通信原理简明教程 | 模拟调制传输

1 模拟幅度调制

所谓幅度调制，就是用模拟基带信号去控制高频载波的幅度，使其幅度随基带信号而变化。

1.1 模拟幅度调制的基本原理

基本原理

• A为载波幅度；
• ωc为载波角频率；
• fc = ωc/(2π)为载波频率，简称为载频；
• m(t)：基带信号。
  

频谱分析——

1.2 DSB-SC调制和AM调制

DSB-SC调制 （ 抑制载波的双边带调制 ）

• 已调信号中没有频率等于载波频率的载波分量；
• 在载频两侧分别存在对称的上下边带；
• 已调信号的幅度包络不能完全反应基带信号。
  
  AM调制 （ 幅度调制、常规调幅 ）
  
  调幅指数
  
  

AM信号的功率和调制效率（以单频调制为例）

调制效率：在AM信号总功率中，边带功率所占的比重。

解：

1.3 SSB调制和VSB调制

SSB调制的基本原理

• LSB（Lower Side Band）调制
  低通滤波器，并且其截止频率等于载频，则保留下边带。
• USB（Upper Side Band）调制
  高通滤波器，则保留上边带。
  
  相移法SSB调制
  

VSB调制

2 模拟角度调制

2.1 角度调制的基本概念

基本原理
角度调制就是用基带信号去控制载波的相位偏移或频偏，使其随基带信号的幅度而线性变化，而载波幅度保持不变。

其中：

• φ(t)称为相位偏移，简称相偏；
  ω(t) = dφ(t)/dt 称为角频率偏移，简称角频偏；
  f(t) = ω(t)/ (2π) 称为频偏。
• 正弦载波的相位和频率互为微积分，因此相偏发生变化，频偏也将随之变化。反之亦然。

调相和调频


调频指数和最大频偏（以单频调制为例）

2.2 窄带调频和宽带调频

调频信号的频谱

• WBFM信号中含有载频分量和各次边频分量，
  其中一次边频分量可以认为是由基带信号的频谱搬移到载频位置而得到的。
  除此之外，WBFM信号中还有其它的边频分量。
  因此，宽带调频是频谱的非线性搬移，属于非线性调制。

调频信号的带宽——卡森公式

结论：调频信号的带宽远大于调幅信号的带宽，或者说调频系统的有效性不如调幅系统。

调频信号的功率

• FM信号的总功率只决定于未调载波的幅度而恒定不变。
• 调频指数的大小将影响FM信号中载波分量和各次边频分量的功率发生变化。
• 调频的实质是用基带信号去控制和改变已调信号中各分量的功率分配关系。

2.3 调频信号的产生方法

调频信号的产生方法

• 直接法：VCO、锁相环直接实现。
• 间接法（倍频法）：调相法实现窄带调频；再通过倍频得到宽带调频。
• 阿姆斯特朗法：在间接法调频的基础上，将混频器和倍频器配合使用，以得到频偏和载波频率都可独立调节的宽带调频信号。

3 模拟调制系统的解调

3.1 相干解调

以DSB为例。

为正确还原原始基带信号，要求解调载波必须与发送端的调制载波完全同频同相，称为相干载波。

3.2 非相干解调

• 对AM信号，当工作在欠调幅和满调幅状态时，其幅度包络与基带信号的幅度变化规律完全相同。因此只需通过简单的包络检波提取出幅度包络，即可实现解调。
• 对WBFM信号，载波频率的变化与基带信号的幅度变化规律完全相同，因此只要将载波频率的变化转化为幅度包络的变化，也可以采用包络检波实现解调。
  由于这种解调方式不需要相干载波，因此称为非相干解调。

以WBFM为例。

4 模拟调制系统的抗噪声性能

4.1 抗噪声性能分析模型

• 假设信道的频率特性是理想的，即已调信号s(t)通过信道传输时无失真，只是幅度上可能会有衰减、时间上可能会有延迟。
• 信道引入加性高斯白噪声n(t)，与已调信号叠加在一起后送入接收机。

• 接收机中的带通滤波器用于选择需要接收的信号，已调信号无失真全部通过，得到sᵢ(t)=s(t)
• BPF对高斯白噪声过滤后，得到窄带高斯白噪声nᵢ(t)
• 解调器对输入的有用信号和噪声进行同样的变换处理，输出中也同时含有有用信号s₀(t)和噪声n₀(t)

输入信噪比 SNRᵢ=Si/Nᵢ
解调器输入端有用信号sᵢ(t)和噪声nᵢ(t)的平均功率之比。

• 输入信噪比反映了发送端到接收端之间传输的条件和环境，或者说接收条件的优劣。
• 例如，发送端发送的有用信号功率越大，信道传输过程中对有用信号的衰减越小，信道引入噪声的强度越小，则SNRi也就越大。

输出信噪比 SNR₀=S₀/N₀
解调器输出端有用信号s₀(t)和噪声n₀(t)的平均功率之比。

• 对用户来说，希望解调输出信号中有用信号的功率越大越好，而噪声的功率越小越好，SNR₀越大越好。
• 输出信噪比不仅决定于调制解调方式，还与接收机输入端引入的信号和噪声的强弱有关。

信噪比增益（调制制度增益）G=SNR₀/SNRᵢ

• 信噪比增益G表示的物理含义是解调器对信噪比的改善程度。如果G >1，则意味着信号和噪声通过解调器时，有用信号相对于噪声的功率得到放大和提高。
• 反之，如果G <1，则表示通过解调后，有用信号相对于噪声的功率减小了，这当然是不希望的。

4.2 输入信噪比的计算

输入噪声的平均功率

输入信号的平均功率

输入信噪比

4.3 输出信噪比和信噪比增益

考虑噪声时的解调过程

几点说明——

• SSB和DSB相干解调的信噪比增益相差2倍，但如果接收条件相同，两种传输方式的输出信噪比是完全相同。
  也就是说，DSB和SSB相干解调具有相同的抗噪声性能。
• 对单频调制AM非相干解调，G = 2β² /(2+β²)=2η。
  对于欠调幅和满调幅，由于β ≤1，η ≤ 1/3，因此G ≤ 2/3。这就意味着通过解调，信噪比没有得到改善，所以AM调制传输系统的抗噪声性能比较差。
• 对单频调制宽带调频非相干解调，信噪比增益近似为
• 调频系统可以通过增大带宽来获取抗噪声性能即可靠性的提高。
  调频指数增大，带宽增大，有效性降低；
  调频指数增大，信噪比增益IT高，可靠性提高。
• 对非相干解调，当接收条件较差，输入信噪比比较小时，输出信噪比将急剧下降。这种现象称为门限效应。
  所有的相干解调器都不存在门限效应，输出信噪比一定随着输入信噪比呈正比变化。

例3-10 已知接收到的已调信号功率为1mW，基带信号的带宽为2kHz，信道噪声双边功率谱密度为1 nW/Hz。当已调信号分别DSB和SSB信号时，求相干解调时的输出信噪比。

例3-11 参数同例3-10，当已调信号为满调幅AM信号时，求非相干解调时的输出信噪比。

例3-12 已知基带信号为4kHz的单频余弦信号，发送端发射已调信号的功率为2.4kW，信道噪声单边功率谱密度为5nW/Hz，信道损耗50dB。当调频指数分别为5和10时，比较传输带宽和输出信噪比。

5 模拟调制应用举例（*）

5.1 频分复用

频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）
频分复用是根据调制的基本原理，利用同一个信道实现多路信号互不干扰地同时传输的一种技术。
频分复用的基本原理是利用调制技术，将需要传输的各路基带信号频谱搬移到不同的载波频率附近，分别占据信道的不同频段范围实现传输。在接收端只需要用中心频率不同的带通滤波器即可将各路信号分开，从而只接收指定的一路信号。

载波电话
FDM最典型的应用是载波电话，是利用同一条电话线同时传输多路电话语音信号。
在载波电话通信系统中，各路语音信号一般采用单边带调制，每路电话信号的频带限制在300~3400Hz。此外，各路信号之间还留有一定的防护频带，总的带宽取为4kHz。
为了获得更高的频带利用率，通过同一条信道能够传输更多路信号，一般采用多级复用的层次结构：

• 12路电话复用为一个基群；
• 由5个基群复用为一个超群；
• 10个超群复用为一个主群；
• ……巨群。

多路载波电话系统基群的频谱结构

由于每路电话信号的带宽为4 kHz，因此12路复用得到基群信号总的频带宽度为48kHz，频带范围为60~108kHz。
复用过程中假设每路信号采用下边带调制，因此对第n路信号调制所用的载波频率为64+4(n-1) kHz。

5.2 广播电视通信系统

调幅广播
一般采用AM调制，根据所用的波段分为中波和短波广播两种。

• 中波广播的载频为535kHz ~ 1605kHz；
• 短波广播采用的载频为3.9MHz ~ 18MHz；
  在调幅广播中，调制信号的最高频率取到4.5kHz，载频间隔为9kHz。

电视信号
由图像信号和伴音信号经过不同的调制组合而成的。

• 图像是6MHz的宽带视频信号，大多采用VSB调制。
• 伴音最高频率取为15 kHz，一般采用最大频偏50 kHz的宽带调频，因此调频指数为10/3，带宽近似为130 kHz。
  图像信号和伴音信号的调制载波频率相差6.5 MHz。合成的电视信号总带宽取8 MHz。

卫星直播电视
广播电视通信包括地面广播电视和卫星直播电视。

• 由电视塔发射的电视节目称为地面广播电视。
• 在卫星直播电视中，将上述电视信号再采用调频方式传输，最大频偏为7MHz。
  卫星广播电视中的伴音信号可以采用不同调制方式实现单路或多路伴音传输，合成的电视信号总带宽为27MHz。
• 与地面广播电视相比，卫星直播电视以较小的功率实现了更广泛区域的传输，发射功率一般在10kW以上，服务半径约100km。

5.3 调频立体声广播

调频广播包括单声道调频广播和调频立体声广播。

• 单声道调频广播
  取基带信号的最高频率为15kHz，最大频偏为75kHz，所以单声道调频信号带宽为180kHz，各电台之间的频率间隔取为200kHz。
• 双声道调频立体声广播
  左右声道信号的最高频率仍然为15kHz，两个声道的信号相加减，分别得到和信号L+R和差信号L-R。之后，对差信号进行双边带调制，调制载波频率为38kHz。经过调制后的差信号与和信号进行频分复用。
  
  经过上述复用得到的调频立体声基带信号，再进行调频后送到信道传输。
  频率调制时的载波频率为87~108MHz。
  接收端接收到已调信号后，利用解调器（鉴频器）恢复出上述立体声基带信号，再利用相关电路分离得到左右声道信号。