第五章模拟调制系统

调制简介—定义目的
线性调制（幅度调制）原理
线性调制系统的抗噪声性能
非线性调制（角度调制）原理
各种模拟调制系统的性能比较
频分复用（FDM）

调制定义

把信号形式转换成适合在信道中传输的一种过程。

载波调制

用调制信号控制载波参数，是载波的某一个或者某几个参数按照调制的规律变化。

调制作用目的

进行频谱搬移，匹配信道特性，减小天线尺寸；实现多路复用，提高信道利用率；改善系统性能（有效性、可靠性）；实现频率分配。

幅度调制（线性调制）原理

幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。

载波

幅度调制信号
$s_m(t)=Am(t)cos\omega_ct$
设调制信号m(t)的频谱 $M(\omega)$
$S_m(\omega)=\frac{A}{2}[M(\omega+\omega_c)+M(\omega-\omega_c)]$
由上述公式可见，在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信号的规律而呈正比的变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号的频谱在频域内的简单搬移。

5.1.1调幅

标准调幅是双边带调制 AM Amplitude Modulation
调制信号 $m(t)$ 的平均值为0，将其叠加一个直流偏量 $A_0$ 后与载波相乘得到调幅信号。
$S_AM(t)=[A_0+m(t)]cos\omega_ct$

AM信号的特点

1、 $|m(t)|_max \leq A_0$ 时，AM波的包络正比于调制信号m(t)，故可采用包络检波;否则出现“过调幅”现象，包络检波失真，相干解调。
2、AM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。
3、AM传输带宽是调制信号带宽的两倍，即 $B_AM=2f_H$
4、AM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。

AM信号的缺点

AM信号功率 $P_{AM}=\frac{A^2_0}{2}+\frac{ \overline{m^2(t)} }{2}=P_c+P_s$
$P_c$ 为载波功率， $P_s$ 为边带功率

调制效率：有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率比例（较低）
$\eta_{AM}= \frac {P_s}{P_{AM}}=\frac{\overline{m^2(t)}}{A_0^2+\overline{m^2(t)}}$

5.1.2双边带调制（DSB-SC）

抑制载波双边带信号将AM调制模型 $A_0$ 去掉，时域表达式 $s_{DSB}(t)=m(t)cos\omega_ct$
DSB频谱与AM相近，只是没有在 $±\omega$ 处的载波分量
$S_{DSB}(\omega)=\frac {1}{2}[M(\omega+\omega_c)+M(\omega-\omega_c)]$

DSB信号的特点

包络不再与m(t)成正比；当m(t)改变符号时载波相位反转，故不能采用包络检波，需相干解调。
无载频分量，只有上、下边带。
带宽与AM的相同： $B_{DSB}=B_{AM}=2f_H$
调制效率100%，即功率利用率高。
主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。

5.1.3单边带调制SSB

双边带信号一个边带滤除：滤波法、相移法。

滤波法

原理：先行成DSB信号，边带滤波形成上边带和下边带信号。要求滤波器在载频处有陡峭截止特性。

相移法

SSB信号的特点

频带利用率高，其传输带宽仅为AM的一半，低功耗，不需要载波和另一个边带。设备复杂存在技术难点，需要相干解调。

5.1.4残留边带调制VSB

介于SSB与DSB折中方式，即克服了DSB信号的占用频带的缺点，又解决了SSB信号实现的困难。
残留边带滤波器的特性 $H(\omega)$ 在 $±\omega$ 处必须具有互补对称特性，相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复调制信号。

VSB所需带宽仅比SSB增加一点，却换来了电路简单。

相干解调与包络检波

相干解调

接收端必须提供一个与接收的已调信号载波严格同步（同频同相）的本地载波，它与接收到的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即原始调制信号。

包络检测

$|m(t)|_{max}\leq A_0$

插入载波包络检波法

插入很强载波，使之称为AM信号，则可用包络检波器恢复信号。

5.2线性调制系统的抗噪声性能

制度增益：输出信噪比和输入信噪比的比值

5.2.2DSB调制系统性能

DSB相干解调抗噪声性能分析模型

$G_{DSB}=2$
DSB信号使信噪比改善一倍。相干解调使输入噪声中的一个正交分量 $n_s(t)$ 被消除。

5.2.3SSB调制系统的性能

$G_{SSB}=1$
相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制，故信噪比没有改善。

5.2.4AM保罗检波的性能

大信噪比情况输入信号幅度远大于噪声幅度

$G_{AM}=\frac{2}{3}$

小信噪比情况

输出信噪比低于门限值时，信号被扰乱成噪声，导致输出信噪比急剧恶化--门限效应。有包络检波器的非线性解调作用引起。

5.3角度调制原理

FM频率调制 PM相位调制

5.3.1角度调制的基本概念

一般表达式
$s_m(t)=Acos[\omega_c t + \phi(t)]$

载波恒定振幅 $A$
信号瞬时相位 $\theta(t)=\omega_c t + \phi(t)$
相对于载波相位 $\omega_c t$ 的瞬时相位偏移 $\phi(t)$
信号瞬时角频率 $\omega_c(t)=d[\omega_c t + \phi(t)]/dt$
相对于载频 $\omega_c$ 的瞬时频偏 $d\phi(t)/dt$

PM指瞬时相位偏移随调制信号m(t)作线性变化，即
$\phi(t)=K_pm(t)$ $K_p$ 为相位灵敏度 $rad/V$
$s_{PM}(t)=Acos[\omega_c(t)+K_pm(t)]$

FM指瞬时频率偏移随调制信号m(t)成比例变化，即
$d\phi(t)/dt=K_fm(t)$ $K_f$ 为调频灵敏度 $rad/(s\cdot V)$
此时相位偏移 $\phi(t)=K_f\int m(t)dt$
$s_{FM}(t)=Acos[\omega_c(t)+K_f\int m(t)dt]$

单音调制FM与PM

设调制信号为单一频率正弦波
$m(t)=A_mcos\omega_mt=A_mcos2\pi f_mt$
$s_{PM}(t)=Acos[\omega_c(t)+K_pA_mcos\omega_mt]$
调相指数(最大相位偏移) $m_p=K_pA_m$

$s_{FM}(t)=Acos[\omega_c(t)+K_f A_m\int cos\omega_mtdt]=Acos[\omega_ct+m_fsin\omega_mt]$
调频指数(最大相位偏移) $m_f=\frac{K_fA_m}{\omega_m}=\frac{\Delta\omega}{\omega_m}=\frac{\Delta f}{f_m}$
最大角频偏 $\Delta\omega=K_fA_m$
最大频偏 $\Delta f=m_f\cdot f_m$

不知m(t)形式，不能判断已调信号时PM还是FM

窄带调频、宽带调频

调频信号带宽

调频信号将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。

5.3.4调频信号的产生与解调

直接调频

VCO压控振荡器振荡频率正比与控制电压。
锁相环PLL:晶振 PD相位检测器 LF环路滤波器 VCO

间接调频

积分 ⤑ 调相(NBFM) ⤑ n次倍频 ⤑ WBFM

非相干解调

鉴频器：频率-电压转换鉴频灵敏度 $K_d (V/(rad/s))$

微分器：把调频波变成幅度和频率都随调制信号变化的调幅调频波。
包络检波器：检测幅度变化、滤去直流。
限幅器：消除噪声和其他原因引起的调频波幅度起伏。
带通滤波器BPF：让调频信号顺利通过，滤除带外噪声和高次谐波分量。

相干解调

与线性调制中相干解调一样，要求本地载波与调制载波同步。

5.4调频系统的抗噪声性能

大信噪比的解调增益

$G_{FM}=3m_f^2(m_f+1)$
加大调制指数，改善抗噪声性能，以带宽换取信噪比。

小信噪比

门限效应

降低门限值
预加重：人为地提升调制信号的高频分量，以抵消去加重的影响。
去加重：将调制频率高频端的噪声衰减，时总的噪声功率减少。

5.5 各种模拟调制系统的比较

5.6 频分复用 ( FDM )

复用是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术，其目的是为了充分利用信道的频带或时间资源。
频分复用是一种按频率划分信道的复用方式

最后编辑于：2019.08.23 23:07:35

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第五章 模拟调制系统

调制定义

载波调制

调制作用目的

幅度调制（线性调制）原理

5.1.1调幅

AM信号的特点

AM信号的缺点

5.1.2双边带调制（DSB-SC）

DSB信号的特点

5.1.3单边带调制SSB

滤波法

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5.1.4残留边带调制VSB

相干解调与包络检波

相干解调

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插入载波包络检波法

5.2线性调制系统的抗噪声性能

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5.2.3SSB调制系统的性能

5.2.4AM保罗检波的性能

大信噪比情况 输入信号幅度远大于噪声幅度

小信噪比情况

5.3角度调制原理

5.3.1角度调制的基本概念

单音调制FM与PM

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5.3.4调频信号的产生与解调

直接调频

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5.4调频系统的抗噪声性能

大信噪比的解调增益

小信噪比

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