模模拟调系统课件

n5.1 5.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理n5.2 5.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能n5.3 5.3 非线性调制（角度调制）的原理非线性调制（角度调制）的原理n5.4 5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能n5.5 5.5 各种模拟调制系统的性能比较各种模拟调制系统的性能比较n5.6 5.6 频分复用和调频立体声频分复用和调频立体声n5.7 5.7 小结小结7/1/20241CP 第五章 模拟调制系统模拟通信系统模型：模拟通信系统模型：噪噪 声声调调 制制信信 道道解解 调调信信 宿宿信信 源源1 1、调制的概念、调制的概念 让基带信号（调制信号）让基带信号（调制信号）m（t）去控制载波的某个（或去控制载波的某个（或某些）参数，使该参数按照信号某些）参数，使该参数按照信号m（t）的规律变化的过程。的规律变化的过程。7/1/20242CP 第五章 模拟调制系统2 2、调制的目的、调制的目的（1）与信道相适应）与信道相适应（2）天线的要求）天线的要求（3）实现频分复用）实现频分复用（4）改善系统性能）改善系统性能3、载波（、载波（Carrier）（1）正弦波）正弦波（2）周期脉冲序列）周期脉冲序列4 4、调制的分类、调制的分类（1）模拟调制：基带信号是模拟信号）模拟调制：基带信号是模拟信号（2）数字调制：基带信号是数字信号）数字调制：基带信号是数字信号7/1/20243CP 第五章 模拟调制系统5 5、常见的模拟调制、常见的模拟调制最常见的模拟调制是以最常见的模拟调制是以正弦波正弦波为载波的调制为载波的调制载波：载波：载波的三要素：载波的三要素：幅度调制幅度调制（线性调制）（线性调制）频率调制频率调制相位调制相位调制（非线性调制）（非线性调制）而由而由频谱特性频谱特性的不的不同，幅度调制又可同，幅度调制又可以分为：以分为：AM：标准调幅调制：标准调幅调制SSB：单边带调制：单边带调制DSB：抑制载波的双边带调制：抑制载波的双边带调制VSB：残留边带调制：残留边带调制7/1/20244CP 第五章 模拟调制系统5.1 5.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理载波：载波：线性调制的一般过程线性调制的一般过程h(t)：冲激响应为冲激响应为h(t)的带通滤波器的带通滤波器BPF 适当地选择适当地选择BPF可以得到各种幅度调制：可以得到各种幅度调制：AM、DSB、SSB、VSB7/1/20245CP 第五章 模拟调制系统时域：时域：频域：频域：幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号（基带信号）的规律而变化的过程。其按调制信号（基带信号）的规律而变化的过程。7/1/20246CP 第五章 模拟调制系统5.1.1 5.1.1 调幅调幅(AM)(AM)1、已调信号、已调信号2、调制模型、调制模型假设假设h(t)=(t)，即滤波器即滤波器（H()=1）为为全全通网络通网络7/1/20247CP 第五章 模拟调制系统3、AM调制的波形及频谱调制的波形及频谱7/1/20248CP 第五章 模拟调制系统4、频谱特点、频谱特点（1）调幅过程使原始信号频）调幅过程使原始信号频谱谱M()左右左右 搬移了搬移了c c，搬移，搬移后的频谱中包含后的频谱中包含：n载波分量：载波分量：n边带分量：边带分量：（2 2）AM波的带宽是基带信号带宽波的带宽是基带信号带宽fH的的2倍：倍：B BAMAM=2=2fH HBAM7/1/20249CP 第五章 模拟调制系统载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带（3）上边带（）上边带（USB）和下边带（）和下边带（LSB）7/1/202410CP 第五章 模拟调制系统n当满足条件当满足条件|m(t)|maxmaxA0 0 时，时，AM信号的包络与调制信号的包络与调制信号的波形相同；信号的波形相同；n用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号；用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号；n否则，将会出现否则，将会出现过调幅现象过调幅现象而产生包络失真。这时不而产生包络失真。这时不能用包络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以能用包络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用同步检波器。采用同步检波器。5、AM调制要求：调制要求：|m(t)|maxA0（不过调）（不过调）7/1/202411CP 第五章 模拟调制系统6、AM调制的功率和效率调制的功率和效率 AM AM信号在信号在11电阻上的电阻上的平均功率平均功率应等于信号应等于信号sAM(t)的均的均方值。当方值。当m(t)为确知信号时，为确知信号时，sAM(t)的均方值即为其平方的的均方值即为其平方的时间平均时间平均：通常假设调制信号没有直流分量，即：通常假设调制信号没有直流分量，即：又因为：又因为：7/1/202412CP 第五章 模拟调制系统载波功率载波功率边带功率边带功率所以，所以，AMAM信号在信号在1电阻上的电阻上的平均功率平均功率为：为：（1）AM信号的总功率包括信号的总功率包括载波功率载波功率和和边带功率边带功率两部分，只有两部分，只有边带功率才与调制信号边带功率才与调制信号m(t)有关，载波分量不携带信息；有关，载波分量不携带信息；（2）|m(t)|maxA0，所以有：，所以有：ps pc，即使在，即使在“满调幅满调幅”（|m(t)|max=A0 时，也称时，也称100调制）条件下，载波分量仍占调制）条件下，载波分量仍占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有的功率较小。据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有的功率较小。7/1/202413CP 第五章 模拟调制系统因此，从功率上讲，因此，从功率上讲，AMAM信号的功率利用率比较低。信号的功率利用率比较低。（3）AM调制波的效率：调制波的效率：7、AM调制的特点调制的特点功率低效，频带利用低，但功率低效，频带利用低，但接收简单接收简单。7/1/202414CP 第五章 模拟调制系统5.1.2 抑制载波抑制载波双边带调制双边带调制（DSB-SC）n在在AMAM信号中，信息完全由边带传送，载波分量并不携带信信号中，信息完全由边带传送，载波分量并不携带信息，却占据了息，却占据了2/32/3以上的功率以上的功率 。AM调制的缺点：调制的缺点：如果将载波抑制，即可得到抑制载波双边带信号，简称双如果将载波抑制，即可得到抑制载波双边带信号，简称双边带信号（边带信号（DSB）1 1、DSBDSB已调信号已调信号时域：时域：频谱：频谱：7/1/202415CP 第五章 模拟调制系统2 2、DSBDSB调制过程的波形及其频谱调制过程的波形及其频谱7/1/202416CP 第五章 模拟调制系统n由时间波形可知，由时间波形可知，DSBDSB信号的包络不再与调制信号的变化规信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用需采用相干解调相干解调(同步检波同步检波)。n在调制信号在调制信号m(t)的的过零点处过零点处，载波相位有，载波相位有180180的的倒相倒相；nDSB信号的频带宽度是调制信号带宽的两倍：信号的频带宽度是调制信号带宽的两倍：BDSB=2fH；nDSB信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了,但由于但由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可。这就调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可。这就是是单边带调制单边带调制能解决的问题。能解决的问题。3 3、DSBDSB频谱特点频谱特点7/1/202417CP 第五章 模拟调制系统5 5、DSBDSB的特点：的特点：优点：优点：功率高效，功率高效，节省了载波功率，调制效率节省了载波功率，调制效率100；缺点：缺点：频带利用并不高效，多传了一倍的频带信息，且频带利用并不高效，多传了一倍的频带信息，且不不能用包络检波，需用相干检波，较复杂能用包络检波，需用相干检波，较复杂。4 4、DSBDSB的功率和效率的功率和效率而要使频带高效，这就是而要使频带高效，这就是单边带调制单边带调制能解决的问题。能解决的问题。7/1/202418CP 第五章 模拟调制系统DSB的频带利用并不高效：的频带利用并不高效：7/1/202419CP 第五章 模拟调制系统 5.1.3 单边带调制单边带调制(SSB)1.SSB调制原理：调制原理：双边带信号两个边带双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调中的任意一个都包含了调制信号频谱制信号频谱M()的所有频的所有频谱成分，因此仅传输其中谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称半传输频带，这种方式称为为单边带调制单边带调制。7/1/202420CP 第五章 模拟调制系统2.由由滤波法滤波法产生产生SSBa、滤波法的原理方框图、滤波法的原理方框图 用用边带滤波器边带滤波器，滤除不要的边带，滤除不要的边带:b、单边带滤波器：、单边带滤波器：可滤除下边带，可滤除下边带，产生产生上边带上边带SSB可滤除上边带，可滤除上边带，产生产生下边带下边带SSBHPF:LPF:7/1/202421CP 第五章 模拟调制系统边带滤波的演示：边带滤波的演示：7/1/202422CP 第五章 模拟调制系统C C、用滤波法形成单边带信号的困难：、用滤波法形成单边带信号的困难：n 用滤波法形成用滤波法形成SSBSSB信号的技术难点是，由于一般调信号的技术难点是，由于一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的DSBDSB信号的上、信号的上、下边带之间的间隔很窄，这就要求单边下边带之间的间隔很窄，这就要求单边带滤波器在带滤波器在fc附近具有附近具有陡峭的截止特性陡峭的截止特性，才能有效地，才能有效地抑制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作抑制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。很困难，有时甚至难以实现。n为此，为此，在工程中往往采用在工程中往往采用多级调制滤波多级调制滤波的方法。的方法。7/1/202423CP 第五章 模拟调制系统3、SSB信号的表达式信号的表达式频域：频域：DSBDSB信号信号边带滤波器边带滤波器时域：时域：例如例如产生产生下边带下边带的滤波器：的滤波器：7/1/202424CP 第五章 模拟调制系统（1）“”：上边带：上边带（2）“”：下边带：下边带（3）希尔伯特变换希尔伯特变换：对对m(t)的所有频率分的所有频率分量相移（量相移（-/2）。7/1/202425CP 第五章 模拟调制系统4、相移法：相移法：利用相移网络，对载波和调制信号进行适当移利用相移网络，对载波和调制信号进行适当移相，以便在合成过程中将其中一个边带抵消掉。相，以便在合成过程中将其中一个边带抵消掉。7/1/202426CP 第五章 模拟调制系统 SSB信号的解调和信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，一样不能采用简单的包络检波，需采用需采用相干解调相干解调。综上所述综上所述：SSB调制方式在传输信号时，不但可节省载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波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有，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。制方式。5、SSB信号的带宽信号的带宽BSSB=fH缺陷：对滤波器要求高，很难实现。缺陷：对滤波器要求高，很难实现。7/1/202427CP 第五章 模拟调制系统 5.1.4 残留单边带调制残留单边带调制(VSB)1、原理：、原理：残留边带调制是介于残留边带调制是介于SSB与与DSB之间的一种之间的一种折中方式，它既克服了折中方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺信号占用频带宽的缺点，又解决了点，又解决了SSB信号实现中的困难。信号实现中的困难。在这种调制方式中，不像在这种调制方式中，不像SSB那样完全抑制那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留小部分。小部分。7/1/202428CP 第五章 模拟调制系统2、VSB示意图：示意图：7/1/202429CP 第五章 模拟调制系统频域：频域：滚降边带滤波器滚降边带滤波器滤波器特性：滤波器特性：互补对称性互补对称性4、信号带宽：、信号带宽：一般一般 B1fHB1：残留边带带宽，：残留边带带宽，3、表达式：、表达式：残留边带滤波器的特性残留边带滤波器的特性H()在在 c处半幅度点必须具有处半幅度点必须具有互补对称（奇对称）特性互补对称（奇对称）特性，相干解调时才能无失真地从残，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。留边带信号中恢复所需的调制信号。7/1/202430CP 第五章 模拟调制系统 5.1.5 线性调制的一般模型线性调制的一般模型线性调制的一般模型线性调制的一般模型时域表达式：时域表达式：频域表达式：频域表达式：适当地选择滤波器的特性适当地选择滤波器的特性H(w)，便可以得到各种幅度调制信号，便可以得到各种幅度调制信号7/1/202431CP 第五章 模拟调制系统各种调制的各种调制的H(w)：DSB、AM:SSB:VSB:7/1/202432CP 第五章 模拟调制系统幅度调制的比较幅度调制的比较调制调制类型类型时域表达式时域表达式频域表达式频域表达式带宽带宽AM2fHDSB2fHSSBfHVSBfH+B17/1/202433CP 第五章 模拟调制系统 5.1.6 相干解调和包络检波相干解调和包络检波解调解调：调制的逆过程，其作用是从已调信号中恢复出原始：调制的逆过程，其作用是从已调信号中恢复出原始基带信号。基带信号。解调分类：解调分类：相干解调相干解调/同步检波同步检波包络解调包络解调1、相干解调、相干解调/同步检波同步检波（1）相干解调的要求：）相干解调的要求：收方一定要有一个与发方相同的载波。收方一定要有一个与发方相同的载波。相干相干/同步同步/本地载波本地载波收方与发方载波的瞬时频率相同收方与发方载波的瞬时频率相同收方与发方载波的相位差为收方与发方载波的相位差为07/1/202434CP 第五章 模拟调制系统（2）相干解调器的一般模型）相干解调器的一般模型LPFLPF：低通滤波器，低通滤波器，带宽：带宽：fH；作用：提取基带信号。作用：提取基带信号。c(t)：相干相干/同步同步/本地载波本地载波sm(t)：已调信号已调信号7/1/202435CP 第五章 模拟调制系统（3）相干解调的频谱）相干解调的频谱LPF已调信号已调信号sm(t)与载波相干相乘后的与载波相干相乘后的sp(t)的频谱：的频谱：已调信号已调信号sm(t)的频谱：的频谱：载波载波c(t)的频谱：的频谱：7/1/202436CP 第五章 模拟调制系统将将M(w)搬移到搬移到2c处的频谱，为处的频谱，为高频信高频信号号，由，由LPF滤除。滤除。7/1/202437CP 第五章 模拟调制系统所以，解调输出所以，解调输出so(t)的频谱为：的频谱为：（4）各种调制的相干解调输出：）各种调制的相干解调输出：AM：DSB：SSB：VSB：一般不使用相干解一般不使用相干解调，使用包络解调调，使用包络解调7/1/202438CP 第五章 模拟调制系统5.2 5.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 5.2.1 分析模型分析模型其中，若为其中，若为同步同步解调器解调器LPF7/1/202439CP 第五章 模拟调制系统其中：其中：（1）BPF：带通滤波器，理想的矩形图形，：带通滤波器，理想的矩形图形，带宽为已调信带宽为已调信号号sm(t)的带宽的带宽，由，由LC谐振回路放大器实现；谐振回路放大器实现；作用：滤除带外噪声；让信号通过。作用：滤除带外噪声；让信号通过。（2）经过）经过BPF后：后：已调信号已调信号sm(t)不变不变噪声由噪声由n(t)变成变成ni(t)，即由，即由宽带白噪声宽带白噪声变成变成窄带高斯白噪声窄带高斯白噪声。衡量模拟通信系统性能好坏的标准是衡量模拟通信系统性能好坏的标准是信噪比信噪比。7/1/202440CP 第五章 模拟调制系统窄带高斯过程：窄带高斯过程：输入噪声的平均功率：输入噪声的平均功率：输入信号的平均功率：输入信号的平均功率：输入信噪比：输入信噪比：?通常使用：通常使用：7/1/202441CP 第五章 模拟调制系统输出噪声的平均功率：输出噪声的平均功率：输出信号的平均功率：输出信号的平均功率：输出信噪比：输出信噪比：系统系统/制度增益制度增益7/1/202442CP 第五章 模拟调制系统 5.2.2 DSB调制系统的性能调制系统的性能1、DSB相干解调模型相干解调模型已调信号：已调信号：（1）解调器输入端）解调器输入端B=2fH7/1/202443CP 第五章 模拟调制系统信号：信号：（2）解调器输出端）解调器输出端A点：点：B点：点：高频信号高频信号C点：点：7/1/202444CP 第五章 模拟调制系统噪声：噪声：A点：点：B点：点：C点：点：（B=2fH）7/1/202445CP 第五章 模拟调制系统输出信噪比：输出信噪比：（3）系统）系统/制度增益制度增益DSB调制增益很高，但其代价是信号带宽较大：调制增益很高，但其代价是信号带宽较大：BDSB=2fH7/1/202446CP 第五章 模拟调制系统 5.2.3 SSB调制系统的性能调制系统的性能（1）解调器输入端）解调器输入端B=fH7/1/202447CP 第五章 模拟调制系统（2）解调器输出端）解调器输出端经过经过LPF信号：信号：7/1/202448CP 第五章 模拟调制系统噪声：噪声：分析过程与分析过程与DSB类似，结论也相同。类似，结论也相同。（B=fH）输出信噪比：输出信噪比：（3）系统）系统/制度增益制度增益7/1/202449CP 第五章 模拟调制系统判断：判断：DSB抗噪声性能优于抗噪声性能优于SSB?结论：结论：在相同的输入信号功率在相同的输入信号功率Si、n0和和fH的条件下，的条件下，SSB 抗噪抗噪声性能与声性能与DSB相同，但相同，但SSB所需要的传输带宽仅为所需要的传输带宽仅为DSB的一半，的一半，所以所以SSB的应用更为广泛。的应用更为广泛。SiNiSoNo(SNR)oDSBSSBSSB7/1/202450CP 第五章 模拟调制系统AM同步解调的性能：同步解调的性能：一般不用同步解调，试自己分析。一般不用同步解调，试自己分析。结论：结论：7/1/202451CP 第五章 模拟调制系统 5.2.4 AM包络检波的性能包络检波的性能1、AM的包络检波器的包络检波器AMAM信号信号2、AM包络解调的优缺点包络解调的优缺点优点：优点：不需要从收到的信号中提取相干载波，电路简单，不需要从收到的信号中提取相干载波，电路简单，检波效率高。检波效率高。缺点：缺点：性能下降，发方功率要求高。性能下降，发方功率要求高。7/1/202452CP 第五章 模拟调制系统3、AM包络解调的抗噪声性能分析模型包络解调的抗噪声性能分析模型解调器输入端：解调器输入端：信号：信号：噪声：噪声：7/1/202453CP 第五章 模拟调制系统所以有：所以有：解调器输入端的混合信号：解调器输入端的混合信号：7/1/202454CP 第五章 模拟调制系统其中：其中：（包络）（包络）7/1/202455CP 第五章 模拟调制系统讨论：讨论：（1）大信号时，即：）大信号时，即：则有：则有：（A0：直流部分，可：直流部分，可用隔直流电容隔离）用隔直流电容隔离）输出：输出：输出信号功率：输出信号功率：输出噪声功率：输出噪声功率：（B=2fH）7/1/202456CP 第五章 模拟调制系统所以有：所以有：又因为：又因为：(试与试与AM相干解调结果相比较）相干解调结果相比较）7/1/202457CP 第五章 模拟调制系统AM相干解调与包络解调结果的比较相干解调与包络解调结果的比较AMAM解解调调方方式式解调解调输入输入信号信号解调解调输入输入噪声噪声输入信输入信噪比噪比解调解调输出输出信号信号解调解调输出输出噪声噪声输出信输出信噪比噪比制度增益制度增益G G相相干干s sAMAM(t)(t)n ni i(t)(t)包包络络s sAMAM(t)(t)n ni i(t)(t)7/1/202458CP 第五章 模拟调制系统AM调制要求：调制要求：|m(t)|maxA0（不过调）（不过调）对于对于100AM调制，即调制，即|m(t)|maxA0时：时：则：则：所以：所以：AM包络检波的包络检波的最大制度增益最大制度增益7/1/202459CP 第五章 模拟调制系统（2）小信号时，即：）小信号时，即：小信号时，解调过程并不理想，经过分析，可以发现包小信号时，解调过程并不理想，经过分析，可以发现包络检波器的输出端没有单独的基带信号络检波器的输出端没有单独的基带信号m(t)，即不能解调出，即不能解调出干净的原始信号。干净的原始信号。4、包络解调的门限效应、包络解调的门限效应 当信号小到一定程度（当信号小到一定程度（a点）点），输出信号突然急剧变化，这一，输出信号突然急剧变化，这一现象称为现象称为门限效应门限效应，而这一点称，而这一点称为为门限门限。门限效应是由包络检波。门限效应是由包络检波的非线性引起的。的非线性引起的。注意：相干解调不存在门限效应。注意：相干解调不存在门限效应。7/1/202460CP 第五章 模拟调制系统例例1：已知已调信号已知已调信号试求：试求：（1）载波功率和边带功率；）载波功率和边带功率；（2）功率的调制效率）功率的调制效率；（3）制度增益）制度增益G；（4）若要求）若要求S0/N030dB，求，求Ni和和n0。7/1/202461CP 第五章 模拟调制系统例例2：设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度在该信道中传输在该信道中传输DSB信号，并已知调制信号的频带限制在信号，并已知调制信号的频带限制在5kHz，而载波为，而载波为100kHz，已调信号功率为，已调信号功率为10kW。若接收。若接收机的输入信号在加至解调器之前先经过一个理想带通滤波机的输入信号在加至解调器之前先经过一个理想带通滤波器，试问：器，试问：（1）该）该理想带通滤波器的中心频率和带宽为多少；理想带通滤波器的中心频率和带宽为多少；（2）解调器输入端的信噪比为多少；）解调器输入端的信噪比为多少；（3）解调器输出端的信噪比为多少；）解调器输出端的信噪比为多少；（4）求出解调器输出端的噪声功率谱密度，并画出图形。）求出解调器输出端的噪声功率谱密度，并画出图形。7/1/202462CP 第五章 模拟调制系统5.3 5.3 非线性调制（角度调制）原理非线性调制（角度调制）原理 5.3.1 5.3.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念 通过改变载波的频率或相位来实现调制，即载波的幅度通过改变载波的频率或相位来实现调制，即载波的幅度保持不变，而载波的频率和相位随基带信号保持不变，而载波的频率和相位随基带信号m(t)变化。变化。角度调制信号（已调信号）的一般表达式：角度调制信号（已调信号）的一般表达式：式中：式中：A 载波的恒定振幅；载波的恒定振幅；ct+(t)为载波信号的瞬时相位为载波信号的瞬时相位;(t)瞬时相位偏移；瞬时相位偏移；7/1/202463CP 第五章 模拟调制系统A 载波的恒定振幅；载波的恒定振幅；ct+(t)为载波信号的瞬时相位为载波信号的瞬时相位;(t)瞬时相位偏移；瞬时相位偏移；可进一步得到：可进一步得到：瞬时角频率：瞬时角频率：瞬时频率偏移：瞬时频率偏移：若把基带信号若把基带信号若把基带信号若把基带信号m(t)控制控制 (t)瞬时频率偏移瞬时频率偏移瞬时相位偏移瞬时相位偏移相位调制相位调制频率调制频率调制7/1/202464CP 第五章 模拟调制系统1、相位调制（、相位调制（PM）：）：瞬时相位偏移瞬时相位偏移 (t)随基带信号随基带信号m(t)成线性成线性变化，即：变化，即：Kp：调相系数，：调相系数，单位：单位：rad/V则调相信号为：则调相信号为：2、频率调制（、频率调制（FM）：）：瞬时频率偏移瞬时频率偏移d (t)/dt随基带信号随基带信号m(t)成线性成线性变化，即：变化，即：Kf：调频系数，：调频系数，单位是单位是rad/s V7/1/202465CP 第五章 模拟调制系统则瞬时相位偏移则瞬时相位偏移 (t)为：为：调频信号为：调频信号为：因为瞬时角频率：因为瞬时角频率：则：则：（1）瞬时角频率瞬时角频率7/1/202466CP 第五章 模拟调制系统（2）窄带调频和宽带调频窄带调频和宽带调频 如果如果FM信号的信号的最大瞬时相移最大瞬时相移满足：满足：此时此时FM的频谱比较窄，称为的频谱比较窄，称为窄带调频（窄带调频（NBFM）；对于调频信号：对于调频信号：若不满足上式，则若不满足上式，则FM的频谱比较宽，称为的频谱比较宽，称为宽带调频宽带调频（WBFM）。7/1/202467CP 第五章 模拟调制系统（4）带宽带宽卡尔森公式卡尔森公式因为瞬时频率偏移因为瞬时频率偏移所以，定义所以，定义“最大频偏最大频偏”：或或（3）“最大频偏最大频偏”的定义的定义一般：一般：所以，一般所以，一般FM信号所占信道非常宽，属于宽带调制。信号所占信道非常宽，属于宽带调制。FM调制的调制的缺点缺点：宽带调频的带宽是线性调制的几十几：宽带调频的带宽是线性调制的几十几百倍。而这一缺点也换来了一个很大的百倍。而这一缺点也换来了一个很大的优点优点信噪比（保信噪比（保真度）高。真度）高。7/1/202468CP 第五章 模拟调制系统（5）窄带调频和宽带调频的带宽窄带调频和宽带调频的带宽卡尔森公式卡尔森公式若为窄带调频，即若为窄带调频，即则带宽为：则带宽为：若为宽带调频，即若为宽带调频，即则带宽为：则带宽为：7/1/202469CP 第五章 模拟调制系统3、PM与与 FM的区别的区别n PM是相位偏移随调制信号是相位偏移随调制信号m(t)线性变化，线性变化，FM是相位是相位偏移随偏移随m(t)的积分呈线性变化；的积分呈线性变化；n如果预先不知道调制信号如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号；已调信号是调相信号还是调频信号；n由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，所以由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，所以FM与与PM之间是可以之间是可以相互转换相互转换的。的。7/1/202470CP 第五章 模拟调制系统4、PM 信号信号和和FM 信号信号波形波形(a)PM 信号波形信号波形 (b)FM 信号波形信号波形7/1/202471CP 第五章 模拟调制系统5.4 5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能1、FM非相干解调框图非相干解调框图信号信号：限幅器限幅器：消除接收信号在幅度上可能出现的畸变。：消除接收信号在幅度上可能出现的畸变。带宽带宽：BPF：让信号通过，滤除带外噪声。：让信号通过，滤除带外噪声。在大信噪比条件下：在大信噪比条件下：7/1/202472CP 第五章 模拟调制系统鉴频器鉴频器：实现调频信号的解调，产生一个与调频信号的频：实现调频信号的解调，产生一个与调频信号的频率成线性关系的输出电压。率成线性关系的输出电压。鉴频器只对信号的角度（相位）感兴趣：对整个相位鉴频器只对信号的角度（相位）感兴趣：对整个相位进行微分，然后再减去一个直流（中心频率），如下：进行微分，然后再减去一个直流（中心频率），如下：解调输出信号：解调输出信号：输入信号：输入信号：7/1/202473CP 第五章 模拟调制系统输出噪声输出噪声no(t)：（fm：基带信号带宽）：基带信号带宽）7/1/202474CP 第五章 模拟调制系统2、FM非相干解调性能非相干解调性能（1）输入信噪比）输入信噪比7/1/202475CP 第五章 模拟调制系统（2）输出信噪比）输出信噪比 该信噪比对一切调频均适用，但是比较复杂，若该信噪比对一切调频均适用，但是比较复杂，若m(t)为为简单的简单的单音信号单音信号，则该表达式可以进一步简化。，则该表达式可以进一步简化。7/1/202476CP 第五章 模拟调制系统3、单音调频、单音调频若基带信号为单一频率的正弦波，即：若基带信号为单一频率的正弦波，即：当它对载波进行频率调制时，即为单音调频。当它对载波进行频率调制时，即为单音调频。基带信号截止频率：基带信号截止频率：fm（1）已调信号）已调信号7/1/202477CP 第五章 模拟调制系统（2）定义）定义调频指数调频指数（只对单音信号有此定义）（只对单音信号有此定义）又因为又因为“最大频偏最大频偏”：对于单音信号，有：对于单音信号，有：则：则：所以有：所以有：7/1/202478CP 第五章 模拟调制系统（2）单音信号信噪比的简化）单音信号信噪比的简化 简化？简化？代入信噪比表达式，化简得代入信噪比表达式，化简得7/1/202479CP 第五章 模拟调制系统由于：由于：而而n0fm可以看作基带带宽内的输入噪声：可以看作基带带宽内的输入噪声：所以得到第一种简化形式：所以得到第一种简化形式：7/1/202480CP 第五章 模拟调制系统G又因为：又因为：则有：则有：得到第二种简化形式：得到第二种简化形式：7/1/202481CP 第五章 模拟调制系统可得系统增益：可得系统增益：其中调频指数：其中调频指数：上式表明，在大信噪比情况下，宽带（上式表明，在大信噪比情况下，宽带（mf较大）调较大）调频的频的G是很大的，其抗噪声性能很好。是很大的，其抗噪声性能很好。代价：牺牲带宽，换取性能代价：牺牲带宽，换取性能7/1/202482CP 第五章 模拟调制系统 在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益是很在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益是很高的，即抗噪声性能好。例如，调频广播中常取高的，即抗噪声性能好。例如，调频广播中常取mf5，则制度增益则制度增益GFM=450。也就是说，加大调制指数，可使。也就是说，加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。调频系统的抗噪声性能迅速改善。例如：例如：mf9，fm3KHz7/1/202483CP 第五章 模拟调制系统5、单音调频应用举例、单音调频应用举例4、FM门限效应门限效应调频（调频（FM）广播）广播广播电视伴音广播电视伴音卫星广播电视卫星广播电视7/1/202484CP 第五章 模拟调制系统 例例1：设一宽带频率调制（设一宽带频率调制（FM）系统，载波幅度为）系统，载波幅度为100V，频率为，频率为100MHz，调制信号，调制信号m(t)的频率限制在的频率限制在5kHz，并设信道中噪声功率谱密度是均匀的，其单边功率谱密度并设信道中噪声功率谱密度是均匀的，其单边功率谱密度为为0.001W/Hz，试求：，试求：（1）接收机输入端的理想带通滤波器的传输特性）接收机输入端的理想带通滤波器的传输特性H()；（2）接收机输入端的信噪功率比；）接收机输入端的信噪功率比；（3）接收机输出端的信噪功率比；）接收机输出端的信噪功率比；（4）若）若m(t)以以AM调制方法传输，并以包络检波器进行解调，调制方法传输，并以包络检波器进行解调，试比较在输出信噪比和所需带宽方面与试比较在输出信噪比和所需带宽方面与FM系统有何不同？系统有何不同？7/1/202485CP 第五章 模拟调制系统5.5 5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较在在同等条件同等条件下：下：相等的信号输入功率相等的信号输入功率Si；均值为零、双边功率谱密度为均值为零、双边功率谱密度为n0/2的高斯白噪声；的高斯白噪声；基带信号的带宽为基带信号的带宽为fm，且满足：，且满足：不限制各种调制的带宽不限制各种调制的带宽B：7/1/202486CP 第五章 模拟调制系统1、DSB调制调制2、SSB调制调制3、100的的AM调制调制4、FM调制调制各种调制解调端的输出信噪比：各种调制解调端的输出信噪比：7/1/202487CP 第五章 模拟调制系统在在相同的条件相同的条件下：各种调制解调端的输出信噪比的比较：下：各种调制解调端的输出信噪比的比较：例：例：AM与与FM性能比较性能比较(1)输出信噪比之比：输出信噪比之比：(2)带宽：带宽：性能的得益是以带宽为代价的。性能的得益是以带宽为代价的。7/1/202488CP 第五章 模拟调制系统5.6 5.6 频分复用频分复用5.6.1 频分复用的概念频分复用的概念1、复用的定义：、复用的定义：将若干个彼此独立信号合并在一起，在将若干个彼此独立信号合并在一起，在同一个信道中进行传输的方法。同一个信道中进行传输的方法。复用的分类：复用的分类：频分复用频分复用FDM时分复用时分复用TDM码分复用码分复用CDM频分复用：频分复用：一种按频率划分信道的复用方式，主要用于模拟一种按频率划分信道的复用方式，主要用于模拟通信，也可用于数字通信。通信，也可用于数字通信。7/1/202489CP 第五章 模拟调制系统2、频分复用系统的组成方框图、频分复用系统的组成方框图LPF：每路信号通过每路信号通过LPF限制其最高基带频率限制其最高基带频率fm；SBF：边带滤波器，边带滤波器，产生各种调制波形；产生各种调制波形；调制端调制端解调端解调端7/1/202490CP 第五章 模拟调制系统（1）该框图包括）该框图包括DSB、SSB、VSB，区别仅在于，区别仅在于SBF；（2）该框图包括同步（相干）该框图包括同步（相干）AM，但不包括包络，但不包括包络AM；（3）该框图不包括）该框图不包括FM。注意：注意：7/1/202491CP 第五章 模拟调制系统（1）fg：防卫带：防卫带/保护带（保护带（Guard Band）作用：作用：防交叠；便于接收，使接收端防交叠；便于接收，使接收端BPF容易实现。容易实现。3、频分复用的频谱、频分复用的频谱设每路基带信号具有相同的设每路基带信号具有相同的fm；一般，一般，fg900Hz7/1/202492CP 第五章 模拟调制系统（2）带宽的计算）带宽的计算假设：假设：fm相等、相等、fg相等相等a、SSB的频分复用带宽的频分复用带宽fi第第i路的载波频率路的载波频率FDM带宽（带宽（n路）：路）：B1=fm+fg：一路：一路SSB信号占用的带宽信号占用的带宽7/1/202493CP 第五章 模拟调制系统b、DSB的频分复用带宽的频分复用带宽B1=2fm+fg：一路一路DSB信号占用的带宽信号占用的带宽c、FM的频分复用带宽的频分复用带宽其中：其中：7/1/202494CP 第五章 模拟调制系统例：例：例：例：3 3 3 3路频分复用电话通信系统原理路频分复用电话通信系统原理路频分复用电话通信系统原理路频分复用电话通信系统原理(a)发送端原理方框图4.3 7.4 kHz8.3 11.4 kHz4 kHz12 kHz8 kHz多路信号输出相乘带通低通话音输入1f1相乘带通低通话音输入2f2相乘带通低通话音输入3f3300 3400 Hz300 3,400 Hz300 3,400 Hz输入端：输入端：4 kHz8 kHz12 kHz基带语音信号300 3,400 Hz4.3 7.4 kHz8.3 11.4 kHz12.3 15.4 kHzf07/1/202495CP 第五章 模拟调制系统多路信号输入(b)接收端原理方框图话音输出1话音输出2话音输出3相乘低通带通f1相乘低通带通f1相乘低通带通f14.3 7.4 kHz8.3 11.4 kHz12.3 15.4 kHz3400 Hz3400 Hz3400 Hz8 kHz12 kHz4 kHz输出端：输出端：4 kHz8 kHz12 kHz基带语音信号300 3,400 Hz4.3 7.4 kHz8.3 11.4 kHz12.3 15.4 kHzf07/1/202496CP 第五章 模拟调制系统频分复用的主要缺点：频分复用的主要缺点：1、要求系统的非线性失真很小，否则将因非线性失真而产、要求系统的非线性失真很小，否则将因非线性失真而产生各路信号间的互相干扰；生各路信号间的互相干扰；3、成本较高。、成本较高。2、用硬件实现时，设备的生产技术较为复杂，特别是滤波、用硬件实现时，设备的生产技术较为复杂，特别是滤波器的制作和调试较繁难；器的制作和调试较繁难；7/1/202497CP 第五章 模拟调制系统5.6.2 复合调制和多级调制的概念复合调制和多级调制的概念1、复合调制复合调制对同一载波进行两种或更多种的调制，基对同一载波进行两种或更多种的调制，基带信号可以不止一个。带信号可以不止一个。2、多级调制多级调制将同一基带信号进行两次或更多次的调制将同一基带信号进行两次或更多次的调制过程，方式可以相同，也可以不相同。过程，方式可以相同，也可以不相同。常见的多级调制：常见的多级调制：SSB/SSB；SSB/FM；FM/FM7/1/202498CP 第五章 模拟调制系统未经调制的信号未经调制的信号0次群；次群；经一次调制的信号（第一次经一次调制的信号（第一次FDM）1次群次群/基群；基群；经两次调制的信号（第二次经两次调制的信号（第二次FDM）2次群次群/超群；超群；经三次调制的信号（第三次经三次调制的信号（第三次FDM）3次群次群/主群；主群；国际电信联盟国际电信联盟(ITU)建议：建议：基群基群 12路，占用路，占用48 kHz带宽，位于带宽，位于12 60kHz之间；之间；超群超群 60路，由路，由5个基群组成，占用个基群组成，占用240 kHz的带宽；的带宽；主群主群 300路，由路，由5个超群组成；个超群组成；超主群超主群 900路，由路，由3个超群组成；个超群组成；经四次调制的信号（第四次经四次调制的信号（第四次FDM）4次群次群/超主群；超主群；7/1/202499CP 第五章 模拟调制系统一个实际的多级一个实际的多级FDM电话系统电话系统1、语音基带信号、语音基带信号（0次群次群）2、第一次复用、第一次复用：将：将12路语音输入合成一个路语音输入合成一个基群基群（一次群），（一次群），其中，第其中，第n路的载频为：路的载频为：则则fcn为：为：7/1/2024100CP 第五章 模拟调制系统KHz 各路信号采用各路信号采用SSB下边带下边带调制，形成调制，形成12个下边带个下边带组成的组成的基群。基群所占频谱宽度为：基群所占频谱宽度为：60KHz108KHz，共，共48KHz。基带信号：基带信号：第一次第一次FDM的频谱的频谱48KHz7/1/2024101CP 第五章 模拟调制系统3、第二次复用、第二次复用：将：将5个基群（一次群）合并成一个个基群（一次群）合并成一个超群超群，其，其中用到的载波频率为：中用到的载波频率为：则则fdm为：为：将第一次的将第一次的FDM信号看成一个新的基带信号：信号看成一个新的基带信号：7/1/2024102CP 第五章 模拟调制系统第二次第二次FDM的频谱的频谱五个载频点：五个载频点：新的基带信号：新的基带信号：五路信号仍采用五路信号仍采用SSB下边带下边带调制，形成调制，形成5个下边带组成个下边带组成的超群。的超群。超群所占频谱宽度为：超群所占频谱宽度为：312KHz552KHz，共，共240KHz。7/1/2024103CP 第五章 模拟调制系统 一个超群包含一个超群包含60个语音用户，用同样的方法可以将个语音用户，用同样的方法可以将5个超群合并成一个个超群合并成一个主群主群（包含（包含300个语音用户），频带范个语音用户），频带范围：围：812KHz2044KHz，约，约1200KHz。一个超群一个超群主群主群包含包含300个语音用户个语音用户，用同样的方法可，用同样的方法可以将以将3个主群合并成一个个主群合并成一个超主群超主群（包含（包含900个语音用户），个语音用户），频带范围：频带范围：8516KHz12388KHz，约，约3600KHz。第三次第三次FDM主群主群第四次第四次FDM超主群（巨群）超主群（巨群）7/1/2024104CP 第五章 模拟调制系统谢谢！