第3章---模拟调制系统

1现代通信原理第三章模拟调制系统2基本要求1.掌握模拟调制、载波、调制信号、已调信号、调制器的定义；2.掌握调制的目的及模拟调制的分类；3.掌握线性调制器的原理模型，会分析AM、DSB、SSB、VSB调制与解调特性；4.掌握非线性调制器的原理，及非线性已调信号的频谱和带宽特性。3重点和难点1.重点：掌握线性调制与解调的原理模型，及其数学分析、波形分析、频谱分析，理解各种调制方式的特点。2.难点：非线性调制频谱和带宽特性的分析和理解。4概述（调制原理）幅度调制（线性调制）的原理线性调制系统的抗噪声性能非线性调制（角度调制）的原理调频系统的抗噪声性能各种模拟调制系统的性能比较第三章模拟调制系统5调制原理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－基带调制带通调制（载波调制）载波调制－用调制信号去控制载波的参数的过程。调制信号——载波——已调信号解调（检波）6调制的目的提高无线通信时的天线辐射效率。实现多路复用，提高信道利用率。扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。调制方式模拟调制、数字调制(信源信号)正弦载波调制、脉冲调制（载波）幅度调制、角度调制（改变载波的参数）线性调制、非线性调制（频谱结构是否发生变化）常见的模拟调制幅度调制：调幅AM、双边带DSB、单边带SSB、残留边带VSB角度调制：频率调制FM、相位调制PM调制原理返回7线性调制正弦载波为基带调制信号m(t)幅度调制信号（已调信号）一般可表示成频谱频谱搬移是线性的——线性调制0()coscctAt()()cosmcstAmtt)()(2)(ccmMMAS)()(Mtm)()(cosccctsm(t)调制信号m(t)Acos0tH(f)已调信号s(t)M(f)f0S(f)f0f-f00(a)输入信号频谱密度(b)输出信号频谱密度8时域式中m(t)－调制信号，均值为0；A0－常数，表示叠加的直流分量。频谱：调制器模型00()[()]coscos()cosAMcccstAmttAtmtt01()[()()][()()]2AMccccSAMMmtmstcosct0A幅度调制—AM00()[()]jtfteFj9AM—波形和频谱ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc0ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc010包络检波法同步检波ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc0波形ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc0调幅指数：max00()1mAmtAmAA否则，将由于出现过调幅现象而带来包络失真，造成解调困难。11ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc0载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带频谱密度图带宽：HAMfB212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。22202222200()[()]cos[cos()cos2()cosAMAMccccPstAmttAtmttAmtt0)(tmScAMPPtmAP2)(22202/)(2tmPsAM信号的特性13调制效率有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例特例:当m(t)=Amcosmt时，当|m(t)|max=A0时（100％调制），调制效率最高，max＝1/32220SAMAMmtPPAmt22()/2mmtA222222002mAMmmtAAAAmtAM信号的特性调制效率低（原因:载波功率占据了信号总功率的大部分，而载波本身并不携带信息）载波功率上边带功率下边带功率14原理：性能：设输入电压为式中，为检波器输入噪声电压y(t)的包络：在大信噪比下：整流器低通滤波器图3.2.4包络检波器解调调幅信号ttnttnAtmtysc00sin)(cos)}()]('1{[)(ttnttnsc00sin)(cos)()()}()]('1{[)(22tntnAtmtVscy)()]('1[)(tnAtmtVcyAM信号的接收：包络检波15检波后（已滤除直流分量）：输出信号噪声功率比：∵在检波前的信号噪声功率比等于∴检波前后信噪功率比之比为由于m(t)1，显然上式比值r0/ri小于1，即检波后信噪比下降了。)()(')(tnAtmtvc)](/)('[2220tnAtmErc)(/)('121222tnAtmEri222222220)]('1[)('2)(/)('121)(/)('tmtmEtnAtmtnAtmErrciAM信号的接收：包络检波16时域：无直流分量A0频谱：无载频分量ttmtscDSBcos)()()]()([21)(ccDSBMMSDSBsttttHHMDSBScc0抑制载波双边带调制—DSB17解调：需要本地载波设接收的DSB信号为接收端的本地载波为两者相乘后，得到低通滤波后，得到仅当本地载波没有频率和相位误差时，输出信号才等于m(t)/2。[和调制信号仅差一个常数因子]优缺点：DSB信号可以节省发送功率，但接收电路较为复杂图3.2.6双边带信号解调器原理方框图基带信号m(t)接收信号s(t)cos0tr(t)H(f)ttm0cos)(])cos[(0t]})2cos[()){cos((21])cos[(cos)()(000tttmtttmtr)cos()(21ttmDSB信号的解调18全部功率：调制效率：100％带宽：带宽是基带信号带宽fH的两倍。优点：节省了载波功率，提高了调制效率，带宽同AM缺点：不能用包络检波，需用相干解调，较复杂。HDSBfB2DSB信号的特性221()()2DSBDSBPstPmt边19[例1]已知AM已调信号表达式tttScAMcos)sin5.01()(式中，。试分别画出它们的波形图和频谱图。6c例题20()[()()][()()()()]4[(6)(6)][(7)(7)(5)(5)]4AMccccccSjj解：SAM(t)的波形如图（a）所示，其频谱表达式为例题21例题22DSB信号虽然节省了载波功率，调制效率提高了，但频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，同AM信号DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息仅传输双边带信号中一个边带。节省发送功率，节省一半传输频带。产生SSB信号的方法：滤波法相移法单边带调幅—SSB23理想高通特性：上边带（HSB）调制理想低通特性：下边带（LSB）调制mtDSBstct载波HSSBst1,()()0,cHSBcHH1,()()0,cLSBcHHSSB—滤波法24SSB信号的频谱上边带频谱图:()()SSBDSBSSHDSBScc0USBHcc0USBScc0SSB—滤波法25用滤波法形成SSB信号的技术难点是：一般调制信号都具有丰富的低频成分经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄要求单边带滤波器在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。SSB—滤波法（技术难点）26滤波法产生SSB的多级频率搬移过程在工程中往往采用多级调制滤波的方法，即在低载频上形成单边带信号，然后通过变频将频谱搬移到更高的载频。实际上，频谱搬移可以连续分几步进行，直至达到所需的载频为止，SSB—滤波法（工程应用）27DSBScc0cc0cc0)(H)(SSBS)sgn()sgn(21)(ccH)sgn()()sgn()(41)()(41)sgn()()sgn()(41)sgn()()sgn()(41)()()(21)(ccccccccccccccccSSBMMMMMMMMHMMSttmttmtSccSSBsin)(ˆ21cos)(21)(的希尔伯特变换是)()(ˆtmtm下边带频谱SSB—相移法28希尔伯特变换：定义：对于给定的全部谐波都移相90o后合成的时间函数称为给定信号的Hilbert变换（仍为时域）。希尔伯特变换的傅立叶变换：sgn)()(ˆjMMttm1)(Hilbert滤波器：H(ω)＝-jSgn(ω)，模为1，相移为-90oSSB—相移法1sgnjt29ttmttmtsccSSBsin)(ˆ21cos)(21)(下边带上边带)sgn()()sgn()(41)()(41)(ccccccSSBMMMMS下边带频谱ttmttmtSccSSBsin)(ˆ21cos)(21)(一般情况：可证：ttmcsin)(ˆ21)sgn()()sgn()(41ccccMMSSB—相移法30相移法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。ttmcsin)(ˆ21SSB—相移法31调制：两个边带包含相同的信息只需传输一个边带：上边带或下边带要求m(t)中无太低频率解调：需要本地载波由于若z(t)=x(t)y(t)，则有Z()=X()Y()单边带信号解调时，用载波cos0t和接收信号相乘，相当于在频域中载波频谱和信号频谱相卷积。-f0HL(f)特性上边带(b)上边带滤波器特性和信号频谱上边带f00f图3.2.7单边带信号的频谱上边带S(f)上边带下边带HH(f)特性HH(f)特性(a)滤波前信号频谱(c)下边带滤波器特性和信号频谱S(f)S(f)-f00f-f0f0f下边带f0SSB信号的解调32下图以上边带为例，示出用低通滤波器滤出解调后的信号。SSB优点：比DSB信号进一步节省发送功率和占用带宽。图3.2.8单边带信号的解调S(f)(b)上边带信号频谱上边带上边带f00-f0f2f0-2f0(a)载波频谱f00-f0fC(f)(c)载波和上边带信号频谱的卷积结果f00-f0f2f0-2f0M(f)HL(f)SSB信号的解调33SSB信号的解调相干解调SSB信号的性能SSB信号的实现比AM、DSB要复杂节省发射功率占用的频带宽度比AM、DSB减少了一半不含载波成分，故调制效率为100%HSSBfBSSB性能211()24SSBDSBPPmt34[例2]已知调制信号载波为，进行单边带调制，请写出上边带信号的表达式。()cos(2000)cos(4000)mtttt410cos解：根据单边带信号的时域表达式，可确定上边带信号例题354411()cos()sin221[cos(2000)cos(4000)]cos21[si