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1、1,5.0 引言,5.1 模拟调制（线性调制）的原理,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,第5章 模拟调制系统,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,作业,5.2 线性调制系统的抗噪性能,5.4 调频系统的抗噪性能,2,5.0 引 言,5.0.1 调制 调制是通信原理中一个十分重要的概念，是一种信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据通信中都扮演着重要角色。,那么为什么要对信号进行调制处理？什么是调制呢？我们先看看下面的例子,3,我们知道，通信的目的是为了把信息向远处传递（传播）,那么在传播人声音时，我们可以用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声
2、器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此声音可以传得比较远。,扩音示意图,4,但如果我们还想将声音再传得更远一些，比如几十千米、几百千米，那该怎么办？ 大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题，一是铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传一路声音信号，其传输成本之高、线路利用率之低,人们是无法接受的。,5,二是利用无线电通信时，需满足一个基本条件，即欲发射信号的波长必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。而音频信号的频率范围是20Hz20kHz，最小的波长为,6,可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几
3、何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。,解决方法 1、是在一个物理信道中对多路信号进行频分复用 2、是把欲发射的低频信号“搬”到高频载波上去（或者说把低频信号“变”成高频信号）。两个方法有一个共同点就是要对信号进行调制处理。,7,对于调制，我们给出一个概括性的定义：让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。而载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。,8,5.0.2 基本概念 1、调制信号：原始电信号（低频信号）
4、 2、载波：单一频率的正弦波（高频信号） 3、已调信号：调制信号和载波的合成信号（高频信号） 4、 解调（检波）：调制的逆过程,9,5.0.3 调制的目的 将调制信号变换成适合信道传输的已调信号 提高无线通信时的天线辐射效率。 实现信道的多路复用，提高信道利用率。 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。,5.0.4 调制的方法,幅度: AM、DSB、SSB、VSB,角度: FM、PM,模拟,数字,10,5.1 幅度调制的原理,1、幅度调制的一般原理,2、AM调幅-常规幅度调制,6、线性调制的一般模型,3、DSB双边带调制,4、SSB单边带调制,5、VSB
5、残留边带调制,7、相干解调与包络检波,11,调幅定义： 载波的振幅随调制信号的变化而变化,设 载波为,调制信号（基带信号）为,则 已调信号为,1、幅度调制的一般原理,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）。,12,频谱 设调制信号m(t)的频谱为M()，则已调信号的频谱为 由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。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。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。,13,四种调幅信号,1) A
6、M 信号：普通调幅信号 2) DSB 信号：双边带信号 3) SSB 信号：单边带信号 4) VSB 信号：残余边带信号,14,2、AM调制Amplitude Modulation,(1) AM调制的原理,(2) 时域分析,(4) 解调方式,(3) 频域分析,(5) 功率分析,(6) 优缺点,相干解调和非相干解调,15,AM调制原理,设调制信号为m(t)，且 载波为c(t)=cosct，普通幅度调制是将m(t)与一直流量A0相加后，再对载波进行幅度调制。,要求:,16,（1）信号表达式：,（2）信号波形：,要求： 否则会出现过调幅,定义： 为调幅指数,17,调幅指数为0.5,18,调幅指数为1
7、,19,调幅指数为1.5,20,AM 频域表达式：,因为,所以,且,21,AM 频谱示意图：,从频谱结构上看， 的频谱是 的频谱在频域内的线性搬移,称之为线性调制。,22,1.SAM()由载频分量和上、下两个边带组成,2.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。,3.AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽fH的两倍,即:,23,解调方式,1、非相干解调 由于已调信号的包络载有原调制信号的信息，因此通过包络检波，就可以恢复原调制信号。设备简单,但要求不能出现过调幅。,2、相干解调 AM亦可采用相干解调。在解调端需要产生与发送端同频同相的载波。如果这个条
8、件得不到保证，将会对原始信号的恢复产生不利影响。,24,AM信号在1电阻上的平均功率应等于sAM(t)的均方值。当m(t)为确知信号时，sAM(t)的均方值即为其平方的时间平均，即,载波功率,边带功率,AM信号的功率,由 可得：,25,定义调制效率：边带功率与总平均功率的比值，用符号AM表示,一般情况下，AM都小于1，调制效率很低，即载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占有的功率较小。,可以证明：若m(t)为单频调制正弦信号，调制效率最大为13。,26,AM信号的优缺点,优点：可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号。 缺点：AM信号的功率利用率比较低,已调信号频带是调制信号最高频
9、率的2倍。 问题：能否去掉不带信息的载波，提高功率利用率？ 解决方法：抑制载波双边带。,27,3、双边带（DSB）调制Double Sideband,(1)、DSB调制的原理,(2)、时域分析,(4)、解调方式,(3)、频域分析,(5)、功率与效率,(6)、优缺点,相干解调,28,DSB信号表达式及波形,DSB信号的表达式,DSB信号波形,29,DSB信号频域表达式,因为,所以,且,30,DSB 信号表达式：,信号波形：,DSB 频谱结构,频谱图：,单一频率,包络,31,DSB信号频谱示意图,DSB信号的频谱有如下特点： 1、上、下边带均包含调制信号的全部信息； 2、幅度减半，带宽加倍； 3、
10、线性调制。 4、带宽是基带信号带宽fH的两倍,32,调制信号为单频余弦信号时，DSB信号的频谱为：,33,DSB信号的解调,相干解调,图中SL(t)为本地载波，也叫相干载波，必须与发送端的载波完全同步。,若插入载波（恢复波）且幅度较大（满足A|m(t)|max)，亦可采用包络检波器来解调。,34,功率与效率,DSB信号的功率仅由边带功率构成，这样其调制效率为： 由于双边带信号的频谱不存在载波分量，所有的功率都集中在两个边带中，因此它的调制效率为百分之百，这是它的最大优点。,功率,35,DSB优缺点,优点：调制效率高。 缺点：占用频带宽，为消息基带信号的2倍；解调复杂。 问题：能否只传输其中一个
11、边带，节省带宽？,36,4、单边带（SSB）信号Single Sideband,(1) SSB调制原理,(2) SSB信号表达式,(4) 解调方式,(5) 功率与效率,(6) 优缺点,相干解调,(3) SSB信号的产生,37,(1) SSB调制原理,38,滤波法产生SSB信号滤波器的特性,39,(2) SSB信号表达式,40,设单频调制信号为 载波为 则,41,将上两式合并： 式中，“”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。 希尔伯特变换： 上式中Am sinmt 可以看作是Am cosmt 相移/2的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为“ ”，则有 上式可以改写为,42,把上式推广到一
12、般情况，则得到 式中， 若M()是m(t)的傅里叶变换，则 式中的-jsgn可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即,43,以下边带为例：,44,(3) SSB信号的产生,滤波法,用滤波法的困难： 一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，要求单边带滤波器在fC附近具有陡峭的截止特性。 带来问题：滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。 解决方法：在工程中往往采用多级调制滤波,45,多级调制,46,相移法产生SSB信号,Hh实质上是一个宽带相移网络，把m(t)幅度不变，所有频率分量相移900。,47,(4) SSB信号解调,相干解调,非相干解调载波插
13、入法 人为地给SSB信号加入一个大幅度的载波，再用包络检波方法。 注意：该方法也需要载波同步。,48,(6) 优缺点,优点：具有最窄的传输带宽，信道利用率最高； 缺点： （1）电路实现复杂，技术要求高； （2）解调时同步误差要小,49,5、残留边带（VSB）调制 Vestigial SideBand,DSB信号占用频带宽,SSB信号实现困难,折衷,残留边带调制VSB,VSB调制原理,50,51,讨论满足要求的,VSB 频谱结构,分析思路： （1）发送端对信号进行调制的目的是为了使接收端完整不失真地还原信号，因而 的作用需和接收机的功能综合考虑。 （2）接收端收到的信号是 ，因而还原信号与接收方
14、法有关。,52,同步解调,53,同步解调,结论：,54,VSB滤波器的特性,矛盾：残留边带信号的带宽与滤波器的实现之间,在f=0处具有互补对称的滚降特性,55,在H (+c)与H (-c)的交界处，两个曲线互补，使得曲线在交界处为水平直线。图中是一个传输函数过渡带的上半部分和另一个传输函数过渡带的下半部分互补，实际上也就是一个传输函数过渡带的上、下部分互补对称。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。,56,通常把滤波器的边缘形状（过渡带）称为滚降形状。满足互补的滚降形状有多种，常用的是直线滚降和
15、余弦滚降。它们分别在电视信号和数据信号的传输中得到应用。我国目前的电视节目音频信号采用调频方法、视频（图像）信号采用残留边带方式传输。,57,6、线性调制系统一般模型,滤波法模型 滤波法线性调制的一般模型如下： 输出信号时域表示式为： 按照此模型得到的输出信号频域表示式为： 式中： 只要适当选择H()，便可以得到各种幅度调制信号。,58,移相法模型 将上式展开，则可得到另一种形式的时域表示式，即 式中 上式表明，sm(t)可等效为两个互为正交调制分量的合成。 由此可以得到移相法线性调制的一般模型如下：,59,它同样适用于所有线性调制。,60,7、相干解调与包络检波,相干解调 相干解调器的一般模
16、型 相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。,61,相干解调器性能分析 已调信号的一般表达式为 与同频同相的相干载波c(t)相乘后，得 经低通滤波器后，得到 因为sI(t)是m(t)通过一个全通滤波器HI () 后的结果，故上式中的sd(t)就是解调输出，即,62,包络检波 适用条件：AM信号，且要求|m(t)|max A0 ， 包络检波器结构： 通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如，,63,性能分析 设输入信号是 选择RC满足关系 式中fH 调制信号的最高频率 在大信号检波时（一般大于0.5 V），二极管处
