通原第5章模擬調制

1、 模擬調制系統(tǒng) 第5章樊昌信 曹麗娜 編著調制簡介定義 目的 分類線性調制（幅度調制）原理 線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能 非線性調制（角度調制）原理 各種模擬調制系統(tǒng)的性能比較 頻分復用（FDM） 本章內容: l本章學習中應重點注意的知識點：本章學習中應重點注意的知識點：n時域時域u表達式、波形表達式、波形n頻域頻域u頻譜表達式、頻譜圖、帶寬、載波頻譜表達式、頻譜圖、帶寬、載波n框圖框圖u調制、解調、系統(tǒng)框圖調制、解調、系統(tǒng)框圖n抗噪性能抗噪性能u輸入信噪比、輸出信噪比、調制制度增益輸入信噪比、輸出信噪比、調制制度增益學習中應注意的問題：學習中應注意的問題：u調制與解調的方框圖及各點波形；調制與解

2、調的方框圖及各點波形；u已調信號的數學表達式、波形及其頻譜；已調信號的數學表達式、波形及其頻譜；u信號調制、解調前后的頻帶變化；信號調制、解調前后的頻帶變化；u調制系統(tǒng)的抗噪聲性能。調制系統(tǒng)的抗噪聲性能。調 制 簡 介n 調制定義調制定義何謂調制？進行頻譜搬移，匹配信道特性，減小天線尺寸；實現多路復用，提高信道利用率；改善系統(tǒng)性能（有效性、可靠性）；實現頻率分配 n 調制目的調制目的為什么要進行調制？ 調制信號調制信號 載載 波波 已調信號已調信號( )m t( )mst 運載工具 多種形式 同義詞認識一下 調制過程 所涉及的 三種信號n 調制分類調制分類 - 可從不同角度分類：都有哪些調制方

3、式？( )cos()cc tAt本章研究的模擬調制模擬調制方式： 是以正弦信號 作為載波的 n 一般模型5.1 幅度調制（線性調制）的原理邊帶濾波器邊帶濾波器( )( )h tH5.1.1 常規(guī) 調幅（AM） 0max0m tm tA和nAM表達式表達式nAM調制器調制器條件：邊帶項載波項nAM波形和頻譜波形和頻譜 時域波形圖時域波形圖 AM AM頻譜圖頻譜圖 nAM信號的信號的特點特點l 時，AM波的包絡正比于調制信號m(t)， 故可采用包絡檢波。 lAM的頻譜由載頻分量、上邊帶和下邊帶組成。lAM傳輸帶寬是調制信號帶寬的兩倍： lAM的優(yōu)勢在于接收機簡單，廣泛用于中短調幅廣播。AM2HBf

4、 0maxm tAlAM信號功率：nAM信號的缺信號的缺點點20AM2( )22scAtPmPP0max( )m tA220( )m tAAM50%故邊帶功率邊帶功率載波功率載波功率AM功率利用率低！l調制效率（功率利用率）： -不含有用信息 ，卻“浪費”大部分的發(fā)射功率。 m1 過調幅載波邊帶當然 3 3種調幅信號種調幅信號 ( )cosmmm tAt設（單音正弦），22( )/2mm tA則 0max0m tm tA和條件：如何提高調制效率？抑制載波！u AM信號的解調信號的解調 解調是調制的逆過程，其作用是從接收的已調信號中解調是調制的逆過程，其作用是從接收的已調信號中 恢復原基帶信號（

5、即調制信號）?；謴驮鶐盘枺凑{制信號）。l 包絡檢波（非相干解調）包絡檢波（非相干解調）AMAM信號在滿足信號在滿足0max)(Atm 的條件下，其包絡與的條件下，其包絡與調制信號調制信號)(tm的形狀完全一樣，可采用包絡檢波恢復。的形狀完全一樣，可采用包絡檢波恢復。 包絡檢波法包絡檢波法 l同步檢波（相干解調）同步檢波（相干解調）相干解調器適用于所有線性調制信號的解調。相干解調器適用于所有線性調制信號的解調。相干解調時，為了無失真地恢復原基帶信號，接收端相干解調時，為了無失真地恢復原基帶信號，接收端必須提供一個與接收的已調載波嚴格同步（必須提供一個與接收的已調載波嚴格同步（同頻同相同頻同

6、相）的本地載波（稱為的本地載波（稱為相干載波相干載波），它與接收的已調信號），它與接收的已調信號相乘后，經低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的相乘后，經低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調制信號?；鶐д{制信號。5.1.2 雙邊帶調制（DSB-SC） 0m t 條件：nDSB表達式表達式nDSB調制器調制器double-sideband suppressed carriernDSB波形和頻譜波形和頻譜 DSB DSB波形圖波形圖 DSB DSB頻譜圖頻譜圖 nDSB信號的信號的特點特點l包絡不再與m(t)成正比；當m(t)改變符號時載波相位反轉，故不能采用包絡檢波，需相干解調。 l無載

7、頻分量，只有 上、下 邊帶。l帶寬與AM的相同： l調制效率100，即功率利用率高。l主要用作SSB、VSB的技術基礎，調頻立體聲中的差信號調制等。DSBAM2HBBf DSB DSB相干解調相干解調 5.1.3 單邊帶調制（SSB）nSSBSSB信號的產生信號的產生（1 1）濾波法 技術難點之一技術難點之一邊帶濾波特性邊帶濾波特性 SSB SSB濾波法及頻譜圖濾波法及頻譜圖 11cossscoinsin22mccmmmtAtAtt cosmmm tAt設 coscosDSBmmcstAtt LSB1cos2mcmstAt 11cossin22ccttm tm t1cosc21os2mcmmc

8、mAtAt（2 2）相移法 coscc tt載波USB + - - 10sgn10，傳遞函數傳遞函數( )( )sgn( )hMHjM m t希爾伯特變換 含義含義 Hh( ) 對 m(t) 的所有 頻率分量精確相移 /2 技術難點之二技術難點之二 SSB11cossin22ccStm ttm tt下邊帶上邊帶 要求要求：nSSB信號的信號的特點特點SSBAM/2HBBf SSB SSB相干解調相干解調 5.1.4 殘留邊帶調制（VSB）介于介于SSB與與DSB之間的折中方案。之間的折中方案。 各信號頻譜示意圖各信號頻譜示意圖 nVSBVSB信號的產生信號的產生應該具有怎樣的濾波特性 ？nVS

9、BVSB信號的解調信號的解調 VSBDSB12ccSSMMHH應該具有怎樣的濾波特性？ VSB2cospcststt VSBVSBpccSSS相乘 VSB12ccSMHMLPF解調輸出： d12ccHSMH若要若要無失真恢復無失真恢復 m(t)， VSB濾波器的傳輸函數必須濾波器的傳輸函數必須滿足：滿足：含義：含義： d12ccHSMHn殘留邊帶濾波器的幾何解釋：nVSB信號的信號的特點特點l 僅僅比比SSB所需所需帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡單。帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡單。l 應用：商業(yè)電視廣播中的電視信號傳輸等。VSB2HHfBfn濾波法濾波法5.1.5 線性調制（幅度調制

10、）的一般模型n相移法相移法( )( )h tH解調的任務!5.1.6 相干解調 與 包絡檢波n相干解調相干解調 n包絡檢波包絡檢波 n分析模型分析模型5.2 線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能高斯白噪聲高斯白噪聲已調信號已調信號BPF5.2.1 模型與指標窄帶高斯噪聲窄帶高斯噪聲輸出噪聲輸出噪聲輸出信號輸出信號i0222ics( )( )( )n tn tn tNn B高斯白噪聲高斯白噪聲已調信號已調信號BPF解調器解調器相干解調相干解調包絡檢波包絡檢波ic0s0( )( )cos( )sinn tn ttn ttn分析模型分析模型解調器解調器ooii/SNGSN2oo2oo( )( )Sm tNn t

11、2ii2ii( )( )SstNntn性能指標性能指標制度增益：制度增益：輸出信噪比：輸出信噪比：BPF5.2.2 DSB- -相干解調系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni DSB21cos1 cos22利用（）DSB2Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH 2i12Smt 2

12、o14Sm ti0Nn Boi14NNoioi2SSNN即020cocs( )ostc ttsin22sincos利用c000s2i0( ) cosco( )sin)co(ssn ttn tttn ttooDSBii/2/SNGSNoioi2SSNN即sin22sincos利用原因原因正交分量正交分量5.2.2 DSB -相干解調系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni 11cosis n22ccmm tttm tst 2o11

13、6Smto1( )4( )m tm t2i1( )4Sm t5.2.3 SSB SSB1Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH oioiSSNN即i0Nn BB=fH SSBDSBoN 2o116Smt2i1( )4Sm ti0Nn Boi14NNi14N 相干解調抑制正交相干解調抑制正交分量分量 11cosis n22ccmm tttm tstic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttooSSBii/1/SNGSNoioi

14、SSNN即原因原因正交分量正交分量SSB1GoioiSSNN即DSB2Goioi2SSNN即ooooDSBSSBSSNN 能否說：DSB系統(tǒng)的抗噪聲性能 優(yōu)于 SSB 系統(tǒng)呢？ 在相同的Si，n0， fH條件下： B=2fH B=fH i0Nn Bi0Nn B DSB和SSB的抗噪聲性能相同。合成包絡5.2.4 AM 包絡檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能 22022itSmAAM0( )( )coscstAm ttic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn tt0iNn B icc0cscossinmAm tn tstn tn ttt cosctttE（1）大信噪比時 220cs( )(

15、)( )Am tn ttn tE隔掉220cs( )( )( )Am tn tn t 0cAmnE ttt omt on t 22oomtmSt 2oicnNNt2AM2202( )( )m tGAm t檢波輸出檢波輸出： 討論：2AM2202( )( )m tGAm tl由于由于|m(t)|max A0 ，所以，所以GAM 1，即，即l100%調制，且調制，且 m(t) 為單頻正弦時：為單頻正弦時：l相干解調的相干解調的GAM 如同上式，但不受信噪比條件的限制。如同上式，但不受信噪比條件的限制。oioiSSNN32AMG 22csntRntt arctansctntnt（2）小信噪比時220

16、( )( )( )csAm tn tn t cosER ttm ttA 220cs( )( )( )Am tn ttn tE 可見：u大大信噪比時信噪比時：u小小信噪比時信噪比時：門限效應門限效應AM-包絡檢波包絡檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能：系統(tǒng)的抗噪聲性能：2AM2202( )( )m tGAm t32AMG100% 單音正弦歸納歸納5.3 非線性調制（角度調制）原理n概述概述5.3.1 角度調制的基本概念 n1 角調信號一般表達式角調信號一般表達式( )cos( )mcstAtt載波的恒定振幅載波的恒定振幅 ct + (t) 已已調信號的瞬時相位調信號的瞬時相位 相對于相對于 ct的的瞬時相位偏

17、移瞬時相位偏移 c +d (t)/dt 已已調信號的瞬時調信號的瞬時角頻率角頻率 相對于相對于 c的的瞬時角頻偏瞬時角頻偏Kf =rad/(sV)Kp=rad/V( )cos( )mcstAttPM：FM：角調信號：( )( )pKtm t( )( )fdtm tdtK n2 PM與與 FM的關系的關系若預先不知m(t)形式，能否判斷已調信號是PM還是FM信號?( )( )fdtm tdtK( )( )ftmdK若最大瞬時相位偏移滿足：5.3.3 寬帶 調頻 最大相位偏移最大相位偏移n1 單音調頻單音調頻 FM 調頻指數調頻指數( )cosmmm tAt cossinfmmfmmmtK At

18、dtK Atsinfmmt cosmmfdtAKtdt最大角頻偏 2mmffmK A2fmfm fFM( )cossinfcmstAtmt單音調頻信號單音調頻信號：， 則 設n2 FM信號的頻譜與帶寬信號的頻譜與帶寬 FMcossincfmstAtmt FM()cos()ncmnfmJstAntFM( )()()()nfcmcmSAJmnn 第一類第一類 n 階貝塞爾函數階貝塞爾函數 是調頻指數是調頻指數 mf 的函數的函數傅里葉變換傅里葉變換級數展開級數展開討論討論FM12fmBmf時：FM12fBfm 時：窄帶調頻寬帶調頻 FM頻譜和傳輸帶寬：對于多音或任意帶限調制信號時的FM信號： FM

19、廣播的最大頻偏 f = 75kHz，最高調制頻率fm=15kHz， 故調頻指數mf 5，FM信號的頻帶寬度為：推廣推廣：調制信號的最高頻率FM2(1)2()fmmBmfff 例如例如：FM2(5 1) 152(75 15)180 kHzBn3 FM信號的功率分配信號的功率分配 FFM2MsPt22()2nfnAJm22cPA載波功率 FM()cos()ncmnfmJstAnt=1n4 FM的特點的特點 優(yōu)勢優(yōu)勢 應用應用5.3.4 調頻信號的產生與解調n1 調頻信號的產生調頻信號的產生 1)1)直接法直接法原理原理：調制電壓控制振蕩器的頻率： 0iftK m t優(yōu)點優(yōu)點：電路簡單、可獲得較大的

20、頻偏；缺點缺點：頻率穩(wěn)定度不高，可采用PLL調頻器進行改進。2)2)間接法間接法原理原理：積分 調相(NBFM) n次倍頻 WBFM優(yōu)點優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度好；缺點缺點：需要多次倍頻和混頻，因此電路較復雜。n2 調頻信號的解調調頻信號的解調 1)1)非相干解調非相干解調2)2)相干解調相干解調和：完成頻率電壓的轉換，即：FM( )cos( )cfstAtKmdo( )( )fm tK m t鑒頻器鑒頻器一種振幅鑒頻器微分器微分器：把幅度恒定的把幅度恒定的包絡檢波器：檢出包絡檢波器：檢出包絡包絡并濾去直流并濾去直流，原理原理：( )( )sin)(ccffds tAtdK m tKm )()(otm

21、KKtmfd幅/頻都隨m(t)變化經經LPF即即得解調輸出得解調輸出FM( )cos( )cfstAtKmd5.4 調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能模型和方法與線性調制系統(tǒng)相似。解-鑒頻器：單音調制時FM2(1)2()fmmBmfff 2FM3(1)ffGmm門限效應門限效應mf 所有系統(tǒng)在所有系統(tǒng)在“同等條件同等條件”下進行比較下進行比較： 解調器輸入信號功率為解調器輸入信號功率為 Si 信道噪聲均值為信道噪聲均值為0，單邊單邊功率譜密度為功率譜密度為 n0 基帶信號帶寬為基帶信號帶寬為 fm 其中其中AM的調幅度為的調幅度為 100% ，正弦型調制信號正弦型調制信號5.5 各種模擬調制系統(tǒng)的比較AMDSBSSB VSBFM2mfmfmf略大于2mf21fmmf2/3231ffmm 0imSn f0imSn f013imSn f2032ifmSmn f21SSB近似SSB近似簡單簡單中等中等中等中等復雜復雜復雜復雜：1）抗噪聲性能：FM最好，DSB/SSB、 VSB次之，AM最差；2）頻譜利用率：SSB最高，VSB較高， DSB/AM次之，FM最差；3）功率利用率：FM最高，DSB/SSB、 VSB次之，AM最差； 4）設備復雜度：AM最簡，DSB/ FM次之， VSB較復雜， SSB最復雜。1）AM：優(yōu)點是接收