通信原理第5章模拟调制系统

通信原理第5章模拟调制系统内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》2基带信号具有较低的频率分量，不宜通过无线信道传输。因此，在通信系统的发送端需要由一个载波来运载基带信号，也就是使载波信号的某一个(或几个)参量随基带信号改变，这一过程就称为调制。在通信系统的接收端则需要有解调过程。第5章模拟调制系统内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》3第5章模拟调制系统基本概念调制－把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。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。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。调制信号－指来自信源的基带信号载波－未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，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。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。内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》4第5章模拟调制系统调制的目的：1.将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）；提高无线通信时的天线辐射效率。2.把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，实现信道的多路复用，提高信道利用率；3.扩展信号带宽，减小干扰，提高系统抗干扰能力和抗衰落能力；4.实现传输带宽与信噪比之间的互换。内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》5调制方式：根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；根据载波的选择可分为以正弦波作为载波的连续波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制。第5章模拟调制系统常见的模拟调制：幅度调制：调幅、双边带DSB、单边带SSB和残留边带VSB角度调制：频率调制、相位调制内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》6本章重点讨论用取值连续的调制信号去控制正弦载波参数的模拟调制。本章主要内容：各种已调信号的时域波形和频谱结构；调制和解调的原理；系统的抗噪声性能。第5章模拟调制系统内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》7第5章模拟调制系统5.1幅度调制（线性调制）的原理5.2线性调制系统的抗噪声性能5.3非线性调制（角度调制）原理5.4调频系统的抗噪声性能5.5各种模拟调制系统的比较5.6频分复用和调频立体声内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》85.1幅度调制(线性调制)的原理幅度调制是用调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。幅度调制器的一般模型如图所示：图中，m(t)是基带信号，h(t)是滤波器的单位冲激响应；为载波幅度，为载波角频率；为载波初始相位；为方便分析，一般假定，。c0001AA图5-0幅度调制器的一般模型×()mt()mst()ht0()cos()cctAt正弦载波内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》95.1幅度调制(线性调制)的原理幅度调制信号，在波形上，它的幅度(包络)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结构在频域内的简单搬移。更为一般的情况是滤波器的冲激响应，或者不采用滤波器。这时幅度调制信号可以表示为：()()htt()()cosmcstAmtt如果调制信号m(t)的频谱为，则容易得到已调信号的频谱为：()M()mS1()[()()]2mccSMM()mst()())2mccASMM内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》10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。这里的“线性”并不意味着已调信号和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。5.1幅度调制(线性调制)的原理在图5-0模型中，适当选择滤波器的特性H(ω)，便可以得到各种幅度调制信号。常规双边带调幅（AM）抑制载波双边带调幅（DSB-SC）单边带调幅（SSB）残留边带调幅（VSB）()())2mccASMM内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》115.1.1标准调幅(AM)假设调制信号m(t)的平均值为0，将其叠加直流偏量A0后，与载波相乘，就可形成调幅(AM)信号。5.1幅度调制(线性调制)的原理AMcccstAmttAmttt00c()(os)cos()cosAMccccASMM0()(1()()()2)图5-1AM调制模型0Acosct()AMst()mt其中，这里假设m(t)为确知信号；如果m(t)为随机信号，则已调信号的频域须用功率谱来描述。图5-2AM信号的波形和频谱HAMBf2121O()MAM()S0A0AOccHH()mtAM()st0()AmtOtOtOOttcosct下边带上边带载频载频内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》135.1幅度调制(线性调制)的原理()mtAM()st0()AmtOtOtOOttcosctmtA0max()通过调制信号的波形可以看出，如果，则AM波的包络与调制信号m(t)的形状完全一样，因此用包络检波的方法就很容易从已调信号中恢复出原始调制信号；如果调制信号，就会出现“过调幅”现象，这时用包络检波将会发生失真，需要采用其他的解调方法，如同步检波。0max()mtA内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》14调制效率已调信号中，有用功率（承载信息所用的功率）占信号总功率的比例称为调制效率，用表示。AMAcccMctttPstAmtAtmmtAt22222220020cosc()oscosc2()(()s)omt()0假定cAMsmtPPPA2202()2则式中，Pc为载波功率，Ps为边带功率。05.1幅度调制(线性调制)的原理21cos2cos2cctt/2/21()lim()dTTTststtT内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》155.1幅度调制(线性调制)的原理SAMAMPmtPAmt2220()()调制效率：()cosmmmtAt若mmtA22()/2mAMAMmAMAAA22222022则AMmAA0/1式中为调幅指数（或调制幅度）内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》165.1幅度调制(线性调制)的原理调制效率：mAMAMmAMAAA22222022，则在满调幅情况下，若AM1AM1/3调幅指数：βAM=Am/AoβAM1：正常调制，一般在30-60%之间βAM=1：满调制/满调幅βAM1：过调制/过调幅AtmAMmax)(m(t)为一般信号时内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》175.1幅度调制(线性调制)的原理结论：AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分；载波分量不携带信息，仍占据大部分功率；AM信号的功率利用率比较低。AM的优点是系统结构简单，价格低廉，所以至今仍广泛用于无线电广播。内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》185.1.2双边带调制(DSB)在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果在AM调制模型中将直流A0去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式——抑制载波双边带信号（DSB-SC），简称双边带信号(DSB)。cosct()DSBst()mtDSB的频谱与AM相近，只是没有了在处的函数。cDSBcstmtt()()cos1()()()2DSBccSMM其时域和频域表示式分别为5.1幅度调制(线性调制)的原理AMccccASMM0()(1()()()2)内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》19图5-3DSB信号的波形和频谱5.1幅度调制(线性调制)的原理OttOOt载波反相点cosct()mtDSB()st()MccHHOOODSB()Scc2H载波反相点内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》205.1幅度调制(线性调制)的原理与AM信号比较，因为不存在载波分量，DSB信号的调制效率是100%，即全部功率都用于信息传输。由时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调(同步检波)。由频谱图可知，DSB信号虽然节省了载波功率，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可以节省一半传输频带，称为单边带调幅（SSB）。内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》215.1幅度调制(线性调制)的原理单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法。1.滤波法及SSB信号的频域表示产生SSB信号最直观的方法是先产生一个双边带信号，然后让其通过一个边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。技术难点：由于调制信号常具有丰富的低频成分，使得DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄,这要求单边带滤波器在fc附近具有陡峭的截止特性，这就使滤波器的设计和制作很困难。图5-4滤波法SSB信号调制器H()ctcosmt()DSBst()SSBst()5.1.3单边带调制(SSB)内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》235.1幅度调制(线性调制)的原理cUSBcHH1()()0cLSBcHH1()()0SSBDSBSSH()()()SSB信号的频域表示上边带（USB）滤波器下边带（LSB）滤波器SSB信号的频域表示内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》245.1幅度调制(线性调制)的原理5.1.3单边带调制(SSB)0cc上边带0cc下边带)(SDSB0cc)(SDSB0cc图5-5滤波法形成上、下边带信号的频谱图cUSBcHH1()()0cLSBcHH1()()0内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》255.1幅度调制(线性调制)的原理实现滤波器的难易程度与过渡带相对于载频的归一化值有关，该值越小，边带滤波器就越难实现。当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。为此，在工程中往往采用多级调制滤波的方法得到单边带调幅信号。一般采用两级，即先在较低的载频上进行DSB调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。H()cc0过渡带过渡带过渡带过渡带内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》265.1幅度调制(线性调制)的原理多级调制滤波M()0DSBS1()0c1c1LSBS1()0c1c1DSBS2()cccc1LSBS2()cc1cc内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》272.相移法和SSB信号的时域表示在单频调制情况下，可简单推导出SSB信号的时域表示式。而任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和，所以可进行推广。设单频调制信号m(t)和载波c(t)分别为mmcmtAtctt()cos()cos则DSB信号的时域表示式为mcDSmcmBmmcmstAttAAtt()coscos1cos()1co()22s5.1幅度调制(线性调制)的原理内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》285.1幅度调制(线性调制)的原理mcmmDSBcmAAsttt1cos(1cos()2())20mmM()0cmcDSBS()ccm内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》295.1幅度调制(线性调制)的原理mcmmDSBcmAAsttt1cos(1cos()2())2上边带信号时域表达式为：下边带信号时域