第四章模拟调制系统 41引言 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。 1846年,即在人类用电线传送信号的初期,开始敷设一条海底电缆,施工之前设计者己经预计到,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得那样,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,确实室一个谜。 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 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,因此需要经过调治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, 调制的功能 主要有以 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。 二、调制的分类 调制器模型如图4.1-1所示。 h (t) 图41-1调制系统模型
第四章 模拟调制系统 4.1 引言 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。 1846 年,即在人类用电线传送信号的初期,开始敷设一条海底电缆,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得那样，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,确实室一个谜。 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。 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，因此需要经过调治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。 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。 二、调制的分类 调制器模型如图 4.1-1 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,也成为调制信号 C(t):载波信号 Sm(t):已调信号,可能是调幅信号,也可能是调频信号等 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)是连续信号。 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)= cos act 冲调制,特点:c(t)为脉冲,如周期矩形脉冲序列。 3、按调制器功能的功能分: 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 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,特点无上述关系,且调制后产生许多新成份 第四章模拟调制系统 42标准调幅(AM)(1) 幅度调制的一般概念 1、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 2、时间表达式 若载波信号为 (t)=Ko cos(at+ oo) (421) 则调制后的信号为 SAM(t)=kom(e)cos(a t+o) (42-2) 其中 KO为常数:有时为了分析方便,令其为1: c为载波角频率 d0为载波相位:有时为了分析方便,令其为0 m(t)为消息信号,即基带信号,也称为调制信号。 SM(t)为已调信号 若消息信号的频谱为M(ω),则已调信号的频谱为 由上两式可见,幅度调制后的已调信号,在时间波形上,波的幅度随调制信号成线性变化,在频谱结构上, 频谱已从基带域搬移到其他一个频域,而且他的频谱结构完全是基带
其中： m(t)：源信号，通常用于调制载波 c(t)的幅度，频率、相位，也成为调制信号； C(t)：载波信号； Sm(t)：已调信号，可能是调幅信号，也可能是调频信号等。 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) 是连续信号。 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)=cosωct； 脉冲调制，特点：c(t) 为脉冲，如周期矩形脉冲序列。 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，特点无上述关系，且调制后产生许多新成份。 第四章 模拟调制系统 4.2 标准调幅（AM）（１） 一、 幅度调制的一般概念 1、 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。 2、 时间表达式 若载波信号为 则调制后的信号为 其中： K0 为常数；有时为了分析方便，令其为 1； ωc 为载波角频率； φ0 为载波相位；有时为了分析方便，令其为 0； m(t)为消息信号，即基带信号，也称为调制信号。 SAM（t）为已调信号。 若消息信号的频谱为 M(ω)，则已调信号的频谱为： 由上两式可见，幅度调制后的已调信号，在时间波形上，波的幅度随调制信号成线性变化，在频谱结构上， 频谱已从基带域搬移到其他一个频域，而且他的频谱结构完全是基带
(0-2M(-a)+M(a+)x (4.2.3) 信号频谱在频域内的简 单的搬移,由于这种搬移是线性的,因此幅度调制又称线性调制,但应注意,线性调制并不是线性变换, 而是一种非线性过程 3、线性调制的分类 )、线性调制模 由式(4.2-3)可以得出线性调制的一般方法,其模型如图4.2-1所示。 十(t 图4.2-1线性调制框图 的电脑 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 为了分析方便,另调制信号的幅度为1,相位为0。这样不仅使书写表达式变得简捷,而且有不影响已调信 号的时域及频域分析。此时已调信号的时域和频域信号表达式如下 时域 m()=m()cos(an2)*点()(424) 频城 M(a+a)小H(a)(42.5 4)、区分方法:H(ω)的特性 标准调幅 AM调制的收音机的原理如下
信号频谱在频域内的简 单的搬移，由于这种搬移是线性的, 因此幅度调制又称线性调制，但应注意，线性调制并不是线性变换， 而是一种非线性过程。 3、 线性调制的分类 1）、线性调制模型 由式(4.2-3)可以得出线性调制的一般方法，其模型如图 4.2-1 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 为了分析方便，另调制信号的幅度为 1，相位为 0。这样不仅使书写表达式变得简捷，而且有不影响已调信 号的时域及频域分析。此时已调信号的时域和频域信号表达式如下。 时域： 二、 标准调幅 AM 调制的收音机的原理如下
放大器 放大器 检波 放大器 声音 放大器 调制 调制 振荡器 解调 图422AM调制次音机原理框图 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 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,指就可以扔的很远。在图4.2-2中的MM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 图4.2-2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 1、NM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A0,总的输入信号 为A+m(t),而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)、M调制数学模型 m(t) 由标准调幅的定义可以得出实现标准调幅的模型,如图4.2-3所示。 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 Sc()=[A+m()o(a2)(426 图4.2-3标准调幅的模型 这里令载波相位为零。 3)、时域波形 公式(4.2-6)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M信号的时域表达式不难看出,NM信号的波形为幅度随变化的余弦波形,如图4.2-4所示
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。 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，指就可以扔的很远。在图 4.2-2 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。 图 4.2-2 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。 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 A0，总的输入信号 为 A+m(t)，而 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 由标准调幅的定义可以得出实现标准调幅的模型，如图 4.2-3 所示。 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 这里令载波相位为零。 3)、时域波形 公式(4.2-6)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变化的余弦波形，如图 4.2-4 所示
4)、线性调幅的条件 由波形图知MM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,如图4.2-4(c)所示。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 保证不过调的条件为: A+m()20 即A02-m() 般情况下,消息信号是双极性信号,此时有 max(m(o))=bmin(m(o)) 本文未完,请见42标准调幅(AM)(2) 第四章模拟调制系统 42标准调幅(AM)(2) 前接4.2标准调幅(AM)(2)
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，如图 4.2-4 ( c )所示。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。 保证不过调的条件为： 一般情况下，消息信号是双极性信号，此时有 本文未完，请见 4.2 标准调幅（AM）（2） 第四章 模拟调制系统 4.2 标准调幅（AM）（２） 前接 4.2 标准调幅（AM）（２）
所以线性调幅的条件为: Ao 2 /m(t) (4.2-7) 当不满足线性调幅条件时,将出现过调。 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 p()2 a 4 用调制指数来描述标准调幅的调制程度是很方便的。 否则出现过调。两种情况下的己调信号波形如图4.2-5所示。 一晅 H 回我的电脑 实际工程中,一般调制指数取(0.3~0.8) 2、M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
所以线性调幅的条件为： 当不满足线性调幅条件时，将出现过调。 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 用调制指数来描述标准调幅的调制程度是很方便的。 否则出现过调。两种情况下的已调信号波形如图 4.2-5 所示。 实际工程中，一般调制指数取（0.3～0.8）。 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
复习概念 信号频谱:就是指时域信号的付式变换。 r(e)=[A+m( cos( at) Acos(ot)+ mecos(o t) (42-9) 载波 DSB信号 AM(a)=z[s(a-a2)+B(a+a2)+-[M(a-a)+M(a+a)(4.2-10) AM信号的频谱图如图4.2-6所示。 SAMo) 图426AM信号频谱波形 特点:从调制后的频谱可见,消息信号的频谱经过M调制后形状未变,仅仅是幅度下降的一半,位置发生 了变换,搬移到了土ωc。带宽由原始消息信号的ωm变为2ω皿。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M已调信号的频谱中,高于ωc部分称为上边带(USB: Upper signal sideband),低于 部分称为下边带(LSB: Lower side-band)。事实上,任何一个边带足以表达消息信号的全部信息,显然 M传输有些浪费。 解决办法:采用单边带调制 3、M信号的功率分配 归一化功率概念:19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 (t)(42-11) 2+2m 式中 P=402载波功率不含消息信号 Pn(为信号的边带功率,携带信息 调制效率定义
复习概念 信号频谱：就是指时域信号的付式变换。 AM 信号的频谱图如图 4.2-6 所示。 特点：从调制后的频谱可见,消息信号的频谱经过 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±ωc。带宽由原始消息信号的 ωm 变为 2ωm。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 ωc 部分称为上边带（USB:Upper signal sideband），低于 ωc 部分称为下边带（LSB:Lower side-band）。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。 3、AM 信号的功率分配 归一化功率概念：1Ω 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:
边带功率 M总功率 (4.2-12) (t) Ao 显然AM<1 4、M信号的解调 解调:从已调信号中恢复信号的过程。 M解调方法:相干解调 非相干解调 1)、非相干解调(包络检波) aMt Ao+m(t) 包络检波框图如图4.2-7所示。其基本电路如图4.2-8所示。 包络检波器 检波电路工作原理如下 图42-7包络检波框图 输入信号正向时,二极管导通,电容C充电,速度快, 输入信号负向时,二极管截止,电容C放电,速度慢 总的来讲,就是用电容器的充放电过程来跟踪SM(t)包络的变化。经 过包络检波后的输出为A0+m(t),隔掉直流后,即可恢复m(t)。 注意:要适当选取放电时间常数,RC过小,Sd(t)出现"锯齿现象 要适当选取充电时间常数,RiC过大,Sd(t)不能很好地跟踪包络变 图428包络检波基本电路 2)、相干解调 与DSB的相干解调相同,在DSB中介绍。 5、M系统的特点及其应用 优点:解调方便(包络检波), 缺点:站用频带宽,(消息信号的两倍),调制效率低(发射功率大) 应用:广播。 第四章模拟调制系统 4.3双边带调幅(DSB)(1)
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） 包络检波框图如图 4.2-7 所示。其基本电路如图 4.2-8 所示。 检波电路工作原理如下： 输入信号正向时，二极管导通，电容 C 充电，速度快， 输入信号负向时，二极管截止，电容 C 放电，速度慢。 总的来讲，就是用电容器的充放电过程来跟踪 SAM（t）包络的变化。经 过包络检波后的输出为 A0+m(t)，隔掉直流后，即可恢复 m(t)。 注意：要适当选取放电时间常数，RC 过小，S d（t）出现"锯齿现象； 要适当选取充电时间常数，RiC 过大，S d（t）不能很好地跟踪包络变 化。 2）、相干解调 与 DSB 的相干解调相同，在 DSB 中介绍。 5、AM 系统的特点及其应用 优点：解调方便（包络检波）， 缺点：站用频带宽，（消息信号的两倍），调制效率低（发射功率大） 应用：广播。 第四章 模拟调制系统 4.3 双边带调幅（DSB）（１）
、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 双边带调幅信号的实现模型如图431所示。 模型可得DSB的时域表达为 Spsa(E)=m(t)cos act (4.3-1) 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(43-1)可见,DSB信号的波形是一幅度 随信号m(t)变化的波形,如图4.3-2所示
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。 双边带调幅信号的实现模型如图 4.3-1 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（4.3-1）可见，DSB 信号的波形是一幅度 随信号 m(t)变化的波形，如图 4.3-2 所示
叩 完毕 巴我的电脑