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通信原理第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l研究对象：模拟通信系统研究对象：模拟通信系统l研究目的：研究目的：（1）通过介绍模拟调制解调原理，初步认识和了）通过介绍模拟调制解调原理，初步认识和了解解通信原理通信原理这门课是在模块级系统级层次上这门课是在模块级系统级层次上分析和设计通信系统分析和设计通信系统（2）通过分析不同模拟调制解调系统的抗噪声性）通过分析不同模拟调制解调系统的抗噪声性能，了解各种系统的抗噪声能力与调制解调器有能，了解各种系统的抗噪声能力与调制解调器有关参数的关系，这有助于人们在实际工作中正确关参数的关系，这有助于人们在实际工作中正确地设计和选用调制方式，优化模拟通信系统的性地设计和选用调制方式，优化模拟通信系统的性能能 l研究方法：不同模拟调制解调原理及其抗噪声性研究方法：不同模拟调制解调原理及其抗噪声性能能l预备知识：信号与系统预备知识：信号与系统2信息源语言语言音乐音乐图像图像频率很低的电信号频率很低的电信号直接转换直接转换 包括（或不包括）直流分量包括（或不包括）直流分量的低通频谱的低通频谱最高频率和最低频率之比最高频率和最低频率之比远大于远大于1基带信号基带信号如电话信号的频率范围在如电话信号的频率范围在3003000Hz基带信号可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输，但不可能在无线信道直接传输基带信号可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输，但不可能在无线信道直接传输 即使可以在有线信道传输，但一对线路上只能传输一路信号，对信道的利用是很不经济的即使可以在有线信道传输，但一对线路上只能传输一路信号，对信道的利用是很不经济的 第第5章模拟调制系统章模拟调制系统信号调制信号调制3原始信号原始信号调制器调制器调制：发送端把基带信号频谱调制：发送端把基带信号频谱搬移到给定信道通带内的过程搬移到给定信道通带内的过程原始信号原始信号解调器解调器解调：在接收端把已搬到给定信道解调：在接收端把已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号的过程通带内的频谱还原为基带信号的过程信号调制信号调制信号调制信号调制第第5章模拟调制系统章模拟调制系统4载波调制载波调制:按调制信号（基带信号）的变化规律按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。去改变载波某些参数的过程。载波分类载波分类：用正弦波作为载波；用脉冲串或一组：用正弦波作为载波；用脉冲串或一组数字信号作为载波。数字信号作为载波。调制的分类调制的分类：模拟调制；数字调制：模拟调制；数字调制第第5章模拟调制系统章模拟调制系统5l调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求信道的要求l容易辐射（发射）容易辐射（发射）l实现频率分配（比如实现频率分配（比如FM）l实现多路复用实现多路复用l减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力调制在通信系统中的作用调制在通信系统中的作用第第5章模拟调制系统章模拟调制系统6 调制器调制器m(t)C(t)sm(f)线性调制非线性调制m(f)Sm(f)m(t)改变载波信号改变载波信号C(t)的不同参数的不同参数幅度调制：幅度调制：AM、PAM、ASK sm(t)相位调制相位调制：PM、PPM、PSK频率调制频率调制：PM、FM、FSK频谱之间呈线性搬移关系：AM、ASK频谱之间没有线性对应关系：FM、PM、FSK 调制的基本特征和分类调制的基本特征和分类第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统7l重点重点：m(t)为取值连续的调制信号，为取值连续的调制信号，c(t)为正弦载波为正弦载波l问题：问题：（1）工作原理：包括调整系统的物理过程；调制信号、载波）工作原理：包括调整系统的物理过程；调制信号、载波信号和已调信号三者的关系（信号和已调信号三者的关系（如数学关系、波形关系及频如数学关系、波形关系及频谱关系等谱关系等）。）。（2）已调信号的带宽）已调信号的带宽（3）过滤关系）过滤关系（4）噪声对调制系统性能的影响）噪声对调制系统性能的影响l调制系统的主要参数为：调制系统的主要参数为：（1）发送功率）发送功率（2）传输带宽）传输带宽（3）抗噪声性能，如输出信噪比等）抗噪声性能，如输出信噪比等（4）设备的复杂性）设备的复杂性调制系统中讨论的主要问题和主要参数调制系统中讨论的主要问题和主要参数第第5章模拟调制系统章模拟调制系统8第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l基本概念基本概念n调制调制 把信号转换成适合在信道中传输的形把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。式的一种过程。n调制信号调制信号 指来自信源的基带信号指来自信源的基带信号 n载波调制载波调制 用调制信号去控制载波的参数的用调制信号去控制载波的参数的过程过程。n载波载波 未受调制的周期性振荡信号，它可以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。是正弦波，也可以是非正弦波。n已调信号已调信号 载波受调制后称为已调信号。载波受调制后称为已调信号。n解调（检波）解调（检波）调制的逆过程，其作用是将调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。已调信号中的调制信号恢复出来。9第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.1幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理n一般原理一般原理u表示式：表示式：设：正弦型载波为设：正弦型载波为式中，式中，A 载波幅度；载波幅度；c 载波角频率；载波角频率；0 载波初始相位（以后假定载波初始相位（以后假定 0 0）。）。则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成可表示成 式中，式中，m(t)基带调制信号。基带调制信号。10第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频谱频谱设调制信号设调制信号m(t)的频谱为的频谱为M()，则已调信号的频谱为，则已调信号的频谱为u由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到常数精确到常数因子因子)。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为又称为线性调制线性调制。但应注意，这里的。但应注意，这里的“线性线性”并不意味并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。任何调制过程都是一种非线性的变换过程。11第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.1.1调幅（调幅（AM）u时域表示式：时域表示式：式中 m(t)调制信号，均值为0；A0 常数，表示叠加的直流分量。u频谱频谱：若m(t)为确知信号，则AM信号的频谱为u调制器模型调制器模型12第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u波形图波形图p由波形可以看出，当满足条件：由波形可以看出，当满足条件：|m(t)|A0 时，其包络与调制信号波形相同，时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原因此用包络检波法很容易恢复出原 始调制信号。始调制信号。p否则，出现否则，出现“过调幅过调幅”现象。这时用现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以包络检波将发生失真。但是，可以采用相干解调（同步检波）的方法。采用相干解调（同步检波）的方法。13重要参数调幅度m 满调幅满调幅m m=1=1，此时此时m m(t t)maxmax=A A0 0 正常调幅，一般正常调幅，一般m m小于小于1 1过调幅，过调幅，m m大于大于1 1，A(t)A(t)minmin为为负值负值不能用包络检波器进行解调，不能用包络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用为保证无失真解调，可以采用同步解调同步解调 第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统14(1)(1)m mA A111时时 过调幅过调幅AM信号包络过零点处载波相位反相，包络和基带信号包络过零点处载波相位反相，包络和基带信号不再保持线性关系，产生了信号不再保持线性关系，产生了“过调幅失真过调幅失真”15第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频谱图频谱图p由频谱可以看出，由频谱可以看出，AM信号的频谱由信号的频谱由载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带三部分组成。三部分组成。p上边带的频谱结构与原调制上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。带是上边带的镜像。载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带16第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uAM信号的特性信号的特性p带宽带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽号带宽 fH 的两倍：的两倍：p功率功率：当当m(t)为确知信号时，为确知信号时，若若则则式中式中Pc=A02/2 载波功率载波功率 边带功率。边带功率。17第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p调制效率调制效率 由上述可见，由上述可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关，载波分功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有用信息的边带量并不携带信息。有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率：功率）占信号总功率的比例称为调制效率：当当m(t)=Am cos mt时，时，代入上式，得到代入上式，得到当当|m(t)|max=A0时（时（100调制），调制效率最高，这时调制），调制效率最高，这时 max 1/318第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统调幅（调幅（AM）：优缺点）：优缺点优点：可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号缺点：AM信号的功率利用率比较低问题：能否去掉不带信息的载波，提高功率利用率？解决方法：抑制载波双边带调制19第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.1.2 双边带调制（双边带调制（DSB）u时域表示式：无直流分量时域表示式：无直流分量A0u频谱：无载频分量频谱：无载频分量 u调制模型调制模型21双边带信号（双边带信号（DSB）时域表示式和波形）时域表示式和波形（a a）基带信号）基带信号m(t)t t0t tc(t)0（b）载波）载波(c)DSB波形波形0t反相点反相点DSB波形特点：波形特点：过零点处，双边过零点处，双边带信号的载波相位带信号的载波相位出现反相点。出现反相点。双边带信号的包双边带信号的包络不再与基带信号络不再与基带信号的变化规律保持一的变化规律保持一致。所以致。所以DSB信号信号不能用包络检波器不能用包络检波器解调（包络解调），解调（包络解调），只能采用同步解调。只能采用同步解调。22波形图波形图频谱图频谱图载波反相点载波反相点DSBDSB信号频带宽度是调制信号带宽的两倍信号频带宽度是调制信号带宽的两倍 是基带信号最高截止频率DSB频谱表示：频谱表示：23DSBDSB号的平均功率：号的平均功率：已调信号总功率与边带功率相等，即已调信号总功率与边带功率相等，即DSBDSB信号中无载频分量信号中无载频分量优缺点：优缺点：调制效率：调制效率：100100优点：节省了载波功率；优点：节省了载波功率；缺点：缺点：1 1，不能用包络检波，需用相干检波，较复，不能用包络检波，需用相干检波，较复杂；杂；2 2，占用带宽是基带信号带宽的两倍；，占用带宽是基带信号带宽的两倍；由于由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这就是单边带调制提出的目的。这就是单边带调制提出的目的。24第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统5.1.3 单边带调制（单边带调制（SSB）u原理：原理：p双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱号频谱M()的所有频谱成分，因此仅传输其中一个的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。输频带，这种方式称为单边带调制。p产生产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。信号的方法有两种：滤波法和相移法。25第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u滤波法及滤波法及SSBSSB信号的频域表示信号的频域表示p滤波法的原理方框图滤波法的原理方框图 用边带滤波器，滤除不要的边带用边带滤波器，滤除不要的边带:图中，图中，H H()为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：高通特性：则可滤除下边带。则可滤除下边带。若具有如下理想低通特性：若具有如下理想低通特性：则可滤除上边带。则可滤除上边带。26第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统pSSB信号的频谱信号的频谱p上边带频谱图上边带频谱图:27第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p下边带频谱图下边带频谱图:28单边带调制的特点：单边带调制的特点：1、节省了发射功率。因为只发射一个边带，相比较其它幅、节省了发射功率。因为只发射一个边带，相比较其它幅度调制，节约了发射功率。度调制，节约了发射功率。2、减少了占用的信道带宽。、减少了占用的信道带宽。SSB信号的带宽信号的带宽BSSB=fm，即，即与基带信号的带宽相同，比与基带信号的带宽相同，比AM和和DSB信号的带宽减少一半。信号的带宽减少一半。3、信号的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采、信号的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调用相干解调。4、若采用滤波法，、若采用滤波法，调制信号中不能含有直流及丰富的低频调制信号中不能含有直流及丰富的低频分量；分量；29第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统解决方法：在工程中往往采用多级调制解决方法：在工程中往往采用多级调制滤波滤波用滤波法形成用滤波法形成SSBSSB信号的技术难点信号的技术难点带来问题：滤波器的设计和制作很困难，带来问题：滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现有时甚至难以实现一般调制信号都具有丰富的一般调制信号都具有丰富的低频成分低频成分经调制后得到的经调制后得到的DSBDSB信号的上、下信号的上、下边带之间的间隔很窄边带之间的间隔很窄要求单边带滤波器在要求单边带滤波器在f fc c附近具有陡峭的截止特附近具有陡峭的截止特性性30第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.1.6 5.1.6 相干解调与包络检波（相对于接收端）相干解调与包络检波（相对于接收端）（一）相干解调（一）相干解调p相干解调器的一般模型相干解调器的一般模型 p相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。如果解调正确，输出信号应与发送端的原始基带信号成线性关系如果解调正确，输出信号应与发送端的原始基带信号成线性关系311、AM信号相干解调信号相干解调通过低通滤波器通过低通滤波器LPF，抑制高频分量，消除直流分量，得，抑制高频分量，消除直流分量，得322、DSB信号相干解调信号相干解调 通过低通滤波器通过低通滤波器LPF，抑制高频分量，得，抑制高频分量，得33相干解调的特点：相干解调的特点：1、解调用的载波必须与调制用的载波同频同相，所以实现、解调用的载波必须与调制用的载波同频同相，所以实现较为复杂（一般用锁相环来实现）；较为复杂（一般用锁相环来实现）；2、对、对AM,DSB,SSB都适应；都适应；34二、调幅系统的非相干解调（包络检波）二、调幅系统的非相干解调（包络检波）相对于相干解调，由于不需要本地相干载波，故解调方式相对于相干解调，由于不需要本地相干载波，故解调方式简单。当简单。当AM系统在不发生过调制时，可以采用这种解调系统在不发生过调制时，可以采用这种解调方式。方式。低通滤波器的时间常低通滤波器的时间常数数RCRC远大于载波周期，远大于载波周期，即电容即电容C C对高频载波对高频载波近似短路近似短路时间常数时间常数RCRC小于调制小于调制信号周期，即低通滤信号周期，即低通滤波器的通频带让低频波器的通频带让低频调制信号通过。调制信号通过。二极管整流器二极管整流器R RC C低通滤波器低通滤波器低频解低频解调信号调信号VDVD35检波器中波形变换示意图检波器中波形变换示意图在高频信号的每一周电容器充放电一次。在高频信号的每一周电容器充放电一次。二极管只在输入信号峰值尖顶上有短暂二极管只在输入信号峰值尖顶上有短暂的导通，大部分时间截止。的导通，大部分时间截止。电路工作原理：电路工作原理：1 1 在信号快达正半周的峰值时，二极管在信号快达正半周的峰值时，二极管导通，由于二极管内阻很小，电容两端导通，由于二极管内阻很小，电容两端快速充电。快速充电。2 2 在到达最大幅值之后，二极管截止在到达最大幅值之后，二极管截止（开路），电容就通过电阻（开路），电容就通过电阻R R放电，直放电，直至下一个正半周的电压峰值到来。至下一个正半周的电压峰值到来。3 3 由于由于RRRRVDVD，所以放电过程较为缓慢，所以放电过程较为缓慢，在没有完全放完时，信号的正半周峰值在没有完全放完时，信号的正半周峰值又快到了，电容又开始充电。峰值过后又快到了，电容又开始充电。峰值过后电容就开始充电，重复这样的过程。就电容就开始充电，重复这样的过程。就可以把包络解调出来。可以把包络解调出来。0A0ttt36包络检波的特点：包络检波的特点：包络检波电路简单，因而广泛用于包络检波电路简单，因而广泛用于AM信号的解调。但是只信号的解调。但是只有在包络不失真的前提条件下才能不失真地恢复原调制信有在包络不失真的前提条件下才能不失真地恢复原调制信号。如不满足包络不失真条件，则不能正确恢复原基带信号。如不满足包络不失真条件，则不能正确恢复原基带信号，而必须用相干解调。号，而必须用相干解调。AM波包络不失真条件：波包络不失真条件：37例题：例题：已知调制信号已知调制信号f(tf(t)，载波信号为，载波信号为c(tc(t)，若采用抑制载，若采用抑制载波的双边带调制，画出调制信号、载波信号、已调信号的时波的双边带调制，画出调制信号、载波信号、已调信号的时域波形图和频谱图。域波形图和频谱图。解：38f(t)t01t01c(t)sDSB（t)t01C()F()00SDSB()0100100400400300 500 500 300 1/239例题：例题：设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度Pn(fPn(f)=0.510)=0.510-3-3 W/Hz,W/Hz,在该信道中传输抑制载波的双边带信在该信道中传输抑制载波的双边带信号号,m(tm(t)频带限制在频带限制在5KHz,5KHz,载波载波100KHz,100KHz,已调信号功率已调信号功率10KW,10KW,若若接收机的输入信号在加至解调器之前接收机的输入信号在加至解调器之前,先经过一理想带通滤波先经过一理想带通滤波器器,试问试问:1 理想带通滤波器的传输特性H()?2 解调器输入端的信噪比?解：1 为了保证信号顺利通过和尽可能的滤除噪声，带通滤波器的宽度等于已调信号带宽，即B=2fm=2*5=10kHz,其中心频率为100kHz,故有402 已知解调器的输入信号功率Si=10(KW)=104(W)输入噪声功率为：则输入信噪比为：41作业：P127 思考题：1，3，5练习题：已知：调制信号f(t)=cos0t；载波信号c(t)=cos40t;请画出调制信号、载波信号及AM、DSB、HSB、LSB调制时的频谱图(AM时直流电平为A0)1，何谓调制？调制在通信系统中的作用是什么？2，AM信号的波形和频谱有哪些特点？3，为什么要抑制载波？相对AM信号来说，抑制载波的双边带信号可以增加多少功率？42
