線性調(diào)制（AM）課件講解

通信原理課程負(fù)責(zé)人：殷玲Telmail:258475723@項(xiàng)目4模擬信號(hào)的調(diào)制傳輸項(xiàng)目描述調(diào)制就是把信號(hào)形式轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)囊环N過(guò)程。廣義的調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。本書(shū)中調(diào)制一詞均為載波調(diào)制。載波調(diào)制就是利用調(diào)制信號(hào)去控制載波的參數(shù)，使載波的某一個(gè)或某幾個(gè)參數(shù)按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。調(diào)制信號(hào)是指來(lái)自信源的基帶信號(hào)，這些信號(hào)可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。載波是指未經(jīng)調(diào)制的周期性振蕩信號(hào)，可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脈沖序列）。載波受調(diào)后成為已調(diào)信號(hào)，它含有調(diào)制信號(hào)的全部特征。解調(diào)則是調(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)。教學(xué)目標(biāo)掌握線性調(diào)制模擬信號(hào)。百學(xué)須先立志思政育人懂模擬調(diào)制，聯(lián)系自身優(yōu)勢(shì)；面對(duì)挫折和困難，靈活變換。百學(xué)須先立志線性調(diào)制解調(diào)模擬信號(hào)任務(wù)22.1常規(guī)雙邊帶調(diào)幅

幅度調(diào)制（線性調(diào)制）是使正弦載波的振幅按照模擬消息信號(hào)的變化規(guī)律成比例地變化。幅度調(diào)制有4種方式AMDSBSSBVSB常規(guī)雙邊帶調(diào)幅抑制載波雙邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制殘留邊帶調(diào)制1.AM信號(hào)的產(chǎn)生圖4.1AM調(diào)制模型

2．AM信號(hào)的波形與頻譜AM信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式：

（4-2-1）式中，

為載波角頻率。利用以下傅里葉變換對(duì)：（4-2-2）則可由式（4-2-1）寫(xiě)出AM信號(hào)的頻域表達(dá)式：其波形和頻譜（幅度譜）示意圖:圖4-2AM信號(hào)的波形和頻譜由圖可見(jiàn)：（1）AM波的包絡(luò)反映了基帶信號(hào)

的變化規(guī)律，可進(jìn)行包絡(luò)檢波。（2）AM的頻譜由載頻分量和上、下對(duì)稱的兩個(gè)邊帶組成

線性調(diào)制（3）已調(diào)信號(hào)的頻譜僅僅是基帶信號(hào)頻譜的簡(jiǎn)單搬移（4-2-3）

注意：上述結(jié)果必須符合以下兩個(gè)條件。①

(4-2-4)否則，將發(fā)生“過(guò)調(diào)幅（overmodulation）”現(xiàn)象，如圖4-3所示。

“=”成立時(shí)，稱為臨界調(diào)幅（也稱滿調(diào)幅）。圖4-3“過(guò)調(diào)幅”現(xiàn)象

(4-2-5)否則，已調(diào)信號(hào)的頻譜將會(huì)發(fā)生混疊，包絡(luò)檢波也將產(chǎn)生失真。3．AM信號(hào)的功率與效率AM信號(hào)的平均功率為(4-2-6)式中，

為載波功率，為邊帶功率。其中，只有邊帶功率Pm才與信息信號(hào)有關(guān)，而載波分量并不攜帶信息。

定義為邊帶功率在已調(diào)信號(hào)功率中所占的比例即(4-2-7)由于

，則有

，所以AM的調(diào)制效率

。

【例4-1】

設(shè)基帶信號(hào)為單音余弦，即,求滿調(diào)幅時(shí)的調(diào)制效率。

解：將基帶信號(hào)的均方值,代入式（4-2-7）可得在滿調(diào)幅（

=

）時(shí)，有(4-2-8)

評(píng)注：此時(shí)AM的最大調(diào)制效率僅為

，即33.3%。這意味著AM的調(diào)制效率很低，原因在于載波分量不攜帶信息卻占用了大部分功率。，2.2抑制載波雙邊帶調(diào)制

圖4-4DSB信號(hào)的波形和頻譜由圖可見(jiàn)：

（2）DSB頻譜中沒(méi)有載波分量，因此，調(diào)制效率達(dá)到100%。問(wèn)題：DSB信號(hào)的帶寬與AM相同，仍是基帶信號(hào)帶寬的兩倍，即這就引發(fā)出一種想法：能否只傳輸DSB其中的一個(gè)邊帶呢？2.3單邊帶調(diào)制

1.SSB信號(hào)的產(chǎn)生濾波法：先產(chǎn)生一個(gè)DSB信號(hào)，然后用邊帶濾波器濾H(w)掉一個(gè)邊帶，即可得到SSB信號(hào)。圖4-5濾波法產(chǎn)生SSB的模型若為高通濾波器，則產(chǎn)生上邊帶（USB）信號(hào)；若為低通濾波器，則產(chǎn)生下邊帶（LSB）信號(hào)。圖4-6邊帶濾波器特性圖4-7SSB信號(hào)的頻譜濾波法的技術(shù)難點(diǎn)在于：邊帶濾波器很難制作。在實(shí)際中往往采用多級(jí)調(diào)制濾波法。相移法：原理是利用相移網(wǎng)絡(luò)，使DSB信號(hào)的上下邊帶的相位符號(hào)相反，以便在合成過(guò)程中消除其中的一個(gè)邊帶。圖4-8相移法產(chǎn)生SSB的模型SSB信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式：式中，

是

的希爾伯特變換。希爾伯特變換濾波器是一個(gè)寬帶相移網(wǎng)絡(luò)，其作用是將的所有頻率分量都移相，而幅度不變。2.4殘留邊帶調(diào)制

殘留邊帶調(diào)制（VSB）是介于SSB與DSB之間的一種折衷方式，見(jiàn)圖4-9。它既能克服DSB信號(hào)占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又能避免SSB實(shí)現(xiàn)上的難題。圖4-9DSB、SSB和VSB信號(hào)的頻譜1．VSB濾波器特性濾波法產(chǎn)生VSB信號(hào)的模型與SSB類(lèi)似，區(qū)別在于：SSB的濾波器必須在載頻處具有陡峭的截止特性；VSB的濾波器只需在載頻附近具有圓滑的滾降特性，因而容易制作。要求：Hv(w)應(yīng)在載頻兩邊具有互補(bǔ)對(duì)稱（奇對(duì)稱）的滾降特性。

圖4-10濾波法產(chǎn)生VSB的模型

圖4-11Hv(w)特性1、AM特點(diǎn)與應(yīng)用AM的優(yōu)勢(shì)在于接收機(jī)（可采用包絡(luò)檢波）簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。AM方式廣泛用于中短波的調(diào)幅廣播。2．SSB特點(diǎn)與應(yīng)用SSB只傳輸DSB信號(hào)中的一個(gè)邊帶，

，所以頻譜利用率最高。廣泛用于短波通信、多路載波電話和移動(dòng)通信等系統(tǒng)中。3．VSB特點(diǎn)與應(yīng)用VSB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)中的困難，被廣泛用于電視廣播系統(tǒng)中。

2.5線性調(diào)制的解調(diào)

圖4-12相干解調(diào)器模型解調(diào)（也稱檢波）是調(diào)制的逆過(guò)程，其作用是從接收的已調(diào)信號(hào)

中恢復(fù)出基帶信號(hào)

。解調(diào)方法可分為兩類(lèi)：相干解調(diào)和非相干解調(diào)（如包絡(luò)檢波）。

1．相干解調(diào)組成：相乘器和低通濾波器（LPF）。適用：AM、DSB、SSB、VSB信號(hào)的解調(diào)。例如：DSB信號(hào)

當(dāng)本地載波與發(fā)送載波

同頻同相時(shí)，即稱為收發(fā)雙方載波同步。這時(shí)，乘法器的輸出為低通濾波器濾掉

分量后，解調(diào)輸出為可見(jiàn)，當(dāng)載波同步時(shí)，可以無(wú)失真地恢復(fù)基帶信號(hào)

。若

，(4-2-17)解調(diào)輸出為(4-2-18)式中，

稱為載波同步誤差（相位誤差）。由于,使得

，導(dǎo)致解調(diào)輸出信號(hào)幅度衰減。若

是一個(gè)隨機(jī)量，則解調(diào)輸出將產(chǎn)生失真。

同頻不同相即

時(shí)，乘法器的輸出為結(jié)論：相干解調(diào)的關(guān)鍵是接收端必須提供一個(gè)與接收信號(hào)的載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波）。

圖4-13AM信號(hào)通過(guò)包絡(luò)檢波器及其輸出波形

2．包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波是指從已調(diào)波的幅度中直接提?。z出）原消息信號(hào)的波形。組成：整流器和低通濾波器適用：AM信號(hào)的解調(diào)條件：

設(shè)，則檢波輸出為隔掉直流A0，則可還原消息信號(hào)。包絡(luò)檢波器的電路簡(jiǎn)單，不需要相干載波，因而AM接收機(jī)幾乎無(wú)例外地采用這種電路?！纠?-2】

消息信號(hào)

的波形如圖4-14所示，試畫(huà)出DSB信號(hào)及其通過(guò)包絡(luò)檢波器后的波形，并與圖4-13中的AM信號(hào)通過(guò)包絡(luò)檢波器后的波形進(jìn)行比較。

解：DSB信號(hào)可表示為其波形及其通過(guò)包檢后的波形分別如圖4-15（a）和4-15（b）所示。

圖4-15DSB信號(hào)及其通過(guò)包檢后的波形

評(píng)注：DSB信號(hào)的檢波輸出不再是消息信號(hào)

的模樣，這表示DSB信號(hào)不能直接采用包絡(luò)檢波；而AM信號(hào)在滿足

的情況下可采用包絡(luò)檢波恢復(fù)

。圖4-14波形2.6線性調(diào)制的抗噪聲性能

1．分析模型由于信道加性噪聲主要對(duì)已調(diào)信號(hào)的接收產(chǎn)生影響，因而調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能可用解調(diào)器的抗噪聲性能來(lái)衡量。分析模型如圖4-16所示。

圖4-16分析模型BPF的作用是濾除已調(diào)信號(hào)頻帶以外的噪聲，其傳輸特性如圖：

圖4-17帶通濾波器的傳輸特性已調(diào)信號(hào)信道加性高斯白噪聲若假設(shè)

的單邊功率譜密度為

，則解調(diào)器輸入噪聲

的平均功率為

（4-2-20）此式對(duì)于各種調(diào)制方式都成立，只是帶寬B的大小不同而已。為了保證信號(hào)無(wú)失真通過(guò)的同時(shí)，又能最大限度地抑制噪聲，B應(yīng)等于已調(diào)信號(hào)的頻帶寬度。解調(diào)器可以是相干解調(diào)器（見(jiàn)圖4-12）—用于各種幅度已調(diào)信號(hào)的解調(diào)，或是包絡(luò)檢波器（見(jiàn)圖4-13）—用于AM信號(hào)的解調(diào)，或是鑒頻器—用于FM信號(hào)的解調(diào)。2．性能指標(biāo)輸出信噪比

（4-2-21）其值與調(diào)制方式有關(guān)，也與解調(diào)方式有關(guān)。傳輸語(yǔ)音信號(hào)要求So/No>26dB，傳輸電視圖像要求So/No>40dB。信噪比增益（也叫制度增益）：

（4-2-22）式中，

為解調(diào)器輸入信噪比：

（4-2-23）線性調(diào)制相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能線性調(diào)制（幅度調(diào)制）—DSB、SSB、VSB和AM信號(hào)均可采用相干解調(diào)器來(lái)接收。這時(shí)，圖4-24所示的分析模型中的解調(diào)器應(yīng)為相干解調(diào)器，如圖4-18所示。由于相干解調(diào)器滿足線性疊加，所以信號(hào)與噪聲可以分開(kāi)處理。圖4-18線性調(diào)制相干解調(diào)的抗噪聲性能分析模型設(shè)解調(diào)器的輸入已調(diào)信號(hào)

分別為

DSB信號(hào)：（4-2-24）SSB信號(hào)：（4-2-25）它與相干載波

相乘，再經(jīng)低通濾波器（LPF）濾去2分量后，得到解調(diào)輸出為對(duì)于DSB：

（4-2-26）對(duì)于SSB：

（4-2-27）因此，輸出信號(hào)平均功率為對(duì)于DSB：

（4-2-28）對(duì)于SSB：

（4-2-29）解調(diào)器的輸入噪聲

可表示為同相分量

與正交分量

的組合形式：

（4-2-30）它與相干載波

相乘后的結(jié)果為

=（4-2-31）經(jīng)過(guò)低通濾除2分量后，解調(diào)器輸出噪聲為

（4-2-32）輸出噪聲的平均功率為

（4-2-33）因?yàn)檎瓗г肼?/p>

及其同相分量

和正交分量

具有相同的平均功率，即

（4-2-33）所以

（4-2-34）注意：式（4-4-16）對(duì)于各種線性調(diào)制采用相干解調(diào)時(shí)都成立。只是接收DSB信號(hào)時(shí)

。由式（4-4-9）、式（4-4-10）及式（4-4-16）可得解調(diào)器的輸出信噪比

對(duì)于DSB：

（4-2-35）

對(duì)于SSB：

（4-2-36）接收SSB信號(hào)時(shí)而已。解調(diào)器輸入信號(hào)的平均功率可由

的均方值求得

對(duì)于DSB：

（4-2-37）

對(duì)于SSB：

（4-2-38）解調(diào)器輸入噪聲的平均功率與式（4-4-1）相同，即

（4-2-39）因此，解調(diào)器的輸入信噪比為

對(duì)于DSB：

（4-2-40）

對(duì)于SSB：

（4-2-41）信噪比增益為

（4-2-42）

（4-2-43）

討論：（1）DSB的制度增益為2，即解調(diào)器輸出信噪比是輸入信噪比的2倍，表示信噪比改善了一倍。這是因?yàn)橄喔山庹{(diào)過(guò)程中，輸入噪聲中的正交分量ns(t)被消除的緣故。（2）SSB的制度增益為1，表示信噪比沒(méi)有改善。這是因?yàn)镾SB信號(hào)和噪聲有相同表示形式（同相和正交），在相干解調(diào)過(guò)程中，信號(hào)和噪聲的正交分量均被抑制掉，所以信噪比沒(méi)有改善。（3），能否說(shuō)明DSB系統(tǒng)的抗噪聲性能比SSB系統(tǒng)好呢？不能，因?yàn)樵谏鲜龇治鲋?，兩者的輸入信?hào)功率、輸入噪聲功率和帶寬不同。如果給定相同的輸入信號(hào)功率Si和噪聲功率譜密度n0條件下，DSB和SSB的輸出信噪比是相同的，即兩者的抗噪聲性能一樣。（4）VSB系統(tǒng)的抗噪聲分析方法及結(jié)果與SSB相似。（5）AM系統(tǒng)的抗噪聲分析方法與DSB相似，分析結(jié)果為

（4-2-44）

圖4-19AM包絡(luò)檢波的抗噪聲性能分析模型設(shè)AM信號(hào)為

（4-2-45）式中，調(diào)制信號(hào)

的均值為0，且滿足

的條件。解調(diào)器輸入噪聲為

（4-2-46）則解調(diào)器輸入信號(hào)功率

和輸入噪聲功率

分別為

（4-2-47）

（4-2-48）AM包絡(luò)檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能故輸入信噪比為

（4-2-49）解調(diào)器輸入是信號(hào)加噪聲的合成波形，即

（4-2-50）其中

（4-2-51）為合成波的包絡(luò)，也是理想包絡(luò)檢波器的輸出。由式（4-4-32）可知，檢波輸出

中的信號(hào)與噪聲存在非線性關(guān)系。為了便于分析，考慮以下兩種特殊的輸入情況大信噪比情況小信噪比情況1．大信噪