中山通信原理-第3章-模拟调制系统.ppt

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1、第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 调制的定义调制的定义：是按原始电信号的变化规律：是按原始电信号的变化规律去改变载波某些参量的过程。去改变载波某些参量的过程。调制的方式调制的方式：模拟调制和数字调制模拟调制和数字调制；正正弦波和脉冲调制弦波和脉冲调制。调制的目的：调制的目的：进行频谱搬移，把调制信号进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而提高系统的频谱搬移到所希望的位置上，从而提高系统信息传输的有效性和可靠性。信息传输的有效性和可靠性。调制的种类：调制的种类：AM、DSB-SC、SSB、VSB、FM和和PM。2023/3/71第第3 3章章 模拟调制系统

2、模拟调制系统现代通信系统原理1.1 幅度调制的原理幅度调制的原理 3.1.1 幅度调制的一般模型幅度调制的一般模型 定义：定义：用调制信号去用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变使其按调制信号的规律变化的过程。化的过程。2023/3/72第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.1.2 常规双边带调幅（常规双边带调幅（AM）1.AM信号的表达式、频谱及带宽信号的表达式、频谱及带宽 若假设滤波器为全通网络：若假设滤波器为全通网络：为了保证包络检波时不发生失真，必须满足为了保证包络检波时不发生失真，必须满足 2023/3/73第第3 3

3、章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 AM信信号号是是带带有有载载波波的的双双边边带带信信号号，它它的的带带宽为基带信号带宽的两倍，即宽为基带信号带宽的两倍，即2023/3/74第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 2.AM信号的功率分配及调制效率信号的功率分配及调制效率 已调信号功率为：已调信号功率为：调制效率：调制效率：显然，显然，AM信号的调制效率总是小于信号的调制效率总是小于1。例题例题2023/3/75第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 3.AM信号的解调信号的解调 调制的逆过程叫做解调。调制的逆过程叫做解调。AM信号的解信号的解调

4、方法有两种：相干解调和包络检波解调。调方法有两种：相干解调和包络检波解调。（1）相干解调相干解调 用一个低通滤波器，就无失真的恢复出用一个低通滤波器，就无失真的恢复出原始的调制信号：原始的调制信号：2023/3/76第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理（2）包络检波法包络检波法 电电路路由由二二极极管管D、电电阻阻R和和电电容容C组组成成。RC满足条件：满足条件：这这时时，包包络络检检波波器器的的输输出出与与输输入入信信号号的的包包络十分相近，即：络十分相近，即：2023/3/77第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.1.3 抑制载波的双边带调幅（抑制

5、载波的双边带调幅（DSB-SC）1.DSB信号的表达式、频谱及带宽信号的表达式、频谱及带宽 2023/3/78第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 DSB信号不能进行包络检波，需采用相信号不能进行包络检波，需采用相干解调；除不含有载频分量离散谱外，干解调；除不含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱由上下对称的两个边带组成。故信号的频谱由上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带信号是不带载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍。宽为基带信号带宽的两倍。2.DSB信号的功率分配及调制效率信号的功率分配及调制效率 显然，显然，DSB信号的调制效率为

6、信号的调制效率为100%。2023/3/79第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.DSB信号的解调信号的解调 DSB信号只能采用相干解调，则乘法器信号只能采用相干解调，则乘法器输出为：输出为：经低通滤波器滤除高次项，得经低通滤波器滤除高次项，得 2023/3/710第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.1.4 单边带调制（单边带调制（SSB）由于由于DSB信号的上、下两个边带是完全信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中此，从信息传输的角度来考虑，仅传

7、输其中一个边带就够了。一个边带就够了。1.SSB信号的产生信号的产生 （1）率波法）率波法2023/3/711第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理2023/3/712第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理（2）用相移法形成用相移法形成SSB信号信号 可以证明，可以证明，SSB信号的时域表示式为：信号的时域表示式为：式中，式中，“”对应上边带信号，对应上边带信号，“+”对应下对应下边带信号；边带信号；是是 的希的希尔伯特变换。尔伯特变换。2023/3/713第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理2.SSB信号带宽、功率和调制效率信号带宽、功

8、率和调制效率3.SSB信号的解调信号的解调 SSB信号的解调也不能采用简单的包络信号的解调也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调，检波，需采用相干解调，2023/3/714第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理乘法器输出为：乘法器输出为：经低通滤波后的解调输出为经低通滤波后的解调输出为2023/3/715第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.1.5 残留边带调制（残留边带调制（VSB）1.残留边带信号的产生残留边带信号的产生 残留边带调制是介于单边带调制与双边残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式，它既克服了带调制之间的一种调制方式

9、，它既克服了DSB信号占用频带宽的问题，又解决了单边信号占用频带宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。带滤波器不易实现的难题。在残留边带调制中，除了传送一个边带在残留边带调制中，除了传送一个边带外，还保留了另外一个边带的一部分。外，还保留了另外一个边带的一部分。2023/3/716第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理2023/3/717第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理2.残留边带信号的解调残留边带信号的解调 2023/3/718第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.2 线性调制系统的抗操声性能线性调制系统的抗操声性能 本

10、本节节将将要要研研究究的的问问题题是是，信信道道存存在在加加性性高斯白噪声时各种线性系统的抗噪性能。高斯白噪声时各种线性系统的抗噪性能。3.2.1 通信系统抗噪性能分析模型通信系统抗噪性能分析模型 2023/3/719第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 为窄带高斯噪声，可以表示为：为窄带高斯噪声，可以表示为：其功率为：其功率为：2023/3/720第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理输出信噪比定义为输出信噪比定义为 输入信噪比输入信噪比 人们常用信噪比增益作为不同调制方式下人们常用信噪比增益作为不同调制方式下解调器抗噪性能的度量。它可以定义为：解调器抗

11、噪性能的度量。它可以定义为：2023/3/721第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.2.2 线性调制相干解调的抗噪声性能线性调制相干解调的抗噪声性能 1.DSB调制系统的性能调制系统的性能 （1）输出信号的功率输出信号的功率 2023/3/722第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理（2）输出噪声的功率输出噪声的功率 解调器最终的输出噪声为解调器最终的输出噪声为 2023/3/723第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理（3）输出信号的功率输出信号的功率 解调器输入信号平均功率为解调器输入信号平均功率为 解调器的输入和输出信噪比为解调

12、器的输入和输出信噪比为 因而调制制度增益为因而调制制度增益为2023/3/724第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理2.SSB调制系统的性能调制系统的性能（1）输出信号的功率输出信号的功率 与相干载波相乘，并经低通滤波器滤除与相干载波相乘，并经低通滤波器滤除高频成分后，得解调器输出信号和功率为：高频成分后，得解调器输出信号和功率为：（2）输出噪声的功率输出噪声的功率 2023/3/725第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理（3）输出信号的功率输出信号的功率解调器输入信号平均功率为解调器输入信号平均功率为解调器的输出信噪比和调制制度增益为解调器的输出信噪比

13、和调制制度增益为 2023/3/726第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 DSB解调器的调制制度增益是解调器的调制制度增益是SSB的二的二倍。但不能因此就说，双边带系统的抗噪性倍。但不能因此就说，双边带系统的抗噪性能优于单边带系统。具体分析如下：能优于单边带系统。具体分析如下：2023/3/727第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.VSB调制系统的性能调制系统的性能 VSB调制系统抗噪性能的分析方法与上调制系统抗噪性能的分析方法与上面类似。但是，由于所采用的残留边带滤波面类似。但是，由于所采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同，所以难以确定器的

14、频率特性形状可能不同，所以难以确定抗噪性能的一般计算公式。抗噪性能的一般计算公式。3.2.3 常规调幅包络检波的抗噪声性能常规调幅包络检波的抗噪声性能 AM信号可采用相干解调或包络检波，信号可采用相干解调或包络检波，具体原理见图。具体原理见图。2023/3/728第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理解调器输入信号为：解调器输入信号为：输入噪声为输入噪声为：输入的信号功率、噪声功率和信噪比：输入的信号功率、噪声功率和信噪比：2023/3/729第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理解调器输入的信号加噪声的合成波形是解调器输入的信号加噪声的合成波形是：其中合成

15、包络：其中合成包络：为简化起见，我们考虑两种特殊情况。为简化起见，我们考虑两种特殊情况。（1）大信噪比情况大信噪比情况 2023/3/730第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理输出信号功率、噪声功率和信噪比：输出信号功率、噪声功率和信噪比：调制制度增益：调制制度增益：对于对于100调制（即调制（即 ），且又是），且又是单音频正弦信号时：单音频正弦信号时：2023/3/731第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理（2）小信噪比情况小信噪比情况 此时噪声幅度远大于输入信号幅度，即此时噪声幅度远大于输入信号幅度，即 得如下结论：在大信噪比情况下，得如下结论：在大

16、信噪比情况下，AM信信号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同；号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同；但随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特但随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应。一旦出现门定输入信噪比值上出现门限效应。一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧变坏。限效应，解调器的输出信噪比将急剧变坏。2023/3/732第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.3 角度调制（非线性调制）的原理及抗角度调制（非线性调制）的原理及抗噪声性能噪声性能 线线性性调调制制不不同同，已已调调信信号号频频谱谱不不再再是是原原调调制制信信号号频频谱谱的的线

17、线性性搬搬移移，而而是是频频谱谱的的非非线线性性变变换换，会会产产生生与与频频谱谱搬搬移移不不同同的的新新的的频率成分，故又称为非线性调制。频率成分，故又称为非线性调制。角调制可分为频率调制（角调制可分为频率调制（FM）和相位）和相位调制（调制（PM）。即载波的幅度保持不变，而）。即载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。载波的频率或相位随基带信号变化。2023/3/733第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.3.1角度调制的基本概念角度调制的基本概念 角度调制信号的一般表达式为角度调制信号的一般表达式为 瞬时相位；瞬时相位；瞬时相位偏移；瞬时相位偏移；瞬时

18、频率；瞬时频率；瞬时频偏。瞬时频偏。所谓相位调制，是指所谓相位调制，是指 2023/3/734第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理调相信号可表示为调相信号可表示为：所谓频率调制，是指瞬时频率偏移随基所谓频率调制，是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化，即带信号而线性变化，即则可得调频信号为则可得调频信号为 可见，可见，FM和和PM非常相似，如果预先不非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调知道调制信号的具体形式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。信号是调频信号还是调相信号。2023/3/735第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理

19、如果将调制信号先微分，再进行调频，如果将调制信号先微分，再进行调频，则可得到调相信号；如果将调制信号先积分，则可得到调相信号；如果将调制信号先积分，再进行调相，则可得到调频信号。再进行调相，则可得到调频信号。从以上分析可见，调频与调相并无本质从以上分析可见，调频与调相并无本质区别，两者之间可以互换。区别，两者之间可以互换。2023/3/736第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.3.2 窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频 根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（可将频率调制分为宽带调频（WBFM）与窄）与窄带调频（带

20、调频（NBFM）。当）。当 时，称为窄带调频。否则，称为宽带调频。时，称为窄带调频。否则，称为宽带调频。1.窄带调频（窄带调频（NBFM）2023/3/737第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理经推导可得经推导可得NBFM信号的频域表达式：信号的频域表达式：将上式与将上式与AM信号的频谱比较很相似信号的频谱比较很相似进行比较，它们的带宽相同，即进行比较，它们的带宽相同，即 2023/3/738第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 对于单频调制的特殊情况，可以得到频对于单频调制的特殊情况，可以得到频谱如下。谱如下。2023/3/739第第3 3章章 模拟调

21、制系统模拟调制系统现代通信系统原理2.宽带调频（宽带调频（WBFM）为使问题简化，我们先研究单音调制的为使问题简化，我们先研究单音调制的情况，然后把分析的结果推广到多音情况。情况，然后把分析的结果推广到多音情况。（1）单频调制时宽带调频信号的频域表达单频调制时宽带调频信号的频域表达 设单频调制信号为设单频调制信号为则单音调频信号的时域表达式为：则单音调频信号的时域表达式为：2023/3/740第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理调频指数为：调频指数为：傅氏变换即为频谱：傅氏变换即为频谱：从上式可以看到从上式可以看到调频信号的频谱中含有调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。无

22、穷多个频率分量。（2）单频调制时的频带宽度）单频调制时的频带宽度 一个广泛用来计算调频波频带宽度的公一个广泛用来计算调频波频带宽度的公式为：式为：2023/3/741第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理（3）单频调制时的功率分配）单频调制时的功率分配 因为，调频信号虽然频率在不停地变化，因为，调频信号虽然频率在不停地变化，但振幅不变是个等幅波，而功率仅由幅度决但振幅不变是个等幅波，而功率仅由幅度决定，与频率无关，故它的功率即为定，与频率无关，故它的功率即为：（4）任意限带信号调制时宽带调频信号的带任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽宽 频偏比频偏比 ；最大频率偏移；最大频率

23、偏移 2023/3/742第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.3.3调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调 1.调频信号的产生调频信号的产生 （1）直接法直接法 就是利用调制信号直接控制振荡器的频就是利用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。率，使其按调制信号的规律线性变化。振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器（控振荡器（VCO），它的输出频率正比于所），它的输出频率正比于所加的控制电压，即加的控制电压，即 2023/3/743第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理（2）间接法间接法

24、经经N次倍频后可以使调频信号的载频和次倍频后可以使调频信号的载频和调制指数增为调制指数增为N倍。倍。2023/3/744第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理2.调频信号的解调调频信号的解调 （1）非相干解调非相干解调 最简单的解调器是具有频率最简单的解调器是具有频率-电压转换作电压转换作用的鉴频器。用的鉴频器。2023/3/745第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 理想鉴频器可看成是微分器与包络检波理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。则微分器输出器的级联。则微分器输出 用包络检波器取出其包络，并滤去直流用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出：

25、后输出：Kd称为鉴频器灵敏度。称为鉴频器灵敏度。（2）相干解调相干解调 2023/3/746第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理设窄带调频信号为设窄带调频信号为：相干载波：相干载波：则乘法器输出为：则乘法器输出为：经低通滤波器滤除高频分量，得经低通滤波器滤除高频分量，得 再经微分，得输出信号再经微分，得输出信号 2023/3/747第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.3.4调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能 调频系统抗噪性能分析与解调方法有关，调频系统抗噪性能分析与解调方法有关，这里只讨论非相干解调系统的抗噪性能。这里只讨论非相干解调系统的抗噪

26、性能。1.输入信噪比输入信噪比 设输入调频信号为：设输入调频信号为：2023/3/748第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理输入信号功率输入信号功率：输入噪声功率：输入噪声功率：输入信噪比：输入信噪比：2.输出信噪比及调制制度增益输出信噪比及调制制度增益（1 1）大信噪比情况大信噪比情况 经推导可以得到：经推导可以得到：宽带调频系统制度增益为：宽带调频系统制度增益为：2023/3/749第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 下面考虑单频调制时的情况，设调制信下面考虑单频调制时的情况，设调制信号为：号为：，则，则这时的调频信号为：这时的调频信号为：式中式中

27、解调器输出信噪比：解调器输出信噪比：解调器制度增益解调器制度增益：宽带调频时，信号带宽为宽带调频时，信号带宽为：2023/3/750第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理所以，上式还可以写成所以，上式还可以写成：（2）小信噪比情况与门限效应小信噪比情况与门限效应 2023/3/751第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.4 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较1.各种模拟调制方式总结（见表各种模拟调制方式总结（见表3-1）2.各种模拟调制方式性能比较各种模拟调制方式性能比较 抗噪性能，抗噪性能，WBFM最好，最好，DSB、SSB、VSB次之，次之

28、，AM最差。最差。NBFM与与AM接近。接近。频带利用率，频带利用率，SSB最好，最好，VSB与与SSB接接近，近，DSB、AM、NBFM次之，次之，WBFM最差。最差。2023/3/752第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.各种模拟调制方式的特点与应用各种模拟调制方式的特点与应用2023/3/753第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理3.5 频分复用（频分复用（FDM）“复用复用”是一种将若干个彼此独立的信是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。的复合信号的方法。有三种基本

29、的多路复用方式：频分复有三种基本的多路复用方式：频分复用（用（FDM）、时分复用（）、时分复用（TDM）与码分复）与码分复用（用（CDM）。）。2023/3/754第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理单边带信号的总频带宽度为：单边带信号的总频带宽度为：2023/3/755第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统现代通信系统原理 频分复用系统的最大优点是信道复用率高，频分复用系统的最大优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。2023/3/756