第四章 模拟调制系统

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1、4.1 引言4.2 幅度调制（线性调制）的原理4.3 线性调制系统的抗噪声性能4.4 非线性调制（角调制）的原理4.5 性能比较4.6 频分复用 第 四 章 模拟调制系统调制解调在发送端把具有较低频率分量的基带信号 搬移到高频段内的过程称为调制。在接收端把高频的频带信号的频谱还原为 基带信号频谱的过程称为解调。 调制解调调制本质：频谱搬移 调制方式分类： 信号形式 模拟调制 幅度调制（AM DSB SSB VSB ）角度调制（FM PM）数字调制（ASK FSK PSK） 载波形式 连续波调制（载波为正弦波）脉冲调制（脉冲串为载波） 解调方式 非相干解调（本地不产生载波）相干解调（接收机中产生

2、载波，载波恢复 ）4.2 幅度调制的原理幅度调制是用调制信号m(t)去控制高频载波的振幅，使 其按调制信号的规律而变化。 滤波器未调信号幅度调制器一般模型输出已调信号的时域和频域一般表示式为sm(t)=m(t) cosct*h(t) Sm()= M(+c)+M(-c)H() 原始基 带信号载 波卷 积滤波器冲 激响应在波形上， 幅度随基带信号规律而变化；在频谱上， 基带信号频谱在频域内的搬移。 由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制。 滤波器的特性H()取不同情况时，可以得到各种幅度调制信号。例如，调幅、双边带、单边带及残留边带信号等。 滤波器频 谱特性4.2.2 调幅(AM)假

3、设h(t)=(t)，即滤波器（H()=1）为全通网络，调制信 号m(t)叠加直流A0后与载波相乘 ， 就可形成调幅(AM)信号 。AM调制器模型sAM(t) =A0+m(t)cosct = A0cosct+m(t)cosct SAM()=A0(+c)+(-c)+ M(+c)+M(-c)载波直 流分量两个载波分 量（离散谱 ）下边带上边带 AM信号的波形和频谱当 |m(t)|maxA0 ，AM信号的包络能够反映出调制信号m(t)，可以用包络检波法恢复出原始信号。如果|m(t)|maxA0， 会出现过调幅现象而产生包络失真。不能用包络检波法解调，只能采用同步检波器。总结：AM信号是带有载波的双边带

4、信号，它的带宽是基带信号带宽fH的两倍，即BAM=2fH。 AM信号平均功率 PAM =载波功率双边带功率AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。载波分量不携带信息，但占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有的功率较小 ，利用率比较低。载波完全是DC信号带来的。为节省功率，把AM进化为抑制载波的双边带信号DSB-SC （1欧姆）4.2.3 抑制载波双边带调制（DSB-SC）将直流A0去掉， 即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。sDSB(t)=m(t)cosct SDSB()= M(+c)+M(-c) 图 4-4 DSB信号的波形和频谱 图中，m(t)不含直流分量，DS

5、B信号的包络不再与m(t)成正比（正比条件|m(t)|A0 ，现在A0=0），因而不能采用包络检波， 需采用相干解调(同步检波)。另外，在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180的突变。 由频谱图可知，DSB信号的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍。由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的， 只要传一个边带就可以，能节省一半的功率和频带，这就是单边带 调制SSB。 幅度调制器的一般模型滤波器未调信号4.2.4 单边带调制(SSB) 这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。形成SSB信号的滤波特性HPF：产生上边带信号LPF：产生下边带信号SSB信号的频谱 设单频调制信号为m(t)=A

6、mcosmt，载波为c(t)=cosct， 两 者相乘得DSB信号的时域表示式为 上边带信号下边带信号+ ：下边带 m(t)=Amcosmt- ：上边带 m(t)=Amsinmt式中， 是m(t)的希尔伯特变换，是m(t)所有频率成分相移 的信号。希尔伯特滤波 器的传递函数在实际应用中，可以把原始信号m(t)通过希尔伯特滤波器（移相），生成 ，再共同组成单边带信号 。相移法形成单边带信号SSB调制方式优点: 节省载波发射功率; 占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、 DSB的一半。 SSB调制方式缺点: 宽带相移网络的制作难以实现；理想滤波特性难以实现。SSB信号的解调和DSB一样不能采用

7、简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化， 所以仍需采用相干解调。 残留边带调制既克服了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。4.2.5 残留边带调制（VSB）DSB、 SSB和VSB 信号的频谱VSB 调制和解调器模型(a) VSB 调制器模型 (b) VSB 解调器模型调制器输出的残留边带信号的频谱为 SVSB()= 解调器输出信号Mo() =1/2 * M()HVSB(+c)+HVSB(-c)要保证相干解调能无失真地恢复信号，必须满

8、足HVSB(+c)+HVSB(-c)=常数，|H H是调制信号的最高频率。 满足上式的滤波器只有两种：残留上边带/下边带残留边带滤波器特性(a) 残留部分上边带的滤波器特性; b） 残留部分下边带的滤波器特性 （带通特性）（带阻特性）残留上边带滤波器的几何解释HVSB(-c)和HVSB(+c) 在=0处具有互补对称的滚降特性。满足这种要求的滚降特性曲线并不是惟一的，而是有无穷多个。只要残留边带滤波器的特性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。 4.3 线性调制系统的抗噪声性能解调器抗噪声性能分析模型4.3.1 分析模

9、型Sm(t):输入的已调信号n(t): 信道噪声（信道中各种噪声可以用加性高斯白噪声 近似模拟、宽带噪声）ni(t)：窄带高斯噪声解调器输出信噪比：解调器输入信噪比：信噪比增益（调制制度增益）G=带限噪声平均功率Ni= 解调输出有用信号平均功率解调输出噪声平均功率解调输入有用信号平均功率解调器输入噪声平均功率G越大，解调器抗噪声性能越好由于噪声是在传输信号的信道中有影响，因此我们只需 要在接收端研究解调器的抗噪声性能。线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型4.3.2 相干解调的抗噪声性能DSB SSB VSB包络不能反映原始信号，只能采用相干 解调。（ |m(t)|A0=0 ）相干解调信号与噪声

10、可以分别单独计算。1、DSB调制系统性能DSB调制系统的制度增益GDSB= =2 DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为 采用同步解调，使输入噪声中的一个正交分量被 消除。双边带已调信号的平均功率是单边带信号的 2 倍，所以两 者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到的（基带 信号相同）。 如果我们在相同的输入信号功率Si，相同输入噪 声功率谱密度n0，相同基带信号带宽fH条件下，对这两种调制 方式进行比较， 可以发现它们的输出信噪比是相等的。因此双边带信号与单边带信号的抗噪声性能是相同的， 但双边带信号所需的传输带宽是单边带的 2 倍2、SSB调制系统性能SSB调制系统的制度增益

11、GSSB= =1 4. VSB调制系统的性能 当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。 3.3.3 调幅信号包络检波的抗噪声性能前面的DSB SSB VSB包络信号不代表原始调制信号变 化，只能采用相干解调法。AM信号还可以采用包络检波法 。 （|m(t)|max 1时，宽带调频，WBFM，f fm BFM2f 单音调制的AM与NBFM频谱窄带调频AM与NBFM的矢量表示调频信号的频谱（mf=5 ）宽带调频产生调频波的方法通常有两种： 直接法和间接法。 （1） 直接法。直接法就是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。 4.3.3 调频信号的

12、产生与解调 直接法的主要优点是可以获得较大的频偏（主要用于宽带调频）。缺点是频率稳定度不高。因此往往需要采用自动频率控制系统来稳定中心频率。 PLL调制器误差电压m(t)（2） 间接法。间接法是先对调制信号积分后对载波进行 相位调制，从而产生窄带调频信号(NBFM)。然后，利用倍 频器把NBFM变换成宽带调频信号(WBFM)。间接调频框图倍频器的作用是提高调频指数mf，从而获得宽带调频。 倍频器可以用非线性器件实现，然后用带通滤波器滤去不需要的频率分量。同理，经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍。 但倍频后新的载波频率往往太高，实现困难。因此需要混频器进行下变频来解决这个问题。

13、4. 调频信号的解调 包括相干、非相干解调两种方式 非相干解调：NBFM WBFM（包络检波法，存在门限效应） 相干解调：NBFM （同步检波）鉴频器：频率变化转化为电压1） 非相干解调微分器输出： sd(t)= -Ac+Kf m(t)sinct+ 经包络检波、LPF后输出 mo(t)=KdKfm(t) Kd为检频器灵敏度。 输入调频信号为： sFM(t)=Acosct+ 包络检波器对于输入信号幅度起伏比较敏感，因此在微 分器前加一个限幅器和带通滤波器把调频波在传输过程中引 起的幅度变化部分削去，变成固定幅度的调频波，带通滤波 器让调频信号顺利通过，而滤除带外噪声及高次谐波分量。 窄带调频信号

14、的相干解调 2） 相干解调窄带调频信号可以采用相干解调法来进行解调。 载波设窄带调频信号为 sNBFM(t)=A cosct-A 相干载波 c(t)=-sinct则相乘器的输出为 经低通滤波器取出其低频分量 sd(t)= 再经微分器，得输出信号 mo(t)= 相干解调可以恢复出原始调制信号，要求本地载波与调制载波同步， 否则将使解调信号失真。 调频系统非相干解调抗噪声性能分析模型5. 调频系统的抗噪声性能非相干解调是FM系统的主要解调方式 （适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号）n(t)：均值为零，高斯白噪声（宽带） ni(t)：窄带高斯噪声。加大调制指数mf，可使调频系统的抗噪声性能迅速提高。FM系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。带宽 越大（mf增大），包含的噪声功率越大，输入信噪比下降， 当输入信噪比降到一定程度时就会出现门限效应，输出信噪比 将急剧恶化。 1. 大信噪比情况GFM= =3m2f(mf+1)3m3fBFM=2(mf+1)fm （卡森公式）mf 则 GFM 同时BFM 2. 小信噪比情况（门限效应）当FM(Si/Ni)减小到一定程度时，解调器的输出中不存在单独的有用