的函數(shù)傅里葉變換傅里葉變換級數(shù)展開級數(shù)展開討論討論l 載頻分量c和無數(shù)多對邊頻和無數(shù)多對邊頻cnm（分布在（分布在c兩兩側）；側）； l 邊頻幅度邊頻幅度 A AJn(mf) 隨著隨著 n 的增大而逐漸減??；的增大而逐漸減小；l 工程上工程上，保留上、下邊頻分

24、量共有保留上、下邊頻分量共有 2n=2(mf+1)個；相鄰個；相鄰邊頻之間的頻率間隔為邊頻之間的頻率間隔為 fm，所以，所以FM帶寬近似為帶寬近似為：FM2(1)2()fmmBmfff FM12fmBmf時：FM12fBfm 時：窄帶調頻寬帶調頻 FM頻譜和傳輸帶寬：對于多音或任意帶限調制信號時的FM信號： FM廣播的最大頻偏 f = 75kHz，最高調制頻率fm=15kHz， 故調頻指數(shù)mf 5，F(xiàn)M信號的頻帶寬度為：推廣推廣：調制信號的最高頻率FM2(1)2()fmmBmfff 例如例如：FM2(5 1) 152(75 15)180 kHzBn3 FM信號的功率分配信號的功率分配 FFM2

25、MsPt22()2nfnAJm22cPA載波功率 調制后總的功率不變，只是重新分配，而功率分配的比例與調頻指數(shù)mf 有關。 FM()cos()ncmnfmJstAnt=1n4 FM的特點的特點 優(yōu)勢優(yōu)勢 應用應用應用：要求高質量或信道噪聲大的場合，例如：調頻廣播，電視伴音、衛(wèi)星通信、移動通信、微波通信和蜂窩電話等系統(tǒng)中。l包絡恒定；l頻偏隨調制信號m(t)作線性變化；l相偏隨消息信號m(t)的積分作線性變化；l帶寬與m(t)的帶寬和mf 有關，比AM帶寬大(mf+1) 倍。優(yōu)勢：抗噪聲能力強； 代價：占用較大的信道帶寬，因而頻譜利用率較低。5.3.4 調頻信號的產生與解調n1 調頻調頻信號的產

26、生信號的產生 1)1)直接法直接法原理原理：調制電壓控制振蕩器的頻率： 0iftK m t優(yōu)點優(yōu)點：電路簡單、可獲得較大的頻偏；缺點缺點：頻率穩(wěn)定度不高，可采用PLL調頻器進行改進。2)2)間接法間接法原理原理：積分 調相(NBFM) n次倍頻 WBFM優(yōu)點優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度好；缺點缺點：需要多次倍頻和混頻，因此電路較復雜。n2 調頻調頻信號的解調信號的解調 1)1)非相干解調非相干解調2)2)相干解調相干解調和：完成頻率電壓的轉換，即：FM( )cos( )cfstAtKmdo( )( )fm tK m t鑒頻器鑒頻器一種振幅鑒頻器微分器微分器：把幅度恒定的把幅度恒定的包絡檢波器：檢出包絡檢波

27、器：檢出包絡包絡并濾去直流并濾去直流，原理原理：( )( )sin)(ccffds tAtdK m tKm )()(otmKKtmfd幅/頻都隨m(t)變化經經LPF即即得解調輸出得解調輸出FM( )cos( )cfstAtKmd5.4 調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能模型和方法與線性調制系統(tǒng)相似。解-鑒頻器：單音調制時FM2(1)2()fmmBmfff 2FM3(1)ffGmm可見可見：FM系統(tǒng)可通過增加傳輸帶寬帶寬來改善抗噪聲性能;注意注意: : 以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無止境的。門限效應門限效應mf 所有系統(tǒng)在所有系統(tǒng)在“同等條件同等條件”下進行比較下進行比較： 解調器輸入信號功率為解調器輸入信號功率為 Si 信道噪聲均值為信道噪聲均值為0，單邊單邊功率譜密度為功率譜密度為 n0 基帶信號帶寬為基帶信號帶寬為 fm 其中其中AM的調幅度為的調幅度為 100% ，正弦型調制信號正弦型調制信號5.5 各種模擬調制系統(tǒng)的比較AMDSBSSB VSBFM2mfmfmf略大于2mf21fmmf2/3231ffmm 0imSn f0imSn f013imSn f2032ifmSmn f21