模拟调制系统(1)

第四章模拟调制系统

第一次课

先回忆一下前面三章的内容，通信原理这门课我们在第一章给大家介绍了通信的基本概念，以及要研究的主要问题，首先通信概念里面强调通信是实现信息的传输，信息是抽象的，包含在具体的消息中，通信系统里的消息又是以具体的信号形式来表现，所以我们又可以说通信的目的是传输信号，我们在第二章花了好多时间介绍信号分析的基本方法，因为这是通信要研究的基本内容，那如何完成信息的传输，我们需要建立通信系统的模型，大家回忆一下第一章里面通信系统模型他的基本构成部分，有信源、受信者这是一对，通信的双方，中间有通信的信道，狭义的理解是通信的传输煤质，另外在信源和信道之间，以及信道和通信者之间有两个非常关键的部分，也就是通信的发送部分和通信的接受部分，那发送部分和接收部分要完成什么功能呢？它起到中介作用，目的是使得信源的信号和信道的信号要匹配，那这种匹配指的是频率的匹配，信源出来的信号本身低频成分比较多，而信道容许的工作频率大多数时候是带通的信道，高频段，那这个时候发送设备就要完成信源低频信号到信道高频的转换，这种转换作用就是通过调制来完成的，而接受设备要完成的功能就是从信道的高频信号再还原成受信者所接收到的低频信号，所以接受设备他的基本功能是完成解调，所以调制和解调是信息传输的重要技术，研究调制理论要介绍那些内容呢。我们说要建立系统的概念，有了系统框图之后呢，还要分析通信系统的主要性能指标，那这个性能指标我们也在第一章里面建立起来，通信系统的有效性，还有可靠性，我们主要关心这两个性能指标，有效性是信息传输的快慢问题，我们希望能够传输信息要快，可靠性关心的是信息传输的质量问题，我们希望质量要好，那怎么知道有效性可靠性就好了呢，在模拟通信系统里面，有效性用什么指标表示，带宽，还记得吗、用带宽来表示模拟通信系统的有效性指标，那带宽怎么样算有效，那应该是带宽越小越有效，每一路信号占用的带宽越小，那在给定信道里，能够传输的路数就越多，可靠性指标在模拟通信系统里面用什么来表示，用信噪比，也就是信号功率和噪声功率的比值，这个比值越大，通信系统的质量就越好，那我们说通信理论里面调制是非常关键的部分，那研究调制，我们也要建立调制的概念，调制系统的构成以及调制系统的主要性能指标，还有各种各样的调制技术，首先我们要建立调制的概念，什么叫做调制，为什么要进行调制，还有调制的类型划分，有了这些概念之后，我们介绍模拟调制里面的两大类型，一个是线性调制，另外一个是非线性调制，在线性调制里面包括了四种主要的调制方式，调幅，双边带，单边带，和残留编带调制，那在非线性调制里面又有两类，调频和调相，对于这里面六种调制方式我们要给出他们的表达式，分析它的带宽特点，建立调制和解调的模型，还要分析各种调制系统的抗噪声性能指标，最后了解一下这些调制的应用，另外我们还要建立频分复用的概念，大家知道通信研究信息的传输，那在信息的传输过程中经常是多路信号一起传送，这就是复用的概念，那在模拟调制里面主要是采用频分复用的方式，在具体的实现过程中，调制又涉及到复合调制和多级调制，第一个问题我们先建立调制的概念以及问什么要进行调制，还有调制涉及到的一些类型，首先是调制的概念，调制就是按照基带信号的变化规律去改变载波某些参数的过程，在这里面，基带信号也叫做调制信号，在调制概念里面我们涉及到了两个输入信号，和一个输出信号，调制信号实质就是我们要传输的包含原始信息的信号，调制信号习惯上用m(t)来表示，这是调制概念里面涉及到的第一个输入信号，也就是我们要传输的包含原始信息的信号m(t)。调制概念还涉及到另外非常关键的信号，叫做载波信号，载波信号我们习惯上用c(t)来表示，这两个信号相互作用的结果就完成了调制，怎么样相互作用呢？用调制信号去控制载波的参数，也就是通信里面完成信息的传输，需要有一个信号来承载信息，因为它不能直接传输，两者作用的结果产生的输出信号叫做已调信号，已调信号我们用S m(t)来表示，首先理解一下调制信号，m(t)。我们说是包含信息的原始信号，他的特点一般是具有比较低的频率成分，大家回忆一下，这些原始的信

号都有哪些，我们打电话的时候，电话信号的频率范围，一般来说是多少，0.3-3.4khz，这个频率范围是能保证清晰度的要求，我们要穿的原始信号还可以是图像信号，图像信号的频率范围0-6.5Mhz，大家看到了要传输的原始信号一般都是低频，而对于信道来说，我们说大多数信道是带通型的信道，他容许的频率成分一般是高频，所以信源信号和信道信号的频率特性是不匹配的，这时候我们需要进行调制，通过载波信号来承载原始信息，这种承载过程实际上是频率的搬移，从低频搬到高频，让这个信号适合信道的传输，那下面我们有了调制的概念，两个信号相互作用，从低频搬到高频叫做调制，那这个调制也是通信系统里面发送设备要完成的功能，那在这个通信系统里面接收端有一个接收过程，调制对应的是发送，而接收过程对应的解调，调制和解调完成相反的作用，另外在建立一个概念，通信系统里面如果涉及到调制和解调，这个通信系统我们叫频带传输系统，如果不经过调制和解调，这个通信系统就叫做基带传输系统，那大家看看这么一个框图，第一章我们介绍过，非常熟悉，这是一个数字通信系统的传输框图，说的在具体一点，大家看看，这个是叫做数字基带传输系统还是数字频带传输系统呢？频带传输是需要进行调制和解调的系统，这个系统框图里面有数字调制器和数字解调器，所以这个系统应该叫做数字频带传输系统，那对比一下，数字基带传输系统，又是什么样的？数字基带传输系统没有调制和解调了，建立了调制的概念，下面我们了解为什么要进行调制，也就是调制的作用，首先调制的第一个作用，我们刚才说了，信源信号一般具有比较多的低频成分，而信道容许的频率一般是高频，所以调制要进行频率变换，从低频到高频的变换过程，这个作用是调制最主要的作用，频谱的搬移或者叫频率的变换，那这种搬移的过程一会我们从调幅，单边带，双边带原理里面就可以看出来，那这个搬移搬移到什么地方呢？我们说从低搬到高，高到什么样的程度呢？这个由具体的传输煤质来决定，大家看看，如果是一个调频广播的话，我们把信源信号频率搬到调频广播所允许的频率范围里面，大家看看，调频广播的频率划分，第二栏里面是调频广播的工作频率，这个里面单位是Mhz。调频广播的公用频段一般是88mhz-108mhz，刚才是调频段的工作频率划分，再看看，调幅段的工作频率划分，上头是调幅段，也就是说，调制的第一个作用频率变换，要变换到什么位置的，由你的传输煤质所容许的工作频率来决定，再看看调制的第二个作用，通过调制可以实现信道的多路复用，复用就是多路信号同时进行传输，复用的方式有频分复用，时分复用，码分复用，不同方式复用的原理是不同的，频分复用是不同路的信号时间上是同时存在的，但是频率上是分开的，所以不同路的信号占据不同的频率范围，时分复用，频率上市重复的，时间上是分开的，那我们想一下，复用的实现，多路信号在信道里同时传输，如果不进行调制的话。我们想一下信源出来的原始信号，对于电话信号来说，不同路的信号频率范围都是这个，所以不调制，在信道里面传送多路信号，各路信号就要重叠到一块，没有办法区分，那我们进行频分复用具体实现的方法是什么呢？对于每一路信号我用不同的载波信号进行搬移，把第一路信号搬到一个频率范围，第二路信号通过另外一个载波搬到另外一个频率范围，用这个办法把他们频率分开，这样就实现了多路信号同时传送，那这种频分复用怎么实现的，是通过调制实现的，每一路信号用不同的载波信号进行搬移，实现频分的复用，再看看调制的第三个作用，他可以提高通信系统的抗干扰能力，不同的调制方式抗噪性能是不同的，我们可以提高均衡有效性和可靠性两个指标得到不同的系统性能，举个例子，调频系统的抗噪性能就比调幅系统的抗噪性能好，但是调频系统牺牲了带宽。了解了调制的概念和调制的作用，我们对调制的类型进行划分，首先调制的分类是从调制的概念入手，经过几个方面得到不同的类型，首先从概念里面，我们说调制是两个输入信号相互作用，根据两个输入信号的情况以及作用的情况不同得到不同的类型，首先第一种我们按照调制信号来划分，调制信号可以有两种形式，一种是模拟信号，那相应的这种调制类型我们叫模拟调制，模拟调制的典型例子有我们介绍的6种调制方式，给出他的调制效果，左边这个图形m(t)是一个幅度连续的模拟信号，后边对应的是一个双边带调制的结果，调制信号

还可以是另外一种形式，是数字信号的话，我们对应的调制是数字调制，图形大家先认识一下，这时的调制信号变成幅度离散的信号，数字序列用st来表示，数字序列去控制载波，跟上面的模拟调制是不一样，一个是幅度连续，一个是幅度离散，我们还可以从另外一个角度去划分，根据载波信号进行划分，载波信号一般有2种形式，一个是用连续的正玄波作为载波，我们把这种调制叫做连续波调制，典型的调制方式有这一章要介绍的6种调制方式，还有以后要介绍的数字调制方式，都属于连续波调制，也就是说载波用连续的正玄波，大家看看这是调制的结果，载波里面都是正玄波。另外载波还可以是另外一种形式，交脉冲波，相应的调制交脉冲波调制，调制的结果大家看看和上面有很大的区别，上面的载波是连续的真玄波，下面是周期性的脉冲波，这是第二种分法，按照载波信号来划分，我们可以从调制的概念去理解，调制是用基带信号去控制载波信号的某些参数的过程，所以我们还可以利用这种控制方式来进行划分，调制信号去控制载波的参数，不同的参数可以得到不同的调制类型，我们可以拿调制信号去控制载波的幅度参数，相应的叫做幅度调制，或者叫做调幅，比方说这章讲到的AM调制，我们还可以用调制信号去控制载波的频率参数，相应的结果叫做频率调制，简称做调频，这一章讲到的FM，初次之外还可以用调制信号去控制载波的相位，相应的叫做相位调制，简称做调相，这一章要讲到的PM，前面我们对调制的概念，调制的作用，调制的类型进行了讲解，下面就开始这一章的内容，模拟调制，模拟调制所用的载波是连续的正玄波，调制信号属于模拟信号，我们准确的说叫正选拨模拟调制，简称做模拟调制，模拟调制里面又可以分成两大类，线性调制和非线性调制，二者的区别，就是，线性调制除了把频谱的位置从低频搬到高频之外，没有频谱结构的变化。只是位置的移动，但是对于非线性调制，除了有频谱位置的移动，还有频谱结构的变化，线性调制包括四种具体的，而非线性调制包括2种具体的，对于每一种调制，我们分析的思路基本上是一致的，主要围绕着几个方面，一个是各种调制的表达式，波形，频谱，带宽，以及功率的计算，另外还要了解各种调制的实现，也就是调制和解调的框图画法，第三条要分析每一种调制的抗噪性能，最后还要了解各种调制在实际中的应用，先看线性调制，刚才已经说了，线性调制，频谱前后只有位置的变化，没有频谱结构的变化，先看看线性调制里面的第一种振幅调制，简称调幅，也称作AM，这种调制的概念是正选载波的幅度随着调制信号线性变化的过程，我们先给出调幅信号的表达式，再调幅表达式里面我们涉及到这几个部分，首先对于A0他是一个常数，m(t)是调制信号，也就是我们要传输的原始信号，coswct这一项就是调制用的载波信号，对这个表达式里面，我们有几点需要说明，第一点，要传输的原始信号，我们假设他的平均值为0，也就是没有直流成分，第二个要说明的在表达式里面我们提一个条件，A0+m(t)》=0,这个条件叫做不过调条件，或者称作包络检波的不失真条件，如果不满足这个条件，也就是A0+m(t)<0的时候，包络检波就会产生失真，或者说就会发生过调，一会我们在理解为什么提这个条件，这个条件的另外一种表达也可以写成A0》mt绝对值的最大值。各种调制的表达式是非常关键的，是后面分析的基础，我们根据这个表达式可以绘制调幅信号的波形，还可以建立他的调制框图，有了调制的表达式后。我们要建立他的波形，在数学里面，有了表达式，绘制波形，那在调制里面一样的，我们已经把表达式建立起来了，根据表达式汇出图形来就可以了，假设要传输的原始信号的波形给出来，m(t)的形状给出来了，我们再把它加上一个直流项，因为A0是大于m(t)的绝对值的最大值，也就是说他为正的，所以把m(t)加上A0之后往上移了一块，根据调幅信号的表达式，A0加上m(t)要和载波项想成，载波项用的正选拨或者与玄波，那二者相乘的结果大家看看就变成了一个幅度随着调制信号变化的调幅波，大家看看，再画调幅波的时候，幅度的变化跟信号一样，但是要把它画成虚线，为什么呢，因为实际存在的是里面高频部分，这个幅度只代表一个变化趋势，另外有一点需要说明的，幅度变化的正半部分也就是横轴的上方，信号幅度的变化我们给他一个名字，叫做信号的包络，了解包络，因为我们后面要建立包络检波的概念，大家首先想到

的我这个包络里面就包含了原始信号的变化，将来恢复信号的时候，我只需要把这个包络取出来就可以了，这就是我们下面要讲到的包络检波的概念，下面思考一个问题，我们给出来的信号形式是画的这个波形的情况，那如果m(t)变成另外一种形式的时候，大家还会不会画，如果把m(t)变成一个三角波的情况下，大家想一想这个调幅信号的包络应该是一个什么形状呢？三角波了，所以说幅度的变化跟原始信号的变化是一样的，要根据原始信号m（t）的形状来画调幅信号的包络，第二个问题如果原始信号发生过调的时候，也就是说刚才给的这个条件不满足的时候就会发生过调，我们先看看调制信号的形状如果发生变化的时候，刚才的图形调制信号的图形像正选但不是准确的正选，那现在这个结果要传输的调制信号就是一个正选的形状，所以这个时候调幅波的包络就是按照正选规律变化，所以调制信号发生变化的时候，调幅波的幅度也要跟着变化，不过调的条件是A0+m(t)>=0.那当A0+m(t)<0的时候，就会发生过调，A0+m(t)<0也就是说会出现横轴下方的部分，所以相乘以后，A0+m(t)下半方有一部分，对于负半轴那就是在横轴上面，大家看看这个时候信号的幅度变化对于正半轴包络的情况是什么样的呢？这时候包络的变化规律给刚才还一样吗？不一样了。所以我们一会解调的时候就会比较不发生过调和发生过调以后包络检波的结果是不一样的，大家先看看过调时候的波形和不发生过调时候的波形，有了表达式，有了波形，下面我们分析调幅信号的带宽占用情况，怎么样确定信号的带宽，大家在第三章信号分析里面已经建立了概念，我们怎么样确定信号的带宽，先明确带宽是在时域里分析还是在频域里面分析，带宽就是频带宽度，也就是信号再频域里面的分布范围，我们根据他来确定，那要分析信号的频域特性，我们需要用什么方法呢，前面给了信号的表达式了，怎么样去分析他的频域特性，第三章讲的确知信号的分析方法，大家有没有傅里叶变换的概念，怎么样根据信号的频域特性确定他的频域特性，对信号做傅里叶变换就可以，傅里叶变换的结果叫做信号的频谱密度函数，也就是说他的频域特性，我们对调幅信号的表达式做傅里叶变换，对这个信号做傅里叶变换需要用到常用信号的傅里叶变换结果以及傅里叶变换的性质，把这个信号先看成两部分，这是一个信号f1(t),这是另外一个信号f2(t),我们要求两个信号乘积的傅里叶变换，那他的结果是什么呢？傅里叶变换有这么一个性质，信号时域相乘，频域卷积，前面还有一个2π分之一，我们需要确定f1（t）的傅里叶变换和f2(t)的傅里叶变换，雨轩信号的傅里叶变换结果是。这是信号f2(t)的傅里叶变换，再看看信号f1(t)的傅里叶变换，他有两部分组成，A0他的傅里叶变换结果是，再看看调制信号m(t),他的具体表达式没有给，所以我们直接写成M（w）。利用刚才这个结果这两项加起来再跟他进行卷积，2ΠA0德尔塔w和这两项卷积的结果是ΠA0德尔塔w加wc,这里面用到了冲激信号卷积的概念，所以他跟这两项相加，得到了两个冲激项，中心频率的位置分别在正WC和-WC上，再看看狮子里面的第二项和他们卷积，卷积的结果就变成了m(w-wc)和m(w+wc),我们得到了调幅信号的频谱密度函数，把这个频谱密度函数画成图像我们就叫做频谱图，把这个频谱图画出来，德尔塔信号画图的时候是什么样的形式，在函数自变量里面为0的时候，他是存在的，无穷大，除了这些之外他为0。德尔塔w+wc和德尔塔w_wc分别是对应两条谱线，我门知道m(w)是要传输的原始信号的频谱，原始信号的频谱形状我们给出来了，他是一个0-w里面分布的这么一个信号。低频信号，现在调制以后，原来信号的频谱函数m(w)不变，但是中心频率的位置变到+wc和-wc，所以大家再看看已调信号的频谱，形状还是m(w)的形状，但是中心频率位置分别到了+wc 和-wc上，这就是调制的第一个作用完成了，完成了频率的变换，在发送端是从低频搬移到高频，原始信号的频谱形状0-w(m),通过调幅这种方式以后我们看看中心频率的位置为wc 了，上截止频率是wc+Wm,下截止频率是wc_wm，这就是调制过程的实现，这个实现就是一个乘法器再起作用，通过相乘以后完成了频率位置的变化，有了这个频谱的形状就可以确定信号的带宽，信号频谱的分布范围就是信号的带宽，贤强调一下带宽我们需要在正频域里面确定，因为负频域只是傅里叶变换的定义，从物理上来说是没有意义的，现在很据正频域

频谱的分布我们看看信号的带宽应该是多少，也就是说wc上半部分需要考虑，wc下半部分也需要考虑，上半部分和下半部分的频率范围分别是wm，把上下加起来以后是2wm，带宽我们一般用国际单位hz，现在w是角频率，我们把它变成用f来表示，对应的单位是hz，所以调幅信号的带宽是2fm，fm就是基带信号的带宽，通过调幅以后，基带信号的带宽加倍了。