1、第四章 模拟调制系统,本章要求 411 概述 412 幅度调制的原理 413 线性调制系统的抗噪声性能 414 角度调制的原理 415 频分复用(FDM) 列题,本章要求,幅度调制的原理及抗噪性能 FM原理 FDM返回,411 概述,1. 调制目的 2. 调制定义 3. 调制分类返回,1. 调制目的,便于信号的传输实现信道的多路复用改善系统抗噪声性能返回,2调制定义,按基带信号的变化规律去改变高频载波某些参 数的过程 返回,3调制分类,幅度调制（属线性调制）：AM、DSB、SSB VSB角度调制（非线性调制）：FM、PM返回,412 幅度调制（线性调制）的原理,1定义 2线性调制的原理 3线性
2、调制信号的解调返回,，,1.幅度调制的定义,幅度调制是高频正弦载波的幅度随调制信号作 线性变化的过程。返回,2.线性调制的原理,线性调制器的一般形式 调幅(AM)信号 双边带（DSB-SC）信号 单边带(SSB)信号 残留边带(VSB)信号返回,线性调制器的一般形式,线性调制器的一般模型一般形式返回,线性调制器的一般模型,图4-1线性调制器的一般模型,线性调制器的一般模型,图4-1线性调制器的一般模型 返回,线性调制器的一般模型,图4-1线性调制器的一般模型 返回,一般形式,时域 (4.1) 频域 (4.2) 式中 ，在该模型中，适当选择带通滤波器的冲击响 应 ，便可以得到各种幅度调制信号。,
3、调幅(AM)信号,在图4-1中， 外加直流， ，即滤波器（ ）为全通网络，则（载波项） （DSB信号项）条件： ，,图 4 - 2AM信号的波形和频谱,特点:AM波的包络正比于 + 传输带宽为基带信号最高频率的两倍 含载波分量 返回,双边带（DSB-SC）信号,图 4-3DSB信号的波形和频谱,特点:DSB信号的包络不与 成正比，故不能进行 包络检波，需采用相干解调 DSB信号虽节省了载波发射功率，但仍具有 两个边带，频带宽度与AM信号相同。由于这两 个边带所携带的信息相同，传输其中一个边带 即可，这种方式是单边带调制。返回,单边带(SSB)信号,单边带调制中只传输双边带信号中的一个边 带。因
4、此产生SSB信号的最直观方法是将 图4-1中的带通滤波器设计成如图4-4所示 传输特性。图4-4（a）将产生上边带信号， 图4-4（b）将产生下边带信号。相应的频谱 图4-5所示。,图 4 4 形成SSB信号的滤波特性,图 4 - 5SSB信号的频谱,SSB信号的时域表示式为式中 “+”为下边带，“-”为上边带。 是 的希尔伯特变换。若 为 的傅氏变 换，则 的 傅氏变换为式中,返回,返回,设为希尔伯特滤波器的传递函数，由上 式可知，它实质上是一个宽带相移网络，表 示把 幅度不变，相移-/2即可得到 。由式（4-7）还可得到单边带调制相移法的 一般模型，如图4-6所示。,图 4 6单边带调制相
5、移法的一般模型,图 4 6单边带调制相移法的一般模型 返回,综上所述： SSB调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、 DSB的一半，因此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式。 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。 返回,残留边带(VSB)信号,残留边带调制从频域上来看是介于SSB与DSB之的 一种调制方式，它保留了一个边带和另一个边带的一 部分。它即克服了DSB信号占用频带宽，又解决了单 边带滤波器不易实现的难题。重要
6、结论：为了保证相干解调时无失真恢复基带信 号，必须要求残留边带滤波器的传输函数在载频处具 有互补对称特性。也就是说，在图4-1中应将滤波器的 传输特性设计成如图4-7（a）所示的低通滤波器形 式，即必须满足式中 是基带信号的截止角频率。将设计成如图4-7（b）所示的带通（或高通）滤波器形式,同 样可以实现残留边带调制。,图 4 - 7残留边带滤波器特性 (a) 残留部分上边带的滤波器特性;b） 残留部分下边带的滤波器特性,图 4 - 7残留边带滤波器特性 (a) 残留部分上边带的滤波器特性;b） 残留部分下边带的滤波器特性,返回,图 4 - 7残留边带滤波器特性 (a) 残留部分上边带的滤波器
7、特性;b） 残留部分下边带的滤波器特性,返回,3 线性调制信号的解调,相干解调包络检波返回,相干解调,相干解调器的一般模型 相干解调器的分析返回,相干解调器的一般模型,相干解调器的一般模型如图4-8所示，它由相乘 器和低通滤波器组成。可用于AM、DSB、SSB、 VSB信号的解调。图4-8 相干解调器的一般模型,相干解调器的一般模型,图4-8 相干解调器的一般模型返回,相干解调器的分析,设为式（4-7）所示的单边带信号，与同频同相相干载波相 乘后得经低通滤波后得应当指出的是，相干解调的关键是必须在已调信号接收端 产生与信号载波同频同相的本地载波。否则相干解调后将会 使原始基带信号减弱，甚至带来
8、严重失真，这在传输数字信 号时尤为严重。返回,包络检波,包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤 波器组成。它属于非相干解调，广播接收机中多采用 此法。包络检波器就是从已调波的幅度中提取原基带 调制信号，结构简单，其解调输出是相干的两倍。因 此，AM信号一般都采用包络检波。一个理想包络检波 器的输出就是输入的包络。返回,413 线性调制系统的抗噪声性能,分析模型 1 DSB调制系统的性能 2 SSB调制系统的性能 3 AM调制系统的性能返回,分析模型,研究的问题是信道中存在加性高斯白噪声时，各种线性调制 系统的抗噪声性能。考虑信道中加性噪声只对已调信号的接收 产生影响，因而调制系统的抗噪声性能
9、可用解调器的抗噪声性 能来衡量。分析模型如图4-9所示。 图4-9 分析解调器抗噪声性能的模型,分析模型,图4-9 分析解调器抗噪声性能的模型返回,分析模型,图4-9 分析解调器抗噪声性能的模型返回,分析模型,图4-9 分析解调器抗噪声性能的模型返回,线性调制系统的抗噪声性能分析,图4-9中为已调信号（如AM、DSB、SSB 、 VSB），为信道加性噪声，它是均值为零的高 斯白噪声,带通滤波器的作用是滤除已调信号频带以外的噪声，因此解调器 输入端的信号仍为，噪声变为窄带高斯噪声，根据第二章概念， 它表示成且 式中 B是理想带通滤波器的带宽，即已调信号带宽，也是解调器 输入端的噪声带宽；是噪声单
10、边功率谱密度，它在通带B内是恒 定的；是解调器的输入噪声功率。,评价模拟通信系统的质量性能指标可用输出信噪比也可用信噪比增益（调制制度增益）其中 为输入信噪比，定义为返回,解调器可以是相干解调器和包络检波器。相干解调属于线性解 调，故在解调过程中，输入信号及噪声可分开解调，适用于 DSB、SSB、VSB、AM信号的解调。包络检波属于非线性解 调，信号与噪声无法分开解调，可用于AM信号的解调。评价模拟通信系统的质量性能指标可用输出信噪比也可用信噪比增益（调制制度增益）其中 为输入信噪比，定义为返回,解调器可以是相干解调器和包络检波器。相干解 调属于线性解调，故在解调过程中，输入信号及 噪声可分开
11、解调，适用于DSB、SSB、VSB、AM 信号的解调。包络检波属于非线性解调，信号与 噪声无法分开解调，可用于AM信号的解调。,评价模拟通信系统的质量性能指标可用输出信噪比也可用信噪比增益（调制制度增益）其中 为输入信噪比，定义为返回,1. DSB调制系统的性能,由于DSB信号采用相干解调，在分析它的抗噪 声性能时，图4-9所示的模型中的解调器为相干 解调器（参看图4-8）。设解调器输入信号则解调器输出信号与噪声,输出信号平均功率输出噪声平均功率,输入信号平均功率输入噪声平均功率这里B为双边带信号的带宽， ( 为基带信号的截止频率), 因而调制制度增益讨论 双边带信号解调器的信噪比改善了一倍。
12、原因是相解调把噪 声中的一个正交分量抑制掉，从而使噪声功率减半的缘故。返回,输入信号平均功率输入噪声平均功率这里B为双边带信号的带宽， ( 为基带信号的截止频率), 因而调制制度增益讨论 双边带信号解调器的信噪比改善了一倍。原因是相解调把噪 声中的一个正交分量抑制掉，从而使噪声功率减半的缘故。返回,2. SSB调制系统的性能,分析模型与双边带的相同，不同的是解调器前 端的带通滤波器的带宽是双边带的一半。设解调器输入信号则解调器输出信号与噪声,输出信号平均功率输出噪声平均功率,输入信号平均功率输入噪声平均功率这里B为单边带信号的带宽， 。 因而调制制度增益,输入信号平均功率输入噪声平均功率这里B
13、为单边带信号的带宽， 。 因而调制制度增益返回,讨论 :（1）SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善，即G = 1。（2）比较 式（4-21）和式（4-26）： 。 但不能说双边带系统的抗噪声性能优于单边带系统性 能。因为 ，在相同的输入噪声功率谱密 度时 ， 。因而在相同的 时，两者 输出信噪比相同，即性能相同。 返回,3AM调制系统的性能,AM信号可采用相干解调和包络检波。相干解调时 AM系统的性能分析方法与前面双边带（或单边带） 的相同。实际中，AM信号的解调常用简单的包络检 波法，分析模型如图4-9所示，其中的解调器
14、为包络 检波器 。 设解调器输入信号式中 A是常数，表示直流分量， 是交流分量， 且 。输入噪声为,因而解调器输入的信号功率和噪声功率为解调器输入端信号加噪声的合成包络其中就是所求的合成包络，而 是合成相位。理想包络 检波器的输出就是 。,返回,返回,返回,由式（4-32）可知，检波输出中有用信号与噪 声无法完全分开。因此，计算信噪比是件困难 的事。我们来考虑两种特殊情况。1） 大信噪比情况此时， 输入信号幅度远大于噪声幅度， 即,因而式（4-32）可简化为式中有用信号与噪声清晰地分成两项，因而可 分别计算出输出信号功率及噪声功率由式（4-29）、（4-30）及（4-35）、（4- 36）可得
15、调制制度增益,讨论: （a）对于调制（即 ），且 又是 正弦信号时，有这是包络检波器能够得到的最大信噪比改善值。 （b）不难证明相干解调时AM的G与式（4-37） 相同。这说明,对于AM调制系统，在大信噪比 时，采用包络检波时的性能与相干解调时的性能 几乎一样。但应该注意，后者的G不受信号与噪 声相对幅度假设条件的限制。,2） 小信噪比情况这时噪声幅度远大于信号幅度，即这时 式（4-32）变成式中 分别为噪声的包络及相位。,讨论: （a）小信噪比时，信号 无法与噪声分开，而 且有用信号“淹没”在噪声之中。这时候输出信噪比不 是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化。这 种现象称为门限效应。开
16、始出现门限效应的输入信噪 比称为门限值。（b）相干解调器不存在门限效应。原因是信号与噪 声可分开解调，解调器输出端总是单独存在有用信号 项。返回,414 非线性调制（角度调制）的原理,1角调波的一般表达式2调相波3调频波 4两者转换关系5单音FM返回,1 角调波的一般表达式,角调波的一般表达式式中 是信号的瞬时相位， 称为相 对于 的瞬时相位偏移； 是信 号的瞬时频率， 称为相对于载频 的瞬时频偏。返回,2调相波,相偏式中式中 为比例常数，于是调相波可表示为返回,3调频波,频偏式中 为比例常数，于是调频波可表示为返回,4两者转换关系,积分 调相器 FM信号微分 调频器 PM信号返回,5单音FM
17、,设 则式中 为调制 角频率。称为调频指数，它对调频波的性质有举足轻重 的影响。,（a） 不同，调频波的频谱结构不同。一个 广泛用来计算调频波频带宽度的公式。当 （窄带调频）时当 （宽带调频）时,（b）增加，传输带宽加大，系统的抗噪声性 能得以改善。调频方式的这种以带宽换取信噪 比的特性是十分有益的。而调幅制中，信号带 宽是固定的，因而不能实现带宽与信噪比的互 换。由此得到一个结论：大信噪比时，调频系 统抗噪声性能将比调幅系统优越，且其优越程 度将随传输带宽的增加而增加。返回,415 频分复用,FDM定义FDM实现如何防止邻路信号间相互干扰 返回,FDM定义,若干路信息在同一信道中传输称为多路
18、复用。 有两种基本的多路复用方式：频分复用(FDM) 与时分复用(TDM)。按频率区分信号的方法叫 频分复用，而按时间分割信号的方法叫时分复 用。返回,FDM实现,调制 合成 传输 分路。在给定频段 内，采用单边带调制的频分复用（SSB FDM）最节省频带，其频谱结构如图4-10所 示。,频分复用信号的频谱结构,图4-10 频分复用信号的频谱结构,频分复用信号的频谱结构,图4-10 频分复用信号的频谱结构返回,如何防止邻路信号间相互干扰,为了防止邻路信号间相互干扰，图中各载频之间的间隔应满足式中 为每一路的最高频率； 为邻路间防护频带。因此n路单 边带信号所需最小带宽为式中 ，它是一路占用的带
19、宽。FDM是目前模拟通信中最主要的一种复用方式。其最大优点是 信道复用率高、复用路数多、分路方便。其主要缺点是设备复 杂、路间干扰。返回,例4.4 设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密 度 W/Hz,在该信道中传输抑制载波的双 边带信号，并设调制信号m（t）的频带限制在5kHz,而 载波为100kHz，已调信号的功率为10kW。若接收机的 输入信号在加至解调器之前，先经过 一理想带通滤波 器滤波，试问： （1）该理想带通滤波器应具有怎样的传输特性 ？ （2）解调器输入端的信噪功率比为多少？ （2）解调器输出端的信噪功率比为多少？ （4）求出解调器输出端的噪声功率谱密度。,解：（1）为了保证信号顺
20、利通过和尽可能地 滤除噪声，带通滤波器的宽度等于已调信号带 宽，即 ，其中心频率为 100KHz,故有 （2） （已知） 故输入信噪比,（3）因有 故输出信噪比 （4）据双边带解调器的输出噪声与输入噪声功率 关 系，有故,例 4.7 某线性调制系统的输出信噪比为 20dB，输出噪声功率为W，由发射机输出端到 解调器输入端之间总的传输损耗为100dB，试 求： （1） DSB/SC时的发射机输出功率； （2） SSB/SC时的发射机输出功率。,解：设发射机输出功率为 损耗 已知,（1） DSB/SC方式因 则又因 则 故 （2） SSB/SC方式因 G1 则又因 则 故,例 4.9 设某信道具有均匀的双边噪声功率谱 密度W/Hz，在该信道中传输振幅调制信号，并 设调制信号m（t）的频带限制在5kHz，而载频 是100kHz，边带功率为10kW，载波功率为 40kW。若接收机的输入信号先经过一个合适的 理想带通滤波器，然后再加至包络检波器进行 解调。试求： （1）解调器输入端的信噪功率比； （2）解调器输出端的信噪功率比； （3）制度增益G。,解： （1）设则式中 。又故,（2）假定 ，则理想包络检波输 出为则故 （33dB）,（3）返回,
