通信原理_第8讲_模拟调制系统(2)_电08.ppt

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1、通信原理通信原理夏夏 舸舸电子信息工程学院电子信息工程学院College of Electronics&Information Engineering,College of Electronics&Information Engineering,12/20/20221第五章第五章 模拟调制系统模拟调制系统5.0 一些基本概念一些基本概念5.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理5.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能5.3 非线性调制（角度调制）原理非线性调制（角度调制）原理5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟

2、调制系统的比较5.6 频分复用频分复用5.7 广播与电视广播与电视5.7 小结小结12/20/202225.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理一、一、调幅调幅（AM）二、二、双边带调制双边带调制（DSB）三、三、单边带调制单边带调制（SSB）四、四、残留边带调制残留边带调制（VSB）五、五、线性调制的一般模型线性调制的一般模型六、六、相干解调相干解调七、七、包络检波包络检波12/20/202235.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理五、线性调制的一般模型五、线性调制的一般模型（现代通信原理现代通信原理，曹志刚，清华大学出版社，曹志刚，清华大学出版社，P.45

3、）(1)滤波法模型滤波法模型由前几节叙述可知，线性调制的一般模型如下图所示：由前几节叙述可知，线性调制的一般模型如下图所示：输出信号时域表示式为：输出信号时域表示式为：它的频域表达一般形式为：它的频域表达一般形式为：式中：式中：，M()为为 m(t)的频谱函数。的频谱函数。12/20/202245.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理五、线性调制的一般模型五、线性调制的一般模型(2)移相法模型移相法模型若传递函数若传递函数H()的应冲激响应为的应冲激响应为h(t)，则其时域表达的一般形式为：，则其时域表达的一般形式为：利用三角公式可将上式展开为：利用三角公式可将上式展开为：设：

4、设：，则上式可改写为：，则上式可改写为：12/20/202255.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理五、线性调制的一般模型五、线性调制的一般模型(2)移相法模型移相法模型令：令：，则：则：同相分量同相分量：是载波为：是载波为cosct的双边带调制的双边带调制信号，与图中载波同信号，与图中载波同相，故称为同相分量。相，故称为同相分量。正交分量正交分量：是以：是以sinct为载波的为载波的双边带调制信号，由于它与双边带调制信号，由于它与cosct正交，因而称为正交，因而称为正交分量正交分量，sQ(t)是是m(t)通过正交滤波器通过正交滤波器HQ()后的产物。后的产物。同相分量幅度

5、同相分量幅度正交分量幅度正交分量幅度12/20/202265.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理五、线性调制的一般模型五、线性调制的一般模型(2)移相法模型移相法模型在分成同相分量与正交分量情况下，线性调制信号的频域表达式为：在分成同相分量与正交分量情况下，线性调制信号的频域表达式为：12/20/202275.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理五、线性调制的一般模型五、线性调制的一般模型(2)移相法模型移相法模型由以上推导可以得到线性调制系统相移法实现的一般模型，如下图所由以上推导可以得到线性调制系统相移法实现的一般模型，如下图所示，这个模型适用于所有线性调

6、制。示，这个模型适用于所有线性调制。12/20/202285.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理五、线性调制的一般模型五、线性调制的一般模型(2)移相法模型移相法模型 双边带调制双边带调制 ，即：，即：由：由：得：得：只有同相分量而无正只有同相分量而无正交分量。交分量。12/20/202295.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理五、线性调制的一般模型五、线性调制的一般模型(2)移相法模型移相法模型 单边带调制单边带调制 ，即：，即：此时有：此时有：负号表示上边带调制，负号表示上边带调制，正号表示下边带调制。正号表示下边带调制。12/20/2022105.1

7、幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理五、线性调制的一般模型五、线性调制的一般模型(2)移相法模型移相法模型 残留边带调制残留边带调制 ，即：，即：此时有：此时有：负号表示残留上边带调制，负号表示残留上边带调制，正号表示残留下边带调制。正号表示残留下边带调制。12/20/2022115.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理五、线性调制的一般模型五、线性调制的一般模型线性调制系统中的信号（线性调制系统中的信号（信息传输基础信息传输基础，欧阳长月，北航出版社），欧阳长月，北航出版社）不论哪一种线性调制，其已调信号的同相分量不论哪一种线性调制，其已调信号的同相分量 sI(t

8、)均正比于调制信号均正比于调制信号 m(t)。12/20/2022125.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理六、相干解调六、相干解调(1)相干解调器的一般模型：相干解调器的一般模型：12/20/2022135.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理六、相干解调六、相干解调(2)相干解调器原理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（收的已调载波严格同步（同频同相同频同相）的本地载波（称为）的本地载波（称为相相干载波干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取），它

9、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。出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。12/20/2022145.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理六、相干解调六、相干解调(3)相干解调器性能分析相干解调器性能分析已调信号的一般表达式为：已调信号的一般表达式为：与同频同相的相干载波与同频同相的相干载波c(t)相乘后，得：相乘后，得：经低通滤波器后，得到：经低通滤波器后，得到：因为因为 sI(t)是是 m(t)通过一个全通滤波器通过一个全通滤波器 HI()后的结果，故上式中的后的结果，故上式中的sd(t)就是解调输出，即：就是解调输出，即：12/

10、20/2022155.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理六、相干解调六、相干解调(3)相干解调器性能分析相干解调器性能分析 标准调幅信号标准调幅信号经低通滤波和隔直流后有：经低通滤波和隔直流后有：12/20/2022165.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理六、相干解调六、相干解调(3)相干解调器性能分析相干解调器性能分析 双边带信号双边带信号经低通滤波后有：经低通滤波后有：12/20/2022175.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理六、相干解调六、相干解调(3)相干解调器性能分析相干解调器性能分析 单边带信号单边带信号经低通滤波后有：经

11、低通滤波后有：12/20/2022185.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理六、相干解调六、相干解调(3)相干解调器性能分析相干解调器性能分析 残留边带信号残留边带信号经低通滤波后有：经低通滤波后有：12/20/2022195.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理六、相干解调六、相干解调 结论：(1)相干解调器适用于所有线性调制信号的解调，即对于相干解调器适用于所有线性调制信号的解调，即对于AM、DSB、SSB和和VSB都是适用的。只是都是适用的。只是AM信号的解调结果信号的解调结果中含有直流成分中含有直流成分A0，这时在解调后加上一个简单隔直流电，这时在解调

12、后加上一个简单隔直流电容即可。容即可。12/20/2022205.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理六、相干解调六、相干解调 结论：(2)实现相干解调的关键是接收端要提供一个与载波信号严实现相干解调的关键是接收端要提供一个与载波信号严格同步的相干载波格同步的相干载波。否则，相干解调后将会使原始基带信否则，相干解调后将会使原始基带信号减弱，甚至带来严重失真，这在传输数字信号时尤为严号减弱，甚至带来严重失真，这在传输数字信号时尤为严重。重。相干载波的获取方法及载波相位差对解调性能带来的相干载波的获取方法及载波相位差对解调性能带来的影响将在第影响将在第 13 章中进行讨论。章中进行

13、讨论。12/20/2022215.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理七、包络检波七、包络检波(1)适用条件：AM信号，且要求信号，且要求|m(t)|max A0，(2)包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如：如：12/20/2022225.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理七、包络检波七、包络检波(3)性能分析：设输入信号是：设输入信号是：选择选择RC满足如下关系：满足如下关系：fH 调制信号的最高频率调制信号的最高频率 在大信号检波时（一般大于在大信号检波时（一般大于0.5 V），二极管处于受

14、控的），二极管处于受控的开关状态，检波器的输出为：开关状态，检波器的输出为：隔去直流后即可得到原信号隔去直流后即可得到原信号 m(t)。12/20/2022235.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理七、包络检波七、包络检波(4)对抑制载波双边带调制、单边带调制和残留边带调制对抑制载波双边带调制、单边带调制和残留边带调制不不能采用简单的包络检波方法解调，但若插入很强的载波则能采用简单的包络检波方法解调，但若插入很强的载波则仍可用包络检波的方法进行解调。仍可用包络检波的方法进行解调。参看参看曹志刚曹志刚现代通现代通信原理信原理，P.4812/20/2022245.1 幅度调制幅度

15、调制(线性调制线性调制)的原理的原理七、包络检波七、包络检波加入载波后的信号：加入载波后的信号：瞬时幅度：瞬时幅度：瞬时相位：瞬时相位：如果插入载波的幅度如果插入载波的幅度Ad很大，则：很大，则：上式中上式中Ad为直流分量，因此包络检波后输出时信号：为直流分量，因此包络检波后输出时信号：12/20/2022255.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理七、包络检波七、包络检波结论：插入强载波分量后线性调制信号可以用包络检插入强载波分量后线性调制信号可以用包络检波的方法近似地恢复原始调制信号，这种方法对于双波的方法近似地恢复原始调制信号，这种方法对于双边带信号、单边带信号和残留边带

16、信号都适用。载波边带信号、单边带信号和残留边带信号都适用。载波分量可以在分量可以在接收端插入接收端插入，也可以在，也可以在发送端插入发送端插入。在广。在广播电视中为了使接收设备简化，采用了在发送时插入播电视中为了使接收设备简化，采用了在发送时插入载波的方法。载波的方法。12/20/2022265.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能一、一、分析模型分析模型二、二、DSB调制系统的性能调制系统的性能三、三、SSB调制系统的性能调制系统的性能四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/20/2022275.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 sm(t)已调信号已

17、调信号 n(t)信道加性高斯白噪声信道加性高斯白噪声 ni(t)带通滤波后的噪声带通滤波后的噪声 m0(t)输出有用信号输出有用信号 n0(t)输出噪声输出噪声一、分析模型一、分析模型12/20/2022285.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(1)噪声分析噪声分析ni(t)为平稳窄带高斯噪声，它的表示式为：为平稳窄带高斯噪声，它的表示式为：或：或：由于：由于：式中：式中：Ni 解调器输入噪声的平均功率解调器输入噪声的平均功率设白噪声的单边功率谱密度为设白噪声的单边功率谱密度为 n0，带通滤波器是高度为，带通滤波器是高度为1、带宽为、带宽为 B 的的理想矩形函数，则解调器的

18、输入噪声功率为：理想矩形函数，则解调器的输入噪声功率为：一、分析模型一、分析模型均值为均值为012/20/2022295.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(2)解调器输出信噪比定义解调器输出信噪比定义：输出信噪比反映了解调器的抗噪声性能。输出信噪比越大越好。输出信噪比反映了解调器的抗噪声性能。输出信噪比越大越好。(3)制度增益定义制度增益定义：用用 G 便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能。便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能。G 也反映了这也反映了这种调制制度的优劣。种调制制度的优劣。式中输入信噪比式中输入信噪比 Si/Ni 的定义是：的定义是：一、分析模型一

19、、分析模型12/20/2022305.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(1)DSB相干解调抗噪声性能分析模型：相干解调抗噪声性能分析模型：由于是线性系统，所以可分别计算解调器输出的信号功率由于是线性系统，所以可分别计算解调器输出的信号功率和噪声功率。和噪声功率。二、二、DSB调制系统的性能调制系统的性能12/20/2022315.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(2)输出信号功率计算：输出信号功率计算：设解调器输入信号为：设解调器输入信号为：与相干载波与相干载波 cos ct 相乘后，得：相乘后，得：经低通滤波器后，输出信号为：经低通滤波器后，输出信号为

20、：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：二、二、DSB调制系统的性能调制系统的性能12/20/2022325.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(3)输出噪声功率计算：输出噪声功率计算：解调器输入端的窄带噪声可表示为：解调器输入端的窄带噪声可表示为：它与相干载波相乘后，得：它与相干载波相乘后，得：经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为：经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为：故输出噪声功率为：故输出噪声功率为：或写成：或写成：二、二、DSB调制系统的性能调制系统的性能12/20/2022335.2 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)输

21、入信号功率计算：输入信号功率计算：解调器输入信号平均功率为：解调器输入信号平均功率为：(5)信噪比计算：信噪比计算：输入信噪比：输入信噪比：输出信噪比：输出信噪比：二、二、DSB调制系统的性能调制系统的性能12/20/2022345.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(6)制度增益：制度增益：结论：DSB调制系统的制度增益为调制系统的制度增益为2。也就是说，。也就是说，DSB信信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用相干解调，号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除的缘故使输入噪声中的正交分量被消除的缘故。二、二、DSB调制系统的性能调

22、制系统的性能12/20/2022355.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(1)输出噪声功率：输出噪声功率：B=fH为为SSB信号的带通滤波器的带宽。信号的带通滤波器的带宽。(2)输出信号功率：输出信号功率：SSB信号：信号：与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号：与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号：因此，输出信号平均功率：因此，输出信号平均功率：三、三、SSB调制系统的性能调制系统的性能12/20/2022365.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(3)输入信号平均功率为：输入信号平均功率为：因因 与与 m(t)的幅度相同，所以具有

23、相同的平均功率，的幅度相同，所以具有相同的平均功率，故上式变为：故上式变为：三、三、SSB调制系统的性能调制系统的性能12/20/2022375.2 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)信噪比：信噪比：单边带解调器的输入信噪比为：单边带解调器的输入信噪比为：单边带解调器的输出信噪比为：单边带解调器的输出信噪比为：(5)制度增益：制度增益：三、三、SSB调制系统的性能调制系统的性能12/20/2022385.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 结论：结论：(1)因为在因为在SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干

24、解调过程中，信号和噪声中的正交分量均被抑制掉，故干解调过程中，信号和噪声中的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善。信噪比没有改善。(2)上述表明，上述表明，GDSB=2GSSB，这能否说明，这能否说明DSB系统的抗噪声系统的抗噪声性能比性能比SSB系统好呢？回答是否定的。系统好呢？回答是否定的。原因：原因：三、三、SSB调制系统的性能调制系统的性能12/20/2022395.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(1)包络检波器分析模型：包络检波器分析模型：检波输出电压正比于输入信号的包络变化。检波输出电压正比于输入信号的包络变化。四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/2

25、0/2022405.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(2)输入信噪比计算：输入信噪比计算：设解调器输入信号为：设解调器输入信号为：解调器输入噪声为：解调器输入噪声为：解调器输入信号功率：解调器输入信号功率：解调器输入噪声功率：解调器输入噪声功率：输入信噪比为：输入信噪比为：四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/20/2022415.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(3)包络计算：包络计算：由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即：由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即：式中：式中：上式中上式中 E(t)便是所求的合成包络。当包络检波器的传输系数

26、为便是所求的合成包络。当包络检波器的传输系数为1时，则时，则检波器的输出就是检波器的输出就是 E(t)。四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/20/202242有用信号与噪声独立地有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别分成两项，因而可分别计算它们的功率。计算它们的功率。5.2 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)输出信噪比计算：输出信噪比计算：大信噪比情况：大信噪比情况：输入信号幅度远大于噪声幅度，即：输入信号幅度远大于噪声幅度，即：因而式：因而式：可以简化为：可以简化为：四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/20/2022435.2 线性调制系统的抗噪声性

27、能线性调制系统的抗噪声性能(4)输出信噪比计算：输出信噪比计算：大信噪比情况：大信噪比情况：输出信号功率为：输出信号功率为：输出噪声功率为：输出噪声功率为：故输出信噪比为：故输出信噪比为：制度增益为：制度增益为：四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/20/2022445.2 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)输出信噪比计算：输出信噪比计算：大信噪比情况：大信噪比情况：讨论：讨论：.AM 信号的调制制度增益信号的调制制度增益 GAM 随随 A0 的减小而增加。的减小而增加。.GAM 总是小于总是小于1，这说明包络检波器对输入信噪比没有改，这说明包络检波器对输入信噪比没

28、有改善，而是恶化了。善，而是恶化了。.例如：对于例如：对于100%的调制，且的调制，且 m(t)是单频正弦信号，这时是单频正弦信号，这时AM 的最大信噪比增益为：的最大信噪比增益为：四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/20/2022455.2 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)输出信噪比计算：输出信噪比计算：大信噪比情况：大信噪比情况：讨论：讨论：.可以证明，采用同步检测法解调可以证明，采用同步检测法解调AM信号时，得到的调制信号时，得到的调制制度增益与上式给出的结果相同。制度增益与上式给出的结果相同。.由此可见，对于由此可见，对于AM调制系统，在大信噪比时，采用

29、包络调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的性能与同步检测器时的性能几乎一样。检波器解调时的性能与同步检测器时的性能几乎一样。四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/20/2022465.2 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)输出信噪比计算：输出信噪比计算：小信噪比情况小信噪比情况此时，输入信号幅度远小于噪声幅度，即：此时，输入信号幅度远小于噪声幅度，即：包络：包络：变成：变成：其中其中 R(t)和和 (t)代表噪声的代表噪声的包络包络及及相位相位：四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/20/2022475.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪

30、声性能(4)输出信噪比计算：输出信噪比计算：小信噪比情况小信噪比情况因为：因为：所以可以把所以可以把 E(t)进一步近似：进一步近似：此时，此时，E(t)中没有单独的信号项，有用信号中没有单独的信号项，有用信号 m(t)被噪声扰乱，只能看被噪声扰乱，只能看作是噪声。作是噪声。这时，这时，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，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通常把这种现象称为解调器的门限效应。开始出现门限效应的输入信开始出现门限效应的输入信噪比称为噪比称为门限值门限值。四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/20/

31、2022485.2 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)输出信噪比计算：输出信噪比计算：小信噪比情况：小信噪比情况：讨论讨论 门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。原用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。用信号项。在大信噪比情况下，在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同。但

32、当输入信噪比低于门限值时，将会出现门限效应，这时相同。但当输入信噪比低于门限值时，将会出现门限效应，这时解调器的输出信噪比将急剧恶化，系统无法正常工作。解调器的输出信噪比将急剧恶化，系统无法正常工作。四、四、AM包络检波的性能包络检波的性能12/20/202249课堂练习课堂练习 试画出下图所示三级产生上边带信号的频谱，试画出下图所示三级产生上边带信号的频谱，其中其中 f01=50 kHz，f02=5 MHz，f03=100 MHz，调制，调制信号的频谱为信号的频谱为3003000 Hz。12/20/202250习习 题题思考题：思考题：P.127 5-15-6,5-9习题：习题：P.129 5-10,5-14 补充题补充题2：试画出补充题试画出补充题2图所示三级产生上边带信图所示三级产生上边带信号的频谱，其中号的频谱，其中f01=50 kHz，f02=5 MHz，f03=100MHz，调制信号的频谱为，调制信号的频谱为3003000 Hz。12/20/202251