通信原理模拟调制系统(1)

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1、通信原理夏 舸电子与电气工程学院 College of Electronics & Electrical Engineering,College of Electronics & Electrical Engineering,Date1第五章 模拟调制系统5.0 一些基本概念5.1 幅度调制（线性调制）的原理5.2 线性调制系统的抗噪声性能5.3 非线性调制（角度调制）原理5.4 调频系统的抗噪声性能5.5 各种模拟调制系统的比较5.6 频分复用和调频立体声5.7 小结Date25.0 一些基本概念调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义调制 分为基带调制和带通调制（也称载波调

2、制）。 狭义调制 仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。调制信号 指来自信源的基带信号，可以是模拟的或数字的。载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的一个或某几个参数按照调制信号的规律变化。载波 未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已调信号 载波受调制后称为已调信号。Date35.0 一些基本概念 调制的目的q 提高无线通信时的天线辐射效率。q 把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。q 扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。 调制方式 q 模拟调制q 数字

3、调制 常见的模拟调制q 幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带q 角度调制：频率调制、相位调制Date45.1 幅度调制 (线性调制) 的原理设：正弦型载波为：c(t)=Acos(ct+0)式中：A 载波幅度；c 载波角频率；0 载波初始相位（以后假定0=0）。则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成m(t) 基带调制信号。幅度调制通常又称为线性调制。但应注意，这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。 Date55.1 幅度调制 (线性调制) 的原理一、调幅（AM）二、双边带调制（DSB）三、单边带调制（SSB

4、）四、残留边带调制（VSB）五、线性调制的一般模型六、相干解调七、包络检波Date6调制器模型：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理一、调幅（AM）Date7标准调幅常规双边带调幅时域表示式：sAM(t)=A0+m(t)cos(ct)= A0cos(ct)+m(t)cos(ct)式中：m(t) 调制信号，均值为0；A0 常数，表示叠加的直流分量。频谱：若m(t)为确知信号，则AM信号的频谱为：若m(t)为随机信号，则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述。 5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理一、调幅（AM）Date8波形图：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理一、调幅（AM）Date9由

5、波形可以看出：q 当满足条件：|m(t)|maxA0时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号。q 否则，出现“过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其它的解调方法，如同步检波。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理一、调幅（AM）Date10第五章 模拟调制系统 载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带频谱图：Date11由频谱可以看出，AM信号的频谱由：载频分量、上边带、下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理一、调幅（AM）Date12AM信号的特性：带宽：它是带

6、有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽 fH 的两倍：功率：设 m(t) 为确知信号5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理一、调幅（AM）Date13AM信号的特性：调制效率：AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理一、调幅（AM）Date14AM信号的特性：调制效率：当 m(t)=Amcosmt 时， ，代入上式，得到：当|m(t)|max=A0 时（100调制），调制效率最高，这时：max=1/35.1 幅度调制 (线性调

7、制) 的原理一、调幅（AM）Date15时域表示式：无直流分量A0：频谱：无载频分量：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理二、双边带调制（DSB）Date16调制效率：100优点：节省了载波功率缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理二、双边带调制（DSB）Date17原理：双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M()的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date

8、18滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图用边带滤波器，滤除不要的边带：H()为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：则可滤除下边带。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date19滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图用边带滤波器，滤除不要的边带：若具有如下理想低通特性： ，则可滤除上边带。SSB信号的频谱：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date20滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date21滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的技术

9、难点： 滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性。 例如：若经过滤波后的话音信号的最低频率为300Hz，则上下边带之间的频率间隔为600Hz，即允许过渡带为600Hz。在600Hz过渡带和不太高的载频情况下，滤波器不难实现；但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date22滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的技术难点： *可以采用多级（一般采用两级）DSB调制及边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行DSB调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。 当调制信号中含有直流

10、及低频分量时滤波法就不适用了。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date23相移法和SSB信号的时域表示：若 m(t) 是确定信号，其傅氏频谱为 M(f)，上边带滤波器的传递函数为：此HUSB(f)也可表示为：HUSB(f)=u(ffc)+ u(ffc)，式中u()表示单位阶跃函数。 基本思路：为得到单边带调幅信号的时域表示式，先写出单边带调幅信号的频域表示式，再从它的傅氏反变换得到时域表示式。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date24相移法和SSB信号的时域表示：上边带信号的频域表示式为：对上式进行傅氏反变换，并利用傅氏变换的调制定

11、理，得到：利用下列傅氏变换关系式：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）SDSB(t)Date25相移法和SSB信号的时域表示：得到：在上式中使用了下列恒等式：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date26相移法和SSB信号的时域表示：式中的 是 m(t) 的希尔伯特变换。将 m(t) 输入希尔伯特滤波器，其输出是 ，如下图所示：希尔伯特滤波器是冲激响应为 的线型滤波器，其相应的频率响应为： 5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date27希尔伯特变换：若信号存在傅里叶变换对 ，则其希尔伯特变换的频谱等于该信号频谱F

12、()的负频域全部频率成分相移+/2，而正频域相移/2完成这种变换的传递函数称为希氏滤波器传递函数，即有：Hh()=jsgn() 5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date28利用欧拉公式得到单边带的上边带调幅信号表示式：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date29单边带的下边带调幅信号表示式： 由于：得到：单边带调幅信号的时域表示式为：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date30移相法SSB调制器方框图：优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。缺点：宽带相移网络难用硬件实现。5.1 幅度调制 (线性调制) 的

13、原理三、单边带调制（SSB）希尔伯特滤波器 实质上是一个宽 带相移网络Date31SSB信号的解调：SSB信号的解调和DSB一样，不能采用简单的包络检波，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。SSB信号的性能：SSB信号的实现比AM、DSB要复杂，但SSB调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽度比AM、DSB减少了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理三、单边带调制（SSB）Date32原理：残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式，它既克服了DSB信号占

14、用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现中的困难。在这种调制方式中，不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留一小部分，如下图所示：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理四、残留边带调制（VSB）Date33原理：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理四、残留边带调制（VSB）Date34调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法SBB调制器相同。不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理四、残留边带调制（VSB）Date35对残留边带滤波器特性的

15、要求：(1) 残留边带信号的频谱为（由滤波法可知）：为了确定上式中残留边带滤波器传输特性 H() 应满足的条件，来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信号的。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理四、残留边带调制（VSB）Date36对残留边带滤波器特性的要求：(2) VSB信号解调器方框图：因为：根据频域卷积定理可知，乘积sp(t)对应的频谱为：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理四、残留边带调制（VSB）Date37对残留边带滤波器特性的要求：(2) VSB信号解调器方框图：将：代入： ，得到：式中：M( +2c) 及 M(2c) 是搬移到 +2c 和 2c 处的频谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为：5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理四、残留边带调制（VSB）Date38对残留边带滤波器特性的要求：(2) VSB信号解调器方框图：显然，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号 m(t)，上式中的传递函数必须满足：式中：H 调制信号的截止角频率。5.1 幅度调制 (线性调制) 的原理四、残留边带调制（VSB）Date39对残留边带滤波器特性的要求：(3) 上述条件的含义：残留边带滤波器的特性 H() 在 c 处必须具有互补对称（奇对称）特性, 相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调