1、通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院第2章 模擬調制系統通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院本章學習要求：了解：調制的功能與分類掌握：常規雙邊帶調制(AM)信號的時域表示 掌握：AM信號的頻域表示、功率和效率 掌握：AM的調制與解調 了解：抑制載波雙邊帶調制信號 了解：單邊帶調制（SSB）和殘留邊帶調制（VSB） 了解：非線性調制系統了解：窄帶頻率調制NBFM 寬帶調頻WBFM 了解：窄帶調相NBPM 寬帶調相WBPM 了解：模擬調制系統的抗噪聲性能 了解：線性調制系統的抗噪聲性能了解：非線性調制系統的抗噪聲性能通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信

2、息與自動化學院2.1 調制的功能及分類信道的概念：所有信號傳輸媒介的總稱，用來將信號從發送設備傳到接收設備。信道的分類：p 無線信道 電磁波（含光波）p 有線信道 電線、光纖地 面對流層平流層電離層10 km60 km0 km無線信道 信道的概念信道的概念通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院明線 對稱電纜：由許多對雙絞線組成導體絕緣層導體金屬編織網保護層實心介質同軸電纜信道有多種多樣，每種信道都只能傳輸某一類信號，怎么樣讓我們想傳輸的信號能夠在信道中高效、可靠的傳輸？通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院調制的概念所謂調制，就是把信號轉換成適合在信道中傳輸

3、的形式的一種過程。 具體的說，就是按照調制信號（基帶信號）的變化規律去改變高頻載波某些參數的過程。實質上是將調制信號的頻譜從某個頻率位置搬移到另一頻率位置上。調制信號 ：指來自信源的基帶信號。 載波 ：未受調制的周期性振蕩信號，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已調信號 ：載波受調制后稱為已調信號。解調（檢波） ：調制的逆過程，其作用是將已調信號中的調制信號恢復出來。 通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院2.1.1 調制的功能 把基帶信號調制到較高的頻率(一般調制到幾百kHz到幾百MHz甚至更高的頻率)，使天線容易輻射；便于頻率分配：為使無線電臺發出的信號互不干擾，每個發射

4、臺都被分配給不同的頻率；有利于實現信道多路復用，提高系統的傳輸有效性、 Internet技術的廣泛應用；可以減小噪聲和干擾的影響，提高系統的傳輸可靠性。 通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院2.1.2 調制的分類（1）根據調制信號分類 模擬調制：調制信號是模擬信號的調制；數字調制：調制信號是數字信號的調制。（2）根據載波分類 連續載波調制：以正弦信號作載波的調制；脈沖載波調制：以脈沖序列作載波的調制。載波信號是時間間隔均勻的矩形脈沖。 （3）根據調制器的功能分類 幅度調制一一調制信號改變載波信號的振幅參數，即利用的幅度變化來傳送的信息。如調幅(AM)、脈沖振幅調制(PAM)

5、和振幅鍵控(ASK)等。頻率調制一一調制信號改變載波信號的頻率參數，即利用的頻率變化來傳送的信息。如調頻(FM)、脈沖頻率調制(PFM)和頻率鍵控(FSK)等。相位調制一一調制信號改變載波信號的相位參數，即利用的相位變化來傳送的信息。如調相(PM)、脈沖位置調制(PPM)、相位鍵控(PSK)等。 通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院（4）根據調制前后信號的頻譜結構關系分類 線性調制一一輸出已調信號的頻譜和調制信號的頻譜之間呈線性關系，如(AM)、雙邊帶調制(DSB)、單邊帶調制(SSB)等。非線性調制一一輸出已調信號的頻譜和調制信號的頻譜之間沒有線性對應關系，即已調信號的頻

6、譜中含有與調制信號頻譜無線性對應關系的頻譜成分，如FM、FSK等。 通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院模擬通信系統模型 通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院2. 2 2. 2 線性調制系統線性調制系統 常規雙邊帶調制系統(AM) (1)常規雙邊帶調制(AM)信號的時域表示 設調制信號為f(t)，其平均值f(t)=0。f(t)疊加直流A0后對載波的幅度進行調制，就形成常規調幅信號。時間波形表達式時間波形表達式為：為： sAM(t)=AC A+f(t) cos( ct+ c ) 其中其中 c為載波信號的角頻率為載波信號的角頻率 c為載波信號的起始相位為載波

7、信號的起始相位通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院一、常規調幅一、常規調幅(AM)波形波形通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院一、常規調幅一、常規調幅調制波包絡無失真條件調制波包絡無失真條件A |f(t)|max時，SAM(t)的最小振幅總大于0，保證調幅波的包絡與調制信號變化規律一致A |f(t)|max時，會出現過調幅現象，若用包絡檢波進行解調，其結果就會失真通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院一、常規調幅（一、常規調幅（AM）調幅系數或調制度調幅系數或調制度 ma= ma1為過調幅為過調幅|f(t)|maxA通信原理通信原理電子

8、信息與自動化學院電子信息與自動化學院 令載波初相為0時，已調信號為：AM0c( )( ) cosstAf tt0cccos( )cosAtf tt0c0ccccc( )( )cos()()1( )cos()()2f tFAtAf ttFF )()()()(cccc0AM21FFAS頻域特性分析若有：則已調信號的頻譜為：載波幅度，已調信號的組成部分通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院 已調信號的頻譜圖：1. 形狀相同，位置搬移；2. AM信號含載波分量；3. AM 信號是雙邊帶信號，帶寬 BAM=2W=2fH4. 下邊帶是上邊帶的鏡像下邊帶上邊帶上邊帶載頻分量載頻分量通信原理

9、通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院（2）常規雙邊帶調制信號的頻域表示 常規雙邊帶調制信號的頻譜就是將調制信號的頻譜減小一半后分別搬移到以為中心處，且在處還各有一個強度為的沖擊分量，如圖所示。 )(F-m 0 m 0 (C-m) C (C+m) tAA(-C-m) -C (-C+m)(AMS通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院 調幅信號的平均功率為：2AMAM220c222220cc0c( )( )coscos( )cos2( ) cosPstAf ttAtfttA f tt0)(tf02cos2cos121cosccc2tttfc220AM22PPtfAP)(

10、功率特性分析常規調幅信號的功率由載波功率Pc和邊帶功率Pf組成；邊帶功率與調制信號有關，是有用功率：載波功率？因為通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院 調制效率：邊帶功率與總功率之比，即：fcfAMfAMPPPPP)()()(2121)(21222222tfAtftfAtf當 時，有： 此時：)cos(mmmtAtf)(22m( )2/ftA2a2a2m22m2m22mAM222121mmAAAAAA若 ，調制效率最大值為1/3。1am常規調幅調制效率低，載波分量不攜帶信息卻占用大部分功率！改進方案-抑制載波雙邊帶調制通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院

11、 復習：AM調制時間波形表達式時間波形表達式為：為：sAM(t)=AC A+f(t) cos( ct+ c )()()()(cccc0AM21FFAS頻域表達及頻譜頻域表達及頻譜為：為：AM調制信號的帶寬調制信號的帶寬為：為：BAM=(fc+fm)-(fc+fm) =2fm通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院復習：AM調制AM調制信號的功率調制信號的功率為：為：fc220AM22PPtfAP)( ma=ma1為過調幅|f(t)|maxA調幅系數或調制度為調幅系數或調制度為2a2afcfAMfAM2mmPPPPPAM調制信號的調制效率調制信號的調制效率為：為：若 ，調制效率最

12、大值為1/31am通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院2.2.2抑制載波雙邊帶調幅（DSB）常規雙邊帶調制的最大缺點就是調制效率低，其功率中的大部分都消耗在本身并不攜帶有用信息的直流分量上，如果將這個直流成分完全取消，則效率可以提高到100%，這種調制方式就是抑制載波雙邊帶調制，簡稱DSB。 直接用f(t)調制載波的幅度 DSB信號的表達式信號的表達式 雙邊帶信號的時間波形表達式： sDSB(t)= f(t) cos c t 相應的已調信號的頻譜表達式： SDSB( )= F( + c )+ F( - c ) /2通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院 抑

13、制載波雙邊帶調幅波形 抑制載波雙邊帶調幅頻譜反相點觀察并分析：v包絡v頻譜組成v帶寬v調制效率通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院l解調-AM（非相干和相干解調兩種方法）（1）直接采用包絡檢波法-用非線性器件和濾波器分離提取出調制信號的包絡，獲得所需的信息，也稱之為信號的非相干檢波，其原理框圖如圖（a）所示。（2）相干解調-通過相乘器將收到的信號與接收機產生的、與調制信號中的載波同頻同相的本地載波信號相乘，然后再經過低通濾波，即可恢復出原來的調制信號，如圖（b）所示。通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院l解調-AM（非相干和相干解調兩種方法）（1）非相干

14、解調（解調器可以是包絡檢波器）常規調幅信號（AM）一般采用非相干解調包絡檢波原理如下： 其中RC的取值范圍為： 檢波器的輸出為：mfRC1cf)()(tfAtsd通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院l解調非相干解調（解調器可以是包絡檢波器）常規調幅信號（AM）一般采用非相干解調包絡檢波原理如下： 其中RC的取值范圍為： 檢波器的輸出為：mfRC1cf)()(tfAtsd通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院l解調-DSB（僅能通過相干解調）相干解調：解調時所使用的載波與調制載波同頻同相。相干解調的關鍵：必須產生一個同頻同相的載波 表達式如下： 經低通后，得

15、到： 從而恢復了原有的調制信號。ttftfttfttscc2cDSB2cos2121coscos)()()()()()(tfts21d通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院DSB與AM信號的比較DSB的調制效率：100優點：節省了載波功率。缺點：不能用包絡檢波，需用相干檢波，較復雜。雙邊帶的上、下兩個邊帶有什么關系？ 一個邊帶攜帶了調制信號的全部信息。進一步改進：單邊帶調制 進一步節省載波功率和帶寬通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院（3）單邊帶調幅（SSB）用用濾波法濾波法形成單邊帶信號形成單邊帶信號 圖中圖中HSSB( )為單邊帶濾波器的傳遞函數為單邊

16、帶濾波器的傳遞函數僅利用一個邊帶傳輸信息的調制方式就是單邊帶調制，簡稱SSB通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院l 用濾波法形成單邊帶信號上邊帶和下邊帶濾波器的傳遞函數分別為：單邊帶信號的頻譜: FSSB()=FDSB()HSSB()cSSBUSBc1,| ( )( )0,| HHccLSBSSB 0 1|,|,)()(HH通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院l 用濾波法形成單邊帶信號（選學） 只有當f B時，濾波器方可實現f 濾波器從通帶到阻帶的過濾帶 B雙邊帶的上、下邊帶之間的一定的 頻率間隔通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院歸

17、一化值：反映濾波器衰減特性的陡峭程度其中：f 濾波器過濾帶， fc 單邊帶信號的載頻濾波器歸一化值：一般要求：10-3否則，濾波就難以實現。cff通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院 多級濾波法原理如下圖所示(僅了解)L12 fB 1cL1c2222fffB其中： ， 通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院l 用相移法形成單邊帶信號由雙邊帶信號的時域表達式得：l 單頻調制信號為 f(t)= Am cos m tl 載波為 c(t)= cos ct l 雙邊帶信號的時域表達式為 上邊帶下邊帶DSBmmc( )coscosstAtttAtA )cos(21 )

18、cos(21mcmmcm通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院l 用相移法形成單邊帶信號保留上邊帶的單邊帶調制信號：保留下邊帶的單邊帶調制信號：USBmcm1( )cos()2stAtttAttAcmmcmmsin sin2cos cos2LSBmcm1( )cos()2stAtmmmcmccos cossin sin22AAtttt通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院 相移法形成單邊帶信號原理如下圖所示。 SSB信號第一項為同相分量，第二項為正交分量。 若調制信號為非周期信號，則通過希爾伯特變換實現SSB信號的產生。通信原理通信原理電子信息與自動化學院電

19、子信息與自動化學院l 單邊帶信號的解調（相干解調）解調器由乘法器和低通濾波器組成，要求接收端的本地載波與發送端載波完全同步通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院 單邊帶信號的解調（相干解調）單邊帶信號的解調（相干解調）由于輸入信號為： 所以 經低通后輸出為：ttfttftsccSSBsincos)()()(ttfttftfttstscccSSBp2sin212cos2121cos)()()()()()()(tfts21d通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院單邊帶調制分析單邊帶調制分析性能分析 SSB信號的實現比AM、DSB要復雜，但SSB調制方式在傳輸信息

20、時，不僅可節省發射功率，而且它所占用的頻帶寬度比AM、DSB減少了一半。 它目前已成為短波通信中一種重要的調制方式。單邊帶調制節省帶寬和功率，實現困難雙邊帶調制容易實現，占用2倍帶寬折衷方案：在實現難度和占用帶寬中折衷 通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院（4）殘留邊帶調制（）殘留邊帶調制（VSB)殘留邊帶調制殘留邊帶調制：對單邊帶和雙邊帶調制進行折衷，即保留了一個邊帶的絕大部分和另一個邊帶的一小部分。優點優點：避免實現上的困難代價代價：輸出帶寬介于SSB和 DSB信號的帶寬之間。通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院（4）殘留邊帶調制（）殘留邊帶調制（V

21、SB)殘留邊帶信號的產生殘留邊帶信號的產生（采用濾波法）時域表達式時域表達式： sVSB(t)=sDSB(t)*hVSB(t)頻域表達式頻域表達式： )()()()(ccVSBVSB21FFHS通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院（4）殘留邊帶調制（）殘留邊帶調制（VSB)（選講選講）殘留邊帶信號的解調（相干解調）殘留邊帶信號的解調（相干解調） 其輸出為： =為了相干解調時無失真的得到調制信號，殘留邊帶濾波器的傳遞函數在載頻分割處必須具備互補對稱特性)()()(tctstsdVSBpttscVSBcos)(通信原理通信

22、原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院 相干解調輸出信號的頻譜為：)()()(cVSBcVSBp21SSS)()2()(41)(ccVSBpFFHS)()()(ccVSB241FFH)()()(cVSBcVSB41HHF)()()()(ccVSBccVSB2241FHFH)()()()(cVSBcVSBd41HHFS)()()()(ccVSBVSB21FFHS 經低通后輸出整理合并，得通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院總總 結結通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院總結：各種線性調制的比較總結：各種線性調制的比較AM調制調制 優點優點：解調簡單，采

23、用包絡檢波器 缺點缺點：調制效率較低，傳輸帶寬較寬 應用應用：廣泛用于公共無線電廣播DSB調制調制 優點：優點：功率利用率高 缺點：缺點：帶寬仍較寬，設備較復雜，接收要求同步解調 應用：應用：常用于點對點專用通信，運用不廣泛通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院總結：各種線性調制的比較總結：各種線性調制的比較SSB調制調制 優點優點： 功率和頻帶利用率都較高 缺點缺點： 設備復雜，接收要求有同頻同相的相干載波 應用應用： 廣泛用于短波遠距離通信、大容量有線載波通信通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院總結：各種線性調制的比較總結：各種線性調制的比較VSB調制

24、調制 優點：優點： 基本性能接近SSB，邊帶濾波器較SSB邊帶濾波器容易實現。 缺點：缺點： 解調要求有同頻同相的相干載波 應用：應用： 廣播電視的視頻調制 改進：改進： 若發送時同時發送載頻，接收可采用包絡檢波，簡化接收機的電路。通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院23 非線性調制系統非線性調制系統231 一般概念 1、調制利用高頻載波的三個參數（幅度、頻率、 相位）之一攜帶調制信號的信息。2、線性調制使載波的幅度隨調制信號發生線性變化。3、非線性調制載波的瞬時頻率或相位隨調制信號線性變化，即控制載波的瞬時頻率或相位變化，其變化 的周期由的頻率決定，而幅度則保持不變的調制

25、。 根據控制的是載波的角頻率還是相位：頻率調制(Frequency Modulation)簡稱調頻，記為FM；相位調制（Phase Modulation），簡稱調相，記為PM。2008.8copyright 南航信息科學與技術學院48非線性調制m (f )sm (f )頻譜之間沒有線性對應關系通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院PM與與 FM的關系的關系 1.PM的相位偏移隨調制信號m(t)線性變化，FM的相位偏移隨m(t)的積分呈線性變化。 2.如果不知道調制信號m(t)，則無法從已調信號判斷是調相信號還是調頻信號。

26、 ( )costFMcFMstAtKmd( )cos( )PMcPMstAtKm t通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院232 頻率調制頻率調制(FM)21、依據瞬時相位偏移是否遠小于0.5或 ,可劃分為:窄帶調頻（NBFM）寬帶調頻（WBFM）依據的數學表示式為： 或0.5，調頻為窄帶調頻；否則為寬帶調頻。2.3.2.1 2.3.2.1 窄帶頻率調制窄帶頻率調制NBFMNBFM1、時域表達式為：2、窄帶調頻信號的頻譜為： xcvxcvxc)(cos)(dttfKtAtsFMcFMtdttfAKtAtscFMcNBFMsin)(cos)()()(2)()()(ccccFMc

27、cNBFMFFAKAS通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院a）、（b）、（c）分別為調制信號 、常規雙邊帶調制信號 和窄帶調頻信號 的頻譜。)(tsAM)(tsNBFM單頻調制時的常規調幅和窄帶調頻信號頻譜 通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院

28、電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子

29、信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院2.3.2.2 寬帶調頻寬帶調頻WBFM1、單頻信號調制下的寬帶調頻信號其中 稱為第一類n階貝塞爾函數 。2、單頻調制時寬帶調頻信號的頻譜為：3 、由于調頻信號只改變載波的頻率疏密程度，而不改變其幅度，故調頻前后信號的總功率不變

30、，只是由調頻前的信號功率全部分在載波上改為調頻后分配在載頻和各次邊頻分量上。 nmcFMnFMtnJAts)cos()()()(FMnJ)()()()(mcmcFMnFMnnJAS通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院4、產生調頻信號(1)(1)直接調頻法直接調頻法 用調制信號直接控制高頻振蕩器的元件參數用調制信號直接控制高頻振蕩器的元件參數( (一般都是電感或一般都是電感或者電容者電容) )，使其振蕩頻率隨著而變化。，使其振蕩頻率隨著而變化。 最常用的變容二極管調頻電路，就是利用變容二極管的容量隨最常用的變容二極管調頻電路，就是利用變容二極管的容量隨外加電壓變化而改變的特性

31、來改變輸出振蕩頻率的。外加電壓變化而改變的特性來改變輸出振蕩頻率的。 (2)(2)間接調頻法間接調頻法間接調頻則是通過調相電路來產生調頻信號的。間接調頻則是通過調相電路來產生調頻信號的。通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院2008.8copyright 南航信息科學與技術學院78FM與與PM之間的聯系之間的聯系 （a）直接調頻 （b）間接調頻 (c) 直接調相 (d) 間接調相適用于寬帶調制 適用于寬帶調制 適用于窄帶調制 實際相位調制器的調制范圍有限 通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院(1)最簡單的非相干解調就是鑒頻 (2)相干解調方式 5、調頻信號的解調可以采用相干解調和非相干解調 通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院233 相位調制相位調制(PM)調相有寬帶調相和窄帶調相之分。它的劃分依據是：當時， 為窄帶調相 .2331 窄帶調相NBPM1、窄帶調相的表達式為：2、窄帶調相的頻譜為： 6)(maxtfKPMttfAKtAtscPMcNBPMsin)(cos)()()(2)()()(ccFMccNBPMFFjAKAS通信原理通信原理電子信息與自動化學院電子信息與自動化學院2 23 33 32 2 寬帶調相寬帶調相