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第 5 章 模拟调制系统

第 5 章 模拟调制系统. 5.1 幅度调制（线性调制）的原理 5.2 线性调制系统的抗噪声性能 5.3 非线性调制（角度调制）的原理 5.4 调频系统的抗噪声性能 5.5 各种模拟调制系统的比较 5.6 频分复用和调频立体声. 概述.

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第 5 章 模拟调制系统

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  1. 第5章 模拟调制系统 5.1 幅度调制（线性调制）的原理 5.2 线性调制系统的抗噪声性能 5.3 非线性调制（角度调制）的原理 5.4 调频系统的抗噪声性能 5.5 各种模拟调制系统的比较 5.6 频分复用和调频立体声

  2. 概述 模拟调制技术在20世纪曾有较大应用，如军事通信、短波通信、微波中继、模拟移动通信、模拟调频广播和模拟调幅广播等。虽然现在通信的发展趋势为数字化，但不能完全代替模拟技术，而且模拟技术是通信理论的基础。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。

  3. 1846年,即在人类用电线传送信号的初期,开始铺设一条海底电缆,施工之前设计者已经预计到,信号经过电缆时，由于信道衰减会变得弱一些，导线越长,这种衰减就越大。因此，加大发射功率，提高接收机的灵敏度就可以解决这个问题。但是完工之后，接收机的工作完全不象人们预想的那样，接收到的是和发送信号完全不相关的波形，这个问题当时对人们来说,确实是一个谜。1846年,即在人类用电线传送信号的初期,开始铺设一条海底电缆,施工之前设计者已经预计到,信号经过电缆时，由于信道衰减会变得弱一些，导线越长,这种衰减就越大。因此，加大发射功率，提高接收机的灵敏度就可以解决这个问题。但是完工之后，接收机的工作完全不象人们预想的那样，接收到的是和发送信号完全不相关的波形，这个问题当时对人们来说,确实是一个谜。

  4. 10年之后，也就是1856年，凯尔文(Kelven)用微分方程解决了这个问题，他阐明了这实际上是一个频率特性的问题。频率较低的成分可以通过信道，而频率高的成分则被衰减掉了。从此,人们开始认识到，信道具有一定的频率特性，并不是信号中所有的频率成分都能通过信道进行传输，而且这时人们也将注意力转移到了怎样才能有效地在信道中传输信号而不导致出现频率失真，同时也提出问题，就是怎样才能节约信道,这就导致了调制技术的出现。10年之后，也就是1856年，凯尔文(Kelven)用微分方程解决了这个问题，他阐明了这实际上是一个频率特性的问题。频率较低的成分可以通过信道，而频率高的成分则被衰减掉了。从此,人们开始认识到，信道具有一定的频率特性，并不是信号中所有的频率成分都能通过信道进行传输，而且这时人们也将注意力转移到了怎样才能有效地在信道中传输信号而不导致出现频率失真，同时也提出问题，就是怎样才能节约信道,这就导致了调制技术的出现。

  5. 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，这一变换过程称为调制。通常把原始信号称为调制信号，也称基带信号；被调制的高频周期性脉冲或正弦信号起运载原始信号的作用，因此称载波。调制实现了信源的频谱与信道的频带匹配。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，这一变换过程称为调制。通常把原始信号称为调制信号，也称基带信号；被调制的高频周期性脉冲或正弦信号起运载原始信号的作用，因此称载波。调制实现了信源的频谱与信道的频带匹配。 载波调制：按照调制信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。

  6. 模拟调制：是指用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波。在此我们使用的载波是余弦波，表示式为：模拟调制：是指用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波。在此我们使用的载波是余弦波，表示式为： 载波的结果是使载波的某个参量随信号而变，或者说是用载波的某个参量值代表自信源来的信号的值。

  7. 调制的目的： • 第一，通过调制可以把基带调制信号的频谱搬移到载波频率附近，这就将基带信号变换为带通信号。选择不同的载波频率，就可以将信号的频谱搬移到希望的频段上，这样的频谱搬移或者是为了适应信道传输的要求，或者是为了将多个信号合并起来用做多路传输。 • 第二，通过调制可以提高信号通过信道传输时的抗干扰能力。 • 第三，调制不仅影响抗干扰能力，还和传输效率有关。具体地说就是不同调制方式产生的已调信号的带宽不同，因此影响传输带宽的利用率。

  8. 一、调制的功能主要有以下三个方面。1、频率变换：为了采用无线传送方式，如将（0.3~3.4KHz）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。一、调制的功能主要有以下三个方面。1、频率变换：为了采用无线传送方式，如将（0.3~3.4KHz）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。

  9. 调制信号 m(t) 已调信号 s(t) 调制器 c(t) 调制器 二、调制的分类调制器模型如图所示。 其中：m(t)：源信号，通常用于调制载波c(t)的幅度、频率、相位，也称为调制信号；c(t)：载波信号；s(t)：已调信号，可能是调幅信号，也可能是调频信号等。

  10. 从不同的角度，调制方法可以从以下几个角度进行分类。 1、 按信号m(t)的不同分：　　模拟调制，特点：m(t) 是模拟信号。　　数字调制，特点：m(t) 是数字信号。2、按载波信号c(t)不同分：　　连续波调制，特点：c(t) 连续，如 c(t)=cosω0t；　　脉冲调制，特点：c(t) 为脉冲，如周期矩形脉冲序列。

  11. 3、 按调制器功能的功能分：　　幅度调制，特点：用: m(t)改变c(t)的幅度，如AM，DSB，SSB，VSB。　　　频率调制，特点：用: m(t)改变c(t)的频率，如FM。　　相位调制，特点：用: m(t)改变c(t)的相位，如PM。4、按调制器传输函数来分：　　线性调制，特点：调制前、后的频谱呈线性搬移关系。　　非线性调制，特点除上述关系外，调制后还产生许多新的频率成份。

  12. 调制 信号 m(t) 已调 信号 s(t) S’(t) H(f) Acosw0t 线性调制器的原理模型 5.1 幅度调制/线性调制的原理 设载波为 调制信号为 已调信号为

  13. M(f) S’(t) f f 0 -f0 f0 0 (a) 输入信号频谱密度 (b) 输出信号频谱密度 相乘器输入信号和输出信号的频谱密度

  14. 利用模型中H(f)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。利用模型中H(f)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。

  15. 5.1.1、振幅调制(AM) AM调制的收音机的原理如下 可见是高频振荡信号把语音信号载走的， 所以称高频振荡信号为载波。

  16. 载波和调制有密切的关系，在这里可以把信号比做纸，载波比做石头，不管用多大的力量很难把一张纸扔很远，但是如果用纸包住石头，这样，纸就可以扔的很远。在上图中的AM调制传输系统中，基带信号通过调制载波信号，即基带信号依附在载波信号上面，这样基带信号就可以实现远距离的传输。 这里仅仅是定性地分析了调制、解调过程，定量分析包含以下几个方面的内容。（1） 信号的时间表达式和时间波形；（2） 频谱表达式和频谱图；（3） 功率分配；（4） 解调方式；（5） 抗噪声性能。

  17. 1、AM信号的时域表达式及波形 设调制信号m(t)包含直流分量，其表示式为[A0+ m(t)] ，其中m(t) 为调制信号中的交流分量，且|m(t) |max ≤ A0。 |m(t) |的最大值称为调幅度m，并且有|m| ≤ A0。这样： （5.1-4） 1）、AM调制数学模型由标准调幅的定义可以得出实现标准调幅的模型，如图5-1所示。

  18. m(t) s(t) A0 c(t) 图5-1 标准调幅模型 2）、数学表达式由实现标准调幅的模型可以得出标准调幅信号的时域表示 这里令载波初始相位为零。

  19. 3)、时域波形公式(5.1-4)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。由AM信号的时域表达式不难看出，AM 信号的波形为幅度随m(t)变化的余弦波形，如图5-2所示。

  20. A0+m(t) M(f) f 0 -fm fm t 0 C(f) c (t) f t -f0 0 f0 0 s (t) S(f) t f 0 -f0 0 f0 2fm 2fm 图5-2调幅信号的波形和频谱

  21. 1+m(t) m(t) M(f) 1 t f fm 0  C(f) c(t) A f t f0 -f0 -A s(t)  f t S (f)  f0 -f0 2fm 2fm

  22. 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： 如果直流分量不够大，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，无法无失真地恢复消息信号m(t)。此时已调信号的包络与调制信号之间已无线性关系变化可言，包络与调制信号相比，出现了严重的失真，标准调幅中我们不希望出现这种现象，通常我们称这种现象为过调。

  23. AM信号的功率利用率 • 在100%调制时，调制效率最大，为1/3。 • 当m(t)为余弦波， • 且m＝100％时， • 两边带功率之和 ＝ 载波功率之半。

  24. M(f) f 0 下边带 上边带 上边带 S’(f) f -f0 0 f0 5.1.2 双边带（DSB）调制 一、DSB信号的时域表达式及波形由于AM信号在传输信息的同时，也同时传递载波，致使传输效率太低，造成功率浪费。既然AM系统的载波并不携带信息，所以不发送载波仍能传输信号，此时称为双边带调幅，即双边带调制。

  25. m(t) S’(t) c(t)=cosω0t 双边带调幅信号的实现模型如图所示。 由模型可得DSB的时域表达为 可见双边带调幅信号的时域表示式是标准调幅信号表示式中直流分量为零是的一种特例。由式（5.1-11）可见，DSB信号的波形是一幅度随信号m(t)变化的波形，如图5-3所示。

  26. c(t) t m(t) t m(t)*c(t) t

  27. M(f) 上边带 上边带 下边带 f 0 (b) 已调信号频谱密度 (a) 调制信号频谱密度 图5-3 双边带调制信号的频谱 S(f) f -f0 0 f0

  28. 二、DSB信号的频域表达式及频谱图对公式（5.1-11）进行傅立叶变换，可得DSB信号的频域表示式如下。二、DSB信号的频域表达式及频谱图对公式（5.1-11）进行傅立叶变换，可得DSB信号的频域表示式如下。 可见双边带信号的频谱仅包含了位于载频两侧的上、下边带，在载频处已无载波分量，这就是抑制载波的效果。 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。

  29. 如果调制信号为单频余弦信号，则DSB信号的波形及频谱如图所示。如果调制信号为单频余弦信号，则DSB信号的波形及频谱如图所示。

  30. 5.1.3单边带（SSB）调制 一、 SSB的一般概念及基础知识AM、DSB的共同缺点：所需传输的带宽是基带信号的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。

  31. 下边带 上边带 S’(f) 上边带 f -f0 0 f0 下边带 S (f) f -f0 0 f0 上边带 S (f) 上边带 f -f0 0 f0 1、 SSB概念概念：只传送一个边带的调制方式称为单边带调制。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，而在时域很难想象。

  32. 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f(t)。2）、变化公式希尔波特变换在时间域的数学描述如下： 而在频率域中的数学描述为

  33. 3）、希尔波特变换的方法有两个途径：(1) 从定义式；(2) 在频率域中求解F(ω)，再求反变换得f(t)。 几个常用的希尔波特变换对如下表所示。

  34. 4）、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。

  35. 5）、Hilterb变换的用途：（1）、在单边带调制中，用来实现相位选择，以产生单边带信号；（2）、给出最小相移网络的幅频特性和相频特性之间的关系；（3）、为带通信号的表示提供了基础。5）、Hilterb变换的用途：（1）、在单边带调制中，用来实现相位选择，以产生单边带信号；（2）、给出最小相移网络的幅频特性和相频特性之间的关系；（3）、为带通信号的表示提供了基础。

  36. 图5-4 二、SSB信号的时域表达式及频谱有了希尔波特变换这个工具，就可以方便的得出SSB的时间表示式。1、模型SSB产生的思路：用乘法器产生一个双边带信号，然后滤掉其中的一个边带就可以产生SSB信号(以下边带为例)，如图5-4所示：

  37. 2、SSB信号的频谱若产生一个下边带信号，h(t)一定是一个LPF。LPF特性如图所示。2、SSB信号的频谱若产生一个下边带信号，h(t)一定是一个LPF。LPF特性如图所示。

  38. 3、SSB信号的时域表达式

  39. 因为SSB(t)中的系数对SSB的频谱结构并不发生影响，所以改变它并不会改变SSB频谱的结构。因此为了书写方便，可将该系数改写为1。这样SSB的时间表达式为因为SSB(t)中的系数对SSB的频谱结构并不发生影响，所以改变它并不会改变SSB频谱的结构。因此为了书写方便，可将该系数改写为1。这样SSB的时间表达式为 但是单音信号的SSB调制情况除外。 例题：设调制信号m(t)为一单音余弦波m(t)＝Amcosωm t，求经单边带调制后的时间表达式及时间波形、频谱表达式及频谱图。解:：（1）

  40. 上边带：SSSB (t)＝Amcos(ωc +ωm )t下边带：SSSB (t)＝Amcos(ωc -ωm )t（2）由表达式可见，无论取上边带还是取下边带， 已调的SSB信号都是单频余弦波，只是频率不同而已。

  41. 其时间波形： （3）求出其频谱:上边带：SSSB (ω)＝Aπ[δ(ω-ωc -ωm )+δ(ω+ωc +ωm )]下边带：SSSB (ω)＝Aπ[δ(ω-ωc +ωm )+δ(ω+ωc -ωm )]

  42. （4）SSSB(ω)波形如下：

  43. 三、SSB信号的产生产生SSB信号的方法 (1)滤波法(2)相移法(3)混合法 1、滤波法（频率区分法）模型如图4.4-4所示。问题：LPF、HPF需要理想的形式，但是实际上是做不到的，过渡带不可能是0。解决方法：采用多级调制。例如采用二级调制的过程，调制系统框图如图4.4-5所示。

  44. 工作原理：当频率较低的时候，滤波器具有陡峭的频率，因此H1是一个截止频率点较低的低通或高通滤波器。H2是一个带通滤波器，通常截止频率点选得较高。二次调制的调制频率需满足：ω1+ω2=ωc。工作原理：当频率较低的时候，滤波器具有陡峭的频率，因此H1是一个截止频率点较低的低通或高通滤波器。H2是一个带通滤波器，通常截止频率点选得较高。二次调制的调制频率需满足：ω1+ω2=ωc。

  45. 5-6 2、移项法移相法产生SSB信号的过程，就是模仿SSB信号的时域表达式构成的模型，如图5-6所示。

  46. 图中：为相移网络；cosωct 经过相移网络后，输出为sinωctm(t) 经过相移网络后，将所有的频率成份移相-π/2，实际上是一个Hilbert Filter（也可以用一个宽带相移网络来代替。） 3、混合法由于电路较为复杂，因此用途并不广泛。

  47. sm(t) sm(t) 带通 滤波器 mo(t) 解调器 ni(t) no(t) n(t) 5.2线性调制系统的抗噪声性能 解调器抗噪声性能分析模型

  48. sm(t) mo(t) sm(t) BPF LPF ni(t) no(t) coswct n(t) DSB调制系统的性能：

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