1、LOGO第第2章章 模拟调制系统模拟调制系统本章主要内容本章主要内容幅度调制的原理幅度调制的原理 2.1线性系统的抗噪声性能线性系统的抗噪声性能 2.2非线性调制原理非线性调制原理 2.3调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能 2.4各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较 2.5频分复用和调频立体声频分复用和调频立体声 2.6调制的概念调制的概念调制的功能调制的功能 1调制的定义调制的定义2调制的分类调制的分类 3调制的功能调制的功能v我们通常把消息经过适当处理后所得到的原我们通常把消息经过适当处理后所得到的原始信号称为基带信号，这种信号不能在信道始信号称为基带信号，这种信号不能在信道
2、中直接进行传输吗？中直接进行传输吗？模拟通信系统模型为什么要调制？为什么要调制？为什么要调制？为什么要调制？v频率在3003000Hz是人们日常交流最常用的声音频率范围，我们以3000Hz为例，计算它的波长。85/3 10/300010cfm sHzm v天线的长度要大于信号波长的1/10，才能有效地辐射电磁波，可计算出天线的长度为：541101010Tmm为什么要调制？为什么要调制？减小天线长度减小天线长度 减小信号波长减小信号波长 增大信号频率增大信号频率 调调 制制 如何减少天线的长度呢？如何减少天线的长度呢？为什么要调制？为什么要调制？调制的概念调制的概念调制信号调制信号载波信号载波信
3、号已调信号已调信号调制的概念调制的概念调制的概念调制的概念调制的功能调制的功能v频谱变换频谱变换 v实现信道的复用实现信道的复用 v改善系统性能改善系统性能 v实现频率分配实现频率分配 调制的基本作用是频率搬移，通过调制将信号频谱搬移到所需要的位置。通过调制，可使实现在一个信道里同时传输多个信号。将信号变换，使它占据较大的带宽，它将具有较强的抗干扰性。通过调制将各类业务的信号搬移到所分配的频谱位置，使之相互间不干扰。调制的定义调制的定义v 基本概念 调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义调制 分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。狭义调制 仅指带通调制。在无线通信和其他大多
4、数场合，调制一词均指载波调制。调制信号 指来自信源的基带信号 载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程。载波 未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已调信号 载波受调制后称为已调信号。解调（检波）调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。调制的分类调制的分类幅度调制幅度调制 频率调制频率调制 相位调制相位调制 以调制信号去控制载波的幅度变化以调制信号去控制载波的幅度变化 以调制信号去控制载波的频率变化以调制信号去控制载波的频率变化 以调制信号去控制载波的相位变化以调制信号去控制载波的相位变化 调制的分类调制的分类（1）按调制信号）按调制信号m(t)的类型分：
5、模拟调制和数字调制的类型分：模拟调制和数字调制（2）按载波信号）按载波信号c(t)的类型分：连续波调制和脉冲调制的类型分：连续波调制和脉冲调制（3）按调制器的不同功能分：幅度调制、频率调制和相位调）按调制器的不同功能分：幅度调制、频率调制和相位调制制（4）按调制器的传输函数分：线性调制和非线性调制）按调制器的传输函数分：线性调制和非线性调制（5）按已调信号占用带宽分：窄带调制、宽带调制和扩频调）按已调信号占用带宽分：窄带调制、宽带调制和扩频调制制幅度调制幅度调制根据频谱特性的不同根据频谱特性的不同常规调幅常规调幅 抑制载波抑制载波双边带调幅双边带调幅 单边带调幅单边带调幅 残留边带调幅残留边带
6、调幅 第2章 模拟调制系统v2.1幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理 一般原理 表示式：设：正弦型载波为式中，A 载波幅度；c 载波角频率；0 载波初始相位（以后假定0 0）。则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成式中，m(t)基带调制信号。0()coscc tAt()()cosmcstAm tt第2章 模拟调制系统 频谱设调制信号m(t)的频谱为M()，则已调信号的频谱为 由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常
7、又称为线性调制线性调制。但应注意，这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。()()()2mccASMM第2章 模拟调制系统 2.1.1调幅（调幅（AM）时域表示式式中 m(t)调制信号，均值为0；A0 常数，表示叠加的直流分量。频谱：若m(t)为确知信号，则AM信号的频谱为若m(t)为随机信号，则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述。调制器模型00()()coscos()cosAMcccstAm ttAtm tt01()()()()()2AMccccSAMM 第2章 模拟调制系统 波形图 由波形可以看出，当满足条件：|m(t
8、)|A0 时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原 始调制信号。否则，出现“过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波。第2章 模拟调制系统第2章 模拟调制系统 频谱图 由频谱可以看出，AM信号的频谱由载频分量上边带下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带第2章 模拟调制系统 AM信号的特性 带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽 fH 的两倍：功率：当m(t)为确知信号时，若则式中Pc=A02/2 载波功率，边带功率。HAMfB2222
9、02222200()()coscos()cos2()cosAMAMccccPstAm ttAtm ttA m tt0)(tmScAMPPtmAP2)(22202/)(2tmPs第2章 模拟调制系统 调制效率 由上述可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率：当m(t)=Am cos mt时，代入上式，得到当|m(t)|max=A0时（100调制），调制效率最高，这时max 1/3 2220SAMAMmtPPAmt22()/2mmtA 222222002mAMmmtA
10、AAAmt第2章 模拟调制系统 2.1.2 双边带调制（DSB）时域表示式：无直流分量A0 频谱：无载频分量 曲线：ttmtscDSBcos)()()()(21)(ccDSBMMS第2章 模拟调制系统 调制效率：100 优点：节省了载波功率 缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。2.1.3 单边带调制（SSB）原理：双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M()的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。第2章 模拟调制系统 滤波法及SSB信号的频域表示 滤波法的原理方
11、框图 用边带滤波器，滤除不要的边带:图中，H()为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：则可滤除下边带。若具有如下理想低通特性：则可滤除上边带。1,()()0,cUSBcHH1,()()0,cLSBcHH第2章 模拟调制系统 SSB信号的频谱 上边带频谱图:()()SSBDSBSSH第2章 模拟调制系统 SSB信号的解调 SSB信号的解调和DSB一样，不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。SSB信号的性能SSB信号的实现比AM、DSB要复杂，但SSB调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占
12、用的频带宽度比AM、DSB减少了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。第2章 模拟调制系统 2.1.4 残留边带（VSB）调制 原理：残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现中的困难。在这种调制方式中，不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留一小部分，如下图所示：第2章 模拟调制系统 调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法SSB调制器相同。不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。对残留边带滤波器
13、特性的要求 残留边带滤波器的特性H()在c处必须具有互补对称（奇对称）特性,相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信号。第2章 模拟调制系统 残留边带滤波器特性的两种形式 残留“部分上边带”的滤波器特性：下图(a)残留“部分下边带”的滤波器特性：下图(b)第2章 模拟调制系统 2.1.5 线性调制的一般模型 滤波法模型在前几节的讨论基础上，可以归纳出滤波法线性调制的一般模型如下：按照此模型得到的输出信号时域表示式为：按照此模型得到的输出信号频域表示式为：式中，只要适当选择H()，便可以得到各种幅度调制信号。)(cos)()(thttmtscm 12mccSMMH)()(thH第2
14、章 模拟调制系统2.1.6 相干解调与包络检波相干解调相干解调器的一般模型 相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。第2章 模拟调制系统包络检波适用条件：AM信号，且要求|m(t)|max A0，包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如，性能分析设输入信号是 选择RC满足如下关系 式中fH 调制信号的最高频率在大信号检波时（一般大于0.5 V），二极管处于受控的开关状态，检波器的输出为隔去直流后即可得到原信号m
15、(t)。ttmAtscAMcos)()(0cHfRCf/1 0()dstAm t第2章 模拟调制系统v2.2 非线性调制（角度调制）的原理 前言 频率调制简称调频(FM)，相位调制简称调相(PM)。这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化。角度调制：频率调制和相位调制的总称。已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。第2章 模拟调制系统 2.2.1角度调制的基本概念 FM和PM信号的一般表达式角度调制信号的一般表达
16、式为式中，A 载波的恒定振幅；ct+(t)(t)信号的瞬时相位；(t)瞬时相位偏移。dct+(t)/dt=(t)称为瞬时角频率 d(t)/dt 称为瞬时频偏。)(cos)(ttAtscm第2章 模拟调制系统 相位调制(PM)：瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，即式中Kp 调相灵敏度，含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量，单位是rad/V。将上式代入一般表达式得到PM信号表达式)()(tmKtp)(cos)(tmKtAtspcPM)(cos)(ttAtscm第2章 模拟调制系统 频率调制(FM)：瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，即式中 Kf 调频灵敏度，单位是rad/sV。这时相位偏
17、移为将其代入一般表达式得到FM信号表达式)()(tmKdttdf()()ftKmd()cos()FMcfstAtKmd)(cos)(ttAtscm第2章 模拟调制系统 PM与 FM的区别 比较上两式可见，PM是相位偏移随调制信号m(t)线性变化，FM是相位偏移随m(t)的积分呈线性变化。如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。)(cos)(tmKtAtspcPM()cos()FMcfstAtKmd第2章 模拟调制系统 PM 信号和FM 信号波形 (a)PM 信号波形 (b)FM 信号波形 第2章 模拟调制系统 FM与PM之间的关系 由于频率和相位之间
18、存在微分与积分的关系，所以FM与PM之间是可以相互转换的。比较下面两式可见 如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；同样，如果将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫间接调频。)(cos)(tmKtAtspcPM()cos()FMcfstAtKmd第2章 模拟调制系统 方框图 （a）直接调频 （b）间接调频(c)直接调相 (d)间接调相第2章 模拟调制系统 2.2.2 窄带调频（NBFM）定义：如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足下式条件 则称为窄带调频；反之，称为宽带调频。NBFM信号的频域表达式）（或 5.06)(tfdmKNBFM()(
19、)()ccsA ()()2fccccAKMM第2章 模拟调制系统 NBFM和AM信号频谱的比较 两者都含有一个载波和两个边带，所以它们的带宽相同 不同的是，NBFM的两个边频分别乘了因式1/(-c)和1/(+c)，由于因式是频率的函数，所以这种加权是频率加权，加权的结果引起调制信号频谱的失真。另外，NBFM的一个边带和AM反相。1()()()()()2AMccccSAMM NBFM()()()ccsA ()()2fccccAKMM第2章 模拟调制系统 NBFM和AM信号频谱的比较举例以单音调制为例。设调制信号 则NBFM信号为AM信号为按照上两式画出的频谱图和矢量图如下：tAtmmmcos)(
20、)cos()sintNBFMcfcstAtAKmdt1cossinsincmfmcmAtAA Kttcoscos()cos()2mFccmcmmAA KAttt(cos)cosAMmmcsAAttscoscoscmmcAcotAtcoscos()cos()2mccmcmAAttt第2章 模拟调制系统 频谱图第2章 模拟调制系统 矢量图(a)AM (b)NBFM在AM中，两个边频的合成矢量与载波同相，所以只有幅度的变化，无相位的变化；而在NBFM中，由于下边频为负，两个边频的合成矢量与载波则是正交相加，所以NBFM不仅有相位的变化，幅度也有很小的变化。这正是两者的本质区别。由于NBFM信号最大频
21、率偏移较小，占据的带宽较窄，但是其抗干扰性能比AM系统要好得多，因此得到较广泛的应用。第2章 模拟调制系统 2.2.3 宽带调频 调频信号表达式 设：单音调制信号为则单音调制FM信号的时域表达式为将上式利用三角公式展开，有将上式中的两个因子分别展成傅里叶级数，式中 Jn(mf)第一类n阶贝塞尔函数tfAtAtmmmmm2coscos)(sincos)(tmtAtsmfcFM()coscos(sin)sinsin(sin)FMcfmcfmstAtmtAtmttnmJmJtmmfnnfmf2cos)(2)()sincos(120tnmJtmmfnnmf)12sin()(2)sinsin(112第2
22、章 模拟调制系统 Jn(mf)曲线第2章 模拟调制系统将代入并利用三角公式及贝塞尔函数的性质则得到FM信号的级数展开式如下：tnmJmJtmmfnnfmf2cos)(2)()sincos(120tnmJtmmfnnmf)12sin()(2)sinsin(112()coscos(sin)sinsin(sin)FMcfmcfmstAtmtAtmt)cos(21)cos(21sinsin)cos(21)cos(21coscosBABABABABABA为奇数时当nmJmJfnfn)()(为偶数时当nmJmJfnfn)()(第2章 模拟调制系统 调频信号的频域表达式对上式进行傅里叶变换，即得FM信号的频
23、域表达式01()()cos()cos()cos()FMfcfcmcmstAJ mtAJ mtt2()cos(2)cos(2)fcmcmAJmtt+2()cos(3)cos(3)fcmcmAJmtt-()cos()nfcmnAJ mnt=()()()()FMnfcmcmSAJ mnn 第2章 模拟调制系统 讨论：由上式可见 调频信号的频谱由载波分量c和无数边频(c nm)组成。当n=0时是载波分量c，其幅度为AJ0(mf)当n 0时是对称分布在载频两侧的边频分量(c nm)，其幅度为AJn(mf)，相邻边频之间的间隔为m；且当n为奇数时，上下边频极性相反；当n为偶数时极性相同。由此可见，FM信号
24、的频谱不再是调制信号频谱的线性搬移，而是一种非线性过程。()()()()FMnfcmcmSAJ mnn 第2章 模拟调制系统 2.2.4 调频信号的产生与解调 调频信号的产生 直接调频法：用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。压控振荡器：每个压控振荡器(VCO)自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即方框图 直接调频法的主要优缺点：优点：可以获得较大的频偏。缺点：频率稳定度不高0()()iftK m t第2章 模拟调制系统 间接法调频 阿姆斯特朗（Armstrong）法 原理：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个窄带调频(NB
25、FM)信号，再经n次倍频器得到宽带调频(WBFM)信。方框图 第2章 模拟调制系统 间接法产生窄带调频信号由窄带调频公式可知，窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成的。所以可以用下图产生窄带调频信号：()os()sintNBFMcfcstActAKmdt()m t 载波coscAt 积分器 NBFM()St 2/第2章 模拟调制系统 调频信号的解调 非相干解调：调频信号的一般表达式为解调器的输出应为 完成这种频率-电压转换关系的器件是频率检波器，简称鉴频器。鉴频器的种类很多，例如振幅鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器、正交鉴频器、斜率鉴频器、频率负反馈解调器、锁相环(PLL)鉴频器等。下面以振
26、幅鉴频器为例介绍：()cos()tFMcfstAtKmdo()()fm tK m t第2章 模拟调制系统 振幅鉴频器方框图图中，微分电路和包络检波器构成了具有近似理想鉴频特性的鉴频器。限幅器的作用是消除信道中噪声等引起的调频波的幅度起伏 第2章 模拟调制系统 微分器的作用是把幅度恒定的调频波sFM(t)变成幅度和频率都随调制信号m(t)变化的调幅调频波sd(t)，即包络检波器则将其幅度变化检出并滤去直流，再经低通滤波后即得解调输出式中Kd 为鉴频器灵敏度，单位为V/rad/s ()()sin()tdcfcfs tAK m ttKmd o()()dfm tK K m t第2章 模拟调制系统 相干
27、解调：相干解调仅适用于NBFM信号 由于NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调，如下图所示。NBFM()st LPF BPF)(tSi o()m t()c t 微分)(tSp()dst 第2章 模拟调制系统设窄带调频信号并设相干载波则相乘器的输出为经低通滤波器取出其低频分量再经微分器，即得解调输出可见，相干解调可以恢复原调制信号。()cos()sintNBFMcfcstAtA Kmdtttccsin)()sin2()(1 cos2)22tpcfcAAsttKmdt tFddmKAts)(2)()(2)(0tmAKtmF NBFM()st LPF
28、 BPF)(tSi o()mt()c t 微分)(tSp()dst 调制调制方式方式传输带宽传输带宽设备复杂设备复杂程度程度主要应用主要应用AM2fm简单简单中短波无线电广播中短波无线电广播DSBDSB2fm中等中等应用较少应用较少SSBSSBfm复杂复杂短波无线电广播、话音频分短波无线电广播、话音频分复用、载波通信、数据传输复用、载波通信、数据传输VSBVSB略大于略大于fm 近似近似SSBSSB复杂复杂电视广播、数据传输电视广播、数据传输FM中等中等超短波小功率电台（窄带超短波小功率电台（窄带FMFM）；调频立体声广播等高）；调频立体声广播等高质量通信（宽带质量通信（宽带FMFM）第2章
29、模拟调制系统v2.3 各种模拟调制系统的比较oo/SNoo0AM13imSSNn foo0DSBimSSNn foo0SSBimSSNn fmffm)1(22oo0FM32ifmSSmNn f第2章 模拟调制系统 频带利用率 SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，其频带利用率最低。可以说，FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。因此，mf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用WBFM，mf值选大些。对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用mf
30、较小的调频方式。第2章 模拟调制系统特点与应用AM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。DSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。SSB调制：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。SSB常用于频分多路复用系统中。VSB调制：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。FM：FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。第2章 模拟调
31、制系统v2.4 频分复用(FDM)和调频(FM)立体声 2.4.1 频分复用（FDM）目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率 原理第2章 模拟调制系统 典型例子：多路载波电话系统 每路电话信号的频带限制在3003400Hz，在各路已调信号间留有防护频带，每路电话信号取4 kHz作为标准带宽 层次结构：12路电话复用为一个基群；5个基群复用为一个超群，共60路电话；由10个超群复用为一个主群，共600路电话。如果需要传输更多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群。基群频谱结构图第2章 模拟调制系统 FDM 技术主要用于模拟信号，普遍应用在多路载波电话系统中。其主要优点是信道利用率高，技术
32、成熟；缺点是设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和传输过程中，调制、解调等过程会不同程度地引入非线性失真，而产生各路信号的相互干扰。第2章 模拟调制系统 2.4.2 调频立体声广播 原理：FM立体声广播中，声音在空间上被分成两路音频信号，一个左声道信号L，一个右声道信号R，频率都在50Hz到15kHz之间。左声道与右声道相加形成和信号和信号(L+R)，相减形成差信号差信号(L-R)。在调频之前，差信号差信号(L-R)先对38kHz的副载波进行抑制载波双边带(DSB-SC)调制，然后与和信号和信号(L+R)进行频分复用后，作为FM立体声广播的基带信号，其形成过程如下图所示：第2章 模拟调制系统 频谱结构 015kHz用于传送(L+R)信号 23kHz53kHz用于传送(L-R)信号 59kHz75kHz则用作辅助通道 (L-R)信号的载波频率为38kHz 在19kHz处发送一个单频信号（导频）在普通调频广播中，只发送015kHz的(L+R)信号。第2章 模拟调制系统 立体声广播信号的解调 接收立体声广播后先进行鉴频，得到频分复用信号。对频分复用信号进行相应的分离，以恢复出左声道信号L和右声道信号R。LOGO
