通信原理(3)——模拟通信系统的幅度调制（AM DSB SSB VSB）和角度调制（PM FM）

通信原理(3)——调制

Ⅰ. 绪论

调制：把消息信号寄托到载波的某个参数上，形成已调信号。

解调：调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。

一、调制的目的

• 无线通信中，匹配信道特性，提高发射信号的频率，减小天线尺寸；
• 频谱搬移，一条信道中同时传输多路信号，多路复用，提高信道利用率；
• 扩展信号带宽，提高系统抗干扰能力；
• 实现带宽与信噪比的互换（有效性和可靠性）；
• 利用电话线将PC机接入Internet，需要翻译模/数信号。

二、调制的分类

1. 涉及的信号：

• 消息信号，又称调制信号、基带信号；
• 载波：运载工具，常用的是正弦波、脉冲序列；
• 已调信号：受调载波，载有消息信号的信息，具有多种形式。

2. 可以从不同角度分类：

• 按调制信号的类型：模拟调制/数字调制
• 按已调信号的频谱结构：线性调制/非线性调制
• 按正弦载波的受调参量：幅度调制/频率调制/相位调制
• 按载波信号的类型：连续波调制/脉冲调制

Ⅱ. 幅度调制

一、一般模型

1. 理论基础：傅里叶变换

2. 一般模型

幅度调制：消息信号控制正弦载波的幅度。

方法：用消息信号通过相乘器乘上载波信号，再通过带通滤波器（时域卷积滤波器特性）。

举例：AM、DSB、SSB、VSB。

二、常规双边带调幅AM

t 域：已调信号的波形，调制/解调方法

f 域：已调信号的频谱，带宽B

• AM信号的包络正比于消息信号的规律，因此可以采用简单的**包络检波方法（非相干解调）**解调；
• 频谱由载波、上边带USB、下边带LSB组成。带宽B_AM=2f_H；
• 幅度调制又称为线性调制；
• 应用：中短波调幅广播。
• 缺点：功率利用率低，最多达到50%

三、抑制载波双边带DSB

• 频谱由上边带USB、下边带LSB组成，没有了载波分量。带宽B_DSB=B_AM=2f_H；
• 调制效率可达100%。
• 采用相干解调：
  • 方法：用消息信号通过想乘器乘上相干载波信号，再通过低通滤波器（时域卷积滤波器特性）。
  • 要求：载波同步（相干载波和载波信号同频同相）

四、单边带调制SSB

• 只传输一个边带，频带利用率高。带宽B_SSB=B_AM/2=f_H；

  在频谱拥挤的通信场合，如短波通信、多路载波电话系统。

• 低功耗特性。使用于移动通信系统。

• 缺点：设备复杂，存在技术难点，需要相干解调。

五、残留边带调制VSB

• 残留边带滤波器特性：在载频处具有互补对称特性；
• 介于单边带与双边带之间的方案。

Ⅲ. 角度调制

正弦载波有三个参量：幅度、频率、相位。都可以携带消息信号。

其中，频率（FM）和相位（PM）都称为角度调制。

频率调制（FM）

• 幅度恒定，对瞬时相位对t求微分，得到瞬时角频率。

• 调频的频谱由载频分量w_c两侧的无数多对边频w_c±nw_m组成，其幅度取决于mf；

• 理论上，调频的带宽无穷大；

  实际中，用卡森公式计算FM带宽：B_FM=2(m_f+1)f_m。f_m为调制信号的最高频率

• FM调制为非线性调制。FM解调也称鉴频 ，采用微分电路+包络检波实现。

FM的特点和应用

• 特点：幅度不变，包络恒定。

• 优势：抗噪能力强；

  代价：占用较大信道带宽，频谱利用率低；

• 应用：高质量或信道噪声大的场合。如卫星通信、移动通信、微波通信等。

Ⅳ. 抗噪声性能

性能指标：输出信噪比、制度增益

输入信噪比：N_i=n₀B。n₀是噪声的单边功率谱密度，B=2f_H是带宽，是基带带宽的2倍。

AM DSB SSB VSB（幅度调制）

• 相干解调器：线性解调，信号和噪声可以分开处理。
• 双边带和单边带调制的抗噪声性能相同。
• 小信噪比时，信号被干扰为噪声，产生门限效应。原因是包络检波的非线性解调作用。
• 信噪比固定。

FM（角度调制）

FM系统可以通过增加传输带宽来改善抗噪声性能（信噪比）。

总结

• 频谱利用率 SSB>VSB>DSB/AM>FM
• 抗噪声性能：FM>DSB/SSB>VSB>AM
• 设备复杂度：AM最简，DSB/FM次之，SSB最复杂