第 3章模拟线性调制系统王有政微波与数字通信国家重点实验室
2009年 7月 19日 2
调制的研究对象问题：
为什么要对信号进行调制？
什么是调制？
信源 信源编码 信道编码 调制 发射传输媒质接收 解调 信道译码 信源解码 信宿
2009年 7月 19日 3
调制的目的将消息变换为便于传输的形式。也就是说，变换为某种形式使信道容量达到最大，而且传输更可靠和有效。
提高性能，特别是提高抗干扰性。
有效的利用频带。
2009年 7月 19日 4
调制的概念调制：就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。其中包括调制映射，傅立叶变换
(OFDM),频率搬移等等。
数学分析：
w
S y ( w )
频率搬移
w
S y ( w )
w c
twtxty
twjtwtxty
wwδwSwS
c
cc
cxy
c o s)()(
]s in[ c o s)()(
)()()(
2009年 7月 19日 5
调制分类调制信号：
载波信号：
调幅：
主要内容：原理，频域分析和性能分析
数字调制数字信号模拟调制模拟信号)( tf
)(c o s)( cc θtwAtc
幅度调制 频率调制 相位调制线性调制非线性调制
)(c o s)()( cc θtwtftc
2009年 7月 19日 6
内容模拟线形调制
1,常规调幅 (AM)
2,抑制载波双边带调幅 (DSB-SC)
3,单边带调制 (SSB)
4,残留边带调制 (VSB)
线性调制和解调的一般模型线性调制系统的抗噪声性能 （＃）
1,通信系统抗噪声性能的分析模型
2,线性调制相干解调的抗噪声性能
2009年 7月 19日 7
3.1.1 常规调幅 (AM)
时域表达式调制
)(c o s)]([)( 0 ccAM θtwtfAtS
直流 调制信号零均值随机确知
)( tf
)c os ( tw c
)( tS AM
0A
2009年 7月 19日 8
3.1.2 常规调幅解调解调 ---包络检波无失真恢复条件过调幅
)( tS
AM
L P F
Atf?)(
0)(0 tfA fc ww
2009年 7月 19日 9
3.1.3 调幅指数调制信号调幅信号调幅指数
)(c o s)( mmm θtAtf
)(c o s)](c o s1[)(
0
0 ccmm
m
AM θtwθtA
AAtS
1
0
AMmAM βAAβ 无失真包络检波条件：
2009年 7月 19日 10
3.1.4 确知信号调幅的频域分析傅立叶变换频域表达式
)]()([c o s
)()(
cc
F o u r i e r
c
F o u r i e r
wwδwwδπtw
wFtf
)(
2
1
)(
)(
2
1
)(
)](*)([
2
1
)(
0
0
cc
cc
AM
wwFwwδAπ
wwFwwδAπ
wCwFwS
直流分量 信号分量
2009年 7月 19日 11
3.1.5 随机信号调幅的频域分析分析方法：
功率谱密度函数功率谱的自相关函数随机信号 傅立叶变换自相关 )()( tftf
)]()([41)]()([2)( 20 cfcfccAM wwwwwwδπwwδπAw
2009年 7月 19日 12
3.1.6 常规调幅信号的功率分配功率组成调制效率：
最大,1/3
2
)(
2
22
0 tfAPPP
fcAM
2
2
2 AM
AM
fc
f
AM
f
AM β
β
PP
P
P
Pη
2009年 7月 19日 13
3.1.7 常规调幅小结优点：结构简单，实现容易，适用于广播通信。
缺点：
功率效率非常低，最大为 1/3
频谱效率也不高，为信号最高频率的 2倍。
2009年 7月 19日 14
3.2 改进一：抑制载波的双边带调幅信号表达式调制：
解调 ---相干解调
)(c o s)()( ccD S B θtwtftS
)( tf
)c o s ( tw c
)( tS D S B
)( tS D S B
)( tkf
L P F
载波恢复 )c o s ( tw
c
2009年 7月 19日 15
3.2.1 DSB的频域分析频域分析确知信号：
随机信号：
频谱：
功率效率：
)](21)(21)( ccD S B wwFwwFwS
)]()([41)( cfcfD S B wwwww
1?D S Bη
2009年 7月 19日 16
3.3 改进二：单边带调幅原理：
频域表示表示式：
滤波器：
)( tf
)c o s ( tw c
)( tS D S B
)( wH S S B
)( tS SSB
w
S D SB ( w )
- w c w c
)()()( wHwSwS SSBD S BSSB?
c
c
L S B
c
c
U S B
S S B
ww
ww
wH
ww
ww
wH
wH
||1
||0
)(
||0
||1
)(
)(
下边带上边带
2009年 7月 19日 17
3.3.1 多级调制
2009年 7月 19日 18
3.3.2 相移法分析频域表示：
频域因果，时域解析时域表示式
w
S ( w )
w
S ( w )
w
S ( w )
0)(
0)()()()()(
wwjF
wwjFwGwjGwFw
为阶跃函数)()()(2)( wUwUwFw
])(1[)())(()( 1 dt tfjtfwFt
2009年 7月 19日 19
3.3.3 希尔伯特滤波器希尔伯特变换希尔伯特滤波器 ---宽带相移网络
dt tftf )(1)(?
w
H h ( w )
w
h ( w )
o
2
2
2009年 7月 19日 20
3.3.4 单边带信号时域表达式时域关系：
滤波器：
时域表达式,
)()()( thtStS S S BD S BS S B
t
tw
th
t
tw
tth
c
L S B
c
U S B
s in1
)(
s in1
)()(
twtftwtftS
twtftwtftS
ccU S B
ccL S B
s i n)(?
2
1
c o s)(
2
1
)(
s i n)(?
2
1
c o s)(
2
1
)(
2009年 7月 19日 21
3.3.5 单边带信号的相移法产生相移法产生问题：
载波准确相移 90°
所有频率成分相移 90°
)( tf
)c o s ( tw
c
twtf
c
s i n)(
2
1
)( tS
S S B
2/ )( wH h
twtf
c
c o s)(
2
1
2009年 7月 19日 22
3.3.6 单边带信号的解调相干解调
)( tS
S S B
)( tkf
L P F
载波恢复
)c o s ( tw
c
2009年 7月 19日 23
3.4 改进三：残留边带调幅原理：
频域表示
)( tf
)c o s ( tw c
)( tS D S B
)( wH V S B
)( tS V S B
)]()([)(21)( ccS S BVS B wwFwwFwHwS
w
S D SB ( w )
- w c w c
2009年 7月 19日 24
3.4.1 残留边带调幅解调采用相干解调，解调不失真条件：
要求滤波器特性满足互补对称性 。
.)()( c o n s twwHwwH cV S BcV S B
w
w c
2009年 7月 19日 25
3.5 调幅信号产生的一般模型原理框图频域表达式
)( tf
)c o s ( tw c
)( tS D S B
)( wH
)( tS
)]()([)(21)( cc wwFwwFwHwS
2009年 7月 19日 26
3.5.1 调幅信号的正交产生时域表达式正交法产生
twtfthtwtfth
dtwtfh
thtwtftS
cQcI
c
c
s i n)]()([c o s)]()([
)(c o s)()(
)(]c o s)([)(
展开
twthth
twthth
cQ
cI
s in)()(
c o s)()(
同相分量 正交分量
)( tf
)c o s ( tw
c
)( tS
I )( wH
I
)( tS
)( wH
Q
)( tS
Q
2/
2009年 7月 19日 27
3.5.2 调幅信号的产生双边带调制单边带调制残留边带调制
0)(
1)(
wH
wH
Q
I
)()(
)(
2
1
2
1
wHwH
wH
hQ
I
)(~)(
)(
2
1
2
1
wHwH
wH
QQ
I
2009年 7月 19日 28
3.5.3 调幅相干解调适用于,AM,DSB,SSB,VSB
数学分析输入信号：
滤波前滤波后
)( tS
L P F
载波恢复 )c o s ( tw
c
)( tS p
)( tS d
twtStwtStS cQcI s i n)(c os)()(
twtStwtStS
twtStS
cQcII
cp
2s i n)(2c o s)()(
c o s)()(
2
1
2
1
2
1
)()()( 21 tftStS Id
2009年 7月 19日 29
3.5.4插入载波包络检波适用于 DSB,SSB,VSB
)( tS
包络检波载波恢复
)c o s ( twA
cd
)( tS
a
)( tS
d
2009年 7月 19日 30
3.6.1 模拟调制系统分析的一般模型系统模型噪声分类
)( tS
解调器 BP F
)( tn
)( tS i
)( tn i )( tn o
)( tS o
起伏干扰脉冲干扰加性乘性噪声
2009年 7月 19日 31
3.6.2 噪声模型平稳窄带高斯噪声
分布白噪声：功率谱为均匀高斯分布高斯：概率密度分布为时间无关平稳：概率密度函数与时间平均各态历经：统计平均＝
声各态历经平稳高斯白噪
A W G N
))(c o s ()(
s in)(c o s)()(
ttwtV
twtntwtntn
o
oQoIi
瑞利分布 均匀分布
w
S ( w )
w o
BnNtntntn oiQIi?噪声输入功率：方差相同，均为解调器)(),(),(
2009年 7月 19日 32
3.6.3 性能评估指标通信系统的质量指标模拟调制系统的性能评估指标信噪比增益：
率数字：误码率或误符号噪比模拟：接收端的输出信准确程度可靠信数字：信息传输速率模拟：有效传输频带频谱效率有效性质量指标
ii
oo
i
o
NS
NS
SN R
SN RG
2009年 7月 19日 33
3.6.4 相干解调的抗噪声性能解调模型数学分析解调前解调后
)( tS
L P F B P F
)( tn
)( tS i
)( tn i )( tn o
)( tS o
)(c o s tw c
的中心频率是 B PFwtwtntwtntn
twtStwtStS
ooQoIi
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s i n)(c o s)()(
twwtntwwtntn
tStS
coQcoIi
Io
)s i n ()()c o s ()()(
)()(
2
1
2
1
2
1
2009年 7月 19日 34
3.6.5 双边带调幅的抗噪声性能
for DSB,BDSB = 2W,Wo = Wc
解调前 输入信噪比解调后 输出信噪比信噪比增益
WnBnN
tfEtwtSS
oD S Boi
cIi
2
)(]c o s)([ 2212
Wn
tfE
N
S
oi
i
4
)(2?
D S BoIIo
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4
12
4
12
2
1
2
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12
2
1
)()]([
)()]([
Wn
tfE
N
S
oo
o
2
)(2?
2?D S BG
2009年 7月 19日 35
3.6.6 单边带调幅的抗噪声性能
for SSB,BSSB = W，
解调前 输入信噪比解调后 输出信噪比信噪比增益
22 1 )( Wco ww
WnBnN
tfEtfEtfES
oSSBoi
i
)()(?)( 241281281
Wn
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i
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)(2?
WntntnEN
tfEtfS
oQIo
o
4
12
2
12
2
1
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1
2
16
12
4
1
)()(
)()]([
Wn
tfE
N
S
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o
4
)(2?
1?S S BG
2009年 7月 19日 36
3.6.7 分析问题,
为什么双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高？
双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高是否说明双边带调制的抗噪声性能比单边带调制的更好？
2009年 7月 19日 37
3.7 小结
4种调幅方式常规调幅抑制载波的双边带调幅单边带调幅残留边带调幅模拟线性调制系统的一般模型和解调模拟线性调制系统的抗噪声性能
2009年 7月 19日 2
调制的研究对象问题：
为什么要对信号进行调制？
什么是调制？
信源 信源编码 信道编码 调制 发射传输媒质接收 解调 信道译码 信源解码 信宿
2009年 7月 19日 3
调制的目的将消息变换为便于传输的形式。也就是说，变换为某种形式使信道容量达到最大，而且传输更可靠和有效。
提高性能，特别是提高抗干扰性。
有效的利用频带。
2009年 7月 19日 4
调制的概念调制：就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。其中包括调制映射，傅立叶变换
(OFDM),频率搬移等等。
数学分析：
w
S y ( w )
频率搬移
w
S y ( w )
w c
twtxty
twjtwtxty
wwδwSwS
c
cc
cxy
c o s)()(
]s in[ c o s)()(
)()()(
2009年 7月 19日 5
调制分类调制信号：
载波信号：
调幅：
主要内容：原理，频域分析和性能分析
数字调制数字信号模拟调制模拟信号)( tf
)(c o s)( cc θtwAtc
幅度调制 频率调制 相位调制线性调制非线性调制
)(c o s)()( cc θtwtftc
2009年 7月 19日 6
内容模拟线形调制
1,常规调幅 (AM)
2,抑制载波双边带调幅 (DSB-SC)
3,单边带调制 (SSB)
4,残留边带调制 (VSB)
线性调制和解调的一般模型线性调制系统的抗噪声性能 （＃）
1,通信系统抗噪声性能的分析模型
2,线性调制相干解调的抗噪声性能
2009年 7月 19日 7
3.1.1 常规调幅 (AM)
时域表达式调制
)(c o s)]([)( 0 ccAM θtwtfAtS
直流 调制信号零均值随机确知
)( tf
)c os ( tw c
)( tS AM
0A
2009年 7月 19日 8
3.1.2 常规调幅解调解调 ---包络检波无失真恢复条件过调幅
)( tS
AM
L P F
Atf?)(
0)(0 tfA fc ww
2009年 7月 19日 9
3.1.3 调幅指数调制信号调幅信号调幅指数
)(c o s)( mmm θtAtf
)(c o s)](c o s1[)(
0
0 ccmm
m
AM θtwθtA
AAtS
1
0
AMmAM βAAβ 无失真包络检波条件：
2009年 7月 19日 10
3.1.4 确知信号调幅的频域分析傅立叶变换频域表达式
)]()([c o s
)()(
cc
F o u r i e r
c
F o u r i e r
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AM
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wCwFwS
直流分量 信号分量
2009年 7月 19日 11
3.1.5 随机信号调幅的频域分析分析方法：
功率谱密度函数功率谱的自相关函数随机信号 傅立叶变换自相关 )()( tftf
)]()([41)]()([2)( 20 cfcfccAM wwwwwwδπwwδπAw
2009年 7月 19日 12
3.1.6 常规调幅信号的功率分配功率组成调制效率：
最大,1/3
2
)(
2
22
0 tfAPPP
fcAM
2
2
2 AM
AM
fc
f
AM
f
AM β
β
PP
P
P
Pη
2009年 7月 19日 13
3.1.7 常规调幅小结优点：结构简单，实现容易，适用于广播通信。
缺点：
功率效率非常低，最大为 1/3
频谱效率也不高，为信号最高频率的 2倍。
2009年 7月 19日 14
3.2 改进一：抑制载波的双边带调幅信号表达式调制：
解调 ---相干解调
)(c o s)()( ccD S B θtwtftS
)( tf
)c o s ( tw c
)( tS D S B
)( tS D S B
)( tkf
L P F
载波恢复 )c o s ( tw
c
2009年 7月 19日 15
3.2.1 DSB的频域分析频域分析确知信号：
随机信号：
频谱：
功率效率：
)](21)(21)( ccD S B wwFwwFwS
)]()([41)( cfcfD S B wwwww
1?D S Bη
2009年 7月 19日 16
3.3 改进二：单边带调幅原理：
频域表示表示式：
滤波器：
)( tf
)c o s ( tw c
)( tS D S B
)( wH S S B
)( tS SSB
w
S D SB ( w )
- w c w c
)()()( wHwSwS SSBD S BSSB?
c
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wH
wH
||1
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)(
||0
||1
)(
)(
下边带上边带
2009年 7月 19日 17
3.3.1 多级调制
2009年 7月 19日 18
3.3.2 相移法分析频域表示：
频域因果，时域解析时域表示式
w
S ( w )
w
S ( w )
w
S ( w )
0)(
0)()()()()(
wwjF
wwjFwGwjGwFw
为阶跃函数)()()(2)( wUwUwFw
])(1[)())(()( 1 dt tfjtfwFt
2009年 7月 19日 19
3.3.3 希尔伯特滤波器希尔伯特变换希尔伯特滤波器 ---宽带相移网络
dt tftf )(1)(?
w
H h ( w )
w
h ( w )
o
2
2
2009年 7月 19日 20
3.3.4 单边带信号时域表达式时域关系：
滤波器：
时域表达式,
)()()( thtStS S S BD S BS S B
t
tw
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)(
2009年 7月 19日 21
3.3.5 单边带信号的相移法产生相移法产生问题：
载波准确相移 90°
所有频率成分相移 90°
)( tf
)c o s ( tw
c
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2
1
)( tS
S S B
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1
2009年 7月 19日 22
3.3.6 单边带信号的解调相干解调
)( tS
S S B
)( tkf
L P F
载波恢复
)c o s ( tw
c
2009年 7月 19日 23
3.4 改进三：残留边带调幅原理：
频域表示
)( tf
)c o s ( tw c
)( tS D S B
)( wH V S B
)( tS V S B
)]()([)(21)( ccS S BVS B wwFwwFwHwS
w
S D SB ( w )
- w c w c
2009年 7月 19日 24
3.4.1 残留边带调幅解调采用相干解调，解调不失真条件：
要求滤波器特性满足互补对称性 。
.)()( c o n s twwHwwH cV S BcV S B
w
w c
2009年 7月 19日 25
3.5 调幅信号产生的一般模型原理框图频域表达式
)( tf
)c o s ( tw c
)( tS D S B
)( wH
)( tS
)]()([)(21)( cc wwFwwFwHwS
2009年 7月 19日 26
3.5.1 调幅信号的正交产生时域表达式正交法产生
twtfthtwtfth
dtwtfh
thtwtftS
cQcI
c
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)(c o s)()(
)(]c o s)([)(
展开
twthth
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同相分量 正交分量
)( tf
)c o s ( tw
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)( tS
I )( wH
I
)( tS
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Q
)( tS
Q
2/
2009年 7月 19日 27
3.5.2 调幅信号的产生双边带调制单边带调制残留边带调制
0)(
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wHwH
wH
I
2009年 7月 19日 28
3.5.3 调幅相干解调适用于,AM,DSB,SSB,VSB
数学分析输入信号：
滤波前滤波后
)( tS
L P F
载波恢复 )c o s ( tw
c
)( tS p
)( tS d
twtStwtStS cQcI s i n)(c os)()(
twtStwtStS
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2s i n)(2c o s)()(
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1
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3.5.4插入载波包络检波适用于 DSB,SSB,VSB
)( tS
包络检波载波恢复
)c o s ( twA
cd
)( tS
a
)( tS
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2009年 7月 19日 30
3.6.1 模拟调制系统分析的一般模型系统模型噪声分类
)( tS
解调器 BP F
)( tn
)( tS i
)( tn i )( tn o
)( tS o
起伏干扰脉冲干扰加性乘性噪声
2009年 7月 19日 31
3.6.2 噪声模型平稳窄带高斯噪声
分布白噪声：功率谱为均匀高斯分布高斯：概率密度分布为时间无关平稳：概率密度函数与时间平均各态历经：统计平均＝
声各态历经平稳高斯白噪
A W G N
))(c o s ()(
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ttwtV
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瑞利分布 均匀分布
w
S ( w )
w o
BnNtntntn oiQIi?噪声输入功率：方差相同，均为解调器)(),(),(
2009年 7月 19日 32
3.6.3 性能评估指标通信系统的质量指标模拟调制系统的性能评估指标信噪比增益：
率数字：误码率或误符号噪比模拟：接收端的输出信准确程度可靠信数字：信息传输速率模拟：有效传输频带频谱效率有效性质量指标
ii
oo
i
o
NS
NS
SN R
SN RG
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3.6.4 相干解调的抗噪声性能解调模型数学分析解调前解调后
)( tS
L P F B P F
)( tn
)( tS i
)( tn i )( tn o
)( tS o
)(c o s tw c
的中心频率是 B PFwtwtntwtntn
twtStwtStS
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s i n)(c o s)()(
twwtntwwtntn
tStS
coQcoIi
Io
)s i n ()()c o s ()()(
)()(
2
1
2
1
2
1
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3.6.5 双边带调幅的抗噪声性能
for DSB,BDSB = 2W,Wo = Wc
解调前 输入信噪比解调后 输出信噪比信噪比增益
WnBnN
tfEtwtSS
oD S Boi
cIi
2
)(]c o s)([ 2212
Wn
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Wn
tfE
N
S
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2
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2?D S BG
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3.6.6 单边带调幅的抗噪声性能
for SSB,BSSB = W，
解调前 输入信噪比解调后 输出信噪比信噪比增益
22 1 )( Wco ww
WnBnN
tfEtfEtfES
oSSBoi
i
)()(?)( 241281281
Wn
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1
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Wn
tfE
N
S
oo
o
4
)(2?
1?S S BG
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3.6.7 分析问题,
为什么双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高？
双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高是否说明双边带调制的抗噪声性能比单边带调制的更好？
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3.7 小结
4种调幅方式常规调幅抑制载波的双边带调幅单边带调幅残留边带调幅模拟线性调制系统的一般模型和解调模拟线性调制系统的抗噪声性能
