c7-第5章模擬調制

c7-第5章模擬調制第一頁，共88頁。調制簡介—定義目的

分類線性調制（幅度調制）原理

線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能非線性調制（角度調制）原理

各種模擬調制系統(tǒng)的性能比較

頻分復用（FDM）

本章內容:

第5章模擬調制

第二頁，共88頁。調制簡介

調制定義何謂調制？第三頁，共88頁。進行頻譜搬移，匹配信道特性，減小天線尺寸；實現多路復用，提高信道利用率；改善系統(tǒng)性能（有效性、可靠性）；實現頻率分配

調制目的為什么要進行調制？第四頁，共88頁。

調制信號

載波已調信號運載工具多種形式同義詞認識一下調制過程所涉及的三種信號

調制分類第五頁，共88頁。---可從不同角度分類：都有哪些調制方式？第六頁，共88頁。本章研究的模擬調制方式：

——是以正弦信號作為載波的

第七頁，共88頁。

一般模型§5.1

幅度調制（線性調制）的原理邊帶濾波器第八頁，共88頁?！?.1.1

常規(guī)調幅（AM）AM表達式AM調制器條件：邊帶項載波項第九頁，共88頁。AM波形和頻譜

西安電子科技大學通信工程學院

第十頁，共88頁。AM信號的特點時，AM波的包絡正比于調制信號m(t)，故可采用包絡檢波。

AM的頻譜由載頻分量、上邊帶和下邊帶組成。AM傳輸帶寬是調制信號帶寬的兩倍：

AM的優(yōu)勢在于接收機簡單，廣泛用于中短調幅廣播。第十一頁，共88頁。AM信號功率：AM信號的缺點邊帶功率載波功率AM功率利用率低！調制效率（功率利用率）：第十二頁，共88頁。---不含有用信息

，卻“浪費”大部分的發(fā)射功率。

m<1

正常調幅m=1

臨界狀態(tài)，滿調幅（100）

m>1

過調幅載波邊帶當然第十三頁，共88頁。第十四頁，共88頁。第十五頁，共88頁。條件：如何提高調制效率？——抑制載波！

QA第十六頁，共88頁?！?.1.2

雙邊帶調制（DSB-SC）條件：DSB表達式DSB調制器double-sidebandsuppressedcarrier第十七頁，共88頁。DSB波形和頻譜第十八頁，共88頁。DSB信號的特點包絡不再與m(t)成正比；當m(t)改變符號時載波相位反轉，故不能采用包絡檢波，需相干解調。

無載頻分量，只有上、下邊帶。帶寬與AM的相同：調制效率100，即功率利用率高。主要用作SSB、VSB的技術基礎，調頻立體聲中的差信號調制等。

能否只傳輸一個邊帶？

QA課件制作：曹麗娜

西安電子科技大學通信工程學院

第十九頁，共88頁?！?.1.3

單邊帶調制（SSB）SSB信號的產生（1）濾波法技術難點之一第二十頁，共88頁。邊帶濾波特性HSSB()第二十一頁，共88頁。（2）相移法USB

+

-

-

第二十二頁，共88頁。傳遞函數：是m(t)的希爾伯特變換

含義：幅度不變，相移π/2

Hh()對m(t)的所有頻率分量精確相移π/2

技術難點之二＋下邊帶－上邊帶

要求：第二十三頁，共88頁。SSB信號的特點課件制作：曹麗娜

西安電子科技大學通信工程學院

第二十四頁，共88頁?！?.1.4

殘留邊帶調制（VSB）——介于SSB與DSB之間的折中方案。第二十五頁，共88頁。VSB信號的產生應該具有怎樣的濾波特性？VSB信號的解調應該具有怎樣的濾波特性？

第二十六頁，共88頁。相乘：LPF—解調輸出：第二十七頁，共88頁。若要無失真恢復m(t)，

VSB濾波器的傳輸函數必須滿足：含義：第二十八頁，共88頁。殘留邊帶濾波器的幾何解釋：第二十九頁，共88頁。VSB信號的特點僅比SSB所需帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡單。應用：商業(yè)電視廣播中的電視信號傳輸等。第三十頁，共88頁。濾波法§5.1.5

線性調制（幅度調制）的一般模型相移法第三十一頁，共88頁。——解調的任務!第三十二頁，共88頁?！?.1.6

相干解調與包絡檢波相干解調第三十三頁，共88頁。包絡檢波第三十四頁，共88頁。第三十五頁，共88頁。分析模型§5.2

線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能高斯白噪聲已調信號BPF§5.2.1

模型與指標第三十六頁，共88頁。窄帶高斯噪聲輸出噪聲輸出信號高斯白噪聲已調信號BPF解調器相干解調包絡檢波第三十七頁，共88頁。分析模型解調器性能指標制度增益：輸出信噪比：BPF第三十八頁，共88頁。§5.2.2

DSB-相干解調系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調器Si

So

No

Ni

DSB第三十九頁，共88頁。B=2fH

第四十頁，共88頁。原因正交分量第四十一頁，共88頁?！?.2.2DSB-相干解調系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調器SiSo

No

Ni§5.2.3

SSB

第四十二頁，共88頁。B=2fH

B=fH

SSBDSB第四十三頁，共88頁。相干解調抑制正交分量（無論信號還是噪聲）原因正交分量第四十四頁，共88頁。

能否說：DSB系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于

SSB

系統(tǒng)呢？

在相同的Si，n0，fH條件下：

B=2fH

B=fH

∴

DSB和SSB的抗噪聲性能相同。

QA第四十五頁，共88頁。合成包絡§5.2.4

AM–包絡檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能第四十六頁，共88頁。（1）大信噪比時隔掉檢波輸出：第四十七頁，共88頁。

討論：由于|m(t)|max

A0

，所以GAM<1，即100%調制，且m(t)為單頻正弦時：相干解調的GAM如同上式，但不受信噪比條件的限制。第四十八頁，共88頁。（2）小信噪比時

可見：第四十九頁，共88頁。大信噪比時：小信噪比時：門限效應AM-包絡檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能：歸納第五十頁，共88頁?！?.3

非線性調制（角度調制）原理概述第五十一頁，共88頁?！?.3.1

角度調制的基本概念1

角調信號一般表達式載波的恒定振幅[ct

+(t)]–已調信號的瞬時相位

相對于ct的瞬時相位偏移[c+d(t)/dt

]–已調信號的瞬時角頻率

相對于c的瞬時角頻偏第五十二頁，共88頁。Kf=rad/(s?V)Kp=rad/VPM：FM：角調信號：第五十三頁，共88頁。

2

PM與FM的關系若預先不知m(t)形式，能否判斷已調信號是PM還是FM信號?第五十四頁，共88頁。若最大瞬時相位偏移滿足：§5.3.3

寬帶

調頻

第五十五頁，共88頁。最大相位偏移1

單音調頻FM

——調頻指數最大角頻偏???單音調頻信號：，

則

設第五十六頁，共88頁。2

FM信號的頻譜與帶寬第一類n階貝塞爾函數是調頻指數mf的函數傅里葉變換級數展開第五十七頁，共88頁。討論——窄帶調頻(NBFM)——寬帶調頻(WBFM)——FM頻譜和傳輸帶寬：第五十八頁，共88頁。對于多音或任意帶限調制信號時的FM信號：

FM廣播的最大頻偏f=75kHz，最高調制頻率fm=15kHz，故調頻指數mf

＝5，FM信號的頻帶寬度為：推廣：調制信號的最高頻率例如：第五十九頁，共88頁。3

FM信號的功率分配載波功率=1第六十頁，共88頁。4

FM的特點優(yōu)勢應用第六十一頁，共88頁。§5.3.4

調頻信號的產生與解調1

調頻信號的產生1)直接法原理：調制電壓控制振蕩器的頻率：優(yōu)點：電路簡單、可獲得較大的頻偏；缺點：頻率穩(wěn)定度不高，可采用PLL調頻器進行改進。第六十二頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)直接調頻法的主要優(yōu)缺點： 優(yōu)點：可以獲得較大的頻偏。 缺點：頻率穩(wěn)定度不高改進途徑：采用如下鎖相環(huán)（PLL）調制器63第六十三頁，共88頁。2)間接法原理：積分?調相(NBFM)?n次倍頻?WBFM優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度好；缺點：需要多次倍頻和混頻，因此電路較復雜。第六十四頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)間接法產生窄帶調頻信號 由窄帶調頻公式 可知，窄帶調頻信號可看成由正交分量與同相分量合成的。所以可以用下圖產生窄帶調頻信號：65第六十五頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)倍頻： 目的：為提高調頻指數，從而獲得寬帶調頻。 方法：倍頻器可以用非線性器件實現。 原理：以理想平方律器件為例，其輸出-輸入特性為 當輸入信號為調頻信號時，有 由上式可知，濾除直流成分后，可得到一個新的調頻信號，其載頻和相位偏移均增為2倍，由于相位偏移增為2倍，因而調頻指數也必然增為2倍。 同理，經n次倍頻后可以使調頻信號的載頻和調頻指數增為n倍。66第六十六頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)典型實例：調頻廣播發(fā)射機 載頻：f1=200kHz

調制信號最高頻率fm=15kHz

間接法產生的最大頻偏f1=25Hz

調頻廣播要求的最終頻偏f

=75kHz，發(fā)射載頻在88-108MHz頻段內，所以需要經過 次的倍頻，以滿足最終頻偏=75kHz的要求。 但是，倍頻器在提高相位偏移的同時，也使載波頻率提高了，倍頻后新的載波頻率(nf1)高達600MHz，不符合fc=88-108MHz的要求，因此需用混頻器進行下變頻來解決這個問題。67第六十七頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)具體方案68第六十八頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)【例5-1】在上述寬帶調頻方案中，設調制信號是fm=15kHz的單頻余弦信號，NBFM信號的載頻f1=200kHz，最大頻偏f1=25Hz；混頻器參考頻率f2=10.9MHz，選擇倍頻次數n1=64，n2=48。

(1)求NBFM信號的調頻指數；

(2)求調頻發(fā)射信號（即WBFM信號）的載頻、最大頻偏和調頻指數。

【解】（1）NBFM信號的調頻指數為 （2）調頻發(fā)射信號的載頻為69第六十九頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)(3)最大頻偏為(4)調頻指數為70第七十頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)

調頻信號的解調非相干解調：調頻信號的一般表達式為 解調器的輸出應為完成這種頻率-電壓轉換關系的器件是頻率檢波器，簡稱鑒頻器。鑒頻器的種類很多，例如振幅鑒頻器、相位鑒頻器、比例鑒頻器、正交鑒頻器、斜率鑒頻器、頻率負反饋解調器、鎖相環(huán)(PLL)鑒頻器等。下面以振幅鑒頻器為例介紹：71第七十一頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)振幅鑒頻器方框圖圖中，微分電路和包絡檢波器構成了具有近似理想鑒頻特性的鑒頻器。限幅器的作用是消除信道中噪聲等引起的調頻波的幅度起伏72第七十二頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)

微分器的作用是把幅度恒定的調頻波sFM(t)變成幅度和頻率都隨調制信號m(t)變化的調幅調頻波sd(t)，即 包絡檢波器則將其幅度變化檢出并濾去直流，再經低通濾波后即得解調輸出 式中Kd

為鑒頻器靈敏度，單位為V/rad/s73第七十三頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)相干解調：相干解調僅適用于NBFM信號 由于NBFM信號可分解成同相分量與正交分量之和，因而可以采用線性調制中的相干解調法來進行解調，如下圖所示。74第七十四頁，共88頁。第5章模擬調制系統(tǒng)設窄帶調頻信號并設相干載波則相乘器的輸出為經低通濾波器取出其低頻分量再經微分器，即得解調輸出可見，相干解調可以恢復原調制信號。75第七十五頁，共88頁。2

調頻信號的解調1)非相干解調2)相干解調適用：NBFM和WBFM思路：完成頻率~電壓的轉換，即：——鑒頻器?一種振幅鑒頻器僅適用NBFM第七十六頁，共88頁。微分器：把幅度恒定的調頻波

?調幅調頻波：

包絡檢波器：檢出包絡并濾去直流，

原理：幅/頻都隨m(t)變化經LPF即得解調輸出：第七十七頁，共88頁。§5.4調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能模型和方法與線性調制系統(tǒng)相似。解---鑒頻器：單音調制時大信噪比時：小信噪比時：門限效應mf

第七十八頁，共88頁。所有系統(tǒng)在“同等條件”下進行比較：

解調器輸入信號功率為Si

信道噪聲均值為0，單邊功率譜密度為n0

基帶信號帶寬為fm其中AM的調幅度為100%，正弦型調制信號§5.5各種模擬調制系統(tǒng)的比較第七十九頁，共88頁。調制方式信號帶寬輸出信噪比制度增益設備AMDSBSSB

VSBFM21簡單中等中等復雜復雜第八十頁，共88頁。性能比較：

1）抗噪聲性能：FM最好，DSB/SSB、

VSB次之，AM最差；2）頻譜利用率：SSB最高，VSB較高，

DSB/AM次之，FM最差；3）功率利用率：FM最高，DSB/SSB、

VSB次之，AM最差；4）設備復雜度：AM最簡，DSB/FM次之，

VSB較復雜，SSB最復雜。第八十一頁，共88頁。特點與應用

1）AM：優(yōu)點是接收設備簡單；缺點是功率利用率低，抗干擾能力差。主要用在中波和短波調幅廣播。2）DSB：優(yōu)點是功率利用率高，帶寬與AM相同。主要用于調頻立體聲中的差信號調制，彩色TV中的色差信號調制。3）SSB：優(yōu)點是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和抗選擇性衰落能力均優(yōu)于AM，而帶寬只有AM的一半；缺點是收發(fā)設備都復雜。常用于頻分多路復用系統(tǒng)中。4）VSB：抗