第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1

幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能5.3

非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理5.4

調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能5.5

各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較5.6頻分復(fù)用本章學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解調(diào)制的定義、功能和分類；

掌握線性調(diào)制(AM、DSB、SSB和VSB)原理(表達(dá)式、頻譜、帶寬、產(chǎn)生與解調(diào))；

掌握調(diào)頻和調(diào)相的基本概念；了解頻分復(fù)用、復(fù)合調(diào)制和多級調(diào)制的概念重點：1.線性調(diào)制原理；

2.各種調(diào)制方式的性能比較。難點：各種調(diào)制方式的抗噪聲性能；第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)

基帶信號具有

較低的頻率分量

，不宜通過無線信道傳輸

。

因此，在通信系統(tǒng)

的

發(fā)送端需要由一個載波來運載

基帶信號

，也就是使

載波信號

的

某一個(

或幾個

)

參量

隨基帶信號改變

，這一過程就稱為

調(diào)制

。

在通信系統(tǒng)

的

接收端則需要有

解調(diào)過程

。

第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)

調(diào)制的

目的

是：

1.

將

調(diào)制信號（基帶信號）轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)?/p>

已調(diào)信號（頻帶信號）；

2.

實現(xiàn)信道的

多路復(fù)用

，提高信道利用率

；

3.

減小干擾

，提高系統(tǒng)

抗干擾能力

；

4.

實現(xiàn)

傳輸帶寬

與

信噪比

之間

的

互換

。

調(diào)制的分類載波信號不同：調(diào)制信號不同：模擬調(diào)制：調(diào)制信號是連續(xù)變化的模擬信號√數(shù)字調(diào)制：調(diào)制信號是離散的數(shù)字信號連續(xù)波調(diào)制：載波信號是連續(xù)波形√脈沖調(diào)制：載波信號是脈沖波形調(diào)制的分類被調(diào)制載波參數(shù)不同：幅度調(diào)制：載波幅度隨調(diào)制信號變化√頻率調(diào)制：載波頻率隨調(diào)制信號變化√相位調(diào)制：載波相位隨調(diào)制信號變化√頻譜的變化：已調(diào)信號與輸入信號頻譜之√間呈線性搬移已調(diào)信號與輸入信號頻譜之間呈非線性搬移線性調(diào)制：非線性調(diào)制：sm

(f)線性調(diào)制非線性調(diào)制m(f)sm

(f)頻譜之間呈線性搬移關(guān)系：AM、ASK頻譜之間沒有線性對應(yīng)關(guān)系：FM、PM、FSK

模擬調(diào)制線性調(diào)制非線性調(diào)制(角度調(diào)制)常規(guī)調(diào)幅AM雙邊帶DSB調(diào)幅單邊帶SSB調(diào)幅殘留邊帶VSB調(diào)幅相位調(diào)制頻率調(diào)制

本章重點討論用

取值連續(xù)的

調(diào)制信號

去控制

正弦載波參數(shù)

的

模擬調(diào)制

。

主要內(nèi)容有：各種已調(diào)信號

的

時域波形

和

頻譜結(jié)構(gòu)

，調(diào)制

和

解調(diào)

的

原理

及

系統(tǒng)的

抗噪聲性能

。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

幅度調(diào)制

是

用調(diào)制信號去控制高頻載波

的

幅度

，使之隨

調(diào)制信號

作線性

變化的過程

。幅度調(diào)制器

的一般模型如圖所示

：圖

5-0幅度調(diào)制器的一般模型

圖中，m(t)

是

基帶信號，h(t)

是濾波器

的

沖激響應(yīng)

；

為載波幅度，為載波角頻率；為載波初始相位；為方便分析，一般假定，。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

更為一般的情況是濾波器的沖激響應(yīng)，或者不采用濾波器。這時幅度調(diào)制信號可以表示為：

如果調(diào)制信號m(t)的頻譜為，則容易得到已調(diào)信號的頻譜為：

幅度調(diào)制信號，在

波形

上，它的幅度(包絡(luò))隨基帶信號規(guī)律而變化；在

頻譜結(jié)構(gòu)

上，它的頻譜

完全是

基帶信號頻譜結(jié)構(gòu)在頻域內(nèi)的簡單搬移

。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

由于這種搬移是線性的

，因此，幅度調(diào)制

通常又稱為

線性調(diào)制

。適當(dāng)選擇

濾波器

的

特性

H

(ω)

，便可以得到

各種幅度調(diào)制信號。常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）抑制載波雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）單邊帶調(diào)幅（SSB）殘留邊帶調(diào)幅（VSB）

這里的“線性”并不意味著已調(diào)信號和信號之間符合線性變換關(guān)系。事實上，任何調(diào)制過程都是一種非線性的變換過程。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理5.1.1

調(diào)幅

(

AM

)

假設(shè)調(diào)制信號m(t)的平均值為0，將其

疊加

直流

A0

后

，與

載波

相乘

，就可形成調(diào)幅(AM)

信號

。圖5-1AM調(diào)制模型其中，這里假設(shè)m(t)為確知信號；如果m(t)為隨機信號，則已調(diào)信號的頻域須用功率譜來描述。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理圖

5-2AM

信號

的

波形

和

頻譜下邊帶上邊帶載頻載頻5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

通過調(diào)制信號的波形可以看出，如果，則AM波的包絡(luò)與調(diào)制信號m(t)的形狀完全一樣，因此用包絡(luò)檢波的方法就很容易從已調(diào)信號中恢復(fù)出原始調(diào)制信號；

如果調(diào)制信號，就會出現(xiàn)“過調(diào)幅”現(xiàn)象，這時用包絡(luò)檢波將會發(fā)生失真，需要采用其他的解調(diào)方法。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理調(diào)制效率

已調(diào)信號中，有用功率（承載信息所用的功率）占信號總功率的比例稱為調(diào)制效率，用表示。假定則式中，Pc

為

載波功率

，Ps

為

邊帶功率

。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理調(diào)制效率

：

由此可見，AM

信號的

總功率

包括載波功率和邊帶功率兩部分

。載波分量不攜帶信息

，仍占據(jù)大部分功率

，因此，AM

信號的

功率利用率

比較低

。

優(yōu)點：可以采用包絡(luò)檢波法解調(diào)，不需本地同步載波信號，接收機成本很低。缺點：AM信號的調(diào)制效率比較低AM調(diào)制的優(yōu)缺點問題：能否去掉不帶信息的載波，提高調(diào)制效率？抑制載波雙邊帶調(diào)制5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理5.1.2

雙邊帶調(diào)制

(

DSB)

在AM信號中，載波分量并不攜帶信息，信息完全由邊帶傳送。如果在AM調(diào)制模型中將直流A0去掉，即可得到一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式——

抑制載波雙邊帶信號（DSB-SC）

，簡稱

雙邊帶信號

(

DSB

)

。DSB的頻譜與AM相近，只是沒有了在處的函數(shù)。

其時域和頻域表示式分別為

5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

圖

5-3DSB信號

的

波形

和

頻譜5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

與AM信號比較，因為不存在載波分量，DSB信號的調(diào)制效率是100%，即全部功率都用于信息傳輸。

由時間波形可知，DSB信號的包絡(luò)

不再與調(diào)制信號的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡單的包絡(luò)檢波來恢復(fù)調(diào)制信號，需采用

相干解調(diào)

(

同步檢波)

。

由頻譜圖可知，DSB

信號

雖然

節(jié)省了載波功率,但它的

頻帶寬度

仍是

調(diào)制信號帶寬

的

兩倍

，上、下兩個邊帶是

完全對稱

的，它們都攜帶了調(diào)制信號的全部信息，因此僅傳輸

其中一個邊帶即可。這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可以節(jié)省一半傳輸頻帶，稱為單邊帶調(diào)幅（SSB）。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

單邊帶信號

的

產(chǎn)生方法通常有

濾波法

和

相移法1.

濾波法及SSB信號的頻域表示

產(chǎn)生SSB信號最直觀的方法是先產(chǎn)生一個雙邊帶信號，然后讓其通過一個邊帶濾波器，濾除不要的邊帶，即可得到單邊帶信號。

技術(shù)難點

是：由于調(diào)制信號常具有豐富的

低頻成分，使得DSB

信號

的

上、下邊帶之間的

間隔很窄

,這要求單邊帶濾波器在f

c

附近具有

陡峭的截止特性，這就使濾波器的設(shè)計和制作很困難。圖5-4濾波法SSB信號調(diào)制器5.1.3單邊帶調(diào)制

(

SSB

)5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理圖

5-5濾波法形成上、下邊帶信號的頻譜圖5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理SSB信號的頻域表示

上邊帶（USB）濾波器

下邊帶（LSB）濾波器

SSB信號的頻域表示

濾波器實現(xiàn)的技術(shù)難點：

實際的濾波器從通帶到阻帶總有一個過渡帶，這就要求上下邊帶之間有一定的頻率間隔。只有當(dāng)時，濾波器方可以實現(xiàn)。定義濾波器的歸一化值：fc為載頻歸一化值反映了濾波器衰減特性的陡峭程度。歸一化的值愈小，濾波器愈難以實現(xiàn)。一般要求不低于10-3。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理多級調(diào)制濾波5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理2.

相移法和SSB信號的時域表示

在

單頻調(diào)制

情況下，可簡單推導(dǎo)出SSB

信號

的

時域表示式

。而

任意一個

基帶波形

總可以表示成

許多正弦信號

之和

，所以可進(jìn)行推廣

。

設(shè)單頻調(diào)制信號m(t)和載波c(t)分別為則DSB信號的時域表示式為5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理上邊帶信號時域表達(dá)式為下邊帶信號時域表達(dá)式為5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理把上下邊帶表達(dá)式合并起來可以寫成希爾伯特(Hilbert)變換

為了將上面的結(jié)果推廣到任意的調(diào)制信號m(t)上，需要引入

Hilbert變換

的概念。則若為傅立葉變換對

則稱為的Hilbert變換。

符號函數(shù)5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理式中

符號函數(shù)

Hilber變換的含義：對中所有的頻率分量均相移，即得到其Hilber變換。

Hilber變換的性質(zhì)

5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理運用Hilbert變換，上面SSB信號的時域表達(dá)式可以寫成

推廣到一般情況，即可得到調(diào)制信號為任意信號時的SSB信號的時域表達(dá)式其中，是的Hilbert變換。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理相移法得到SSB信號圖

5-6相移法SSB信號調(diào)制器Hilbert濾波器5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理相移法得到SSB信號的幾何解釋5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

相移法形成SSB信號

的

困難

在于

Hilbert濾波器的

制作

，要求對m

(t)的所有頻率分量都必須

嚴(yán)格相移π/

2

，這一點即使近似達(dá)到也是困難的。

為解決該難題，可采用

混合法

(

也叫

維弗法

)

。

SSB

調(diào)制方式在傳輸信號時，不但可節(jié)省

載波

發(fā)射功率

，而且它所占用的

頻帶寬度

為BSSB

=f

H

，因此目前已成為短波通信

中一種重要調(diào)制方式

。

SSB

信號的解調(diào)和DSB一樣

不能采用

簡單的包絡(luò)檢波

，仍需采用

相干解調(diào)

。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理5.1.4

殘留邊帶調(diào)制

(VSB

)

用

濾波法

實現(xiàn)

殘留邊帶調(diào)制

的

原理

與圖5-4相同

。不過濾波器

的

特性

應(yīng)按

殘留邊帶調(diào)制

的

要求來進(jìn)行設(shè)計

，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而相對容易實現(xiàn)。

殘留邊帶調(diào)制是介于SSB與DSB之間

的

一種

折中方式

，它既克服了

DSB

信號

占用頻帶寬

的

缺點

，又解決了

SSB

信號

實現(xiàn)中

的

難題

。

在VSB中，不是完全

抑制一個邊帶(

如同

SSB

中那樣

)

，而是逐漸切割

，使其殘留一小部分

。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理圖

5-7DSB、SSB和VSB信號的頻譜5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理圖

5-8VSB調(diào)制和解調(diào)器模型(a)調(diào)制器(b)解調(diào)器

將式(5.1-24)代入上式，得到(5.1-24)5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

選擇合適的

低通濾波器

,消掉

±2ωc處

的

頻譜，則

低通濾波器

的

輸出為

：

通過上面的分析得出，為了保證相干解調(diào)輸出無失真地恢復(fù)調(diào)制信號m(t)，必須要求上式中，是調(diào)制信號的截止角頻率。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(a)

殘留部分上邊帶的濾波器特性;(b)

殘留部分下邊帶的濾波器特性圖5-9殘留邊帶的濾波器特性低通帶通

或

高通兩種形式5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理殘留邊帶濾波器的幾何解釋

以

殘留上邊帶

的

濾波器為例，它是一個低通濾波器。使上邊帶小部分殘留，而使下邊帶絕大部分通過

。

在ω=0

處

具有

互補對稱的滾降特性

殘留邊帶濾波器的特性：在±ωc

處

具有

互補對稱

(

奇對稱

)

特性

.

那么，采用

相干解調(diào)法

解調(diào)殘留邊帶信號就能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)所需的

基帶信號

。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理5.1.5

線性調(diào)制的一般模型

圖5-10線性調(diào)制(濾波法)一般模型濾波法一般模型

適當(dāng)選擇濾波器的特性，便可得到各種幅度調(diào)制信號。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理設(shè)相移法一般模型(不作要求)5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理圖5-11線性調(diào)制(相移法)一般模型同相濾波器：正交濾波器：AMDSBSSBVSB2fH時域表達(dá)式帶寬2fHfHfH~2fH調(diào)制方式各種線性調(diào)制方式5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理5.1.6

相干解調(diào)與包絡(luò)檢波

調(diào)是調(diào)制的逆過程，其作用是從接收到得已調(diào)信號中恢復(fù)出原基帶信號（調(diào)制信號）。解調(diào)的方法可以分為兩類：相干解調(diào)和非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）。1.

相干解調(diào)（同步檢波）圖5-12相干解調(diào)器的一般模型5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

相干解調(diào)時，為了無失真地恢復(fù)原基帶信號，接收端必須提供一個與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波）。

相干解調(diào)器適用于所有線性調(diào)制信號的解調(diào)。

以DSB信號的解調(diào)為例LPF5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理0w0wM(w)Sm(w)wc-wccoswct2wc-2wcSp(w)0w5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

以SSB信號的解調(diào)為例

高頻分量5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

以AM信號的解調(diào)為例

高頻分量

直流分量需要濾除5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理2.

包絡(luò)檢波圖5-13包絡(luò)檢波器

AM信號在滿足|m(t)|maxA0

的條件下，其包絡(luò)與調(diào)制信號m(t)的形狀完全一樣。因此AM信號除了可以采用相干解調(diào)外，一般都采用簡單的

包絡(luò)檢波法

來恢復(fù)信號。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

利用包絡(luò)檢波器對AM信號解調(diào)時的各點波形

包絡(luò)檢波器結(jié)構(gòu)簡單，且解調(diào)出的信號是相干解調(diào)時輸出的兩倍。因此一般AM信號均采用包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行解調(diào)。5.1

幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理

在大信號檢波時（一般大于0.5V），二極管處于受控開關(guān)狀態(tài)。選擇RC滿足如下關(guān)系其中，fH是調(diào)制信號的最高頻率；fc是載波的頻率。

包絡(luò)檢波器結(jié)構(gòu)簡單，且解調(diào)出的信號是相干解調(diào)時輸出的兩倍。因此一般AM信號均采用包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行解調(diào)。5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

前面的分析（解調(diào)）都是在沒有噪聲的條件下進(jìn)行的，而實際的系統(tǒng)都避免不了噪聲的影響。因此本節(jié)將要研究的問題是：在信道加性高斯白噪聲的背景下，各種線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能。5.2.1

分析模型

5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

帶通濾波器

的

作用

是濾除已調(diào)信號頻帶以外

的噪聲

，因此，經(jīng)過帶通濾波器

后到達(dá)

解調(diào)器輸入端的

信號仍可認(rèn)為是sm(t)，噪聲為ni(t)

。

sm(t)為

已調(diào)信號，n(t)為信道

加性高斯白噪聲。

解調(diào)器輸出的有用信號為mo(t)，噪聲為no(t)。5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

當(dāng)

帶通濾波器

帶寬

遠(yuǎn)小于

其

中心頻率

時(

窄帶濾波器

)

，n

i

(t)為

平穩(wěn)窄帶高斯白噪聲

?；蛘?/p>

Ni

為解調(diào)器

輸入噪聲

n

i

(t)的

平均功率

。5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

這里的帶寬B應(yīng)等于已調(diào)信號的頻帶寬度，以保證已調(diào)信號無失真地進(jìn)入解調(diào)器，同時又最大限度地抑制噪聲。

若白噪聲

的

雙邊功率譜密度為n0

/

2，帶通濾波器傳輸特性

是高度

為1、帶寬為B的

理想矩形函數(shù)

,

則

*通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有兩個：有效性和可靠性。有效性指的是系統(tǒng)傳輸信號效率的高低；可靠性指的是系統(tǒng)傳輸信號抗干擾能力的強弱。*調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能主要由解調(diào)器的抗噪聲性能體現(xiàn)。具體來說是指解調(diào)后的輸出信噪比與解調(diào)前相比是改善還是惡化了。*可靠性通常用輸出信噪比來衡量。輸出信噪比指信號的平均功率與噪聲平均功率的比值。5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

為衡量同類調(diào)制系統(tǒng)

不同解調(diào)器對

輸入

信噪比的

影響

，可用

輸出和輸入信噪比

的

比值

G來表示，即

G稱為

調(diào)制制度增益

。G越大，表明解調(diào)器

的

抗噪聲性能越好

。5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能5.2.2

DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能

在

分析

DSB、SSB、VSB

系統(tǒng)的

抗噪聲性能

時

，應(yīng)采用

相干解調(diào)器

，如圖所示：

相干解調(diào)屬

線性解調(diào)

，所以可以分別計算解調(diào)器輸出的

信號功率和

噪聲功率

。5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

設(shè)解調(diào)器

輸入信號

為

與相干載波

相乘

后經(jīng)

低通濾波器

后

輸出端

的

信號功率

為5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

解調(diào)DSB時

，接收機中

的

帶通濾波器

的

中心頻率ω0

與

調(diào)制載頻

ωc

相同

，即

ω0＝ωc

經(jīng)

低通濾波器

后故

輸出

噪聲功率

為

：正交分量

被抑制5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能低通濾波器

的

帶寬

B＝2

f

H

，為雙邊帶

信號的帶寬

。

解調(diào)器輸入信號

平均功率

為

：

制度增益

為

：

DSB

信號解調(diào)器

使

信噪比改善一倍，這是因為同步解調(diào)使

輸入噪聲的一個正交分量ns(t)被消除

的

緣故5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能通信原理2008年5.2.3

SSB

調(diào)制系統(tǒng)的性能

單邊帶信號

的

解調(diào)方法與

雙邊帶信號

相同

，區(qū)別

僅在于解調(diào)器

之前的

帶通濾波器

的

帶寬

和中心頻率

不同

。前者

帶通濾波器

的

帶寬

是后者的

一半

.

與

相干載波

相乘后，再經(jīng)

低通濾波

可得

：單邊帶

信號

表示式單邊帶

帶通濾波器

帶寬解調(diào)器

輸出噪聲

與

輸入噪聲

的

功率正交分量

被抑制5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能輸入信號

平均功率于是，單邊帶解調(diào)器

的

輸入信噪比

為輸出信噪比

為：

制度增益

為

：5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

這是因為

，在SSB

系統(tǒng)中，信號

和

噪聲有相同

表示形式

，所以，相干解調(diào)過程

中，信號

和

噪聲

的

正交分量

均被抑制掉

，故

信噪比

沒有

改善

。

若在

相同

輸入

信號功率

S

i

，相同

輸入

噪聲功率譜密度

n0

，相同

基帶信號帶寬

f

H

條件下，對這兩種調(diào)制方式

進(jìn)行比較

，它們的

輸出信噪比

是

相等的

。

因此兩者的

抗噪聲性能

是相同的

，

但

雙邊帶信號

所需的

傳輸帶寬

是單邊帶的兩倍

。

GDSB=2GSSB

。這

是否

說明

雙邊帶系統(tǒng)

的

抗噪聲性能

比

單邊帶系統(tǒng)

好

呢？5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

VSB

調(diào)制系統(tǒng)的性能

VSB調(diào)制系統(tǒng)

的

抗噪聲性能

的

分析方法與

上面的相似

。但是，由于采用的

殘留邊帶濾波器

的

頻率特性形狀不同

，所以

抗噪聲性能

的

計算

是比較復(fù)雜

的

。

但是殘留邊帶

不是

太大

的

時候，近似認(rèn)為與SSB

調(diào)制系統(tǒng)

的

抗噪聲性能

相同

。5.2.4

AM包絡(luò)檢波的性能

AM

信號可采用

相干解調(diào)

和

包絡(luò)檢波

。相干解調(diào)時，分析方法

與前面雙邊帶

(

或

單邊帶

)的

相同

。

實際中，AM

信號常用

簡單的

包絡(luò)檢波法

解調(diào).5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能圖

5-16AM

包絡(luò)檢波

的

抗噪聲性能分析模型5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

解調(diào)器

輸入

是

信號

加

噪聲

的

混合波形

，即

合成包絡(luò)

合成相位

E

(t)

是

理想包絡(luò)檢波器

的

輸出

，有用信號

與

噪聲

無法

完全

分開

。因此，計算

輸出

信噪比

是困難的

。

我們來考慮

兩種

特殊情況

：5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能4.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

大信噪比情況

合成包絡(luò)5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

式中

直流分量

A0

被

電容器

阻隔

，有用信號與噪聲

獨立地分成兩項

，因而可分別計算出

輸出

有用信號

功率

及

噪聲功率

：

輸出信噪比

制度增益

顯然

，AM

信號

的

調(diào)制

制度增益GAM

隨

A0

的

減小而

增加

。5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

但對

包絡(luò)檢波器

來說，為了

不發(fā)生

過調(diào)制現(xiàn)象

,應(yīng)有

A0≥|

m

(t)

|

max

，所以

GAM

總是小于1。

例如：100%

的

調(diào)制

(

即A0＝

|m(t)|max

)

，且

m

(t)

又是

正弦型信號

時，有

代入上式可得：

這是AM

系統(tǒng)

的

最大信噪比增益

。這說明解調(diào)器對

輸入信噪比

沒有

改善

，而是

惡化

了

。

5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

可以證明，若

采用

同步檢波法

解調(diào)

AM

信號

，則得到的

調(diào)制

制度增益

GAM與式(5.2-38)

給出的結(jié)果相同

。

由此可見，對于

AM

調(diào)制

系統(tǒng)

，在

大信噪比

時，采用

包絡(luò)檢波器

解調(diào)

的

性能

與

同步檢波器

時

的

性能

幾乎一樣。

但應(yīng)該注意

，

后者的

調(diào)制

制度增益不受

信號

與噪聲

相對幅度

假設(shè)條件

的

限制

。5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

小信噪比情況5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能噪聲包絡(luò)

：噪聲相位

：

，再利用5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

因此

，輸出

信噪比

急劇下降

，這種現(xiàn)象稱為解調(diào)器

的

門限效應(yīng)

。

開始出現(xiàn)門限效應(yīng)

的

輸入信噪比稱為

門限值

。

這種

門限效應(yīng)是由包絡(luò)檢波器

的

非線性

解調(diào)

作用所引起的

。

這時，E

(t)中

沒有

單獨的信號項

,

只有受到調(diào)制的項

。

由于

是

一個

隨機噪聲，因而

有用信號m(t)被噪聲擾亂，致使也只能

看作是

噪聲

。5.2

線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能用

相干解調(diào)

的

方法

解調(diào)

各種

線性調(diào)制信號

時

，不存在

門限效應(yīng)

。

原因是信號

與

噪聲可分別進(jìn)行解調(diào)

，解調(diào)器輸出端

總是

單獨存在

有用信號項

。

以上分析

可得

如下

結(jié)論：大信噪比

情況下，AM

信號包絡(luò)檢波器

的

性能

幾乎與

相干解調(diào)法

相同；

但隨著

信噪比

的

減小

，包絡(luò)檢波器將在一個

特定

輸入

信噪比值上

出現(xiàn)

門限效應(yīng)

；

一旦出現(xiàn)門限效應(yīng)

，解調(diào)器

的輸出

信噪比將

急劇惡化

。*AM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)電路簡單，但功率利用率低，抗噪聲性能差*

SSB系統(tǒng)的功率利用率為100%，抗噪聲性能好，頻帶利用率高，所占用的頻帶只是AM和DSB的一半，但調(diào)制，解調(diào)電路復(fù)雜。*DSB系統(tǒng)的功率利用率為100%，抗噪聲性能好，但所占用的帶寬仍和AM相同，都是2fm，且相干解調(diào)電路復(fù)雜。總結(jié)：*VSB系統(tǒng)的性能基本和SSB系統(tǒng)性能相近，VSB信號比較容易產(chǎn)生，占用的頻帶比SSB稍寬。*不能因為DSB的G值為2，SSB為1，而說前者優(yōu)于后者。因為SSB信號的帶寬僅為DSB的一半，所以DSB的輸入噪聲功率Ni是SSB的兩倍。就信噪比而言，DSB、SSB具有相同的性能.例1：對抑制載波的雙邊帶信號進(jìn)行相干解調(diào)，設(shè)接收信號的功率為2mW，載波為100KHz，并設(shè)調(diào)制信號m(t)的頻帶限制在4kHz，信道具有均勻的噪聲的雙邊功率譜密度P(f)=（1）求該理想帶通濾波器的傳輸特性H(W)（2）求解調(diào)器輸入端的信噪功率比（3）求解調(diào)器輸出端的信噪功率比解：（1）帶通濾波器的寬度等于已調(diào)信號的寬度，即KHZ，其中心頻率為100kHz，故有：例2：發(fā)射功率為0.1W，信道噪聲的單邊帶功率譜密度n0=10-8，調(diào)制信號帶寬為5kHz。分別對DSB和SSB計算S0、N0和S0/N05.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理相位

與

頻率其中，稱為瞬時相位；稱為初始相位，即當(dāng)時的瞬時相位值。

頻率是

瞬時相位對時間的

導(dǎo)數(shù)，反映了瞬時相位的變化速度；因此有

。當(dāng)瞬時相位為時間的一次函數(shù)時，其導(dǎo)數(shù)為一個常數(shù)，也就是說頻率是一個和時間t無關(guān)的常數(shù)。瞬時相位以恒定的速率隨時間變化。例如上面的函數(shù)。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理

幅度調(diào)制屬于

線性調(diào)制

，它是通過改變

載波的幅度

，以實現(xiàn)

調(diào)制信號頻譜

的

平移及線性變換的

.

使高頻載波

的

頻率

或

相位

按調(diào)制信號

的

規(guī)律變化而振幅

保持

恒定的調(diào)制方式

，稱為

頻率調(diào)制

(

FM

)和

相位調(diào)制

(

PM

)，分別簡稱為

調(diào)頻

和

調(diào)相

。

因為頻率

或

相位的變化都表現(xiàn)為

載波瞬時相位

的

變化

，故調(diào)頻

和

調(diào)相又統(tǒng)稱為角度調(diào)制

。

角度調(diào)制與線性調(diào)制不同

，已調(diào)信號頻譜不再是原調(diào)制信號頻譜

的

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

，故又稱為

非線性調(diào)制

。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理5.3.1

角度調(diào)制的基本概念1.FM和PM信號的一般表達(dá)式

角度調(diào)制信號

的

一般表達(dá)式為：A為載波的

恒定振幅；為信號的

瞬時相位為相對于

載波相位

ωct的

瞬時相位偏移；是信號的

瞬時角頻率，記為；稱為相對于載頻

ωc的

瞬時頻偏。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理

所謂

相位調(diào)制

，是指瞬時相位偏移

隨

調(diào)制信號m(t)

作線性變化，即

調(diào)相信號

所謂

頻率調(diào)制，是指瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號m(t)

作線性變化

，即

調(diào)頻信號調(diào)相靈敏度rad/V調(diào)頻靈敏度rad/(s.V)5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理瞬時相偏與

瞬時頻偏

假設(shè)調(diào)制信號和載波分別為

在沒有進(jìn)行調(diào)制之前，載波信號的瞬時相位以固定的速率隨時間增長，而頻率則為一個常數(shù)。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理相位調(diào)制PM

經(jīng)過調(diào)制之后，瞬時相位變?yōu)椋?/p>

其中，瞬時相位相對于調(diào)制前相位之間的差值稱為

瞬時相位偏移。即瞬時相位偏移

其最大值稱為最大相位偏移，簡稱

最大相偏。最大相偏5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理

由于頻率是瞬時相位的導(dǎo)數(shù)，而相位調(diào)制導(dǎo)致載波瞬時相位的變化速率

隨

調(diào)制信號的規(guī)律

變化，所以也必將導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。

由此可見，調(diào)相的同時頻率也被“調(diào)制”了，對于PM信號來說，其頻率的變化規(guī)律與調(diào)制信號的導(dǎo)數(shù)一致。因此，調(diào)相和調(diào)頻實際上是同時存在的。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理可以把PM信號和FM信號的時域表達(dá)式寫為

調(diào)相信號

調(diào)頻信號

可見，F(xiàn)M和

PM非常相似

，其區(qū)別僅在于PM是相位偏移隨調(diào)制信號m(t)線性變化，F(xiàn)M是相位偏移隨m(t)的積分呈線性變化。如果預(yù)先不知道調(diào)制信號m(t)

的具體形式

，則無法判斷

已調(diào)信號

是調(diào)相信號還是調(diào)頻信號

。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理2.

單音調(diào)制FM與PM

設(shè)調(diào)制信號為

單一頻率的正弦波

當(dāng)它對載波進(jìn)行

相位調(diào)制時

式中，

稱為

調(diào)相指數(shù)，表示最大的

相位偏移。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理

如果進(jìn)行

頻率調(diào)制，則

調(diào)頻信號式中，稱為

調(diào)頻指數(shù)，表示最大的相位偏移。

稱為

最大角頻偏，稱為

最大頻偏。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理PM信號波形FM信號波形5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理3.FM與PM之間的關(guān)系FM調(diào)制器PM調(diào)制器PM調(diào)制器積分器FM調(diào)制器微分器(a)

直接調(diào)頻(b)

間接調(diào)頻(c)

直接調(diào)相(d)

間接調(diào)相圖5-18FM與PM之間的關(guān)系

調(diào)相信號

調(diào)頻信號5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理5.3.2

窄帶調(diào)頻

如果FM信號的

最大瞬時相位偏移

滿足以下條件

此時FM信號的頻譜寬度比較窄，稱為

窄帶調(diào)頻（NBFM）。反之，當(dāng)不滿足上述條件時，F(xiàn)M信號的頻譜寬度比較寬，稱為

寬帶調(diào)頻（WBFM）。

由于FM信號的頻譜相對于線性調(diào)制來說比較復(fù)雜，因此下面分別討論窄帶調(diào)頻和寬帶調(diào)頻情況下的FM信號的帶寬問題。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理窄帶調(diào)頻時FM信號的帶寬當(dāng)滿足窄帶調(diào)頻的條件時5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理對上面窄帶調(diào)頻信號的時域表達(dá)式作傅里葉變換與AM信號的頻譜比較5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理

當(dāng)調(diào)制信號為單音信號時，即可以分別得到NBFM和AM信號的時域表達(dá)式為圖5-19單音調(diào)制的AM與NBFM頻譜5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理圖5-20AM與NBFM的矢量表示

在AM中，兩個邊頻的矢量與載波相同，所以載波只有幅度的變化，無相位變化；而在NBFM中，由于下邊頻為負(fù)，兩個邊頻的合成矢量與載波則是正交相加，所以NBFM不僅有相位的變化，幅度也有很小的變化。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理相關(guān)總結(jié)

NBFM與AM都含有一個載波和位于處得兩個邊帶，所以它們的帶寬相同，都是調(diào)制信號最高頻率的兩倍。

NBFM屬于非線性調(diào)制，它的兩個邊帶不是基帶信號頻譜的簡單搬移，而是分別乘了因式和。

NBFM的一個邊帶和AM反相。

NBFM的抗干擾能力比AM系統(tǒng)要好得多。5.3

非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理5.3.3

寬帶調(diào)頻

當(dāng)不滿足窄帶調(diào)頻條件時，F(xiàn)M信號的時域表達(dá)式不能化簡，則其頻譜的分析將非常困難。為使問題簡化，只研究單音調(diào)制的情況，然后把分析的結(jié)論推廣到多音調(diào)制的情況。第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3寬帶調(diào)頻調(diào)頻信號表達(dá)式 設(shè)：單音調(diào)制信號為 則單音調(diào)制FM信號的時域表達(dá)式為 將上式利用三角公式展開，有 將上式中的兩個因子分別展成傅里葉級數(shù)， 式中Jn(mf)－第一類n階貝塞爾函數(shù)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)Jn(mf)曲線第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)將代入并利用三角公式及貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)則得到FM信號的級數(shù)展開式如下：第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)頻信號的頻域表達(dá)式 對上式進(jìn)行傅里葉變換，即得FM信號的頻域表達(dá)式+-=第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)討論：由上式可見調(diào)頻信號的頻譜由載波分量c和無數(shù)邊頻(cnm)組成。當(dāng)n=0時是載波分量c

，其幅度為AJ0(mf)當(dāng)n0時是對稱分布在載頻兩側(cè)的邊頻分量(cnm)

，其幅度為AJn(mf)，相鄰邊頻之間的間隔為m；且當(dāng)n為奇數(shù)時，上下邊頻極性相反；當(dāng)n為偶數(shù)時極性相同。由此可見，F(xiàn)M信號的頻譜不再是調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是一種非線性過程。調(diào)頻信號的帶寬理論上調(diào)頻信號的頻帶寬度為無限寬!邊頻幅度隨n增大而減小，所以認(rèn)為頻譜有限。通常信號頻帶寬度應(yīng)包括幅度大于未調(diào)載波10%以上的邊頻分量。有效帶寬:卡森(Carson)公式:當(dāng)時：（NBFM）當(dāng)時：（WBFM）5.4

調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能

調(diào)頻系統(tǒng)

抗噪聲性能

的

分析方法

和

分析模型

與線性調(diào)制系統(tǒng)

相似

，在

大信噪比

條件下

，可證明解調(diào)器

的

輸出信噪比

：

調(diào)頻系統(tǒng)

的

制度增益

上式表明

,

大信噪比

時

寬帶調(diào)頻系統(tǒng)

的

制度增益

是

很高的

。也就是說，加大

調(diào)制指數(shù)

，可使調(diào)頻系統(tǒng)的

抗噪聲性能

迅速改善

。

已調(diào)波

振幅調(diào)制信號

帶寬第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)結(jié)論：在大信噪比情況下，調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能將比調(diào)幅系統(tǒng)優(yōu)越，且其優(yōu)越程度將隨傳輸帶寬的增加而提高。但是，F(xiàn)M系統(tǒng)以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無止境的。隨著傳輸帶寬的增加，輸入噪聲功率增大，在輸入信號功率不變的條件下，輸入信噪比下降，當(dāng)輸入信噪比降到一定程度時就會出現(xiàn)門限效應(yīng)，輸出信噪比將急劇惡化。第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4.3小信噪比時的門限效應(yīng)當(dāng)(Si/Ni)