第三章 模拟调制系统主要内容：主要内容：3.1 引言引言3.2 幅度调制原理及抗噪性能幅度调制原理及抗噪性能3.3 角度调制原理及抗噪性能角度调制原理及抗噪性能3.4 模拟调制系统的比较模拟调制系统的比较3.5 频分复用频分复用3.6 复合调制及多级调制的原理复合调制及多级调制的原理内容简介1. 调制的概念、分类、作用。调制的概念、分类、作用。2. 模拟线性调制：模拟线性调制：AM、DSB 、SSB 、VSB 的的基本原理，时域、频域表示，调制与解调方法，基本原理，时域、频域表示，调制与解调方法，抗噪性能。抗噪性能。3. 模拟非线性调制（角度调制）：宽带调频模拟非线性调制（角度调制）：宽带调频（WBFM）和窄带调频（）和窄带调频（NBFM）的基本原理，）的基本原理，信号频谱，调制与解调方法，抗噪性能。信号频谱，调制与解调方法，抗噪性能。4. 门限效应，门限效应， 加重技术。加重技术。5. 频分复用（频分复用（FDM）技术。）技术。3、1引言重点掌握：重点掌握：1. 基本概念：基本概念：调制、解调、载波调制、载波、调制、解调、载波调制、载波、调制信号、已调波信号等。调制信号、已调波信号等。2. 调制的分类：调制的分类：模拟调制与数字调制、线性调模拟调制与数字调制、线性调制（制（AM、DSB、SSB、VSB）与非线性调制）与非线性调制（FM、PM）、连续波调制与脉冲调制。）、连续波调制与脉冲调制。3. 调制的作用。调制的作用。3、1引言1、基本信号：1）载波：频率在给定信道通带内的基带信号的载体，可分为正弦）载波：频率在给定信道通带内的基带信号的载体，可分为正弦波载波和脉冲载波。波载波和脉冲载波。l连续载波：确知的周期性波形 余弦波：式中，A为振幅； 0为载波角频率； 0为初始相位。2）调制信号）调制信号 m(tm(t) ) 自信源来的自信源来的自信源来的自信源来的携带信息的基带信号。携带信息的基带信号。3）已调波信号）已调波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载波称为已调信号调制器进行调制的部件 图3.1.1 调制器调制器已调信号s(t)调制信号m(t)2、调制的相关知识1）、调制的定义：在发送端，按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程，实现频谱搬移。2）、 解调的定义：在接收端把已搬移到给定信道通带内的频谱还原为基带信号频谱的过程。3）正弦波载波调制：用正弦波作为载波。4）脉冲编码调制：用脉冲串作为载波的数字调制。5）模拟调制：用来自信源的基带模拟信号去调制某载波的过程 。3、调制的作用（1）将基带信号变成适合在信道中传输的已调信号（2）实现信道的多路复用 （3）改善系统的抗噪声性能 （4）改变信号占用的带宽4、调制的分类 连续波调制连续波调制（载波为正弦波）（载波为正弦波） 振幅调制（振幅调制（AM, DSB ,SSB,VSB) 模拟调制模拟调制 频率调制（频率调制（FM )相位调制（相位调制（PM )数字调制数字调制振幅键控（振幅键控（ASK )频移键控（频移键控（FSK )相移键控（相移键控（PSK )脉冲波调制（载波为脉冲波）（载波为脉冲波）模拟调制模拟调制 脉冲振幅调制脉冲振幅调制( PAM ) 脉冲带宽调制脉冲带宽调制( PWM ) 脉冲频率调制脉冲频率调制( PFM )数字调制数字调制 脉冲编码调制脉冲编码调制( PCM ) 增量调制增量调制 ( M ) 脉冲间隔调制脉冲间隔调制( PIM ) 脉冲位置调制脉冲位置调制( PPM )5、调制系统种讨论的主要问题和主要参数（1）工作原理（2）已调信号的带宽（3）功率关系功率利用率（4）抗噪声性能噪声对调制系统性能的影响调制系统的主要参数1、发送功率2、传输带宽3、抗噪声性能4、设备的复杂度3、2 幅度调制的原理及抗噪声性能重点掌握：重点掌握：1. 基本原理：基本原理：幅度调制（幅度调制（AM、DSB、SSB、VSB）调制与解调的基本原理；）调制与解调的基本原理；2. 时域及频域表示式；时域及频域表示式；3. 波形图与频谱图；波形图与频谱图；4. 抗噪性能：抗噪性能：信号功率、噪声功率、信噪比、信号功率、噪声功率、信噪比、调制度增益的计算调制度增益的计算。3、2 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制：高频正弦波的幅度随调制信号作线性变化的过程一、线性调制器的一般模型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。适当选择滤波器的特性H()，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。h(t）,H()载波信号载波信号c（t）m(t)滤波器滤波器Sm(t)线性调制器的一般模型输出信号的一般表达式：时域：且频域：二、调幅AM信号假设h(t)=(t)，即滤波器（H()=1）为全通网络，调制信号m(t)叠加直流A0后与载波相乘AM的时域表达式: (t) = + m(t)cos t A 0为外加的直流分量，m(t)为调制信号。C 为载波的角频率AM的调制模型:(t)cos( t)m(t)设设: m(t) = 1+m (t)， |m (t)| 1， m (t)|max = ma 调幅度，调幅度，则有调幅信号：则有调幅信号： s (t) = 1+m (t)Acos 0t，式中，式中， 1+m (t) 0，即，即s (t) 的包络是非负的。的包络是非负的。 +1 = =m(t)101+m(t)101+m(t)-fmm(t)s(t)M(f)C(f)c(t)A-Atfmf0-f02fmS(f)2fm-f0f0ffftt101+m(t)AM的频域表达式:SAM(w) = A0(w-wc)+(w+wc)+0.5M(w-wc)+M(w+wc)调制波形图与频谱图如下：下一个例子找错调幅AM信号由图可见：（1）波形包络与输入基带信号m(t)成正比（2）频谱具有上、下对称的两个边带（3）频谱中心含离散载频分量，它含离散载频分量，它并不携带信息（4）要使调幅波的包络波形与基带信号波形相同，则一定要满足两个条件：a、对所有的t的值|m(t)|maxA0，否则会过调制b、载波频率必须高于基带信号的最高频率（5）AM 的调幅度的调幅度AM一个重要的参数是调幅度一个重要的参数是调幅度ma ，又称为调制系数。其，又称为调制系数。其定义为：定义为：一般一般 ma1 ，只有，只有SAm(t)min为负数时，为负数时，ma 才大于才大于1 ，此时，此时出现过调幅，接收端解调出的信号将出现波形失真。出现过调幅，接收端解调出的信号将出现波形失真。思考题：过调幅时，思考题：过调幅时，AM已调波的波形如何已调波的波形如何？（6）已调AM波只是把基带信号的频谱简单地搬移，而没有产生新的频谱分量，AM是线性调制。（7）功率分配AM信号在1电阻上的平均功率应等于sAM(t)的均方值。当m(t)为确知信号时，sAM(t)的均方值即为其平方的时间平均，通常假设调制信号没有直流分量，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关。载波分量不携带信息。即使在“满调幅”（|m(t)|max=时，也称100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。因此，从功率上讲，AM信号的功率利用率比较低。（8）、调制效率调制效率：当调制信号m(t)为单频余弦信号，在刚发生过调制的临界状态下，ma=1,此时调制效率最大：AM1/3即：两边带功率之和两边带功率之和 载波功率之半。载波功率之半。在各种调制信号中，调制效率最高的是幅度为Ao的方波，此时：AM1/2AM 系统的特点及其应用系统的特点及其应用AM 系统的特点及其应用系统的特点及其应用 优点：解调方便（包络检波）优点：解调方便（包络检波） 缺点：占用频带宽（消息信号的两倍）缺点：占用频带宽（消息信号的两倍） 调制效率低（发射功率大）。调制效率低（发射功率大）。 应用：广播。应用：广播。三、抑制载波双边带调制（三、抑制载波双边带调制（DSB-SC）在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。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（DSB）。抑制载波双边带调幅信号时域表达式：频域表达式：抑制载波双边带调幅信号由图可知：（1）由时间波形可知，DSB信号的包络不与m(t)成正比（2）在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180的突变（3）DSB信号节省了载波发射功率，但具有上、下对称的两个边带，故频带宽度与AM信号相同（4）功率分配：PDSB=PS（5）调制效率：DSB1DSB的特点与应用的特点与应用 优点：调制效率高，抗噪性能较强。优点：调制效率高，抗噪性能较强。 缺点：占用频带宽，为消息基带信号的缺点：占用频带宽，为消息基带信号的2倍。倍。 应用：无线通信，低带宽信号多路复用，常应用：无线通信，低带宽信号多路复用，常用于传输数字信号，如用于传输数字信号，如ASK。 四、单边带SSB信号单边带调制只是传输双边带信号中的一个边带。因此产生SSB信号（1）最直接的方法滤波法滤波法：将不含直流分量的基带信号m(t)和载波信号经乘法器后得到双边带信号DSB，再通过一个单边带滤波器就得到需要的单边带SSB信号。单边带调制（单边带调制（SSB）的一般模）的一般模型型从图中看，从图中看，SSB与与DSB好象没什么不同，好象没什么不同，但两者的但两者的h(t) 不同。不同。DSB 的的h(t) 要求保要求保留两个边带信号；而留两个边带信号；而SSB 的的h(t)只要求只要求保留一个而且只能保留一个边带信号。保留一个而且只能保留一个边带信号。如果如果H( ) 是上边带滤波器是上边带滤波器H( ) ，则得到相应的上边带，则得到相应的上边带信号（信号（USB）；如果）；如果HUSB( ) 是下边带滤波器是下边带滤波器HLSB( ) ，则得到相应的下边带信号（，则得到相应的下边带信号（LSB）。）。因此，因此，SSB信号的频谱可表示为：信号的频谱可表示为：SSSB() =S DSB() H() 用滤波法形成SSB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DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，这就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。这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。为此，在工程中往往采用多级调制滤波的方法。（2）单边带调制相移法：单音频调制时的SSB信号的波形图单音频调制时的SSB频谱图（2）单边带调制相移法：时域：下边带SSB信号上边带SSB信号其中是m(t)的希尔伯特变换希尔波特（希尔波特（Hilbert）变换）变换定义定义：将一个信号波形中的全部频率分量相移：将一个信号波形中的全部频率分量相移- -90后后所得的时间信号就叫做原信号的希尔波特变换所得的时间信号就叫做原信号的希尔波特变换 。（1 1）变化公式：）变化公式： 希尔波特变换在时间域的数学描述如下：希尔波特变换在时间域的数学描述如下：希尔波特变换在频率域中的数学描述为：希尔波特变换在频率域中的数学描述为： （2）常用希尔波特变换对）常用希尔波特变换对 （3）Hilbert变换的性质变换的性质 信号和它的希尔波特变换具有相同的能量谱密度或相同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。的功率谱密度。 信号和它的希尔波特变换的能量信号和它的希尔波特变换的能量(或功率或功率)相同。相同。 信号和它的希尔波特变换具有相同的自相关函数。信号和它的希尔波特变换具有相同的自相关函数。 信号和它的希尔波特变换互为正交。信号和它的希尔波特变换互为正交。 的希尔波特变换为的希尔波特变换为 f(t)。（4）Hilterb变换的用途变换的用途l在在SSB中，用来实现相位选择，以产生单边中，用来实现相位选择，以产生单边带信号；带信号；l 给出最小相移网络的幅频特性和相频特性给出最小相移网络的幅频特性和相频特性之间的关系；之间的关系；l 为带通信号的表示提供了基础。为带通信号的表示提供了基础。 （2）单边带调制相移法的原理框图相移法形成SSB信号的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号m(t)的所有频率分量严格相移/2，这一点即使近似达到也是困难的。为解决这个难题，可以采用混合法（也叫维弗法）调制信号为任意信号的SSB信号的频谱图单边带SSB信号由SSB信号的频谱图可见：（1）SSB信号的解调不能采用简单的包络检波法，也需要采用相干解调法（2）SSB信号可节省载波发射功率，是双边带发射功率的一半（3）SSB信号的频率带宽只有双边带DSB信号的一半SSB的特点及应用的特点及应用 优点优点：具有最窄的：具有最窄的传输带宽，信道利用率最高；，信道利用率最高； 缺点缺点：（：（1 1）电路路实现复复杂，技，技术要求高要求高；（2 2）解）解调时要求要求同步同步误差小差小. . 应用应用：（：（1 1）话音话音通信通信；（；（2 2）话音频分）话音频分多多路通信路通信. .五、残留边带调制（五、残留边带调制（VSB）1残留边带调制（残留边带调制（VSB）的工作原理）的工作原理 为了克服为了克服SSB设备制作困难的缺点，可以设备制作困难的缺点，可以采用采用VSB。VSB介于介于SSB和和DSB之间，它让一之间，它让一个边带完全通过，而让另一个边带只残留一部个边带完全通过，而让另一个边带只残留一部分，这样，既克服了分，这样，既克服了DSB占用频带宽的缺点，占用频带宽的缺点，又解决了又解决了SSB实现上的困难。实现上的困难。VSB的调制过程的调制过程的一般模型与的一般模型与DSB和和SSB没有区别，不同的是没有区别，不同的是滤波器的冲击响应滤波器的冲击响应h(t)是按是按VSB的要求设计的。的要求设计的。残留边带VSB信号为了保证接收端相干解调时无失真的恢复基带信号,必须要求残留边带滤波器的传输函数在载频处具有互补对称特性,又叫滚降形状：2VSB信号的频谱信号的频谱3发送功率和传输带宽发送功率和传输带宽VSB的发送功率和带宽介于的发送功率和带宽介于SSB和和DSB之间。之间。一般典型值为：一般典型值为：线性调制信号的解调解调：从接收的已调信号中恢复原基带信号。解调的实质：频谱搬移1、相干解调LPFcoswct相干载波相干载波So(t)Sm(t)线性调制信号的解调2、包络检波LPFMo(t)包络检波Sm(t)线性系统的抗噪声性能1、分析模型解调器解调器N(t) 高斯白噪声高斯白噪声mo(t)nO(t)BPFSm(t)Sm(t)Ni(t)线性系统的抗噪声性能2、评价模拟调制系统的抗噪声性能的指标（1）输出信噪比（2）信噪比增益3、各种调制系统相干解调的抗噪声性能（1）DSB调制系统的性能DSB 解调器的输入信号为解调器的输入信号为 （设载波信号幅（设载波信号幅度为度为:其平均功率为其平均功率为 ：经过同步解调相乘器的输出信号为：经过同步解调相乘器的输出信号为：经过经过LPF后，输出有用信号为：后，输出有用信号为：于是，解调器输出端的有用信号的平均功于是，解调器输出端的有用信号的平均功率为：率为：采用同步解调，则经过相乘器后的输出噪采用同步解调，则经过相乘器后的输出噪声为：声为：其中，其中，nc(t) 及及 ns(t) 为高斯窄带噪声为高斯窄带噪声ni(t) 的同相分量及正的同相分量及正交分量交分量.经过经过LPF后，输出噪声为：后，输出噪声为：于是，解调器输出端的噪声的平均功率为：于是，解调器输出端的噪声的平均功率为：将上述结果代入：输入信噪比：输出信噪比：调制制度增益：（2）SSB调制系统的抗噪声性能SSB解调器的输入信号为只有解调器的输入信号为只有DSB信号信号的一半，其平均功率为：的一半，其平均功率为：解调器采用同步解调，则经过相乘器后解调器采用同步解调，则经过相乘器后的输出信号为：的输出信号为：经过经过LPF后，输出有用信号为：后，输出有用信号为：于是，解调器输出端的有用信号的平均于是，解调器输出端的有用信号的平均功率为：功率为：采用同步解调，则经过相乘器后的输出噪采用同步解调，则经过相乘器后的输出噪声为：声为：经过经过LPF后，输出噪声为：后，输出噪声为：于是，解调器输出端的噪声的平均功率为：于是，解调器输出端的噪声的平均功率为：线性系统的抗噪声性能将上述结果代入：输入信噪比：输出信噪比：调制度增益：结论由由此此可可见见，SSB调调制制系系统统的的调调制制度度增增益益为为1。所所以以DSB的的调调制制度度增增益益是是SSB的的两两倍倍。这这是是因因为为SSB采采用用同同步步解解调调，使使输输入入噪噪声声中中的的一一个个正正交交分分量量被被消消除除的的同同时时，也也消消除除了了有有用用信信号号的的正正交交分分量量。但但这这并并不不说说明明DSB的的抗抗噪噪声声性性能能优优于于SSB，因因为为DSB的的带带宽宽是是SSB的的两两倍倍，则则在在输输入入噪噪声声功功率率谱谱密密度度相相同同的的情情况况下下，DSB解解调调器器的的输输入入噪噪声声和和输输出出噪噪声声都都是是SSB的的两两倍倍，在在输输入入信信号号的的平平均均功功率率相相等等的的情情况况下下，DSB和和SSB的的输输出出信信噪噪比比是是相相同同的的，所所以以，从从抗抗噪噪声声的的观观点点看看，DSB和和SSB是是相同的。相同的。（3）AM调制系统的抗噪声性能1）同步解调时）同步解调时 AM采用同步解调时的抗噪声性能分析与采用同步解调时的抗噪声性能分析与DSB相同，相同，这里只给出结果，详细过程自己推导。这里只给出结果，详细过程自己推导。输入信噪比输入信噪比 ：输出信噪比输出信噪比 ：调制度增益调制度增益 ：线性系统的抗噪声性能若为单音频正弦波调制若为单音频正弦波调制 ，且，且m=1 ，则，则 m0 =M，它表明它表明 AM 调制系统在单音频调制且采用同步解调时的调制系统在单音频调制且采用同步解调时的调制度增益最多为调制度增益最多为2/3。若为双极性矩形脉冲信号，且且m=1 ，则，则 m0 =M，G=14、非相干解调的抗噪声性能实际中实际中AM信号的解调通常采用包络检波信号的解调通常采用包络检波器或平方律检波。设器或平方律检波。设AM信号为：信号为：式中式中 。输入噪声为：输入噪声为：则解调器输入端的信号功率和噪声功率则解调器输入端的信号功率和噪声功率分别为：分别为：解调器输入端有用信号和噪声的合成信号为：解调器输入端有用信号和噪声的合成信号为：其中其中E(t) 即为合成包络，即为合成包络， (t) 为相位为相位 ：通常分析检波器的输出信号和噪声有一通常分析检波器的输出信号和噪声有一定困难为简化起见，我们考虑两种特殊定困难为简化起见，我们考虑两种特殊情况：情况：（1） 大信噪比情况大信噪比情况 所谓大信噪比是指：所谓大信噪比是指： ，则，则 及及 。于是：。于是：此包络信号中的有用信号为此包络信号中的有用信号为m(t)，噪声为，噪声为nc(t)，所以输出，所以输出信号功率和噪声功率分别为：信号功率和噪声功率分别为：于是于是AM 的调制度增益为的调制度增益为 ：显然，显然，A 越小，越小，G 越大。但为了不出现过调幅，要求越大。但为了不出现过调幅，要求 ：因此，对单音频的正弦波因此，对单音频的正弦波100%调制调制 ：则则这就是包络检波器能够得到的最大信噪比改善值。这就是包络检波器能够得到的最大信噪比改善值。（2） 小信噪比情况小信噪比情况 所谓小信噪比是指：所谓小信噪比是指： ，则，则 及及 。于是：。于是：其中其中可以看出，小信噪比情况下，在检波器输出端无单独的信号项，可以看出，小信噪比情况下，在检波器输出端无单独的信号项，只有受到只有受到 cos (t) 调制的项调制的项 m(t)cos (t) 。由于。由于 cos (t)是一个依是一个依赖与噪声变化的随机函数，故实际上它就是一个随机噪声。因而，赖与噪声变化的随机函数，故实际上它就是一个随机噪声。因而，有用信号有用信号m(t) 被包络检波器扰乱，致使被包络检波器扰乱，致使m(t)cos (t) 也只能看作是也只能看作是噪声。噪声。门限效应门限效应非同步解调时，当输入信噪比下降到某非同步解调时，当输入信噪比下降到某一值时，它的输出信噪比急剧下降，这一值时，它的输出信噪比急剧下降，这个值就是门限值。这种现象称之为个值就是门限值。这种现象称之为“门门限效应限效应”，它是由包络检波器的非线性，它是由包络检波器的非线性解调引起的。因为在小信噪比情况下，解调引起的。因为在小信噪比情况下，无法由包络检波器解调出有用信号，所无法由包络检波器解调出有用信号，所以只有采用相干解调，才能恢复有用信以只有采用相干解调，才能恢复有用信号。号。3、3角度调制原理一、非线性调制的原理一、非线性调制的原理调制过程都要实现基带调制信号的频谱搬移，对于:线性调制:调制后信号的频谱结构和基带调制信号的频谱结构保持一致。非线性调制：调制后信号却不再保持基带调制信号的频谱结构。非线性调制通常是通过改变载波的频率或相位来实现的，而载波振幅保持不变。因为频率或相位的变化可以看成是载波角度的变化，所以这种调制方式又称为角度调制，它是调频（FM）和调相（PM）的统称。l频率的概念：严格地说，只有无限长的恒定振幅和恒定相位的正弦波形才具有单一频率。载波被调制后，不再仅有单一频率。l“瞬时频率”的概念：设一个载波可以表示为式中，0为载波的初始相位； (t)= 0t+0为载波的瞬时相位瞬时相位 ; 0=d(t)/dt 为载波的角频率。现定义瞬时频率： 由频率与相位的关系，上式可以改写为：l1、角度调制的定义及表达式：由下式可见， (t)是载波的相位。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。l相位调制的定义：若使相位(t)随m(t)线性变化，即令 则称为相位调制。式中： 叫瞬时相位偏移这时，已调信号的表示式为 此已调载波的瞬时频率为： 式中： 叫瞬时频率偏移。 上式表示，在相位调制中瞬时频率偏移随调制信号的对时间求导的函数线性地变化。 l频率调制的定义：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：l瞬时角频率为 ： 瞬时角频率偏移为 ：及瞬时相位为： 瞬时相位偏移为：这时，已调信号的表示式为：上式表明，载波瞬时相位偏移随调制信号的积分线性地变化 。l相位调制和频率调制的比较：l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)的积分线性地变化。 l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。l仅从已调信号波形上看无法区分二者。 直接和间接调相直接和间接调频当调制信号为单音频正弦波信号时，即，则：式中，称之为调相指数，表示最大相位偏移。瞬时角频率：最大角频率偏移：2、单音调制的PM与FM表示式当调制信号为单音频正弦波信号时，即 则： 式中， 称之为调频指数，表示最大相位偏移。 m m f f/ / f fm m为为最大频率偏移和基带信号频率之比。最大频率偏移和基带信号频率之比。瞬时角频率： 最大角频率偏移：调相波与调频波的比较共同点：振幅不变，是等幅波不同点：调相PM调频FM定义(t)=Kpm(t)d(t)/dt=Kfm(t)比例常数Kp：rad / V调相器灵敏度KF ：rad / V/ s调频器灵敏度调相波与调频波的比较调相PM调频FM瞬时相位(t)= wct+Kpm(t) 瞬时频率W(t)= wc+KFm(t)已调信号表达式SPM(t)=Acoswct +Kpm(t)SFM(t)=Acoswct +KFm(t)dt4角度调制的波形和频谱（1）角度调制的波形单音频调制时的调相和调频信号波形如图4-12所示。 （2）角度调制的频谱因为调相和调频都是角度调制，两者可以相互转换，且实际应用中，FM用得较多，所以我们着重讨论FM的频谱。由于角度调制是非线性过程，所以，要得到任意调制信号FM信号的频谱表示式是相当困难的。但在某些特定情况下还是可以求得的。为方便起见，设载波幅度为1，则调频波的一般表示式为：(a)窄带调频（NBFM）若,则称之为窄带调频，此时：则其频谱与AM很相似，如图4-13所示。从图中可以看出，NBFM的带宽：(a)宽带调频（WBFM）若，则称之为宽带调频，若为单音频调制，且Am=1则：式中，称为第一类n阶贝塞尔（Bessel）函数，且：。具体数据可以参看贝塞尔函数表。 Jn( m) m 关系曲线上式的展开式为：上式的展开式为：x图4-14给出了mf=5，A=1，fcfm时，单音频调制的WBFM的频谱图。由此可见，即使在单音频调制情况下，WBFM的频谱也可展开成无数个频率分量。但实际上无限多个频率分量是不必要的，因为贝塞尔函数的最大值随着阶数的增加而下降，只要取适当的n值，使Jn(mf)下降到可以忽略的程度，则比它更高的边频分量就可以忽略不计，使WBFM的频谱约束在有限的频谱范围内。如果我们把幅度小于0.1倍的载波幅度的边频忽略不计，则可以得到WBFM的带宽：称之为最大频偏。若，则若调制信号为多音频信号，其频谱分析是很复杂的。一般有经验公式：式中，fh为调制信号的最高频率。l频谱特点：l边频成对l大部分功率集中在有限带宽内l当调制指数mf 1 时，带宽B： 式中，f最大调制频移，fm调制信号频率。mkHzkHzkHzkHz作kHzkHzkHzkHz3.4 非线性调制的抗噪声性能非线性调制的抗噪声性能 非线性调制的抗噪声性能分析较复杂，这里我们只给出频率调制系统抗噪声性能分析的结果： 解调器输入端的信噪比： 大信噪比下，解调器输出的有用信号： 大信噪比下，解调器输出信号功率： 假设解调器的LPF的截止频率为fm，且fm，则解调器输出噪声功率为：解调器输出信噪比：单音频调制时，即，此时：解调器输出信噪比：FM调制度增益：越大，则调制度增益越大。但因为，所以所需的带宽也大。换句话说，FM系统抗噪声性能的改善是以增加传输带宽得到的。在小信噪比下，FM系统的解调器同样存在门限效应。在实际中改善门限效应的方法较多，目前常用的有锁相环路鉴频法和调频负反馈鉴频法。另一方面，鉴频器输出端的噪声功率谱密度随频率的增高而增加，如果采用“去加重”技术在解调器输出端接一个传输特性随频率增加而滚降的线性网络，将高端的噪声衰减，则总的噪声功率可以减小。由于在解调器加了去加重网络，则必须在调制端加“预加重”网络，以保证输出信号不变。3.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较（见教材P122123一、 性能比较WBFM 抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB 抗噪声性能次之，AM 抗噪声性能最差。NBFM 和AM 的性能接近。FM 的调频指数 m 越大，抗噪声性能越好，但占据的带宽越宽，频带利用率低。SSB 的带宽最窄，其频带利用率高。二、 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，则在包检时会出现过调失真，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，如短波波段的的无线电广播和频分多路复用系统中。VSB 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。FM 波的幅度恒定不变，这使它对非线性器件不甚敏感，给FM 带来了抗快衰落能力。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。3.6 频分复用（频分复用（FDM）信道复用是指在同一信道中传输若干不同信号的方法。常见的信道复用方法有频分复用（FDMFrequency DivisionMultiplexing） 和 时 分 复 用 （ TDMTimeDivisionMultiplexing）。一个信道的带宽往往比一路传输信号的带宽要大很多，如果这个信道只传输一路信号是非常浪费的。如果把各个独立的信号调制到不同的载波频率上，则可以实现一个信道同时传输多路信号。图4-15示出了一个频分复用电话系统的组成框图。若设信号的最高频率均为，则各路LPF就是用来限制各路信号的最高频率的。图示组成框图中各路信号的调制方式是相同的，均为SSB。在载频的选择上，既要考虑边带频谱的宽度，又要留有一定的防护频带，以防止邻路信号间的相互干扰。即： fg为邻路间隔防护频带。显然，fg越大，则在邻路信号干扰指标相同的情况下，对边带滤波器的要求低一些。经过SSB调制后的各路信号在频率位置上被分开了，因此，可以通过相加器把它们合成适合信道传输的复用信号，其频谱结构如图4-16所示。信道频带宽度至少应等于n路单边带信号的总频带宽度，即：式中，B1为一路信号占用的带宽。合并后的信号原则上可以在信道中传输，但有时为了更好地利用信道的传输特性，还可以再进行一次调制。在频分复用的接收端，可以利用相应的带通滤波器分开各路信号，然后，通过各自的相干解调器恢复各路的调制信号。频分复用的优缺点：优点：信道复用率高缺点：设备生产较复杂，滤波器不理想和信道的非线性会产生路际干扰复合调制及多级调制的概念复合调制：对同一载波进行两种以上的调制多级调制：将同一基带信号实施两次以上的调制第三章作业思考题：P127 5-11习题：P1285-2, 5-4, 5-7, 5-10, 5-16