通信原理與通信技術（第五版）第1-6章 第2章 模擬調制

1講授：張衛(wèi)鋼通信原理與通信技術2024.8TEXTBOOK選用教材233微信公眾號02模擬調制4問題：為了便捷、長距離和高效、高質量地進行通信，需要利用無線電信號和頻分復用技術，那么，如何產生攜帶信息的無線電信號？如何進行頻分復用？CONTENT目錄抑制載波的雙邊帶調幅常規(guī)雙邊帶調幅AM和DSB的性能比較2.22.32.42.1殘留邊帶調制插入載波的包絡檢波頻分復用FDM2.62.72.82.5調制的概念單邊帶調制角調制2.9調制的功能與分類2.105結語2.116調制的概念2.1

通信原理課程所包含的主要知識可用“調制、解調；編碼、譯碼；同步”十個字概括，即“十字內容”是主干，其余內容大都是主干的延伸和擴展。因此，在學習過程中，只要抓住

“十字內容”這條主線，其他問題就會迎刃而解?！罢{制”是通信原理中一個重要概念，是一種信號處理技術。無論在模擬通信、數字通信還是數據通信中都扮演著重要角色。那么，為什么要對信號進行調制處理？什么是調制？如何實施調制呢？我們先看看下面的例子：7調制的概念2.1

在傳播人聲時，可以用話筒把人聲變成電信號，通過擴音機放大后再用揚聲器播放出去。但若還想將聲音傳得更遠一些，該怎么辦？我們會想到用電纜或無線電進行傳輸。這會出現兩個問題，一是敷設一條幾百甚至上千公里的電纜只傳一路話音信號，其傳輸成本之高、線路利用率之低，人們無法接受；二是利用無線電通信時，需滿足一個基本條件，欲發(fā)射信號的波長必須能與發(fā)射天線的幾何尺寸可比擬，該信號才能通過天線有效地發(fā)射出去（通常認為天線尺寸應大于波長的十分之一），而音頻信號頻率范圍是20Hz～20kHz，最短的波長為

可見，要將音頻信號直接用天線發(fā)射出去，其天線幾何尺寸即便按波長的百分之一取也要150米高（不包括天線底座或塔座）。因此，要想把音頻信號通過可接受的天線尺寸發(fā)射出去，就需要想辦法提高欲發(fā)射信號的頻率（頻率越高波長越短）。8調制的概念2.1

第一個問題的解決方法之一是在一個物理信道中對多路信號進行頻分復用；第二個問題的解決方法是把欲發(fā)射的低頻信號“搬”到高頻載波上去，或者說把低頻信號“變”成高頻信號。兩個方法有一個共同需求，就是要對信號進行調制處理。那么，什么是調制呢？

“調制信號”指欲傳遞的原始信號或基帶信號，比如聲音或圖像信號；“載波”是一種用來搭載調制信號的高頻周期信號，其本身沒有任何有用信息，比如正/余弦波或脈沖串。調制：讓載波某個（或幾個）參量隨調制信號的變化而變化的過程或方法。9調制的概念2.1

生活中，人們要把一件貨物運到幾千公里外的地方，就必須使用運載工具，或汽車、或火車、或飛機。在這里，貨物相當于調制信號，運載工具相當于載波。把貨物裝到運載工具上相當于調制，從運載工具上卸下貨物就是解調（見圖2-2）。從技術角度上看，調制過程就是調制信號對載波參量的控制過程。10如何對信號進行調制呢？設的傅氏變換（頻譜）為，則有

式（2.1-1）被稱為調制定理，是調制技術的理論基礎，其示意圖見圖2-3。即為調制信號，就是載波，被稱為已調信號。

（2.1-1）調制的概念2.111調制的概念2.112調制的概念2.1從圖2-3中可見，的振幅是隨低頻信號的變化而變化的，即將調制信號“放”的頻譜與的頻譜相比，只是幅值減半，形狀的頻譜搬移到到了載波的振幅參量上。從頻域上看，不變，相當于將處。

通過調制，就可以將多路調制信號分別調制到不同頻率的載波上去，只要它們的頻譜在頻域上不重疊，就能夠想辦法把它們分別提取出來，實現頻分復用。同樣，也可將一低頻信號調制到一個高頻載波上去，完成“低”到“高”的頻率變換，從而可以通過幾何尺寸合適的天線將信號發(fā)射出去。

幅度調制技術主要用于解決通信中大容量和長距離傳輸（包括無線傳輸）的問題。幅度調制：讓載波幅度隨調制信號的變化而變化的過程或方法。簡稱調幅。注意：此時要求的均值為零，即不含直流。13抑制載波的雙邊帶調幅2.22.2.1DSB信號調制

在圖2-3中，調制信號與載波直接相乘后的頻譜已經沒有了載波頻譜中的沖激分量，在載頻兩邊是完全對稱的調制信號頻譜，小于載頻的部分叫下邊帶頻譜，大于載頻的部分叫上邊帶頻譜。這種已調信號的頻譜中包含上、下兩個邊帶且沒有沖激分量的調幅方法被稱為抑制載波的雙邊帶調幅，簡記為DSB。DSB信號可直接用乘法器產生，其調制模型見圖2-4。若定義基帶信號的頻帶寬度為，則的頻譜帶寬為

（2.2-1）142.2.2DSB信號解調抑制載波的雙邊帶調幅2.2

在收信端如何從已調信號中恢復調制信號（原始信號）？從圖2-3中可以看到已調信號的幅值雖然隨調制信號的變化而變化，但其時域波形與調制信號并不一樣，收信端必須想辦法從中提取出調制信號。解調方法不止一種，對于DSB信號的解調通常采用相干解調法。從三角函數變換公式中可知：解調：從已調信號中恢復出調制信號的過程或方法。15抑制載波的雙邊帶調幅2.2

從通信的角度上看，上式中兩個余弦信號相乘與調制過程相似，可以看成對一個信號（載波）用另一個同頻同相的載波進行一次“調制”，即可得到一個直流分量和一個二倍于載頻的載波分量。相干解調正是利用這一原理。請看下式

該式表明，收信端只要對接收到的DSB信號再用本地載波“調制”一下，即可得到含有原始信號分量的已調信號。對于上式中的二倍頻載波分量，可以用一個低通濾波器濾除掉，剩下的就是原始信號分量。16抑制載波的雙邊帶調幅2.2相干解調：在收信端利用本地載波對已調信號先相乘再濾波的解調過程或方法。

因相干解調技術比較復雜，故要保證本地載波與發(fā)送載波同頻同相，否則，解調任務難以完成。這就引出了載波“同步”問題。

這種在收信端利用本地載波對已調信號直接相乘，然后再濾波的解調的方法叫相干解調或同步解調，其原理見圖2-5。17常規(guī)雙邊帶調幅2.32.3.1AM信號的調制在DSB信號中，已調信號的時域波形與調制信號并不一樣，其波形在幅值的形狀上（包絡上）部分地與調制信號相同，即已調信號的包絡只與調制信號正值部分成正比關系。那么能不能想辦法讓已調信號在包絡上完全與調制信號成正比呢？回答是肯定的。

從圖2-3可知，若調制信號沒有負值，則已調信號的包絡就完全與調制信號的幅值變化成正比。那么如何使具有負值的調制信號變?yōu)闆]有負值呢？方法很簡單，給調制信號加上一個大于或等于其最小負值絕對值的常數即可。

從波形上看，就是將調制信號向上移一個A值，而A值不能小于調制信號的負最大值。將上移后的信號再與載波相乘，即可得到包絡與調制信號幅值變化成正比的已調信號?？啥x常規(guī)雙邊帶幅度調制：通過加常數將調制信號變?yōu)闆]有負值的調幅方法。

簡記為AM，其具體過程見圖2-6。18常規(guī)雙邊帶調幅2.3設調制信號為，其頻譜為，即有，設載波為則已調信號（2.3-1）數學推導如下：19常規(guī)雙邊帶調幅2.3其頻譜為顯然，已調信號的頻譜帶寬為

（2.3-3）

（2.3-2）20常規(guī)雙邊帶調幅2.321常規(guī)雙邊帶調幅2.32.3.2AM信號解調

比較DSB與AM信號的頻譜和時域波形可以發(fā)現，在頻譜上AM信號比DSB信號多了載波分量即沖激分量，表明AM信號在發(fā)射時要比DSB信號多發(fā)送一個載波分量，即在邊帶信號功率相同的情況下，AM信號的發(fā)射功率要比DSB信號大。由于載波中并不包含有用信息，所以發(fā)送載波對信息的傳送沒有意義，而且造成功率浪費。那么多用一些功率發(fā)射載波分量有什么好處呢？答案是其優(yōu)點體現在解調上。

根據相干解調的原理，AM信號也可以采用相干解調法解調。但之所以要多“浪費”一些功率去發(fā)射沒有信息的載波分量，就是要在解調上“揀個便宜”，而這個“便宜”就是包絡解調法或叫包絡檢波法。22常規(guī)雙邊帶調幅2.3

包絡檢波器非常簡單，只用一個二極管、一個電容和一個電阻三個元器件即可。二極管用來半波整流，即將AM信號的負值部分去掉，而保留正值部分，并為電容的充電提供通路；電阻的作用是為電容的放電提供回路。注意，二極管的輸出波形與電容兩端的電壓波形應該是一樣的，圖中的二極管輸出波形是不考慮后面接電容時的波形，目的是為了說明解調原理。23常規(guī)雙邊帶調幅2.3【例2-1】畫出圖2-8所示原始（基帶）信號的DSB和AM波形以及通過包絡檢波后的波形，并說明包絡檢波后的波形差別。解：該信號的DSB、AM、DSB的解調波形和AM的解調波形分別如圖2-9的a、b、c、d所示。顯然，DSB的解調波形包絡與原信號相比，已嚴重失真，而AM的解調波形包絡沒有變化，說明DSB信號不能直接采用包絡檢波。24常規(guī)雙邊帶調幅2.325AM和DSB的性能比較2.4AM和DSB調制雖然都屬于幅度調制的范疇，但在性能上各有千秋。這里主要從發(fā)射效率和總的使用成本兩個方面加以比較。把邊帶發(fā)射功率與總發(fā)射功率之比定義為調制效率的話，即（2.4-1）

可以證明，AM調制的最高調制效率為50%；DSB的調制效率為100%。也就是說，在同等信號功率的前提下，AM的總功率至少要大于或等于DSB總功率的二倍。26

雖然從發(fā)送信息的角度上看，AM的成本較高，技術較復雜，但卻因為解調電路簡單而給信息接收者帶來了實惠和便利。信息接收者越多，這種效益越明顯。因此，在總的使用成本上AM調制要比DSB低。大家所熟悉的無線電廣播（點到多點）就是采用AM調制。DSB的發(fā)射系統(tǒng)雖然比AM經濟，但它的接收機卻比較復雜，因此，一般多用于一些不在乎成本的專用通信中。AM和DSB的性能比較結果告訴我們一個淺顯但卻重要的辯證法原理：

任何事物都是一分為二的。正所謂：甘蔗沒有兩頭甜。AM和DSB的性能比較2.427

從上述的雙邊帶（AM和DSB）調制中可知，上下兩個邊帶是完全對稱的，即兩個邊帶所包含的信息完全一樣，那么在傳輸時，實際上只傳輸一個邊帶就可以了，而雙邊帶傳輸顯然浪費了一個邊帶所占用的頻段，降低了頻帶利用率。對于通信而言，頻率點或頻帶是非常寶貴的資源。因此，為了克服雙邊帶調制這個缺點，人們又提出了單邊帶調制的概念。

從結果上看，單邊帶調制SSB就是只傳送雙邊帶信號中的一個邊帶（上邊帶或下邊帶）。因此，產生SSB信號最直接的方法就是從雙邊帶信號中濾取一個邊帶信號即可。這種方法稱為濾波法，是最簡單、最常用的方法。圖2-10是濾波法模型圖。單邊帶調制2.528單邊帶調制2.5可以用單邊帶信號的頻譜圖來說明濾波法的原理（見圖2-11）。29單邊帶調制2.5若保留上邊帶，則應具有高通特性如圖2-12（b）。

單邊帶信號的頻譜如圖2-12（c）所示。（2.5-1）若保留下邊帶，則應具有低通特性如圖2-12（d）。

單邊帶信號的頻譜如圖2-12（e）所示。

（2.5-2）30單邊帶調制2.5下面看一下單邊帶調制的時域表達式。設調制信號為單頻正弦型信號載波信號為則DSB信號為

（2.5-3）上邊帶信號為下邊帶信號為

（2.5-5）

（2.5-4）31單邊帶調制2.5SSB調制的優(yōu)點：受多徑傳播引起的選擇性衰落的影響比DSB調制??；頻帶利用率比DSB調制高；所需發(fā)射功率也比DSB調制小；保密性強，普通調幅接收機不能接收SSB信號。

主要缺點：接收機需要復雜且精度高的自動頻率控制系統(tǒng)來穩(wěn)定本地載波的頻率和相位。另外，對于低通型調制信號（含有直流或低頻分量的信號）用濾波法調制的時候，要求濾波器的過渡帶非常窄，即濾波器的邊緣必須很陡峭，而在實際工程中，濾波器很難達到這樣的要求，否則，產生的單邊帶信號，要么頻帶不完整，要么多出一部分另一個邊帶的信號。對于帶通型調制信號而言，只要載頻相對于調制信號最低頻率分量的頻率不要太大，濾波法就可以實現SSB調制，否則，就必須采用多級調制的方法降低每一級調制對濾波器過渡帶的要求，從而完成SSB信號的產生。32產生SSB信號還可采用的一種方法叫做移相法，模型圖見圖2-12。SSB信號不能用簡單的包絡解調法進行解調，通常采用相干解調法。SSB主要用于遠距離固定業(yè)務通信，在特高頻散射通信、車輛和航空通信方面也有應用。單邊帶調制2.533殘留邊帶調制2.6

低通型調制信號由于上、下邊帶的頻譜靠得很近甚至連在一起，所以用濾波器很難干凈徹底地分離出單邊帶信號，甚至得不到單邊帶信號。而在現實生活中，有很多情況需要傳送低通型調制信號，比如電視的圖像信號（頻帶為0～6MHz）。那么如何解決SSB中濾波器的難度問題和DSB的頻帶利用率低的矛盾呢？

人們想了一個折衷的方法，既不用DSB那么寬的頻帶，也不用SSB那么窄的頻帶傳輸已調信號，而在它們之間取一個中間值，使得傳輸頻帶既包含一個完整的邊帶（上邊帶或下邊帶）又有另一個邊帶的一部分，從而形成一種新的調制方法——殘留邊帶調制VSB。VSB調制可以采用移相法或濾波法，通常多采用濾波法，如圖2-13所示。殘留邊帶信號頻譜示意圖如圖2-14所示。34殘留邊帶調制2.6

為了在收信端能夠無失真地恢復出調制信號，對殘留邊帶濾波器有一個要求：

其傳輸函數在載頻附近必須具有互補對稱特性。VSB信號的解調和SSB信號一樣也不能用包絡檢波，而要采用相干解調法（見圖2-5）。從圖2-14可見，已調信號的頻譜帶寬為

（2.6-1）

從圖2-13可看出VSB和SSB在原理上差不多。35殘留邊帶調制2.636殘留邊帶調制2.6下面通過解調公式的推導，證明在載頻附近必須具有互補對稱特性。

從圖2-14中得到VSB信號的頻譜為：（2.6-1）在圖2-5中，設輸入信號為，是乘法器的輸出，則其頻譜為

（2.6-2）將式（2.6-1）代入式（2.6-2）可得37殘留邊帶調制2.6

（2.6-3）如果能選擇合適截止頻率的低通濾波器將上式中第二個中括號項濾除掉，則有

（2.6-4）38殘留邊帶調制2.6可見，要想使還原為，就需要與成比例，即要求（2.6-5）式中C為常數。圖2-16以低通濾波器為例圖解了上式的幾何意義。即在與的交界處兩個曲線互補，使得曲線在交界處為水平直線。圖中是一個頻移傳輸函數過渡帶的上半部分和另一個頻移傳輸函數過渡帶的下半部分互補，實際上也意味著原傳輸函數過渡帶的上、下部分互補對稱。39殘留邊帶調制2.6

通常把濾波器的邊緣形狀（過渡帶）稱為滾降形狀。滿足互補的滾將形狀有多種，常用的是直線滾降和余弦滾降。它們分別在電視信號和數據信號的傳輸中得到應用。我國目前的電視節(jié)目音頻信號采用調頻方法、視頻（圖像）信號采用殘留邊帶方式傳輸。40插入載波的包絡檢波2.7

DSB、SSB和VSB信號都不能采用簡單的包絡檢波法進行解調，只能采用實現難度大、成本高的相干解調法。顯然，這給上述三種調制技術的廣泛應用帶來了困難。因此，人們通過研究發(fā)現，如果插入很強的載波，則上述三種調制仍然可用包絡檢波法進行解調。在圖2-16中，是DSB、SSB或VSB信號；是幅度很大的載波；是包絡檢波器的輸出信號。41插入載波的包絡檢波2.7可以證明只要插入載波的幅值足夠大，就會與調制信號

強載波可以在發(fā)射端加入，也可在接收端插入。顯然在發(fā)射端插入對廣大的信號接收者有益。因此，在廣播電視系統(tǒng)中為使接收機結構簡單、成本低廉，都是在發(fā)射時插入強載波。很近似。42

頻分復用FDM是調制技術在通信領域中的典型應用，它通過對多路調制信號進行不同載頻的調制，使得多路信號的頻譜在同一個信道的頻率特性（通頻帶）中互不重疊，從而完成在一個信道中同時傳輸多路信號的任務。頻分復用FDM2.8設有三路語音信號、、要通過一個通頻帶大于24kHz的信道從甲方傳輸到乙方（已知三路語音信號的頻帶均為0～4kHz）。43頻分復用FDM2.8為幫助理解，用圖2-17描述頻分復用與解復用全過程，對應的頻譜如圖2-18所示。44頻分復用FDM2.845頻分復用FDM2.8

大家會發(fā)現上述頻分復用通信的信號是單向傳輸的（單工方式），那么如何完成雙工通信呢？這就需要在通信的雙方再加一套同樣的頻分復用系統(tǒng)，但位置要倒過來；信道可以采用同一信道，但調制頻率必須改變，保證兩個方向傳輸的頻譜不重疊。

生活中最常見的頻分復用實例是有線電視系統(tǒng)（CATV）。有線電視臺將多套電視節(jié)目頻分復用在一條同軸電纜上傳送（目前部分主干線采用光纖傳輸）給用戶，用戶利用遙控器就可通過電視機內部的調諧電路（與收音機類似）選出所喜愛的節(jié)目（解頻分復用）。對于我們熟悉的無線電廣播和電視系統(tǒng)，在收信端（收音機和電視機）可以認為是“解頻分復用”，但在發(fā)信端，因為各電臺/電視臺不在一起且各行其是，缺少一個統(tǒng)一復用的過程，所以，它們不是嚴格意義上的頻分復用系統(tǒng)。46角調制2.92.9.1角調制的概念AM、DSB、SSB和VSB都是幅度調制，即把欲原始信號調制到載波的幅值上，而一個正弦型信號由幅度、頻率和相位三要素構成，既然幅度可以作為調制信號的載體，那么其它兩個要素（參量）是否也可以承載調制信號呢？回答是肯定的，這就是下面要介紹的頻率調制FM和相位調制PM，統(tǒng)稱為角調制。

我們知道，正弦型載波的一般表達式為設

（2.9-1）47則稱為載波的瞬時相位，稱為初始相位。若對求導則可得（2.9-2）可見，瞬時相位的導數即為瞬時角頻率（用表示），換句話說，正弦型信號的瞬時相位與瞬時角頻率成微積分關系。若初相不是常數而是t的函數，則稱為瞬時相位偏移。稱為瞬時頻率偏移。角調制2.9式（2.9-1）變?yōu)椋?.9-3）2.9.1角調制的概念48角調制2.9式（2.9-2）變?yōu)?/p>

（2.9-4），則有設調制信號為（2.9-5）式中，為比例常數（相移常數），為調相信號。相位調制：讓瞬時相位偏移隨調制信號的變化而變化的過程或方法。2.9.1角調制的概念49角調制2.9，則有設調制信號為（2.9-6）式中，為比例常數（頻偏常數），為調頻信號。從式（2.9-5）和（2.9-6）可知，不管是調頻還是調相，調制信號的變化最終都反映在瞬時相位的變化上（統(tǒng)稱為角調制的原因）。故從已調信號波形上分不出是調相信號還是調頻信號。

仿照相位調制，可以定義：頻率調制：讓瞬時頻率偏移隨調制信號的變化而變化的過程或方法。2.9.1角調制的概念50角調制2.9下面以單頻余弦調制信號為例，給出PM信號和FM信號的示意圖（見圖2-19）。設則有（2.9-7）（2.9-8）式中和分別被稱為調相指數和調頻指數。

，它指的是載波頻率在調制信號

的控制下產生的相對于的最大偏移量。

載波原頻率2.9.1角調制的概念51角調制2.92.9.1角調制的概念52角調制2.9【例2-2】已知一調制器的輸出為，頻偏常數求：（1）載頻；（2）調頻指數；（3）最大頻偏；（4）調制信號。【解】（1）、（2）

與式（2.9-8）相比，可得，（3）因為所以2.9.1角調制的概念53角調制2.9（4）因為將與式（2.9-8）比較，則可得答：載頻500kHz；調制指數8；最大頻偏4kHz；。2.9.1角調制的概念54角調制2.9從式（2.9-5）和（2.9-6）可看出，調相信號與調頻信號在數學上只差一個積分運算，也就是說，先進行一次積分運算，然后再進行調相，則調相器的輸出就變成了調頻信號；進行微分再調頻，則調頻器的輸出就變成了調相信號。

若對調制信號反之，若先對由于調頻和調相存在這種天然的“血緣”關系，它們在理論和技術上有著很多相似的地方，所以，我們只介紹和討論有關調頻的知識。2.9.1角調制的概念55角調制2.92.9.2窄帶角調制和寬帶角調制根據已調信號瞬時相位偏移的大小，角調制可分為窄帶角調制和寬帶角調制兩種。所謂“窄帶”和“寬帶”指的是信號頻譜的相對寬度。通常把調制指數（)和遠遠小于1的調制稱為窄帶調制，反之，稱為寬帶角調制。

而調制指數遠遠小于1與最大瞬時相位偏移小于30度等價，因此，窄帶和寬帶之分也可用最大瞬時相位偏移作為標準，即（2.9-9）56角調制2.9NBFM的頻譜與AM的很相似（見圖2-21），其帶寬也是調制信號最高頻率分量的兩倍。與AM頻譜的主要不同有兩點：（1）下邊頻的相位與上邊頻相反（正、負頻率分量相差180o）；（2）正、負頻率分量分別乘有因式和。

單頻寬帶調頻的頻譜包含有載波、各次邊帶諧波及各種交叉調制諧波，形成一個帶寬無限且頻譜對稱分布于載頻兩側的結構；盡管寬帶調頻信號的頻譜為無限寬，但其頻譜的主要成分集中于載頻附近的有限帶寬內。因此，單頻寬帶調頻同樣具有有限的帶寬，計算公式為

（2.9-10）是調頻信號帶寬，是調制信號頻率，是最大頻偏。該式被稱為卡森公式。2.9.2窄帶角調制和寬帶角調制57角調制2.9【例2-3】一個2MHz載波被一個10kHz單頻正弦信號調頻，峰值頻偏為10kHz，求：調頻信號的頻帶帶寬；調制信號幅度加倍后調頻信號的帶寬；調制信號頻率加倍后調頻信號的帶寬；

【解】根據題意有，（1）則由式（2.9-10）可得再由式（2.9-10）可得2.9.2窄帶角調制和寬帶角調制58角調制2.9（2）因為所以，調制信號幅度加倍意味著加倍，即。則由式（2.9-10）可得（3）若調制信號頻率加倍，即，則由式（2.9-10）可得答：（1）調頻信號帶寬為40kHz；（2）、（3）調頻信號帶寬為60kHz。2.9.2窄帶角調制和寬帶角調制59角調制2.92.9.2窄帶角調制和寬帶角調制60角調制2.92.9.3調頻信號的產生與解調

調頻信號的產生一般有直接調頻法和間接調頻法兩種。直接調頻法是利用壓控振蕩器VCO作為調制器，調制信號直接作用于壓控振蕩器使其輸出頻率隨調制信號變化而變化的等幅振蕩信號，即調頻信號，見圖2-22。61

間接法（圖2-23）不是直接用調制信號去改變載波的頻率，而是先將調制信號積分再進行調相，繼而得到調頻信號。角調制2.9

如果希望從窄帶調頻變?yōu)閷拵д{頻，可用倍頻法，該方法的原理是在上述間接調頻法的基礎上，再在后面加一級倍頻電路即可，該方法又叫阿姆斯特朗（Armstrong）法。2.9.3調頻信號的產生與解調62角調制2.9

角調制信號與調幅信號一樣需要用解調器進行解調，但一般把調頻信號的解調器稱為鑒頻器，把調相信號的解調器稱為鑒相器。這里只介紹鑒頻器。

設一調頻信號為該信號的瞬時角頻率為從上式中可以看到，若在收信端能夠從調頻信號中取出，再想辦法去掉項，就可以，這就是鑒頻器的設計思路。得到調制信號2.9.3調頻信號的產生與解調63角調制2.9對調頻信號求導（2.9-11）因為調制信號只要對該信號進行包絡檢波即可恢復出調制信號。

的全部信息不但反映在該信號的頻率上而且也反映在包絡上，所以，由此得到鑒頻器需要由微分器和包絡檢波器組成的結論。2.9.3調頻信號的產生與解調64角調制2.9鑒頻器的輸入輸出關系可用鑒頻特性曲線來描述。直線段的斜率為鑒頻靈敏度對于窄帶調頻信號還有一種相干解調法，原理框圖見圖2-26。2.9.3調頻信號的產生與解調65角調制2.92.9.4頻率調制的特點頻率調制主要解決通信中的可靠性問題，其突出優(yōu)點是抗干擾能力強?？梢宰C明，寬帶調頻信號解調后輸出的信噪比遠遠大于調幅信號的信噪比。窄帶調頻的帶寬雖然與調幅信號相同，抗干擾性能比不上寬帶調頻，但比調幅信號還是要好。

頻率調制因其抗干擾性能好而廣泛地應用于高質量通信或信道噪聲較大的場合，比如，調頻廣播、電視伴音、移動通信、模擬微波中繼通信等。信噪比增益：（解調器輸出的調制信號平均功率與噪聲平均功率之比）與（解調器輸入的已調信號平均功率與噪聲平均功率之比）的比值。也稱制度增益。（2.9-12）66角調制2.92.9.5輸出信噪比與信道帶寬的關系

頻率調制的輸出信噪比高的優(yōu)點是以增加頻帶寬度為代價的。那么為什么加大信號頻帶寬度可以提高信噪比呢？我們以一個理想通信系統(tǒng)（圖2-27）為例加以說明（理想通信系統(tǒng)的概念在1.7.2節(jié)中）。67角調制2.9假定輸入端的信號帶寬為，信息傳輸速率為。此信號經過理想調制（或編碼）后的帶寬變?yōu)锽。根據香農公式，這時到達理想解調器（或理想譯碼器）輸入端的信息速率為式中是信道輸出信噪比。理想解調器將把帶寬為B的信號解調（還原）為帶寬為的信號，且其輸出信號的信息可表示為傳輸速率必須與輸入信號的相等。因此，解調器輸出信息速率2.9.5輸出信噪比與信道帶寬的關系68角調制2.9這里，是解調器輸出端的信號和噪聲的功率比。于是可得由于實際上信噪比往往都遠遠大于1，所以上式變?yōu)?/p>

（2.9-12）2.9.5輸出信噪比與信道帶寬的關系69角調制2.9可見，在理想系統(tǒng)中，輸出信噪比隨帶寬B按指數規(guī)律增加。也就是說，通過增加信號帶寬（也意味著必須同時增加信道帶寬）能明顯改善信噪比。雖然所有的實際系統(tǒng)在實現帶寬和信噪比的互換上，都不能達到理想系統(tǒng)的水平，但都會有程度不同的提高或改善。

幅度調制相當于把貨物裝在一輛大汽車上運輸，而頻率調制可理解為把貨物分散裝在并排行駛的多輛小汽車上。顯然，一輛車占用的道路寬度小于多輛車占用的寬度，因此，傳輸調頻信號需要更大的信道通頻帶。2.9.5輸出信噪比與信道帶寬的關系調頻信號的頻譜比調幅信號寬，故其抗干擾能力比調幅信號強，但需要加大系統(tǒng)通頻帶。70為了加深對信噪比的理解，表2-1給出常見模擬系統(tǒng)需要的輸出信噪比。角調制2.92.9.5輸出信噪比與信道帶寬的關系表2-1常見模擬通信系統(tǒng)需要的輸出信噪比信號類型頻率范圍輸出信噪比（dB）可聽懂的聲音500Hz～2kHz5～10電話話音300Hz～3.4kHz25～35AM廣播100Hz～5kHz40～50高保真聲音20Hz～20kHz55～65電視圖像60Hz～4.2MHz45～55

如果以哲學觀點看，在模擬通信系統(tǒng)這個矛盾體中，主要的有效性與可靠性矛盾具體表現在信號功率與傳輸帶寬的關系上。幅度調制用大信號功率得到高可靠性和多信道，而頻率調制用大傳輸帶寬（少信道）和小信號功率換取高可靠性。正所謂“魚與熊掌不可兼得”。712.10.1調制的功能調制的功能、分類及性能比較2.10調制技術有三大功能：（1）頻率變換。把低頻信號變換成高頻信號以利于無線發(fā)送或在信道中傳輸。關于無線發(fā)送的條件前面已經講過；在信道中傳輸主要指有線通信中的高頻對稱電纜要求傳輸信號的頻率為12kHz～252kHz，顯然，頻率為0.3kHz～3.4kHz的話音信號（考慮保護帶，通常將帶寬定義為4kHz）不能直接在其中傳輸，必須經過調制。（2）信道復用。信號必須通過信道才能傳輸，而每一種物理信道的頻率特性一般都比所傳的基帶信號帶寬要大很多（比如同軸電纜的帶寬約為0Hz～400MHz，若只傳送一路普通話音信號，則顯得非常浪費?。?，但若對信號不加處理，直接傳輸多路話務信號又會造成相互干擾，致使收信端無法分清各路信號，因此必須用調制技術才能使多路信號在一個信道中同時傳輸，實現信道多路復用。722.10（3）改善系統(tǒng)性能。從香農公式中可知，當一個通信系統(tǒng)的信道容量一定時，其信道帶寬和信噪比可以互換，即為了某種需要可以降低信噪比而提高帶寬，也可降低帶寬而提高信噪比。這種互換可以通過不同的調制方式來實現。比如當信噪比比較低時，可選擇寬帶調頻方式增加信號的帶寬以提高系統(tǒng)的抗干擾能力（提高信息傳輸的可靠性）。調制的功能、分類及性能比較2.10.1調制的功能732.10（1）線性調制——是指已調信號的頻譜與調制信號的頻譜之間滿足線性關系的調制。比如，調制器，若調制信號為時，已調信號為，調制信號為時，已調信號為，當調制信號為時，已調信號為調制器為線性調制器，通過線性調制器進行的調制即為線性調制。

對于一個傳輸函數為，則稱

線性調制的特點是已調信號的頻譜與調制信號的頻譜相比，在形狀上沒有變化，即不改變調制信號的頻譜結構，但在頻譜的幅值上差一個倍數（一般來說，該倍數小于1，若調制器具有放大作用，則倍數大于1）。另外，線性調制過程在數學上可以用調制信號與載波直接相乘得到。AM、DSB、SSB和VSB都是線性調制。2.10.2調制的分類調制的功能、分類及性能比較74（2）非線性調制——不滿足線性調制條件的調制就是非線性調制。非線性調制的已調信號頻譜已不再是調制信號頻譜的形狀，也不能只用一個常數描述頻譜之間的關系。非線性調制在數學上不能用調制信號與載波直接相乘進行描述。FM和PM調制都是非線性調制。

在實際工程應用中，還經常將幾種調制結合起來使用，即所謂復合調制方式，比如多進制數字調制中的調幅調相法（也就是調制定義中將信號調制在載波的幾個參量上）。2.102.10.2調制的分類調制的功能、分類及性能比較752.10表2-1常用調制技術及其用途調制方式主要用途連續(xù)波調制線性模擬調制常規(guī)雙邊帶調制