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1、第三章 连续波调制系统 1.调制的功能和分类 2.幅度调制(线性调制) 3.调幅信号的解调 4.本地载波同步的方法 5.线性调制系统的抗噪声性能 6.角度调制(非线性调制) 7.角调系统的抗噪声性能 8.频分复用(FDM)技术 1 调制的功能和分类 1.1 调制的功能 频谱变换：调制过程可将信号频谱搬移到任何需要的频率范 围，使其易于传输。 实现信道复用：可使各个信号的频谱搬移到指定的位置，互 不重叠，从而实现在一个信道里同时传输许多信号，称为频率 复用。 改善系统性能：将信号变换，使它占据较大的带宽，具有较 强的抗干扰性。 实现频率分配：为了充分利用频率资源，通过调制将各类业 务的信号搬移到
2、所分配的频谱位置，使之互相间不干扰。 1.2 调制的分类 调制器的一般模型 按调制信号f(t)的类型分 模拟调制：调制信号f(t)是连续变化的模拟量 数字调制：调制信号是数字化编码符号或脉冲编码波形 按载波信号c(t)的类型分 连续波调制：载波信号为连续波形 脉冲调制：载波信号是脉冲波形序列 1 调制的功能和分类 1 调制的功能和分类 1.2 调制的分类 按调制器的不同功能分 幅度调制：以调制信号去控制载波的幅度变化，如模拟 调幅(AM)、脉冲幅度调制(PAM)、幅移键控(ASK) 频率调制：以调制信号去控制载波的频率变化，如模拟 调频(FM)、频移键控(FSK)、脉宽调制(PDM)、脉冲数调
3、制 (PNM)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲重复频率调制(PRFM) 相位调制：以调制信号去控制载波的相位变化，如模拟 调相(PM)、相移键控(PSK)、脉位调制(PPM) 1 调制的功能和分类 1.2 调制的分类 按调制器的传输函数分 线性调制：已调信号的频谱与调制信号频谱是线 性的频谱位移关系，如各种幅度调制、幅移键控以 及窄带角调信号 非线性调制：已调信号的频谱与调制信号频谱不 只是进行了频谱的搬移，同时还改变了频谱结构， 产生了交叉调制或交叉乘积边带，即调制后派生出 许多不同于调制信号频谱的信频率成分。如宽带调 频(WBFM)、宽带调相(WBPM)、频移键控等。 1 调制的功能和分类
4、1.2 调制的分类 按已调信号占用带宽分(根据已调信号占用带宽与原 始信号带宽的比值 来判断) 窄带调制： 宽带调制： 扩频调制： 2.1 调幅(AM) 调幅(AM)是指调制信号f(t)去控制载波c(t)的振幅，使已调波的包 络按照f(t)的规律线性变化的过程。 2 幅度调制(线性调制) (1) AM的波形及其频谱 假设调制信号为f(t)，载波为 则已调信号可以为 式中：A0为未调载波的振幅， 为载波角频率， 为载波起始相位。 2 幅度调制(线性调制) 调幅过程的波形及频谱 2 幅度调制(线性调制) 说明： (1) 调幅过程是原始频谱搬移了，且频谱中包含载频分 量 和边带分量，即上边带(USB
5、) 和下边带(LSB) (2) AM波的幅度谱 对于 是对称的 (3) AM波占用的带宽是消息带宽的2倍，即2Wm (4) 为了实现不失真的调幅，必须满足下面两个条件 对于所有t，必须 载波频率应远大于f(t)的最高频率分量，即 2 幅度调制(线性调制) (2) AM的功率分布和效率 调幅波的总平均功率等于信号 的均方值，即 由于 ，且若假设f(t)一般没有直流 分量，则 式中：Pc称为载波功率，Pf称为边带功率。 已调波的效率 定义为边带功率和总平均功率之比，即 fc f AM PP P + =h 2 幅度调制(线性调制) 2.2 抑制载波双边带调幅(DSB) DSB的表达式 令 ，则 由于
6、DSB的频谱中没有载波分量，因此全部功率都包含在边带中，即 于是，效率达到了100%，即 (1) DSB的波形及其频谱 2 幅度调制(线性调制) DSB调制过程的波形及频谱 2 幅度调制(线性调制) 2.3 单边带调幅(SSB) 只传输两个上边带或两个下边带的传输系统为单边带调制，优 点是比AM和DSB的带宽减小一倍，因而提高了信道利用率，同 时由于不发送载波而今发送一个边带，所以更节省功率。 2 幅度调制(线性调制) (1) 滤波法产生单边带信号 在双边带调制后接上一个边带滤波器，目的是让有用边带通过，而 抑制掉无用边带。 缺点是要求滤波器的特性十分接近理想特性，即要求在处必须具有 锐截止特
7、性。通常使用多级频率搬移，然后通过变频将频谱搬移到 更高的载频。 2 幅度调制(线性调制) (2) 相移法产生单边带信号 单边带信号的一般表达式 SSB信号的频谱表达式 2 幅度调制(线性调制) 2.3 残留边带调幅(VSB) 当调制信号f(t)的频谱具有丰富的低频分量时，上下边 带很难分离，使用残留边带调制解决这一问题。 残留边带信号频谱 2 幅度调制(线性调制) 使用残留边带滤波器产生VSB信号，特点在于频率特性在 附近具有滚降特性。 残留边带调制的优点是，在节省带宽方面几乎与单边带系统 相同，并且具有双边带所具有的良好的低频基带特性 3 调幅信号的解调 3.1 调幅信号的相干解调 与本地
8、载波相乘后得 设接收机的输入为调幅信号 它包括直流成分(1/2)A0，调制信号(1/2)f(t)。 3 调幅信号的解调 可见， 的情况决定着能否无失真的恢复信号f(t) 如果 常数，则 通过低通滤波器，除去 频率分量，输出信号为 3 调幅信号的解调 对于其他调幅信号，接收机输入信号表达为 同上面的推导过程，当相位准确同步时( )，DSB、 SSB和VSB解调输出均为 3 调幅信号的解调 相干解调要求本地载波必须与接收信号载波同频同相， 即 决定着解调输出情况 、 为常数，但 ，且 ，则 常数ni(t)，即 A(t)可简化为 式中输出信号分量为(隔除直流A0)： 输出噪声分量： 输出信号功率：
9、输出噪声功率： 窄带噪声功率nc(t)与ni(t)的功率相等： 输出信噪比为： 信噪比得益： 5 线性调制系统的抗噪声性能 A(t)简化为 利用牛顿二项式展开得 可见，A(t)中不存在与f(t)成正比的项。这表明在小信噪比(大 噪声)情况下，信号完全被包络检波器毁坏，因此不能通过包 络检波器来恢复信号。 小信噪比情况，ni(t)A+f(t)，即 6 角度调制(非线性调制) 使载波的相角受调制信号的控制而变化的过程叫做角度调制，简 称角调。角调过程中，载波的振幅始终保持不变，因此角调波可以 定义为具有恒定振幅A和瞬时相角的正弦波。 调相波：若正弦波的瞬时相角与信号呈线性函数关系，就称相应 的已调
10、信号波形为PM波，即： 式中 和 为常数，分别为固定角频率(载频)和起始相角；Kp为 比例常数(调制常数)，代表调相器的灵敏度，单位rad/V。Kpf(t)称为 瞬时相位偏移，最大值用 表示，即 调相波的瞬时频率为： PM波的表达式为： 6.1 角度调制的基本概念 6 角度调制(非线性调制) 对于单音调制 则 其中 叫做调相指数，代表调相波的最大相位偏移 ， 只取决于调制信号f(t)的幅度，而与调制频率无关。 调频波：若正弦波的瞬时频率与信号f(t)呈线性函数关系，称相应 的已调信号波形为FM波，即 式中 为固定角频率(载频)；Kf为比例常数(调制常数)，代表调频器 的调制灵敏度。 FM波的瞬
11、时相角为： FM波的表达式： 6 角度调制(非线性调制) 对于单音调制 其中 叫做调频指数，代表调频波的最大相位偏移 FM和PM之间的关系： 尽管PM和FM是角调波的不同形式，但并无本质区别。事实上，由于 载波相位的任何变化都将引起频率的变化，因此FM和PM是不可分割 的，只是二者频率和相位的变化规律不同。PM中角度随调制信号线 性变化；FM中角度随调制信号的积分线性变化。 6.2 窄带角度调制 窄带调频(NBFM) 6 角度调制(非线性调制) 若调制引起的最大相位偏移 ，则可得到NBFM 的表达式为 近似的前提是：x1时，cos x1，sin x x。 对上式进行傅里叶变换得到NBFM的频谱
12、表达式为 6 角度调制(非线性调制) NBFM的频谱与AM的频谱相似，两者都有载频分量 和位于 附近 的上下边带 (正频域)和 (负频域)，但二者区别是： (1) NBFM的边带频谱具有频率特性，即在正频域 要乘以频率 因子 ，而在负频域 内要乘以频率因子 (2) 负频域的边带频谱 要反转180，而在AM频谱中不存在相 位反转 (3)单音调制时AM和NBFM频谱比较 6 角度调制(非线性调制) 窄带调相(NBPM) NBPM的表达式为： 对上式进行傅里叶变换得到NBPM的频谱表达式为 单音调制时NBPM频谱 6 角度调制(非线性调制) 6.3 宽带角度调制 宽带调频(WBFM) 正弦调制宽带调
13、频信号表达式 其中 频谱表达式 宽带调频的频谱是有载频分量和无穷多个边频分量组成，并且对 称地分布在载频的两侧，相邻频率之间的间隔为。正弦调制FM信号 典型频谱(正频域)为 6 角度调制(非线性调制) 说明： 根据贝塞尔函数性质，当 时，只有 和 有明显的数值， 其他高阶 趋于零，因此这时FM波实际上仅由一个载频和一对边频 组成，相当于窄带调频情况。 当 增大时，载频分量的幅度减小，而有显著幅度的边频数目增加。 值大的贝塞尔函数类似于减幅的正弦波。 FM波的绝大部分能量包含在有限的频谱中，如果FM信号的有效频 谱取到 次边频，则由于相邻频谱间隔为 ，考虑到上下边频的总 带宽 为，FM信号的带宽
14、为 若 ，则 若 ，则 6 角度调制(非线性调制) 宽带调频(WBFM) 正弦调制宽带调相信号表达式 频谱表达式 PM波的不同频率分量具有不同的相位，它们都是 的整数倍。 调相波和调频波的频率分量出了相位上差 以外，幅度都与贝塞尔 函数成比例。因此PM信号的有效带宽为 当 说明：当固定 时，带宽将随增加而增加；当固定 时，则带宽随 调制指数的增加而增加。 6.4 角调波的产生和解调 宽带角调波的产生 直接法：利用信号直接控制振荡器的频率，使其按照控制 信号的规律线性变化。对于FM控制信号使用f(t)，而PM用 df(t)/dt为控制信号。直接法的缺点是受控振荡器的频率稳定 度不会太高，因此往往需要采用自动频率控制(AFC)系统来稳 定中心频率。另外还可利用锁相环(PLL)调制器或得高质量和 高稳定度FM。 6 角度调制(非线性调制) 6 角度调制(非线性调制) 间接法：由窄带角调器和倍频器组成，倍频器的作用是将 输入频率倍增N倍。间接法的优点是频率稳定度好，但需要 多次倍频和混频，因此电路结构复杂。 6 角度调制(非线性调制) 角调波的解调 窄带角调的解调方法：可以使用相干解调实现。其中带通 滤波器的作用是通过信号抑制噪声，因此其带宽应等于已调 信号的频谱宽度2Wm；低通滤波器的带宽为Wm，作用是通过 信号带内的频谱，滤出有乘法器产生的不需要的频谱分量。 6 角度调制(非
