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1、4.1 幅度调制（线性调制）的原理 4.2 线性调制系统的抗噪声性能 4.3 非线性调制（角调制）的原理 4.4 调频系统的抗噪声性能 4.5 各种模拟调制系统的性能比较,第 4 章 模拟调制系统,返回主目录,第 4章 模拟调制系统,调制的实质是频谱搬移，其作用和目的是： 将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）； 实现信道的多路复用，提高信道利用率； 减少干扰，提高系统抗干扰能力； 实现传输带宽与信噪比之间的互换。,(4.1 - 1),4.1 幅度调制（线性调制）的原理,图 4 1 幅度调制器的一般模型,输出已调信号的时域和频域一般表示式为,(4.1 - 2),4.1
2、.1 调幅(AM),(4.1 - 3),图 4 - 2 AM调制器模型,(4.1 - 4),图 4 - 3AM信号的波形和频谱,假定,只有边带功率才与调制信号有关。因此，从功率上讲，AM信号的功率利用率比较低。,若,调制效率：,则,式中,为调幅指数（或调制幅度）,例题 4-1,计算调制效率和载波功率； 如果天线用50电阻负载表示，求载波信号的峰值幅度。,已知一个AM广播电台输出功率是50KW，采用单频余弦信号进行调制，调制幅度为0.707。,例题4-1的解,a),b),4.1.2 抑制载波双边带调制（DSB-SC） (Double-sideband Suppressed Carrier),(4
3、.1 - 6),(4.1 - 7),将AM信号中的A0去掉，即可输出DSB信号。,图 4-4DSB信号的波形和频谱,需采用相干解调(同步检波)，不能采用简单的包络检波。 在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180的突变。 DSB信号功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。 ,DSB信号的特点（与AM信号相比）：,单边带信号的产生方法：滤波法和相移法。 1. 用滤波法形成单边带信号 技术难点： 单边带滤波器要求在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。在工程中往往采用多级调制滤波的方法。,4.1.3 单边带调制（SSB） (Singl
4、e-sideband),图 4 5 形成SSB信号的滤波特性,图 4 - 6SSB信号的频谱,2. 用相移法形成单边带信号,考虑单频调制信号：,(4.1 - 8),(4.1 - 9),任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和。,希尔伯特变换：,则,式中符号函数,希尔伯特滤波器的传递函数：,是一个宽带相移网络，幅度不变，所有的频率分量均相移 。 ,(4.1 - 10),图 4 7 相移法形成单边带信号,不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH=BDSB/2。 SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。 滤波法中的滤波器和相移法中的宽带相移网络较
5、难制作。 ,SSB信号的特点：,残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种调制方式， 它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难题。在VSB中，不是完全抑制一个边带（如同SSB中那样），而是逐渐切割，使其残留一小部分，如图 4 - 8（d）所示。 ,4.1.4 残留边带调制（VSB） (Vestigial Sideband),图 4 - 8DSB、 SSB和VSB信号的频谱,图 4 - 9VSB调制和解调器模型 (a) VSB调制器模型 (b) VSB解调器模型,(4.1 - 12),(4.1 - 13),图 4 - 10残留边带滤波器特性 (a) 残留部分上边带的滤波
6、器特性;(b) 残留部分下边带的滤波器特性,图 4 11 残留边带滤波器的几何解释,BVSB=BSSB; 实现容易； 只要HVSB()在c处具有互补对称（奇对称）特性，那么，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号。 ,VSB信号的特点：,4.2 线性调制系统的抗噪声性能,4.2.1 分析模型,图4-12 解调器抗噪声性能分析模型,(4.2 - 1),(4.2 - 2),或者,(4.2 - 3),ni(t)为平稳窄带高斯白噪声,Ni为解调器输入噪声ni(t)的平均功率。,图 4- 13 带通滤波器传输特,若白噪声的双边功率谱密度为n0/2，则有,(4.2 - 4),评价一个
7、模拟通信系统质量的好坏，最终是要看解调器的输出信噪比(SNR)。,(4.2 - 5),(4.2 - 7),(4.2 - 6),4.2.2 线性调制相干解调的抗噪声性能,DSB调制系统的性能,(4.2 - 8),(4.2 - 9),(4.2 - 10),图4-14 线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型,图4-12 解调器抗噪声性能分析模型,(4.2 - 12),(4.2 - 13),(4.2 - 1),设,(4.2 - 11),(4.2 - 18),(4.2 - 14),(4.2 - 15),(4.2 - 16),(4.2 - 17),(4.2 - 20),(4.2 - 21),(4.2 - 2
8、2),2. SSB调制系统的性能,(4.2 - 19),(4.2 - 26),(4.2 - 24),(4.2 - 25),(4.2 - 23),抗噪声性能说明：,残留边带不是太大的时候，近似认为与SSB调制系统的抗噪声性能相同。 ,3. VSB调制系统的性能,4.2.3 调幅信号包络检波的抗噪声性能, AM信号可采用相干解调和包络检波。相干解调时AM系统的性能分析方法与前面双边带（或单边带）的相同。实际中，AM信号常用简单的包络检波法解调。,图 4 - 3AM信号的波形和频谱,图 4-4DSB信号的波形和频谱,图4-15 AM包络检波的抗噪声性能分析模型,(4.2 - 28),(4.2 - 2
9、7),(4.2 - 29),(4.2 - 30),(4.2 - 31),(4.2 - 32),(4.2 - 33),1） 大信噪比情况 此时， 输入信号幅度远大于噪声幅度， 即,E(t)是理想包络检波器的输出。,(4.2 - 34),式（4.2 - 34）中直流分量A0被电容器阻隔，有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别计算出输出有用信号功率及噪声功率,(4.2 - 35),(4.2 - 36),(4.2 - 37),(4.2 - 38),显然，AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加。 但对包络检波器来说, 为了不发生过调制现象，应有A0|m(t)|max，所以GAM总是小于1。例如
10、：100%的调制(即A0=|m(t)|max)且m(t)又是正弦型信号时， 有,这是AM系统的最大信噪比增益。这说明解调器对输入信噪比没有改善， 而是恶化了。,(4.2 - 39),可以证明， 若采用同步检波法解调AM信号， 则得到的调制制度增益GAM与式（4.2 - 38）给出的结果相同。 由此可见，对于AM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波器时的性能几乎一样。但应该注意， 后者的调制制度增益不受信号与噪声相对幅度假设条件的限制。,2） 小信噪比情况 此时，噪声幅度远大于输入信号幅度， 即,(4.2 - 40),噪声包络：,噪声相位：,，再利用,(4.2 - 41)
11、,存在门限效应， 也只能看作是噪声，输出信噪比急剧下降； 相干解调不存在门限效应； 结论：在大信噪比情况下，包络检波的性能与相干解调相同；但随着信噪比的减小，包络检波会才出现门限效应，致使解调器的输出信噪比急剧下降。,AM信号包络检波抗噪声性能的特点：,4.3 非线性调制（角调制）的原理,幅度调制属于线性调制，它是通过改变载波的幅度，以实现调制信号频谱的平移及线性变换的。一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量，因此，我们不仅可以把调制信号的信息寄托在载波的幅度变化中，还可以寄托在载波的频率或相位变化中。这种使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制（FM）
12、和相位调制(PM) 。因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。,角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在密切的关系，即调频必调相，调相必调频。鉴于FM用的较多，本节将主要讨论频率调制。 ,4.3.1 角调制的基本概念,瞬时相位,瞬时频率,未调制的正弦波,(4.3 - 1),(4.3 - 2),角度调制信号,(4.3 - 3),相位调制,(4.3 - 4),调相信号,(4.3 - 5),频率调制
13、,(4.3 - 6),相位偏移,(4.3 - 7),调频信号,(4.3 - 8),如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；同样，如果将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫间接调频。,图 4 - 16直接和间接调相,(4.3 - 5),(4.3 - 8),图 4 -17直接和间接调频,(4.3 - 5),(4.3 - 8),由于实际相位调制器的调制范围不大， 所以直接调相和间接调频仅适用于相位偏移和频率偏移不大的窄带调制情况， 而直接调频和间接调相常用于宽带调制情况。 从以上分析可见， 调频与调相并无本质区别，两者之间可相互转换。 鉴于在实
14、际应用中多采用FM波，下面将集中讨论频率调制。 ,4.3.2 窄带调频与宽带调频 当最大相位偏移及相应的最大频率偏移满足,时，式（4.3 - 8）可以得到简化，因此可求出它的任意调制信号的频谱表示式。这时，信号占据带宽窄，属于窄带调频（NBFM）。反之，是宽带调频（WBFM）。,(4.3 - 9),1. 窄带调频（NBFM）,(4.3 - 9),(4.3 - 10),(4.3 - 11),(4.3 - 12),(4.1 - 4),两者都含有一个载波和位于 处的两个边带，所以它们的带宽相同( )。不同的是，NBFM的两个边频分别乘了因式 和 ，频率加权的结果引起调制信号频谱的失真。另外，有一边频
15、和AM反相。 ,则NBFM信号为,下面以单音调制为例。 设调制信号,(4.3 - 13),AM信号为,(4.3 - 14),在AM中，两个边频的合成矢量与载波同相，只发生幅度变化；而在NBFM中，由于下边频为负，两个边频的合成矢量与载波则是正交相加，因而NBFM存在相位变化， 当最大相位偏移满足式（4.3 - 9）时， 幅度基本不变。这正是两者的本质区别。,图 4 18 单音调制的AM与NBFM频谱,图 4-19 AM与NBFM的矢量表示,2. 宽带调频（WBFM）,单频信号,瞬时相偏,(4.3 - 15),宽带调频,(4.3 - 17),(4.3 - 18),调频指数,(4.3 - 16),
16、(4.3 - 19),(4.3 - 21),(4.3 - 22),(4.3 - 20),调频波的频谱包含无穷多个分量。,图4-20 Jn(mf)-mf关系曲线,n为偶数时,n为奇数时,图 4 - 21调频信号的频谱（mf=5 ）,理论上调频波的频带宽度为无限宽。实际上边频幅度Jn(mf)随着n的增大而逐渐减小，因此只要取适当的n值使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可近似认为具有有限频谱。,(4.3 - 23),，卡森公式,窄带调频的带宽,大调频指数情况，带宽由最大频偏决定,用卡森公式推广到任意信号调制的调频波的估算公式,(4.3 - 24),(4.3 - 25),4.3.3 调频信号的产生与解调 1. 调频信号的产生 (1)直接法：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。 ,LC谐振回路：电路简单，性能良好，频偏较大，但 频率稳定度不高。,
