3
模拟通信系统
研究对象：模拟通信系统中的调制解调技术
◼ 研究目的：掌握各种模拟调制解调技术的特点，
学会用它们指导实际工作
◼ 研究内容：
（ ）模拟调制器、解调器，输入输出的时域关系、
频域关系及其相关特性；
（ ）模拟调制解调器实现的难易程度，已调信号
占用的带宽；
（ ）模拟调制解调系统的抗噪声性能，抗噪声性
能与调制解调器有关参数的关系；
◼
3
模拟通信系统
◼
3.1
概述
◼
3.2
幅度调制（线性调制）的原理
◼
3.3
线性调制系统的抗噪声性能
◼
3.4
非线性调制（角调制）的原理
◼
3.5
调频系统的抗噪声性能
◼
3.6
各种模拟调制系统的比较
◼
3.7
频分复用（FDM）技术
3.1 概述：基带信号
语言
信息源
音乐
直接转换
包括（或不包括）直流分量
的低通频谱
频率很低的电信号
最高频率和最低频率之比
远大于1
图像
基带信号
如电话信号的频率范围在30 ～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
3.1 概述：调制和解调
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
调制器
原始信号
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
3.1.1
◼
◼
◼
调制在通信系统中的作用
适应信道的要求：调制把基带信号频谱搬移到一
定的频带范围以
容易辐射：为了充分发挥天线的辐射能力，一般
要求天线的尺寸和发射信号的波长在同一个数量
级。例如常用天线的长度为1/ 波长
实现频率分配：为使各个无线电台发出的信号互
不干扰，每个电台都被分配给不同的频率
◼
实现多路复用：用一个信道传输多个基带信号
◼
减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力
3.1.2
➢
模拟调制
调制的基本特征和分类
按m(t 分类
• 模拟调制: m( 是模拟信号
•
数字调制: m( 是数字信号
➢
连续变化的模拟量： 音正弦波
按c(t 分类
• 正弦载波调制: C( 是正弦波
•
m t)
调制器
离散的数字量 二进制数字脉冲
C t)
脉冲载波调制: C( 是周期脉冲
sm t )
脉冲波形
脉冲载波调制
数字调制
连续波形
矩形周期脉冲
单频正弦波
连续载波调制
3.1.2
➢
按S
调制的基本特征和分类
分类
sm
m (f )
)
线性调制
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：
sm
非线性调制
)
FM、PM、FSK
sm t )
m t)
调制器
C t)
➢
按调制C(t 的哪个参数分类
幅度调制：AM、PAM、ASK
频率调制：PM、PF 、FSK
相位调制：PM、PPM、PSK
3.1.3 本章讨论的主要问题和参数
◼
◼
用取值连续的调制信号去控制正弦
载波参数（振幅、频率和相位）的
模拟调制
分为两类：幅度调制和角度调制
（ ）工作原理：包括调制系统的物
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）。
（ ）已调信号的带宽
（ ）噪声对调制系统性能的影响
◼
调制系统的主要参数为：
（ ）发送功率
（ ）传输带宽
（ ）抗噪声性能，如输出信噪比等
（ ）设备的复杂性
取值连续的
调制信号
m (t )
sm (t )
调制器
C (t )
正弦载波
3 模拟通信系统
◼
3.1
概述
◼
3.2
幅度调制（线性调制）的原理
◼
3.3
线性调制系统的抗噪声性能
◼
3.4
非线性调制（角调制）的原理
◼
3.5
调频系统的抗噪声性能
◼
3.6
各种模拟调制系统的比较
◼
3.7
频分复用（FDM）技术
3.2 幅度调制的原理
◼
◼
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。
设正弦型载波为
)
s(t) = Acos ( ct + 0
◼
◼
－载波角频率； －载波的初始相位； －载波的幅度
幅度调制信号（已调信号）
sm (t) = Am(t) cos ( ct +
◼
◼
0
适当选择滤波器的特性
，便可以得到各种幅
度调制信号。如，调幅、
双边带、单边带及残留
边带信号等
——基带调制信号，频谱为M )
已调信号s
的频谱
Sm ( f ) = (A 2)[M ( f + f c ) + M ( f
◼
)
一般模型
( )
h(t)
m t
cos 2 f c t
f c )]
Sm ( )
t
3.2 幅度调制的原理
◼
3 .2.1
调幅（AM）
◼
3 .2.2
抑制载波双边带调制（DS ）
◼
3 .2.3
单边带调制（SS ）
◼
3 .2.4
残留边带调制（VS ）
3.2.1
◼
调幅（AM）
原理框图
( )
( )
h(t)
m t
m(t)
Sm
+
S
AM
()
t
t
cos 2 f c t
A
cos 2 f ct
0
◼
时域表达式
sAM ( t ) = [A0 + m(t)]cos 2 fc t = A(t) cos 2 fc t
◼
频域表达式
S AM ( f ) =
◼
◼
A0
2
( f + fc ) +
(f
fc ) +
1
2
+
c
+
A 为外加的直流分量；
可以是均值为零的确知信号，也可以是随机信号（此时，已调信号的频域表
示必须用功率谱描述），但通常认为其统计平均值为零。
4.2.1
◼
◼
◼
调幅（AM）
结论：时域上
当
m A 时，用包络
检波的方法恢复出原始的
调制信号。否则，将会出
现过调幅现象而产生包络
失真。
调幅度 ，振幅调制信号
一个重要的参数
m=
A(t)
A(t)
max
( )
m t
O
t
m(t)
A0 + m (t )
A0
max
O
t
( )
1 M f
cos fc t
min
O
max
A(t)
◼
◼
◼
+ A(t)
m= ，满调幅， m
m
A0
m ，正常调幅；
m A0
m A 不
m ，过调幅，
能用包络检波器进行解调，采
用同步解调
s
AM
(t )
0
fH
t
min
AM信号的包络与调
制信号成正比
fH
s
AM
f
(f)
A
0
O
t
fc
AM信号的波形和频谱
A
1
2
0
0
fc
f
4.2.1
◼
◼
◼
◼
调幅（AM）
( )
结论：频域上
m t
AM信号的频谱SA ，是带
有载波的双边带信号
O
t
m(t) max A0
AM信号的带宽：BA = ，
是基带信号带宽f 的两倍
+ ( )
A0 m t
AM信号的平均功率：
O
P
AM
1
= lim
T
T
T
2
T
2
s
2
AM
( t )dt = s
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：
功率利用率比较低
t
( t ) = [ A0 + m(t)] cos 2 f ct
2
2
2
( )
AM
1 M f
cos fc t
= A0 2 cos 2
2 f t+ m 2
c
(t) cos 2 2 f c t + 2A0 m(t) cos 2
载波
功率
m(t) = 0
P
AM
=
2
2
A0 m (t)
= PC + P
+
S
2
2
➢ 调制效率低
AM
2 ft
c
O
信号平均
功率
s
AM
(t )
fH
f
有信息的两个边带
占有的功率较小
AM信号的包络与调
制信号成正比
s AM ( f )
= PS / P AM
➢ “满调幅”条件下
➢ m 矩形波，最大 A =0.5
➢ m 正弦波时， AM =33.3%
0
fH
t
A0
O
t
fc
AM信号的波形和频谱
A
1
2
0
0
fc
f
3.2 幅度调制的原理
◼
3 .2.1
调幅（AM）
◼
3 .2.2
抑制载波双边带调制（DS ）
◼
3 .2.3
单边带调制（SS ）
◼
3 .2.4
残留边带调制（VS ）
3.2.2 抑制载波双边带调制（DS ）
抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DS ）
在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传
送。将载波抑制，只需去掉直流A ，即可输出双边带信号
◼ 原理框图
◼
m(t)
+
S AM ( )
t
A
cos 2 f ct
cos 2 f ct
0
◼
时域表达式
sDSB ( t ) = m ( t ) cos 2 fc t
◼
频域表达式
S DSB ( f ) =
S DSB ( )
t
m(t)
1
2
+
[M ( f
c
+
f ) M(f
c
f )]
3.2.2 抑制载波双边带调制（DS ）
◼
时域
◼
◼
◼
DS 信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用包络检
波来恢复调制信号，需采用相干解调（同步检波）。
在调制信号m 的过零点处，高频载波相位有18 突变。
频域
◼
◼
频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。
上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息。
cos 2 f 0t
0
t
fc
O
fc
M (f
f
)
m(t)
0
fH
t
O
fH
f
S DSB ( f )
sDSB (t)
2 fH
0
载波反相点
t
fc
O
DSB信号的波形和频谱
fc
f
3.2
幅度调制的原理
◼
3 .2.1
调幅（AM）
◼
3 .2.2
抑制载波双边带调制（DS ）
◼
3 .2.3
单边带调制（SS ）
◼
3 .2.4
残留边带调制（VS ）
3.2.3 单边带调制（SS ）
◼
◼
◼
◼
单边带调制（SS ）：只传输一个边带的通信方式
原因：DS 信号包含有上、下两个边带，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。
产生方法：滤波法和相移法
、滤波法
技术难点：滤波器难以实现
DS 信号的上、下边带之间的间隔很窄，
要求单边带滤波器在 附近
具有陡峭的截止特性。
◼
解决方法：
采用多级调制滤波
( )
M f
◼
fH
O
下边带
上边带
c
f
fH
下边带
O
上边带
c
上边带频谱
fc
O
fc
f
下边带频谱
fc
O
fc
f
3.2.3 单边带调制（SS ）
◼
、相移法
单频调制SS 信号
（ ）设单频调制信号
m ) A cos f t
（ ）载波
)=cos
t
sDS ) A cos f cos
t
（ ）DS 信号
◼
=
（ ）上边带信号
1
2
m
sUSB ( t ) =
A cos 2 ( f
1
2
=
（ ）下边带信号
sLSB ( t ) =
=
（ ）SS 信号
+
c
m
1
2
+
A cos 2 ( f
1
2
1
2
c
m
m
+
1
2
f )t
m
A cos 2 ( f
f )t
m
m
c
c
1
2
Am sin 2 f mt sin 2 f ct
m
A cos 2 ( f
m
m
f )t
A cos 2 f t cos 2 f t
m
c
f )t
m
c
A cos 2 f t cos 2 f t
+
sSSB ( t ) = 12 Am cos 2 f mt cos 2 f ct
1
2
Am sin 2 f mt sin 2 f ct
2
2 f mt sin 2 f ct
3.2.3 单边带调制（SS ）
◼
、相移法
单频调制SS 信号
m ) A cos
单频调制信号
◼
f t
sSSB ( t ) = 12 Am cos 2 f mt cos 2 f ct
2
m
m
c
2 f t sin 2 f t
定义：希尔伯特变换，记为“ ”
Am cos2 f mt = Am sin 2 f mt
◼
一般调制SS 信号：任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和
sSSB ( t ) =
◼
换
mˆ (t) 为m
1
2
m(t) cos 2 f ct
n 2 f ct
2
的希尔伯特变
Mˆ ( f ) = M ( f )
=
j sgn f
sgn f
1
1
f
0
f 0
3.2.3 单边带调制（SS ）
◼
相移法实现框图
sSSB ( t ) =
1
2
m(t) cos 2 f ct
n 2 f ct
2
◼
相移法形成SS 信号的困难在于宽带相移网络H )
要对调制信号m 的所有频率分量严格相移 / ，近似达到也很困难
◼
结论：
◼
、SS 调制方式可节省发射功率
◼
、占用带宽BSS ，
只有AM、DS 的一半
◼
◼
1
m ( t ) cos 2 fc t
2
1
()
2m t
、解调：只能采用相干解调
cos 2 fct
Hh ( f )
sSSB ( )
t
2
1
m(t)
2
1
m(t) cos ct
2
是目前短波通信中的一种重要调制方式。
3.2
幅度调制的原理
◼
3 .2.1
调幅（AM）
◼
3 .2.2
抑制载波双边带调制（DS ）
◼
3 .2.3
单边带调制（SS ）
◼
3 .2.4
残留边带调制（VS ）
3.2.4 残留边带调制（VS ）
◼
残留边带调制（VS ）：介于SS 与DS 之间的一种调制方式，它既
克服了DS 信号占用频带宽的缺点，又解决了SS 信号实现上的难题
( )
M f
s
()
B
O
B
(a)
DSB
fc
mt
f
( f)
O
(b )
VSB( f )
H
VSB
()
s
t
VSB
()
LPF
2cos 2 f ct
( )
( )
a
b
f
VSB调制和解调器模型
SSB
( f)
（a） VSB调制器模型 （b） VSB解调器模型
残留边带信号的频谱：
fc
fc
O
(c)
VSB
fc
f
SVSB ( f ) =
( f)
O
(d )
DSB、SSB和VSB信号的频谱
fc
f
m t
0
c ( t ) = cos 2 f ct
fc
()
t
1
M ( f + fc ) + M ( f
2
f c ) H VSB ( f )
3.2.4 残留边带调制（VS ）
◼
◼
残留边带信号解调：相干解调
、残留边带信号sVS 与相干载波2cos
2sVSB ( t ) cos 2 f t
S
f
( +
f
1
SVSB ( f ) =
( c+ ) + VSB
(
)
2 M f f M f f H
c
c
◼
)+
相乘
S
c
(
f
fc
)
VSB
(f)
、通过低通滤波器后输出的频谱
VSB
1
M o ( f ) = M ( f ) HVSB ( f + f c ) +
(
2
HVSB f
)
f
c
、残留边带滤波器传输特性HVS )
为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号m(t)
◼
HVSB ( f + f c ) + HVSB ( f
f ) = const,
c
◼
fH是调制信号的最高频率
M(f)，必须满足
f
fH
3.2.4 残留边带调制（VS ）
◼
H VSB ( f )
几何解释
HVSB ( f + f c ) + HVSB ( f
f ) = const,
a
fc
f
c
f
fc )
fc
f
H VSB ( f + f c )
H VSB ( f )
f
( )
fc
残留边带滤波器特性
（a）残留部分上边带的滤波器特性；
（b）残留部分下边带的滤波器特性
◼
O
( )
b
f
O0.5
b
fH
fc
1
fc
f
O
(a)
H VSB ( f
0.5
O
( )
c
c
H VSB ( f )
1
fc
f
f
c
H VSB ( f
f
c
O
(c)
O
f c )( + )H VSB ( f +
)
fc
d
fc
fc
残留边带滤波器的几何解释
结论：只要残留边带滤波器的特性HV 在 处具有互补对称（奇对
称）特性，那么，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢
复所需的基带信号。
f
f