2009-7-29 通信原理 —— 周扬
4 模拟通信系统
研究对象：模拟通信系统
研究目的：
（ 1）通过介绍模拟调制解调原理，使读者初步认识和了解,通信原理,这门课是在模块级系统级层次上分析和设计通信系统
（ 2）通过分析不同模拟调制解调系统的抗噪声性能，了解各种系统的抗噪声能力与调制解调器有关参数的关系，这有助于人们在实际工作中正确地设计和选用调制方式，优化模拟通信系统的性能
研究方法：不同模拟调制解调原理及其抗噪声性能
预备知识：信号与系统、随机过程
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
4 模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
调频系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
4.1 概述：基带信号信息源语言音乐图像频率很低的电信号直接转换包括（或不包括）直流分量的低通频谱最高频率和最低频率之比远大于 1
基带信号 如电话信号的频率范围在 300～ 3000Hz
基带信号可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输，但不可能在无线信道直接传输即使可以在有线信道传输，但一对线路上只能传输一路信号，对信道的利用是很不经济的
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
4.1 概述：调制和解调原始信号调制器调制：发送端把基带信号频谱搬移到给定信道通带内的过程原始信号 解调器 解调：在接收端把已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号的过程
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调制在通信系统中的作用
调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求
实现频率分配
实现多路复用
减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调制的基本特征和分类调制器
m (t )
C (t )
sm (t )
单音正弦波连续变化的模拟量：
模拟调制离散的数字量,二进制数字脉冲数字调制单频正弦波连续波形连续载波调制脉冲波形脉冲载波调制矩形周期脉冲
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
4.1.2 调制的基本特征和分类调制器
m (t )
C (t )
sm (f )
线性调制非线性调制
m (f )
sm (f )
m(t)改变载波信号 C(t)的不同参数幅度调制,AM,PAM,ASK
sm (t )
相位调制,PM,PPM,PSK
频率调制,PM,FM,FSK
频谱之间呈线性搬移关系：
AM,ASK
频谱之间没有线性对应关系：
FM,PM,FSK
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调制系统中讨论的主要问题和主要参数
重点,m(t)为取值连续的调制信号,c(t)为正弦载波
问题：
（ 1）工作原理：包括调整系统的物理过程；调制信号、载波信号和已调信号三者的关系（如数学关系、波形关系及频谱关系等）。
（ 2）已调信号的带宽
（ 3）过滤关系
（ 4）噪声对调制系统性能的影响
调制系统的主要参数为：
（ 1）发送功率
（ 2）传输带宽
（ 3）抗噪声性能，如输出信噪比等
（ 4）设备的复杂性
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制的一般模型
m(t)
cosωct
h(t)
sm(t)
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
( ) ( ) ( ) c o s ( )
c o s ( ) ( ) c o s
si n ( ) ( ) si n
m c c
cc
cc
s t h m t t d
t h m t d
t h m t d
( ) 0,5 [ ( ) ( ) ] ( )m c cS M M H
2009-7-29 通信原理 —— 周扬幅度调制原理
h (t )
0( ) c o s cs t A t
m(t )
幅度调制：用调制信号去控制正弦载波的振幅，使其按调制信号作线性变化的过程
0( ) ( ) c o smcs t A m t t基带调制信号
[ ( ) ( ) ]2m c cAS f M f f M f f
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幅度调制信号频谱搬移是线性的线性调制
2009-7-29 通信原理 —— 周扬幅度调制（线性调制）的原理
调幅（ AM）
抑制载波双边带调制（ DSB-SC）
单边带调制（ SSB）
残留边带调制（ VSB）
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅（ AM）：原理及波形
()mt
0A
AMSt
c os 2 cft?
0[ ( ) ] c o s 2 ( ) c o s 2A M c cs t A m t f t A t f t
0 1( ) ( ) ( ) ( )22A M c c c cAS f f f f f M f f M f f
滤波器 H(f)=1）
调制信号 ( ) 0mt?
叠加直流 A0
O
t
t
O
O
t
O
t
m ( t )
A
0
+ m ( t )
tf
c
2c o s
)( ts
AM
1
H
f?
H
f0 f
0
A?
0
A?
1
2
c
f
c
f? 0 f
)( fM
)( fs
AM
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅（ AM）：波形分析
()mt
0A
AMSt
c os 2 cft?
O
t
t
O
O
t
O
t
m ( t )
A
0
+ m ( t )
tf
c
2c o s
)( ts
AM
m(t)?max >A0将会出现过调幅现象而产生包络失真当满足条件?m(t)?max?A0时,AM信号的包络与调制信号成正比可以用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号
m a x m inm a x m in
( ) ( )
( ) ( )
A t A tm
A t A t
重要参数调幅度 m 满调幅 m=1，此时?m(t)?
max=A0
欠调幅,一般 m小于 1
过调幅,m大于 1,A(t)min为负值不能用包络检波器进行解调，
为保证无失真解调，可以采用同步解调
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅（ AM）：频谱分析
1
Hf? Hf
0 f
)( fM
1.SAM(?)由载频分量和上、下两个边带组成
2.上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，
下边带是上边带的镜像
3.AM信号是带有载波的双边带信号，
它的带宽是基带信号带宽 fH的两倍
HfB?基
BAM=2fH
1
)( fs AM
cf
f
1
cf? hc
ff?hc ff?0
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅（ AM）：功率分析
2 20 ()
22A M C S
A mtP P P
不带信息的载波功率 调制信号平均功率（ 也称边带功率）
调制效率：边带功率与总平均功率的比值，用符号?AM表示调制后信号的总平均功率
S
AM
AM
P
P
2 2 2 22 0
2
1l i m [ ( ) ] c o s 2T
TA M A M A M cTP s t d t s t A m t f tT
2 2 2 2 200c o s 2 ( ) c o s 2 2 ( ) c o s 2c c cA f t m t f t A m t f t
( ) 0mt?
“满调幅,时，如果 m(t)为矩形波形，则最大可得到?AM =0.5，而 m(t)为正弦波时可得到?AM =33.3%。
一般情况下,m都小于 1，调制效率很低，即载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占有的功率较小
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅（ AM）：优缺点
优点：可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号
缺点,AM信号的功率利用率比较低
问题：能否去掉不带信息的载波，提高功率利用率？
解决方法：抑制载波双边带
2009-7-29 通信原理 —— 周扬幅度调制（线性调制）的原理
调幅（ AM）
抑制载波双边带调制（ DSB-SC）
单边带调制（ SSB）
残留边带调制（ VSB）
2009-7-29 通信原理 —— 周扬抑制载波双边带调制（ DSB-SC）
()mt
0A
AMSt
c os 2 cft?
()mtAMSt
c os 2 cft?
0
c os 2 ft?
O
t
()mt
D SB
st
O
O
t
t
载波反相点将载波抑制
c o s 2D S B cs t m t f t
12 [ ( ) ( ) ]D S B c cS f M f f M f f
DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致需采用相干解调（同步检波）
在调制信号 m(t)的过零点处，高频载波相位有 180o突变
2009-7-29 通信原理 —— 周扬抑制载波双边带调制（ DSB-SC）：功率谱
M?
H
f?
H
f
D SB
sf
2
H
f
O f
O f
c
f
c
f?
DSB信号节省了载波功率，功率利用率提高了频带宽度仍是调制信号带宽的两倍上、下两个边带是完全对称的问题：能否只传输其中一个边带，
节省带宽？
单边带调制
2009-7-29 通信原理 —— 周扬幅度调制（线性调制）的原理
调幅（ AM）
抑制载波双边带调制（ DSB-SC）
单边带调制（ SSB）
残留边带调制（ VSB）
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）
DSB信号包含有两个边带，即上、下边带。
由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。
这种只传输一个边带的通信方式称为 单边带通信 。
两种产生方法：滤波法和相移法
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）,用滤波法产生单边带信号
h (t )
0( ) c o s cs t A t
m(t ) SDSB(t) SSSB(t)
边带滤波器理想高通
Hf
cf cf? f
1
a
理想低通
Hf
cf cf? f
1
b
f
f
O
O
c
f?
c
f
c
f
c
f?
上边带频谱下边带频谱
Mf
H
f?
H
fO f
O
下边带 下边带
c
f
fc
f?
解决方法：在工程中往往采用多级调制滤波用滤波法形成 SSB信号的技术难点带来问题：滤波器的设计和制作很困难，
有时甚至难以实现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要求单边带滤波器在 fC
附近具有陡峭的截止特性
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）,用相移法形成单边带信号
研究方法：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 m(t)=Amcos2?fmt 载波 c(t)=cos2?fCt
相乘得 DSB信号为 sDSB(t)=Amcos2?fmtcos2?fCt 1122c o s 2 ( ) c o s 2 ( )m c m m c mA f f t A f f t
保留上边带 12 c o s 2 ( )U S B m c ms t A f f t
1122c o s 2 c o s 2 s i n 2 s i n 2m m c m m cA f t f t A f t f t
12 c o s 2 ( )L S B m c ms t A f f t保留下边带
1122c o s 2 c o s 2 s i n 2 s i n 2m m c m m cA f t f t A f t f t
1122c o s 2 c o s 2 s i n 2 s i n 2S S B m m c m m cs t A f t f t A f t f t
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）,用相移法形成单边带信号（希尔伯特变换）
Amcos2?fmt Amsin2?fmt
希尔伯特变换相移?/2，而幅度大小保持不变
c o s 2 s i n 2m m m mA f t A f t
1122?( ) c o s 2 ( ) s i n 2S S B c cs t m t f t m t f t
Hilbert
()mt
任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和
()mt ()Mf傅里叶变换傅里叶变换 s g nM f M f j f
10s g n ff
f
( ) /hH f M f M f? 称传递函数 Hh(f)为希尔伯特滤波器
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）,用相移法形成单边带信号
2
h
Hf
SSB
st
1
2
mt
1
c os 2
2
c
m t f t?
1
()
2
mt
1
( ) c os
2
c
m t t?
c os 2
c
ft?
1122?( ) c o s 2 ( ) s i n 2S S B c cs t m t f t m t f t
实质上是一个宽带相移网络，表示把 m(t)幅度不变，所有的频率分量均相移?/2
所有的频率分量均精确相移
/2正是难点所在解决方法：维弗法
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）：结论
SSB调制方式在传输信号时,不但可节省发射功率,且信号占用带宽 BSSB=fH,只有 AM,DSB的一半,所以,它目前是短波通信中的一种重要调制方式 。
SSB信号的解调和 DSB一样不能采用简单的包络检波,因为 SSB信号也是抑制载波的已调信号,
它的包络不能直接反映调制信号的变化,所以仍需采用相干解调 。
2009-7-29 通信原理 —— 周扬幅度调制（线性调制）的原理
调幅（ AM）
抑制载波双边带调制（ DSB-SC）
单边带调制（ SSB）
残留边带调制（ VSB）
2009-7-29 通信原理 —— 周扬残留边带调制（ VSB）
DSB信号占用频带宽
SSB信号实现困难折衷残留边带调制 VSB
Mf
B? BO f
c
f?
c
f
D S B
f?
SSB
f?
VSB
f?
a
b
c
d
O f
c
f? O
c
f f
O
c
f?
c
f f
不是完全抑制一个边带逐渐切割，使其残留一小部分
2009-7-29 通信原理 —— 周扬残留边带调制（ VSB）
0mt
2 c o s 2 cft c os 2
cc t f t
V S Bst
V S BHfmt
V S Bst
L P F
ab
1 ()2V SB c c V SBS f M f f M f f H f
VSB信号必须相干解调。
2 c os 2V SB c V SB c V SB cs t f t S f f S f f
相干解调
12o V SB c V SB cM f M f H f f H f f
选择合适的低通滤波器的截止频率，消掉?2fC处的频谱
,V S B c V S B c HH f f H f f c o n s t f f
代入无失真地重现调制信号 m(t)?M(f)
2009-7-29 通信原理 —— 周扬残留边带调制（ VSB）：滤波器
V S B
Hf
VSB
Hf
c
f?
c
fO f
f
c
fO
c
f?
1
1
0,5
0,5
a
b
,V S B c V S B c HH f f H f f c o n s t f f
残留部分上边带的滤波器特性残留部分下边带的滤波器特性在?fC处具有互补对称
（奇对称）特性
2009-7-29 通信原理 —— 周扬残留边带调制（ VSB）：滤波器特性
c
f?
c
fO f
c
f?
c
fO f
c
f?
c
fO f
c
f?
c
fO f
VSB
Hf
V S B c
H f f?
V S B c
H f f?
V S B c V S B c
H f f H f f
a
b
c
d
HVSB(f?fC)和 HVSB(f+fC)在 f=0
处具有互补对称的滚降特性
,V S B c V S B c HH f f H f f c o n s t f f
矛盾,残留边带信号的带宽与滤波器的实现之间
2009-7-29 通信原理 —— 周扬模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
调频系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制系统的抗噪声原理
研究对象：噪声对线性调制系统的影响
研究目的：掌握存在加性高斯白噪声时,各种线性调制系统的抗噪声性能
研究方法：用解调器的抗噪声性能来衡量 。 抗噪声能力通常用,信噪比,来度量 。 所谓信噪比,这里是指信号与噪声的平均功率之比 。
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制系统的抗噪声原理
分析模型
线性调制相干解调的抗噪声性能
调幅信号包络检波的抗噪声性能
2009-7-29 通信原理 —— 周扬分析模型
带通滤波器 解调器
nt
mst
intont
omt
mst
00c o s s i ni c sn t n t t n t t
AWGN
平稳窄带高斯噪声
0c o sin t V t t t
2 2 2i c s in t n t n t N
同相分量 正交分量 平均功率为 N i
1,0
f0ff? 0
BHf
若白噪声的双边功率谱密度为 n0/2
0iN n B?
带宽 B应等于已调信号的频带宽度，
当然也是窄带噪声 ni(t)的带宽
2009-7-29 通信原理 —— 周扬分析模型
评价指标：解调器的输出信噪比
物理含义：衡量一个模拟通信系统质量的好坏
2
2
()
()
oo
o o
S m t
N nt
解 调 器 输 出 有 用 信 号 的 平 均 功 率解 调 器 输 出 噪 声 的 平 均 功 率与调制方式有关与解调方式有关
/
/ooii
SNG
SN?
不同类调制方式
2
2
()
()
im
i i
S s t
N nt
解 调 器 输 入 已 调 信 号 的 平 均 功 率解 调 器 输 入 噪 声 的 平 均 功 率制度增益
G越大，表明解调器的抗噪声性能越好越大，表明解调器的抗噪声性能越好o
o
SN
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制系统的抗噪声原理
分析模型
线性调制相干解调的抗噪声性能
调幅信号包络检波的抗噪声性能
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,DSB
带通滤波器低通滤波器
nt
mst
int
mst
c o s
c
t?
omt
ont
( ) ( ) c o smcs t m t t
2 11( ) c o s ( ) ( ) c o s 222ccm t t m t m t t
与相干载波相乘解调器输入信号低通滤波器后输出信号 1( ) ( )
2om t m t?
2214ooS m t m t有用信号功率
B=2fH
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,DSB
带通滤波器低通滤波器
nt
mst
int
mst
c o s
c
t?
omt
ont
( ) c o s ( ) s i ni c c s cn t n t t n t t
( ) c o s [ ( ) c o s ( ) s i n ] c o si c c c s c cn t t n t t n t t t与相干载波相乘解调器输入噪声低通滤波器后输出噪声噪声平均功率
11( ) [ ( ) c os 2 ( ) sin 2 ]
22c c c s cn t n t t n t t
1 ()2ocn t n t?
2214o o cN n t n t
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,DSB
2214ooS m t m t有用信号功率噪声平均功率221
4o o cN n t n t
2 01 1 14 4 4o i iN n t N n B
B=2fH
2 2
0
1
4
1
4
o
o
i
mt mtS
N n BN
输出信噪比
2
0
1
2i
i
mtS
N n B?输入信噪比
/ 2
/
ooD S B
ii
SNG
SN制度增益
DSB信号的解调器使信噪比改善一倍这是因为采用同步解调，使输入噪声中的一个正交分量
nS(t)被消除的缘故
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,SSB
带通滤波器低通滤波器
nt
mst
int
mst
c o s
c
t?
omt
ontB=fH
解调器输入信号低通滤波器后输出信号输出信号平均功率
11( ) ( ) c o s ( ) sin22
m c cs t m t t m t t
1() 4om t m t?
22116ooS m t m t
输入信号平均功率 22 1?( ) ( ) c o s ( ) sin
4i m c cS s t m t t m t t
21 1 1( ) ( )4 2 2m t m t
21 ()4iS m t?
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,SSB
2 2
00
1
4
4
i
i
mt mtS
N n B n B
2 2
0
0
1
16
1 4
4
o
o
mt mtS
N n BnB
SSB解调器输入信噪比
SSB解调器输入信噪比
/ 1
/
oo
SSB
ii
SNG
SN
解调增益在 SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善
0
11
44oiN N n B
B=2fH
GDSB=2GSSB。这能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好呢？
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,SSB与 DSB比较
21 ()4iS m t22 1[ ( ) c o s ] 2i m cS s t m t t m t输入信号平均功率
DSB SSB
所以两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到的如果我们在相同的输入信号功率 Si，相同输入噪声功率谱密度 n0，相同基带信号带宽 fH条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比是相等的结论,DSB和 SSB信号的抗噪声性能是相同的，但双边带信号所需的传输带宽是单边带的 2倍
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,VSB
VSB调制系统的抗噪声性能的分析方法与上面的相似。
但是，由于采用的残留边带滤波器的频率特性形状不同，所以，抗噪声性能的计算是比较复杂的。
结论：残留边带不是太大的时候，近似认为与
SSB调制系统的抗噪声性能相同。
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制系统的抗噪声原理
分析模型
线性调制相干解调的抗噪声性能
调幅信号包络检波的抗噪声性能
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能
带通滤波器 包络检波器mst
nt
int
mst
ont
omt
0( ) [ ] c o smcs t A m t t
A0为载波幅度,m(t)为调制信号。
这里仍假设 m(t)的均值为 0，
且 A0m(t)?max
( ) ( ) c o s s i ni c c s cn t n t t n t t
222 022im mtAS s t
2 0iiN n t n B
220
02
i
i
A m tS
N n B
( ) [ ( ) ] c o s s i n c o s [ ]m i c c s c cs t n t A m t n t t n t t E t t t
2 2()csE t A m t n t n t
a r c ta n ()s
c
ntt
A m t n t
理想包络检波器的输出解调器的输入信号解调器的输入噪声解调器的输入信噪比解调器的输入合成包络合成相位
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能：大信噪比情况
220[ ] ( )csA m t n t n t条件：输入信号幅度远大于噪声幅度
22200[ ] 2 [ ] ( ) ( )c c sE t A m t A m t n t n t n t
1 / 2
2
0 0 0
0
2 ( )[ ] 2 [ ] ( ) [ ] 1 c
c
ntA m t A m t n t A m t
A m t
00
0
()[ ] 1 ( )c
c
ntA m t A m t n t
A m t
12(1 ) 1 2xx
1x
有用信号与噪声独立地分成两项
2oS t m t?
22 0o c iN n t n t n B
包络检波器的输出信号功率包络检波器的输出噪声功率
2
0
o
o
mtS
N n B?包络检波器的输出信噪比
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能：大信噪比情况
2
22
0
2/
/
oo
AM
ii
mtSNG
SN A m t
2
0
o
o
mtS
N n B?
220
02
i
i
A m tS
N n B
解调器的输入信噪比解调器的输出信噪比解调增益结论：
1,AM信号的调制制度增益 GAM随 A0的减小而增加。
2、对包络检波器来说，为了不发生过调制现象，应有 A0m(t)?max。所以 GAM总是小于 1。
3、解调器对输入信噪比没有改善，而是恶化了例,100%的调制（即 A0=?m(t)?max）且 m(t)又是正弦型信号时，有
22 02Amt? 23AMG? AM系统的最大信噪比增益
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能：大信噪比情况
思考题：若采用同步检波法解调 AM信号，则得到的调制制度增益 GAM与式（ 4-64）给出的结果关系是怎样的的？由此可以得出什么结论？
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能：小信噪比情况条件：输入信号幅度远大于噪声幅度 220[ ] ( )csA m t n t n t
22200[ ] ( ) 2 ( ) [ ]c s cE t A m t n t n t n t A m t
22 0( ) 2 ( ) [ ]c s cn t n t n t A m t
2 002 222 ( ) [ ] 2 [ ]( ) 1 1 c o s()ccs
cs
n t A m t A m tn t n t R t t
Rtn t n t?
22()csR t n t n t
a rc ta n ()scntt nt
12(1 ) 1
2xx
[]1 c o sA m tE t R t R t A m t tRt
有用信号 m(t)被噪声扰乱，致使 m(t)cos?(t)也只能看作是噪声
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能：小信噪比情况
输出信噪比急剧下降,这种现象称为解调器的,门限效应,。
开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值 。
这种门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的 。
相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应 。 原因是信号与噪声可分别进行解调,解调器输出端总是单独存在有用信号项 。
结论：在大信噪比情况下,AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同；但随着信噪比的减小,包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应；一旦出现门限效应,解调器的输出信噪比将急剧恶化 。
2009-7-29 通信原理 —— 周扬模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
调频系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较 s
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬非线性调制（角调制）的原理
研究对象：非线性调制（频率和相位调制）
研究目的：非线性调制的内涵
研究方法：分析调频和调相及两者之间的关系
2009-7-29 通信原理 —— 周扬非线性调制（角调制）的原理
角调制的基本概念
窄带调频与宽带调频
调频信号的产生与解调
2009-7-29 通信原理 —— 周扬角调制的基本概念正弦波的瞬时相位
dtt dt
正弦波的瞬时频率
ttd
c osmcs t A t t
0c o s c o s cc t A t A t
未调制载波角调制后瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率偏移瞬时相位 ()ct t t
()t?
cd t d tt d t d t
dt
dt
任意一个幅度不变的正弦函数
c o sc t A t
2009-7-29 通信原理 —— 周扬角调制的基本概念
c osmcs t A t t
瞬时相位瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率偏移
()ct t t
()t?
cd t d tt d t d t
dt
dt
相位调制,瞬时相位偏移随调制信号 m(t)而线性变化频率调制,瞬时频率偏移随调制信号 m(t)而线性变化
pt K m t
c osP M c ps t A t K m t
f
dt K m t
dt
( ) c os tFM c fs t A t K m d
2009-7-29 通信原理 —— 周扬模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
非线性调制系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调频系统的抗噪声原理
调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。
相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号；
非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是 FM系统的主要解调方式
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调频系统抗噪声性能分析模型
带通 限幅 鉴频 低通解调器
omt
ontint
ist
nt
FMst
均值为零，单边功率谱密度为 n 0的 AWGN
消除接收信号在幅度上可能出现的畸变抑制信号带宽以外的噪声
2
02
i
i F M
S A
N n B?
c os tFM c fs t A t K m d
2
2i
As?
0i FMN n B?
非相干解调不满足叠加性，无法分别计算信号与噪声功率，因此，也和 AM信号的非相干解调一样，考虑两种极端情况，即大信噪比情况和小信噪比情况，使计算简化，
以便得到一些有用的结论限幅输入
( ) c o s s i n
c o s ( ( ) ) ( ) c o s ( ( ) )
m I c Q c
cc
s t n t n t
A t t V t t t
令
11
22
1 1 2 2
c os( ( ) ) c os
( ) c os( ( ) ) c os
c os c os c os
c
c
A t t a
V t t t a
a a a
则有
1 2 1 2 1 2 1 2a r c t a n s i n ( ) / c o s ( )
( ) ( ) a r c t a n { ( ) s i n [ ( ) ( ) ] / ( ) c o s [ ( ) ( ) ] }c
a a a
t t t V t t t A V t t t
大信噪比 （ A>>V(t)）
()( ) ( ) sin[ ( ) ( ) ]
c
Vtt t t t t
A
解调器输出电压
0
1 ( )
()
2
1 ( ) 1
( ) si n[ ( ) ( ) ]
22
c
dt
V t f
dt
d t d
V t t t
dt A dt
有用信号
0
()1 ( )()
22 F
k m tdtmt
dt
其功率为
2 2
2 ()4
Fo kS m t
噪声信号
1( ) ( ) sin[ ( ) ( ) ]
2o
dn t V t t t
A d t
功率为
20
2
2
3 m
nNo f
A?
解调输出信噪比为
2 2 2
23
0
3 ( )
8
o F
om
S A k m t
N n f
小信噪比 （ A<<V(t)）
解调器输出
( ) ( ) s in [ ( ) ( ) ]()c At t t t tVt
2009-7-29 通信原理 —— 周扬小信噪比情况与门限效应
60
50
40
30
20
10
0
0 5 10 15 20
2
FM
3
4
7
10
20
/
i
i
FM
S
dB
N
/
o
o
FM
S
dB
N
门限效应：当 (Si/Ni)FM减小到一定程度时，解调器的输出中不存在单独的有用信号项，信号被噪声扰乱。因而 ( S0/N0)FM急剧下降。这种情况与
AM包检时相似
（ 1） mf不同，门限值不同。 mf越大，门限点
(Si/Ni)b越高。 (Si/Ni)FM>(Si/Ni)b时，
( S0/N0)FM和 (Si/Ni)FM呈线性关系，且 mf越大，
输出信噪比的改善越明显。
（ 2） (Si/Ni)FM<(Si/Ni)b时,( S0/N0)FM将随
(Si/Ni)b的下降而急剧下降。且 mf越大，
( S0/N0)FM下降得越快，甚至比 DSB或 SSB更差。
2009-7-29 通信原理 —— 周扬加重技术
线性调制系统输出信噪比的增加只能靠输入信噪比的增加而增加（如增加发送信号功率或降低噪声电平）。
非线性调制系统可以用增加输入信噪比或者用增加调频指数 mf（要门限以上工作）的方法增加输出信噪比。
除此之外，它们还可采用降低输出噪声功率 N0的方法提高 S0/N0。只要能保持输出信号不变的任何降低输出噪声的措施都是有用的。
这就是在接收机解调器输出端接去加重滤波器和在发信机调制器输入端接预加重滤波器的基本思想
2009-7-29 通信原理 —— 周扬加重技术：框图及电路预加重 去加重解调器信道调制器 )( tx
)( fH T
K
)( fH R)( tx
m
m
m
m
f
f Rno
f
f no
dffHfP
dffP
R
2)()(
)(
输入 输出
R
C
r
)( b)( a
输入 输出
R
C
可以使输出信噪比提高 6dB左右传输特性随频率增加而滚降，将高端的噪声衰减，则总的噪声功率可以减小（对调频尤为明显）
抵消去加重网络的影响，
使传输信号不失真
2009-7-29 通信原理 —— 周扬模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
调频系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬各种模拟调制系统的比较
0//o o i bD S BS N S n B?
0
oi
obSSB
SS
N n B
0
1
3
oi
obAM
SS
N n B
2
0
3
2
oi
f
obFM
SSm
N n B
2
max
( ) 0
1()
2
( ) 1
mt
mt
mt
结论：当输入信噪比较高时，采用 FM方式可以得到更大好处。
出现门限效应时的曲线拐点门限电平以下，
曲线将迅速跌落比 AM优越 4.7dB
以上比 AM优越 22dB
2009-7-29 通信原理 —— 周扬各种调制方式的性能比较
)()(2 220
2
txA tx?
)1(3 2?ff mm
调制方式 信号带宽 解调增益 设备复杂性 通信中应用情况
DSB 2Bb 2
中等；要求相干解调，
常与 DSB信号一起传输一个小导频较少应用
SSB Bb 1 较大；要求相干解调,调制器也较复杂 短波无线电通信
AM 2Bb 同步解调和大信噪比包络解调 包络解调有门限效应 较小；调制与解调（包络检波）简单 老式军用无线电台中 广泛应用
VSB 略大于 Bb 较大；要求相干解调，调制器需要对称滤波 数据传输；宽带（电 视）系统
FM
带 宽
2Bb (mf+1)
窄 带
2Bb
大信噪比时非相干解调有门限效应 介于 SSB和 AM之间数据传输；无线电广播，微波中继
2009-7-29 通信原理 —— 周扬模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
调频系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬频分复用（ FDM）技术
)(
1
fX
)(
3
fX
)(
2
fX
f
1X
f
3X
f
2X
f
f
f
)( fX
1gB 2g
B
f
1Xf 2Xf 3Xf1cf 2cf 3cf?1cf 2cf 3cf
SSB
将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区，每个小区能顺利通过一路信号防护频带优点：可以在给定的信道内同时传输许多路信号，提高信号传输的有效性缺点：因滤波器特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰
2009-7-29 通信原理 —— 周扬小结
模拟通信系统就是传输模拟信号的通信系统。
本章通过介绍模拟调制解调原理，主要包括：调幅、调频的基本原理，
以及它们的抗噪声性能，有重点地介绍了实现模拟通信系统的理论和技术。使我们了解到，如：基本调幅（ AM）系统实际实现比较容易，
系统性能价格比较高；单边带（ SSB）调制系统，已调信号占用带宽窄，即具有较好的有效性；调频（ FM）系统是以占用较大的信道带宽而获得好的抗噪声性能等等。
如果把本章中调制信号 m(t)换为数字基带信号，则调制系统就变为数字调制。尽管模拟调制在实际应用中占有越来越小的比例，但它是数字调制的基础。
4 模拟通信系统
研究对象：模拟通信系统
研究目的：
（ 1）通过介绍模拟调制解调原理，使读者初步认识和了解,通信原理,这门课是在模块级系统级层次上分析和设计通信系统
（ 2）通过分析不同模拟调制解调系统的抗噪声性能，了解各种系统的抗噪声能力与调制解调器有关参数的关系，这有助于人们在实际工作中正确地设计和选用调制方式，优化模拟通信系统的性能
研究方法：不同模拟调制解调原理及其抗噪声性能
预备知识：信号与系统、随机过程
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
4 模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
调频系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
4.1 概述：基带信号信息源语言音乐图像频率很低的电信号直接转换包括（或不包括）直流分量的低通频谱最高频率和最低频率之比远大于 1
基带信号 如电话信号的频率范围在 300～ 3000Hz
基带信号可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输，但不可能在无线信道直接传输即使可以在有线信道传输，但一对线路上只能传输一路信号，对信道的利用是很不经济的
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
4.1 概述：调制和解调原始信号调制器调制：发送端把基带信号频谱搬移到给定信道通带内的过程原始信号 解调器 解调：在接收端把已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号的过程
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调制在通信系统中的作用
调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求
实现频率分配
实现多路复用
减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调制的基本特征和分类调制器
m (t )
C (t )
sm (t )
单音正弦波连续变化的模拟量：
模拟调制离散的数字量,二进制数字脉冲数字调制单频正弦波连续波形连续载波调制脉冲波形脉冲载波调制矩形周期脉冲
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
4.1.2 调制的基本特征和分类调制器
m (t )
C (t )
sm (f )
线性调制非线性调制
m (f )
sm (f )
m(t)改变载波信号 C(t)的不同参数幅度调制,AM,PAM,ASK
sm (t )
相位调制,PM,PPM,PSK
频率调制,PM,FM,FSK
频谱之间呈线性搬移关系：
AM,ASK
频谱之间没有线性对应关系：
FM,PM,FSK
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调制系统中讨论的主要问题和主要参数
重点,m(t)为取值连续的调制信号,c(t)为正弦载波
问题：
（ 1）工作原理：包括调整系统的物理过程；调制信号、载波信号和已调信号三者的关系（如数学关系、波形关系及频谱关系等）。
（ 2）已调信号的带宽
（ 3）过滤关系
（ 4）噪声对调制系统性能的影响
调制系统的主要参数为：
（ 1）发送功率
（ 2）传输带宽
（ 3）抗噪声性能，如输出信噪比等
（ 4）设备的复杂性
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制的一般模型
m(t)
cosωct
h(t)
sm(t)
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
( ) ( ) ( ) c o s ( )
c o s ( ) ( ) c o s
si n ( ) ( ) si n
m c c
cc
cc
s t h m t t d
t h m t d
t h m t d
( ) 0,5 [ ( ) ( ) ] ( )m c cS M M H
2009-7-29 通信原理 —— 周扬幅度调制原理
h (t )
0( ) c o s cs t A t
m(t )
幅度调制：用调制信号去控制正弦载波的振幅，使其按调制信号作线性变化的过程
0( ) ( ) c o smcs t A m t t基带调制信号
[ ( ) ( ) ]2m c cAS f M f f M f f
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幅度调制信号频谱搬移是线性的线性调制
2009-7-29 通信原理 —— 周扬幅度调制（线性调制）的原理
调幅（ AM）
抑制载波双边带调制（ DSB-SC）
单边带调制（ SSB）
残留边带调制（ VSB）
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅（ AM）：原理及波形
()mt
0A
AMSt
c os 2 cft?
0[ ( ) ] c o s 2 ( ) c o s 2A M c cs t A m t f t A t f t
0 1( ) ( ) ( ) ( )22A M c c c cAS f f f f f M f f M f f
滤波器 H(f)=1）
调制信号 ( ) 0mt?
叠加直流 A0
O
t
t
O
O
t
O
t
m ( t )
A
0
+ m ( t )
tf
c
2c o s
)( ts
AM
1
H
f?
H
f0 f
0
A?
0
A?
1
2
c
f
c
f? 0 f
)( fM
)( fs
AM
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅（ AM）：波形分析
()mt
0A
AMSt
c os 2 cft?
O
t
t
O
O
t
O
t
m ( t )
A
0
+ m ( t )
tf
c
2c o s
)( ts
AM
m(t)?max >A0将会出现过调幅现象而产生包络失真当满足条件?m(t)?max?A0时,AM信号的包络与调制信号成正比可以用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号
m a x m inm a x m in
( ) ( )
( ) ( )
A t A tm
A t A t
重要参数调幅度 m 满调幅 m=1，此时?m(t)?
max=A0
欠调幅,一般 m小于 1
过调幅,m大于 1,A(t)min为负值不能用包络检波器进行解调，
为保证无失真解调，可以采用同步解调
2009-7-29 通信原理 —— 周扬
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅（ AM）：频谱分析
1
Hf? Hf
0 f
)( fM
1.SAM(?)由载频分量和上、下两个边带组成
2.上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，
下边带是上边带的镜像
3.AM信号是带有载波的双边带信号，
它的带宽是基带信号带宽 fH的两倍
HfB?基
BAM=2fH
1
)( fs AM
cf
f
1
cf? hc
ff?hc ff?0
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅（ AM）：功率分析
2 20 ()
22A M C S
A mtP P P
不带信息的载波功率 调制信号平均功率（ 也称边带功率）
调制效率：边带功率与总平均功率的比值，用符号?AM表示调制后信号的总平均功率
S
AM
AM
P
P
2 2 2 22 0
2
1l i m [ ( ) ] c o s 2T
TA M A M A M cTP s t d t s t A m t f tT
2 2 2 2 200c o s 2 ( ) c o s 2 2 ( ) c o s 2c c cA f t m t f t A m t f t
( ) 0mt?
“满调幅,时，如果 m(t)为矩形波形，则最大可得到?AM =0.5，而 m(t)为正弦波时可得到?AM =33.3%。
一般情况下,m都小于 1，调制效率很低，即载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占有的功率较小
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅（ AM）：优缺点
优点：可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号
缺点,AM信号的功率利用率比较低
问题：能否去掉不带信息的载波，提高功率利用率？
解决方法：抑制载波双边带
2009-7-29 通信原理 —— 周扬幅度调制（线性调制）的原理
调幅（ AM）
抑制载波双边带调制（ DSB-SC）
单边带调制（ SSB）
残留边带调制（ VSB）
2009-7-29 通信原理 —— 周扬抑制载波双边带调制（ DSB-SC）
()mt
0A
AMSt
c os 2 cft?
()mtAMSt
c os 2 cft?
0
c os 2 ft?
O
t
()mt
D SB
st
O
O
t
t
载波反相点将载波抑制
c o s 2D S B cs t m t f t
12 [ ( ) ( ) ]D S B c cS f M f f M f f
DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致需采用相干解调（同步检波）
在调制信号 m(t)的过零点处，高频载波相位有 180o突变
2009-7-29 通信原理 —— 周扬抑制载波双边带调制（ DSB-SC）：功率谱
M?
H
f?
H
f
D SB
sf
2
H
f
O f
O f
c
f
c
f?
DSB信号节省了载波功率，功率利用率提高了频带宽度仍是调制信号带宽的两倍上、下两个边带是完全对称的问题：能否只传输其中一个边带，
节省带宽？
单边带调制
2009-7-29 通信原理 —— 周扬幅度调制（线性调制）的原理
调幅（ AM）
抑制载波双边带调制（ DSB-SC）
单边带调制（ SSB）
残留边带调制（ VSB）
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）
DSB信号包含有两个边带，即上、下边带。
由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。
这种只传输一个边带的通信方式称为 单边带通信 。
两种产生方法：滤波法和相移法
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）,用滤波法产生单边带信号
h (t )
0( ) c o s cs t A t
m(t ) SDSB(t) SSSB(t)
边带滤波器理想高通
Hf
cf cf? f
1
a
理想低通
Hf
cf cf? f
1
b
f
f
O
O
c
f?
c
f
c
f
c
f?
上边带频谱下边带频谱
Mf
H
f?
H
fO f
O
下边带 下边带
c
f
fc
f?
解决方法：在工程中往往采用多级调制滤波用滤波法形成 SSB信号的技术难点带来问题：滤波器的设计和制作很困难，
有时甚至难以实现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要求单边带滤波器在 fC
附近具有陡峭的截止特性
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）,用相移法形成单边带信号
研究方法：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 m(t)=Amcos2?fmt 载波 c(t)=cos2?fCt
相乘得 DSB信号为 sDSB(t)=Amcos2?fmtcos2?fCt 1122c o s 2 ( ) c o s 2 ( )m c m m c mA f f t A f f t
保留上边带 12 c o s 2 ( )U S B m c ms t A f f t
1122c o s 2 c o s 2 s i n 2 s i n 2m m c m m cA f t f t A f t f t
12 c o s 2 ( )L S B m c ms t A f f t保留下边带
1122c o s 2 c o s 2 s i n 2 s i n 2m m c m m cA f t f t A f t f t
1122c o s 2 c o s 2 s i n 2 s i n 2S S B m m c m m cs t A f t f t A f t f t
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）,用相移法形成单边带信号（希尔伯特变换）
Amcos2?fmt Amsin2?fmt
希尔伯特变换相移?/2，而幅度大小保持不变
c o s 2 s i n 2m m m mA f t A f t
1122?( ) c o s 2 ( ) s i n 2S S B c cs t m t f t m t f t
Hilbert
()mt
任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和
()mt ()Mf傅里叶变换傅里叶变换 s g nM f M f j f
10s g n ff
f
( ) /hH f M f M f? 称传递函数 Hh(f)为希尔伯特滤波器
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）,用相移法形成单边带信号
2
h
Hf
SSB
st
1
2
mt
1
c os 2
2
c
m t f t?
1
()
2
mt
1
( ) c os
2
c
m t t?
c os 2
c
ft?
1122?( ) c o s 2 ( ) s i n 2S S B c cs t m t f t m t f t
实质上是一个宽带相移网络，表示把 m(t)幅度不变，所有的频率分量均相移?/2
所有的频率分量均精确相移
/2正是难点所在解决方法：维弗法
2009-7-29 通信原理 —— 周扬单边带调制（ SSB）：结论
SSB调制方式在传输信号时,不但可节省发射功率,且信号占用带宽 BSSB=fH,只有 AM,DSB的一半,所以,它目前是短波通信中的一种重要调制方式 。
SSB信号的解调和 DSB一样不能采用简单的包络检波,因为 SSB信号也是抑制载波的已调信号,
它的包络不能直接反映调制信号的变化,所以仍需采用相干解调 。
2009-7-29 通信原理 —— 周扬幅度调制（线性调制）的原理
调幅（ AM）
抑制载波双边带调制（ DSB-SC）
单边带调制（ SSB）
残留边带调制（ VSB）
2009-7-29 通信原理 —— 周扬残留边带调制（ VSB）
DSB信号占用频带宽
SSB信号实现困难折衷残留边带调制 VSB
Mf
B? BO f
c
f?
c
f
D S B
f?
SSB
f?
VSB
f?
a
b
c
d
O f
c
f? O
c
f f
O
c
f?
c
f f
不是完全抑制一个边带逐渐切割，使其残留一小部分
2009-7-29 通信原理 —— 周扬残留边带调制（ VSB）
0mt
2 c o s 2 cft c os 2
cc t f t
V S Bst
V S BHfmt
V S Bst
L P F
ab
1 ()2V SB c c V SBS f M f f M f f H f
VSB信号必须相干解调。
2 c os 2V SB c V SB c V SB cs t f t S f f S f f
相干解调
12o V SB c V SB cM f M f H f f H f f
选择合适的低通滤波器的截止频率，消掉?2fC处的频谱
,V S B c V S B c HH f f H f f c o n s t f f
代入无失真地重现调制信号 m(t)?M(f)
2009-7-29 通信原理 —— 周扬残留边带调制（ VSB）：滤波器
V S B
Hf
VSB
Hf
c
f?
c
fO f
f
c
fO
c
f?
1
1
0,5
0,5
a
b
,V S B c V S B c HH f f H f f c o n s t f f
残留部分上边带的滤波器特性残留部分下边带的滤波器特性在?fC处具有互补对称
（奇对称）特性
2009-7-29 通信原理 —— 周扬残留边带调制（ VSB）：滤波器特性
c
f?
c
fO f
c
f?
c
fO f
c
f?
c
fO f
c
f?
c
fO f
VSB
Hf
V S B c
H f f?
V S B c
H f f?
V S B c V S B c
H f f H f f
a
b
c
d
HVSB(f?fC)和 HVSB(f+fC)在 f=0
处具有互补对称的滚降特性
,V S B c V S B c HH f f H f f c o n s t f f
矛盾,残留边带信号的带宽与滤波器的实现之间
2009-7-29 通信原理 —— 周扬模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
调频系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制系统的抗噪声原理
研究对象：噪声对线性调制系统的影响
研究目的：掌握存在加性高斯白噪声时,各种线性调制系统的抗噪声性能
研究方法：用解调器的抗噪声性能来衡量 。 抗噪声能力通常用,信噪比,来度量 。 所谓信噪比,这里是指信号与噪声的平均功率之比 。
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制系统的抗噪声原理
分析模型
线性调制相干解调的抗噪声性能
调幅信号包络检波的抗噪声性能
2009-7-29 通信原理 —— 周扬分析模型
带通滤波器 解调器
nt
mst
intont
omt
mst
00c o s s i ni c sn t n t t n t t
AWGN
平稳窄带高斯噪声
0c o sin t V t t t
2 2 2i c s in t n t n t N
同相分量 正交分量 平均功率为 N i
1,0
f0ff? 0
BHf
若白噪声的双边功率谱密度为 n0/2
0iN n B?
带宽 B应等于已调信号的频带宽度，
当然也是窄带噪声 ni(t)的带宽
2009-7-29 通信原理 —— 周扬分析模型
评价指标：解调器的输出信噪比
物理含义：衡量一个模拟通信系统质量的好坏
2
2
()
()
oo
o o
S m t
N nt
解 调 器 输 出 有 用 信 号 的 平 均 功 率解 调 器 输 出 噪 声 的 平 均 功 率与调制方式有关与解调方式有关
/
/ooii
SNG
SN?
不同类调制方式
2
2
()
()
im
i i
S s t
N nt
解 调 器 输 入 已 调 信 号 的 平 均 功 率解 调 器 输 入 噪 声 的 平 均 功 率制度增益
G越大，表明解调器的抗噪声性能越好越大，表明解调器的抗噪声性能越好o
o
SN
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制系统的抗噪声原理
分析模型
线性调制相干解调的抗噪声性能
调幅信号包络检波的抗噪声性能
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,DSB
带通滤波器低通滤波器
nt
mst
int
mst
c o s
c
t?
omt
ont
( ) ( ) c o smcs t m t t
2 11( ) c o s ( ) ( ) c o s 222ccm t t m t m t t
与相干载波相乘解调器输入信号低通滤波器后输出信号 1( ) ( )
2om t m t?
2214ooS m t m t有用信号功率
B=2fH
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,DSB
带通滤波器低通滤波器
nt
mst
int
mst
c o s
c
t?
omt
ont
( ) c o s ( ) s i ni c c s cn t n t t n t t
( ) c o s [ ( ) c o s ( ) s i n ] c o si c c c s c cn t t n t t n t t t与相干载波相乘解调器输入噪声低通滤波器后输出噪声噪声平均功率
11( ) [ ( ) c os 2 ( ) sin 2 ]
22c c c s cn t n t t n t t
1 ()2ocn t n t?
2214o o cN n t n t
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,DSB
2214ooS m t m t有用信号功率噪声平均功率221
4o o cN n t n t
2 01 1 14 4 4o i iN n t N n B
B=2fH
2 2
0
1
4
1
4
o
o
i
mt mtS
N n BN
输出信噪比
2
0
1
2i
i
mtS
N n B?输入信噪比
/ 2
/
ooD S B
ii
SNG
SN制度增益
DSB信号的解调器使信噪比改善一倍这是因为采用同步解调，使输入噪声中的一个正交分量
nS(t)被消除的缘故
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,SSB
带通滤波器低通滤波器
nt
mst
int
mst
c o s
c
t?
omt
ontB=fH
解调器输入信号低通滤波器后输出信号输出信号平均功率
11( ) ( ) c o s ( ) sin22
m c cs t m t t m t t
1() 4om t m t?
22116ooS m t m t
输入信号平均功率 22 1?( ) ( ) c o s ( ) sin
4i m c cS s t m t t m t t
21 1 1( ) ( )4 2 2m t m t
21 ()4iS m t?
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,SSB
2 2
00
1
4
4
i
i
mt mtS
N n B n B
2 2
0
0
1
16
1 4
4
o
o
mt mtS
N n BnB
SSB解调器输入信噪比
SSB解调器输入信噪比
/ 1
/
oo
SSB
ii
SNG
SN
解调增益在 SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善
0
11
44oiN N n B
B=2fH
GDSB=2GSSB。这能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好呢？
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,SSB与 DSB比较
21 ()4iS m t22 1[ ( ) c o s ] 2i m cS s t m t t m t输入信号平均功率
DSB SSB
所以两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到的如果我们在相同的输入信号功率 Si，相同输入噪声功率谱密度 n0，相同基带信号带宽 fH条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比是相等的结论,DSB和 SSB信号的抗噪声性能是相同的，但双边带信号所需的传输带宽是单边带的 2倍
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制相干解调的抗噪声性能,VSB
VSB调制系统的抗噪声性能的分析方法与上面的相似。
但是，由于采用的残留边带滤波器的频率特性形状不同，所以，抗噪声性能的计算是比较复杂的。
结论：残留边带不是太大的时候，近似认为与
SSB调制系统的抗噪声性能相同。
2009-7-29 通信原理 —— 周扬线性调制系统的抗噪声原理
分析模型
线性调制相干解调的抗噪声性能
调幅信号包络检波的抗噪声性能
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能
带通滤波器 包络检波器mst
nt
int
mst
ont
omt
0( ) [ ] c o smcs t A m t t
A0为载波幅度,m(t)为调制信号。
这里仍假设 m(t)的均值为 0，
且 A0m(t)?max
( ) ( ) c o s s i ni c c s cn t n t t n t t
222 022im mtAS s t
2 0iiN n t n B
220
02
i
i
A m tS
N n B
( ) [ ( ) ] c o s s i n c o s [ ]m i c c s c cs t n t A m t n t t n t t E t t t
2 2()csE t A m t n t n t
a r c ta n ()s
c
ntt
A m t n t
理想包络检波器的输出解调器的输入信号解调器的输入噪声解调器的输入信噪比解调器的输入合成包络合成相位
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能：大信噪比情况
220[ ] ( )csA m t n t n t条件：输入信号幅度远大于噪声幅度
22200[ ] 2 [ ] ( ) ( )c c sE t A m t A m t n t n t n t
1 / 2
2
0 0 0
0
2 ( )[ ] 2 [ ] ( ) [ ] 1 c
c
ntA m t A m t n t A m t
A m t
00
0
()[ ] 1 ( )c
c
ntA m t A m t n t
A m t
12(1 ) 1 2xx
1x
有用信号与噪声独立地分成两项
2oS t m t?
22 0o c iN n t n t n B
包络检波器的输出信号功率包络检波器的输出噪声功率
2
0
o
o
mtS
N n B?包络检波器的输出信噪比
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能：大信噪比情况
2
22
0
2/
/
oo
AM
ii
mtSNG
SN A m t
2
0
o
o
mtS
N n B?
220
02
i
i
A m tS
N n B
解调器的输入信噪比解调器的输出信噪比解调增益结论：
1,AM信号的调制制度增益 GAM随 A0的减小而增加。
2、对包络检波器来说，为了不发生过调制现象，应有 A0m(t)?max。所以 GAM总是小于 1。
3、解调器对输入信噪比没有改善，而是恶化了例,100%的调制（即 A0=?m(t)?max）且 m(t)又是正弦型信号时，有
22 02Amt? 23AMG? AM系统的最大信噪比增益
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能：大信噪比情况
思考题：若采用同步检波法解调 AM信号，则得到的调制制度增益 GAM与式（ 4-64）给出的结果关系是怎样的的？由此可以得出什么结论？
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能：小信噪比情况条件：输入信号幅度远大于噪声幅度 220[ ] ( )csA m t n t n t
22200[ ] ( ) 2 ( ) [ ]c s cE t A m t n t n t n t A m t
22 0( ) 2 ( ) [ ]c s cn t n t n t A m t
2 002 222 ( ) [ ] 2 [ ]( ) 1 1 c o s()ccs
cs
n t A m t A m tn t n t R t t
Rtn t n t?
22()csR t n t n t
a rc ta n ()scntt nt
12(1 ) 1
2xx
[]1 c o sA m tE t R t R t A m t tRt
有用信号 m(t)被噪声扰乱，致使 m(t)cos?(t)也只能看作是噪声
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调幅信号包络检波的抗噪声性能：小信噪比情况
输出信噪比急剧下降,这种现象称为解调器的,门限效应,。
开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值 。
这种门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的 。
相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应 。 原因是信号与噪声可分别进行解调,解调器输出端总是单独存在有用信号项 。
结论：在大信噪比情况下,AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同；但随着信噪比的减小,包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应；一旦出现门限效应,解调器的输出信噪比将急剧恶化 。
2009-7-29 通信原理 —— 周扬模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
调频系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较 s
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬非线性调制（角调制）的原理
研究对象：非线性调制（频率和相位调制）
研究目的：非线性调制的内涵
研究方法：分析调频和调相及两者之间的关系
2009-7-29 通信原理 —— 周扬非线性调制（角调制）的原理
角调制的基本概念
窄带调频与宽带调频
调频信号的产生与解调
2009-7-29 通信原理 —— 周扬角调制的基本概念正弦波的瞬时相位
dtt dt
正弦波的瞬时频率
ttd
c osmcs t A t t
0c o s c o s cc t A t A t
未调制载波角调制后瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率偏移瞬时相位 ()ct t t
()t?
cd t d tt d t d t
dt
dt
任意一个幅度不变的正弦函数
c o sc t A t
2009-7-29 通信原理 —— 周扬角调制的基本概念
c osmcs t A t t
瞬时相位瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率偏移
()ct t t
()t?
cd t d tt d t d t
dt
dt
相位调制,瞬时相位偏移随调制信号 m(t)而线性变化频率调制,瞬时频率偏移随调制信号 m(t)而线性变化
pt K m t
c osP M c ps t A t K m t
f
dt K m t
dt
( ) c os tFM c fs t A t K m d
2009-7-29 通信原理 —— 周扬模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
非线性调制系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调频系统的抗噪声原理
调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。
相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号；
非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是 FM系统的主要解调方式
2009-7-29 通信原理 —— 周扬调频系统抗噪声性能分析模型
带通 限幅 鉴频 低通解调器
omt
ontint
ist
nt
FMst
均值为零，单边功率谱密度为 n 0的 AWGN
消除接收信号在幅度上可能出现的畸变抑制信号带宽以外的噪声
2
02
i
i F M
S A
N n B?
c os tFM c fs t A t K m d
2
2i
As?
0i FMN n B?
非相干解调不满足叠加性，无法分别计算信号与噪声功率，因此，也和 AM信号的非相干解调一样，考虑两种极端情况，即大信噪比情况和小信噪比情况，使计算简化，
以便得到一些有用的结论限幅输入
( ) c o s s i n
c o s ( ( ) ) ( ) c o s ( ( ) )
m I c Q c
cc
s t n t n t
A t t V t t t
令
11
22
1 1 2 2
c os( ( ) ) c os
( ) c os( ( ) ) c os
c os c os c os
c
c
A t t a
V t t t a
a a a
则有
1 2 1 2 1 2 1 2a r c t a n s i n ( ) / c o s ( )
( ) ( ) a r c t a n { ( ) s i n [ ( ) ( ) ] / ( ) c o s [ ( ) ( ) ] }c
a a a
t t t V t t t A V t t t
大信噪比 （ A>>V(t)）
()( ) ( ) sin[ ( ) ( ) ]
c
Vtt t t t t
A
解调器输出电压
0
1 ( )
()
2
1 ( ) 1
( ) si n[ ( ) ( ) ]
22
c
dt
V t f
dt
d t d
V t t t
dt A dt
有用信号
0
()1 ( )()
22 F
k m tdtmt
dt
其功率为
2 2
2 ()4
Fo kS m t
噪声信号
1( ) ( ) sin[ ( ) ( ) ]
2o
dn t V t t t
A d t
功率为
20
2
2
3 m
nNo f
A?
解调输出信噪比为
2 2 2
23
0
3 ( )
8
o F
om
S A k m t
N n f
小信噪比 （ A<<V(t)）
解调器输出
( ) ( ) s in [ ( ) ( ) ]()c At t t t tVt
2009-7-29 通信原理 —— 周扬小信噪比情况与门限效应
60
50
40
30
20
10
0
0 5 10 15 20
2
FM
3
4
7
10
20
/
i
i
FM
S
dB
N
/
o
o
FM
S
dB
N
门限效应：当 (Si/Ni)FM减小到一定程度时，解调器的输出中不存在单独的有用信号项，信号被噪声扰乱。因而 ( S0/N0)FM急剧下降。这种情况与
AM包检时相似
（ 1） mf不同，门限值不同。 mf越大，门限点
(Si/Ni)b越高。 (Si/Ni)FM>(Si/Ni)b时，
( S0/N0)FM和 (Si/Ni)FM呈线性关系，且 mf越大，
输出信噪比的改善越明显。
（ 2） (Si/Ni)FM<(Si/Ni)b时,( S0/N0)FM将随
(Si/Ni)b的下降而急剧下降。且 mf越大，
( S0/N0)FM下降得越快，甚至比 DSB或 SSB更差。
2009-7-29 通信原理 —— 周扬加重技术
线性调制系统输出信噪比的增加只能靠输入信噪比的增加而增加（如增加发送信号功率或降低噪声电平）。
非线性调制系统可以用增加输入信噪比或者用增加调频指数 mf（要门限以上工作）的方法增加输出信噪比。
除此之外，它们还可采用降低输出噪声功率 N0的方法提高 S0/N0。只要能保持输出信号不变的任何降低输出噪声的措施都是有用的。
这就是在接收机解调器输出端接去加重滤波器和在发信机调制器输入端接预加重滤波器的基本思想
2009-7-29 通信原理 —— 周扬加重技术：框图及电路预加重 去加重解调器信道调制器 )( tx
)( fH T
K
)( fH R)( tx
m
m
m
m
f
f Rno
f
f no
dffHfP
dffP
R
2)()(
)(
输入 输出
R
C
r
)( b)( a
输入 输出
R
C
可以使输出信噪比提高 6dB左右传输特性随频率增加而滚降，将高端的噪声衰减，则总的噪声功率可以减小（对调频尤为明显）
抵消去加重网络的影响，
使传输信号不失真
2009-7-29 通信原理 —— 周扬模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
调频系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬各种模拟调制系统的比较
0//o o i bD S BS N S n B?
0
oi
obSSB
SS
N n B
0
1
3
oi
obAM
SS
N n B
2
0
3
2
oi
f
obFM
SSm
N n B
2
max
( ) 0
1()
2
( ) 1
mt
mt
mt
结论：当输入信噪比较高时，采用 FM方式可以得到更大好处。
出现门限效应时的曲线拐点门限电平以下，
曲线将迅速跌落比 AM优越 4.7dB
以上比 AM优越 22dB
2009-7-29 通信原理 —— 周扬各种调制方式的性能比较
)()(2 220
2
txA tx?
)1(3 2?ff mm
调制方式 信号带宽 解调增益 设备复杂性 通信中应用情况
DSB 2Bb 2
中等；要求相干解调，
常与 DSB信号一起传输一个小导频较少应用
SSB Bb 1 较大；要求相干解调,调制器也较复杂 短波无线电通信
AM 2Bb 同步解调和大信噪比包络解调 包络解调有门限效应 较小；调制与解调（包络检波）简单 老式军用无线电台中 广泛应用
VSB 略大于 Bb 较大；要求相干解调，调制器需要对称滤波 数据传输；宽带（电 视）系统
FM
带 宽
2Bb (mf+1)
窄 带
2Bb
大信噪比时非相干解调有门限效应 介于 SSB和 AM之间数据传输；无线电广播，微波中继
2009-7-29 通信原理 —— 周扬模拟通信系统
概述
幅度调制（线性调制）的原理
线性调制系统的抗噪声原理
非线性调制（角调制）的原理
调频系统的抗噪声原理
各种模拟调制系统的比较
频分复用（ FDM）技术
2009-7-29 通信原理 —— 周扬频分复用（ FDM）技术
)(
1
fX
)(
3
fX
)(
2
fX
f
1X
f
3X
f
2X
f
f
f
)( fX
1gB 2g
B
f
1Xf 2Xf 3Xf1cf 2cf 3cf?1cf 2cf 3cf
SSB
将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区，每个小区能顺利通过一路信号防护频带优点：可以在给定的信道内同时传输许多路信号，提高信号传输的有效性缺点：因滤波器特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰
2009-7-29 通信原理 —— 周扬小结
模拟通信系统就是传输模拟信号的通信系统。
本章通过介绍模拟调制解调原理，主要包括：调幅、调频的基本原理，
以及它们的抗噪声性能，有重点地介绍了实现模拟通信系统的理论和技术。使我们了解到，如：基本调幅（ AM）系统实际实现比较容易，
系统性能价格比较高；单边带（ SSB）调制系统，已调信号占用带宽窄，即具有较好的有效性；调频（ FM）系统是以占用较大的信道带宽而获得好的抗噪声性能等等。
如果把本章中调制信号 m(t)换为数字基带信号，则调制系统就变为数字调制。尽管模拟调制在实际应用中占有越来越小的比例，但它是数字调制的基础。
