第 3 章教学提示在此之前，我们为通信 系统的讨论提供了必要 的数学基础，即信号分 析和随机理论，有了这 些工具之后，就可以转 入本课程的第二部分内 容，即中心内容，开始 讨论通信系统的实质问 题：有效性和可靠性的 问题。具体涉及的问题 就是调制和解调的问题 。 （1） 信号的时域表达 式和时域波形； （2） 频谱表达式和频 谱图； （3） 解调方式； （4） 抗噪声性能。第 3 章第三章 模拟调制系统 引言 3.1 幅度调调制n标准调幅（AM） n双边带调幅（DSB）n单边带调幅（SSB）n残留边带调幅（VSB） 3.2 角度调制原理 3.3 抗噪声性能n各种幅度调制系统的噪声性能n非线性调制系统的抗噪性能n模拟系统比较第 3 章引 言由信源产生的的原始信号一般不能在大多数信道内直接传输，因 此需要经过调制将他变换成适于在信道内传输的信号. 调制的定义：把输入信号变换为适合于通过信道传输的波形 信源调制发滤波器信道收滤波器解调 调制信宿n(t)(Cw点-点通信系统一、调制的功能 1、频率变换：为了采用无线传送方式，如将（0.33.4KHz）有效 带宽内的语音信号调制到高频段上去。 2、实现信道复用：例如将多路信号互不干扰的安排在同一物理信道 中传输。 3、提高抗干扰性：抗干扰性（即可靠性）与有效性互相制约，通常 可通过牺牲有效性来提高抗干扰性，如FM替代AM。第 3 章3.1 幅度调制一、 幅度调制的一般概念 概念：幅度调制是正弦载波的幅度随调制信号线性变化的过程 。 1）、线性调制模型 其模型如图所示。2）、线性调制方法利用模型中h(t)的不同特性，可以得到各种幅度调制信号。如 AM，DSB，SSB和VSB等信号。 3）、时域和频域波形 令载波幅度为1，相位为0。已调信号的时域和频域信号表达式 如下。AM: A+m(t)C(t)tcoscwH(f)h(t)Sm(t)DSB,VSB,SSB: m(t)S(t)0) t (m=HLff第 3 章3.1.1 标准调幅（AM） 标准双边带调幅1、AM信号的时域表达式及波形所谓的标准调幅就是指输入的调制信号除了来自消息的 基带信号外，还包含了直流信号A，总的输入信号为A+m(t)， h(t)为理想的带通滤波器，这样调制后输出信号便既含载波分 量由含有边带分量的标准调幅信号。1）AM调制数学模型 2）数学表达式 S SAMAM(t)=(t)=A+mA+m ( (t)cost)cosc ct t式中的第一项代表载波分 量，第二项代表边带分量, ，该项为消息信号。 3)时域波形 AM 信号的波形为幅度随信 号变化的余弦波形 。第 3 章4）、线性调幅的条件 由波形图知AM信号有以下特点： （1）、幅度调制：AM信号的包络是随着信号呈线性关系变 化的，所以它是幅度调制。 （2）、频率未变：已调波的波形疏密程度相同，也就是说载 波仅仅是幅度受到了调制，频率没有发生变化。 （3）、调幅条件： 如果A不够大，已调信号的包络不一定与 m(t)成正比，将出现这样无法采用包络检波的方法检出其包络 ，通常我们称这种现象为过调。 保证不过调的条件为：所以线性调幅的条件为：第 3 章5）、调制指数 为了衡量标准调幅的调制程度，定义调制指数为 实际工程中，一般调制指数取（0.30.8）。 2、AM信号的频域表示及频谱图 讨论频域的原因： （1）系统的有效性就是系统所需的传输带宽，而传输带宽只 能在频域中体现。 （2）有时在频域中分析问题较在时域更为方便。 信号频谱：就是指时域信号的付式变换。S SAMAM(t)=A+m (t)=A+m (t)cost)cosc ct t第 3 章S(f)C(f) f0-fcfcM(f)-fH -fL 0 fL fHfc(t) 载波调制 信号m(t)sm(t)已调 信号特点：信号的频谱经过AM调制后形状未变，仅仅是幅度下降的一半， 位置发生了变换，搬移到了c。带宽由原始消息信号的fH变为2fH。在 这个频谱搬移过程中没有出现新的频率分量，因此，该调制为线性调 制。 问题：通常AM已调信号的频谱中，高于c部分称为上边带（USB）， 低于c部分称为下边带（LSB）。事实上，任何一个边带足以表达消 息信号的全部信息，显然AM传输有些浪费。 解决办法：采用单边带调制。-fc0 fc-fH fc fc+fHf第 3 章3、AM信号的功率分配 归一化功率概念：1电阻上所 消耗的功率。通信系统中的功率 均为归一化功率。 AM信号的功率为：式中：调制效率定义:S第 3 章设m(t)为正弦信号，100%调制， 求调制效率。第 3 章4、AM信号的解调 解调：从已调信号中恢复信号的 过程。 AM解调方法： 相干解调 、非相 干解调 1）、非相干解调（包络检波） 2）、相干解调Sm(t) n(t)带通滤波器Sm(t)ni(t) tcoscw低通滤波器m0(t) n0(t) B第 3 章5、AM系统的特点及其应用 优点：解调方便（包络检波）， 缺点：占用频带宽，（消息信号的 两倍），调制效率低（发射功率大 ） 应用：广播。 第 3 章3.1.2 双边带调幅（DSB） 1、DSB信号的时域表达式及波形DSB的时域表达为2、DSB信号的频域表达式及频谱图 对公式（1）进行傅立叶变换，得DSB信号的频域表示式DSB信号的频谱有如下特点： 1、上、下边带均包含调制信号的全部信息； 2、幅度减半，带宽加倍； 3、线性调制。m(t)cosctm(t) cosctfc0f0f(1)(2)第 3 章3、 DSB信号的解调 方法：相干解调。 -fcfc0-fcfc0-2fc2fc00-fmfmffffabcd第 3 章4、DSB信号的功率及效率显然，DSB信号的功率仅由边带功率构成，这样其调制效率为由于双边带信号的频谱不存在载波分量，所有的功率都集中在 两个边带中，因此它的调制效率为百分之百，这是它的最大优 点。(3)(4)第 3 章5、DSB的特点与应用 优点：调制效率高。 缺点：占用频带宽，为消息基带信号的2倍。 应用：无线通信，常用语传输数字信号，如ASK。SDSB(t )Acosct包络检波m0(t)第 3 章3.1.3 单边带调幅SSB-fcfc0fDSB下边带上边带cc-f ffH(f) 由得下边带LSB,-fcfc0fUSBfH(f)得上边带USB,-fcfc由-fcfc0fLSB一、 SSB的一般概念及基础知识 AM、DSB的共同缺点：所需传输的带宽是信号的2倍，这样就降低了 系统的有效性。由于从信息传输的角度讲，上、下两个边带所包含的 信息相同，因此只传送一个边带即可以传送信号的全部信息。 1、 SSB概念 概念：只传送一个边带的调制方式成为单边带调制。 SSB信号的频谱如图 显然，SSB信号的带宽是与消息信号m(t)相同。 比较：AM、DSB信号无论在时域还是在频域，都比较直观，但是SSB 信号在频域非常直观，但是在时域很难想象。第 3 章2、 基础知识-希尔波特（Hilbert）变换 1)、定义：将一个信号波形中的全部频率分量相移-90后所得的 时间信号就叫做原信号的希尔波特变换。 2）、变化公式 在频率域中的数学描述为：希尔波特变换在时间域的数学描述如下： f(t)(Hw) t (f )t1) t (h, )sgn(j)(Hpww=-=第 3 章3）、Hilbert变换的性质: （1）、信号和它的希尔波特变换具有相同的能量谱密度或相 同的功率谱密度。 推论： （2）、信号和它的希尔波特变换的能量(或功率)相同。 （3）、信号和它的希尔波特变换具有相同的自相关函数。 （4）、信号和它的希尔波特变换互为正交。 4）、Hilterb变换的用途： 在单边带调制中，用来实现相位选择，以产生单边带信号 第 3 章二、SSB信号的时域表达式及频谱 1、模型2、SSB信号的频谱 下边带低通滤波器可等效为m(t)cosctm(t) cosct h(t)SSSB(t )cw-0w)sgn(cww+cw0w)sgn(cww-4)sgn()()sgn()(41)()(41ccccccMMMMwwwwwwwwwwww-+-=)sgn()()sgn()(1)sgn()()sgn()(41)sgn()sgn(21)()(21)(ccccccccccccLSBMMMMMMSwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww-+-+-+-=-+-+=载波为cosct第 3 章当载波为sinct时 当载波为cosct时 同理载波为cosct 第 3 章三、SSB信号的产生 (1)滤波法 (2)相移法m(t)cosctm(t) cosct h(t)SSSB(t )m(t)。90-。90-tcoscw）（tm)+ -tsincwSLSB(t)SUSB(t)第 3 章四、SSB信号的解调 相干解调法 五、SSB的特点及应用 优点：具有最窄的传输带宽， 信道利用率最高； 缺点：（1）电路实现复杂， 技术要求高（2）解调时同步 误差要小 应用：（1）载波通信和微波 多路通信，（2）保密通信（ 运用频谱倒置）。SSSB(t )cosctSp(t) LPFm0(t)第 3 章3.1.4 残留边带调幅（VSB） 一、 VSB的一般概念SSB问题：理想的滤波器难以实现。 VSB调制：与SSB相似，但是允许滤波器有过渡带，其中一 个边带损失的能够恰好被另外一个边带残留的部分补偿。二、Hv()的要求 m(t)cosctm(t) cosct hv(t)SVSB(t )Hccff0,C)ff (H)ff (H2fH。1 基础数学知识-n阶第一类贝塞尔函数J n (x) 注意：在此我们感兴趣的仅仅是J n (x) 的形式和性质，利用它们， 得出WBFM的频谱结构和带宽。 n阶贝塞尔方程其中J n (x)为n阶第一类贝塞尔函数，形式为d/6第 3 章J n (x)的性质第 3 章数学公式 cos(x sin)将sin(x cos)展开为傅立叶级数有如下形式。2 宽带调频信号的时域表达式及频谱 为了分析方便，先讨论单音调制时的情况，然后再进行推广。mf第 3 章mfmfmfmfmfmfmfmfmf mfmf mfmfFM波是由一系列幅度不同、频率不同的余弦波组成，这样 表示使求FM波的频谱变得更加简捷。FM波的频谱为 mf第 3 章结论： 1、 FM波的频谱包含载波和各次边带谐波，形成一个无限宽的 频谱结构；所以WBFM为非线性调制； 2、 各相邻谱线间隔为m，幅度取决于Jn(mf )； 3、 各次谐波对称分布于载频两侧。第 3 章3 FM波的带宽 理论上讲，FM波的带宽为无穷。 贝塞尔函数的性质可知，当nmf+1时,Jn (mf )1时BFM=2f这是大指数WBFM情况，说明带宽由最大频偏决定。 说明：当m(t)不是单音信号，而只是频带限制在fm 内的一个低通信号时 ，以上结论、公式依然适用，只是这时的fm 为m(t) 的最高截止频率。 第 3 章4 FM波功率分配结论：适当选取调制指数mf，可使J0(mf ) 很小，适当情况下，使J0 (mf )=0，此时Pc=0。调制效率=100%。查表可知mf =2.405，5.52，8.6等值时，J0 (mf )=0。载波功率为：mfmf边带功率为:mfmf第 3 章3.2.4调频信号的产生、解调一、调频信号的产生 n 直接调频: 利用调制信号直接控制振荡器的频率 ，使其按调制信号的规律线性变化。 n 振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡 器（VCO），它产生的输出频率正比于所加的控制 电压，即其中， c是