第2章模拟调制技术课件

11 七月 2024数字通信原理第第2 2章章 模拟调制技术模拟调制技术模拟通信系统模型模拟通信系统模型第第2章章模拟调制技术模拟调制技术本章重点讨论用取值连续的调制信号去控制正本章重点讨论用取值连续的调制信号去控制正弦载波的参数（幅度、频率或相位）的模拟调制弦载波的参数（幅度、频率或相位）的模拟调制（分为幅度调制和角度调制）。（分为幅度调制和角度调制）。主要内容有：主要内容有：v各种已调信号的时域表达式、各种已调信号的时域表达式、v调制与解调的原理、性能特点。调制与解调的原理、性能特点。11 七月 2024数字通信原理第第2 2章章 模拟调制模拟调制技术技术2.1 2.1 模拟调制概述模拟调制概述2.2 2.2 振幅调制（振幅调制（AMAM调制）调制）2.32.3 双边带调制（双边带调制（DSBDSB）2.4 2.4 单边带调制（单边带调制（SSBSSB）2.5 2.5 残留边带调制（残留边带调制（VSBVSB）2.6 2.6 角度调制（非线性调制）角度调制（非线性调制）2.7 2.7 模拟调制系统的性能比较模拟调制系统的性能比较一、基本概念 1.1.基带信号基带信号 从信源输出的信号通常是低通型信号，即该信号的频谱特征是从0（或接近0）的频率到某一截止频率fm，低通型信号又称为基带信号，也称为调制信号。如语音信号。2.2.频带信号频带信号 调制以后的信号称为频带信号或已调信号，是 基带信号对载波进行调制后产生的信号。频带信号大多数情况下均为窄带信号。2.1模拟调制概述模拟调制概述【注】窄带信号：若信号能量集中在0附近，带宽为，当0时，称为窄带信号。2.1模拟调制概述模拟调制概述信号频率：信号频率：信号每秒钟变化的次数叫频率，用赫兹信号每秒钟变化的次数叫频率，用赫兹（Hz）作单位，信号的频率有高有低，低频到高频的范）作单位，信号的频率有高有低，低频到高频的范围叫信号频带。围叫信号频带。信号带宽：信号带宽：信号自身所占最高频率与最低频率之差，用信号自身所占最高频率与最低频率之差，用B来表示，单位来表示，单位Hz。信道频带：信道频带：信道允许传送的信号的最高频率与最低频率信道允许传送的信号的最高频率与最低频率之间的频率范围之间的频率范围。v如：如：微波的工作频率范围为微波的工作频率范围为300MHz300GHz，v电话双绞线的工作频率范围在电话双绞线的工作频率范围在0到数百千到数百千Hz。信道带宽：信道带宽：信道能传送的信号的最高频率与最低频率之信道能传送的信号的最高频率与最低频率之差，用差，用B来表示，单位来表示，单位Hz。【注意】【注意】只有只有信号的频带在信道的频带允许信号的频带在信道的频带允许范围内，才能够在信道中传输。范围内，才能够在信道中传输。大部分需传送的信号都位于较低的频带上，大部分需传送的信号都位于较低的频带上，而传输信道（如电缆、光缆等）的适用传输频率，而传输信道（如电缆、光缆等）的适用传输频率，一般都位于高频范围。因此，需一般都位于高频范围。因此，需调制调制解决二者的解决二者的不匹配。不匹配。2.1模拟调制概述模拟调制概述一、基本概念一、基本概念 3.调制调制 把信号频谱搬移到较高频率范围以适应信道频率传输特把信号频谱搬移到较高频率范围以适应信道频率传输特性的过程。性的过程。4.载波载波 作为基准信号的正弦信号或脉冲串或数字信号。作为基准信号的正弦信号或脉冲串或数字信号。5.载波调制载波调制 按基带信号的变化规律改变载波某些参数的过程。按基带信号的变化规律改变载波某些参数的过程。6.模拟调制模拟调制 又称连续调制，调制信号的取值是连续的。又称连续调制，调制信号的取值是连续的。7.数字调制数字调制 调制信号的取值是离散的，如调制信号的取值是离散的，如PCM脉冲编码调制。脉冲编码调制。8.线性调制线性调制 已调信号的频谱是调制信号的水平搬移及线性变换。已调信号的频谱是调制信号的水平搬移及线性变换。9.非线性调制非线性调制 已调信号的频谱将产生频谱的非线性变换，会有新的频已调信号的频谱将产生频谱的非线性变换，会有新的频率分量产生。率分量产生。2.1模拟调制概述模拟调制概述二、模拟调制的目的二、模拟调制的目的1 1、信道传输频率特征的需要。信道传输频率特征的需要。2 2、实现信道复用。、实现信道复用。3 3、改善系统的抗噪声性能，或通过调制来提高系统频带、改善系统的抗噪声性能，或通过调制来提高系统频带利用率。采用不同的调制技术对系统性能将产生很大利用率。采用不同的调制技术对系统性能将产生很大的影响。的影响。2.1 2.1 模拟调制概述模拟调制概述11 七月 2024数字通信原理三、三、调制模型调制模型载波信号的三要素：载波信号的三要素：振幅、频率、相位振幅、频率、相位11 七月 2024数字通信原理调调制制技技术术模拟调制模拟调制(连续调制连续调制)数字调制数字调制线性调制线性调制(幅度调制幅度调制)非线性调制非线性调制(角度调制角度调制)DSBDSB：抑止载波双边带调幅：抑止载波双边带调幅AMAM：常规双边带调幅：常规双边带调幅SSBSSB：单边带调制：单边带调制VSBVSB：残留边带调制：残留边带调制FMFM：频率调制：频率调制PMPM：相位调制：相位调制PCMPCM：脉冲编码调制：脉冲编码调制数数字字载载波波调调制制(键控系统键控系统)2ASK2ASK、2PSK2PSK等等多进制键控系统多进制键控系统改进型数字调制改进型数字调制四、四、调制分类调制分类11 七月 2024数字通信原理2.2 2.2 振幅调制（振幅调制（AMAM调制）调制）AM AM调制调制又称为又称为常规调幅常规调幅常规调幅常规调幅。AMAM（Amplitude Amplitude modulationmodulation）中）中的调制信号必须包含一定的的调制信号必须包含一定的直直流分量流分量。1 1 1 1、调制原理、调制原理、调制原理、调制原理 设设AMAM的的基带基带信号：信号：设设载波载波信号为：信号为：11 七月 2024数字通信原理 则当基带信号通过调制后，得到则当基带信号通过调制后，得到AMAM信号为：信号为：振幅调制振幅调制调制信号调制信号已调已调信号信号调幅调幅AMAM示意图示意图(波形和频谱波形和频谱)11 七月 2024数字通信原理例：例：AMAM调制后的频谱变化调制后的频谱变化频域表示：频域表示：说明说明（1 1）调制后频谱在形状上没有改变，只是位置搬移了）调制后频谱在形状上没有改变，只是位置搬移了cc，而，而幅度幅度降为降为原来的一半。原来的一半。（2 2）AMAM已调信号的已调信号的带宽带宽是基带信号带宽的是基带信号带宽的两倍两倍，即，即（3）AMAM已调信号除已调信号除连续谱外，还包括离散谱线连续谱外，还包括离散谱线（即即载波信号分量载波信号分量）。）。离散谱线不携带信息，但会占用一离散谱线不携带信息，但会占用一定的发送信号功率，因此定的发送信号功率，因此AM的调制效率较低的调制效率较低。（4）对于）对于AM信号的信号的解调解调可以采用可以采用非相干解调（包络非相干解调（包络检波法）检波法）和和相干解调（同步解调）相干解调（同步解调）。（5）为了使调制不失真，必须满足两个条件为了使调制不失真，必须满足两个条件:(a)对于所有对于所有t，必须满足，必须满足A0+f(t)0，否则会出现，否则会出现包络失真。包络失真。(b)载波频率应远大于载波频率应远大于f(t)的最高频率分量的最高频率分量,即即cm，否则会出现频率交叠。，否则会出现频率交叠。根据基带信号和叠加直流信号大小关系不同，又根据基带信号和叠加直流信号大小关系不同，又可分为可分为v1.正常调幅正常调幅v2.满调幅满调幅v3.过调幅过调幅调幅系数（或调制指数）的表达式为调幅系数（或调制指数）的表达式为下图为幅度调制信号波形图。当1时，为过调幅，此时不能从s(t)的包络中恢复f(t)。下图为过幅度调制信号波形图。f(t)的最大幅度应小于或等于载波振幅的一半。的最大幅度应小于或等于载波振幅的一半。调幅系数调幅系数为调制深浅程度的指标，考虑受限为调制深浅程度的指标，考虑受限条件条件1，当，当1时，若采用包络检波法会造成解调时，若采用包络检波法会造成解调后信号失真。后信号失真。例：已知调制信号例：已知调制信号f(t)=3cos20 t，载波信号，载波信号c(t)=cos(20000 t+/2)，试写出当调制系数分别试写出当调制系数分别为为1.5和和0.5的完全调制信号是的完全调制信号是s(t)。v解：当调制信号f(t)=3cos20t，即 ，根据调制系数的定义，由于v v v 可写出调制信号表达式v当=1.5时，则A0=2,有s(t)=f(t)+2c(t)=(3cos20t+2)cos(20000t+/2)当=0.5 时，则A0=6,有s(t)=f(t)+6c(t)=(3cos20t+6)cos(20000t+/2)解调：解调是调制的逆过程。通信系统的接收端从已调信号中恢复基带信号的过程就叫解调。从频域上看，解调就是将调制时搬移到载频附近的调制信号频谱搬回到原来的位置。解调的分类：v相干解调（同步检波法）：从已调波的相位信息中提取调制信号v非相干解调（包络检波法）：从已调信号的幅度信息中提取调制信号解调方法解调方法解调方法解调方法1.相干解调相干解调适用所有的线性调制信号（适用所有的线性调制信号（对于对于AM、DSB、SSB及及VSB都适用都适用），），没有门限效应没有门限效应必须使用相干载波必须使用相干载波2.非相干解调非相干解调 非相干解调实现起来非常简单。常规调幅信号使用包络检波v包络携带原调制信号信息v包络检波简单有效，不必要用相干解调 其他线性调制信号v 无载波分量，包络不能体现调制信号信息无载波分量，包络不能体现调制信号信息v 不能采用一般的包络检波方法不能采用一般的包络检波方法 11 七月 2024数字通信原理解调方法包络检波法示意图解调方法包络检波法示意图解调方法解调方法（1）包络检波法包络检波法BPFBPF：为为带通滤波器带通滤波器，其作用是在保证信号顺利通过的，其作用是在保证信号顺利通过的前提下，最大限度地限制噪声进入。前提下，最大限度地限制噪声进入。【注】【注】带通滤波器的响应函数，会把已调信号的频谱带通滤波器的响应函数，会把已调信号的频谱重新搬移回去。重新搬移回去。LEDLED：是是检波电路检波电路（半波或全波整流器），它的输出与（半波或全波整流器），它的输出与输入信号的包络很相近。输入信号的包络很相近。LPFLPF：是是低通滤波器低通滤波器，作用是滤除检波后信号中的高频，作用是滤除检波后信号中的高频成分。成分。11 七月 2024数字通信原理AMAM信号的包络检波法电路框图信号的包络检波法电路框图包络检波法包络检波法说明说明包络检波法的包络检波法的优点优点:解调电路简单。解调电路简单。AM调制在调制在无线电短波广播无线电短波广播中得到广泛的应用。中得到广泛的应用。包络检波法的包络检波法的缺点缺点:准确性不太好，抗噪声性能较差。准确性不太好，抗噪声性能较差。在相同误码率情况下，信噪比较相干解调要高在相同误码率情况下，信噪比较相干解调要高1dB；抗噪声性能稍差于相干解调；抗噪声性能稍差于相干解调；11 七月 2024数字通信原理解调方法解调方法（2）相干解调法相干解调法 经低通滤波器后，可经低通滤波器后，可过滤出过滤出s(t)。p p相干解调法相干解调法说明说明由于相干解调需要在接收端提供本地载波信号，且该由于相干解调需要在接收端提供本地载波信号，且该信号要和已调信号中的载波分量信号要和已调信号中的载波分量同频同相同频同相，所以要求，所以要求采用采用载波同步技术载波同步技术。该技术需要准确判别某个载波信号的频率和相位，要该技术需要准确判别某个载波信号的频率和相位，要求比较高，设备比较复杂。求比较高，设备比较复杂。缺点缺点：v实现困难；实现困难；v技术要求高，设备复杂；技术要求高，设备复杂；11 七月 2024数字通信原理2.3 2.3 双边带调制（双边带调制（DSBDSB）DSBDuble side band又称为又称为抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制DSB/SC。该调制信号该调制信号中中不含不含直流分量，即频谱中直流分量，即频谱中无离散谱无离散谱。不能采用包不能采用包络检波法络检波法DSB调制的示意图-波形和频谱11 七月 2024数字通信原理调制后频谱在形状没有改变，位置搬移了调制后频谱在形状没有改变，位置搬移了ccDSB调制信号中不包含直流分量，因而已调信号频谱调制信号中不包含直流分量，因而已调信号频谱中不包含离散谱线中不包含离散谱线，已调信号中没有载波分量。，已调信号中没有载波分量。频带信号的频带信号的带宽带宽是原始信号带宽的是原始信号带宽的2 2倍倍由于出现了反相点，由于出现了反相点，DSB DSB信号的包络不再与调制信号信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，所以不能采用包络检波的方式恢复的变化规律一致，所以不能采用包络检波的方式恢复原来的信号。原来的信号。一般采用一般采用相干解调法相干解调法。DSBDSB的特点的特点11 七月 2024数字通信原理2.4 2.4 单边带调制（单边带调制（SSBSSB）由于由于DSBDSB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，它们都携带了调制信号的全部信息，因而，从信息它们都携带了调制信号的全部信息，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种方传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种方式称为单边带调制。式称为单边带调制。SSBSSB是是在双边带基础上在双边带基础上，把其中，把其中|w|wc（上边带上边带USB）或或|w|wc（下边带下边带LSB）的部分进行调制。的部分进行调制。SSBSingle side band F()m mm m0 0SSSB()c cc c0 0SSSB()c cc c0 0S SDSBDSB()()-c cc c0 022m mUSBUSBLSBLSB-(a)(a)基带信基带信号号(b)DSB(b)DSB信号信号(c)SSB(c)SSB信号信号(USB)(USB)(d)SSB(d)SSB信号信号(LSB)(LSB)单边带信号的产生：单边带信号的产生：方法：方法：（1）用滤波法形成单边带信号用滤波法形成单边带信号（2）用相移法形成单边带信号用相移法形成单边带信号（1）用滤波法形成单边带信号用滤波法形成单边带信号让双边带信号通过一个让双边带信号通过一个边带滤波器边带滤波器，保留所需要的，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。一个边带，滤除不要的边带。取上边带的滤波函数取下边带的滤波函数-f0HL(f)特性上边带(b)上边带滤波器特性和信号频谱f00f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f0上边带11 七月 2024数字通信原理SSBSSB的相干解调的相干解调11 七月 2024数字通信原理 2.5 残留边带调幅残留边带调幅（VSB）VSBVestigial Side Band产生产生单边带单边带信号需要信号需要理想滤波器理想滤波器，这在实际电路中难，这在实际电路中难以实现。以实现。残留边带残留边带 (VSB)(VSB)滤波器容易设计，同时又能使上下边滤波器容易设计，同时又能使上下边带频谱巧妙地互补，解调后得到完整信号。带频谱巧妙地互补，解调后得到完整信号。残留边带残留边带信号：保留了下边带频谱的大部分信号：保留了下边带频谱的大部分(仅仅是靠仅仅是靠近近fcfc附近的频谱有一定衰减附近的频谱有一定衰减)，同时还保留了上边带，同时还保留了上边带信号的一小部分。信号的一小部分。11 七月 2024数字通信原理残留边带滤波器的特性残留边带滤波器的特性残留边带解调的频谱示意图残留边带解调的频谱示意图说明说明对对VSB信号进行信号进行解调时解调时，只要在，只要在Wc两侧位置上的频两侧位置上的频具有具有互补性互补性（即相加后的和保持一定），则通过低通（即相加后的和保持一定），则通过低通滤波器解调出的基带信号，就是滤波器解调出的基带信号，就是没失真没失真的调制信号。的调制信号。残留边带信号的带宽，残留边带信号的带宽，介于介于单边带和双边带单边带和双边带之间之间。VSBVSB信号的解调过程可以采用信号的解调过程可以采用相干解调相干解调，也可以在，也可以在VSBVSB信号中插入强载波，而采用信号中插入强载波，而采用包络检波法包络检波法解调，以简化解调，以简化接收机电路。接收机电路。VSB对滤波器的要求对滤波器的要求不是很高不是很高，广泛用于，广泛用于PAL制电视制电视系统中。系统中。11 七月 2024数字通信原理2.6角度调制（非线性调制）角度调制（非线性调制）非线性调制：非线性调制：已调信号频谱不再是原基带信号频谱的已调信号频谱不再是原基带信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分。移不同的新的频率成分。实现方法：通过改变载波的频率和相位实现方法：通过改变载波的频率和相位（角度角度）来实来实现。即载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随现。即载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。基带信号变化。分类分类：角调制可分为：角调制可分为频率调制（频率调制（FM）和和相位调制相位调制（PM）。与幅度调制技术与幅度调制技术相比相比的优势：角度调制最突出的优势的优势：角度调制最突出的优势是其是其较高的抗噪声性能较高的抗噪声性能FM调制调制与与PM调制调制调相信号调相信号调调频频信号信号PM调制是指瞬时相位偏移随基带信号而线性变化 FM调制是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化 可见：FM和PM非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。调调相相信信号号调调频频信信号号 调频与调相并无本质区别，两者之间可以互换缩减研究内容；为FM、PM信号的实现/调制、解调提供了新的方法。窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频定义/分类：根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（WBFM）与窄带调频（NBFM）。当 时，称为NBFM。否则，称为WBFM。11 七月 2024数字通信原理2.7 2.7 模拟调制系统性能比较模拟调制系统性能比较制度增益制度增益在输入信噪比一定的情况下，输出信噪比的大小，在输入信噪比一定的情况下，输出信噪比的大小，将由该解调系统的将由该解调系统的制度增益制度增益G决定。决定。G越大越大，抗噪声性能，抗噪声性能越好越好。（输出信噪比（输出信噪比/输入信噪比）输入信噪比）门限效应门限效应随着随着输入信噪比输入信噪比的的下降下降，输出信噪比输出信噪比将出现一个将出现一个急剧恶化急剧恶化的现象，以致无法正常接收，这种现象称为的现象，以致无法正常接收，这种现象称为门限效应门限效应。这时的输入信噪比大小，被称为。这时的输入信噪比大小，被称为门限门限。图图不同调制技术抗噪性比较不同调制技术抗噪性比较图中图中FM和和AM的的圆点圆点表表明该处出现明该处出现门限效应门限效应，该，该点以下输出信噪比将急剧点以下输出信噪比将急剧恶化。恶化。在正常接收情况下，在正常接收情况下，DSB与与SSB具有相同的输出信具有相同的输出信噪比，它们噪比，它们比比AM高高4.7dB以上；以上；而而FM（在（在mf=6时）时）比比AM优越优越22dB。图图不同调制技术抗噪性比较不同调制技术抗噪性比较就频带利用率而言，就频带利用率而言，SSBSSB最好，最好，VSBVSB与与SSBSSB接近，接近，DSBDSB、AMAM、NBFMNBFM次之，次之，WBFMWBFM最差最差等同条件下比较调调制方制方式式传输带传输带宽宽设备复杂度设备复杂度主要应用主要应用AM2fm 较小：较小：调制与解调（包络调制与解调（包络检波）简单检波）简单中短波无线电广播中短波无线电广播DSB2fm中等中等:要求相干解调要求相干解调应用较少应用较少点对点的专用通信，低带宽点对点的专用通信，低带宽信号多路复用系统信号多路复用系统SSBfm较大：较大：要求相干解调要求相干解调调制器也较复杂调制器也较复杂短波无线电广播、话音频分短波无线电广播、话音频分复用复用VSB略大于略大于fm较大：较大：要求相干解调，要求相干解调，调制器需要对称滤波调制器需要对称滤波数据传输数据传输、商用电视广播商用电视广播FM宽带宽带2(mf+1)fm窄带窄带2fm中等：中等：调制器有点复杂，调制器有点复杂，解调器较简单解调器较简单超短波小功率电台（窄带超短波小功率电台（窄带FM）；调频立体声广播等）；调频立体声广播等高质量通信（宽带高质量通信（宽带FM）、微波中继、卫星通信微波中继、卫星通信