《通信原理》3模擬調(diào)制系統(tǒng)

模擬調(diào)制系統(tǒng)線性調(diào)制

振幅調(diào)制雙邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制殘留邊帶調(diào)制非線性調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制2023/1/111研究對(duì)象：模擬通信系統(tǒng)研究目的：通過(guò)介紹模擬調(diào)制解調(diào)原理，初步認(rèn)識(shí)和了解《通信原理》這門課是在模塊級(jí)系統(tǒng)級(jí)層次上分析和設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)。通過(guò)分析不同模擬調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能，了解各種系統(tǒng)的抗噪聲能力與調(diào)制解調(diào)器有關(guān)參數(shù)的關(guān)系，這有助于人們?cè)趯?shí)際工作中正確地設(shè)計(jì)和選用調(diào)制方式，優(yōu)化模擬通信系統(tǒng)的性能。本章要點(diǎn)：2研究方法：不同模擬調(diào)制解調(diào)原理及其抗 噪聲性能預(yù)備知識(shí)：信號(hào)與系統(tǒng)、隨機(jī)過(guò)程本章要點(diǎn)：3概念：基帶信號(hào)：信源發(fā)出的沒有經(jīng)過(guò)調(diào)制的原始電信號(hào)調(diào)制信號(hào)：來(lái)自信源的消息信號(hào)（基帶信號(hào)）已調(diào)信號(hào)：載波調(diào)制后的信號(hào)載波：未受調(diào)制的周期性振蕩信號(hào)調(diào)制：把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降倪^(guò)程解調(diào):調(diào)制的逆過(guò)程將已調(diào)信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái)載波調(diào)制：用調(diào)制信號(hào)去控制載波的參數(shù)的過(guò)程4概述：基帶信號(hào)信息源語(yǔ)言音樂(lè)圖像頻率很低的電信號(hào)直接轉(zhuǎn)換包括（或不包括）直流分量的低通頻譜最高頻率和最低頻率之比遠(yuǎn)大于1基帶信號(hào)如電話信號(hào)的頻率范圍在300～3000Hz基帶信號(hào)可以直接通過(guò)架空明線、電纜等有線信道傳輸，但不可能在無(wú)線信道直接傳輸。即使可以在有線信道傳輸，但一對(duì)線路上只能傳輸一路信號(hào)，對(duì)信道的利用是很不經(jīng)濟(jì)的。

5概述：調(diào)制和解調(diào)調(diào)制信號(hào)調(diào)制器調(diào)制：把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降倪^(guò)程調(diào)制信號(hào)解調(diào)器解調(diào)：在接收端把已搬到給定信道通帶內(nèi)的頻譜還原為基帶信號(hào)的過(guò)程6調(diào)制把基帶信號(hào)頻譜搬移到一定的頻帶范圍以適應(yīng)信道的要求，提高傳輸性能實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，提高信道利用率減少噪聲和干擾的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用7調(diào)制的基本特征和分類調(diào)制器m(t)C(t)sm

(t)連續(xù)變化的模擬量：?jiǎn)我粽也M調(diào)制離散的數(shù)字量：二進(jìn)制數(shù)字脈沖數(shù)字調(diào)制單頻正弦波連續(xù)波形連續(xù)載波調(diào)制脈沖波形脈沖載波調(diào)制矩形周期脈沖8調(diào)制的基本特征和分類調(diào)制器m(t)C(t)sm

(f)線性調(diào)制非線性調(diào)制m(f)sm

(f)sm

(t)頻譜之間呈線性搬移關(guān)系：AM、ASK頻譜之間沒有線性對(duì)應(yīng)關(guān)系：FM、PM、FSK9調(diào)制的基本特征和分類m(t)改變載波信號(hào)C(t)的不同參數(shù)幅度調(diào)制：AM、PAM、ASK相位調(diào)制：PM、FM、PSK頻率調(diào)制：PM、FM、FSK10調(diào)制系統(tǒng)中討論的主要問(wèn)題和主要參數(shù)重點(diǎn)：m(t)為取值連續(xù)的調(diào)制信號(hào)，c(t)為正弦載波問(wèn)題：（1）工作原理：包括調(diào)整系統(tǒng)的物理過(guò)程；調(diào)制

信號(hào)、載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)三者的關(guān)系（如數(shù)

學(xué)關(guān)系、波形關(guān)系及頻譜關(guān)系等）。（2）已調(diào)信號(hào)的帶寬（3）過(guò)濾關(guān)系（4）噪聲對(duì)調(diào)制系統(tǒng)性能的影響11調(diào)制系統(tǒng)中討論的主要問(wèn)題和主要參數(shù)調(diào)制系統(tǒng)的主要參數(shù)：（1）發(fā)送功率（2）傳輸帶寬（3）抗噪聲性能，如輸出信噪比等（4）設(shè)備的復(fù)雜性12線性調(diào)制的一般模型m(t)Acosω0th(t)s(t)由m(t)、h(t)的不同構(gòu)成，可獲得各種線性已調(diào)信號(hào)：高頻載波：調(diào)制信號(hào)：13已調(diào)信號(hào)：線性調(diào)制的一般模型已調(diào)信號(hào)的譜是以f=0為軸的基帶譜M(f)搬移到以f0為中心的某個(gè)頻域上構(gòu)成，譜結(jié)構(gòu)不變，為線性搬移，稱為線性調(diào)制。14線性解調(diào)相干解調(diào)將已調(diào)制信號(hào)的頻率和相位，與載波分量相同的正弦振蕩分別相加的幅度解調(diào)。指利用乘法器，輸入一路與載頻相干（同頻同相）的參考信號(hào)與載頻相乘。

15線性解調(diào)包絡(luò)檢波從調(diào)幅波包絡(luò)中提取調(diào)制信號(hào)的過(guò)程：先對(duì)調(diào)幅波進(jìn)行整流，得到波包絡(luò)變化的脈動(dòng)電流，再以低通濾波器濾除去高頻分量，便得到調(diào)制信號(hào)。

16線性解調(diào)——相干解調(diào)

相干解調(diào)的關(guān)鍵是必須在已調(diào)信號(hào)接收端產(chǎn)生與信號(hào)載波同頻同相的本地載波。如果不能得到同頻同相的載波，則相干解調(diào)后將會(huì)使原始調(diào)制信號(hào)減弱，甚至帶來(lái)嚴(yán)重失真，這在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)尤為嚴(yán)重。相干解調(diào)的一般模型17線性解調(diào)——包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波的一般模型18幅度調(diào)制h(t)m(t)幅度調(diào)制：用調(diào)制信號(hào)去控制正弦載波的振 幅，使其按調(diào)制信號(hào)作線性變化 的過(guò)程。

基帶調(diào)制信號(hào)

19幅度調(diào)制在波形上，它的幅度隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移幅度調(diào)制信號(hào)頻譜搬

移是線性

的線性調(diào)制20調(diào)幅（AM）：原理及波形濾波器H(f)=1調(diào)制信號(hào)疊加直流

A0S(t)21線性調(diào)制的原理

調(diào)幅（AM）——H(f)為全通網(wǎng)絡(luò)，m(t)中含直流分量

抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）——H(f)為全通網(wǎng)絡(luò)，m(t)中無(wú)直流分量

單邊帶調(diào)制（SSB）——H(f)是截止頻率為f0的高通或低通濾 波器

殘留邊帶調(diào)制（VSB）

——H(f)為在載頻f0處具有互補(bǔ)對(duì)稱性的 殘留邊帶濾波器22調(diào)幅（AM）：波形分析m(t)max>A0將會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)幅現(xiàn)象而產(chǎn)生包絡(luò)失真。當(dāng)滿足條件m(t)maxA0時(shí)，AM信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)成正比，可以用包絡(luò)檢波的方法很容易恢復(fù)出原始的調(diào)制信號(hào)。S(t)23調(diào)幅（AM）：波形分析重要參數(shù)調(diào)幅度m

滿調(diào)幅m=1，此時(shí)m(t)max=A0

欠調(diào)幅，一般m小于1過(guò)調(diào)幅，m大于1

，

m(t)min為負(fù)值

不能用包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)，為保證無(wú)失真解調(diào)，可以采用同步解調(diào)。

24調(diào)幅（AM）：頻譜分析1.

SAM(f)由載頻分量和上、下

兩個(gè)邊帶組成。2.

上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。BAM=2fH25調(diào)幅（AM）：頻譜分析3.

AM信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬是基帶信號(hào)帶寬fH的兩倍。BAM=2fH26調(diào)幅（AM）：功率分析不帶信息的載波功率

調(diào)制信號(hào)平均功率（也稱邊帶功率）調(diào)制后信號(hào)的總平均功率27調(diào)幅（AM）：功率分析調(diào)制效率：邊帶功率與總平均功率的比值，用符號(hào) AM表示

“滿調(diào)幅”時(shí)，如果m(t)為矩形波形，則最大可得到AM=0.5，而m(t)為正弦波時(shí)可得到AM=33.3%。

一般情況下，m都小于1，調(diào)制效率很低，即載波分量占據(jù)大部分信號(hào)功率，有信息的兩個(gè)邊帶占有的功率較小。

28調(diào)幅（AM）：優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可以采用包絡(luò)檢波法解調(diào)，不需本地同 步 載波信號(hào)缺點(diǎn)：AM信號(hào)的功率利用率比較低問(wèn)題：能否去掉不帶信息的載波，提高功率利 用率？解決方法：抑制載波雙邊帶29幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理調(diào)幅（AM）

抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）單邊帶調(diào)制（SSB）殘留邊帶調(diào)制（VSB）30抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）將載波抑制31抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）DSB信號(hào)的包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致需采用相干解調(diào)（同步檢波）在調(diào)制信號(hào)m(t)的過(guò)零點(diǎn)處，高頻載波相位有突變。32抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）：功率譜問(wèn)題：能否只傳輸其中一個(gè)邊帶，節(jié)省帶寬？單邊帶調(diào)制

DSB信號(hào)節(jié)省了載波功率，功率利用率提高了頻帶寬度仍是調(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍上、下兩個(gè)邊帶是完全對(duì)稱的33幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理調(diào)幅（AM）

抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）

單邊帶調(diào)制（SSB）殘留邊帶調(diào)制（VSB）34單邊帶調(diào)制（SSB）

DSB信號(hào)包含有兩個(gè)邊帶，即上、下邊帶。由于這兩個(gè)邊帶包含的信息相同，因而，從信息傳輸?shù)慕嵌葋?lái)考慮，傳輸一個(gè)邊帶就夠了。這種只傳輸一個(gè)邊帶的通信方式稱為單邊帶通信。兩種產(chǎn)生方法：濾波法和相移法。

35單邊帶調(diào)制：用濾波法產(chǎn)生單邊帶信號(hào)產(chǎn)生SSB信號(hào)最直觀的方法是讓雙邊帶信號(hào)通過(guò)一個(gè)邊帶濾波器，保留所需要的一個(gè)邊帶，濾除不要的邊帶。這只需將濾波器H(f)設(shè)計(jì)成如下圖所示的理想低通特性HLSB(f)或理想高通特性HUSB(f)，就可分別取出下邊帶信號(hào)頻譜SLSB(f)或上邊帶信號(hào)頻譜SUSB(f)，如下圖所示。36單邊帶調(diào)制：用濾波法產(chǎn)生單邊帶信號(hào)h(t)m(t)SDSB(t)SSSB(t)邊帶濾波器理想高通理想低通H（f）1ff0-f01ff0-f0H（f）37解決方法：在工程中往往采用多級(jí)調(diào)制濾波用濾波法形成SSB信號(hào)的技術(shù)難點(diǎn)帶來(lái)問(wèn)題：濾波器的設(shè)計(jì)和制作很困難，有時(shí)甚至難以實(shí)現(xiàn)一般調(diào)制信號(hào)都具有豐富的低頻成分經(jīng)調(diào)制后得到的DSB信號(hào)的上、下邊帶之間的間隔很窄要求單邊帶濾波器在f0附近具有陡峭的截止特性38單邊帶調(diào)制（SSB）：結(jié)論

SSB調(diào)制方式傳輸信號(hào)時(shí)只傳送一個(gè)邊帶，節(jié)省了頻帶。不但可節(jié)省發(fā)射功率，且信號(hào)占用帶寬BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，所以，它目前是短波通信中的一種重要調(diào)制方式。

SSB信號(hào)的解調(diào)和DSB一樣不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波，因?yàn)镾SB信號(hào)也是抑制載波的已調(diào)信號(hào)，它的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號(hào)的變化，所以仍需采用相干解調(diào)

。對(duì)于具有直流或極低頻率分量的調(diào)制信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單邊帶。39幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理調(diào)幅（AM）

抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）

單邊帶調(diào)制（SSB）殘留邊帶調(diào)制（VSB）40殘留邊帶調(diào)制（VSB）DSB信號(hào)占用頻帶寬SSB信號(hào)實(shí)現(xiàn)困難折衷殘留邊帶調(diào)制VSB不是完全抑制一個(gè)邊帶逐漸切割，使其殘留一小部分41殘留邊帶調(diào)制（VSB）VSB信號(hào)必須相干解調(diào)相干解調(diào)代入42殘留邊帶調(diào)制（VSB）選擇合適的低通濾波器的截止頻率，消掉2fC處的頻譜無(wú)失真地重現(xiàn)調(diào)制信號(hào)m(t)M(f)

43殘留邊帶調(diào)制（VSB）：濾波器殘留部分上邊帶的低通濾波器特性殘留部分下邊帶的高通（帶通）濾波器特性在fC處具有互補(bǔ)對(duì)稱（奇對(duì)稱）特性44殘留邊帶調(diào)制：濾波器特性HVSB(ffC)和HVSB(f+fC)在

f=0

處具有互補(bǔ)對(duì)稱的滾降特性

矛盾：殘留邊帶信號(hào)的帶寬與濾波器的實(shí)現(xiàn)之間45非線性調(diào)制（角度調(diào)制）的原理研究對(duì)象：非線性調(diào)制（頻率和相位調(diào)制）研究目的：非線性調(diào)制的內(nèi)涵研究方法：分析調(diào)頻和調(diào)相及兩者之間的關(guān)系46角度調(diào)制幅度調(diào)制屬于線性調(diào)制，它是通過(guò)改變載波的幅度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)頻譜的平移及線性變換的。一個(gè)正弦載波有幅度、頻率和相位三個(gè)參量，因此，我們不僅可以把調(diào)制信號(hào)的信息寄托在載波的幅度變化中，還可以寄托在載波的頻率或相位變化中。47角度調(diào)制這種使高頻載波的頻率或相位按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化而振幅保持恒定的調(diào)制方式，稱為頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制(PM)，分別簡(jiǎn)稱為調(diào)頻和調(diào)相。因?yàn)轭l率或相位的變化都可以看成是載波角度的變化，故調(diào)頻和調(diào)相又統(tǒng)稱為角度調(diào)制。

48角度調(diào)制角度調(diào)制與線性調(diào)制不同，已調(diào)信號(hào)頻譜不再是原調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會(huì)產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。由于頻率和相位之間存在微分與積分的關(guān)系，故調(diào)頻與調(diào)相之間存在密切的關(guān)系，即調(diào)頻必調(diào)相，調(diào)相必調(diào)頻。鑒于FM用的較多，本節(jié)將主要討論頻率調(diào)制。

49角度調(diào)制的基本概念正弦波的瞬時(shí)相位

正弦波的瞬時(shí)頻率

任意一個(gè)幅度不變的正弦函數(shù)50角度調(diào)制的基本概念未調(diào)制載波角度調(diào)制后瞬時(shí)相位偏移瞬時(shí)頻率瞬時(shí)頻率偏移瞬時(shí)相位51角度調(diào)制的基本概念相位調(diào)制：瞬時(shí)相位偏移隨調(diào)制信號(hào)m(t)而線性變化頻率調(diào)制：瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)m(t)而線性變化52角度調(diào)制的基本概念頻率調(diào)制和相位調(diào)制的關(guān)系調(diào)制信號(hào)先微分，再進(jìn)行調(diào)頻，則得到的是調(diào)相波調(diào)制信號(hào)先積分，再進(jìn)行調(diào)相，則得到的是調(diào)頻波調(diào)頻和調(diào)相并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，兩者之間可互相轉(zhuǎn)換。53各種調(diào)制方式的性能比較

調(diào)制方式信號(hào)帶寬解調(diào)增益設(shè)備復(fù)雜性通信中應(yīng)用情況DSB2Bb2中等；要求相干解調(diào)，常與DSB信號(hào)一起傳輸一個(gè)小導(dǎo)頻較少應(yīng)用SSBBb1較大；要求相干解調(diào)，調(diào)制器也較復(fù)雜短波無(wú)線電通信AM2Bb同步解調(diào)和大信噪比包絡(luò)解調(diào)包絡(luò)解調(diào)有門限效應(yīng)較小；調(diào)制與解調(diào)（包絡(luò)檢波）簡(jiǎn)單老式軍用無(wú)線電臺(tái)中廣泛應(yīng)用VSB略大于Bb較大；要求相干解調(diào)，調(diào)制器需要對(duì)稱濾波數(shù)據(jù)傳輸；寬帶（電視）系統(tǒng)FM帶寬2Bb(mf+1)窄帶2Bb大信噪比時(shí)非相干解調(diào)有門限效應(yīng)介于SSB和AM之間數(shù)據(jù)傳輸；無(wú)線電廣播，微波中繼54各種調(diào)