第五章模拟调制

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1、模拟调制系统幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律 变化的过程。幅度调制器的一般模型如图 5-1所示。图 5-1 幅度调制器的一般模型图中， 为调制信号， 为已调信号， 为滤波器的冲激响应，则已调 信号的时域和频域一般表达式分别为耳 =険（f） cos *h（t）（式 5-1）翼 S） = *M3 + 叫）+必（皿-叫）W3）（式 5 2）式中，唤）为调制信号朋（0的频谱,H3）oh（fy叫为载波角频率。由以上表达式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规 律而变化；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

2、此幅度调制通常又称为线性调制，相应地，幅度调制 系统也称为线性调制系统。在图5-1的一般模型中，适当选择滤波器的特性刃S）,便可得到各种幅度调 制信号，例如：常规双边带调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB-SC）、 单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）信号等。5.22常规双边带调幅（AM）1. AM 信号的表达式、频谱及带宽在图5-1中，若假设滤波器为全通网络（厅S）=l），调制信号叠加直流4）后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带调幅（AM）信号。AM调制 器模型如图 5-2所示。图 5-2 AM 调制器模型AM 信号的时域和频域表示式分别为：s血r&） = 4j +矗0）匚

3、”叫=Aa+ 朋（式 5-3）仏）=如盹+叫）+殛-叫）+*必3 +叫）+必（皿- ）（式5 4）式中，凡为外加的直流分量；唤）可以是确知信号也可以是随机信号，但通 常认为其平均值为0,卩矗（。=。AM信号的典型波形和频谱分别如图5-3 （a）、（b）所示，图中假定调制 信号唤）的上限频率为。显然，调制信号唤）的带宽为%=駕。（a）Cb）图5-3 AM信号的波形和频谱由图3-3 （a）可见，AM信号波形的包络与输入基带信号鴉成正比，故用 包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。但为了保证包络检波时不发生失真， 必须满足，否则将出现过调幅现象而带来失真。AM信号的频谱血是由载频分量和上、下两个边带

4、组成（通常称频谱中 画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信 号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带， 都含有原调制信号的完整信息。故 AM 信号是带有载波的双边带信号，它的带 宽为基带信号带宽的两倍，即Bf耳(式5-5)式中,%=鶴为调制信号唤)的带宽，心为调制信号的最高频率。2. AM 信号的解调调制过程的逆过程叫做解调。AM信号的解调是把接收到的已调信号如 还原为调制信号刑。AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。( 1)相干解调由 AM 信号的频谱可知,如果将已调信号的频谱搬回到原点位置,即可得 到原始的调制信号频谱

5、,从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制 时的相乘运算来实现。相干解调的原理框图如图 5-4所示。图 5-4 调幅相干解调原理图将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波,得(t) - cosid =州 + 鴉(才)cos2 叫才=*吗 + 鴉(才)+ *上。+ 勰&)cos 2皿/由上式可知,只要用一个低通滤波器,就可以将第 1项与第 2项分离,无失 真的恢复出原始的调制信号式 5-6)相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位的条件得不到满足,则会破坏原始信号的恢复。( 2)包络检波法由观的波形可见，AM信号波形的包络与输入基带信号战成正比，故可 以用包络

6、检波的方法恢复原始调制信号。包络检波器一般由半波或全波整流器和 低通滤波器组成，如图 5-5 所示。图 5-5 包络检波器一般模型图5-6为串联型包络检波器的具体电路及其输出波形，电路由二极管D、电 阻R和电容C组成。当RC满足条件叫%时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即叫（才片吗+吨）（式5-7）包络检波器输出的信号中，通常含有频率为叫的波纹，可由LPF滤除。包络检波法属于非相干解调法，其特点是：解调效率高，解调器输出近似为 相干解调的 2 倍；解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位的载 波信号，大大降低实现难度。故几乎所有的调幅（AM）式接收机都采用这种电 路。采用

7、常规双边带幅度调制传输信息的好处是解调电路简单，可采用包络检波 法。缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪 费掉。如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的双 边带调幅（ DSB-SC）。5.23抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）1. DSB 信号的表达式、频谱及带宽在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络（厅（町=1），调制信 号就中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号，或 称抑制载波双边带（DSB-SC ）调制信号，简称双边带（DSB）信号。DSB调制器模型如图5-7所示。可见DSB信号实质上就是基带信号与载波

8、直接相乘，其时域和频域表示式分别为式 5-8a )式 5-8b )图 5-7 DSB-SC 调制模型用验8）=;必3 +叫）+ 一叫）DSB信号的包络不再与朋0）成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调;除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由 上下对称的两个边带组成。故 DSB 信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与 AM 信号相同，也为基带信号带宽的两倍， 即E辭=B巡= = 2鶴（式 5-9）2. DSB 信号的解调DSB 信号只能采用相干解调，其模型与 AM 信号相干解调时完全相同，如 图5-4 所示。此时，乘法器输出（才）-cos =鴉cos2 叫才=

9、土刑 + *加鮒 cos2皿/经低通滤波器滤除高次项，得式 5-10)讥）=新（0即无失真地恢复出原始电信号。抑制载波的双边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高;调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。缺点是占用频带宽度比较宽，为基带 信号的 2 倍。 5.2.4单边带调幅（SSB）由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部 信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。这就又演 变出另一种新的调制方式-单边带调制（SSB）。1. SSB 信号的产生产生 SSB 信号的方法很多，其中最基本的方法有滤波法和相移法。用滤波法实现单边带调制的原理图

10、如图5-9所示，图中的H为单边带滤 波器。产生SSB信号最直观方法的是，将仏3）设计成具有理想高通特性 或理想低通特性刃上的单边带滤波器，从而只让所需的一个边带通过，而滤除 另一个边带。产生上边带信号时刃趣皿）即为丹耳何,产生下边带信号时厅妙（皿）即 为兀何。图 5-9 SSB 信号的滤波法产生显然， SSB 信号的频谱可表示为理a = e妙9）捡（时=*邂+%）+艇 -阿（式5_11）用滤波法形成 SSB 信号，原理框图简洁、直观，但存在的一个重要问题是 单边带滤波器不易制作。这是因为，理想特性的滤波器是不可能做到的，实际滤 波器从通带到阻带总有一个过渡带。滤波器的实现难度与过渡带相对于载频

11、的归 一化值有关，过渡带的归一化值愈小，分割上、下边带就愈难实现。而一般调制 信号都具有丰富的低频成分，经过调制后得到的 DSB 信号的上、下边带之间的 间隔很窄，要想通过一个边带而滤除另一个，要求单边带滤波器在必附近具有陡 峭的截止特性-即很小的过渡带，这就使得滤波器的设计与制作很困难，有时 甚至难以实现。为此，实际中往往采用多级调制的办法，目的在于降低每一级的 过渡带归一化值，减小实现难度。这种方法的具体实现以及“相移法”在“高频 电子”中均已详细介绍，我们就不重复讲了。2. SSB信号的带宽、功率和调制效率从SSB信号调制原理图中可以清楚地看出，SSB信号的频谱是DSB信号频 谱的一个边

12、带，其带宽为DSB信号的一半，与基带信号带宽相同，即 也冷也讥从（式5-12）式中，兔=鶴为调制信号带宽，心为调制信号的最高频率。由于仅包含一个边带，因此SSB信号的功率为DSB信号的一半，即 张冷张冷护（式5-13）显然，因 SSB 信号不含有载波成分，单边带幅度调制的效率也为 100%。3. SSB信号的解调从SSB信号调制原理图中不难看出，SSB信号的包络不再与调制信号沁城正比，因此 SSB 信号的解调也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调，如图 5-13 所示图 5-13 SSB 信号的相干解调此时，乘法器输出sp (f) = e购(f) - coscos + 険(f) sincos

13、 附=m(t) cos2 e/ + m(f ) cos 迫衣 sin %=扌燃(f) +扌枕(f) cos 2q/干扌城C) sin 2迫G经低通滤波后的解调输出为叫4=扌朋因而可恢复调制信号。式 5-14 )综上所述，单边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；频带宽度只有双边带的一半，频带利用率提高一倍。缺点是单边带滤波器实现难度大。5.3.1通信系统抗噪声性能分析模型由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可用解调器的抗噪声性能来衡量。分析解调器抗噪性能的模型如图 5-17 所示。城f)图 5-17 分析解调器抗噪声性能的模型图中，怖为已调信号；沁)为

14、传输过程中叠加的高斯白噪声。带通滤波器的作用是滤除已调信号频带以外的噪声。因此，经过带通滤波器后，到达解调器输入端的信号仍为，而噪声变为窄带高斯噪声。解调器可以是相干解调 器或包络检波器，其输出的有用信号为叫，噪声为（以上面，之所以称旳为窄带高斯噪声，是因为它是由平稳高斯白噪声通过带 通滤波器而得到的，而在通信系统中，带通滤波器的带宽一般远小于其中心频率 矶，为窄带滤波器，込为窄带高斯噪声。心可表示为禺=%皿貳一电血（式5-17）其中，窄带高斯噪声旳的同相分量和正交分量都是高斯变量，它 们的均值和方差（平均功率）都与叭的相同，即诃=顾=诃=D（式5-18） 式 5-19)厲为解调器的输入噪声功

15、率。若高斯白噪声的双边功率谱密度为啣兀，带通 滤波器的传输特性是高度为1、单边带宽为丑理想矩形函数（如图5-18），则有图 5-18 带通滤波器传输特性（理想情况）% =讣（式 5-20）为了使已调信号无失真地进入解调器，同时又最大限度地抑制噪声，带宽B应 等于已调信号的带宽。在模拟通信系统中，常用解调器输出信噪比来衡量通信质量的好坏。输出信 噪比定义为式 5-21)爲_解调器输出有用信号拶F均功率=顾 瓦一 解调器输出噪声的平均功率只要解调器输出端有用信号能与噪声分开，则输出信噪比就能确定。输出信 噪比与调制方式有关，也与解调方式有关。因此在已调信号平均功率相同，而且 信道噪声功率谱密度也相同的条件下，输出信噪比反映了系统的抗噪声性能。人们还常用信噪比增益G作为不同调制方式下解调器抗噪性能的度量。信噪比增益定义为式 5-22 )信噪比增益也称为调制制度增益。其中，乞/螞为输入信噪比，定义为 场解调器输入已调信号侨均功率=朿厉弘解调器输入噪声的平