邯郸学院邯郸学院第五章第五章 模拟调制系统模拟调制系统邯郸学院邯郸学院回顾1、信道的数学模型、信道的数学模型（1）调制信道模型）调制信道模型n(t)加性干扰加性干扰当没有信号输入时，信道输出端也有加性干扰当没有信号输入时，信道输出端也有加性干扰k(t)乘性干扰乘性干扰当没有信号输入时，信道输出端没有乘性干扰当没有信号输入时，信道输出端没有乘性干扰邯郸学院邯郸学院特性随机变化的信道称为特性随机变化的信道称为随参信道随参信道特性不随时间变化或者变化很小的信道称为特性不随时间变化或者变化很小的信道称为恒参信道恒参信道回顾（2）编码信道模型）编码信道模型转移概率（转移概率（transfer probability）邯郸学院邯郸学院回顾2、信道特性对信号传输的影响、信道特性对信号传输的影响a a、幅频特性为一条水平直线，即、幅频特性为一条水平直线，即（1 1）恒参信道的传输特性）恒参信道的传输特性H(w)H(w)可用幅频特性和相频特性可用幅频特性和相频特性共同描述共同描述无失真传输（理想恒参信道）条件：无失真传输（理想恒参信道）条件：b b、相频特性是一条通过原点的直线，即、相频特性是一条通过原点的直线，即邯郸学院邯郸学院回顾频率失真、相位失真均属于线性失真，通常可用线性网络补偿，频率失真、相位失真均属于线性失真，通常可用线性网络补偿，这种补偿网络通常称为幅度和相位均衡器。这种补偿网络通常称为幅度和相位均衡器。除以上两种线性失真外，还存在其他失真：除以上两种线性失真外，还存在其他失真：非线性失真、频率偏移（非线性失真、频率偏移（deviationdeviation）和相位抖动）和相位抖动(phase jitter)(phase jitter)（2）随参信道对信号传输的影响）随参信道对信号传输的影响传输特性：传输特性：a、对信号的衰耗随时间而变化b、传输的时延随时间而变化c、多径传播对信号产生的影响称为多径效应邯郸学院邯郸学院从波形上，确知等幅波变成了包络缓慢起伏的随机调幅波瑞利型衰落频率弥散频率选择性衰落从频谱上看，单根线谱变成了窄带频谱()衰落与频率有关多径效应频率选择性衰落是多径效应中最严重的一种。多径效应回顾邯郸学院邯郸学院由于这种衰落与频率有关，故称其为频率选择性衰落。经过分析，多径信道的衰减和信号频率及时延差有关，因而导致信号中的某些频率成分或其倍频波随机性严重衰落衰落现象。回顾邯郸学院邯郸学院回顾减小频率选择性衰落的措施：1、当信号的带宽 时，将产生严重的频率选择性衰落。为了避免，应使工程上，2、对于数字信号，带宽取决于码元的速率RB，而RB等于码元宽度Ts的倒数，因此邯郸学院邯郸学院回顾3、信道中的噪声、信道中的噪声了解了噪声的统计特性：分析表明起伏噪声（热噪声、散弹噪声、宇宙噪声）均为高斯噪声，且频谱在很宽的频率范围内均匀分布，故一律把起伏噪声或热噪声称为高斯白噪声高斯白噪声。为了描述窄带噪声的带宽，我们又介绍了什么是噪声等效带宽：意义：高度为Pn(f0)、宽度为Bn的理想矩形滤波器（虚线）的面积和功率谱密度 曲线下面的面积相等，即功率相等。可认为窄带噪声的功率谱密度在带宽可认为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定的。内是恒定的。邯郸学院邯郸学院回顾4、信道中的容量、信道中的容量(1)离散信道容量离散信道容量(2)连续信道容量连续信道容量邯郸学院邯郸学院回顾求下列计算值：求下列计算值：（1）已知二元离散信源具有）已知二元离散信源具有“0”、“1”两个符号，若出两个符号，若出现现“0”的概率为的概率为1/3，求出现，求出现1的信息量。的信息量。（2）某离散信源有）某离散信源有0、1、2、3四种符号组成，出现概率分四种符号组成，出现概率分别为别为3/8 1/4 1/4 1/8 ，求该信源的熵。，求该信源的熵。邯郸学院邯郸学院（3）已知电话信道的带宽是）已知电话信道的带宽是3400Hz，若要求传输，若要求传输6800bit/s的数据，请计算要求信道的最小信噪比是多少分贝？的数据，请计算要求信道的最小信噪比是多少分贝？邯郸学院邯郸学院某一待传输的图片约含某一待传输的图片约含2.5*106个像素，为了很好地重现个像素，为了很好地重现图片，需将每个像素量化为图片，需将每个像素量化为16个亮度电平之一，假如所有个亮度电平之一，假如所有这些亮度电平等概率出现且互不相干，并设加性高斯噪声这些亮度电平等概率出现且互不相干，并设加性高斯噪声信道中的信噪比为信道中的信噪比为30dB，试计算用，试计算用3min传送一张这样的传送一张这样的图片所需的最小信道带宽（不压缩编码）图片所需的最小信道带宽（不压缩编码）一张图片的信息量为：一张图片的信息量为：解：每个像素的信息量为解：每个像素的信息量为3min传送图片所需的信道容量为：传送图片所需的信道容量为：信噪比为信噪比为30dB=1000由香农公式由香农公式得：得：B=5.57KHz邯郸学院邯郸学院5.1 幅度调制的原理幅度调制的原理5.2 线性系统的抗噪声性能线性系统的抗噪声性能5.3 角度调制原理角度调制原理5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较5.6 频分复用和调频立体声频分复用和调频立体声邯郸学院邯郸学院概述概述一、调制的概念：一、调制的概念： 按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。些参数的过程。也就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。也就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。 二、调制目的：二、调制目的：1、提高传输性能，以较小的发送功率与较短的、提高传输性能，以较小的发送功率与较短的天线来辐射电磁波。天线来辐射电磁波。 2、提高抗干扰性。（不同调制方式性能不同）、提高抗干扰性。（不同调制方式性能不同）3、有效的利用频带（频谱搬移）。、有效的利用频带（频谱搬移）。邯郸学院邯郸学院概述概述三、调制的种类：三、调制的种类： 四、模拟调制的种类：四、模拟调制的种类： 邯郸学院邯郸学院概述概述幅度调制幅度调制幅度调制幅度调制( (线性调制线性调制线性调制线性调制) )角度调制角度调制角度调制角度调制( (非线性调制非线性调制非线性调制非线性调制) )AMAMDSB-SCDSB-SCSSBSSBVSBVSB频率调制频率调制频率调制频率调制FMFM相位调制相位调制相位调制相位调制PMPM四、模拟调制的种类：四、模拟调制的种类： 邯郸学院邯郸学院 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理一、幅度调制（调幅）概念：一、幅度调制（调幅）概念：幅度调制是幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。 幅度调制器的一般模型如下图所示。 m(t)为调制信号 邯郸学院邯郸学院 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理邯郸学院邯郸学院 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理二、幅度调制特点二、幅度调制特点（1）波形特点：幅度随基带信号变化呈正比变化（2）频谱特点：从基带简单的搬移到频带上频谱的搬移是线性的，所以称为线性调制邯郸学院邯郸学院 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理三、调幅方式的分类三、调幅方式的分类在调幅方式中，常见的有普通双边带普通双边带调幅、抑制载抑制载波双边带波双边带调幅以及单边带调幅单边带调幅，他们的瞬时幅度A的波形是不相同的。 C邯郸学院邯郸学院1、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）（1）时域表达）时域表达图中，调制信号m(t)（通常认为其平均值为0）叠加直流A0后与载波相乘(见图)， 就可形成调幅(AM)信号 直流调制信号邯郸学院邯郸学院调幅器输出波形：1、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）邯郸学院邯郸学院1、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）（2）频谱特性）频谱特性直流分量信号分量邯郸学院邯郸学院邯郸学院邯郸学院1、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）m(t)Ac+m(t)M()上边带下边带下边带上边带邯郸学院邯郸学院1、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）时域波形时域波形解调：解调：由上图可以看出，当 m(t)的形状完全一样，因此，用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号。如果不满足上述条件，则会出现过调幅，也就是 就需要用同步检波的方法进行解调。 时，包络与调制信号邯郸学院邯郸学院1、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）频谱频谱带宽：带宽：频谱组成：载频分量、上边带、下边带频谱组成：载频分量、上边带、下边带结构：上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相结构：上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。同，下边带是上边带的镜像。结论：结论：AM的带宽是基带信号带宽的带宽是基带信号带宽fH的的2倍。倍。邯郸学院邯郸学院1、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）结论： 振幅调制的实质在频域上完成频谱搬移，但要完成调幅，调制电压必须在时域上和载波相乘。邯郸学院邯郸学院1、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）（3）功率分配关系AM信号在1电阻上的平均功率PAM应等于sAM(t)的均方值均方值。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时间平均， 即 邯郸学院邯郸学院1、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）通常假设调制信号没有直流分量,即 , 因此： 其中 为载波功率 为边带功率（与调制信 号有关） AM信号的功率信号的功率利用率比较低利用率比较低邯郸学院邯郸学院1、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）调制效率定义调制效率定义: 当调制信号为单频余弦信号时： 调制效率 当当AmA0 时，调制效率达到最大为时，调制效率达到最大为1/3邯郸学院邯郸学院总结总结：1、优点：结构简单，实现容易，适用于广播通信。2、缺点：（1）功率效率非常低，最大为1/31、普通双、普通双边带调幅（幅（AM）（2）频谱效率也不高，为信号最高频率的2倍。返返回回邯郸学院邯郸学院2、双、双边带调制（制（DSB ）将常规双边带调幅SAM(t)中不携带信息的载波抑制掉，即去掉振幅中的直流分量，可得双边带调幅的时域表时域表达式：达式： （1）时域表达）时域表达邯郸学院邯郸学院2、双、双边带调制（制（DSB ）邯郸学院邯郸学院2、双、双边带调制（制（DSB ）频域分析：频域分析： m(t)M()邯郸学院邯郸学院2、双、双边带调制（制（DSB ）可见：（1）调制效率 （因为不存在载波分量） （2）DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律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一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号号 （3） SDSB(t)频带宽度和宽度和SAM(t)相等，是调制信号带宽的两倍邯郸学院邯郸学院2、双、双边带调制（制（DSB ）（4）由于DSB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，因此仅传输其中一个边带即可，这就是单边带调制能解决的单边带调制能解决的问题。问题。返返回回邯郸学院邯郸学院3、单边带调幅（幅（SSB）DSB信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。 这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。 单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法 继继续续邯郸学院邯郸学院（1）用滤波法形成单边带信号 产生SSB信号最直观的方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带. 就可分别取出下边带信号频谱 SLSB() 或上边带信号频谱 SUSB()，如下图所示。 邯郸学院邯郸学院形成形成SSSB(t)信号的滤波特性信号的滤波特性SSSB(t)信号的频谱为信号的频谱为HUSB(w)10wcwcw0wcwcw1(a)(b)HLSB(w)（1）用滤波法形成单边带信号 邯郸学院邯郸学院F (w)wHwHSDSB(w)wcwcwwOO 上边带 下边带 下边带 上边带wcwcO上边带频谱wOwcwcw下边带频谱返返回回邯郸学院邯郸学院第一项与调制信号和载波的乘积成正比，称为同相分量第一项与调制信号和载波的乘积成正比，称为同相分量第二项乘积中包含调制信号与载波信号分别相移第二项乘积中包含调制信号与载波信号分别相移 的结果，称为正交分量的结果，称为正交分量同相分量同相分量同相分量同相分量正交分量正交分量正交分量正交分量保留保留上边带上边带上边带上边带， 则则把上、下边带合并起来可以写成把上、下边带合并起来可以写成（2） 用用相移法相移法相移法相移法形成单边带信号形成单边带信号保留保留下边带下边带下边带下边带， 则则以单频信号为例设单频信号为 载波为 邯郸学院邯郸学院（2） 用用相移法相移法形成形成单边带信号信号下边带上边带是m(t)的希尔伯特变换希尔伯特变换是把m(t)的所有频率成分都相移 -90的一种变换由此推出一般情况：邯郸学院邯郸学院 是是m (t)的希尔伯特变换。若的希尔伯特变换。若M()为为m(t)的傅氏变换，则的傅氏变换，则 的傅氏变换的傅氏变换 为 式中符号函数符号函数符号函数符号函数sgnw =1, w0-1, w0物理意义：若m (t)通过传递函数为 的滤波器，即可得到 ，把具有传递函数 的滤波器称为希尔伯特希尔伯特希尔伯特希尔伯特滤波器。滤波器。滤波器。滤波器。（2） 用用相移法相移法形成形成单边带信号信号H()j0-j邯郸学院邯郸学院tmwmAcos21 twtwAcmmcoscos21 )cos(twc tcwtmwmAsinsin21 )(tSSSB 2/p- 2/p-)(wHh （2） 用用相移法相移法形成单边带信号形成单边带信号返返回回邯郸学院邯郸学院3、单边带调幅（幅（SSB）综上所述：综上所述： 优点：优点：SSB调制方式在传输信号时，不但可调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射节省载波发射功率功率，而且它所，而且它所占用的频带宽度只有占用的频带宽度只有AM、 DSB的的一半一半，也可以，也可以减小减小选择性衰落引起的选择性衰落引起的信号失真信号失真。因。因此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式 缺点：缺点：单边带调幅要求收发两端的单边带调幅要求收发两端的载频要求严格同步载频要求严格同步，而且，而且SSB信号产生较复杂，常用滤波来产生，载频越高，信号产生较复杂，常用滤波来产生，载频越高，要求相对过渡带就越窄，实现就越困难要求相对过渡带就越窄，实现就越困难，目前都采用，目前都采用机械或晶体滤波器，且采用多次混频（提高频率）的机械或晶体滤波器，且采用多次混频（提高频率）的方案来产生单边带信号。方案来产生单边带信号。 邯郸学院邯郸学院3、单边带调幅（幅（SSB）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，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化， 所以仍需采用相干解调。 解调：解调：邯郸学院邯郸学院4、单边带传输的两种制式的两种制式（1）独立边带利用发射机上、下两个边带同时传输两路互不相关的信号，彼此互相独立，这样可以实现频频分多路复用分多路复用用途：是干线通信的基本方法这种方法可节省信道频率、实现多路复用，但是会产生互调失真。评价：邯郸学院邯郸学院4、单边带传输的两种制式的两种制式（2）残留边带（VSB）残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种调制方式， 它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难题。 在VSB中，不是完全抑制一个边带（如同SSB中那样），而是逐渐切割，使其残留一小部分，如图所示。 邯郸学院邯郸学院4、单边带传输的两种制式的两种制式邯郸学院邯郸学院原理框图为： 假设HVSB()是所需的残留边带滤波器的传输特性。由上述框图可知， 4、单边带传输的两种制式的两种制式残留边带信号的频谱为： 时域表达式： 邯郸学院邯郸学院4、单边带传输的两种制式的两种制式残留边带滤波器特性为：（a） 残留部分上边带的滤波器特性残留部分上边带的滤波器特性; （b）残留部分下边带的滤波器特性残留部分下边带的滤波器特性 邯郸学院邯郸学院4、单边带传输的两种制式的两种制式（2）残留边带（VSB）下面我们要来讨论一下，接收端是如何恢复出基带信号的：由解调框图可知：为保证相干解调无失真，则要求其等于常数邯郸学院邯郸学院采用相干解调，解调不失真条件条件：4、单边带传输的两种制式的两种制式（2）残留边带（VSB）要求残留边带滤波器传输函数在要求残留边带滤波器传输函数在w=0处满足处满足互补对称性（奇互补对称性（奇互补对称性（奇互补对称性（奇函数）函数）函数）函数）返返回回邯郸学院邯郸学院 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理四、线性调制的一般模型四、线性调制的一般模型第一种模型：滤波法原理框图频域表达式：时域表达式：邯郸学院邯郸学院 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理同相分量正交分量第二种模型：正交法（相移法）原理框图同相滤波器正交滤波器正交分量幅度同相分量幅度邯郸学院邯郸学院例题1设设m(t)=cos(4fmt)，载波，载波c(t)=2Accos(4fct),分别求分别求出下边带与双边带调幅的时域表达式。出下边带与双边带调幅的时域表达式。分析：下边带的希尔伯特变换为：上边带双边带调幅的时域表达式为：邯郸学院邯郸学院的希尔伯特变换为：解：上边带信号为：下边带信号为：双边带信号为：邯郸学院邯郸学院例题2对（对（0，4000）Hz范围内的话音信号范围内的话音信号f(t)，采用相移法单，采用相移法单边带调制方式发送上边带信号，给出形成上述边带调制方式发送上边带信号，给出形成上述SSB信号信号的体统框图和信号时域表达式。的体统框图和信号时域表达式。 )cos(twc )(tSSSB 2/p- 2/p-)(wHh )Sin (twc邯郸学院邯郸学院例题3已知调制信号已知调制信号m(t)=cos(2000t)，载波为，载波为2cos104 t，分，分别写出别写出AMDSBUSBLSB信号的表示式，并画出频信号的表示式，并画出频谱图。谱图。解：AM信号：DSB信号：USB信号：USB信号：邯郸学院邯郸学院检波电路的作用和组成作用：从已调幅波中不失真地检出调制信号。是调制的逆过程。组成：非线性器件+低通滤波器 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理五、相干解调与包络检波五、相干解调与包络检波邯郸学院邯郸学院 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理五、相干解调与包络检波五、相干解调与包络检波1、相干解调、相干解调适用于：适用于：AM，DSB，SSB，VSB数学分析：输入信号：滤波前：滤波后：邯郸学院邯郸学院2、包络检波 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理五、相干解调与包络检波五、相干解调与包络检波二极管包络检波二极管导通时正向导通时，电容充电；二极管截止时，电容C向RL放电。 二极管的正向电阻rDRL,所以充电速度快，放电速度慢，使得正向电压U0慢慢积累起来。邯郸学院邯郸学院fH为调制信号的最高频率fc为载波频率 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理而对于二极管来说，U0对二极管起着截止的作用，因此随着U0的逐步上升，二极管的导通时间逐渐缩短，电流导通角逐步减小输入AM信号为：邯郸学院邯郸学院2、包络检波插入载波包络检波（DSBSSB） 5.1 幅度幅度调制的原理制的原理五、相干解调与包络检波五、相干解调与包络检波插入载波的位置：接收端或者发送端插入载波的条件：1、载波振幅大于信号的振幅 2、与调制载波同频同相邯郸学院邯郸学院例题现有一振幅调制信号现有一振幅调制信号其中调制信号的频率为其中调制信号的频率为 ，载频，载频 常数常数 （1）请问此已调信号能否用包络检波器解调？）请问此已调信号能否用包络检波器解调？ （2）画出其解调框图）画出其解调框图 （3）画出从该接收信号提取载波分量的框图）画出从该接收信号提取载波分量的框图 邯郸学院邯郸学院解：（解：（1）此信号无法用包络检波解调。）此信号无法用包络检波解调。 （2）解调框图）解调框图（3）解调框图）解调框图邯郸学院邯郸学院小小结一、调制的概念：一、调制的概念： 二、调制目的：二、调制目的：将基带信号进行各种变换后再传输的过程将基带信号进行各种变换后再传输的过程1、将消息变换为便于传输的形式。、将消息变换为便于传输的形式。 2、提高抗干扰性。、提高抗干扰性。3、有效的利用频带。、有效的利用频带。邯郸学院邯郸学院小小结（1）波形特点：幅度随基带信号变化呈正比变化（2）频谱特点：从基带简单的搬移到频带上频谱的搬移是线性的，所以称为线性调制三、幅度调制特点三、幅度调制特点邯郸学院邯郸学院小小结幅度调制幅度调制幅度调制幅度调制( (线性调制线性调制线性调制线性调制) )AMAMDSB-SCDSB-SCSSBSSBVSBVSB1、优点：结构简单，实现容易，适用于广播通信。2、缺点：（1）功率效率非常低，最大为1/3（2）频谱效率也不高，为信号最高频率的2倍。四、调幅方式的分类四、调幅方式的分类邯郸学院邯郸学院小小结幅度调制幅度调制幅度调制幅度调制( (线性调制线性调制线性调制线性调制) )AMAMDSB-SCDSB-SCSSBSSBVSBVSB（1）调制效率 （2）DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，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因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号 （3） SDSB(t)频带宽度和宽度和SAM(t)相等，是调制信号带宽的两倍邯郸学院邯郸学院小小结幅度调制幅度调制幅度调制幅度调制( (线性调制线性调制线性调制线性调制) )AMAMDSB-SCDSB-SCSSBSSBVSBVSB优点：优点：1、提高频带利用率（与、提高频带利用率（与AM相比，频带节省一半）相比，频带节省一半）2、节省功率、节省功率3、减小由选择性衰落引起的信号失真、减小由选择性衰落引起的信号失真缺点：缺点：1、收发两端的载频要求严格同步、收发两端的载频要求严格同步2、SSB信号产生较为复杂信号产生较为复杂克服克服DSB频带宽、频带宽、SSB实现困难实现困难 邯郸学院邯郸学院小结（1）常规双边带调幅解调（AM）-包络检波（2）抑制载波双边带调幅解调（DSB）同步解调或相干解调（3）单边带解调（SSB）相干解调 （4）残留边带解调（VSB）相干解调五、相干解调与包络检波五、相干解调与包络检波邯郸学院邯郸学院