第四章 模拟通信

通信原理电子教案第4章模拟调制系统学习目标：➢调制的目的、定义和分类；➢幅度调制的原理；➢线性调制系统的抗噪声性能；➢角调制的原理；➢模拟调制系统的性能比较；➢频分复用（FDM）的基本原理。

重点难点：各种线性调制的时域和频域表示，时域波形和频域结构，调制器和解调器原理框图，抗噪声性能，门限效应；FM与PM的关系，调频指数与最大频偏的定义，卡森公式。

课外作业：4-1，4-2，4-5，4-6，4-,7，4-8，4-11，4-12，4-13，4-14，4-17本章共分5讲（总第13~17讲）第十三讲幅度调制的原理（一）主要内容：AM和DSB的调制原理，已调信号的时域波形和频谱分布；SSB的滤波法调制原理。

引言：基带信号具有较低的频率分量，不宜通过无线信道传输。

因此，在通信系统的发送端需要由一个载波来运载基带信号，也就是使载波信号的某一个（或几个）参量随基带信号改变，这一过程就称为调制。

在通信系统的接收端则需要有解调过程。

调制的目的是：（1）将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）；（2）实现信道的多路复用，提高信道利用率；（3）减小干扰，提高系统抗干扰能力；（4）实现传输带宽与信噪比之间的互换。

根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；根据载波的选择可分为以正弦波作为载波的连续波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制。

本章重点讨论用取值连续的调制信号去控制正弦载波参数的模拟调制。

§4.1 幅度调制（线性调制）的原理一、幅度调制器的一般模型幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化。

幅度调制器的一般模型如图所示。

图4-1 幅度调制器的一般模型已调信号的时域和频域表示式:)(]cos )([)(t h t t m t s c m *=ω)()])([21)(ωωωωωωH M M S c c m -++= 幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。

由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。

在该模型中，适当选择滤波器的特性)(ωH ，便可以得到各种幅度调制信号。

1. 调幅(AM)在图4-1中，假设)()(t t h δ=，调制信号)(t m 叠加直流0A 后与载波相乘，就可形成调幅(AM)信号。

图4-2 AM 调制器模型AM 信号时域和频域表示式：t t m t A tt m A t s c c c AM ωωωcos )(cos cos )]([)(00+=+=)]()([21)]()([)(0c c c c AM M M A S ωωωωωωδωωδπω-+++-++=式中 )(t m 通常认为其平均值0)(=t m 。

图4-3 AM 信号的波形和频谱由图4-3的时间波形可知，当满足条件 x ma t m )(≤0A 时，AM 信号的包络与调制信号成正比，所以用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号，否则，将会出现过调幅现象而产生包络失真。

AM 信号的频谱)(ωAM S 由载频分量和上、下两个边带组成，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同， H AM f B 2= 。

t t m A t tm t A tt m A t s P c c c c AM AM ωωωω20222202202cos )(2cos )(cos [cos )]([)(++=+==AM 信号功率：S c AM P P t m A P +=+=2)(2220 式中2/20A P c =为载波功率，2/)(2t m P s =为边带功率。

由此可见，AM 信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。

载波分量不携带信息，仍占据大部分功率，因此，AM 信号的功率利用率比较低。

2. 抑制载波双边带调制（DSB-SC ）在AM 信号中，如果将载波抑制，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB ）。

DSB 信号时域和频域表示式：t t m t s c DSB ωcos )()(=)]()([21)(c c DSB M M S ωωωωω-++=图4-4 DSB 信号的波形和频谱由时间波形可知，DSB 信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调(同步检波)。

另外，在调制信号)m的过零点处，高频载波相位有180°的突变。

(tDSB信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了。

但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍， DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可。

3.单边带调制(SSB)单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法。

1)用滤波法形成单边带信号产生SSB信号最直观的方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。

图4-5 形成SSB信号的滤波特性图4-6 SSB信号的频谱用滤波法形成SSB信号的技术难点是，由于一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，这要求单边带滤f附近具有陡峭的截止特性，这就使滤波器的设计和制作很困难，为此，波器在c在工程中往往采用多级调制滤波的方法。

第十四讲 幅度调制的原理（二）主要内容： SSB 的相移法调制原理；VSB 的调制原理；线性调制信号的解调原理。

2) 用相移法形成单边带信号SSB 信号的时域表示式的推导比较困难。

但我们可以从简单的单频调制出发，得到SSB 信号的时域表示式，然后再推广到一般表示式。

设单频调制信号为 t A t m m m ωcos )(=，载波为t t c c ωcos )(=，DSB 信号的时域表示式为t A t A tt A t s m c m m C m c m m DSB )cos(21)cos(21cos cos )(ωωωωωω-++== 保留上边带，则t A t A t A t s c m m c m m m C m USB ωωωωωωsin sin 21cos cos 21)cos(21)(-=+= 保留下边带，则t t A t t A t A t s c m m c m m m C m LSB ωωωωωωsin sin 21cos cos 21)cos(21)(+=-= t t A t t A t s c m m c m m SSB ωωωωsin sin 21cos cos 21)(μ= 式中，“-”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。

式中，t A m m ωsin 可以看成是t A m m ωcos 相移2π，而幅度大小保持不变。

我们把这一过程称为希尔伯特变换，记为“∧”，则 ∧t A m m ωcos = t A m m ωsin SSB 信号的时域表示式： t t m t t m t s c c SSB ωωsin )(ˆ21cos )(21)(μ=式中，^)(t m 是)(t m 的希尔伯特变换。

若)(ωM 为)(t m 的傅氏变换，则^)(t m 的傅氏变换^)(ωM 为]sgn [)()(^ωωωj M M -⋅=式中符号函数⎩⎨⎧<->=0,10,1sgn ωωω设 ωωωωsgn )(/)()(^j M M H h -==我们把)(ωh H 称为希尔伯特滤波器的传递函数，它实质上是一个宽带相移网络，表示把)(t m 幅度不变，所有的频率分量均相移2π，即可得到^)(t m 。

单边带调制相移法的模型，如图4-7所示。

图4-7 相移法形成单边带信号相移法形成SSB 信号的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号)(t m 的所有频率分量都必须严格相移2π，这一点即使近似达到也是困难的。

SSB 调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为 H SSB f B =，因此目前已成为短波通信中一种重要调制方式。

SSB 信号的解调和DSB 一样不能采用简单的包络检波，仍需采用相干解调。

4. 残留边带调制(VSB)残留边带调制是介于SSB 与DSB 之间的一种调制方式，它既克服了DSB 信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB 信号实现上的难题。

在VSB 中，不是完全抑制一个边带（如同SSB 中那样），而是逐渐切割，使其残留—小部分，如图4-8（d ）所示。

图4-8 DSB 、SSB 和VSB 信号的频谱用滤波法实现残留边带调制的原理如图4-9(a)所示。

图中,滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计。

图4-9 (a) VSB 调制器模型 (b) VSB 解调器模型由图4-9(a)可知，残留边带信号的频谱为M S VSB [21)(=ω(ω++)c ω M (ω-)]c ω)(ωVSB H 为了确定)(ωVSB H 应满足的条件，我们来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信号的。

VSB 信号必须采用如图4-9(b)所示的相干解调。

图中，残留边带信号)(t s VSB与相干载波t c ωcos 2的乘积为t t s c VSB ωcos )(2⇔ )]()([c VSB c VSB S S ωωωω-++选择合适的低通滤波器，则低通滤波器的输出为)]()()[(21)(0c VSB c VSB H H M S ωωωωωω-++= 为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号，必须要求H c VSB c VSB H H ωωωωωω≤=-++常数，)()(式中，H ω是调制信号的最高频率。

满足上式的)(ωVSB H 的可能形式有两种：图4-10（a ）所示的低通滤波器形式和（b ）所示的带通（或高通）滤波器形式。

图4-10 （a ）残留部分上边带的滤波器特性（b ）残留部分下边带的滤波器特性几何解释：以残留上边带的滤波器为例，它是一个低通滤波器。

这个滤波器将使上边带小部分残留，而使下边带绝大部分通过。

将)(ωVSB H 进行c ω±的频移，分别得到)(c VSB H ωω-和)(c VSB H ωω+ ，将两者相加，其结果在H ωω<范围内应为常数，为了满足这一要求，必须使)(c VSB H ωω-和)(c VSB H ωω+在0=ω处具有互补对称的滚降特性。

只要残留边带滤波器的特性)(ωVSB H 在c ω±处具有互补对称（奇对称）特性，那么，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号。

图4—11 残留边带滤波器的几何解释二、 线性调制信号的解调1. 相干解调法适用：AM 、DSB 、SSB 、VSB2. 包络检波法适用：AM第十五讲 线性调制系统的抗噪声性能（一） ()m s t BPF LPF ⨯cos c t ω()o t ()m s t BPF LPF ()o m t 整流包络检波器主要内容：分析模型；DSB 和SSB 系统相干解调的抗噪声性能；AM 系统包络检波抗噪声性能的分析思路。