第五章-模擬調制系統(tǒng)

第5章模擬調制系統(tǒng)5.1

引言5.2

標準調幅（AM）5.3

雙邊帶調幅（DSB）5.4單邊帶調幅（SSB）5.5殘留邊帶調幅（VSB）5.6各種幅度調制系統(tǒng)的噪聲性能5.7角度調制原理及抗噪性能5.8頻分復用(FDM)5.1引言由信源產(chǎn)生的的原始信號一般不能在大多數(shù)信道內干脆傳輸，因此須要經(jīng)過調制將他變換成適于在信道內傳輸?shù)男盘?

調制的定義：把輸入信號變換為適合于通過信道傳輸?shù)牟ㄐ涡旁凑{制發(fā)濾波器信道收濾波器解調調制信宿n(t))(Cw點---點通信系統(tǒng)一、調制的功能

1、頻率變換：為了接受無線傳送方式，如將（0.3~3.4KHz）有效帶寬內的語音信號調制到高頻段上去。

2、實現(xiàn)信道復用：例如將多路信號互不干擾的支配在同一物理信道中傳輸。

3、提高抗干擾性：抗干擾性（即牢靠性）與有效性相互制約，通?？赏ㄟ^犧牲有效性來提高抗干擾性，如FM替代AM。二、調制的分類調制方法可以從以下幾個角度進行分類。

基帶信號m(t)調制器Sm(t)C(t)載波調制器模型

1、按信號m(t)的不同分：

模擬調制，特點：m(t)是連續(xù)信號。

數(shù)字調制，特點：m(t)是數(shù)字信號。2、按載波信號c(t)不同分：

連續(xù)波調制，特點：c(t)連續(xù)，如c(t)=cosωct；

脈沖調制，特點：c(t)為脈沖，如周期矩形脈沖序列。

3、按調制器功能的功能分：

幅度調制，特點：用:m(t)變更c(t)的幅度，如AM，DSB，SSB，VSB。頻率調制，特點：用:m(t)變更c(t)的頻率，如FM。

相位調制，特點：用:m(t)變更c(t)的相位，如PM。4、按調制器傳輸函數(shù)來分：

線性調制，特點：調制前、后的頻譜呈線性搬移關系。

非線性調制，特點無上述關系，且調制后產(chǎn)生很多新成份。1、AM信號的時域表達式及波形所謂的標準調幅就是指輸入的調制信號除了來自消息的基帶信號外，還包含了直流信號A，總的輸入信號為A+m(t)，h(t)為志向的帶通濾波器，這樣調制后輸出信號便既含載波重量由含有邊帶重量的標準調幅信號。1）AM調制數(shù)學模型2）數(shù)學表達式SAM(t)=[A+m(t)]cosωct式中的第一項代表載波重量，其次項代表邊帶重量,，該項為消息信號。時域波形AM信號的波形為幅度隨信號變更的余弦波形。4）、線性調幅的條件

由波形圖知AM信號有以下特點：

（1）、幅度調制：AM信號的包絡是隨著信號呈線性關系變更的，所以它是幅度調制。

（2）、頻率未變：已調波的波形疏密程度相同，也就是說載波僅僅是幅度受到了調制，頻率沒有發(fā)生變更。

（3）、調幅條件：假如A不夠大，已調信號的包絡不確定與m(t)成正比，將出現(xiàn)這樣無法接受包絡檢波的方法檢出其包絡，通常我們稱這種現(xiàn)象為過調。保證不過調的條件為：所以線性調幅的條件為：

5）、調制指數(shù)

為了衡量標準調幅的調制程度，定義調制指數(shù)為

實際工程中，一般調制指數(shù)取（0.3～0.8）。2、AM信號的頻域表示及頻譜圖探討頻域的緣由：

（1）系統(tǒng)的有效性就是系統(tǒng)所需的傳輸帶寬，而傳輸帶寬只能在頻域中體現(xiàn)。

（2）有時在頻域中分析問題較在時域更為便利。信號頻譜：就是指時域信號的付式變換。SAM(t)=[A+m(t)]cosωctS(f)C(f)f0-fcfcM(f)-fH-fL0fLfHfc(t)載波調制信號m(t)sm(t)已調信號特點：信號的頻譜經(jīng)過AM調制后形態(tài)未變，僅僅是幅度下降的一半，位置發(fā)生了變換，搬移到了±ωc。帶寬由原始消息信號的ωm變?yōu)?ωm。在這個頻譜搬移過程中沒有出現(xiàn)新的頻率重量，因此，該調制為線性調制。

問題：通常AM已調信號的頻譜中，高于ωc部分稱為上邊帶（USB），低于ωc部分稱為下邊帶（LSB）。事實上，任何一個邊帶足以表達消息信號的全部信息，明顯AM傳輸有些奢侈。

解決方法：接受單邊帶調制。-fc0fc-fHfcfc+fHf3、AM信號的解調解調：從已調信號中復原信號的過程。

AM解調方法：相干解調、非相干解調1）、非相干解調（包絡檢波）2）、相干解調

與DSB的相干解調相同，在DSB中介紹。4、AM系統(tǒng)的特點及其應用

優(yōu)點：解調便利（包絡檢波），

缺點：占用頻帶寬，（消息信號的兩倍），調制效率低（放射功率大）

應用：廣播。4.3雙邊帶調幅（DSB）1、DSB信號的時域表達式及波形

DSB的時域表達為2、DSB信號的頻域表達式及頻譜圖

對公式（4.3-1）進行傅立葉變換，得DSB信號的頻域表示式DSB信號的頻譜有如下特點：

1、上、下邊帶均包含調制信號的全部信息；

2、幅度減半，帶寬加倍；

3、線性調制。m(t)cosωctm(t)cosωctfc0f0f3、DSB信號的解調

方法：相干解調。-fcfc0-fcfc0-2fc2fc00-fmfmffffabcd4、DSB的特點與應用

優(yōu)點：調制效率高。

缺點：占用頻帶寬，為消息基帶信號的2倍。

應用：無線通信，常用語傳輸數(shù)字信號，如ASK。SDSB(t)Acosωct包絡檢波m0(t)4.4單邊帶調幅SSB-fcfc0fDSB下邊帶上邊帶cc-f

ffH(f)由得下邊帶LSB,-fcfc0fUSBfH(f)得上邊帶USB,-fcfc由-fcfc0fLSB一、SSB的一般概念及基礎學問

AM、DSB的共同缺點：所需傳輸?shù)膸捠切盘柕?倍，這樣就降低了系統(tǒng)的有效性。由于從信息傳輸?shù)慕嵌戎v，上、下兩個邊帶所包含的信息相同，因此只傳送一個邊帶即可以傳送信號的全部信息。1、SSB概念

概念：只傳送一個邊帶的調制方式成為單邊帶調制。

SSB信號的頻譜如圖4.4-1

明顯，SSB信號的帶寬是與消息信號m(t)相同。

比較：AM、DSB信號無論在時域還是在頻域，都比較直觀，但是SSB信號在頻域特別直觀，但是在時域很難想象。2、基礎學問-希爾波特（Hilbert）變換1)、定義：將一個信號波形中的全部頻率重量相移-90°后所得的時間信號就叫做原信號的希爾波特變換。2）、變更公式在頻率域中的數(shù)學描述為：希爾波特變換在時間域的數(shù)學描述如下：f(t))(Hw)t(f)t1)t(h,)sgn(j)(Hpww=-=3）、Hilbert變換的性質:

（1）、信號和它的希爾波特變換具有相同的能量譜密度或相同的功率譜密度。

推論：

（2）、信號和它的希爾波特變換的能量(或功率)相同。

（3）、信號和它的希爾波特變換具有相同的自相關函數(shù)。

（4）、信號和它的希爾波特變換互為正交。4）、Hilterb變換的用途：

在單邊帶調制中，用來實現(xiàn)相位選擇，以產(chǎn)生單邊帶信號二、SSB信號的時域表達式及頻譜

1、模型

2、SSB信號的頻譜下邊帶低通濾波器可等效為m(t)cosωctm(t)cosωcth(t)SSSB(t)cw-0w)sgn(cww+cw0w)sgn(cww-4[][])sgn()()sgn()(41)()(41ccccccMMMMwwwwwwwwwwww---+++++-=[][][][])sgn()()sgn()(1)sgn()()sgn()(41)sgn()sgn(21)()(21)(ccccccccccccLSBMMMMMMSwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww---+++-+-+-=--+-++=——載波為cosωct當載波為sinωct時當載波為cosωct時同理載波為cosωct

三、SSB信號的產(chǎn)生

(1)濾波法(2)相移法m(t)cosωctm(t)cosωcth(t)SSSB(t)m(t)。90-。90-tcoscw）（tm)++-tsincwSLSB(t)SUSB(t)四、SSB信號的解調相干解調法五、SSB的特點及應用

優(yōu)點：具有最窄的傳輸帶寬，信道利用率最高；

缺點：（1）電路實現(xiàn)困難，技術要求高（2）解調時同步誤差要小

應用：（1）載波通信和微波多路通信，（2）保密通信（運用頻譜倒置）。SSSB(t)cosωctSp(t)LPFm0(t)4.5殘留邊帶調幅（VSB）一、VSB的一般概念SSB問題：志向的濾波器難以實現(xiàn)。

VSB調制：與SSB相像，但是允許濾波器有過過渡帶，其中一個邊帶損失的能夠恰好被另外一個邊帶殘留的部分補償。二、Hv(ω)的要求m(t)cosωctm(t)cosωcthv(t)SSSB(t)Hccff0,C)ff(H)ff(H<<=-++三、VSB信號的時辰表達式四、VSB信號的產(chǎn)生

通常接受二種方法：濾波法

移相法（與SSB相像）五、VSB的特點及應用

1、所需帶寬為ωH<ω<2ωH;

2、接受濾波法較易實現(xiàn)。"-"表示取上邊帶；

"+"表示取下邊帶。

4.6各種幅度調制系統(tǒng)的噪聲性能

一、準備學問考慮加性高斯白噪聲,系統(tǒng)的抗噪聲性能n(t)是高斯白噪聲，功率譜密度為n0/2。BPF作用：通過已調信號，抑制噪聲，其帶寬與已調信號的帶寬相同。信道內高斯噪聲n(t)經(jīng)過BPF后，形成窄帶噪聲ni(t)。BPF調制器解制器m(t)sm(t)n(t)h(t)m0(t)ni(t)式中B是志向帶通濾波器的帶寬，即已調信號帶寬，也是解調器輸入端的噪聲帶寬；評價模擬通信系統(tǒng)的質量性能指標用輸出信噪比：也可用信噪比增益（調制制度增益）作用：用來推斷解調器性能的優(yōu)劣，G越大，性能越好。其中Si/Ni為輸入信噪比，定義為

明顯，輸出信噪比和G不僅與調制方式有關，也與解調方式有關。在相同的Si和n0的條件下，輸出信噪比越高，則解調器的抗噪聲性能越好。二、相干解調DSB系統(tǒng)的性能1、輸入信噪比定義：指解調器的輸入信號平均功率與輸入噪聲平均功率之比。假設：（1）SDSB（t）與ni(t)相互獨立

（2）信道是志向的，無衰減。

設解調器輸入信號輸入信號平均功率輸入噪聲平均功率輸入信噪比Sm(t)n(t)帶通濾波器Sm(t)ni(t)tcoscw低通濾波器m0(t)n0(t)B2、輸出信噪比

DSB相干解調后，輸出信號：輸出信號平均功率So

輸出噪聲平均功率為No，經(jīng)過LPF后，噪聲為輸出信噪比3、解調增益G（信噪比增益）

DSB解調器信噪比改善一倍。緣由是相干解調把噪聲中的正交重量抑制掉，從而使噪聲功率減半。三、相干解調SSB系統(tǒng)的性能

1、輸入信噪比解調器輸入信號：輸入信噪比：其中帶寬B=fH解調器輸出信號與噪聲分別為輸出信噪比：Sm(t)n(t)帶通濾波器Sm(t)ni(t)tcoscw低通濾波器m0(t)n0(t)B制度增益：SSB解調器信噪比未改善。緣由是信號和噪聲有相同表示形式，相干解調中，信號和噪聲中的正交重量均被抑制掉。四、AM調制（包絡檢波）設解調器輸入信號SAM(t)=[A+m(t)]cosωctA>=|m(t)|max信號傳輸帶寬：B=2fH輸入信噪比：Si/Ni=[A2+m2(t)]/(2n0B)解調器輸入端信號加噪聲的合成包絡：其中包絡：（1）大信噪比狀況（小噪聲狀況）解調器輸出包絡輸出信噪比

制度增益：（2）小信噪比時：包絡近似為：式中R(t)及θ(t)分別為噪聲ni(t)的包絡及相位。探討（a）小信噪比時，信號m(t)無法與噪聲分開，有用信號“沉沒”在噪聲中，這時，輸出信噪比不是按比例地隨著輸入信噪比上升，而是急劇惡化，這種現(xiàn)象稱為門限效應。起先出現(xiàn)門限效應的輸入信噪比稱為門限值。（b)相干解調器不存在門限效應。緣由是信號與噪聲可分開解調，解調器輸出端總是單獨存在有用信號項。4.7角度調制（非線性調制）系統(tǒng)概述一、角度調制的基本概念1、角度調制的概念

一個余弦信號可以寫成s(t)=A0cos[ωct+θ(t)](4.7-1)其中，A0為常數(shù)，當θ(t)隨基帶信號m(t)變更時，則稱角度調制。2、角度調制的方法

兩種方法：調頻FM：角頻率隨消息信號m(t)變更；

調相PM：相位隨消息信號m(t)變更。3、瞬時相位與瞬時角頻率

概念：瞬時相位和瞬時角頻率。

瞬時相位：公式（4.7-1）中θ(t)稱為瞬時相位(或瞬時相角)

瞬時角頻率：瞬時相位的導數(shù)稱為瞬時角頻率，ω(t)＝dθ(t)/dt

二者之間的關系為：(4.7-2)4、角度調制的特點

角度調制的優(yōu)點：（1）抗干擾性強；（2）實現(xiàn)和解調都較簡潔。

缺點：頻帶利用率低(有效性低)。二、調信任號PM相位隨基帶信號m(t)成比例變更，即φ(t)=Kpm(t)調相波可表示為SPM(t)=Acos[ωct+Kpm(t)]三、調頻信號FMdφ(t)/dt隨基帶信號m(t)成比例變更，即dφ(t)/dt=Kfm(t)式中Kf為比例常數(shù)，調頻波表示為設單頻調制信號m(t)=Amcosωmt則式中KfAm為最大角頻偏，記為Δω；ωm為調制角頻率mf稱為調頻指數(shù):結論：FM、PM波的幅度是恒定的，已調波的功率為P=A02/2

四、調頻信號的產(chǎn)生1、干脆調頻

常用壓控振蕩器產(chǎn)生.工作原理：震蕩器的頻率隨著外加電壓m(t)線性變更。2、間接調頻

用調相電路產(chǎn)生調頻波;五、調頻信號的解調1、鑒頻器

1）構成：由一個微分器和一個包絡檢波器級聯(lián)而成；

2）基本功能

微分電路將幅度衡定的調頻波變換為調幅調頻波，即幅度和頻率都隨基帶信號m(t)線性變更。2、鎖相環(huán)解調鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器VCO六、抗噪聲性能BPF的作用：與線性調制系統(tǒng)相同，通帶范圍與SFM(t)的頻帶相同。限幅的作用：FM波的幅度是恒定的，但是在信道噪聲的影響下，F(xiàn)M波的幅度或多或少的會發(fā)生變更，因此須要加以限制，加限幅的作用就是限制幅度噪聲。鑒頻器（DIS）的作用：先將Si(t)經(jīng)微分電路，變成調幅調頻波，然后再由包絡檢波器提取包絡。這事實上相當于對瞬時相位求導數(shù)。

LPF的作用：SFM（t）與ni(t)經(jīng)DIS（鑒頻器）后，輸出中有信號和噪聲，但此時噪聲所占頻帶寬度一般較寬，即噪聲的帶寬大于消息信號m(t)的帶寬。這樣LPF可以限制帶外噪聲，提高輸出信噪比。

(a)mf不同，調頻波的頻譜結構不同。調頻波帶寬:BFM=2(mf+1)fm=2(Δf+fm)當mf<<1(窄帶調頻）時：BFM=2fm當mf>>1(寬帶調頻）時：BFM=2Δf(b)mf增加，傳輸帶寬加大，系統(tǒng)的抗噪聲性能改善。調頻方式的這種以帶寬換取信噪比的特性特別有益。而調幅信號帶寬固定，因此不能實現(xiàn)帶寬與信噪比的互換。結論：大信噪比時，調頻系統(tǒng)抗噪聲性能比調幅系統(tǒng)優(yōu)越，且其優(yōu)越程度隨傳輸帶寬的增加而增加。大信噪比（限幅鑒頻器）時，制度增益：七、PM波與FM波的關系盡管PM、FM是兩種不同的調制方式，但是并無本質上的區(qū)分。

緣由：用FM電路可以實現(xiàn)PM波，而用PM電路也可以實現(xiàn)FM波。調制系統(tǒng)的抗噪性能類別BG備注AM