第四章 模擬調(diào)制系統(tǒng)

通信原理第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)課件編寫(xiě)制作李果2003/12第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)4.1引言4.2幅度調(diào)制原理及抗噪聲性能4.3角度調(diào)制原理及抗噪聲性能4.4各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較4.5頻分復(fù)用（FDM)4.6復(fù)合調(diào)制及多級(jí)調(diào)制的概念4.1引言調(diào)制的功能調(diào)制的定義調(diào)制的分類(lèi)載波調(diào)制正弦載波調(diào)制脈沖調(diào)制模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制脈沖振幅調(diào)制PAM脈沖寬度調(diào)制PDM脈沖位置調(diào)制PPM模擬脈沖調(diào)制數(shù)字脈沖調(diào)制脈沖編碼調(diào)制PCM擴(kuò)展頻譜調(diào)制振幅鍵控ASK頻率鍵控FSK相位鍵控PSK\DPSK新型調(diào)制方式CPM幅度調(diào)制AM\DSB\SSB\VSB角度調(diào)制FM\PM4.2幅度調(diào)制原理及抗噪聲性能4.2.1幅度調(diào)制原理

幅度調(diào)制是正弦載波的幅度隨調(diào)制信號(hào)作線性變化的過(guò)程。最典型最早應(yīng)用的幅度調(diào)制是振幅調(diào)制(AM)。后來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)出現(xiàn)了雙邊帶調(diào)制(DSB)，單邊帶調(diào)制(SSB)，殘留邊帶調(diào)制(VSB)。幅度調(diào)制產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)頻譜，是調(diào)制信號(hào)頻譜的“簡(jiǎn)單”平移。所以有時(shí)也把幅度調(diào)制稱為線性調(diào)制。1.振幅調(diào)制AM（AmplitudeModulation）1)調(diào)制信號(hào)疊加到載波振幅上，使AM信號(hào)的振幅隨調(diào)制信號(hào)線性變化的過(guò)程?；蛑f(shuō)使AM信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的波形呈線性關(guān)系的過(guò)程。2)信號(hào)分析正弦載波為調(diào)制信號(hào)為振幅調(diào)制信號(hào)為

振幅調(diào)制信號(hào)為3)波形與頻譜00t0t00t01A4)特點(diǎn)：

AM信號(hào)的包絡(luò)線與調(diào)制信號(hào)完全相似。（AM信號(hào)解調(diào)可以包絡(luò)檢波）。

AM信號(hào)的頻譜是調(diào)制信號(hào)頻譜的平移(精確到常數(shù)因子)再加上載頻頻譜構(gòu)成。具體含有載頻分量、上邊頻分量、下邊頻分量。上下邊帶頻譜分量中，呈鏡象分量的所含信息為同一信息。即上邊帶與下邊帶包含相同信息。無(wú)失真AM。要求調(diào)制信號(hào)無(wú)直流分量。要求

fc>2fm。頻譜線占據(jù)的頻率寬度（信號(hào)帶寬）＝2倍調(diào)制信號(hào)帶寬。即BAM

＝2fm5)AM調(diào)制的數(shù)學(xué)模型正弦載波振幅為1調(diào)制信號(hào)AM信號(hào)A帶通濾波器中心頻率帶寬AM信號(hào)2.雙邊帶調(diào)制DSB（DoubleSideband）雙邊帶調(diào)制：是一種抑制載波的幅度調(diào)制。令A(yù)M信號(hào)中的

A=0，即得到DSB信號(hào)。

DSB信號(hào)0t00t00t0包絡(luò)線與調(diào)制信號(hào)的絕對(duì)值相似。波形與頻譜的特點(diǎn)1DSB信號(hào)的波形特點(diǎn)：包絡(luò)線與調(diào)制信號(hào)的絕對(duì)值相似。DSB信號(hào)的頻譜特點(diǎn)：頻譜線是調(diào)制信號(hào)頻譜線的平移（精確到常數(shù)因子）。頻譜線占據(jù)的頻率寬度（信號(hào)帶寬）＝2倍調(diào)制信號(hào)帶寬。即BDSB＝2fm為使頻譜不重疊，要求。在調(diào)制信號(hào)改變極性時(shí)刻，DSB信號(hào)相位跳變。正弦載波調(diào)制信號(hào)帶通濾波器中心頻率帶寬雙邊帶調(diào)制信號(hào)雙邊帶調(diào)制的數(shù)學(xué)模型雙邊帶調(diào)制信號(hào)3.單邊帶調(diào)制SSB（SingleSideband）1)取DSB信號(hào)中的一個(gè)邊帶，稱為單邊帶調(diào)制。（節(jié)省頻帶，提高有效性。）2)單邊帶調(diào)制的基本方法〔A.相移法/B.濾波法（常用）〕A.相移法（信號(hào)分析）

建立相移法模型設(shè)一個(gè)單音調(diào)制的DSB信號(hào)為上邊帶（頻）下邊帶（頻）

取其一

如果取下邊帶，有根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式，做出數(shù)學(xué)模型相移網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性相移網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)信號(hào)通過(guò)相移網(wǎng)絡(luò)的輸出響應(yīng)

該積分稱為函數(shù)的希爾波特變換。記為。

SSB信號(hào)的一般式SSB信號(hào)的振幅和相位都與調(diào)制信號(hào)有關(guān)。也可以看出，SSB信號(hào)波形的振幅變化是較復(fù)雜的。調(diào)制信號(hào)m(t)載波信號(hào)＋：下邊帶－：上邊帶濾波法產(chǎn)生SSB信號(hào)的實(shí)際問(wèn)題①m(t)不能含有直流分量和較低的頻率分量。②帶通邊帶濾波器為高品質(zhì)因數(shù)濾波器。要求對(duì)非選擇邊帶的抑制達(dá)到－55db。并且SSB在低載頻上進(jìn)行。正弦載波調(diào)制信號(hào)DSB信號(hào)帶通邊帶濾波器中心頻率帶寬單邊帶調(diào)制信號(hào)B.濾波法產(chǎn)生SSB信號(hào)4.殘留邊帶調(diào)制VSB（VestigialSideband）VSB的描述：不是將一個(gè)邊帶完全抑制，而是大部分抑制，還殘留小部分。同時(shí)也不是將另一邊帶完全保留，而是抑制小部分。殘留的小部分與抑制的小部分的頻譜可以在解調(diào)后互補(bǔ)?？匆粋€(gè)矩形頻譜的示意。00正弦載波調(diào)制信號(hào)DSB信號(hào)殘留邊帶濾波器殘留邊帶調(diào)制信號(hào)殘留邊帶濾波器HVSB(ω)特征HVSB(ω＋ωc)＋HVSB(ω－ωc)＝常數(shù)2)濾波法產(chǎn)生VSB信號(hào)5.幅度調(diào)制信號(hào)的解調(diào)解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程。幅度調(diào)制信號(hào)的解調(diào)方法?同步解調(diào)（相干解調(diào)）可解調(diào)所有的幅度調(diào)制信號(hào)?包絡(luò)檢波可解調(diào)AM信號(hào)和具有大載波的VSB/SSB信號(hào)

0調(diào)制調(diào)制解調(diào)解調(diào)對(duì)于幅度調(diào)制一.同步解調(diào)（可解調(diào)所有的幅度調(diào)制信號(hào)）①.同步解調(diào)是接收端產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)載波,它與已調(diào)信號(hào)相乘并經(jīng)低通濾波，還原調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。無(wú)失真的解調(diào)要求恢復(fù)載波與調(diào)制端載波除振幅不相等外其余完全相同—同步。②同步解調(diào)數(shù)學(xué)模型恢復(fù)載波調(diào)制信號(hào)幅度調(diào)制信號(hào)低通濾波器帶寬設(shè)幅度調(diào)制信號(hào)一般形式：對(duì)于恢復(fù)載波載波同步載波非同步③解調(diào)分析：載波同步時(shí)乘法器輸出低通濾波器輸出（解調(diào)輸出）去直流分量解調(diào)還原出原調(diào)制信號(hào)恢復(fù)載波解調(diào)信號(hào)幅度調(diào)制信號(hào)低通濾波器結(jié)論：同步解調(diào)提取出已調(diào)信號(hào)中與恢復(fù)載波同步的那個(gè)信號(hào)分量的振幅（信號(hào)）。0000解調(diào)頻譜圖解分析若乘法器輸出④關(guān)于非載波同步情況的討論低通濾波器輸出?對(duì)于各類(lèi)幅度調(diào)制信號(hào)，解調(diào)輸出信號(hào)嚴(yán)重失真。幾十Hz，語(yǔ)音信號(hào)還能滿足可懂度。一般若低通濾波器輸出?對(duì)于AM/DSB解調(diào)輸出信號(hào)幅度減小，但不失真。?對(duì)于SSB/VSB解調(diào)輸出信號(hào)失真。失真由項(xiàng)引起。二.包絡(luò)檢波（可解調(diào)AM信號(hào)和具有大載波的VSB/SSB信號(hào)）

觀察下列信號(hào)振幅：只有AM信號(hào)的包絡(luò)與m(t)相同，可用包絡(luò)檢波還原m(t)。對(duì)于SSB/VSB信號(hào)的包絡(luò)與m(t)不相同，不可用包絡(luò)檢波還原m(t)。但在SSB/VSB信號(hào)中加入大載波分量，信號(hào)的振幅以及包絡(luò)于AM的近似。故也可用包絡(luò)檢波還原m(t)。具有大載波的SSB/VSB信號(hào)的包絡(luò)檢波在調(diào)制后，加入大載波，SSB/VSB信號(hào)變?yōu)椋盒盘?hào)振幅為：它近似于AM信號(hào)的振幅。故可采用包絡(luò)檢波還原m(t)。此種通信方式廣泛應(yīng)用于廣播、電視信號(hào)的傳輸。加入大載波時(shí)4.2.2幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析1.采用同步解調(diào)，各幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析建立模模型抗噪聲性能分析抗噪聲性能討論建立模型：⊕BPFLPF理想帶通理想低通恢復(fù)載波窄帶高斯高斯白噪聲幅度調(diào)制信號(hào)輸出信號(hào)輸出噪聲解調(diào)輸入信噪比解調(diào)輸出信噪比1.采用同步解調(diào)，各幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析抗噪聲性能分析：①解調(diào)器輸入信號(hào)功率SiAMDSBSSB抗噪聲性能分析根據(jù)功率譜密度函數(shù)通過(guò)線性系統(tǒng)的響應(yīng)功率譜密度函數(shù)為H(ω)no/2ω0BPi(ω)0B1no/2ωωPO(ω)②解調(diào)器輸入噪聲功率Ni③解調(diào)器輸入信噪比Si/Ni

④解調(diào)器輸出信號(hào)功率So

同步解調(diào)器對(duì)窄帶高斯噪聲的解調(diào)⑤解調(diào)器輸出噪聲功率No

⑥解調(diào)器輸出信噪比So/No⑦調(diào)制制度增益抗噪聲性能討論解調(diào)器同步解調(diào)器對(duì)SSB的信噪比改善程度是1

（解調(diào)抑制了ni(t)中的ns(t)分量，使No減小解調(diào)抑制了SSSB(t)中的m(t)分量，使So減?。┩浇庹{(diào)器對(duì)DSB的信噪比改善程度是2

（解調(diào)抑制了ni(t)中的ns(t)分量，使No減小。）同步解調(diào)器對(duì)AM的信噪比改善程度是2η<1

（解調(diào)抑制了SAM(t)中的載頻分量，使So減小。）

G：反映解調(diào)器對(duì)不同調(diào)制信號(hào)的信噪比改善程度。解調(diào)器對(duì)不同調(diào)制方式的信號(hào)，信噪比改善程度不同。?調(diào)制制度增益抗噪聲性能討論評(píng)價(jià)各幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能，以Si相等，調(diào)制信號(hào)m(t)相等，系統(tǒng)噪聲均為白噪聲，然后比較各系統(tǒng)So/No.?系統(tǒng)輸出信噪比解調(diào)器輸出信號(hào)功率So輸出噪聲功率No它是評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。它的大小可以直接反映出系統(tǒng)終端的信號(hào)質(zhì)量。結(jié)論：DSB/SSB/VSB基本具有相同的抗噪聲性能。AM的抗噪聲性能差，只是它們的一半或更低，∵η≤1/2。

各幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能比較2.采用包絡(luò)檢波，AM系統(tǒng)的抗噪聲性能自學(xué)。分析見(jiàn)P.73。結(jié)論：在大信噪比情況下，采用包絡(luò)檢波，AM系統(tǒng)的抗噪聲性能幾乎與同步解調(diào)的相同。但隨著信噪比的減小，包絡(luò)檢波器將在一個(gè)特定輸入信噪比值上出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)。一旦出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)，解調(diào)器的輸出信噪比將急劇變壞。包絡(luò)檢波器G門(mén)限值04.3.角度調(diào)制的原理及抗噪聲性能4.3.1角度調(diào)制的原理4.3.2調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能

1.建立模型

2.抗噪聲性能分析

3.討論及比較

4.FM的加重技術(shù)

5.FM的門(mén)限效應(yīng)4.3.1角度調(diào)制的原理角度調(diào)制：使正弦載波的瞬時(shí)相位隨調(diào)制信號(hào)變化的過(guò)程。信號(hào)分析：設(shè)調(diào)制信號(hào)為m(t)，角度調(diào)制信號(hào)為如果瞬時(shí)相位偏移，稱為相位調(diào)制PM。如果瞬時(shí)相位偏移

,稱為頻率調(diào)制FM。對(duì)于單音正弦角度調(diào)制，PM調(diào)制信號(hào)為最大相位偏移也稱調(diào)相指數(shù)?！不《?伏〕調(diào)相靈敏度PM信號(hào)帶寬一般稱為寬帶調(diào)相（WBPM）否則為窄帶調(diào)相（NBPM）。FM信號(hào)為最大相位偏移也稱調(diào)頻指數(shù)。稱為最大頻率偏移。調(diào)制信號(hào)為，〔弧度/伏●秒〕調(diào)頻靈敏度。一般稱為寬帶調(diào)頻（WBFM）否則為窄帶調(diào)頻（NBFM）。調(diào)頻信號(hào)的(卡森)帶寬角度調(diào)制信號(hào)的波形特點(diǎn):等幅疏密波t頻率調(diào)制信號(hào)的頻譜特點(diǎn):豐富的組合頻率分量。如果調(diào)頻信號(hào)頻譜示意圖4.3.2調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能

1.建立模型

2.抗噪聲性能分析

3.討論及比較

4.FM的加重技術(shù)

5.FM的門(mén)限效應(yīng)1.建立模型⊕BPFLPF理想帶通加限幅理想低通窄帶高斯高斯白噪聲頻率調(diào)制信號(hào)輸出信號(hào)輸出噪聲解調(diào)輸入信噪比解調(diào)輸出信噪比鑒頻器調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)鑒頻器(鑒別頻率的變化量)：提取輸入信號(hào)的瞬時(shí)頻率偏移。鑒頻輸出信號(hào)鑒頻靈敏度〔伏?秒/弧度〕假設(shè)＝1鑒頻器鑒頻特性曲線BPF鑒頻器信號(hào)加窄帶高斯噪聲后的相位函數(shù)求FM信號(hào)加窄帶高斯噪聲后的相位函數(shù)矢量圖信號(hào)加窄帶高斯噪聲后的相位函數(shù)可解調(diào)出調(diào)制信號(hào)噪聲鑒頻器輸出信號(hào)：鑒頻器輸出噪聲：鑒頻器：提取輸入信號(hào)的瞬時(shí)頻率偏移。相位函數(shù)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)信號(hào)加窄帶高斯噪聲后的相位函數(shù)2.抗噪聲性能分析調(diào)頻信號(hào)平均功率②解調(diào)器輸入噪聲的功率①解調(diào)器輸入信號(hào)功率③解調(diào)器輸入信噪比解調(diào)器輸出信號(hào)輸出信號(hào)的功率若調(diào)制信號(hào)輸出信號(hào)的功率④解調(diào)器輸出信號(hào)功率調(diào)制信號(hào)振幅其中：調(diào)頻靈敏度解調(diào)器輸出噪聲⑤解調(diào)器輸出噪聲功率其中：A調(diào)頻波振幅；fm調(diào)制信號(hào)最高頻率；

no單邊噪聲功率譜密度值。⑥解調(diào)器輸出信噪比So/No其中：為調(diào)頻指數(shù)；解調(diào)器輸入FM信號(hào)平均功率。⑦調(diào)制制度增益為調(diào)頻指數(shù)3.討論及比較?調(diào)制制度增益調(diào)頻FM如此高的調(diào)制制度增益，是以增加FM信號(hào)帶寬換取的。如果mf＝5，GFM=450。BFM=12fm。與DSB比較，GDSB=2。BDSB=2fm。與SSB比較，GSSB=1。BSSB=fm。如果mf＝10，GFM=3300。BFM=22fm。與DSB比較，GDSB=2。BDSB=2fm。與SSB比較，GSSB=1。BSSB=fm。3.討論及比較?FM系統(tǒng)的輸出信噪比評(píng)價(jià)系統(tǒng)的抗噪聲性能，以Si相等，調(diào)制信號(hào)m(t)相等，系統(tǒng)噪聲均為白噪聲，然后比較各系統(tǒng)的So/No.將角度調(diào)制與幅度調(diào)制作比較↓B=22fmB=2fmB=fmFM系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗噪聲性能。這是以增加系統(tǒng)帶寬換取的。將角度調(diào)制與幅度調(diào)制作比較4.FM的加重技術(shù)回想FM系統(tǒng)的輸出噪聲關(guān)系ω0如果將頻率高端的噪聲功率譜的幅度降下來(lái)，F(xiàn)M系統(tǒng)的輸出噪聲功率會(huì)進(jìn)一步減小，輸出信噪比會(huì)更大。⊕BPFLPF理想低通頻率調(diào)制解調(diào)輸出信噪比鑒頻器予加重高通Hp(ω)低通Hd(ω)去加重只要Hp(ω)?Hd(ω)＝常數(shù)，信號(hào)m(t)將不會(huì)失真。去加重電路將頻率高端的噪聲功率譜的幅度降下來(lái)，使輸出噪聲功率進(jìn)一步減小，輸出信噪比增大。4.FM的加重技術(shù)5.FM的門(mén)限效應(yīng)前面對(duì)FM系統(tǒng)的抗噪聲性能分析是假設(shè)的大Si/Ni情況。Si/Ni較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相位階躍，鑒頻器輸出噪聲中出現(xiàn)脈沖噪聲，使隨著解調(diào)器輸入噪聲幅度V(t)增大，Si/Ni減小，鑒頻器將在一個(gè)特定Si/Ni上出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)。一旦出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)，解調(diào)器的So/No將急劇變壞。特定Si/Ni值稱為解調(diào)器門(mén)限值。一般解調(diào)器門(mén)限值約（Si/Ni)th＝

8-10db。門(mén)限值（Si/Ni)th＝

8-10db0門(mén)限效應(yīng)圖解ttt2πt（假設(shè)FM為載波狀態(tài)）門(mén)限擴(kuò)展技術(shù)－門(mén)限擴(kuò)展解調(diào)器門(mén)限值（Si/Ni)th＝

8-10db0鑒頻器Si/Ni>(Si/Ni)th

鑒頻器正常工作時(shí)要求：

Si/Ni>(Si/Ni)th

但對(duì)于遠(yuǎn)距離的通信(中途無(wú)法設(shè)中繼站如衛(wèi)星通信)以及在惡劣的通信環(huán)境下的通信，總是：

Si/Ni<(Si/Ni)th，此時(shí)信號(hào)解調(diào)只能采用門(mén)限擴(kuò)展解調(diào)器(鎖相環(huán)解調(diào)器)。門(mén)限擴(kuò)展解調(diào)器的(Si/Ni)th

理論上為0。調(diào)制方式傳輸帶寬解調(diào)方式直流響應(yīng)抗噪聲性能設(shè)備復(fù)雜性主要應(yīng)用DSB2fm同步有良好簡(jiǎn)單。多應(yīng)用在中間級(jí)調(diào)制AM2fm包絡(luò)無(wú)差簡(jiǎn)單。中波無(wú)線電廣播SSBfm同步（包絡(luò)加大載波）無(wú)良好中等。加大載波可包絡(luò)檢波。話音通信；話音頻分多路通信VSB略大于fm同步（包絡(luò)加大載波）有良好中等。殘留邊帶處需要對(duì)稱濾波。加大載波可包絡(luò)檢波。數(shù)據(jù)傳輸；電視傳輸FM鑒頻鎖相解調(diào)有優(yōu)良中等。無(wú)線電廣播；微波中繼。4.4各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較2fm(mf+1)4.5頻分復(fù)用FDM“復(fù)用”是一種將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號(hào)合并為一個(gè)可在同一信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)的