第5章 模拟调制系统

1通信原理第5章模拟调制系统湖南大学信息科学与工程学院，陈林[e-mail]2第5章模拟调制系统5.1幅度调制5.2角度调制5.3模拟调制系统的抗噪声性能信息源调制器信道解调器受信者噪声源有效性--带宽可靠性--解调器输出信噪比5.1幅度调制的原理☀调制的基本概念☀幅度调制的一般模型☀调幅(AM)☀抑制载波双边带调制（DSB-SC）☀单边带调制(SSB)☀残留边带调制(VSB)☀相干解调与包络检波4调制－就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变高频载波某些参数的过程。调制的目的提高无线通信时的天线辐射效率。【频率高，天线小，幅射强。】把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。将调制信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的已调信号（频带信号）；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。调制分类模拟调制--对模拟信号进行调制，基带信号是模拟信号；数字调制--对数字信号进行调制，基带信号是数字信号；基本概念5广义调制－分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。狭义调制－仅指带通调制。大多数场合，调制均指载波调制。载波－可以是正弦波，也可以是非正弦波。载波调制－用调制信号去控制载波的参数的过程。调制信号－指来自信源的基带信号。已调信号－载波受调制后称为已调信号。解调（检波）－调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。6常见的模拟调制方式幅度调制：信息加载在正弦载波的幅度上，称为幅度调制。幅度调制属于线性调制，是基带信号频谱的搬移。常见幅度调制方式：□调幅AM□双边带DSB□单边带SSB□残留边带VSB角度调制：信息加载在正弦载波的角度上，称为角度调制。角度调制属于非线性调制，不是基带信号频谱的简单搬移，产生新的频率分量。常见角度调制方式：□频率调制FM□相位调制PM)](cos[)(ttA(t)tscm幅度角度7一、调制1、调制的定义及分类调制：就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变高频载波某些参数的过程。根据载波的选择,调制分为两大类：正弦载波调制和脉冲调制。正弦载波调制（连续波调制），是用正弦信号作为载波的调制；脉冲调制：是用数字信号或脉冲串作为载波的调制。8根据调制信号的形式，调制可分为模拟调制和数字调制——调制信号（基带信号）是模拟信号的调制是模拟调制；调制信号（基带信号）是数字信号的调制是数字调制。用正弦波作为载波的模拟调制，就是用取值连续的调制信号去控制正弦载波参数（振幅、频率和相位），包括幅度调制和角度调制。幅度调制（属线性调制）：已调信号是基带信号频谱的平移及线性变换。主要有：调幅（AM）、双边带调制（DSB-SC)、单边带调制（SSB-SC)、残留边带调制（VSB-SC)。5.1幅度调制的原理9角度调制（属非线性调制）：已调信号不再保持原来基带频谱的结构，其频谱会产生无限的频谱分量。主要有调频（FM)和调相（PM）两种。2、调制的目的调制的实质是频谱的搬移。调制的原因是:从消息变换来的原始信号具有较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不适宜进行传输，因此，在通信系统的发送端常常需要调制过程，而在其接收端则需要反调制过程——解调过程。5.1幅度调制的原理10调制的作用和目的是：（1）将调制信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的已调信号（频带信号）；（2）实现信道的多路复用，以提高信道的利用率；（3）减小干扰，提高系统的抗干扰能力；（4）实现传输带宽与信噪比之间的互换。5.1幅度调制的原理11第5章模拟调制系统5.1幅度调制（线性调制）的原理一般原理表示式：设：正弦型载波为式中，A—载波幅度；c—载波角频率；0—载波初始相位（以后假定0＝0）。则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成式中，m(t)—基带调制信号。0()coscctAt()()cosmcstAmtt12第5章模拟调制系统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(精确到常数因子)。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。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。()())2mccASMM13第5章模拟调制系统5.1.1调幅（AM）时域表示式:叠加一个直流分量后与载波相乘式中m(t)－调制信号，均值为0；A0－常数，表示叠加的直流分量。频谱：若m(t)为确知信号，则AM信号的频谱为若m(t)为随机信号，则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述。调制器模型00()[()]coscos()cosAMcccstAmttAtmtt01()[()()][()()]2AMccccSAMMmtmstcosct0A14第5章模拟调制系统波形图由波形可以看出，当满足条件：|m(t)|A0时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号。否则，出现“过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波。ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc0sAM(t)=［A0+m(t)］cosωct15第5章模拟调制系统频谱图由频谱可以看出，AM信号的频谱由载频分量上边带三部分组成下边带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。频率的绝对值大于载波频率的信号，称为上边带（USB）上边带与下边带含有相同的信息。ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc0载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带01()[()()][()()]2AMccccSAMM实际信号是没有负频谱的，是由付里叶变换人为地数学引入的16AM信号波形（时域）频谱图（频域）1)(tsAM)(tm)(0tmA000ttt0ttccos)(M1/20A)(AMS0AccHH00H217由图时间波形可知，当满足条件|m(t)|max≤A0时AM信号的包络与调制信号成正比，所以用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号，否则，将会出现过调幅现象而产生包络失真。这时不能用包络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用同步检波器。由图频谱图可知，AM信号的频谱SAM(ω)由载频分量和上、下两个边带组成，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。因此，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BAM=2fH。18第5章模拟调制系统AM信号的特性带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽fH的两倍：功率：AM信号在1Ω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：（认为AM信号是平稳的、各态历经的，用时间平均代替统计平均）由于没有直流分量则式中Pc=A02/2－载波功率，不含信息－边带功率，有调制信号。HAMfB222202222200()[()]cos[cos()cos2()cosAMAMccccPstAmttAtmttAmtt0)(tmScAMPPtmAP2)(22202/)(2tmPs)cos21(cos212twtwcc19第5章模拟调制系统调制效率由上述可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率：当m(t)=Amcosmt时，代入上式，得到当|m(t)|max=A0时（100％调制），调制效率最高，这时max＝1/3，【有2/3为载波功率。】2220SAMAMmtPPAmt22()/2mmtA222222002mAMmmtAAAAmt20性能分析与同频同相的相干载波c(t）相乘后，得Sp(t)=[A0+m(t)]cos(ωct)cos(ωct)=1/2[A0+m(t)][1+cos(2ωct)]经LPF后，其中的2ωc频率分量被滤除，得到ud(t)=1/2[A0+m(t)]再经隔直流后，恢复基带信号m(t)sAM(t)=［A0+m(t)］cosωct模型AM解调方式一：相干解调LPFmstpstdstcoscctt要求与发送端载波严格同频同相21相干解调的频谱搬移过程频域为卷积，频谱搬移左移右移22RCAM信号0AmtDttmAtscAMcos)]([)(0cHfRCf/10()dstAmtAM解调方式二：包络检波fH：调制信号的最高频率适用条件：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：性能分析设输入信号是：选择RC满足如下关系：检波器的输出为隔去直流后即可得到原信号m(t)输出=输入信号的包络LPF)(tsAM)(tsoBPFLED2020/1/1723AM信号频谱表达式小结上式：（四点）(1)频谱形状未变；±fc处两边；；上下边带的定义。(2)AM信号的平均功率)]()([21)]()([)(0ccccAMMMASHmAMfBB22fcccccAMAMPPtmAttmAttmtAttmAtsP2)(2cos)(2cos)(coscos)]([)(220202222022022020/1/1724AM信号的调制效率：2、AM信号的产生3、AM信号的解调相干解调法)()(2202tmAtmPPAMfAMtccos)(tm)(tsAM×＋0ABPFLPFxtccos)(tsAM)(tsoBPFz(t)2020/1/1725数学描述非相干检测法ttmAtmAttmAttstzcccAM2cos)]([21)]([21cos)]([cos)(0020)]([21)(0tmAtsoLPF)(tsAM)(tsoBPFLED26基本概念调幅AM双边带调制DSB单边带调制SSB残留边带调制VSB5.1幅度调制27抑制载波双边带调制（DSB-SC）AM调制即使在“满调幅”（|m(t)|max=A0时，也称100％调制）条件下，载波分量仍占据大部分功率，而含有有用信息的两个边带占有的功率较小。因此，从功率上讲，AM信号的功率利用率比较低。在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果将载波抑制，将直流A0去掉，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。5.1.2双边带调制（DSB）28第5章模拟调制系统5.1.2双边带调制（DSB）时域表示式：无直流分量A0频谱：无载频分量曲线：ttmtscDSBcos)()()]()([21)(ccDSBMMSDSBsttttHHMDSBScc0无直流分量A0无载频分量调制调制效率100％节省了载波功率包络不再是基带信号，不能用包络检波，需用相干解调(Hz)2HDSBfB带宽：29tcos)t(m)t(S)t(ScDSBm1)信号表达式信号波形：2)DSB频谱结构)t(mtA0)t(Smt0频谱图：t0tcoscH)(M0HccHc)(DSBSHcHcc0cc0H2下边带上边带单一频