通信原理教(学)案-ch5-模拟调制系统

系 部： 信电学院 任课教师：

课时安排： 理论6课时 课新知课 第5章 模拟调制系统 课型 题 1. 理解模拟调制、已调信号、调幅信号的边带、角度调制的偏移常数与调制指数、相干解教调、包络检波、VCO等相关概念。 学2. 对各种调制技术，掌握其时域表达式、功率谱密度、解调方法、解调的输入－输出信噪目比、信噪比增益。 标 3. 理解频分复用技术的含义。 1. 幅度调制：DSB AM、AM、SSB AM的表达式、频谱、带宽、调制解调方法 重2. 角度调制：调频、调相的表达式、频谱、带宽、调制解调方法 点 3. 幅度调制的抗噪声性能：输入信噪比、输出信噪比、信噪比增益 4. 角度调制的的抗噪声性能：输入信噪比、输出信噪比、信噪比增益 1. 包络检波的近似分析 难2. VCO环路方程 点 3. 角度调制系统的近似分析 4. 调频与调相间的关系 教学手段、方法 理论讲解 教具 PPT 1. 模拟调制系统 1. 名词解释 (1)调制：用原始待传信号去控制载波参数从而将其转换成适合信道传输的信号的一种过程。 (2)调制信号：原始待传信号，来自于信源的消息信号，也称为基带信号。分模拟和数字两类 (3)载波：连续正弦波，或周期脉冲序列 (4)已调信号：调制后的传输信号，包含调制信号的全部特征 (5)解调：调制的逆过程，由已调信号中恢复出调制信号的过程 2. 分类 教根据调制信号和载波的不同可分为模拟连续波调制(模拟调制)、数字连续波调制学(数字调制)、模拟脉冲调制、数字脉冲调制。 过3. 重要性 程 (1)频谱搬移—将基带调制信号搬移到媒质适合传输的频段； (2)可搬至不同频段实现多路复用； (3)扩展信号带宽，提高通信质量—良好的调制方式有助于提高通信质量，体现在传输的有效性和可靠性上。 4. 方式 模拟调制—调制信号的取值是连续的。主要以正弦波为载波 Acos(ω0t + φ) 含幅度A载频ω0、相位φ三个可变参量。用基带调制信号 m(t)改变幅度A —振幅调制；用调制信号改变频率ω0、相位φ —角度调制。 1.1振幅调制AM

1.1.1 原理 正弦载波：s(t) = Acos(ω0t + φ0) 振幅调制表示式：sm(t) = Am(t) cos(ω0t + φ0) 若m(t) ?? M(ω), s(t) ?? S(ω), sm(t) ?? Sm(ω)，则 Sm(ω) = (1/2π)[M(ω) ? S(ω)] 由于 S(ω) = AF(cos ω0t) = Aπ[δ(ω ? ω0) + δ(ω + ω0)]，因此 Sm(ω) = (A/2)[M(ω ? ω0) + M(ω + ω0)] M(ω)基带谱线性搬移至±ω0 频率处，谱形不变，因此称为线性调制。 (但请注意；线性调制≠线性变换，任何调制都是非线性变换！) 由此可得出线性调制的一般模型—由乘法器 +带通滤波器组成： 线性调制的一般模型 考虑到H(ω)的带通滤波作用，输出 Sm(ω)可表示为(这里将幅度A归一化为1) Sm(ω) = (1/2)[M(ω ? ω0) + M(ω + ω0)] · H(ω) 适当选择H(ω)，可得到如下几种幅度调制方式与信号： 1. 抑制载波双边带信号(DSB) 输入调制信号无直流，即M(0) = 0，且为带宽2fH的理想带通滤波器， 输出为 sm(t) = m(t) cos ω0t，为双边带抑制载波DSB-SC 时域 频域 2. 有载波的双边带调幅信号(AM) 输入调制信号含直流，即 M(0)≠ 0，设m(t) = m0, m(t) = m0 + m′(t)，其中m′(t)为交流分量，sm(t) = [m0 + m′(t)] cos ω0t，H(ω)同上为理想带通滤波器，

类似于上面的分析有 时域、频域波形 时域 频域 3. 单边带(SSB)调幅信号 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(ω)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。产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。 (1)滤波法： 由于双边带的上、下边带均含有相同的基带m(t)信息，故用H(ω)抑制掉一个，仍可通信?单边带(SSB)调制。 H(ω)为边带滤波器，表示式为 ??1,???cH(?)?HLSB(?)????0,???c ?1,???c?H(?)?HUSB(?)????0,???c 边带滤波器的滤波特性及两种单边带信号的频谱如图 H+(ω)与H-(ω)

单边带信号的频谱构成 SSB信号时域表达式(以下边带为例)： SLSB(ω) = (1/2)[M(ω + ω0) + M(ω ? ω0)]HLSB(ω) 滤波法的技术难点 滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性,在过渡带和不太高的载频情况下，滤波器不难实现；但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。 (2)相移法 设单频调制信号为 m(t)=Amcosω0t，载波为cosωct， 则DSB信号的时域表示式为 sDSB(t)?Amcos?mtcos?ct11?Amcos(?c??m)t?Amcos(?c??m)t22 若保留上边带，则有 sUSB(t)?111Amcos(?C??m)t?Amcos?mcos?ct?Amsin?msin?ct222 若保留下边带，则有 111sLSB(t)?Amcos(?C??m)t?Amcos?mtcos?ct?Amsin?mtsin?ct222 将上两式合并 11sSSB(t)?Amcos?mtcos?ct?Amsin?mtsin?ct22 式中，“－”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。 上式中Amsinωmt可以看作是Amcosωmt相移90度的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为“ ^ ”，则有 ?s?mt?Amsin?mtAmco 这样，上式可以改写为 11sSSB(t)?Amcos?mtcos?ctAmcos?mtsin?ct22 把上式推广到一般情况，则得到 11?(t)sin?ctsSSB(t)?m(t)cos?ct?m22 ?(t)是m(t)的希尔伯特变换， m若M(ω)为m(t)的傅立叶变换，则 ?(?)?M(?)?[?jsgn?]， ?(t)?Mm??0?1,sgn??式中 ???0??1,

上式中的[-jsgnω]可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即 ?(?)/M(?)??jsgn? Hh(?)?M移相法SSB调制器方框图 优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。 缺点：宽带相移网络难用硬件实现。 4、 残留边带(VSB)调制信号 SSB方式的带宽B = fH 只有DSB、AM的一半，但是边带滤波器H±(ω)由于在ω0处的陡峭特性而很难制作；DSB、AM方式对H±(ω)要求不高，但带宽B = 2fH，有效性降低。 折衷：H±(ω)用残留边带滤波器—在ω0处特性平缓 残留边带方式的实现 显然，残留边带后的H(ω)应保证解调后能正确恢复M(ω)！因此，需要论证残留边带滤波器H(ω)无失真恢复M(ω)条件的滤波特性形式。 设：接收端用相干解调方式恢复 M(ω)，如图 VSB信号的相干解调 已知 SVSB(ω) = (1/2)[M(ω + ω0) + M(ω ? ω0)]H(ω) 相干相乘后

经过低通滤波器(LPF)滤除掉±2ω0成分后，输出为 Sd(ω) = (1/2)M(ω) [H(ω + ω0) + H(ω ? ω0)] 显然，只要满足 H(ω + ω0) + H(ω ? ω0) =常数 接收端就可无失真地恢复出基带信号M(ω)。即：残留边带滤波器特性H(ω)在±ω0 处具有互补对称(奇对称)截止特性，接收端相干解调就能无失真恢复信号。通常的直线滚降、余弦滚降特性。 直线滚降、余弦滚降形式的残留边带滤波器特性 1.2 振幅调制系统抗噪性能 1.2.1 相干解调与包络检波 1. 相干解调 相干解调器的一般模型 sm?t??sp?t?LPFsd?t? 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。 相干解调器性能分析 已调信号的一般表达式为 sm(t)?sI(t)cos?ct?sQ(t)sin?ct 与同频同相的相干载波c(t)相乘后，得 c?t??cos?ct

sp?t??sm(t)cos?ct111?sI(t)?sI(t)cos2?ct?sQ(t)sin2?ct222 经低通滤波器后，得到 1sd?t??sI(t)2 因为sI(t)是m(t)通过一个全通滤波器HI (ω) 后的结果，故上式中的sd(t)就是解调输出，即 1sd?t??sI(t)?m?t?2 2. 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。 AM信号性能分析 设输入信号是 DRCA0?m?t? sAM(t)?[A0?m(t)]cos?ct选择RC满足如下关系 fH??1/RC??fc 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 sd?t??A0?m(t)隔去直流后即可得到原信号m(t)。 1.2.1 振幅系统抗噪性能分析 衡量模拟通信系统的质量指标： 输出信噪比 (S/N)o —可靠性； 传输带宽B —有效性 接收模型如图 振幅调制的解调分析模型 设n(t)为加性白高斯噪声，单边功率谱密度n0，经带通滤波器(B ? f0)后为窄带白高斯噪声ni(t)，可写为 ni(t) = nc(t) cos ω0t ? ns(t) sin ω0t 所以，解调器输入噪声ni(t)的平均功率为

输入信号sm(t)的平均功率为 解调器输入信噪比 输出信噪比 抗噪声性能用制度增益来描述 制度增益越大，意味着抗噪性越好。 1.2.2 各种调幅系统的(S/N)o、G、B 1、DSB调制系统 解调采用同步检波(相干解调) DSB信号的同步检波模型 DSB信号 sm(t) = m(t)cos ω0t，解调器输入信号平均功率为 因此输入信噪比为 解调输出信号 so(t) = m(t) 因此 输出噪声 因此输出信噪比为

? G = 2。系统带宽 B = 2fH。 2、SSB调制系统 (1)抗噪性能分析 B = fH，解调用DSB的相干解调方式。 SSB调制信号的平均功率 由于 因此 故输入信噪比为 (S/N)i?m2(t)/(4n0B)同步解调 因此 类似DSB N0 = n0B 因此 (2) DSB、SSB抗噪性能比较 似乎DSB的制度增益比SSB大一倍，实际上两者的抗噪性能相同。 ?原因说明 3、 AM调幅 AM信号可采用同步检波(相干线性解调)与包络检波(非线性解调)两种方式 (1) 同步检波 输入信号、解调输出信号噪声等参量分析?输入输出信噪比，制度增益 (2) 包络检波 输入信号：

输出信号： a. 大信噪比情况分析 输出 r(t) ≈ m0 +m(t) + nc(t) 输入输出信噪比分析 b. 小信噪比情况分析 输出 r(t) ≈R(t) + (m0 + m(t))nc(t)/R(t) 输入输出信噪比分析 (3) 门限效应分析 输出无单独信号项，只有m(t) · nc(t)/R(t)，而nc(t)/R(t)为噪声项。因此，m(t)受噪声扰乱也成为噪声，导致输出信噪比随输入信噪比下降而急剧恶化。存在一门限，称为门限效应。 1.3 角度调制 角度调制为非线性调制 —调制产生的输出信号频谱 Sm(ω)不再保持原始被调信号频谱 M(ω)的结构。 1.3.1 调制原理 设 m(t) ?? M(ω)，载波 s(t) = A cos[ω0t + φ(t)] 1.调相信号： sPM(t) = A cos[ω0t + Kp m(t)] →各参数说明 2.调频信号： 若相对于载频ω0的瞬时频移随m(t)线性变化 ?ω(t) = dφ(t)/dt = KF m(t) 得到的调频信号为 显然，频率变化与相位变化互为微积分关系?→若不知 m(t)形式，无法区分FM与PM，两者无实质区别，分析一种可推至另一种。 1.3.2 单音调频 ·调频指数mf说明 ·单音调频过程推导 频谱非线性搬移过程。 ·调频带宽—卡森公式

公式分析 对应的调频信号频谱为 1.3.3 FM信号产生与解调 (1) 信号产生方法 用m(t)作电压控制信号控制VCO产生，参考教材。 (2) FM信号解调 非相干解调-限幅鉴频器 FM信号的非相干解调 输入 输出 包络检波 se(t) ∝ ω0 + KFm(t)，隔直+低通，? s0(t) = KDKF m(t)，其中KD为鉴频器增益。 1.3.4 FM系统抗噪性能分析 1. 接收解调系统模型 FM信号解调的分析模型 2. 过程描述(教材) 3. 结果分析 输入信号： sFM(t)?Acos[?ct?Kf?m(?)d?] 输入信噪比： SiA2/2?Nin0BFM 解调输出： mo(t)?KdKfm(t),238?2KdfmNo??Pd(f)df?2?fm3Afm 输出信噪比(大信噪比)： 2KKm2(t)3A2K2Sofm(t)?2d2f3?3No8?Kdn0fm/3A28?2n0fm

制度增益(单音调制)： m(t)?cos?mt?SoSi?3m2f(mf?1)NoNi?GFM?3m2f(mf?1)4. FM、AM系统性能比较 结论：FM有比AM优越的抗噪性能，且 mf ↑?F ↑?抗噪性↑。但是，上述增益是在大信噪(载噪比 A2/(2n0B))比下获得的，随着 A2/(2n0B)↓?增益会丧失?出现门限效应。 1.3.5 预加重/去加重 1.问题 信号功率谱特点：语音、音乐信号谱 SM(ω) ——低频强，高频弱。 噪声功率谱特点：解调输出端噪声功率谱密度 Sn(ω)与f 2正比?低频段噪声弱，高频段噪声强?高频段输出 SNR急剧恶化 2.解决措施： (1)发送端提升信号高频分量功率——预加重； (2)收端解调输出去加重——收端解调恢复信号后压低高频分量，同时抑制噪声?使高频 (S/N)0 ↑。 3.预加重、去加重过程分析 ·预加重原则：解调后噪声功率谱平坦。 ·预加重电路——加在调制信号m(t)输入端；H(ω) = jω，为微分电路，实际电路如图所示,在f1 ～ f2之间有j特性。 ·去加重电路——加在解调输出LPF之后: 如图所示，H(f) = 1/(1 + jf/f1)，当 f > f1时，|H(f)|2 ∝ 1/f 2 , f1 = 1/2πR1C。 1.4 各种模拟调制系统比较

1.抗噪性能：FM最好，DSB/SSB、VSB次之，AM最差 2.频带利用率：SSB最高，VSB较高，DSB/AM次之，FM最差 3.功率利用率：FM最高，DSB/SSB、VSB次之，AM最差 4.设备复杂度：AM最简，DSB/FM次之，VSB较复杂，SSB最复杂