1 模擬幅度調(diào)制

所謂幅度調(diào)制，就是用模擬基帶信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使其幅度隨基帶信號(hào)而變化。

1.1 模擬幅度調(diào)制的基本原理

基本原理

A為載波幅度；

ωc為載波角頻率；

fc = ωc/(2π)為載波頻率，簡(jiǎn)稱為載頻；

m(t)：基帶信號(hào)。

頻譜分析——

1.2 DSB-SC調(diào)制和AM調(diào)制

DSB-SC調(diào)制 （ 抑制載波的雙邊帶調(diào)制 ）

已調(diào)信號(hào)中沒有頻率等于載波頻率的載波分量；

在載頻兩側(cè)分別存在對(duì)稱的上下邊帶；

已調(diào)信號(hào)的幅度包絡(luò)不能完全反應(yīng)基帶信號(hào)。

AM調(diào)制 （ 幅度調(diào)制、常規(guī)調(diào)幅 ）調(diào)幅指數(shù)

AM信號(hào)的功率和調(diào)制效率（以單頻調(diào)制為例）

調(diào)制效率：在AM信號(hào)總功率中，邊帶功率所占的比重。

解：

1.3 SSB調(diào)制和VSB調(diào)制

SSB調(diào)制的基本原理

LSB（Lower Side Band）調(diào)制

低通濾波器，并且其截止頻率等于載頻，則保留下邊帶。

USB（Upper Side Band）調(diào)制

高通濾波器，則保留上邊帶。 相移法SSB調(diào)制

VSB調(diào)制

2 模擬角度調(diào)制

2.1 角度調(diào)制的基本概念

基本原理

角度調(diào)制就是用基帶信號(hào)去控制載波的相位偏移或頻偏，使其隨基帶信號(hào)的幅度而線性變化，而載波幅度保持不變。

其中：

φ(t)稱為相位偏移，簡(jiǎn)稱相偏；

ω(t) = dφ(t)/dt 稱為角頻率偏移，簡(jiǎn)稱角頻偏； f(t) = ω(t)/ (2π) 稱為頻偏。

正弦載波的相位和頻率互為微積分，因此相偏發(fā)生變化，頻偏也將隨之變化。 反之亦然。

調(diào)相和調(diào)頻

調(diào)頻指數(shù)和最大頻偏（以單頻調(diào)制為例）

2.2 窄帶調(diào)頻和寬帶調(diào)頻

調(diào)頻信號(hào)的頻譜

WBFM信號(hào)中含有載頻分量和各次邊頻分量，其中一次邊頻分量可以認(rèn)為是由基帶信號(hào)的頻譜搬移到載頻位置而得到的。 除此之外，WBFM信號(hào)中還有其它的邊頻分量。 因此，寬帶調(diào)頻是頻譜的非線性搬移，屬于非線性調(diào)制。

調(diào)頻信號(hào)的帶寬——卡森公式

結(jié)論：調(diào)頻信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于調(diào)幅信號(hào)的帶寬，或者說調(diào)頻系統(tǒng)的有效性不如調(diào)幅系統(tǒng)。

調(diào)頻信號(hào)的功率

FM信號(hào)的總功率只決定于未調(diào)載波的幅度而恒定不變。

調(diào)頻指數(shù)的大小將影響FM信號(hào)中載波分量和各次邊頻分量的功率發(fā)生變化。

調(diào)頻的實(shí)質(zhì)是用基帶信號(hào)去控制和改變已調(diào)信號(hào)中各分量的功率分配關(guān)系。

2.3 調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法

調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法

直接法：VCO、鎖相環(huán)直接實(shí)現(xiàn)。

間接法（倍頻法）：調(diào)相法實(shí)現(xiàn)窄帶調(diào)頻； 再通過倍頻得到寬帶調(diào)頻。

阿姆斯特朗法：在間接法調(diào)頻的基礎(chǔ)上，將混頻器和倍頻器配合使用，以得到頻偏和載波頻率都可獨(dú)立調(diào)節(jié)的寬帶調(diào)頻信號(hào)。

3 模擬調(diào)制系統(tǒng)的解調(diào)

3.1 相干解調(diào)

以DSB為例。

為正確還原原始基帶信號(hào)，要求解調(diào)載波必須與發(fā)送端的調(diào)制載波完全同頻同相，稱為相干載波。

3.2 非相干解調(diào)

對(duì)AM信號(hào)，當(dāng)工作在欠調(diào)幅和滿調(diào)幅狀態(tài)時(shí)，其幅度包絡(luò)與基帶信號(hào)的幅度變化規(guī)律完全相同。 因此只需通過簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波提取出幅度包絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

對(duì)WBFM信號(hào)，載波頻率的變化與基帶信號(hào)的幅度變化規(guī)律完全相同，因此只要將載波頻率的變化轉(zhuǎn)化為幅度包絡(luò)的變化，也可以采用包絡(luò)檢波實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

由于這種解調(diào)方式不需要相干載波，因此稱為非相干解調(diào)。

以WBFM為例。

4 模擬調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

4.1 抗噪聲性能分析模型

假設(shè)信道的頻率特性是理想的，即已調(diào)信號(hào)s(t)通過信道傳輸時(shí)無失真，只是幅度上可能會(huì)有衰減、時(shí)間上可能會(huì)有延遲。

信道引入加性高斯白噪聲n(t)，與已調(diào)信號(hào)疊加在一起后送入接收機(jī)。

接收機(jī)中的帶通濾波器用于選擇需要接收的信號(hào)，已調(diào)信號(hào)無失真全部通過，得到s?(t)=s(t)

BPF對(duì)高斯白噪聲過濾后，得到窄帶高斯白噪聲n?(t)

解調(diào)器對(duì)輸入的有用信號(hào)和噪聲進(jìn)行同樣的變換處理，輸出中也同時(shí)含有有用信號(hào)s?(t)和噪聲n?(t)

輸入信噪比 SNR?=Si/N?

解調(diào)器輸入端有用信號(hào)s?(t)和噪聲n?(t)的平均功率之比。

輸入信噪比反映了發(fā)送端到接收端之間傳輸?shù)臈l件和環(huán)境，或者說接收條件的優(yōu)劣。

例如，發(fā)送端發(fā)送的有用信號(hào)功率越大，信道傳輸過程中對(duì)有用信號(hào)的衰減越小，信道引入噪聲的強(qiáng)度越小，則SNRi也就越大。

輸出信噪比 SNR?=S?/N?

解調(diào)器輸出端有用信號(hào)s?(t)和噪聲n?(t)的平均功率之比。

對(duì)用戶來說，希望解調(diào)輸出信號(hào)中有用信號(hào)的功率越大越好，而噪聲的功率越小越好，SNR?越大越好。

輸出信噪比不僅決定于調(diào)制解調(diào)方式，還與接收機(jī)輸入端引入的信號(hào)和噪聲的強(qiáng)弱有關(guān)。

信噪比增益（調(diào)制制度增益）G=SNR?/SNR?

信噪比增益G表示的物理含義是解調(diào)器對(duì)信噪比的改善程度。 如果G >1，則意味著信號(hào)和噪聲通過解調(diào)器時(shí)，有用信號(hào)相對(duì)于噪聲的功率得到放大和提高。

反之，如果G <1，則表示通過解調(diào)后，有用信號(hào)相對(duì)于噪聲的功率減小了，這當(dāng)然是不希望的。

4.2 輸入信噪比的計(jì)算

輸入噪聲的平均功率

輸入信號(hào)的平均功率

輸入信噪比

4.3 輸出信噪比和信噪比增益

考慮噪聲時(shí)的解調(diào)過程

幾點(diǎn)說明——

SSB和DSB相干解調(diào)的信噪比增益相差2倍，但如果接收條件相同，兩種傳輸方式的輸出信噪比是完全相同。

也就是說，DSB和SSB相干解調(diào)具有相同的抗噪聲性能。

對(duì)單頻調(diào)制AM非相干解調(diào)，G = 2β2 /(2+β2)=2η。

對(duì)于欠調(diào)幅和滿調(diào)幅，由于β ≤1，η ≤ 1/3，因此G ≤ 2/3。 這就意味著通過解調(diào)，信噪比沒有得到改善，所以AM調(diào)制傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能比較差。

對(duì)單頻調(diào)制寬帶調(diào)頻非相干解調(diào)，信噪比增益近似為

調(diào)頻系統(tǒng)可以通過增大帶寬來獲取抗噪聲性能即可靠性的提高。

調(diào)頻指數(shù)增大，帶寬增大，有效性降低； 調(diào)頻指數(shù)增大，信噪比增益IT高，可靠性提高。

對(duì)非相干解調(diào)，當(dāng)接收條件較差，輸入信噪比比較小時(shí)，輸出信噪比將急劇下降。 這種現(xiàn)象稱為門限效應(yīng)。

所有的相干解調(diào)器都不存在門限效應(yīng)，輸出信噪比一定隨著輸入信噪比呈正比變化。

例3-10已知接收到的已調(diào)信號(hào)功率為1mW，基帶信號(hào)的帶寬為2kHz，信道噪聲雙邊功率譜密度為1 nW/Hz。 當(dāng)已調(diào)信號(hào)分別DSB和SSB信號(hào)時(shí)，求相干解調(diào)時(shí)的輸出信噪比。

例3-11參數(shù)同例3-10，當(dāng)已調(diào)信號(hào)為滿調(diào)幅AM信號(hào)時(shí)，求非相干解調(diào)時(shí)的輸出信噪比。

例3-12已知基帶信號(hào)為4kHz的單頻余弦信號(hào)，發(fā)送端發(fā)射已調(diào)信號(hào)的功率為2.4kW，信道噪聲單邊功率譜密度為5nW/Hz，信道損耗50dB。 當(dāng)調(diào)頻指數(shù)分別為5和10時(shí)，比較傳輸帶寬和輸出信噪比。

5 模擬調(diào)制應(yīng)用舉例（*）

5.1 頻分復(fù)用

頻分復(fù)用（FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing）

頻分復(fù)用是根據(jù)調(diào)制的基本原理，利用同一個(gè)信道實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)互不干擾地同時(shí)傳輸?shù)囊环N技術(shù)。

頻分復(fù)用的基本原理是利用調(diào)制技術(shù)，將需要傳輸?shù)母髀坊鶐盘?hào)頻譜搬移到不同的載波頻率附近，分別占據(jù)信道的不同頻段范圍實(shí)現(xiàn)傳輸。 在接收端只需要用中心頻率不同的帶通濾波器即可將各路信號(hào)分開，從而只接收指定的一路信號(hào)。

載波電話

FDM最典型的應(yīng)用是載波電話，是利用同一條電話線同時(shí)傳輸多路電話語音信號(hào)。

在載波電話通信系統(tǒng)中，各路語音信號(hào)一般采用單邊帶調(diào)制，每路電話信號(hào)的頻帶限制在300~3400Hz。 此外，各路信號(hào)之間還留有一定的防護(hù)頻帶，總的帶寬取為4kHz。

為了獲得更高的頻帶利用率，通過同一條信道能夠傳輸更多路信號(hào)，一般采用多級(jí)復(fù)用的層次結(jié)構(gòu)：

12路電話復(fù)用為一個(gè)基群；

由5個(gè)基群復(fù)用為一個(gè)超群；

10個(gè)超群復(fù)用為一個(gè)主群；

…… 巨群。

多路載波電話系統(tǒng)基群的頻譜結(jié)構(gòu)

由于每路電話信號(hào)的帶寬為4 kHz，因此12路復(fù)用得到基群信號(hào)總的頻帶寬度為48kHz，頻帶范圍為60~108kHz。

復(fù)用過程中假設(shè)每路信號(hào)采用下邊帶調(diào)制，因此對(duì)第n路信號(hào)調(diào)制所用的載波頻率為64+4(n-1) kHz。

5.2 廣播電視通信系統(tǒng)

調(diào)幅廣播

一般采用AM調(diào)制，根據(jù)所用的波段分為中波和短波廣播兩種。

中波廣播的載頻為535kHz ~ 1605kHz；

短波廣播采用的載頻為3.9MHz ~ 18MHz；

在調(diào)幅廣播中，調(diào)制信號(hào)的最高頻率取到4.5kHz，載頻間隔為9kHz。

電視信號(hào)

由圖像信號(hào)和伴音信號(hào)經(jīng)過不同的調(diào)制組合而成的。

圖像是6MHz的寬帶視頻信號(hào)，大多采用VSB調(diào)制。

伴音最高頻率取為15 kHz，一般采用最大頻偏50 kHz的寬帶調(diào)頻，因此調(diào)頻指數(shù)為10/3，帶寬近似為130 kHz。

圖像信號(hào)和伴音信號(hào)的調(diào)制載波頻率相差6.5 MHz。 合成的電視信號(hào)總帶寬取8 MHz。

衛(wèi)星直播電視

廣播電視通信包括地面廣播電視和衛(wèi)星直播電視。

由電視塔發(fā)射的電視節(jié)目稱為地面廣播電視。

在衛(wèi)星直播電視中，將上述電視信號(hào)再采用調(diào)頻方式傳輸，最大頻偏為7MHz。

衛(wèi)星廣播電視中的伴音信號(hào)可以采用不同調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)單路或多路伴音傳輸，合成的電視信號(hào)總帶寬為27MHz。

與地面廣播電視相比，衛(wèi)星直播電視以較小的功率實(shí)現(xiàn)了更廣泛區(qū)域的傳輸，發(fā)射功率一般在10kW以上，服務(wù)半徑約100km。

5.3 調(diào)頻立體聲廣播

調(diào)頻廣播包括單聲道調(diào)頻廣播和調(diào)頻立體聲廣播。

單聲道調(diào)頻廣播

取基帶信號(hào)的最高頻率為15kHz，最大頻偏為75kHz，所以單聲道調(diào)頻信號(hào)帶寬為180kHz，各電臺(tái)之間的頻率間隔取為200kHz。

雙聲道調(diào)頻立體聲廣播

左右聲道信號(hào)的最高頻率仍然為15kHz，兩個(gè)聲道的信號(hào)相加減，分別得到和信號(hào)L+R和差信號(hào)L-R。 之后，對(duì)差信號(hào)進(jìn)行雙邊帶調(diào)制，調(diào)制載波頻率為38kHz。 經(jīng)過調(diào)制后的差信號(hào)與和信號(hào)進(jìn)行頻分復(fù)用。 經(jīng)過上述復(fù)用得到的調(diào)頻立體聲基帶信號(hào)，再進(jìn)行調(diào)頻后送到信道傳輸。 頻率調(diào)制時(shí)的載波頻率為87~108MHz。 接收端接收到已調(diào)信號(hào)后，利用解調(diào)器（鑒頻器）恢復(fù)出上述立體聲基帶信號(hào)，再利用相關(guān)電路分離得到左右聲道信號(hào)。