大连海事大学通信原理教程第三章.ppt

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1、大连海事大学信息科学技术学院1第第3章章 模拟调制系统模拟调制系统3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 线性调制线性调制3.3 3.3 非线性调制非线性调制3.4 3.4 本章小结本章小结大连海事大学信息科学技术学院23.1 3.1 概述概述 为什么要对信号进行调制处理？由于从消息变换过来的原始信号具有较低的频谱分量，在许多信道中都不适宜进行传输。在通信系统的发送端需要调制过程，而在接收端则需要反调制过程解调过程。通信的目的是为了把信息向远处传递（传播）,那么在传播人声时，可以用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，声音可以传得比较远。

2、大连海事大学信息科学技术学院3 如果还想将声音再传得更远一些，比如几十千米、几百千米，那该怎么办？扩音示意图 大家想到用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题：(1)铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传一路声音信号，传输成本之高、线路利用率之低，人们无法接受；大连海事大学信息科学技术学院4（2）利用无线电通信时，需满足一个基本条件：欲发射信号的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。音频信号的频率范围是20Hz20kHz，最小的波长为式中，为波长（m）；c为电磁波传播速度（光速）（m/s）

3、；f为音频（Hz）。大连海事大学信息科学技术学院5要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高（不包括天线底座或塔座）。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。第一个问题的解决方法是在一个物理信道中对多路信 号 进 行 频 分 复 用（FDM，Frequency Division Multiplex）；第二个问题的解决方法是把欲发射的低频信号“搬”到高频载波上去（或者说把低频信号“变”成高频信号）大连海事大学信息科学技术学院6两个方法有一个共同点就是要对信号进行调制处理。对于调制，我们给出一个

4、概括性的定义：让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。调制的载波分为两类：正弦波调制：用正弦型信号作为载波脉冲调制：用脉冲串或一组数字信号作载波调制分为模拟调制和数字调制两种：调制信号的取值是连续还是离散大连海事大学信息科学技术学院7调制的作用调制的作用：可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，将调制信号转换成适合信道传输或便于信道多路复用的已调信号。对系统的传输有效性和传输可靠性有很大的影响。正交振幅调制大连海事大学信息科学技术学院8最重要的模拟调制方式是用正

5、弦波作载波的幅度调制和角度调制:幅度调制（线性调制）：调幅（AM）双边带（DSB）残留边带（VSB）单边带（SSB）角度调制（非线性调制）：频率调制（FM）相位调制（PM）大连海事大学信息科学技术学院93.1 3.1 概述概述u 模拟调制：模拟调制：用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波。u 载波：确知的周期性波形载波：确知的周期性波形 余弦波：余弦波：式中，式中，A为振幅；为振幅；0：载波角频率；载波角频率；0：初始相位。初始相位。u 定义：定义：调制信号调制信号m(t)自信源来的信号自信源来的信号已调信号已调信号s(t)调制后的载波称为已调信号调制后的

6、载波称为已调信号调制器调制器 进行调制的部件进行调制的部件 图3.1.1 调制器调制器调制器已调信号s(t)调制信号m(t)大连海事大学信息科学技术学院103.2 3.2 线性调制（幅度调制）线性调制（幅度调制）设载波为：c(t)=Acos0 t=Acos2 f0t 调制信号为能量信号m(t)，其频谱为M(f)载 波：c(t)相乘结果：s(t)滤波输出：s(t)s(t)调制信号m(t)Acos0tH H(f f)已调信号s(t)图3.1 线性调制的原理模型大连海事大学信息科学技术学院11 用“”表示傅里叶变换：可见：相乘器输出信号的频谱是调制信号频谱密度平移的结果（差一个常数因子）。M(f)f

7、0S(f)f0f-f00(a)输入信号频谱密度(b)输出信号频谱密度 图3.2 相乘器输入信号和输出信号的频谱密度 s(t)调制信号m(t)Acos0tH H(f f)已调信号s(t)图3.1 线性调制的原理模型大连海事大学信息科学技术学院12幅度调制幅度调制信号特点：信号特点：在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制。图3.1称为调制器的一般模型，是因为在该模型中，适当选择滤波器的特性H(f)，便可以得到各种幅度调制信号。例如，调幅、双边带、单边带及残留边带信号等。s(t)调制

8、信号m(t)Acos0tH H(f f)已调信号s(t)图3.1 线性调制的原理模型大连海事大学信息科学技术学院133.2.1 振幅调制（振幅调制（AM）基本原理 设:m(t)=1+m(t)，|m(t)|1，|m(t)|max=m 1 调调幅度幅度 则有调幅信号：s(t)=1+m(t)Acos0t，式中，1+m(t)0，即s(t)的包络是非负的。m(t)101+m(t)101+m(t)+1=+1=大连海事大学信息科学技术学院14 AM信号的频谱密度含离散载频分量当m(t)为余弦波，且m为最大时，两边带功率之和 载波功率之半。m(t)s(t)M(f)C(f)c(t)A-Afmf0-f02fmS(

9、f)2fm-f0f0ffftt101+m(t)t-fm上边带下边带载波本身不含基带信号的信息载波本身不含基带信号的信息-可以不传载波（可以不传载波（DSBDSB）大连海事大学信息科学技术学院15 AM信号的接收：常用包络检波原理：l 性能：设包络检波器的输入电压为 式中 为检波器输入窄带高斯噪声电压n(t)y(t)的包络：在大信噪比下：整流器整流器低通滤波器低通滤波器图图3.2.4 包络检波器解调调幅信号包络检波器解调调幅信号大连海事大学信息科学技术学院16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，上式比值r0/ri小于

10、1，即检波后信噪比下降了。AM也可用相干解调。大连海事大学信息科学技术学院173.2.2 双边带双边带（DSB）调制调制全称双边带抑制载波调制原理：调制信号m(t)没有直流分量时，得到DSB信号。频谱：两个边带包含相同的信息。图3.2.5 双边带调制信号的频谱(a)调制信号频谱密度M(f)f0(b)已调信号频谱密度f00-f0fS(f)上边带上边带下边带大连海事大学信息科学技术学院18由于发送DSB时不发送载波，可以节省发送载波功率解调时需要在接收端的电路中加入本地载波：与发送端载波同频、同相设接收的DSB信号为 接收端的本地载波频率相位有一定误差，即图图3.2.6 双边带信号解调器原理方框图

11、双边带信号解调器原理方框图基带基带信号信号m m(t t)接收接收信号信号s s(t t)coscos 0 0t tr(t)H H(f f)大连海事大学信息科学技术学院19两者相乘后，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。大连海事大学信息科学技术学院20 3.2.3 单边带单边带(SSB)调制调制原理：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)中无太低频率分量解调：需要本地载波 若 z(t)=x(t)y(t)，则有 Z()=(1/2)X

12、()Y()单边带信号解调时，用载波cos0t 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)特性特性上边带上边带(b)上边带滤波器特性和信号频谱上边带滤波器特性和信号频谱上边带上边带f00f图图3.2.7 单边带信号的频谱单边带信号的频谱上边带上边带S(f)上边带上边带下边带下边带HH(f)特性特性HH(f)特性特性(a)滤波前信号频谱滤波前信号频谱(c)下边带滤波器特性和信号频谱下边带滤波器特性和信号频谱S(f)S(f)-f00f-f0f0f下边带下边带f0大连海事大学信息科学技术学院21下图以上边带为例，示出用低通滤波器滤出解调后的信号。图3.2.8 单边带信

13、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优点：比优点：比DSB信号进一步节省发送功率和占用带宽信号进一步节省发送功率和占用带宽大连海事大学信息科学技术学院223.2.4 残留边残留边带带(VSB)调制调制VSB调制的优点：解调时不需要本地载波，容许调制信号含有很低频率和直流分量。原理：VSB仍为线性调制。调制信号和载波相乘后的频谱为 设调制器的滤波器的传输函数为H(f)，则滤波输出的已调信号频谱为s(t)调制信号m(t)Acos0tH

14、H(f f)已调信号s(t)图3.1 线性调制的原理模型VSB频谱介于SSB和DSB之间，且含载波分量大连海事大学信息科学技术学院23下面求出为得到VSB信号，发端H(f)应满足的条件：若仍用右图相干解调器，则接收信号和本地载波相乘后得到的r(t)的频谱为：将已调信号的频谱代入上式，得到r(t)的频谱为：上式中 M(f+2f0)和 M(f 2f0)两项可以由低通滤波器滤除，所以得到滤波输出的解调信号的频谱密度为：基带信号m(t)接收信号s(t)cos0tr(t)H(f)大连海事大学信息科学技术学院24为了无失真地传输，要求上式中的由于(fm为基带调制信号最高频率）所以，上式可以写为上式即产生V

15、SB信号的条件。上式要求：滤波器的截止特性在滤波器的截止特性在 f0处具有互补的对称性。处具有互补的对称性。大连海事大学信息科学技术学院25H(f+f0)-(f0+fm)0000ffff0-f0f0+fm-2f02f0-2f02f0fm-fmfmfH(f)H(f-f0)H(f+f0)+H(f f0)VSB调制所需H(f)特性示意图大连海事大学信息科学技术学院263.3.1 基本原理基本原理设一个载波可以表示为式中，0为载波的初始相位，为常数；(t)=0t+0 为载波的瞬时相位;0=d(t)/d t 为载波的角频率，为常量。瞬时频率：上式中 (t)是经角度调制后的瞬时相位是经角度调制后的瞬时相位

16、，可改写为：3.3 3.3 非线性调制非线性调制是时间的函数大连海事大学信息科学技术学院27角度调制的定义：由上式可见，(t)是载波的瞬时相位。若使它随调制信号m(t)以某种方式变化，则称其为角度调制。相位调制相位调制：若使瞬时相位(t)随m(t)线性变化，即令 则称为相位调制。这时，已调信号的表示式为 此已调载波的瞬时频率为：上式表示：在相位调制中瞬时频率随调制信号的导函数线性地变化。大连海事大学信息科学技术学院28频率调制：若使瞬时频率直接随调制信号线性地变化，则称为频率调制。这时，瞬时频率为 及瞬时相位为这时，已调信号的表示式为：上式表明：载波瞬时相位随调制信号的积分线性地变化。相位调制

17、和频率调制的比较：在相位调制中载波相位(t)随调制信号m(t)线性地变化，而在频率调制中载波相位(t)随调制信号m(t)的积分线性变化。若将m(t)先积分，再对载波进行相位调制，即得到频率调制信号。类似地，若将m(t)先微分，再对载波进行频率调制，就得到相位调制信号。相位调制和频率调制的振幅均恒定。仅从已调信号波形上看无法区分二者。大连海事大学信息科学技术学院29角度调制的波形角度调制波形ii(t)Sp(t)或Sf(t)若m(t)作直线变化，则已调信号就是频率调制信号，i(t)=kfm(t).若m(t)是随 t 2变化，则已调信号就是相位调制信号，i(t)=kpdm(t)/dt.大连海事大学信

18、息科学技术学院303.3.2 已调信号的频谱和带宽已调信号的频谱和带宽设：调制信号m(t)是一个余弦波，用其对载波作频率调制，则载波的瞬时频率为 则最大频移为 =kf（rad/s）已调信号表示式：（令初始相位为0）式中，mf/fm为最大频率偏移和基带信号频率之比，称为调制指数mf ，即有：大连海事大学信息科学技术学院31是是一个含有正弦函数的余弦函数一个含有正弦函数的余弦函数，它的展开式为：，它的展开式为：式中，式中，Jn(mf)为第为第一类一类n阶贝塞尔函数，阶贝塞尔函数，它具有如下性质：它具有如下性质：故上式可以改写为：故上式可以改写为：已调信号最终表示式已调信号最终表示式x大连海事大学信

19、息科学技术学院32频谱特点边频成对出现大部分功率集中在以载频为中心的有限带宽内调频信号的带宽当调制指数mf 1 时，带宽B：式中，f 调制最大频移，fm 调制信号频率。称为宽带调频宽带调频(WBFM)一般，当一般，当时，称为时，称为NBFM，否则为，否则为WBFM。大连海事大学信息科学技术学院33 m kHzkHzkHzkHz作kHzkHzkHzkHz B B边频成对出现；大部分功率集中在以载频为中心的有限带宽内大连海事大学信息科学技术学院343.3.3 角度调制信号的接收角度调制信号的接收信号振幅的改变不会使信息受到损失 (角度调制信号的振幅不包含调制信号的信息)角度调制信号的抗干扰能力较强

20、 (相对于振幅受到的影响而言，信道中的衰落及噪声对于信号角度的影响小得多)接收设备中采用限幅器来消除振幅变化采用鉴频器或鉴相器解调下图给出了理想鉴频特性和鉴频器的方框图大连海事大学信息科学技术学院35振幅鉴频器特性与原理框图理想鉴频器可看成是带微分器的包络检波器限幅器将调频波在传输过程中引起的幅度变化部分削去，变成固定幅度的调频波带通滤波器让调频信号顺利通过，而滤除带外噪声及高次谐波分量将幅度恒定的调频波变成幅度、频率均含调制信息的调幅调频信号包络检波器将其幅度变化取出，并滤去直流后经低通滤波器即得输出mo(t)大连海事大学信息科学技术学院363.4 各种模拟调制系统的性能比较各种模拟调制系统

21、的性能比较假设条件：所有系统在接收机输入端具有相等信号功率Si、相同噪声功率谱密度n0、相同基带信号带宽Bb的条件下，调制信号m(t)为单音正弦型信号，其中AM为100%调制，则大连海事大学信息科学技术学院371.性能比较性能比较 （AM:相干解调或大信噪比包络解调）（WBFM：大信噪比限幅普通鉴频解调）大连海事大学信息科学技术学院38 此图示出了各种模拟调制系统的性能曲线,图中的圆点表示门限点。门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf=6）的信噪比比AM高22dB。由此可见：FM的调制指数mf越大，抗噪声性能越好，但占据的带宽越宽，频带利

22、用率低。SSB的带宽最窄，其频带利用率高。当输入信噪比较高时，采用FM可以获得更大的好处。各种模拟调制系统的性能曲线大连海事大学信息科学技术学院39 2.2.特点与应用特点与应用 AM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，在传输中如果载波受到信道的选择性衰落，则在包络检波时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高。因此AM制式用于通信质量要求不高的场合。目前主要用在中波和短波的调幅广播中。DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，接收要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信，运用不太广泛。SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选

23、择性衰落能力均优于AM,而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。鉴于这些特点，SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中。大连海事大学信息科学技术学院40 VSB调制的诀窍在于部分抑制了发送边带，同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分。VSB的性能与SSB相当。VSB解调原则上也需同步解调，但在某些VSB系统中，附加一个足够大的载波，就可用包络检波法解调合成信号（VSB+C），这种(VSB+C)方式综合了AM、SSB和DSB三者的优点。所有这些特点，使VSB对商用电视广播系统特别具有吸引力。大连海事大学信息科学技术学院41 FM波的幅度恒定不变

24、，这使它对非线性器件不甚敏感，给FM带来了抗快衰落能力。利用自动增益控制和带通限幅还可以消除快衰落造成的幅度变化效应。这些特点使得窄带FM对微波中继系统颇具吸引力。宽带FM的抗干扰能力强，可以实现带宽与信噪比的互换，因而宽带FM广泛应用于长距离高质量的通信系统中，如空间和卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等。宽带FM的缺点是频带利用率低，存在门限效应。因此在接收信号弱，干扰大的情况下宜采用窄带FM，这就是小型通信机常采用窄带调频的原因。另外，窄带FM采用相干解调时不存在门限效应。大连海事大学信息科学技术学院42本章小结本章小结线性调制和非线性调制的概念几种线性调制方式的时域表达式、波形、框图和其频谱几种线性调制方式的特点角度调制原理、表达式及频谱调制指数、最大频偏各种模拟调制系统的性能比较作业：3.1、3.3、3.8