Transcript 第四章模拟调制技术

第四章 模拟调制技术
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
模拟调制的概念
模拟线性调制
模拟非线性调制
模拟调制系统抗噪声性能的分析
载波同步原理（略）
4.1
模拟调制的概念
由信源产生的的原始信号一般不能在大多数信
道内直接传输，因此需要经过调治将他变换成适于
在信道内传输的信号。
调制的定义：把输入信号变换为适合于通过信
道传输的波形，这一变换过程称为调制。
通常把原始信号（通常为低通型信号，即该信
号的频谱特征是从0或接近于0的频率到某一截止频
率fm）称为调制信号，也称基带信号；被调制的高
频周期性脉冲起运载原始信号的作用，因此称载波。
调制实现了信源的频谱与信道的频带匹配。
一、调制的功能（三个方面）
1、信道传输频率特性的需要：为了采用无线传送方
式，如将（0.3~3.4KHz）有效带宽内的语音信号调
4.1
模拟调制的概念（续一）
制到高频段上去。实现远距离传输。
2、实现信道复用：例如将多路信号互不干扰的安排在
同一物理信道中传输。频分复用。
3、通过调制来改善系统的抗噪声性能或通过调制来提
高系统的频带利用率：抗干扰性（即可靠性）与有效
性互相制约，通常可通过牺牲有效性来提高抗干扰性，
如FM替代AM。
二、调制的分类
调制模型如图4-2（P53）所示。
源信号，通常用于调制载波的幅度，频率、相位，也
称为调制信号，或称基带输入信号。
载波信号；
已调信号，可能是调幅信号，也可能是调频信号等。
4.1 模拟调制的概念（续二）
从不同的角度，调制方法可以从以下几个角度进行分类。
1、 按调制信号的不同分：
模拟调制，特点：是连续信号。
数字调制，特点：是数字信号。
2、按载波信号不同分：
连续波调制，特点：连续，如cosωct；
脉冲调制，特点：为脉冲，如周期矩形脉冲序列。
3、 按调制器功能的功能分：
幅度调制，特点：用调制信号改变载波的幅度，如AM，
DSB，SSB，VSB。
频率调制，特点：用调制信号改变载波的频率，如FM。
相位调制，特点：用调制信号改变载波的相位，如PM。
4、按调制器传输函数来分：
线性调制：已调信号的频谱只是调制信号的水平搬移及线
性变换。非线性调制：产生频谱的非线性变换，将会有新的频
率分量产生。
4.2
模拟线性调制
振幅调制（AM）
又称为常规调幅。调制信号中必须包含一定的直
流分量（与双边带调制的区别）。
调制信号的表达式：sAM (t)=s(t).cos ωct
(4-1)
基带信号
s(t)=m0+m(t)
(4-2)
式中直流分量是m0，交变分量是m(t)
当
m0≥|m(t)|max
(4-3)
称为AM调制。
根据式（4-1），AM调制过程就是s(t)与cos ωct相乘的
过程，如图4-3。调制前后的时间波形变化见图4-4。
AM信号有以下特点：
（1）、幅度调制：AM信号的包络是随着信号呈线性
关系变化的，所以它是幅度调制。
4.2.1
4.2
模拟线性调制（续一）
（2）、频率未变：已调波的波形疏密程度相同，也就
是说载波仅仅是幅度受到了调制，频率没有发生变化。
（3）、调幅条件： 如果A不够大，已调信号的包络不
一定与m(t)成正比，将出现这样无法采用包络检波的
方法检出其包络。无法无失真地恢复消息信号m(t)。
此时已调信号的包络与调制信号之间已无线性关系变
化可言，包络与调制信号相比，出现了严重的失真，
标准调幅中我们不希望出现这种现象，通常我们称这
种现象为过调。
sAM (t)的包络就是调制信号。若不满足式（4-3）称为
过调制。
根据调制定理，调制过程中的频谱变化过程就是
一个频谱搬移过程，而幅度降为1/2。图4-5。
4.2
模拟线性调制（续二）
如果基带信号s(t)的带宽为Bb=fm，则AM已调信号的
带宽是两倍基带信号带宽，即
BAM=2fm=2Bb
(4-5)
式（4-4）中包含连续谱和离散谱，离散谱线占有一
定的发送信号功率，但不携带调制信号的信息。
调幅度mAM ：表示调制深度的指标。
mAM =|m(t)|max/m0
（4-6）
根据式（4-3），限制条件为： mAM≤1
（4-7）
当mAM ＞1时称为过调幅，这时采用包络检波法会造
成解调后信号的失真。
4.2
模拟线性调制（续三）
AM信号的解调：
非相干解调（包络检波法）
相干解调（同步解调）
包络检波法：
图4-6（p55）
BPF、LPF的作用：
相干解调：在接收端提供与已调信号中载波分量同频
同相的本地载波信号cos ωct。
图4-7
式（4-8）为数学分析过程。
图4-8 sAM(t)信号解调过程中频谱的变化。
4.2
模拟线性调制（续四）
双边带调制（DSB）
与AM调制的区别仅在于信号中不包含直流分量，
因而频谱中不包含离散谱线。在解调过程中不能采用
包络检波法，只能用相干解调法。
具体通过与AM调制对比介绍。
AM、DSB的共同缺点：所需传输的带宽是信号的
2倍，这样就降低了系统的有效性。
4.2.2
4.2
模拟线性调制（续五）
单边带调制（SSB）
由于从信息传输的角度讲，上、下两个边带所包
含的信息相同，因此只传送一个边带即可以传送信号
的全部信息。
只传送一个边带的调制方式成为单边带调制。
1.用滤波法形成单边带信号： 图4-10 图4-12
用相移法形成单边带信号： 图4-13
用上述两种方法产生单边带信号在工程上均存在
一定的技术难度。（P59）
2.单边带信号的解调
相干解调法（同DSB） 图4-11
采用单边带调制的优点：它的带宽BSSB=Bb，是DSB
和AM信号带宽的一半，从而提高了通信系统的频带
4.2.3
4.2
模拟线性调制（续六）
残留边带调制（VSB）
保留一个边带的大部分，另一个边带的小部分。
1.残留边带信号的产生：
图4-14
图4-16 滤波法生成VSB信号的过程
4.2.4
2.残留边带信号的解调：
图4-17 VSB信号相干解调
相干解调的数学过程（P60）
3.残留边带信号的带宽
介于单边带和双边带信号之间
BSSB<BVSB<SDSB
（4-18）
4.3
模拟非线性调制
4.3.1 非线性调制概念
非线性调制，即调制后信号的频谱不再是调制前信号
频谱的线性搬移，而产生出很多新的频率成分。
调频(FM)和调相(PM)都是非线性调制 ，二者已调信号
都反映出载波矢量角度上的变化，统称为角调。
角度调制的优点：（1）抗干扰性强；（2）实现和解
调都较简单。缺点：频带利用率低(有效性低)。
载波信号SC(t)=Acos[ω ct+φ(t)]
(4-19)
瞬时相位
θ(t)= ω ct+φ(t)
（4-20）
瞬时相位偏移φ(t)
对θ(t)求导，可得瞬时频率ω(t)
ω(t)=d θ(t)/dt= ω c+d φ(t) /dt (4-21)
其中d φ(t) /dt 称为瞬时角频偏△ω。
4.3
模拟非线性调制（续一）
根据调制的概念，
相位调制：调制信号与瞬时相位偏移φ(t)成线性关系
φ(t)=KPm(t)
(4-22)
sPM(t)=Acos [ω ct+ KPm(t) ]
(4-23)
频率调制：调制信号与瞬时频偏△ω成线性对应关系
△ω= d φ(t) /dt =KFm(t)
(4-24)
φ(t) =∫KFm(τ)dτ
sFM(t)= Acos[ω ct+ ∫KFm(τ)dτ] (4-25)
从时间波形上看，调相信号和调频信号都是等幅
波，二者的区别仅表现在φ(t) 与m(t)的对应关系不同。
设
m(t)=a cosωmt
(4-26)
则sPM(t)=Acos [ω ct+ KPM a cosωmt ]
(4-27)
定义调相指数 mP= KPMa 若a=1，KPM 为最大相位偏移
4.3
模拟非线性调制（续二）
sFM(t)= Acos[ω ct+ ∫KFM a cosωmτ dτ]
=Acos(ω ct+ KFM a sinωm t / ωm )
(4-28)
定义
mf= KFM a / ωm
(4-29)
Mf是该调频信号的最大相位偏移，定义为调频指数
这时△ω|MAX=KFM= ωm ωf
(4-30)
代表了该调频信号的最大角频偏。
4.3.2 窄带调频(NBFM)
当m(t) 为归一化的单频信号时mf《π/6
(4-31)
调制信号为m(t) =cosωmt ，式(4-28)可近似为
SNBFM(t)= Acosω ct -0.5A mf cos(ω c- ω m) t
+ 0.5A mf cos(ω c+ ω m) t
(4-32)
BNFM波是有载频分量及边带分量构成。
4.3
模拟非线性调制（续三）
SAM(t)= Acosω ct +0.5Am [cos(ω c- ω m) t
+ cos(ω c+ ω m) t]
上式为SAM(t)信号。
比较SNBFM(t) 与SAM(t)的频谱如图4-20。
1.上下边带频谱是反号的，其合矢量有一定相位偏移。
2.其带宽近似等于2Bb，已调信号的波形仍是等幅波。
因此窄宽调频不是线性调制。窄带调频用于近距离无
线通信。
4.3.3 宽带调频(WBFM)
WBFM概念：当调频指数mf >π/6，则称为宽带调频。
sFM(t)= Acos(ω ct+ mf sinωmt)
(4-33)
sFM(t)=∑J n(mf) cos(ω ct+ mωm)t
(4-34)
其中J n(mf)是第一类贝塞尔函数。
4.3
模拟非线性调制（续四）
J n(mf)是mf的函数。
图4-21 第一类贝塞尔函数
几点结论：
图4-22 mf =3时的单频信号FM调制时的频谱
卡森公式：
BFM=2（ mf+1）fm
(4-35)
=2（ △f max+ fm)
mf >1时可看作宽带调频，它的n> mf+1以上的频率分
量可忽略不计。调频波带宽的确定取决于调频指数mf。
当mf >>1时，
BFM=2 mf fm =2 △f max
(4-36)
4.3
模拟非线性调制（续五）
4.3.4 调频信号的产生和解调
直接调频法：（图4-23）用调制信号的电压去改变电
抗元件的参数，来改变载波发生器的频率，使其频率
与调制信号成正比。特点：信号容易产生，频偏大，
但电路不稳定，频率漂移，需稳频（电路复杂）。
间接调频法：（图4-24）（图4-26）让调制信号通过一
个积分器，再进行调相。仅用于窄带调频。
倍频法：（图4-25）用于宽带调频。式（4-37）
相干解调：适用于窄带调频（同AM信号的解调）。
非相干解调：适用于窄带调频和宽带调频。
图4-27 鉴频法解调（微分器和包络检波）。
产生门限效应。
图4-28 锁相环解调器
4.4 模拟调制系统抗噪声性能分析
4.4.1 概念
乘性干扰：
加性干扰：又分为
脉冲噪声
起伏噪声：通信系统分析的对象。
图4-29 模拟调制系统解调原理框图
已调信号Sm(t)：
带通滤波器BPF：通过已调信号，抑制噪声，其带宽与
已调信号的带宽相同。
高斯白噪声n(t)：
窄带高斯噪声ni(t)：
抗噪声性能的指标：输出信噪比So/No
信噪比增益（So/No）/（ Si/Ni )
4.4 模拟调制系统抗噪声性能分析(续一）
其中，
So/No=解调器输出有用信号的平均功率/解调器输出噪
声的平均功率。
Si/Ni=解调器输入已调信号的平均功率/解调器输入噪声
的平均功率。
4.4.2 模拟线性调制系统抗噪声性能分析
1.双边带调制（DSB）
BDSB=2fm=2Bb
只能采用相干解调
信噪比增益GDSB=（So/No）/（ Si/Ni )=2
（4-48）
4.4 模拟调制系统抗噪声性能分析(续二）
2.单边带调制（SSB）
BSSB=fm=Bb
采用相干解调
信噪比增益GSSB=（So/No）/（ Si/Ni )=1
（4-54）
DSB与SSB的抗噪声性能相同。（见下面说明）
3.振幅调制（AM）
BAM=2fm=2Bb
采用非相干解调时
大信噪比时：
可得最大的信噪比增益
GAM=2/3
(4-67)
小信噪比时：
包络检波器的输出端没有一个独立的m(t)信号出现，无
法正常接收，产生了门限效应（随着输入信噪比的下
降，输出信噪比将出现一个急剧恶化的现象）。
4.4
模拟调制系统抗噪声性能分析(续三）
也可采用相干解调，不存在门限问题。
4.4.3 频率调制系统抗噪声性能分析
讨论调频系统采用鉴频法解调时的情况，
输入信噪比Si/Ni =A2/2n0BFM
(4-70)
由于鉴频法解调过程实际上相当于微分加包络检波，
为避免门限效应，只考虑大信噪比情况以及宽带调频
（mf>>1）情况，可得出输出信噪比So/No （4-71）
考虑BFM=2(mf+1)fm 及mf>>1 条件，这时，
信噪比增益 GFM=（So/No）/（ Si/Ni )
= 3mf2(mf+1)
≈ 3 mf3
（4-72）
4.4 模拟调制系统抗噪声性能分析(续四）
宽带调频大信噪比时分析：
（1）信噪比增益很高。
若mf=5，则GFM=450 (27db)
（2）信噪比增益随着mf增大明显增大。
由 BFM=2(mf+1)fm， BFM↑ → So/No ↑，以带宽换取
信噪比（改善信噪比的途径）
由Ni=n0 BFM， BFM ↑ → Ni ↑ ， Si/Ni 下降到一定程
度会引起门限效应。
宽带调频系统与幅度调制系统的比较：
（1）幅度调制系统的信噪比增益很低。
（2）幅度调制系统的输出信噪比和调制过程无关；
而调频系统与调频指数、调频带宽有关。
根据式（4-73）（4-74），当两者带宽相差mf+1倍时，
4.4 模拟调制系统抗噪声性能分析(续五）
FM输出信噪比是AM的3mf2倍，抗噪声性能得到很大
改善。
宽带调频系统的抗干扰性能优于调幅系统。
4.4.4 模拟调制系统性能比较
图4-30
表4-1
几点说明：
1.DSB与SSB的抗噪声性能相同
由于DSB信号带宽为SSB信号的两倍，故DSB解调
器带通滤波器带宽是SSB的两倍，DSB解调器输入信
噪比是SSB的1/2，所以两种信号解调器输出信噪比相
同。
对等条件下比较：调制信号相同；信道条件相同；已
调信号的功率相同。
4.4 模拟调制系统抗噪声性能分析(续六）
2.非相干解调的门限效应
当非相干解调器的输入信噪比大于某一门限值时，
输出信噪比与输入信噪比呈线性关系，当输入信噪比
小于这一门限值时，输出信噪比随输入信噪比下降而
急剧减小，这种现象称为非相干解调器的门限效应。
3.性能比较
模拟调制系统的有效性从优至劣排队次序为：SSB、
VSB、AM（DSB）、FM；可靠性从优至劣排队次序
为：FM、SSB（DSB）、AM。VSB调制系统的可靠
性无具体分析结果。
4.调频系统的抗噪声性能随着信号带宽的增大而增大。
4.5
载波同步原理（略）
作业：
第一章：1-5、1-6
第二章：2-1、2-4、2-9、2-16、2-22
第三章：3-1、3-10
第四章：4-1、4-7、4-14、4-18