通信原理电子教案第3章(模拟调制)
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8
式中，λ为波长（m）；c为电磁波传播速度（光速） （m/s）；f为音频（Hz）。
第3章
模拟调制系统
可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天
线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高（不 包括天线底座或塔座）。因此，要想把音频信号通过 可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发 射信号的频率（频率越高波长越短）。
m(t) 1+m(t)
+1 =
1 0
1+m(t)
1 0
=
第3章
模拟调制系统
– 频谱
• 含离散载频分量，带宽是基带信号带宽的两倍。 • 总功率包括载波功率和边带功率两倍分。当m(t)为余弦波，
且m＝100％时，两边带功率之和 ＝ 载波功率之半。
m(t) 1+m(t)
M(f)
1 0
c(t)
模拟调制系统
从通信的角度上看，上式中两个余弦信号相乘与
调制过程相似，可以看成对一个信号（载波）用另一 个同频同相的载波进行一次“调制”，即可得到一个
直流分量和一个二倍于载频的载波分量。相干解调正
是利用这一原理。请看下式
sDSB (t ) cos ct f (t ) cos ct cos ct f (t ) cos ct
用率之低，人们是无法接受的；二是利用无线电通信
时，需满足一个基本条件，即欲发射信号的波长（两 个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的 几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出 去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。而 音频信号的频率范围是20Hz～20kHz，最小的波长为
c 3 10 1.5 104 (m) f 20 103
第3章
模拟调制系统
AM信号的解调：包络检波
– 原理：
整流器
低通滤波器
图3.2.4 包络检波器解调调幅信号
– 性能：设输入电压为 y(t ) {[1 m' (t )]A nc (t )}cos0 t ns (t ) sin 0 t
式中， nc (t ) cos0 t ns (t ) sin 0 t
Acos0t
H(f)
s(t)
已调 信号
m(t ) M ( f )
m(t ) A cos 0 t S ( f )
式中，
S ( f )
A [ M ( f f 0 ) M ( f f 0 )] 2
第3章
模拟调制系统
1
振幅调制(AM)
常规双边带调制，简称调幅（AM）。假 设调制信号m(t)的平均值为0，将其叠加一个
第3章
模拟调制系统
3
单边带调制（SSB)
从上述的双边带调制（AM和DSB）中可知，上下
Leabharlann Baidu
两个边带是完全对称的，即两个边带所包含的信息完 全一样。那么在传输时，实际上只传输一个边带就可 以了，而双边带传输显然浪费了一个边带所占用的频 段，降低了频带利用率。对于通信而言，频率或频带 是非常宝贵的资源。因此，为了克服双边带调制这个 缺点，人们又提出了单边带调制的概念。
（传播）,那么在传播人声时，我们可以用话筒把人声 变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）
播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此声音
可以传得比较远（见下图）。
扩音机 话筒 扬声器
远距离传 输怎么办？
扩音示意图
第3章
模拟调制系统
大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，但会
出现两个问题，一是铺设一条几十千米甚至上百千米 的电缆只传一路声音信号，其传输成本之高、线路利
0
t
－H
0
H
(b) 调制信号
sm(t)＝c(t) f (t) 0
(e) 调制信号频谱
Sm() 2H t －c 0
c
(c) 已调信号
(f) 已调信号频谱
抑制载波的双边带调幅示意图
第3章
模拟调制系统
这种已调信号的频谱中包含上、下两个边带且没
有冲激分量的调幅方法称为抑制载波的双边带调幅。 抑制载波的双边带调幅已调信号通常记为sDSB(t)。抑制 载波的双边带调幅可直接用乘法器产生，其调制模型 见下图。
第3章
模拟调制系统
下面用一个生活中的例子帮助大家理解调制的概
念：比如，我们要把一件货物运到几千千米外的地方， 我们必须使用运载工具，或汽车、或火车、或飞机。
在这里，货物相当于调制信号，运载工具相当于载波；
把货物装到运载工具上相当于调制，从运载工具上卸 下货物就是解调。这个例子虽然不十分贴切，但基本 上类似于调制原理。有了调制的概念，我们就会关心 下一个问题：如何对信号进行调制呢？
为检波器输入噪声电压 y(t)的包络： 在大信噪比下：
V y (t ) {[1 m' (t )] A nc (t )} 2 ns2 (t )
Vy (t ) [1 m' (t )]A nc (t )
第3章
模拟调制系统
检波后（已滤除直流分量）：
v(t ) m' (t ) A nc (t ) 输出信号噪声功率比：
A
t
-fm
fm
f
C(f)
载波功率
上边带功率
下边带功率
t
-A
-f0 f0
f
s(t)
S (f)
t
2fm
-f0
2fm
f0
f
第3章
模拟调制系统
– AM信号的解调：
由于载波中并不包含有用信息，因此发送载波对信息的传送
没有意义，而且造成功率浪费。那么多用一些功率发射载波分量
有什么好处呢？其优点体现在解调上。根据相干解调的原理， AM信号同样可以采用相干解调法解调。但我们之所以要多“浪 费”一些功率去发射没有信息的载波分量，就是要在解调上“拣 个便宜”，也就是要在解调上省点事儿。而这个“便宜”就是包 络解调法或叫包络检波法。
调制信号 m (t )
调制器
已调信号 s (t)
图3.1.1 调制器
• 已调信号s(t) － 调制后的载波称为已调信号 • 调制器 －进行调制的部件
– 通常载波频率比调制信号的最高频率要高得多。比如中波收 音机频段的最低频率（载波频率）为535kHz，比音频最高频 率20kHz高25余倍。
第3章
模拟调制系统
直流偏量后与载波相乘，即可形成调幅信号。
第3章
模拟调制系统
基本原理 设: m(t) = [1+m(t)]， |m(t)| 1， |m (t)| /A= m 1 ( 调幅度)
则有调幅信号： s(t) = [1+m(t)]Acos0t，
式中， [1+m(t)] 0，即s(t) 的包络是非负的。
第3章
模拟调制系统
第3章 模拟调制系统
教学要求 1.了解模拟调制的发展趋势、应用场合。 2.熟悉线性调制方式的时域波形和频谱结构，以及相互间的联系 和区别。 3.熟悉非线性调制频谱结构特点。 4.掌握调制的目的、定义和分类。 5.掌握线性调制四种调制方式各自的原理、特点、时域和频域表 示式及解调方法。 6.掌握非线性调制的原理、特点、时域表示。 7.掌握瞬时频率、瞬时相位的概念和调频信号带宽的计算。
2
1 1 f (t ) f (t ) cos 2ct 2 2
(2―3)
第3章
模拟调制系统
该式表明，接收端只要对接收到的抑制载波双边
带调幅信号再用与原载波同频同相的载波“调制”一 下，即可得到含有原始信号分量的已调信号。对于上
式中的二倍频载波分量，可以用一个低通滤波器滤除
掉，剩下的就是原始信号分量。这种在接收端利用同 频同相载波对抑制载波双边带调幅信号直接相乘进行 解调的方法就叫相干解调或同步解调。解调框图见下 图
sD SB(t) 低通滤波器 Kf (t)
cos ct
相干解调框图
第3章
模拟调制系统
第3章
模拟调制系统
AM和DSB的性能比较
AM和DSB虽然都属于幅度调制的范畴， 但在性能上各有千秋。在这里我们主要从两个
方面来加以比较：一个是发射效率，另一个是
总的使用成本。
第3章
模拟调制系统
如果把发射边带信号的平均功率和发射载波的平
第3章
模拟调制系统
S(f)
上边带 下边带 上边带
– 调制原理：
f (t) sD SB(t) 单边带滤波器 HS SB() sSS B(t)
-f0
0 (a) 滤波前信号频谱
f0
f
c(t)＝cos ct
上边带
HH(f)特性
S(f)
HH(f)特性 上边带
1. 两个边带包含相同的信息 2. 只需传输一个边带： 上边带或下边带
第3章
模拟调制系统
第一个问题的解决方法是在一个物理信道中对多
路信号进行频分复用（FDM，Frequency Division Multiplex）；第二个问题的解决方法是把欲发射的低
频信号“搬”到高频载波上去（或者说把低频信号
“变”成高频信号）。两个方法有一个共同点就是要 对信号进行调制处理。 对于调制，我们给出一个概括性的定义：让载波 的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变 化而变化的过程或方式称为调制。而载波通常是一种 用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含 有任何有用信息。
第3章
模拟调制系统
– 模拟调制：用来自信源的基带模拟信号去调制某载波 。
– 载波：确知的周期性波形 － 余弦波：
c(t ) A cos(0t 0 ) A cos(2f 0t 0 )
式中，A为振幅；
0为载波角频率； 0为初始相位。
– 定义：
• 调制信号m(t) －自信源来的信号
均功率加起来作为总的发射功率，把边带发射功率与 总发射功率之比定义为调制效率的话，则可以证明，
AM调制的最高调制效率为33.3%；DSB的调制效率为
100%。也就是说，在同等信号功率的前提下，AM的 总功率至少要大于（或等于）DSB总功率的三倍。
第3章
模拟调制系统
虽然从发送信息的角度上看，AM的成本较高，技 术较复杂。但却因为解调电路简单而给它的信息接收 者带来了实惠和便宜。信息接收者（用户）越多，这 种效益越明显。因此，一般来说，在总的使用成本上 AM调制要比DSB低。大家所熟悉的无线电广播（点到 多点）就是采用AM调制。DSB的发射系统虽然比AM 经济，但它的接收机却比较复杂，因此，一般多用于 一些不在乎成本的专用（点对点）通信中。
重点理解线性及非线性调制信号的产生和解调过程
第3章
模拟调制系统
3.1 概述
调制是通信原理中一个十分重要的概念，是一种 信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据 通信中都扮演着重要角色。 那么为什么要对信号进行调制处理？什么是调制 呢？我们先看看下面的例子。
第3章
模拟调制系统
我们知道，通信的目的是为了把信息向远处传递
f (t)
sD SB(t)
cos ct
抑制载波的双边带调幅模型图
第3章
模拟调制系统
DSB信号的解调
对于抑制载波双边带调幅信号的解调通常采 用相干解调法。
从数学的三角函数变换公式中可知
1 1 cos c t cos c t cos c t cos 2c t 2 2
2
第3章
由于m(t) 1，显然上式比值r0/ri小于1，即检波后信噪比下降 了。
第3章
模拟调制系统
2 双边带（DSB）调制
– 原理：调制信号m(t)没有直流分量时，得到DSB信号 。 – 频谱：两个边带包含相同的信息 。
第3章
模拟调制系统
c(t) C()
0
t
－c
0
c
(a) 载波
f (t)
(d) 载波频谱 F()
2 r0 E[m'2 (t ) A2 / nc (t )]
∵在检波前的信号噪声功率比等于
1 2 ri E 1 m' (t ) A 2 / n 2 (t ) 2
∴检波前后信噪功率比之比为
2 2 2 m' (t ) A / nc (t ) 2m' 2 (t ) r0 E E 1 ri 2 [1 m' (t )]2 2 2 1 m' (t ) A / n (t ) 2
– 调制的目的：
• 将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号
• 把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信 道的多路复用。 • 改善系统抗噪声性能
– 模拟调制的分类：
• 线性调制：调幅、单边带、双边带、残留边带… • 非线性调制（角度调制）：频率调制、相位调制
第3章
模拟调制系统
3.2 线性调制 设载波为：c(t) = Acos0 t = Acos2 f0t 调制信号为能量信号m(t)，其频谱为M(f ) s(t) 相乘结果： s(t) 调制 信号 滤波输出： s(t) m(t) 用“”表示傅里叶变换：
-f0 0 f0 f (b) 上边带滤波器特性和信号频谱
式中，λ为波长（m）；c为电磁波传播速度（光速） （m/s）；f为音频（Hz）。
第3章
模拟调制系统
可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天
线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高（不 包括天线底座或塔座）。因此，要想把音频信号通过 可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发 射信号的频率（频率越高波长越短）。
m(t) 1+m(t)
+1 =
1 0
1+m(t)
1 0
=
第3章
模拟调制系统
– 频谱
• 含离散载频分量，带宽是基带信号带宽的两倍。 • 总功率包括载波功率和边带功率两倍分。当m(t)为余弦波，
且m＝100％时，两边带功率之和 ＝ 载波功率之半。
m(t) 1+m(t)
M(f)
1 0
c(t)
模拟调制系统
从通信的角度上看，上式中两个余弦信号相乘与
调制过程相似，可以看成对一个信号（载波）用另一 个同频同相的载波进行一次“调制”，即可得到一个
直流分量和一个二倍于载频的载波分量。相干解调正
是利用这一原理。请看下式
sDSB (t ) cos ct f (t ) cos ct cos ct f (t ) cos ct
用率之低，人们是无法接受的；二是利用无线电通信
时，需满足一个基本条件，即欲发射信号的波长（两 个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的 几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出 去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。而 音频信号的频率范围是20Hz～20kHz，最小的波长为
c 3 10 1.5 104 (m) f 20 103
第3章
模拟调制系统
AM信号的解调：包络检波
– 原理：
整流器
低通滤波器
图3.2.4 包络检波器解调调幅信号
– 性能：设输入电压为 y(t ) {[1 m' (t )]A nc (t )}cos0 t ns (t ) sin 0 t
式中， nc (t ) cos0 t ns (t ) sin 0 t
Acos0t
H(f)
s(t)
已调 信号
m(t ) M ( f )
m(t ) A cos 0 t S ( f )
式中，
S ( f )
A [ M ( f f 0 ) M ( f f 0 )] 2
第3章
模拟调制系统
1
振幅调制(AM)
常规双边带调制，简称调幅（AM）。假 设调制信号m(t)的平均值为0，将其叠加一个
第3章
模拟调制系统
3
单边带调制（SSB)
从上述的双边带调制（AM和DSB）中可知，上下
Leabharlann Baidu
两个边带是完全对称的，即两个边带所包含的信息完 全一样。那么在传输时，实际上只传输一个边带就可 以了，而双边带传输显然浪费了一个边带所占用的频 段，降低了频带利用率。对于通信而言，频率或频带 是非常宝贵的资源。因此，为了克服双边带调制这个 缺点，人们又提出了单边带调制的概念。
（传播）,那么在传播人声时，我们可以用话筒把人声 变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）
播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此声音
可以传得比较远（见下图）。
扩音机 话筒 扬声器
远距离传 输怎么办？
扩音示意图
第3章
模拟调制系统
大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，但会
出现两个问题，一是铺设一条几十千米甚至上百千米 的电缆只传一路声音信号，其传输成本之高、线路利
0
t
－H
0
H
(b) 调制信号
sm(t)＝c(t) f (t) 0
(e) 调制信号频谱
Sm() 2H t －c 0
c
(c) 已调信号
(f) 已调信号频谱
抑制载波的双边带调幅示意图
第3章
模拟调制系统
这种已调信号的频谱中包含上、下两个边带且没
有冲激分量的调幅方法称为抑制载波的双边带调幅。 抑制载波的双边带调幅已调信号通常记为sDSB(t)。抑制 载波的双边带调幅可直接用乘法器产生，其调制模型 见下图。
第3章
模拟调制系统
下面用一个生活中的例子帮助大家理解调制的概
念：比如，我们要把一件货物运到几千千米外的地方， 我们必须使用运载工具，或汽车、或火车、或飞机。
在这里，货物相当于调制信号，运载工具相当于载波；
把货物装到运载工具上相当于调制，从运载工具上卸 下货物就是解调。这个例子虽然不十分贴切，但基本 上类似于调制原理。有了调制的概念，我们就会关心 下一个问题：如何对信号进行调制呢？
为检波器输入噪声电压 y(t)的包络： 在大信噪比下：
V y (t ) {[1 m' (t )] A nc (t )} 2 ns2 (t )
Vy (t ) [1 m' (t )]A nc (t )
第3章
模拟调制系统
检波后（已滤除直流分量）：
v(t ) m' (t ) A nc (t ) 输出信号噪声功率比：
A
t
-fm
fm
f
C(f)
载波功率
上边带功率
下边带功率
t
-A
-f0 f0
f
s(t)
S (f)
t
2fm
-f0
2fm
f0
f
第3章
模拟调制系统
– AM信号的解调：
由于载波中并不包含有用信息，因此发送载波对信息的传送
没有意义，而且造成功率浪费。那么多用一些功率发射载波分量
有什么好处呢？其优点体现在解调上。根据相干解调的原理， AM信号同样可以采用相干解调法解调。但我们之所以要多“浪 费”一些功率去发射没有信息的载波分量，就是要在解调上“拣 个便宜”，也就是要在解调上省点事儿。而这个“便宜”就是包 络解调法或叫包络检波法。
调制信号 m (t )
调制器
已调信号 s (t)
图3.1.1 调制器
• 已调信号s(t) － 调制后的载波称为已调信号 • 调制器 －进行调制的部件
– 通常载波频率比调制信号的最高频率要高得多。比如中波收 音机频段的最低频率（载波频率）为535kHz，比音频最高频 率20kHz高25余倍。
第3章
模拟调制系统
直流偏量后与载波相乘，即可形成调幅信号。
第3章
模拟调制系统
基本原理 设: m(t) = [1+m(t)]， |m(t)| 1， |m (t)| /A= m 1 ( 调幅度)
则有调幅信号： s(t) = [1+m(t)]Acos0t，
式中， [1+m(t)] 0，即s(t) 的包络是非负的。
第3章
模拟调制系统
第3章 模拟调制系统
教学要求 1.了解模拟调制的发展趋势、应用场合。 2.熟悉线性调制方式的时域波形和频谱结构，以及相互间的联系 和区别。 3.熟悉非线性调制频谱结构特点。 4.掌握调制的目的、定义和分类。 5.掌握线性调制四种调制方式各自的原理、特点、时域和频域表 示式及解调方法。 6.掌握非线性调制的原理、特点、时域表示。 7.掌握瞬时频率、瞬时相位的概念和调频信号带宽的计算。
2
1 1 f (t ) f (t ) cos 2ct 2 2
(2―3)
第3章
模拟调制系统
该式表明，接收端只要对接收到的抑制载波双边
带调幅信号再用与原载波同频同相的载波“调制”一 下，即可得到含有原始信号分量的已调信号。对于上
式中的二倍频载波分量，可以用一个低通滤波器滤除
掉，剩下的就是原始信号分量。这种在接收端利用同 频同相载波对抑制载波双边带调幅信号直接相乘进行 解调的方法就叫相干解调或同步解调。解调框图见下 图
sD SB(t) 低通滤波器 Kf (t)
cos ct
相干解调框图
第3章
模拟调制系统
第3章
模拟调制系统
AM和DSB的性能比较
AM和DSB虽然都属于幅度调制的范畴， 但在性能上各有千秋。在这里我们主要从两个
方面来加以比较：一个是发射效率，另一个是
总的使用成本。
第3章
模拟调制系统
如果把发射边带信号的平均功率和发射载波的平
第3章
模拟调制系统
S(f)
上边带 下边带 上边带
– 调制原理：
f (t) sD SB(t) 单边带滤波器 HS SB() sSS B(t)
-f0
0 (a) 滤波前信号频谱
f0
f
c(t)＝cos ct
上边带
HH(f)特性
S(f)
HH(f)特性 上边带
1. 两个边带包含相同的信息 2. 只需传输一个边带： 上边带或下边带
第3章
模拟调制系统
第一个问题的解决方法是在一个物理信道中对多
路信号进行频分复用（FDM，Frequency Division Multiplex）；第二个问题的解决方法是把欲发射的低
频信号“搬”到高频载波上去（或者说把低频信号
“变”成高频信号）。两个方法有一个共同点就是要 对信号进行调制处理。 对于调制，我们给出一个概括性的定义：让载波 的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变 化而变化的过程或方式称为调制。而载波通常是一种 用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含 有任何有用信息。
第3章
模拟调制系统
– 模拟调制：用来自信源的基带模拟信号去调制某载波 。
– 载波：确知的周期性波形 － 余弦波：
c(t ) A cos(0t 0 ) A cos(2f 0t 0 )
式中，A为振幅；
0为载波角频率； 0为初始相位。
– 定义：
• 调制信号m(t) －自信源来的信号
均功率加起来作为总的发射功率，把边带发射功率与 总发射功率之比定义为调制效率的话，则可以证明，
AM调制的最高调制效率为33.3%；DSB的调制效率为
100%。也就是说，在同等信号功率的前提下，AM的 总功率至少要大于（或等于）DSB总功率的三倍。
第3章
模拟调制系统
虽然从发送信息的角度上看，AM的成本较高，技 术较复杂。但却因为解调电路简单而给它的信息接收 者带来了实惠和便宜。信息接收者（用户）越多，这 种效益越明显。因此，一般来说，在总的使用成本上 AM调制要比DSB低。大家所熟悉的无线电广播（点到 多点）就是采用AM调制。DSB的发射系统虽然比AM 经济，但它的接收机却比较复杂，因此，一般多用于 一些不在乎成本的专用（点对点）通信中。
重点理解线性及非线性调制信号的产生和解调过程
第3章
模拟调制系统
3.1 概述
调制是通信原理中一个十分重要的概念，是一种 信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据 通信中都扮演着重要角色。 那么为什么要对信号进行调制处理？什么是调制 呢？我们先看看下面的例子。
第3章
模拟调制系统
我们知道，通信的目的是为了把信息向远处传递
f (t)
sD SB(t)
cos ct
抑制载波的双边带调幅模型图
第3章
模拟调制系统
DSB信号的解调
对于抑制载波双边带调幅信号的解调通常采 用相干解调法。
从数学的三角函数变换公式中可知
1 1 cos c t cos c t cos c t cos 2c t 2 2
2
第3章
由于m(t) 1，显然上式比值r0/ri小于1，即检波后信噪比下降 了。
第3章
模拟调制系统
2 双边带（DSB）调制
– 原理：调制信号m(t)没有直流分量时，得到DSB信号 。 – 频谱：两个边带包含相同的信息 。
第3章
模拟调制系统
c(t) C()
0
t
－c
0
c
(a) 载波
f (t)
(d) 载波频谱 F()
2 r0 E[m'2 (t ) A2 / nc (t )]
∵在检波前的信号噪声功率比等于
1 2 ri E 1 m' (t ) A 2 / n 2 (t ) 2
∴检波前后信噪功率比之比为
2 2 2 m' (t ) A / nc (t ) 2m' 2 (t ) r0 E E 1 ri 2 [1 m' (t )]2 2 2 1 m' (t ) A / n (t ) 2
– 调制的目的：
• 将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号
• 把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信 道的多路复用。 • 改善系统抗噪声性能
– 模拟调制的分类：
• 线性调制：调幅、单边带、双边带、残留边带… • 非线性调制（角度调制）：频率调制、相位调制
第3章
模拟调制系统
3.2 线性调制 设载波为：c(t) = Acos0 t = Acos2 f0t 调制信号为能量信号m(t)，其频谱为M(f ) s(t) 相乘结果： s(t) 调制 信号 滤波输出： s(t) m(t) 用“”表示傅里叶变换：
-f0 0 f0 f (b) 上边带滤波器特性和信号频谱