第2章模拟调制系统PPT讲稿.ppt

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1、第2章模拟调制系统第1页，共37页，编辑于2022年，星期一2.3 角度调制系统2.3.1 基本概念2.3.2 频率调制（FM）2.4 模拟调制系统的抗噪声性能2.4.1 幅度调制系统的抗噪声性能2.4.2 角度调制系统的抗噪声性能本章小结 2.3.3 相位调制（PM）第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 实验1：普通双边带调幅与解调实验2：模拟通信系统实验 第2页，共37页，编辑于2022年，星期一本章要点本章要点调制的定义、功能及分类各种幅度调制信号、角度调制信号的产生和频谱各种幅度调制信号、角度调制信号的相干、非相干解调原理模拟调制系统的抗噪声性能本章难点本章难点模拟调制系统的抗噪声性能

2、 第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 第3页，共37页，编辑于2022年，星期一2.1 2.1 调制的基本概念调制的基本概念 2.1.1 调制的定义调制的定义第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 所谓调制，就是使调制信号(基带信号)控制载波信号的一个(或几个)参数，使这个参数按照的规律变化的过程。解调则是调制的相反过程，即从接收到的已调波去恢复原基带信号。由于载波频率较高，易于发射，因此调制过程特别适合无线通信系统。调制和解调在一个通信系统中总是同时出现的，因此往往把调制和解调合起来称为调制系统。从信号传输的角度来看，调制和解调是通信系统中的重要组成部分，一个通信系统性能的好坏，在很大程度上

3、取决于调制的方式。第4页，共37页，编辑于2022年，星期一2.1 2.1 调制的基本概念调制的基本概念 2.1.2 调制的功能调制的功能第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 1.频率变换2.实现多路复用3.提高系统的抗干扰性能 2.1.3 调制的分类调制的分类 调制器的模型通常可用一个三端非线性网络来表示，如图2-1所示，图中为输入调制信号，即基带信号；为载波信号；为输出已调信号。s(t)f(t)c(t)调制器H（）图2-1 调制器模型 根据、信号类型不同，调制器实现功能不同和传输函数不同，可将调制分成如下几类 第5页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统

4、1.按调制信号的不同分类 模拟调制数字调制2.按载波信号的不同分类 连续波调制脉冲调制3.按调制器实现功能不同分类 线性调制 非线性调制 4.按调制器的传输函数分类 幅度调制 相位调制 频率调制 2.1.3 调制的分类调制的分类 根据、信号类型不同，调制器实现功能不同和传输函数不同，可将调制分成如下几类。第6页，共37页，编辑于2022年，星期一2.2 2.2 幅度调制系统幅度调制系统 2.2.1 普通双边带调制系统(AMAmplitude Modulation)第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 1.AM信号的时域表达式、波形及频谱信号的时域表达式、波形及频谱 设调制信号为，载波信号为 (

5、2-1)式中，A0为载波振幅，w0为载波角频率，q0为载波初始相位。为以后分析简单起见，设q0=0。则已调信号的时间波形可用下式表示 (2-2)AM信号的波形如图2-2所示。图中画出的调制信号是单频正弦信号，可以很清楚看出，AM信号的包络完全反映了调制信号的变化规律。第7页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 图2-2 普通双边带调制信号波形 (a)基带信号波形;(b)AM信号的波形。2.2.1 普通双边带调制系统(AMAmplitude Modulation)设基带信号f(t)的频谱为F(w)，利用傅氏变换的频移性质，可以得到已调波的频谱SAM(w)为 (

6、2-3)第8页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 图2-3为相应的频谱图。一般我们把频率的绝对值大于载波频率的频谱部分称为上边带(USB-Upper Sideband)，把频率的绝对值小于载波频率的频谱部分成为下边带(LSB-Lower Sideband)。显然，当为实信号时，上下边带是完全对称的。2.2.1 普通双边带调制系统(AMAmplitude Modulation)(a)(b)图2-3 普通双边带调幅信号的频谱(a)基带信号及其频谱；(b)AM信号的频谱。第9页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.AM信号

7、的产生和解调信号的产生和解调 AM信号的产生主要是利用加法器和乘法器来实现，图2-4为AM信号产生的模型图。AM信号产生的具体电路比较多，可分为高电平调制和低电平调制两大类cos0tSAM(t)A0f(t)图2-4 AM信号产生的模型 AM信号的解调分为相干解调（模型如图2-5所示）和非相干解调（即包络检波法，电路如图2-6所示）。图2-5 AM信号的相干解调模型 图2-6 包络检波电路 第10页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 3.AM信号的功率分布和调制效率信号的功率分布和调制效率 信号的平均功率是指信号在1欧姆的电阻上消耗的平均功率，经过推导我们可

8、以得到 （2-8）AM信号的平均功率由两部分组成，其中P0为载波功率，它不携带信息；Pf为边带功率，它携带有调制信号的信息。AM信号的调制效率是非常低的,大部分发射功率都被消耗在不携带信息的载波上。但由于载波的存在，在接收端可以采用简单的电路来进行解调，从而降低了接收机的造价，这对于拥有广大用户的广播系统来说，是非常值得的。因此，AM调制方式目前还广泛应用于地面的无线广播系统中。第11页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.2.2 抑制载波的双边带调制抑制载波的双边带调制(DSBDouble Side Band)1.DSB信号的时域表达式及波形信号的时域

9、表达式及波形 在AM信号中，令 A0=0，就可以得到DSB信号，其表达式为 (2-14)DSB信号的波形如图2-7所示，可以看出在改变极性的时刻DSB信号出现反相点，故其包络不再反映的变化规律。因此，在接收端DSB信号的解调不能再用包络检波法，而必须用相干解调。图2-7 DSB信号波形 第12页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.DSB信号的频谱及平均功率信号的频谱及平均功率 对式(2-14)进行傅立叶变换，就可以得到DSB信号的频谱为：(2-15)其中F(w)为f(t)的频谱。F(w)和SDSB(w)的结构如图2-8所示。(a)(b)图 2-8 双边

10、带信号的频谱结构图(a)基带信号及其频谱；(b)DSB信号的频谱。第13页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 3.DSB信号的产生信号的产生由式(2-14)可见，抑制载波的双边带调幅用一乘法器即可实现，如图2-9所示。原则上可选用任何非线性器件或时变参量电路实现乘法器的功能，实际中通常采用平衡调制器，具有简单稳定，且平衡性能好的优点。4.DSB信号的解调信号的解调DSB信号的解调只能用相干解调法，不能用包络检波法。相干解调法接收DSB信号的原理框图如图2-10所示。图2-9 DSB的数学模型 图2-10 DSB信号的解调模型 第14页，共37页，编辑于20

11、22年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.2.3 单边带调制单边带调制(SSBSingle Side Band)1.SSB信号的时域表达式、波形及频谱信号的时域表达式、波形及频谱 以传输上边带信号为例，单频调制时的单边带信号的波形图及相应的频谱如图2-11所示。(a)波形图 (b)频谱图图2-11 单频调制上边带信号的波形和频谱图第15页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.SSB信号信号平均功率和带宽平均功率和带宽 SSB信号是将DSB信号中的两个边带完全抑制掉一个，只传送一个边带，所以它的发送功率和传输信号带宽都是双边带调制时的一半。3

12、.SSB信号信号的产生的产生 SSB信号的产生方法，主要有滤波法和相移法。滤波法产生SSB信号的模型及信号频谱如图2-12所示。相移法产生单边带信号，可以不用边带滤波器，因而可以避免滤波法的缺点。相移法产生单边带信号的原理方框图，它由相移电路、相乘器和合路器组成，如图2-13所示。图2-13 相移法产生SSB信号第16页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 (a)数学模型(b)信号频谱 图2-12 滤波法产生SSB信号的数学模型及信号频谱 第17页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 4.SSB信号信号的解调的解调 SSB

13、信号的解调和DSB信号的解调一样，也只能用相干解调法，解调模型如图2-14所示。图2-14 SSB信号的相干解调模型第18页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.2.4 残留边带调制残留边带调制(VSBVestigial Side Band)1.VSB信号的产生信号的产生 滤波法产生VSB信号的数学模型如图2-15所示。图2-15 滤波法产生VSB信号的数学模型 如果双边带信号通过残留边带滤波器后，输出信号中保留上边带的绝大部分和下边带的一小部分，就称为上边带残留边带信号，反之就称为下边带残留边带信号。图2-16画出了产生上边带残留边带信号时各点的信号频

14、谱及特性。第19页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 图2-16 HVSB()特性及各点信号频谱 第20页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.VSB信号的解调信号的解调3.VSB信号的信号的平均功率和频带宽度平均功率和频带宽度 VSB信号的解调同样只能采用相干解调法，原理如图2-17(a)所示。图2-17(b)画出了解调时各点波形的频谱。满足残留边带滤波器特性具有互补特性线型不仅仅是直线，还可能是如余弦形、对数形等多种多样，它们只要具有互补对称特性，都能实现不失真解调的要求。互补对称特性波形的不同，其信号的功率也不

15、同。因此，要准确求出VSB信号的平均功率是比较困难的，它的功率介于单边带和双边带信号功率之间，即小于双边带而大于单边带信号的功率。VSB信号的频带宽度同样介于单边带和双边带信号之间，VSB信号的带宽近似与SSB信号相同。第21页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 (a)(b)图2-17 VSB信号的相干解调(a)VSB信号的相干解调模型；(b)VSB信号解调时各点信号频谱。第22页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.3 2.3 角度调制系统角度调制系统 2.3.1 基本概念基本概念 1.调相波的基本概念调相波的基本

16、概念2.调频波的基本概念调频波的基本概念 所谓相位调制(PMPhase Modulation)，简称调相，是指载波的瞬时相位偏移j(t)与基带信号f(t)成比例变化。所谓频率调制(FMFrequency Modulation)，简称调频，是指载波的瞬时角频率偏移Dw(t)随基带信号f(t)成比例变化的调制。3.调频与调相之间的关系调频与调相之间的关系 (a)由调频获得调相波的方法 (b)由调相获得调频波的方法 图2-18 FM和PM之间的关系第23页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 图2-19 调频、调相信号波形图(a)调频信号波形；(b)调相信号波形。

17、图2-19画出了调频、调相信号的波形，从图中可以看出，如果预先不知道基带信号的形式，而仅从已调信号的波形上是无法分辨出是调频波还是调相波的，只有与基带信号比较才能区别调频波和调相波。(a)(b)第24页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.3.2 频率调制频率调制(FM)在角度调制系统中，根据已调信号瞬时相位偏移的大小，分为窄带调制和宽带调制两种。通常认为当瞬时相位偏移最大值远小于300时，就为窄带调制，反之就为宽带调制。即满足 (2-37)时为窄带调制，否则为宽带调制。1.窄带调频窄带调频(NBFM)1)NBFM信号的表达式和NBFM信号的产生2)NB

18、FM信号的频谱和带宽NBFM的数学模型，如图2-20所示。图2-20 NBFM信号的数学模型 NBFM信号的频谱与AM信号的频谱相似，NBFM信号的带宽与AM信号相同，均为基带信号最高频率的两倍。第25页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 3)NBFM信号的解调NBFM信号的解调可用乘法器来实现，其原理如图2-21所示。图中带通滤波器的作用。图2-21 NBFM信号的相干解调 2.宽带调频宽带调频(WBFM)1)WBFM信号的表达式、频谱和带宽 宽带调频信号的分析不能再像窄带调频分析时那样近似处理，当基带信号为任意波形时，分析比较困难。在此，我们以单音调制

19、信号为例进行分析。如果调制信号为任意的周期性的信号，则可对它进行傅立叶级数分解，分解为多个单音信号之和。这样，可以把单音调制时的结论加以推广。宽带调频信号的频谱由载频分量和无穷多个边频分量组成。图2-23画出了单频调制时调频波正频域的频谱 第26页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 图2-23 单音调制时调频信号的频谱2)WBFM信号的平均功率 调频信号的总功率等于未调制时的载波功率。这是因为在调频过程中，已调信号的幅度不变，因此信号的总平均功率和峰值功率都不变化，但是调频影响信号的带宽，这和调幅有显著不同。第27页，共37页，编辑于2022年，星期一第第

20、2章章 模拟调制系统模拟调制系统 3)WBFM信号的产生产生WBFM信号的方法有两种：直接法和间接法。图2-24为一LC直接调频电路，图2-25为间接调频法方框图 图2-24 直接调频电路 图2-25 间接调频法方框图 4)WBFM信号的解调 调频信号的解调是要产生一个与输入调频波的频率成线性关系的输出电压，即恢复出原基带信号。完成这个频率-电压变换关系的器件称为鉴频器。鉴频器的形式很多，但都能将它等效为一个带有微分器的包络检波器，如图2-26所示。图2-26 鉴频器数学模型第28页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.3.3 相位调制相位调制(PM)相

21、位调制与频率调制相同，根据已调信号最大瞬时相位偏移的大小，调相也分为窄带调相和宽带调相。1.窄带调相窄带调相(NBPM)NBPM信号与AM信号相似，在它们的频谱中都包含载频分量和位于载频附近的上下两个边带，所以NBPM信号的带宽和AM信号带宽相同，也为基带信号最高频率的两倍。2.宽带调相宽带调相(WBPM)WBPM信号与WBFM信号既有相似之处，也有不同之处。调相信号的带宽随着基带信号频率的变化而变化，这对于充分利用传输信道的频带是非常不利的。除了调制技术上的困难以外，这也是调频比调相应用广泛的原因。第29页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.4 2.

22、4 模拟调制系统的抗噪声性能模拟调制系统的抗噪声性能 2.4.1 幅度调制系统的抗噪声性能幅度调制系统的抗噪声性能 由于噪声只对已调信号的接收产生影响，因而通信系统的抗噪声性能可以用解调器的抗噪声性能来衡量。在模拟通信系统中，系统的抗噪声能力通常用解调器输出端信噪比来衡量。解调器输出端信噪比不仅与解调器输入端信噪比有关，而且与调制和解调方式有关。分析系统抗噪声性能的模型如图2-27所示。图2-27 通信系统抗噪声性能分析模型 第30页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 1.幅度调制系统相干解调时的抗噪声性能幅度调制系统相干解调时的抗噪声性能 有噪声影响时的

23、相干解调器模型如图2-28所示，由乘法器和低通滤波器构成相干解调器。图2-28 幅度调制系统相干解调模型1)AM系统的抗噪声性能2)DSB系统的抗噪声性能3)SSB系统和VSB系统的抗噪声性能第31页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.幅度调制系统非相干解调时的抗噪声性能幅度调制系统非相干解调时的抗噪声性能 幅度调制系统的解调分为相干解调和非相干解调(即包络检波法)。相干解调方式适用于所有的幅度调制系统，它的性能较好，而且没有门限效应。但是相干解调时接收端需要提供一个与发送端载波同频同相的相干载波，且相干解调时设备较复杂。非相干解调时接收端不需提供相干

24、载波，电路简单，容易实现。但性能较差，存在门限效应。图2-29为有噪声时AM信号包络检波器模型 图2-29 有噪声时AM信号包络检波器模型下面分两种特殊情况分析包络检波解调器的性能：1)大输入信噪比情况 2)小输入信噪比情况第32页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.4.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能 角度调制系统分为频率调制和相位调制两种形式。由于在实际系统中，调频系统的抗噪声性能优于调相系统，因此频率调制在通信系统中应用更为广泛。以下讨论将以频率调制为例。调频信号的解调和幅度调制信号的解调一样，有相干解调和非相干解调两种。1.

25、窄带调频系统的抗噪声性能窄带调频系统的抗噪声性能考虑噪声影响后，NBFM信号的相干解调模型如图2-30所示。图2-30 有噪声时NBFM相干解调模型 第33页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 2.宽带调频系统的抗噪声性能宽带调频系统的抗噪声性能考虑噪声后，WBFM信号的非相干解调模型如图2-31所示。s0(t)+n0(t)si(t)+ni(t)n(t)SWBFM（t）BPF鉴频器LPF图2-31 有噪声时WBFM信号的非相干解调模型 WBFM信号的抗噪声性能明显优于AM信号，这一优越性是用增加传输带宽来获得的。这意味着对于调频系统，增加传输带宽可以改善输

26、出信噪比，即改善抗噪声性能。这种以带宽换取信噪比的特性是非常重要的。而线性调制系统的带宽是固定的，无法进行带宽与信噪比的互换。这也正是在抗噪声性能方面调频系统优于调幅系统的重要原因。但是，在调频系统中以带宽换取性噪比的改善并不是无止境的。第34页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 实验实验1 1：普通双边带调幅与解调：普通双边带调幅与解调1.信号源模块2.PAM/AM模块3.40M双踪示波器 一台4.频率计(可选)一台5.立体声耳机(可选)一副6.连接线 若干一、实验目的1.掌握普通双边带调幅与解调原理及实现方法。2.掌握二极管包络检波原理。3.掌握调幅信

27、号的频谱特性。4.了解普通双边带调幅与解调的优缺点。二、实验设备第35页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 实验实验2 2：模拟通信系统实验：模拟通信系统实验 1.模拟通信系统模块2.40M双踪示波器 一台3.频率计(可选)一台4.立体声耳机(带话筒)一台一、实验目的1.掌握调频立体声的发射与接收的原理和方法。2.掌握调频立体声信号的频谱成分。3.掌握调频立体声发射机和接收机的结构及调试方法。二、实验设备第36页，共37页，编辑于2022年，星期一第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统 本章小结本章小结 本章主要介绍了模拟调制系统中的线性调制和非线性调制。线性调制是指已调信号的频谱是调制信号频谱在频率轴上的线性搬移，用调制信号去控制载波的幅度能实现这种调制；非线性调制是指已调信号频谱是调制信号频谱的非线性变换，已调信号的频谱不仅是将调制信号频谱进行了搬移，同时还改变了其结构，用调制信号控制载波的频率或相位能实现这种调制。由于频率或相位的改变都可以看成载波总相角的变化，因此非线性调制也称为角度调制。线性调制又分为AM、DSB、SSB和VSB，我们分别讨论了它们的时域表达式、波形、频谱，信号带宽、功率分布、调制效率及调制与解调方法，并对其抗噪声性能进行了定性比较。第37页，共37页，编辑于2022年，星期一