通信原理(第7版)-第5章 模擬調(diào)制(7版)

制作：曹麗娜ccllna@163.com

美工設(shè)計(jì)：陳英技術(shù)支持：張嘉等人

課件

模擬調(diào)制系統(tǒng)

通信原理（第7版）第5章樊昌信曹麗娜編著課件制作：曹麗娜調(diào)制簡(jiǎn)介—定義目的

分類線性調(diào)制（幅度調(diào)制）原理

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理

各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

頻分復(fù)用（FDM）

本章內(nèi)容:

第5章模擬調(diào)制

調(diào)制目的

各種調(diào)制解調(diào)原理

抗噪性能

特點(diǎn)

應(yīng)用

FDM課件制作：曹麗娜

西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院

調(diào)制簡(jiǎn)介

調(diào)制定義調(diào)制：把消息信號(hào)搭載到載波的某個(gè)參數(shù)上。比喻——貨物運(yùn)輸：

將貨物裝載到飛機(jī)/輪船的某個(gè)倉(cāng)位上載波：一種高頻周期振蕩信號(hào)，如正弦波。

受調(diào)載波稱為已調(diào)信號(hào)，含有消息信號(hào)特征。解調(diào)：調(diào)制的逆過程，從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)消息信號(hào)。何謂調(diào)制？進(jìn)行頻譜搬移，匹配信道特性，減小天線尺寸；實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，提高信道利用率；改善系統(tǒng)性能（有效性、可靠性）；實(shí)現(xiàn)頻率分配

看來，調(diào)制在通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用！對(duì)呀，不同的調(diào)制方式，具有不同的特點(diǎn)和性能!

調(diào)制目的為什么要進(jìn)行調(diào)制？課件制作：曹麗娜

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消息信號(hào)基帶信號(hào)

正弦波脈沖序列受調(diào)載波含有m(t)信息

調(diào)制信號(hào)

載波已調(diào)信號(hào)

調(diào)制分類運(yùn)載工具多種形式同義詞先認(rèn)識(shí)一下調(diào)制過程所涉及的三種信號(hào)課件制作：曹麗娜

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模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制連續(xù)波調(diào)制脈沖調(diào)制幅度調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制按調(diào)制信號(hào)m(t)的類型分按載波信號(hào)c(t)的類型分線性調(diào)制非線性調(diào)制按正弦載波的受調(diào)參量分

按已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)分可從不同角度分類：都有哪些調(diào)制方式？課件制作：曹麗娜

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幅度調(diào)制（線性）：AM、DSBSSB、VSB

角度調(diào)制（非線性）：FM、PM

本章研究的模擬調(diào)制方式：

——是以正弦信號(hào)作為載波的

一般模型§5.1

幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理邊帶濾波器§5.1.1

常規(guī)調(diào)幅（AM）AM表達(dá)式AM調(diào)制器條件：邊帶項(xiàng)載波項(xiàng)AM波形和頻譜課件制作：曹麗娜

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AM信號(hào)的特點(diǎn)時(shí)，AM波的包絡(luò)正比于調(diào)制信號(hào)m(t)，故可采用包絡(luò)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(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍：

AM的優(yōu)勢(shì)在于接收機(jī)簡(jiǎn)單，廣泛用于中短調(diào)幅廣播。AM信號(hào)功率：AM信號(hào)的缺點(diǎn)邊帶功率載波功率AM功率利用率低！調(diào)制效率（功率利用率）：---不含有用信息

，卻“浪費(fèi)”大部分的發(fā)射功率。

---包含有用信息m(t)，滿調(diào)幅時(shí)，邊帶功率最大。定義調(diào)幅系數(shù)m（用百分比表示時(shí)，又稱調(diào)幅度）

——反映基帶信號(hào)改變載波幅度的程度：

m<1

正常調(diào)幅m=1

臨界狀態(tài)，滿調(diào)幅（100

）

m>1

過調(diào)幅載波邊帶當(dāng)然，

AM正是利用這種“浪費(fèi)”去換取解調(diào)的便宜“，即包檢。課件制作：曹麗娜

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當(dāng)m=1(滿調(diào)幅)時(shí)，AM調(diào)制效率的最大值僅為1/3，可見，AM的功率利用率很低。高調(diào)幅度的重要性！條件：如何提高調(diào)制效率？——抑制載波！

Q

A課件制作：曹麗娜

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§5.1.2

雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）條件：DSB表達(dá)式DSB調(diào)制器double-sidebandsuppressedcarrierDSB波形和頻譜課件制作：曹麗娜

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DSB信號(hào)的特點(diǎn)包絡(luò)不再與m(t)成正比；當(dāng)m(t)改變符號(hào)時(shí)載波相位反轉(zhuǎn)，故不能采用包絡(luò)檢波，需相干解調(diào)。

無(wú)載頻分量，只有上、下邊帶。帶寬與AM的相同：調(diào)制效率100

，即功率利用率高。主要用作SSB、VSB的技術(shù)基礎(chǔ)，調(diào)頻立體聲中的差信號(hào)調(diào)制等。

能否只傳輸一個(gè)邊帶？

Q

A§5.1.3

單邊帶調(diào)制（SSB）SSB信號(hào)的產(chǎn)生（1）濾波法技術(shù)難點(diǎn)之一原理：

先形成DSB信號(hào)，邊帶濾波即得上或下邊帶信號(hào)。要求：濾波器HSSB(

)

在載頻處具有陡峭的截止特性。邊帶濾波特性HSSB(

)課件制作：曹麗娜

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（2）相移法USB

+

-

-

傳遞函數(shù)：是m(t)的希爾伯特變換

含義：幅度不變，相移π/2

Hh(

)對(duì)m(t)的所有頻率分量精確相移π/2

技術(shù)難點(diǎn)之二＋下邊帶－上邊帶

要求：SSB信號(hào)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)之一是頻帶利用率高。其傳輸帶寬僅為AM/DSB的一半：因此，在頻譜擁擠的通信場(chǎng)合獲得了廣泛應(yīng)用，尤其在短波通信和多路載波電話中占有重要的地位。優(yōu)點(diǎn)之二是低功耗特性，因?yàn)椴恍鑲魉洼d波和另一個(gè)邊帶而節(jié)省了功率。這一點(diǎn)對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)尤為重要。缺點(diǎn)是設(shè)備較復(fù)雜，存在技術(shù)難點(diǎn)。也需相干解調(diào)。課件制作：曹麗娜

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§5.1.4

殘留邊帶調(diào)制（VSB）——介于SSB與DSB之間的折中方案。VSB信號(hào)的產(chǎn)生應(yīng)該具有怎樣的濾波特性？VSB信號(hào)的解調(diào)應(yīng)該具有怎樣的濾波特性？

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相乘：LPF—解調(diào)輸出：若要無(wú)失真恢復(fù)m(t)，

VSB濾波器的傳輸函數(shù)必須滿足：在載頻處

具有互補(bǔ)對(duì)稱特性含義：課件制作：曹麗娜

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殘留邊帶濾波器的幾何解釋：課件制作：曹麗娜

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VSB信號(hào)的特點(diǎn)僅比SSB所需帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡(jiǎn)單。應(yīng)用：商業(yè)電視廣播中的電視信號(hào)傳輸?shù)?。濾波法§5.1.5

線性調(diào)制（幅度調(diào)制）的一般模型相移法在接收端，如何從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)m(t)呢？

Q

A——解調(diào)的任務(wù)!課件制作：曹麗娜

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§5.1.6

相干解調(diào)與包絡(luò)檢波相干解調(diào)適用：AM、DSB、SSB、VSB特點(diǎn)：無(wú)門限效應(yīng)要求：載波同步

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包絡(luò)檢波適用：AM信號(hào)優(yōu)勢(shì)：簡(jiǎn)單、無(wú)需載波同步

要求：|m(t)|max

A0

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插入載波包絡(luò)檢波法適用：

DSB、SSB或VSB等抑制載波的已調(diào)信號(hào)原理：將這些信號(hào)插入恢復(fù)載波，使之成為或近似

為AM信號(hào)，然后用包絡(luò)檢波器恢復(fù)出m(t)要求：Ad很大，載波同步方法：發(fā)端/收端插入載波

分析模型§5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)B和f0

取決于已調(diào)信號(hào)的頻譜DSB信號(hào)：B=2fHf0=fcSSB信號(hào)：B=fH

f0=fc±fH/2BPF§5.2.1

模型與指標(biāo)窄帶高斯噪聲輸出噪聲輸出信號(hào)高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)BPF解調(diào)器相干解調(diào)包絡(luò)檢波課件制作：曹麗娜

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分析模型解調(diào)器性能指標(biāo)制度增益：輸出信噪比：BPF§5.2.2

DSB-相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)器Si

So

No

Ni

DSBB=2fH

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相干解調(diào)將ni(t)中的正交分量抑制掉，從而使信噪比改善1倍。原因正交分量課件制作：曹麗娜

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§5.2.2DSB-相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)器SiSo

No

Ni§5.2.3

SSB

B=2fH

B=fH

SSBDSB課件制作：曹麗娜

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相干解調(diào)抑制正交分量（無(wú)論信號(hào)還是噪聲）原因正交分量課件制作：曹麗娜

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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。

Q

A合成包絡(luò)§5.2.4

AM–包絡(luò)檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能（1）大信噪比時(shí)隔掉檢波輸出：

討論：由于|m(t)|max

A0

，所以GAM<1，即100%調(diào)制，且m(t)為單頻正弦時(shí)：相干解調(diào)的GAM如同上式，但不受信噪比條件的限制。課件制作：曹麗娜

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小信噪比時(shí)，信號(hào)被擾亂成噪聲，導(dǎo)致輸出

信噪比急劇惡化——門限效應(yīng)。

（2）小信噪比時(shí)

可見：原因：包絡(luò)檢波器的非線性解調(diào)作用。大信噪比時(shí)：小信噪比時(shí)：門限效應(yīng)AM-包絡(luò)檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能：歸納課件制作：曹麗娜

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BPF解調(diào)器相干解調(diào)包絡(luò)檢波B=2fHf0=fcB=fH

f0=fc±fH/2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能：DSBSSBVSBAM抑制正交分量相干解調(diào)小結(jié)課件制作：曹麗娜

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§5.3

非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理概述角度調(diào)制：FM和PM的總稱。載波的幅度恒定，而頻率或相位受調(diào)制。屬于非線性調(diào)制。抗噪聲性能優(yōu)于幅度調(diào)制——優(yōu)勢(shì)?！?.3.1

角度調(diào)制的基本概念1

角調(diào)信號(hào)一般表達(dá)式載波的恒定振幅[

ct

+

(t)]–已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)相位

相對(duì)于

ct的瞬時(shí)相位偏移[

c+d

(t)/dt

]–已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)角頻率

相對(duì)于

c的瞬時(shí)角頻偏課件制作：曹麗娜

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Kf=rad/(s?V)Kp=rad/VPM：FM：角調(diào)信號(hào)：

2

PM與FM的關(guān)系

PM是相位偏移隨m(t)作線性變化；

FM是相位偏移隨m(t)的積分作線性變化。若預(yù)先不知m(t)形式，能否判斷已調(diào)信號(hào)是PM還是FM信號(hào)?則為窄帶調(diào)頻（NBFM）；否則寬帶調(diào)頻（WBFM）若最大瞬時(shí)相位偏移滿足：§5.3.3

寬帶

調(diào)頻

最大相位偏移1

單音調(diào)頻FM

——調(diào)頻指數(shù)最大角頻偏???單音調(diào)頻信號(hào)：，

則

設(shè)2

FM信號(hào)的頻譜與帶寬第一類n階貝塞爾函數(shù)是調(diào)頻指數(shù)mf的函數(shù)傅里葉變換級(jí)數(shù)展開討論

載頻分量??c和無(wú)數(shù)多對(duì)邊頻??c±n??m（分布在??c兩側(cè)）；

邊頻幅度

AJn(mf)

隨著n

的增大而逐漸減??；

工程上，保留上、下邊頻分量共有2n=2(mf+1)個(gè)；相鄰邊頻之間的頻率間隔為fm，所以FM帶寬近似為：——窄帶調(diào)頻(NBFM)——寬帶調(diào)頻(WBFM)——FM頻譜和傳輸帶寬：對(duì)于多音或任意帶限調(diào)制信號(hào)時(shí)的FM信號(hào)：

FM廣播的最大頻偏

f=75kHz，最高調(diào)制頻率fm=15kHz，故調(diào)頻指數(shù)mf

＝5，F(xiàn)M信號(hào)的頻帶寬度為：推廣：調(diào)制信號(hào)的最高頻率例如：3

FM信號(hào)的功率分配載波功率

調(diào)制后總的功率不變，只是重新分配，而功率分配的比例與調(diào)頻指數(shù)mf

有關(guān)。=14

FM的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用應(yīng)用：要求高質(zhì)量或信道噪聲大的場(chǎng)合，例如：調(diào)頻廣播，電視伴音、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、微波通信和蜂窩電話等系統(tǒng)中。包絡(luò)恒定；頻偏隨調(diào)制信號(hào)m(t)作線性變化；相偏隨消息信號(hào)m(t)的積分作線性變化；帶寬與m(t)的帶寬和mf

有關(guān)，比AM帶寬大(mf+1)倍。優(yōu)勢(shì)：抗噪聲能力強(qiáng)；

代價(jià)：占用較大的信道帶寬，因而頻譜利用率較低?！?.3.4

調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)1

調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生1)直接法原理：調(diào)制電壓控制振蕩器的頻率：優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單、可獲得較大的頻偏；缺點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度不高，可采用PLL調(diào)頻器進(jìn)行改進(jìn)。2)間接法原理：積分?調(diào)相(NBFM)?n次倍頻?WBFM優(yōu)點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度好；缺點(diǎn)：需要多次倍頻和混頻，因此電路較復(fù)雜。2

調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)1)非相干解調(diào)2)相干解調(diào)適用：NBFM和WBFM思路：完成頻率~電壓的轉(zhuǎn)換，即：——鑒頻器?一種振幅鑒頻器僅適用NBFM微分器：把幅度恒定的調(diào)頻波

?調(diào)幅調(diào)頻波：

包絡(luò)檢波器：檢出包絡(luò)并濾去直流，

原理：幅/頻都隨m(t)變化經(jīng)LPF即得解調(diào)輸出：§5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能模型和方法與線性調(diào)制系統(tǒng)相似。解---鑒頻器：?jiǎn)我粽{(diào)制時(shí)大信噪比時(shí)：可見：FM系統(tǒng)可通過增加傳輸帶寬來改善抗噪聲性能;注意:以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無(wú)止境的。小信噪比時(shí)：門限效應(yīng)mf

所有系統(tǒng)在“同等條件”下進(jìn)行比較：

解調(diào)器輸入信號(hào)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(hào)帶寬為fm其中AM的調(diào)幅度為100%，正弦型調(diào)制信號(hào)§5.5各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較調(diào)制方式信號(hào)帶寬輸出信噪比制度增益設(shè)備AMDSBSSB

VSBFM21簡(jiǎn)單中等中等復(fù)雜復(fù)雜性能比較：

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，F(xiàn)M最差；3）功率利用率：FM最高，DSB/SSB、

VSB次之，AM最差；4）設(shè)備復(fù)雜度：AM最簡(jiǎn)，DSB/FM次之，

VSB較復(fù)雜，SSB最復(fù)雜。特點(diǎn)與應(yīng)用

1）AM：優(yōu)點(diǎn)是接收設(shè)備簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是功率利用率低，抗干擾能力差。主要用在中波和短波調(diào)幅廣播。2）DSB：優(yōu)點(diǎn)是功率利用率高，帶寬與AM相同。主要用于調(diào)頻立體聲中的差信號(hào)調(diào)制，彩色TV中的色差信號(hào)調(diào)制。3）SSB：優(yōu)點(diǎn)是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和