第5課 模擬調(diào)制系統(tǒng) 東南大學(xué)通信原理課件

1通信原理馮熳東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2通信原理第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)3基本概念調(diào)制：把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程。調(diào)制信號(hào)：指來(lái)自信源的消息/基帶信號(hào)。

載波調(diào)制：用調(diào)制信號(hào)去控制載波參數(shù)的過(guò)程。載波：未受調(diào)制的周期性振蕩信號(hào)，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已調(diào)信號(hào)：載波受調(diào)制后稱為已調(diào)信號(hào)。解調(diào)（檢波）：調(diào)制的逆過(guò)程，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。

5.0引言4調(diào)制的實(shí)質(zhì)是頻譜搬移，其作用和目的是：將調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)（頻帶信號(hào)）,提高無(wú)線通信時(shí)的天線輻射效率；實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率；減少干擾，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。5.0引言采用什么樣的調(diào)制方式將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。55.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理幅度調(diào)制器的一般模型輸出已調(diào)信號(hào)的時(shí)域和頻域一般表示式為:

幅度調(diào)制是由調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度。65.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理

已調(diào)信號(hào)的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移，這種搬移是線性的，因此，幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。

這里的“線性”并不意味著已調(diào)信號(hào)之間符合線性變換關(guān)系。事實(shí)上，任何調(diào)制過(guò)程都是一種非線性的變換過(guò)程。7

調(diào)幅(AM)

AM調(diào)制器模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理m(t)為確知信號(hào)時(shí)域：頻譜：85.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理AM信號(hào)的波形和頻譜9波形圖由波形可以看出，當(dāng)滿足條件：

|m(t)|

A0

時(shí)，其包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)波形相同，因此用包絡(luò)檢波法很容易

恢復(fù)出原始調(diào)制信號(hào)。否則，出現(xiàn)“過(guò)調(diào)幅”現(xiàn)象。

這時(shí)用包絡(luò)檢波將發(fā)生失真。

但是，可以采用其他的解調(diào)方

法，如同步檢波。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理10假定只有邊帶功率才與調(diào)制信號(hào)有關(guān)。因此，從功率上講，AM信號(hào)的功率利用率比較低。則5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理Pc為載波功率Ps為邊帶功率11若調(diào)制效率：則式中為調(diào)幅指數(shù)（或調(diào)制幅度）若，即“滿調(diào)幅”，則。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理125.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理

AM的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉

AM的缺點(diǎn)：載波分量不攜帶信息，

功率利用率低。

AM的應(yīng)用：無(wú)線電廣播。13抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）將AM信號(hào)中的A0去掉，即可輸出DSB信號(hào)。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理14DSB信號(hào)的波形和頻譜

5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理15需采用相干解調(diào)(同步檢波)，不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波。

調(diào)制效率為100％，節(jié)省了載波功率。DSB信號(hào)功率利用率提高了，但它的頻帶寬度仍是調(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍，與AM信號(hào)帶寬相同。

DSB信號(hào)的特點(diǎn)（與AM信號(hào)相比）：5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理16單邊帶調(diào)制（SSB）原理：雙邊帶信號(hào)兩個(gè)邊帶中的任意一個(gè)都包含了調(diào)制信號(hào)頻譜M(

)的所有頻譜成分，因此僅傳輸其中一個(gè)邊帶即可。這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，這種方式稱為單邊帶調(diào)制。產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法有兩種：濾波法和相移法。

5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理17濾波法及SSB信號(hào)的頻域表示濾波法的原理方框圖－用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶:

圖中，H(

)為單邊帶濾波器的傳輸函數(shù)，若它具有如下理想高通特性： 則可濾除下邊帶。 若具有如下理想低通特性： 則可濾除上邊帶。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理18用濾波法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制的技術(shù)難點(diǎn)：?jiǎn)芜厧V波器要求在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制無(wú)用的一個(gè)邊帶。在工程中往往采用多級(jí)調(diào)制濾波的方法。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理19形成SSB信號(hào)的濾波特性5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理20SSB信號(hào)的頻譜5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理21

用相移法形成單邊帶信號(hào)

考慮單頻調(diào)制信號(hào)：5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理“-”表示上邊帶信號(hào)；“+”表示下邊帶信號(hào)。22任意一個(gè)基帶波形總可以表示成許多正弦信號(hào)之和。希爾伯特變換：5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理調(diào)制信號(hào)為任意信號(hào)時(shí)SSB信號(hào)的時(shí)域表示式為：23若為傅立葉變換對(duì)，則式中符號(hào)函數(shù)希爾伯特濾波器的傳遞函數(shù)：

是一個(gè)寬帶相移網(wǎng)絡(luò)，幅度不變，所有的頻率分量均相移。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理24

相移法形成單邊帶信號(hào)

5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理25不但可節(jié)省載波發(fā)射功率，而且它所占用的頻帶寬度為BSSB=fH=BDSB/2，比AM、DSB減少了一半。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，需采用相干解調(diào)。SSB信號(hào)的特點(diǎn)：5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理26

SSB的優(yōu)點(diǎn)：上述特點(diǎn)。

SSB的缺點(diǎn)：濾波法中的濾波器和相移

法中的寬帶相移網(wǎng)絡(luò)較難

制作。

SSB的應(yīng)用：短波通信。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理27

殘留邊帶調(diào)制是介于SSB與DSB之間的一種調(diào)制方式，它既克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了SSB信號(hào)實(shí)現(xiàn)上的難題。在VSB中，不是完全抑制一個(gè)邊帶（如同SSB中那樣），而是逐漸切割，使其殘留一小部分，如圖所示。

殘留邊帶調(diào)制（VSB）5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理28DSB、SSB和VSB信

號(hào)

的

頻

譜5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理29VSB調(diào)制和解調(diào)器模型

(a)VSB調(diào)制器模型(b)VSB解調(diào)器模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理為保證相干解調(diào)的輸出無(wú)失真恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，必須要求：30

殘留邊帶濾波器特性(a)殘留部分上邊帶的濾波器特性;(b)殘留部分下邊帶的濾波器特性5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理31實(shí)現(xiàn)容易；只要HVSB(ω)在±ωc處具有互補(bǔ)對(duì)稱（奇對(duì)稱）特性，那么，采用相干解調(diào)法解調(diào)殘留邊帶信號(hào)就能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)所需的基帶信號(hào)。

VSB信號(hào)的特點(diǎn)：5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理325.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理

線性調(diào)制（濾波法）的一般模型h(t)只要適當(dāng)選擇濾波器的特性H(w)，即可得到各種幅度調(diào)制信號(hào)。335.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理其中：

線性調(diào)制（相移法）的一般模型適用于所有線性調(diào)制！34相干解調(diào)與包絡(luò)檢波相干解調(diào)（也叫同步檢波）相干解調(diào)器的一般模型：相干解調(diào)器原理：接收端必須提供與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波），它與接收的已調(diào)信號(hào)相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調(diào)制信號(hào)。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理適用于所有線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)！35相干解調(diào)器性能分析 已調(diào)信號(hào)的一般表達(dá)式為 與同頻同相的相干載波c(t)相乘后，得 經(jīng)低通濾波器后，得到 因?yàn)閟I(t)是m(t)通過(guò)一個(gè)全通濾波器HI(

)后的結(jié)果，故上式中的sd(t)就是解調(diào)輸出，即5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理36包絡(luò)檢波適用條件：AM信號(hào)，且要求|m(t)|max

A0

，包絡(luò)檢波器結(jié)構(gòu)： 通常由半波或全波整流器和低通濾波器組成。例如，檢波器的輸出為隔去直流后即可得到原信號(hào)m(t)。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理375.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能解調(diào)器輸出信噪比定義 輸出信噪比反映了解調(diào)器的抗噪聲性能。顯然，輸出信噪比越大越好。制度增益定義：用G便于比較同類調(diào)制系統(tǒng)采用不同解調(diào)器時(shí)的性能。G也反映了這種調(diào)制制度的優(yōu)劣。 式中輸入信噪比Si/Ni

的定義是：38DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能DSB相干解調(diào)抗噪聲性能分析模型

由于是線性系統(tǒng)，所以可以分別計(jì)算解調(diào)器輸出的信號(hào)功率和噪聲功率。5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能39輸出信號(hào)功率計(jì)算設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)為與相干載波cos

ct相乘后，得經(jīng)低通濾波器后，輸出信號(hào)為因此，解調(diào)器輸出端的有用信號(hào)功率為5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能40輸出噪聲功率計(jì)算解調(diào)器輸入端的窄帶噪聲可表示為它與相干載波相乘后，得經(jīng)低通濾波器后，解調(diào)器最終的輸出噪聲為故輸出噪聲功率為或?qū)懗?，其中B=2fH。5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能41輸入信號(hào)功率計(jì)算 解調(diào)器輸入信號(hào)平均功率為信噪比計(jì)算輸入信噪比輸出信噪比5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能42制度增益 由此可見(jiàn)，DSB調(diào)制系統(tǒng)的制度增益為2。也就是說(shuō)，DSB信號(hào)的解調(diào)器使信噪比改善一倍。這是因?yàn)椴捎孟喔山庹{(diào)，使輸入噪聲中的正交分量被消除的緣故。

5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能43SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能輸出信號(hào)功率計(jì)算SSB信號(hào)表示式為：與相干載波相乘，再經(jīng)低通濾波可得解調(diào)器輸出信號(hào)為故輸出信號(hào)平均功率為

5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能445.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能輸入信號(hào)功率計(jì)算 解調(diào)器輸入信號(hào)平均功率為信噪比計(jì)算輸入信噪比輸出信噪比455.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能制度增益在SSB系統(tǒng)中，信號(hào)和噪聲有相同表示形式，所以相干解調(diào)過(guò)程中，信號(hào)和噪聲中的正交分量均被抑制掉，故信噪比沒(méi)有改善。465.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能雖然，但不能說(shuō)明DSB系統(tǒng)的抗噪性能比SSB系統(tǒng)好，因?yàn)閮烧咻斎胄盘?hào)功率不同、帶寬不同、輸入噪聲功率也不同，所以這兩者的輸出信噪比是在不同條件下得到的。如果在相同輸入信號(hào)功率、相同輸入噪聲功率譜密度、相同基帶帶寬條件下，兩者的輸出信噪比相等，即兩者抗噪性能相同，但SSB所需的傳輸帶寬僅為DSB的一半，因此SSB得到普遍應(yīng)用。由于VSB采用的殘留邊帶濾波器頻率特性形狀不同，所以抗噪性能計(jì)算比較復(fù)雜，但在邊帶殘留部分不太大的時(shí)候，可以近似認(rèn)為其抗噪性能與SSB相同。47AM包絡(luò)檢波的性能包絡(luò)檢波器分析模型 檢波輸出電壓正比于輸入信號(hào)的包絡(luò)變化。5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能48輸入信噪比計(jì)算 設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)為：

解調(diào)器輸入噪聲為：

則解調(diào)器輸入的信號(hào)功率和噪聲功率分別為： 輸入信噪比為：5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能49包絡(luò)計(jì)算 由于解調(diào)器輸入是信號(hào)加噪聲的混合波形，即 式中 上式中E(t)便是所求的合成包絡(luò)。當(dāng)包絡(luò)檢波器的傳輸系數(shù)為1時(shí)，則檢波器的輸出就是E(t)。5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能50輸出信噪比計(jì)算大信噪比情況 輸入信號(hào)幅度遠(yuǎn)大于噪聲幅度，即則

5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能51

當(dāng)直流分量A0被電容器阻隔后，有用信號(hào)與噪聲獨(dú)立地分成兩項(xiàng)，因而可分別計(jì)算它們的功率。

輸出信號(hào)功率為：

輸出噪聲功率為：輸出信噪比制度增益5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能52討論

1.AM信號(hào)的調(diào)制制度增益GAM隨A0的減小而增加。

2.GAM總是小于1，這說(shuō)明包絡(luò)檢波器對(duì)輸入信噪比沒(méi)有改善，而是惡化了。

3.例如：對(duì)于100%的調(diào)制，且m(t)是單頻正弦信號(hào)，這時(shí)AM的最大信噪比增益為。

4.可以證明，采用同步檢測(cè)法解調(diào)AM信號(hào)時(shí)，得到的調(diào)制制度增益與上式給出的結(jié)果相同。

5.由此可見(jiàn)，對(duì)于AM調(diào)制系統(tǒng)，在大信噪比時(shí)，采用包絡(luò)檢波器解調(diào)時(shí)的性能與同步檢測(cè)器時(shí)的性能幾乎一樣。5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能53小信噪比情況 此時(shí)，輸入信號(hào)幅度遠(yuǎn)小于噪聲幅度，即則

其中R(t)和

(t)代表噪聲的包絡(luò)及相位：5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能54此時(shí)，E(t)中沒(méi)有單獨(dú)的信號(hào)項(xiàng)，有用信號(hào)m(t)被噪聲擾亂，只能看作是噪聲。這時(shí)，輸出信噪比不是按比例地隨著輸入信噪比下降，而是急劇惡化，通常把這種現(xiàn)象稱為解調(diào)器的門(mén)限效應(yīng)。開(kāi)始出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)的輸入信噪比稱為門(mén)限值。5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能55討論

1.門(mén)限效應(yīng)是由包絡(luò)檢波器的非線性解調(diào)作用引起的。

2.用相干解調(diào)的方法解調(diào)各種線性調(diào)制信號(hào)時(shí)不存在門(mén)限效應(yīng)。原因是信號(hào)與噪聲可分別進(jìn)行解調(diào)。

3.在大信噪比情況下，AM信號(hào)包絡(luò)檢波器的性能幾乎與相干解調(diào)法相同。但當(dāng)輸入信噪比低于門(mén)限值時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)，這時(shí)解調(diào)器的輸出信噪比將急劇惡化，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能565.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理頻率調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)頻(FM)，相位調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)相(PM)。這兩種調(diào)制中，載波的幅度都保持恒定，而頻率和相位的變化都表現(xiàn)為載波瞬時(shí)相位的變化。角度調(diào)制：頻率調(diào)制和相位調(diào)制的總稱。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。與幅度調(diào)制技術(shù)相比，角度調(diào)制最突出的優(yōu)勢(shì)是其較高的抗噪聲性能。57角度調(diào)制的基本概念FM和PM信號(hào)的一般表達(dá)式角度調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為式中，A

－載波的恒定振幅；

[

ct+

(t)]＝

(t)

－信號(hào)的瞬時(shí)相位；

(t)－瞬時(shí)相位偏移。d[

ct+

(t)]/dt=

(t)－稱為瞬時(shí)角頻率d

(t)/dt

－稱為瞬時(shí)頻偏。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理58相位調(diào)制(PM)：

瞬時(shí)相位偏移隨調(diào)制信號(hào)作線性變化，即 式中Kp為調(diào)相靈敏度，含義是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起PM信號(hào)的相位偏移量，單位是rad/V。 將上式代入一般表達(dá)式

得到PM信號(hào)表達(dá)式5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理59頻率調(diào)制(FM)：

瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)成比例變化，即 式中Kf－調(diào)頻靈敏度，單位是rad/s

V。 這時(shí)相位偏移為 將其代入一般表達(dá)式 得到FM信號(hào)表達(dá)式5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理60PM與FM的區(qū)別比較上兩式可見(jiàn)，PM是相位偏移隨調(diào)制信號(hào)m(t)線性變化，F(xiàn)M是相位偏移隨m(t)的積分呈線性變化。如果預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)m(t)的具體形式，則無(wú)法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)相信號(hào)還是調(diào)頻信號(hào)。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理61單音調(diào)制FM與PM

設(shè)調(diào)制信號(hào)為單一頻率的正弦波，即用它對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制時(shí)，將上式代入得到式中，mp=KpAm

－調(diào)相指數(shù)，表示最大的相位偏移。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理62用它對(duì)載波進(jìn)行頻率調(diào)制時(shí)，將 代入 得到FM信號(hào)的表達(dá)式 式中 －調(diào)頻指數(shù)，表示最大的相位偏移

－最大角頻偏 －最大頻偏。 5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理63單音PM信號(hào)和FM信號(hào)波形

(a)PM信號(hào)波形(b)FM信號(hào)波形5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理64FM與PM間的關(guān)系由于頻率和相位之間存在微分與積分的關(guān)系，所以FM與PM之間是可以相互轉(zhuǎn)換的。比較下面兩式可見(jiàn)如果將調(diào)制信號(hào)先微分，而后進(jìn)行調(diào)頻，則得到的是調(diào)相波，這種方式叫間接調(diào)相；同樣，如果將調(diào)制信號(hào)先積分，而后進(jìn)行調(diào)相，則得到的是調(diào)頻波，這種方式叫間接調(diào)頻。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理65方框圖

（a）直接調(diào)頻（b）間接調(diào)頻（c）

直接調(diào)相（d）

間接調(diào)相5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理66窄帶調(diào)頻（NBFM）定義：如果FM信號(hào)的最大瞬時(shí)相位偏移滿足下式條件

則稱為窄帶調(diào)頻；反之，稱為寬帶調(diào)頻。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理67時(shí)域表示式將FM信號(hào)一般表示式展開(kāi)得到當(dāng)滿足窄帶調(diào)頻條件時(shí)，故上式可簡(jiǎn)化為5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)的原理68頻域表示式 利用以下傅里葉變換對(duì) 可得NBFM信號(hào)的頻域表達(dá)式（設(shè)m(