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1、通信原理 第五章 模拟调制系统 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 本章结构 n5.1 调制的分类 n5.2 幅度调制与解调 n5.3 线性调制(即幅度调制)的抗噪声性能 n5.4 角度调制 n5.8 各种模拟调制的比较 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.1 调制的分类 调制信号 基带信号 载波 已调信号 调制：在发送端将所要传送的基带信号“附加 ”在高频振荡上，也就是使高频振荡的某一个 或几个参数随基带信号的规律而变化。 频带信号 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 调制的目的 n1. 将基带信号变换为适合于信道传输的频带 信号； n2. 改善系统的抗噪声性能； n3. 实现信道复用，
2、提高信道利用率。(第10章) n在接收端，则需要把载波所携带的信号取出 来，而得到原基带信号。这个过程实际上是 调制的逆过程。 解调 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.1 调制的分类 调制 正弦波调制 脉冲调制 t 模拟调制 数字调制 t 按照 载波 类型 按照 调制 信号 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 n高频正弦波 n有三个参数：振幅、频率和相位，所以根据调 制信号所控制参数的不同，模拟连续波调制可 分为调幅、调频和调相。 n幅度调制：用调制信号去控制高频载波振荡电 压的幅度，使其随调制信号呈线性变化的过 程。 n根据频谱特性的不同，通常可把调幅分为 n标准调幅(AM)；抑制载波
3、双边带调幅(DSB)； n单边带调幅(SSB)；残留边带调幅(VSB)等。 n而调频和调相都是使载波的相位发生变化，因 此二者又统称为角度调制。 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 n5.2.1 标准调幅(AM) n1、AM信号的波形及频谱 n 幅度调制是用调制信号去控制高频载波振荡 电压的幅度，使其随调制信号做线性变化的过 程。 n 在AM调制中，调制信号m(t)含直流分量，它 可表示为直流分量 m0 与交流分量m(t)之和， 即： 5.2 幅度调制与解调 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.2.1 标准调幅(AM) 载波为 式中，Ac为载波的幅度；c为载波角频率， 为初始相位。 严谨
4、严格 求实 求是第四章 信道 所对应的频域表示式为 根据定义，标准调幅波的时域表示式为 由常用傅立叶变换 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 t t AM信号的波形及频谱 t t 属于频带信号 (1)AM信号的频谱由载波分量和上下两个边带组成；(2)边带的频谱结构 与原调制信号的频谱结构相同；(3)带宽是调制信号最高频率的 的2倍 ， 即 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 2、AM信号产生的数学模型 + 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 n AM的优点是能采用包络解调，因此AM 调制的接收机非常简单。 nAM的调制效率低，因为AM信号中存在 不携带信息的载波分量。为了提高调制的 效率，可将
5、不携带信息的载波分量抑制掉 ，只传输携带信息的两个边带，这就是抑 制载波双边带调制(DSB)。 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.2.2 抑制载波的双边带调幅(DSB) n1、DSB信号的表达式与频谱 ； 没有直流分量 根据付立叶变换的性质中的调制定理 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 其波形和频谱图如图5-3所示。 特点：时域波形有反向点；频域无载波分量，只有上、下两个边带 带宽：调制信号最高频率的 的2倍，即 ，与AM相 同。 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 2、DSB信号的产生 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.2.3 单边带调幅(SSB) n我们在高频电路中学过，单边
6、带的产生有 多种方法，比较直接的方法是滤波法 HSSB() 低通 高通 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 以下边带滤波器为例 即 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 SSB信号的时域表达式 上边带 下边带 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 上述推导过程的图形解释法 分解 下边带情况 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 上述推导过程的图形解释法 分解 上边带情况 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.2.5 调幅系统的解调 n调幅的解调方法有2大类： n非相干(包络)解调和相干解调 n1. 非相干(包络)解调 非相干解
7、调就是在接收端解调信号时，不需要本 地载波，而是利用已调信号的包络信息来恢复原 始信号。因此，非相干解调一般只适用标准调幅 (AM)波的解调。 n如二极管检波电路,已经在高频电路中详细学过 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 2. 相干解调 相干解调的特点是必须有一个频率和相 位都与接收信号载波相同的本地载波。 低通 滤波 本地载波 调制信号 相干解调的数学模型如下图： n以DSB为例说明相干解调的过程 设已调信号为 乘法器输出 通过LPF后 当 =常数时 结论：只有当本地载波与接收的已调幅信号同频同 相时，信号才能正确恢复，否则就会产生失真 本地载波本地载波本地载波本地载波 t 乘法器输出通
8、过LPF以后 t 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.3 调幅的抗噪声性能 n5.3.1 抗噪声性能的分析模型 信道 带通滤波器 (BPF) 解调器 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.3.2 调幅的相干解调性能 n1、DSB相干解调的信噪比增益 + 带通滤波器 (BPF) 低通滤波器 (LPF) 解调器 信道 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 DSB调制系统信噪比改善的原因 n由于高斯窄带噪声不但含有与DSB信号的 同相分量，而且还有正交分量，经相干解 调后，正交分量被抑制了
9、，使得解调器输 出噪声功率降低了一半，因而产生了两倍 的增益。 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.3.2 线性调制相干解调的抗噪声性能 n2、SSB调制系统的性能 由于单边带信号的带宽是双边带信号 带宽的一半，所以相干解调器之前带通滤 波器的带宽也应是解调双边带时的一半。 SSB信号的时域表达式为: 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.3.2 线性调制相干解调的抗噪声性能 n 先以SSB信号的上边带为例，计算它在解调器 输入和输出端的平均信号功率。首先计算单边带解 调器的输入信号功率Si 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.3.2 线性调制相干解调的抗噪声性能 n由于 是 希尔伯
10、特变换，所以两者具有相同的 平均功率，故上式变为 因此解调器的输入信噪比为 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.3.2 线性调制相干解调的抗噪声性能 n单边带信号经解调器的乘法器后输出为: 经低通滤波器，后两项被滤除，解调器的最终输出为 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.3.2 线性调制相干解调的抗噪声性能 所以，解调器输出的基带信号平均功率为: 单边带解调器输出端的噪声功率计算方法与 双边带的计算方法相同，其表达式也为 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.3.2 线性调制相干解调的抗噪声性能 不过，这里的B是单边带的带通滤波器的 带宽。因此解调器的输出信噪比为 由此可得到解调器
11、的信噪比增益为 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.3.2 线性调制相干解调的抗噪声性能 可见，单边带信号通过相干解调后，信噪比并没 有改善。原因是信号和噪声都有同相分量和正交分量， 相干解调后，正交分量都被抑制掉，所以它们的平均功 率也同时减少一半，结果导致了输出信噪比不变。 从上述两种调制系统信噪比增益的表面上来看，双 边带系统信噪比是单边带系统的两倍，因而会误认为双 边带性能优于单边带，其实，双边带系统的输入信号功 率为单边带的两倍，故在同样的输入信号功率的条件下 ，单边带调制的输入信噪比是双边带调制的两倍，结果 输出端信噪比是一样的。这就是说，从抗噪声的观点看 ，单边带的解调性能和
12、双边带是相同的。 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 为了不产生过调幅而要求|m(t)|maxA，所以 AM调制系统的信噪比增益GAM1。当调制 信号为单一频率的正弦波，且在满调幅时 ，可求得GAM=2/3。 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.4 角度调制 n高频电子已讲过，这里侧重掌握知识点： 瞬时相位和瞬时频率的概念 调频和调相的表达式 能从表达式中读出调制指数和最大频偏 调频信号的带宽计算（即卡森公式） 调频信号的功率 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 n角度调制属于非线性调制。 n所谓非线性是指角调信号频谱的结构与 调制信号频谱相比，两者之间
13、呈现出非 线性变换关系。 n相应的线性调制是指已调信号频谱是调 制信号频谱在频率轴上的线性搬移而言 的，其频谱结构未发生变化。 n由于频率调制和相位调制都属于角度调 制，但模拟相位调制应用较少，所以本 章着重讨论频率调制与解调。 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5.4.1 角度调制的基本概念 n1、瞬时相位 t = 0 t = t1 t = t2 t = t3 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 2、瞬时角频率 n在上页的矢量图中，如果矢量的旋转速度 （即角频率）是匀速的，那么瞬时相位 n但是如果矢量的旋转速度“时快时慢”，那么 如何求瞬时相位呢？ 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 2、
14、瞬时角频率（续） n我们定义，矢量在任意时刻旋转的速度 为这个旋转矢量的瞬时角频率，简称瞬 时角频率 n则瞬时相位 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 例题5.2 t 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 3、调频的波形及表达式 n载波的振幅保持不变，而瞬时角频率与调制信 号m(t)呈线性关系。 载波频率 频移常数 t t t 调频波的波形 t t t t t 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 调频波的通用表达式 FM的瞬时相角与调制信号的积分呈线性关系 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 调频波的最大角频偏 若调制信号为单一频率的正弦波 则 式中 ： 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 4、
15、调相的概念及表达式 n载波的振幅保持不变，而瞬时相位与调制信 号m(t)呈线性关系。 相移常数 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 n由上式还可得到PM波的瞬时频率为 上式说明PM波的瞬时角频率PM(t)与调 制信号m(t)的微分呈线性关系。 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 若调制信号为单一频率的正弦波 式中 ： 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 5、调频与调相的关系 即,对一个调制信 号先求导再调频, 等价于直接对这 个信号进行调相 从波形上对上述关系的验证 t t t 4 2 6 8 0 8 12 -2 10 t 16 0 16 对三角波调相等价于对方波(三角波导函数)的调频 与方波
16、的调频波一样 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 6、最大相移（即 调制指数） 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 7、调频波的最大角频偏 若调制信号为单一频率的正弦波 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 8、调相波的最大角频偏 若调制信号为单一频率的正弦波 例题5.3 n已知一个调频波表达式为 n求调制指数和最大频偏 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 9、调频信号的功率和带宽 卡森公式 严谨 严格 求实 求是第四章 信道 本章重点小结 n调制的分类 n各种调幅的波形和频谱画法 n各种调幅的主要指标比较 带宽、信噪比增益 n调频和调相的表达式 n能从表达式中看出调制指数，从而进一步 计算出最大频偏、带宽、功率等 作业: 课后习题 5.7、5.11 和 5.14 5.7某接收机的输出噪声为10-9W，输出信噪比 为20
