中山通信原理-第3章-模擬調(diào)制系統(tǒng)

調(diào)制的定義：是按原始電信號(hào)的變化規(guī)律去改變載波某些參量的過(guò)程。

調(diào)制的方式：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制；正弦波和脈沖調(diào)制。調(diào)制的目的：進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上，從而提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。調(diào)制的種類(lèi)：AM、DSB-SC、SSB、VSB、FM和PM。2024/8/1211.1

幅度調(diào)制的原理

3.1.1幅度調(diào)制的一般模型

定義：用調(diào)制信號(hào)去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的過(guò)程。

2024/8/1223.1.2常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）

1.AM信號(hào)的表達(dá)式、頻譜及帶寬若假設(shè)濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)：為了保證包絡(luò)檢波時(shí)不發(fā)生失真，必須滿足2024/8/123

AM信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬為基帶信號(hào)帶寬的兩倍，即2024/8/124

2.AM信號(hào)的功率分配及調(diào)制效率已調(diào)信號(hào)功率為：調(diào)制效率：顯然，AM信號(hào)的調(diào)制效率總是小于1。例題2024/8/125

3.AM信號(hào)的解調(diào)調(diào)制的逆過(guò)程叫做解調(diào)。AM信號(hào)的解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡(luò)檢波解調(diào)。

（1）相干解調(diào)用一個(gè)低通濾波器，就無(wú)失真的恢復(fù)出原始的調(diào)制信號(hào)：

2024/8/126（2）包絡(luò)檢波法

電路由二極管D、電阻R和電容C組成。RC滿足條件：這時(shí)，包絡(luò)檢波器的輸出與輸入信號(hào)的包絡(luò)十分相近，即：

2024/8/1273.1.3抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）

1.DSB信號(hào)的表達(dá)式、頻譜及帶寬2024/8/128

DSB信號(hào)不能進(jìn)行包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)；除不含有載頻分量離散譜外，DSB信號(hào)的頻譜由上下對(duì)稱的兩個(gè)邊帶組成。故DSB信號(hào)是不帶載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬為基帶信號(hào)帶寬的兩倍。2.DSB信號(hào)的功率分配及調(diào)制效率顯然，DSB信號(hào)的調(diào)制效率為100%。

2024/8/1293.DSB信號(hào)的解調(diào)

DSB信號(hào)只能采用相干解調(diào)，則乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波器濾除高次項(xiàng)，得

2024/8/12103.1.4單邊帶調(diào)制（SSB）

由于DSB信號(hào)的上、下兩個(gè)邊帶是完全對(duì)稱的，皆攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此，從信息傳輸?shù)慕嵌葋?lái)考慮，僅傳輸其中一個(gè)邊帶就夠了。

1.SSB信號(hào)的產(chǎn)生

（1）率波法2024/8/12112024/8/1212（2）用相移法形成SSB信號(hào)可以證明，SSB信號(hào)的時(shí)域表示式為：式中，“－”對(duì)應(yīng)上邊帶信號(hào)，“+”對(duì)應(yīng)下邊帶信號(hào)；

是的希爾伯特變換。2024/8/12132.SSB信號(hào)帶寬、功率和調(diào)制效率3.SSB信號(hào)的解調(diào)

SSB信號(hào)的解調(diào)也不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)，2024/8/1214乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波后的解調(diào)輸出為2024/8/12153.1.5殘留邊帶調(diào)制（VSB）1.殘留邊帶信號(hào)的產(chǎn)生殘留邊帶調(diào)制是介于單邊帶調(diào)制與雙邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)制方式，它既克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬的問(wèn)題，又解決了單邊帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)的難題。在殘留邊帶調(diào)制中，除了傳送一個(gè)邊帶外，還保留了另外一個(gè)邊帶的一部分。2024/8/12162024/8/12172.殘留邊帶信號(hào)的解調(diào)2024/8/12183.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗操聲性能

本節(jié)將要研究的問(wèn)題是，信道存在加性高斯白噪聲時(shí)各種線性系統(tǒng)的抗噪性能。3.2.1通信系統(tǒng)抗噪性能分析模型2024/8/1219為窄帶高斯噪聲，可以表示為：其功率為：

2024/8/1220輸出信噪比定義為輸入信噪比人們常用信噪比增益作為不同調(diào)制方式下解調(diào)器抗噪性能的度量。它可以定義為：2024/8/12213.2.2線性調(diào)制相干解調(diào)的抗噪聲性能

1.DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能（1）輸出信號(hào)的功率

2024/8/1222（2）輸出噪聲的功率

解調(diào)器最終的輸出噪聲為2024/8/1223（3）輸出信號(hào)的功率解調(diào)器輸入信號(hào)平均功率為

解調(diào)器的輸入和輸出信噪比為

因而調(diào)制制度增益為2024/8/12242.SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能（1）輸出信號(hào)的功率

與相干載波相乘，并經(jīng)低通濾波器濾除高頻成分后，得解調(diào)器輸出信號(hào)和功率為：（2）輸出噪聲的功率

2024/8/1225（3）輸出信號(hào)的功率解調(diào)器輸入信號(hào)平均功率為解調(diào)器的輸出信噪比和調(diào)制制度增益為2024/8/1226

DSB解調(diào)器的調(diào)制制度增益是SSB的二倍。但不能因此就說(shuō)，雙邊帶系統(tǒng)的抗噪性能優(yōu)于單邊帶系統(tǒng)。具體分析如下：2024/8/12273.VSB調(diào)制系統(tǒng)的性能

VSB調(diào)制系統(tǒng)抗噪性能的分析方法與上面類(lèi)似。但是，由于所采用的殘留邊帶濾波器的頻率特性形狀可能不同，所以難以確定抗噪性能的一般計(jì)算公式。

3.2.3常規(guī)調(diào)幅包絡(luò)檢波的抗噪聲性能

AM信號(hào)可采用相干解調(diào)或包絡(luò)檢波，具體原理見(jiàn)圖。2024/8/1228解調(diào)器輸入信號(hào)為：輸入噪聲為：輸入的信號(hào)功率、噪聲功率和信噪比：

2024/8/1229解調(diào)器輸入的信號(hào)加噪聲的合成波形是：其中合成包絡(luò)：為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我們考慮兩種特殊情況。

（1）大信噪比情況

2024/8/1230輸出信號(hào)功率、噪聲功率和信噪比：調(diào)制制度增益：對(duì)于100％調(diào)制（即），且又是單音頻正弦信號(hào)時(shí)：

2024/8/1231（2）小信噪比情況

此時(shí)噪聲幅度遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)幅度，即得如下結(jié)論：在大信噪比情況下，AM信號(hào)包絡(luò)檢波器的性能幾乎與同步檢測(cè)器相同；但隨著信噪比的減小，包絡(luò)檢波器將在一個(gè)特定輸入信噪比值上出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)。一旦出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)，解調(diào)器的輸出信噪比將急劇變壞。

2024/8/12323.3角度調(diào)制（非線性調(diào)制）的原理及抗噪聲性能

線性調(diào)制不同，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。角調(diào)制可分為頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）。即載波的幅度保持不變，而載波的頻率或相位隨基帶信號(hào)變化。

2024/8/12333.3.1角度調(diào)制的基本概念角度調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為瞬時(shí)相位；瞬時(shí)相位偏移；瞬時(shí)頻率；瞬時(shí)頻偏。所謂相位調(diào)制，是指2024/8/1234調(diào)相信號(hào)可表示為：所謂頻率調(diào)制，是指瞬時(shí)頻率偏移隨基帶信號(hào)而線性變化，即則可得調(diào)頻信號(hào)為

可見(jiàn)，F(xiàn)M和PM非常相似，如果預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)的具體形式，則無(wú)法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)頻信號(hào)還是調(diào)相信號(hào)。2024/8/1235如果將調(diào)制信號(hào)先微分，再進(jìn)行調(diào)頻，則可得到調(diào)相信號(hào)；如果將調(diào)制信號(hào)先積分，再進(jìn)行調(diào)相，則可得到調(diào)頻信號(hào)。從以上分析可見(jiàn)，調(diào)頻與調(diào)相并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，兩者之間可以互換。

2024/8/12363.3.2窄帶調(diào)頻與寬帶調(diào)頻

根據(jù)調(diào)制后載波瞬時(shí)相位偏移的大小，可將頻率調(diào)制分為寬帶調(diào)頻（WBFM）與窄帶調(diào)頻（NBFM）。當(dāng)

時(shí)，稱為窄帶調(diào)頻。否則，稱為寬帶調(diào)頻。

1.窄帶調(diào)頻（NBFM）2024/8/1237經(jīng)推導(dǎo)可得NBFM信號(hào)的頻域表達(dá)式：將上式與AM信號(hào)的頻譜比較很相似進(jìn)行比較，它們的帶寬相同，即

2024/8/1238對(duì)于單頻調(diào)制的特殊情況，可以得到頻譜如下。

2024/8/12392.寬帶調(diào)頻（WBFM）為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，我們先研究單音調(diào)制的情況，然后把分析的結(jié)果推廣到多音情況。（1）單頻調(diào)制時(shí)寬帶調(diào)頻信號(hào)的頻域表達(dá)設(shè)單頻調(diào)制信號(hào)為則單音調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

2024/8/1240調(diào)頻指數(shù)為：

傅氏變換即為頻譜：從上式可以看到調(diào)頻信號(hào)的頻譜中含有無(wú)窮多個(gè)頻率分量。

（2）單頻調(diào)制時(shí)的頻帶寬度一個(gè)廣泛用來(lái)計(jì)算調(diào)頻波頻帶寬度的公式為：

2024/8/1241（3）單頻調(diào)制時(shí)的功率分配因?yàn)?，調(diào)頻信號(hào)雖然頻率在不停地變化，但振幅不變是個(gè)等幅波，而功率僅由幅度決定，與頻率無(wú)關(guān)，故它的功率即為：（4）任意限帶信號(hào)調(diào)制時(shí)寬帶調(diào)頻信號(hào)的帶寬頻偏比；最大頻率偏移2024/8/12423.3.3調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)

1.調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生（1）直接法

就是利用調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性變化。振蕩頻率由外部電壓控制的振蕩器叫做壓控振蕩器（VCO），它的輸出頻率正比于所加的控制電壓，即2024/8/1243（2）間接法

經(jīng)N次倍頻后可以使調(diào)頻信號(hào)的載頻和調(diào)制指數(shù)增為N倍。2024/8/12442.調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)

（1）非相干解調(diào)

最簡(jiǎn)單的解調(diào)器是具有頻率-電壓轉(zhuǎn)換作用的鑒頻器。

2024/8/1245理想鑒頻器可看成是微分器與包絡(luò)檢波器的級(jí)聯(lián)。則微分器輸出

用包絡(luò)檢波器取出其包絡(luò)，并濾去直流后輸出：

Kd稱為鑒頻器靈敏度。

（2）相干解調(diào)

2024/8/1246設(shè)窄帶調(diào)頻信號(hào)為：相干載波：

則乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得再經(jīng)微分，得輸出信號(hào)2024/8/12473.3.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能調(diào)頻系統(tǒng)抗噪性能分析與解調(diào)方法有關(guān)，這里只討論非相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪性能。1.輸入信噪比設(shè)輸入調(diào)頻信號(hào)為：2024/8/1248輸入信號(hào)功率：輸入噪聲功率：輸入信噪比：2.輸出信噪比及調(diào)制制度增益（1）大信噪比情況經(jīng)推導(dǎo)可以得到：寬帶調(diào)頻系統(tǒng)制度增益為：2024/8/1249下面考慮單頻調(diào)制時(shí)的情況，設(shè)調(diào)制信號(hào)為：，則這時(shí)的調(diào)頻信號(hào)為：式中解調(diào)器輸出信噪比：解調(diào)器制度增益：寬帶調(diào)頻時(shí)，信號(hào)帶寬為：2024/8/1250所以，上式還可以寫(xiě)成：（2）小信噪比情況與門(mén)限效應(yīng)

2024/8/12513.4各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較各種模擬調(diào)制方式總結(jié)（見(jiàn)表3-1）各種模擬調(diào)制方式性能比較

抗噪性能，WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM與AM接近。頻帶利用率，SSB最好，VSB與SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。

2024/8/12523.各種模擬調(diào)制方式的特點(diǎn)與應(yīng)用2024/8/12533.5