第2章模擬調制技術

1、2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理第第2 2章章 模擬調制技術模擬調制技術模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 第第2章章 模擬調制技術模擬調制技術 本章重點討論用取值連續(xù)的調制信號去控制正本章重點討論用取值連續(xù)的調制信號去控制正弦載波的參數(shù)（幅度、頻率或相位）的模擬調制弦載波的參數(shù)（幅度、頻率或相位）的模擬調制（分為幅度調制和角度調制）。（分為幅度調制和角度調制）。主要內容有：主要內容有：v各種已調信號的時域表達式、各種已調信號的時域表達式、v調制與解調的原理、性能特點。調制與解調的原理、性能特點。2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理模擬調制概述模擬調制概述雙邊帶調制（雙邊帶調制（DSBD

2、SB）單邊帶調制（單邊帶調制（SSBSSB）殘留邊帶調制（殘留邊帶調制（VSBVSB）2.6 2.6 角度調制（非線性調制）角度調制（非線性調制）2.7 2.7 一、基本概念 1. 1. 基帶信號基帶信號 從信源輸出的信號通常是低通型信號，即該信號的頻譜特征是從0（或接近0）的頻率到某一截止頻率fm，低通型信號又稱為基帶信號，也稱為調制信號。如語音信號。2. 2. 頻帶信號頻帶信號 調制以后的信號稱為頻帶信號或已調信號，是 基帶信號對載波進行調制后產(chǎn)生的信號。頻帶信號大多數(shù)情況下均為窄帶信號。2.1 模擬調制概述模擬調制概述【注】窄帶信號：若信號能量集中在0附近，帶寬為，當0時，稱為窄帶信號。

3、2.1 模擬調制概述模擬調制概述信號頻率：信號頻率：信號每秒鐘變化的次數(shù)叫頻率，用赫茲信號每秒鐘變化的次數(shù)叫頻率，用赫茲（Hz）作單位，信號的頻率有高有低，低頻到高頻的范）作單位，信號的頻率有高有低，低頻到高頻的范圍叫信號頻帶。圍叫信號頻帶。信號帶寬：信號帶寬：信號自身所占最高頻率與最低頻率之差，用信號自身所占最高頻率與最低頻率之差，用B來表示，單位來表示，單位Hz。信道頻帶：信道頻帶：信道允許傳送的信號的最高頻率與最低頻率信道允許傳送的信號的最高頻率與最低頻率之間的頻率范圍之間的頻率范圍。v 如：如： 微波的工作頻率范圍為微波的工作頻率范圍為300MHz300GHz，v 電話雙絞線的工作頻率

4、范圍在電話雙絞線的工作頻率范圍在0到數(shù)百千到數(shù)百千Hz。信道帶寬：信道帶寬：信道能傳送的信號的最高頻率與最低頻率之信道能傳送的信號的最高頻率與最低頻率之差，用差，用B來表示，單位來表示，單位Hz。 【注意】【注意】只有只有信號的頻帶在信道的頻帶允許信號的頻帶在信道的頻帶允許范圍內，才能夠在信道中傳輸。范圍內，才能夠在信道中傳輸。 大部分需傳送的信號都位于較低的頻帶上，大部分需傳送的信號都位于較低的頻帶上，而傳輸信道（如電纜、光纜等）的適用傳輸頻率，而傳輸信道（如電纜、光纜等）的適用傳輸頻率，一般都位于高頻范圍。因此，需一般都位于高頻范圍。因此，需調制調制解決二者的解決二者的不匹配。不匹配。2.

5、1 模擬調制概述模擬調制概述一、基本概念一、基本概念 3.調制調制 把信號頻譜搬移到較高頻率范圍以適應信道頻率傳輸特把信號頻譜搬移到較高頻率范圍以適應信道頻率傳輸特性的過程。性的過程。 4.載波載波 作為基準信號的正弦信號或脈沖串或數(shù)字信號。作為基準信號的正弦信號或脈沖串或數(shù)字信號。 5.載波調制載波調制按基帶信號的變化規(guī)律改變載波某些參數(shù)的過程。按基帶信號的變化規(guī)律改變載波某些參數(shù)的過程。6.模擬調制模擬調制 又稱連續(xù)調制，調制信號的取值是連續(xù)的。又稱連續(xù)調制，調制信號的取值是連續(xù)的。7.數(shù)字調制數(shù)字調制 調制信號的取值是離散的，如調制信號的取值是離散的，如PCM脈沖編碼調制。脈沖編碼調制。

6、8.線性調制線性調制 已調信號的頻譜是調制信號的水平搬移及線性變換。已調信號的頻譜是調制信號的水平搬移及線性變換。9.非線性調制非線性調制 已調信號的頻譜將產(chǎn)生頻譜的非線性變換，會有新的頻率已調信號的頻譜將產(chǎn)生頻譜的非線性變換，會有新的頻率分量產(chǎn)生。分量產(chǎn)生。2.1 模擬調制概述模擬調制概述二、模擬調制的目的二、模擬調制的目的1 1、信道傳輸頻率特征的需要。信道傳輸頻率特征的需要。2 2、實現(xiàn)信道復用。、實現(xiàn)信道復用。3 3、改善系統(tǒng)的抗噪聲性能，或通過調制來提高系統(tǒng)頻帶、改善系統(tǒng)的抗噪聲性能，或通過調制來提高系統(tǒng)頻帶利用率。采用不同的調制技術對系統(tǒng)性能將產(chǎn)生很大的利用率。采用不同的調制技術對

7、系統(tǒng)性能將產(chǎn)生很大的影響。影響。2.1 2.1 模擬調制概述模擬調制概述2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理三、三、調制模型調制模型載波信號的三要素：載波信號的三要素： 振幅、頻率、相位振幅、頻率、相位2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理調調制制技技術術模擬調制模擬調制( (連續(xù)調制連續(xù)調制) )數(shù)字調制數(shù)字調制線性調制線性調制( (幅度調制幅度調制) )非線性調制非線性調制( (角度調制角度調制) )DSBDSB：抑止載波雙邊帶調幅：抑止載波雙邊帶調幅AMAM：常規(guī)雙邊帶調幅：常規(guī)雙邊帶調幅SSBSSB：單邊帶調制：單邊帶調制VSBVSB：殘留邊帶調制：殘留邊帶調制FMFM：頻率調制：頻

8、率調制PMPM：相位調制：相位調制PCMPCM：脈沖編碼調制：脈沖編碼調制數(shù)字載波調制數(shù)字載波調制( (鍵控系統(tǒng)鍵控系統(tǒng)) )2ASK2ASK、2PSK2PSK等等多進制鍵控系統(tǒng)多進制鍵控系統(tǒng)改進型數(shù)字調制改進型數(shù)字調制四、四、調制分類調制分類2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理 AM AM調制調制又稱為又稱為。AMAM（Amplitude Amplitude modulationmodulation）中）中的調制信號必須包含一定的的調制信號必須包含一定的直直流分量流分量。 設設AMAM的的基帶基帶信號：信號：設設載波載波信號為：信號為： max00)()()(tfAtfAtS 且且tc c

9、os2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理 則當基帶信號通過調制后，得到則當基帶信號通過調制后，得到AMAM信號為：信號為：ttfAttStSccAMcos)(cos)()(0振幅調制振幅調制調制信號調制信號已調已調信號信號tt0t0cF()C()cHHcc000SAM()sA M(t)(Af (t) c(t)Af (t)c(t)2H(a) 載 波(b) 調 制 信 號(c) 已 調 信 號(d) 載 波 頻 譜(e) 調 制 信 號 頻 譜(f) 已 調 信 號 頻 譜A0調幅調幅AMAM示意圖示意圖( (波形和頻譜波形和頻譜) )2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理例：例：AMAM調制后

10、的頻譜變化調制后的頻譜變化 )()(21)()()(0ccccAMFFAS 頻域表示：頻域表示：說明說明（1 1）調制后頻譜在形狀上沒有改變，只是位置搬移）調制后頻譜在形狀上沒有改變，只是位置搬移了了cc，而，而幅度幅度降為降為原來的一半。原來的一半。（2 2）AMAM已調信號的已調信號的帶寬帶寬是基帶信號帶寬的是基帶信號帶寬的兩倍兩倍，即，即22AMmbBfB（3）AMAM已調信號除已調信號除連續(xù)譜外，還包括離散譜線連續(xù)譜外，還包括離散譜線（即即載波信號分量載波信號分量）。）。離散譜線不攜帶信息，但會占用一離散譜線不攜帶信息，但會占用一定的發(fā)送信號功率，因此定的發(fā)送信號功率，因此AM的調制效

11、率較低的調制效率較低。（4）對于）對于AM信號的信號的解調解調可以采用可以采用非相干解調（包絡非相干解調（包絡檢波法）檢波法）和和相干解調（同步解調）相干解調（同步解調）。（5）為了使調制不失真，必須滿足兩個條件為了使調制不失真，必須滿足兩個條件: (a) 對于所有對于所有t，必須滿足，必須滿足 A0+f(t) 0，否則會出現(xiàn)，否則會出現(xiàn)包絡失真。包絡失真。 (b) 載波頻率應遠大于載波頻率應遠大于f(t)的最高頻率分量的最高頻率分量,即即cm ，否則會出現(xiàn)頻率交疊。，否則會出現(xiàn)頻率交疊。根據(jù)基帶信號和疊加直流信號大小關系不同，又可根據(jù)基帶信號和疊加直流信號大小關系不同，又可分為分為 v1.正

12、常調幅正常調幅 v2.滿調幅滿調幅 v3. 過調幅過調幅 調幅系數(shù)（或調制指數(shù)）的表達式為調幅系數(shù)（或調制指數(shù)）的表達式為0max)(Atf下圖為幅度調制信號波形圖。 當1時，為過調幅，此時不能從s(t)的包絡中恢復f(t)。下圖為過幅度調制信號波形圖。 f(t)的最大幅度應小于或等于載波振幅的一半。的最大幅度應小于或等于載波振幅的一半。調幅系數(shù)調幅系數(shù) 為調制深淺程度的指標，考慮受為調制深淺程度的指標，考慮受限條件限條件1，當，當1時，若采用包絡檢波法會造成解時，若采用包絡檢波法會造成解調后信號失真。調后信號失真。0max)(Atf例：已知調制信號例：已知調制信號f(t)=3cos20 t，

13、載波信號，載波信號c(t)=cos(20000 t+ /2)，試寫出當調制系數(shù)分別為試寫出當調制系數(shù)分別為1.5和和0.5的完全調制信號是的完全調制信號是s(t) 。v解：當調制信號f(t)=3cos20t，即 ， 根據(jù)調制系數(shù)的定義，由于v v v 可寫出調制信號表達式v當=1.5時，則A0=2,有s(t)=f(t)+2c(t)=(3cos20t+2)cos(20000t+ /2)當=0.5 時，則A0=6,有s(t)=f(t)+6c(t)=(3cos20t+6)cos(20000t+/2)3)(maxtfmax0)(tfA 解調：解調是調制的逆過程。通信系統(tǒng)的接收端從已調信號中恢復基帶信號

14、的過程就叫解調。 從頻域上看，解調就是將調制時搬移到載頻附近的調制信號頻譜搬回到原來的位置。 解調的分類：v相干解調（同步檢波法）：從已調波的相位信息中提取調制信號v非相干解調（包絡檢波法）：從已調信號的幅度信息中提取調制信號解調方法解調方法解調方法解調方法1. 相干解調相干解調 適用所有的線性調制信號（適用所有的線性調制信號（對于對于AM、DSB、SSB及及VSB都適用都適用），），沒有門限效應沒有門限效應 必須使用相干載波必須使用相干載波 2. 非相干解調非相干解調 非相干解調實現(xiàn)起來非常簡單。 常規(guī)調幅信號使用包絡檢波v包絡攜帶原調制信號信息v包絡檢波簡單有效，不必要用相干解調 其他線性

15、調制信號v 無載波分量，包絡不能體現(xiàn)調制信號信息無載波分量，包絡不能體現(xiàn)調制信號信息v 不能采用一般的包絡檢波方法不能采用一般的包絡檢波方法 2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理解調方法包絡檢波法示意圖解調方法包絡檢波法示意圖解調方法解調方法（1）包絡檢波法包絡檢波法BPFBPF：為為帶通濾波器帶通濾波器，其作用是在保證信號順利通過，其作用是在保證信號順利通過的前提下，最大限度地限制噪聲進入。的前提下，最大限度地限制噪聲進入。 【注】【注】帶通濾波器的響應函數(shù)，會把已調信號的頻譜帶通濾波器的響應函數(shù)，會把已調信號的頻譜重新搬移回去。重新搬移回去。LEDLED：是是檢波電路檢波電路（半波或全波

16、整流器），它的輸出（半波或全波整流器），它的輸出與輸入信號的包絡很相近。與輸入信號的包絡很相近。LPFLPF：是是低通濾波器低通濾波器，作用是濾除檢波后信號中的高，作用是濾除檢波后信號中的高頻成分。頻成分。2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理AMAM信號的包絡檢波法電路框圖信號的包絡檢波法電路框圖包絡檢波法包絡檢波法說明說明包絡檢波法的包絡檢波法的優(yōu)點優(yōu)點: 解調電路簡單。解調電路簡單。 AM調制在調制在無線電短波廣播無線電短波廣播中得到廣泛的應用。中得到廣泛的應用。包絡檢波法的包絡檢波法的缺點缺點: 準確性不太好，抗噪聲性能較差。準確性不太好，抗噪聲性能較差。 在相同誤碼率情況下，信噪比較

17、相干解調要高在相同誤碼率情況下，信噪比較相干解調要高1dB； 抗噪聲性能稍差于相干解調；抗噪聲性能稍差于相干解調； 2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理解調方法解調方法（2）相干解調法相干解調法 經(jīng)低通濾波器后，可經(jīng)低通濾波器后，可過濾出過濾出s(t)。( ) cos( )cos1( ) coscos( ) (1 cos2)2AMcoAMccccSs ttS tSts ttts tt p p相干解調法相干解調法說明說明由于相干解調需要在接收端提供本地載波信號，且該由于相干解調需要在接收端提供本地載波信號，且該信號要和已調信號中的載波分量信號要和已調信號中的載波分量同頻同相同頻同相，所以要求，

18、所以要求采用采用載波同步技術載波同步技術。該技術需要準確判別某個載波信號的頻率和相位，要該技術需要準確判別某個載波信號的頻率和相位，要求比較高，設備比較復雜。求比較高，設備比較復雜。 ：v實現(xiàn)困難；實現(xiàn)困難；v技術要求高，設備復雜；技術要求高，設備復雜； 2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理雙邊帶調制（雙邊帶調制（DSBDSB）DSBDuble side band又稱為又稱為DSB/SC。該調制信號該調制信號中中不含不含直流分量，即頻譜中直流分量，即頻譜中無離散譜無離散譜。不能采用包不能采用包絡檢波法絡檢波法tttcF()C()cHHcc000Sm()sm(t)c(t) f (t)f (t)

19、c(t)(a) 載 波(b) 調 制 信 號(c) 已 調 信 號(d) 載 波 頻 譜(e) 調 制 信 號 頻 譜(f) 已 調 信 號 頻 譜2H000DSB調制的示意圖-波形和頻譜2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理調制后頻譜在形狀沒有改變，位置搬移了調制后頻譜在形狀沒有改變，位置搬移了ccDSB調制信號中不包含直流分量，因而已調信號頻調制信號中不包含直流分量，因而已調信號頻譜中不包含離散譜線譜中不包含離散譜線 ，已調信號中沒有載波分量。，已調信號中沒有載波分量。頻帶信號的頻帶信號的帶寬帶寬是原始信號帶寬的是原始信號帶寬的2 2倍倍由于出現(xiàn)了反相點，由于出現(xiàn)了反相點， DSB DSB

20、信號的包絡不再與調制信號信號的包絡不再與調制信號的變化規(guī)律一致，所以不能采用包絡檢波的方式恢復的變化規(guī)律一致，所以不能采用包絡檢波的方式恢復原來的信號。原來的信號。一般采用一般采用相干解調法相干解調法。DSBDSB的特點的特點bmDSBBfB22 2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理單邊帶調制（單邊帶調制（SSBSSB） 由于由于DSBDSB信號的上、下兩個邊帶是完全對稱的，信號的上、下兩個邊帶是完全對稱的， 它們都攜帶了調制信號的全部信息，因而，從信息它們都攜帶了調制信號的全部信息，因而，從信息傳輸?shù)慕嵌葋砜紤]，傳輸一個邊帶就夠了。這種方傳輸?shù)慕嵌葋砜紤]，傳輸一個邊帶就夠了。這種方式稱為單

21、邊帶調制。式稱為單邊帶調制。SSBSSB是是在雙邊帶基礎上在雙邊帶基礎上，把其中，把其中 |w|wc （上邊帶上邊帶USB） 或或 |w|wc（下邊帶下邊帶LSB）的部分進行調制。的部分進行調制。SSBSingle side band F() ) mm mm0 0SSSB() ) c c c c0 0SSSB() ) c c c c0 0S SDSBDSB()() -c c c c0 022mmUSBUSBLSBLSB- - - -(a)(a)基帶信號基帶信號(b)DSB(b)DSB信號信號(c)SSB(c)SSB信號信號(USB)(USB)(d)SSB(d)SSB信號信號(LSB)(LSB)

22、單邊帶信號的產(chǎn)生：單邊帶信號的產(chǎn)生：方法：方法：（1） 用濾波法形成單邊帶信號用濾波法形成單邊帶信號 （2） 用相移法形成單邊帶信號用相移法形成單邊帶信號 （1） 用濾波法形成單邊帶信號用濾波法形成單邊帶信號 讓雙邊帶信號通過一個讓雙邊帶信號通過一個邊帶濾波器邊帶濾波器，保留所需要的，保留所需要的一個邊帶，濾除不要的邊帶。一個邊帶，濾除不要的邊帶。H()10ccH()0cc1(a)(b)取上邊帶的濾波函數(shù)取下邊帶的濾波函數(shù)-f0HL(f)特性上邊帶(b) 上邊帶濾波器特性和信號頻譜f00f單邊帶信號的頻譜上邊帶S(f)上邊帶下邊帶HH(f)特性HH(f)特性(a) 濾波前信號頻譜(c) 下邊帶

23、濾波器特性和信號頻譜S(f)S(f)-f00f-f0f0f下邊帶f0上邊帶2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理SSBSSB的相干解調的相干解調2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理殘留邊帶調幅殘留邊帶調幅（VSB）VSBVestigial Side Band產(chǎn)生產(chǎn)生單邊帶單邊帶信號需要信號需要理想濾波器理想濾波器，這在實際電路中難，這在實際電路中難以實現(xiàn)。以實現(xiàn)。殘留邊帶殘留邊帶 (VSB)(VSB)濾波器容易設計，同時又能使上下邊濾波器容易設計，同時又能使上下邊帶頻譜巧妙地互補，解調后得到完整信號。帶頻譜巧妙地互補，解調后得到完整信號。殘留邊帶殘留邊帶信號：保留了下邊帶頻譜的大部分信號：保

24、留了下邊帶頻譜的大部分( (僅僅是僅僅是靠近靠近fcfc附近的頻譜有一定衰減附近的頻譜有一定衰減) )，同時還保留了上邊，同時還保留了上邊帶信號的一小部分。帶信號的一小部分。2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理殘留邊帶濾波器的特性殘留邊帶濾波器的特性 殘留邊帶解調的頻譜示意圖殘留邊帶解調的頻譜示意圖說明說明對對VSB信號進行信號進行解調時解調時，只要在，只要在 Wc兩側位置上的頻兩側位置上的頻具有具有互補性互補性（即相加后的和保持一定），則通過低通（即相加后的和保持一定），則通過低通濾波器解調出的基帶信號，就是濾波器解調出的基帶信號，就是沒失真沒失真的調制信號。的調制信號。殘留邊帶信號的帶寬

25、，殘留邊帶信號的帶寬，介于介于單邊帶和雙邊帶單邊帶和雙邊帶之間之間。VSBVSB信號的解調過程可以采用信號的解調過程可以采用相干解調相干解調，也可以在，也可以在VSBVSB信號中插入強載波，而采用信號中插入強載波，而采用包絡檢波法包絡檢波法解調，以簡化解調，以簡化接收機電路。接收機電路。VSB對濾波器的要求對濾波器的要求不是很高不是很高，廣泛用于，廣泛用于PAL制電視制電視系統(tǒng)中。系統(tǒng)中。2022年3月31日星期四數(shù)字通信原理2.6 角度調制（非線性調制）角度調制（非線性調制）非線性調制：非線性調制：已調信號頻譜不再是原基帶信號頻譜的已調信號頻譜不再是原基帶信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性

26、變換，會產(chǎn)生與頻譜搬線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分。移不同的新的頻率成分。實現(xiàn)方法：通過改變載波的頻率和相位實現(xiàn)方法：通過改變載波的頻率和相位（角度角度）來實來實現(xiàn)。即載波的幅度保持不變，而載波的頻率或相位隨現(xiàn)。即載波的幅度保持不變，而載波的頻率或相位隨基帶信號變化?；鶐盘栕兓?。分類分類：角調制可分為：角調制可分為頻率調制（頻率調制（FM）和和相位調制（相位調制（PM）。與幅度調制技術與幅度調制技術相比相比的優(yōu)勢：角度調制最突出的優(yōu)勢的優(yōu)勢：角度調制最突出的優(yōu)勢是其是其較高的抗噪聲性能較高的抗噪聲性能FM調制調制與與PM調制調制調相信號調相信號調調頻頻信號信號PM調制是指瞬時相位偏移隨基帶信號而線性變化 FM調制是指瞬時頻率偏移隨基帶信號而線性變化 可見：FM和PM非常相似，如果預先不知道調制信號的具體形式，則無法判斷已調信號是調頻信號還是調相信號。 調調相相信信號號調調頻頻信信號號 調頻與調相并無本質區(qū)別，兩者之間可以互換縮減研究內容；為FM、PM信號的實現(xiàn)/調制 、解調提供了新的方法。窄帶調頻與寬帶調頻窄帶調頻與寬帶調頻 定義/分類：根據(jù)調制后載波瞬時相位偏移的大小，可將頻率調制分為寬帶調頻（WBFM）與窄帶調頻（NBF