通信原理教程-使用MATLAB仿真與分析（第2版）課件 第3章 模擬調(diào)制傳輸

3.1模擬幅度調(diào)制

3.1.1模擬幅度調(diào)制的基本原理

3.1.2DSB-SC調(diào)制和AM調(diào)制

3.1.3SSB調(diào)制和VSB調(diào)制

3.2模擬角度調(diào)制

3.2.1角度調(diào)制的基本概念

3.2.2窄帶調(diào)頻和寬帶調(diào)頻

3.2.3調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法

3.3模擬調(diào)制系統(tǒng)的解調(diào)

3.3.1相干解調(diào)

3.3.2非相干解調(diào)第3章模擬調(diào)制傳輸13.4模擬調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

3.4.1抗噪聲性能分析模型

3.4.2輸入信噪比的計(jì)算

3.4.3輸出信噪比和信噪比增益

3.5模擬調(diào)制應(yīng)用舉例（*）

3.5.1頻分復(fù)用

3.5.2廣播電視通信系統(tǒng)

3.5.3調(diào)頻立體聲廣播第3章模擬調(diào)制傳輸2調(diào)制載波：

已調(diào)信號(hào)：3.1模擬幅度調(diào)制33.1.1基本原理所謂幅度調(diào)制，就是用模擬基帶信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使其幅度隨基帶信號(hào)而變化。A為載波幅度；ωc為載波角頻率；fc=ωc/(2π)為載波頻率，簡(jiǎn)稱為載頻；m(t)：基帶信號(hào)。45頻譜分析——已調(diào)信號(hào)帶寬為基帶信號(hào)帶寬的2倍。頻譜是線性搬移。下邊帶上邊帶6例3-1已知基帶信號(hào)為

對(duì)其采用調(diào)幅傳輸，假設(shè)載波為余弦信號(hào)，頻率為6kHz，幅度為1，初始相位為0。（1）求調(diào)幅信號(hào)的時(shí)間表達(dá)式sm(t)。（2）分別畫出基帶信號(hào)和調(diào)幅信號(hào)的頻譜圖。解：(1)(2)頻譜圖如圖所示。7下邊帶上邊帶83.1.2DSC-SC和AM調(diào)制DSB-SC調(diào)制（抑制載波的雙邊帶調(diào)制）已調(diào)信號(hào)中沒有頻率等于載波頻率的載波分量；在載頻兩側(cè)分別存在對(duì)稱的上下邊帶；已調(diào)信號(hào)的幅度包絡(luò)不能完全反應(yīng)基帶信號(hào)。9AM調(diào)制

（

幅度調(diào)制、常規(guī)調(diào)幅

）載波分量10調(diào)幅指數(shù)假設(shè)單頻調(diào)制，調(diào)幅指數(shù)：

βAM=Am/A0物理含義：基帶信號(hào)的幅度對(duì)載波幅度的控制程度。

欠調(diào)幅：

βAM<1，Am<A0

滿調(diào)幅：βAM=1，Am=A0

過調(diào)幅：βAM>1，Am>A01112例3-2已知單頻調(diào)制AM信號(hào)的時(shí)間表達(dá)式為（1）求調(diào)幅指數(shù)βAM。（2）分別畫出基帶信號(hào)和AM信號(hào)的頻譜圖。解

（1）由AM信號(hào)的時(shí)間表達(dá)式得到

Am=2，A0=4，則調(diào)幅指數(shù)為

βAM=Am/A0=0.5（2）基帶信號(hào)m(t)=2cos200

t，疊加上直流信號(hào)A0后得到

各頻譜如圖所示。1314AM信號(hào)的功率和調(diào)制效率（以單頻調(diào)制為例）15載波功率Pc邊帶功率Pf調(diào)制效率：在AM信號(hào)總功率中，邊帶功率所占的比重。討論：上述解答是在頻域中，根據(jù)功率譜求功率。如何在時(shí)域中，根據(jù)各信號(hào)的時(shí)間表達(dá)式求功率？16例3-3

已知基帶信號(hào)為

m(t)=8cos200πt，對(duì)其采用調(diào)幅傳輸，假設(shè)A0=10V，載波角頻率為ωc。（1）求調(diào)幅信號(hào)的時(shí)間表達(dá)式sm(t)。（2）求調(diào)幅指數(shù)βAM。（3）求調(diào)幅信號(hào)中的載波功率、邊帶功率和AM信號(hào)的總功率。（4）求調(diào)制效率η。解：17183.1.3SSB和VSB調(diào)制SSB調(diào)制的基本原理低通濾波器，并且其截止頻率等于載頻，則保留下邊帶。此時(shí)稱為L(zhǎng)SB（LowerSideBand）調(diào)制。高通濾波器，則保留上邊帶，此時(shí)稱為USB（UpperSideBand）調(diào)制。1920相移法SSB調(diào)制+：LSB；-：USB討論：如何修改模型，實(shí)現(xiàn)DSB和AM調(diào)制？21例3-4

已知基帶信號(hào)為m(t)=8cos200πt，ωc=2000πrad/s。

（1）分別寫出對(duì)應(yīng)的DSB-SC、LSB、USB信號(hào)的時(shí)間表達(dá)式；

（2）畫出上述各已調(diào)信號(hào)的頻譜。解：2223VSB調(diào)制3.2模擬角度調(diào)制243.2.1基本原理角度調(diào)制就是用基帶信號(hào)去控制載波的相位偏移或頻偏，使其隨基帶信號(hào)的幅度而線性變化，而載波幅度保持不變。其中，

(t)稱為相位偏移，簡(jiǎn)稱相偏；

ω(t)=d

(t)/dt稱為角頻率偏移，簡(jiǎn)稱角頻偏；

f(t)=ω(t)/(2π)稱為頻偏。正弦載波的相位和頻率互為微積分，因此相偏發(fā)生變化，頻偏也將隨之變化。反之亦然。25調(diào)相：相偏與基帶信號(hào)成正比，KP：相移常數(shù)，基帶信號(hào)幅度對(duì)載波相位的調(diào)制深度，單位為rad/V。KF：頻偏常數(shù)（調(diào)頻靈敏度），基帶信號(hào)幅度對(duì)載波頻率的調(diào)制深度。調(diào)頻：頻偏與基帶信號(hào)成正比，調(diào)相和調(diào)頻注意，兩個(gè)定義式中KF的單位不同，分別為rad/(s

V)和Hz/V，數(shù)值上相差2π倍。2627調(diào)頻指數(shù)和最大頻偏（以單頻調(diào)制為例）調(diào)頻指數(shù)：最大角頻偏：最大頻偏：調(diào)頻指數(shù)表示的是調(diào)頻信號(hào)的最大相偏；最大頻偏反映了基帶信號(hào)對(duì)載波頻偏的改變程度。28例3-5已知基帶信號(hào)為m(t)=8cos100

tV，對(duì)其進(jìn)行頻率調(diào)制，載波幅度為5V，載波頻率為1000

rad/s，頻偏常數(shù)KF=500Hz/V。（1）求最大頻偏

fmax和調(diào)頻指數(shù)

FM；（2）寫出FM信號(hào)的時(shí)間表達(dá)式。解：29例3-6已知某單頻調(diào)制調(diào)頻波為（1）求角頻偏

(t)和頻偏

f(t)；（2）求調(diào)頻指數(shù)

FM、最大角頻偏

max和最大頻偏

fmax；（3）若頻偏常數(shù)KF=107

rad/(s

V)，求基帶信號(hào)的幅度Am。解：（1）30（2）

FM=4，

max=4

106

rad/s，

fmax=

max/(2

)=2MHz。（3）基帶信號(hào)的幅度為例3-6已知某單頻調(diào)制調(diào)頻波為（2）求調(diào)頻指數(shù)

FM、最大角頻偏

max和最大頻偏

fmax；（3）若頻偏常數(shù)KF=107

rad/(s

V)，求基帶信號(hào)的幅度Am。解：313.2.2窄帶調(diào)頻和寬帶調(diào)頻當(dāng)調(diào)頻指數(shù)βFM<<1，頻率調(diào)制所引起的最大相偏遠(yuǎn)小于π/6rad或者近似為0.5rad時(shí)，這樣的頻率調(diào)制稱為窄帶調(diào)頻（NBFM）。否則，當(dāng)調(diào)頻指數(shù)βFM>>1，頻率調(diào)制所引起的最大相偏遠(yuǎn)大于π/6rad或者0.5rad時(shí)，這樣的頻率調(diào)制稱為寬帶調(diào)頻（WBFM）。32調(diào)頻信號(hào)的頻譜載波分量一次邊頻分量二次邊頻分量33例3-7已知基帶信號(hào)m(t)=2cos200πt，對(duì)其進(jìn)行調(diào)頻傳輸，載波頻率fc=1kHz，幅度A=10V，頻偏常數(shù)KF=80Hz/V。（1）分析并畫出FM信號(hào)的頻譜圖；（2）說明該調(diào)頻信號(hào)中含有哪些分量。查表時(shí)注意利用Jn(

FM)的如下性質(zhì)：解：由

FM查表得到各項(xiàng)Jn(

FM)，據(jù)此確定頻譜。34WBFM信號(hào)中含有載頻分量和各次邊頻分量，其中一次邊頻分量可以認(rèn)為是由基帶信號(hào)的頻譜搬移到載頻位置而得到的。除此之外，WBFM信號(hào)中還有其它的邊頻分量。因此，寬帶調(diào)頻是頻譜的非線性搬移，屬于非線性調(diào)制。35調(diào)頻信號(hào)的帶寬——卡森公式當(dāng)|n|>1+βFM時(shí)，各分量的幅度不超過未調(diào)載波幅度的10%，忽略這些分量，得到WBFM信號(hào)的帶寬近似為當(dāng)βFM<<1時(shí)，Bf≈2fm，帶寬近似等于基帶信號(hào)頻率的2倍，這就是窄帶調(diào)頻的情況。當(dāng)βFM>>1時(shí)，Bf≈2βFMfm=2

fmax，其中

fmax為調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏。結(jié)論：調(diào)頻信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于調(diào)幅信號(hào)的帶寬，或者說調(diào)頻系統(tǒng)的有效性不如調(diào)幅系統(tǒng)。36調(diào)頻信號(hào)的功率載波分量：n次邊頻分量：FM信號(hào)總功率：FM信號(hào)的總功率只決定于未調(diào)載波的幅度而恒定不變。調(diào)頻指數(shù)的大小將影響FM信號(hào)中載波分量和各次邊頻分量的功率發(fā)生變化。調(diào)頻的實(shí)質(zhì)是用基帶信號(hào)去控制和改變已調(diào)信號(hào)中各分量的功率分配關(guān)系。37例3-8

已知基帶信號(hào)m(t)=3cos200πt，對(duì)其進(jìn)行調(diào)頻傳輸，載波幅度A=10V，頻偏常數(shù)KF=100Hz/V。（1）求調(diào)頻信號(hào)的總功率；（2）求已調(diào)信號(hào)中載波分量的功率和帶寬范圍內(nèi)邊頻分量的功率；（3）若將基帶信號(hào)的幅度放大為5V，重做（2）。（2）解：(1)總功率為38帶寬范圍內(nèi)只有載波分量和1~4次邊頻分量，功率分別為：（3）當(dāng)Am=5V時(shí)，調(diào)頻指數(shù)變?yōu)?93.2.3調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法直接法：VCO、鎖相環(huán)直接實(shí)現(xiàn)。間接法（倍頻法）

調(diào)相法實(shí)現(xiàn)窄帶調(diào)頻；

再通過倍頻得到寬帶調(diào)頻。阿姆斯特朗法

在間接法調(diào)頻的基礎(chǔ)上，將混頻器和倍頻器配合使用，以得到頻偏和載波頻率都可獨(dú)立調(diào)節(jié)的寬帶調(diào)頻信號(hào)。3.3模擬調(diào)制系統(tǒng)的解調(diào)403.3.1相干解調(diào)以DSB為例。為正確還原原始基帶信號(hào)，要求解調(diào)載波必須與發(fā)送端的調(diào)制載波完全同頻同相，稱為相干載波。41解調(diào)的實(shí)質(zhì)，仍然是頻譜的搬移。423.3.2非相干解調(diào)對(duì)AM信號(hào)，當(dāng)工作在欠調(diào)幅和滿調(diào)幅狀態(tài)時(shí)，其幅度包絡(luò)與基帶信號(hào)的幅度變化規(guī)律完全相同。因此只需通過簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波提取出幅度包絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)解調(diào)。對(duì)WBFM信號(hào)，載波頻率的變化與基帶信號(hào)的幅度變化規(guī)律完全相同，因此只要將載波頻率的變化轉(zhuǎn)化為幅度包絡(luò)的變化，也可以采用包絡(luò)檢波實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

由于這種解調(diào)方式不需要相干載波，因此稱為非相干解調(diào)。43以WBFM為例。微分器輸出調(diào)幅調(diào)頻信號(hào)，幅度頻率都隨基帶信號(hào)而變：包絡(luò)檢波和LPF提取幅度包絡(luò)：3.4模擬調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能443.4.1分析模型假設(shè)信道的頻率特性是理想的，即已調(diào)信號(hào)s(t)通過信道傳輸時(shí)無失真，只是幅度上可能會(huì)有衰減、時(shí)間上可能會(huì)有延遲。信道引入加性高斯白噪聲n(t)，與已調(diào)信號(hào)疊加在一起后送入接收機(jī)。45接收機(jī)中的帶通濾波器用于選擇需要接收的信號(hào)，已調(diào)信號(hào)無失真全部通過，得到si(t)=s(t)。BPF對(duì)高斯白噪聲過濾后，得到窄帶高斯白噪聲ni(t)。解調(diào)器對(duì)輸入的有用信號(hào)和噪聲進(jìn)行同樣的變換處理，輸出中也同時(shí)含有有用信號(hào)so(t)和噪聲no(t)。46輸入信噪比

SNRi=Si/Ni

解調(diào)器輸入端有用信號(hào)si(t)和噪聲ni(t)的平均功率之比。

輸入信噪比反映了發(fā)送端到接收端之間傳輸?shù)臈l件和環(huán)境，或者說接收條件的優(yōu)劣。例如，發(fā)送端發(fā)送的有用信號(hào)功率越大，信道傳輸過程中對(duì)有用信號(hào)的衰減越小，信道引入噪聲的強(qiáng)度越小，則SNRi也就越大。47輸出信噪比

SNRo=So/No

解調(diào)器輸出端有用信號(hào)so(t)和噪聲no(t)的平均功率之比。

對(duì)用戶來說，希望解調(diào)輸出信號(hào)中有用信號(hào)的功率越大越好，而噪聲的功率越小越好，SNRo越大越好。輸出信噪比不僅決定于調(diào)制解調(diào)方式，還與接收機(jī)輸入端引入的信號(hào)和噪聲的強(qiáng)弱有關(guān)。48信噪比增益（調(diào)制制度增益）G=SNRo/SNRi信噪比增益G表示的物理含義是解調(diào)器對(duì)信噪比的改善程度。如果G>1，則意味著信號(hào)和噪聲通過解調(diào)器時(shí)，有用信號(hào)相對(duì)于噪聲的功率得到放大和提高。反之，如果G<1，則表示通過解調(diào)后，有用信號(hào)相對(duì)于噪聲的功率減小了，這當(dāng)然是不希望的。493.4.2輸入信噪比的計(jì)算假設(shè)基帶信號(hào)的最高頻率都為fm，則AM和DSB：B=2fm；SSB：B=fm；FM：B=2(1+βFM)fm。輸入噪聲的平均功率50時(shí)域計(jì)算——輸入信號(hào)的平均功率51輸入信噪比以DSB和FM為例。523.4.3輸出信噪比和信噪比增益（以DSB為例）考慮噪聲時(shí)的解調(diào)過程535455SSB和DSB相干解調(diào)的信噪比增益相差2倍，但如果接收條件相同，兩種傳輸方式的輸出信噪比是完全相同。也就是說，DSB和SSB相干解調(diào)具有相同的抗噪聲性能。幾點(diǎn)說明——對(duì)單頻調(diào)制AM非相干解調(diào)，G=2

2/(2+

2)=2

。

對(duì)于欠調(diào)幅和滿調(diào)幅，由于

1，

1/3，因此G

2/3。這就意味著通過解調(diào)，信噪比沒有得到改善，所以AM調(diào)制傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能比較差。對(duì)單頻調(diào)制寬帶調(diào)頻非相干解調(diào)，信噪比增益近似為56調(diào)頻系統(tǒng)可以通過增大帶寬來獲取抗噪聲性能即可靠性的提高。

調(diào)頻指數(shù)增大，帶寬增大，有效性降低；

調(diào)頻指數(shù)增大，信噪比增益IT高，可靠性提高。對(duì)非相干解調(diào)，當(dāng)接收條件較差，輸入信噪比比較小時(shí)，輸出信噪比將急劇下降。這種現(xiàn)象稱為門限效應(yīng)。

所有的相干解調(diào)器都不存在門限效應(yīng)，輸出信噪比一定隨著輸入信噪比呈正比變化。57例3-10已知接收到的已調(diào)信號(hào)功率為1mW，基帶信號(hào)的帶寬為2kHz，信道噪聲雙邊功率譜密度為1nW/Hz。當(dāng)已調(diào)信號(hào)分別DSB和SSB信號(hào)時(shí)，求相干解調(diào)時(shí)的輸出信噪比。解：（1）DSB相干解調(diào)器（2）SSB相干解調(diào)器58例3-11參數(shù)同例3-10，當(dāng)已調(diào)信號(hào)為滿調(diào)幅AM信號(hào)時(shí)，求非相干解調(diào)時(shí)的輸出信噪比。解：

滿調(diào)幅時(shí)，59例3-12已知基帶信號(hào)為4kHz的單頻余弦信號(hào)，發(fā)送端發(fā)射已調(diào)信號(hào)的功率為2.4kW，信道噪聲單邊功率譜密度為5nW/Hz，信道損耗50dB。當(dāng)調(diào)頻指數(shù)分別為5和10時(shí)，比較傳輸帶寬和輸出信噪比。解：

（1）當(dāng)

βFM=5

時(shí)，（2）當(dāng)

βFM=10時(shí)，3.5模擬調(diào)制應(yīng)用舉例603.5.1頻分復(fù)用頻分復(fù)用（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing）是根據(jù)調(diào)制的基本原理，利用同一個(gè)信道實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)互不干擾地同時(shí)傳輸?shù)囊环N技術(shù)。頻分復(fù)用的基本原理是利用調(diào)制技術(shù)，將需要傳輸?shù)母髀坊鶐盘?hào)頻譜搬移到不同的載波頻率附近，分別占據(jù)信道的不同頻段范圍實(shí)現(xiàn)傳輸。在接收端只需要用中心頻率不同的帶通濾波器即可將各路信號(hào)分開，從而只接收指定的一路信號(hào)。6162載波電話FDM最典型的應(yīng)用是載波電話，是利用同一條電話線同時(shí)傳輸多路電話語音信號(hào)。在載波電話通信系統(tǒng)中，各路語音信號(hào)一般采用單邊帶調(diào)制，每路電話信號(hào)的頻帶限制在300~3400Hz。此外，各路信號(hào)之間還留有一定的防護(hù)頻帶，總的帶寬取為4kHz。為了獲得更高的頻帶利用率，通過同一條信道能夠傳輸更多路信號(hào)，一般采用多級(jí)復(fù)用的層次結(jié)構(gòu)：12路電話復(fù)用為一個(gè)基群；由5個(gè)基群復(fù)用為一個(gè)超群；10個(gè)超群復(fù)用為一個(gè)主群；……巨群。63由于每路電話信號(hào)的帶寬為4kHz，因此12路復(fù)用得到基群信號(hào)總的頻帶寬度為48kHz，頻帶范圍為60~108kHz。復(fù)用過程中假設(shè)每路信號(hào)采用下邊帶調(diào)制，因此對(duì)第n路信號(hào)調(diào)制所用的載波頻率為64+4(n-1)kHz。多路載波電話系統(tǒng)基群的頻譜結(jié)構(gòu)643.5.2廣播電視通信系統(tǒng)調(diào)幅廣播

一般采用AM調(diào)制，根據(jù)所用的波段分為中波和短波廣播兩種。中波廣播的載頻為535kHz~1605kHz；短波廣播采用的載頻為3.9MH