重庆邮电大学 通信原理—第3章模拟调制系统.ppt

幅度调制 线性调制 的原理线性调制系统的抗噪声性能 非线性调制 角调制 的原理 调频系统的抗噪声性能各种模拟调制系统的性能比较 模拟调制系统 模拟调制系统 调制的实质是频谱搬移 其作用和目的是 将调制信号 基带信号 转换成适合于信道传输的已调信号 频带信号 实现信道的多路复用 提高信道利用率 减少干扰 提高系统抗干扰能力 实现传输带宽与信噪比之间的互换 幅度调制原理 幅度调制器的一般模型 输出已调信号的时域和频域一般表示式为 h t m t s m t cos w c t FT 调幅 AM AM调制器模型 AM信号的波形和频谱 p w c p A 0 S AM w 0 2 1 w 1 M w w H w H w 0 由于 只有边带功率才与调制信号有关从功率上讲 AM信号的功率利用率比较低 调幅 AM 信号功率PAM 载波功率 边带功率 为调幅指数 或调制幅度 调幅 AM 调制效率 抑制载波双边带调制 DSB SC 将AM信号中的A0去掉 即可输出DSB SC信号 抑制载波双边带调制 DSB SC DSB信号的波形和频谱 需采用相干解调 同步检波 不能采用简单的包络检波 在调制信号m t 的过零点处 高频载波相位有180 的突变 DSB信号功率利用率提高了 但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍 与AM信号带宽相同 DSB信号的特点 与AM信号相比 抑制载波双边带调制 DSB SC 单边带调制 SSB 形成SSB信号的滤波特性 上边带 下边带 用相移法形成单边带信号 考虑单频调制信号 用相移法形成单边带信号 不但可节省载波发射功率 而且它所占用的频带宽度为BSSB fH BDSB 2 SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波 需采用相干解调 滤波法中的滤波器和相移法中的宽带相移网络较难制作 SSB信号的特点 单边带调制 SSB 残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种调制方式 它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点 又解决了SSB信号实现上的难题 在VSB中 不是完全抑制一个边带 如同SSB中那样 而是逐渐切割 使其残留一小部分 如图所示 残留边带调制 VSB VestigialSideband DSB SSB和VSB信号的频谱 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 残留边带滤波器特性 VSB调制和解调器模型 残留边带滤波器的几何解释 实现容易 只要HVSB 在 c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 VSB信号的特点 残留边带调制 已调信号 线性调制系统的抗噪声性能 分析模型 加性白噪声 窄带加性白噪声 已调信号 解调后的调制信号 解调后的噪声信号 ni t 为平稳窄带高斯白噪声 Ni为解调器输入噪声ni t 的平均功率 线性调制系统的抗噪声性能 若白噪声的双边功率谱密度为n0 2 则有 线性调制系统的抗噪声性能 评价一个模拟通信系统质量的好坏 最终是要看解调器的输出信噪比 SNR 线性调制系统的抗噪声性能 线性调制相干解调的抗噪声性能 DSB调制系统的性能 带通 滤波器 s m t s m t n t n i t m o t n o t 低通 滤波器 cos w c t 线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型 线性调制相干解调的抗噪声性能 乘法器 LPF 有用信号输出功率 线性调制相干解调的抗噪声性能 乘法器 LPF 线性调制相干解调的抗噪声性能 SSB调制系统的性能 线性调制相干解调的抗噪声性能 线性调制相干解调的抗噪声性能 AM信号可采用相干解调和包络检波 相干解调时AM系统的性能分析方法与前面双边带 或单边带 的相同 实际中 AM信号常用简单的包络检波法解调 调幅信号包络检波的抗噪声性能 已调信号 分析模型 加性白噪声 窄带加性白噪声 已调信号 解调后的调制信号 解调后的噪声信号 AM包络检波的抗噪声性能分析模型 调幅信号包络检波的抗噪声性能 你能直接写出来了吗 调幅信号包络检波的抗噪声性能 E t 是理想包络检波器的输出 包络检波是信号和噪声的包络哦 调幅信号包络检波的抗噪声性能 大信噪比情况 此时 输入信号幅度远大于噪声幅度 即 调幅信号包络检波的抗噪声性能 式中直流分量A0被电容器阻隔 有用信号与噪声独立地分成两项 因而可分别计算出输出有用信号功率及噪声功率 调幅信号包络检波的抗噪声性能 小信噪比情况 此时 噪声幅度远大于输入信号幅度 即 调幅信号包络检波的抗噪声性能 不能独立地分成两项不能解调 小信噪比时存在门限效应 相干解调不存在门限效应 结论 在大信噪比情况下 包络检波的性能与相干解调相同 但随着信噪比的减小 包络检波会才出现门限效应 致使解调器的输出信噪比急剧下降 AM信号包络检波抗噪声性能的特点 调幅信号包络检波的抗噪声性能 幅度调制属于线性调制 它是通过改变载波的幅度 以实现调制信号频谱的平移及线性变换的 一个正弦载波有幅度 频率和相位三个参量 因此 我们不仅可以把调制信号的信息寄托在载波的幅度变化中 还可以寄托在载波的频率或相位变化中 这种使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式 称为频率调制 FM 和相位调制 PM 因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化 故调频和调相又统称为角度调制 非线性调制 角调制 的原理 角度调制与线性调制不同 已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移 而是频谱的非线性变换 会产生与频谱搬移不同的新的频率成分 故又称为非线性调制 由于频率和相位之间存在微分与积分的关系 故调频与调相之间存在密切的关系 即调频必调相 调相必调频 鉴于FM用的较多 本节将主要讨论频率调制 非线性调制 角调制 的原理 角调制的基本概念 瞬时相位 瞬时频率 未调制的正弦波 角度调制信号 相位调制 调相信号 频率调制 相位偏移 调频信号 角调制的基本概念 调相指数 调频比例常数调频指数 调频比例常数最大瞬时频偏 相移 正比于调制信号 正比于调制信号 窄带调频与宽带调频 窄带调频 NBFM 宽带调频 WBFM 不满足 满足 窄带调频 NBFM 窄带调频 NBFM 则NBFM信号为 以单音调制为例 设调制信号 窄带调频 NBFM AM信号为 在AM中 两个边频的合成矢量与载波同相 只发生幅度变化 而在NBFM中 由于下边频为负 两个边频的合成矢量与载波则是正交相加 因而NBFM存在相位变化 当最大相位偏移满足NBFM条件时 幅度基本不变 这正是两者的本质区别 窄带调频 NBFM 窄带调频 NBFM 单音调制的AM与NBFM频谱 单频信号 瞬时相偏 宽带调频 调频指数 宽带调频 WBFM 调频指数 最大瞬时相偏 调频波的频谱包含无穷多个分量 宽带调频 WBFM 调频信号的频谱 mf 5 理论上调频波的频带宽度为无限宽 实际上边频幅度Jn mf 随着n的增大而逐渐减小 因此只要取适当的n值使边频分量小到可以忽略的程度 调频信号可近似认为具有有限频谱 宽带调频 WBFM 卡森公式 窄带调频的带宽 大调频指数情况 带宽由最大频偏决定 宽带调频 WBFM 用卡森公式推广到任意信号调制的调频波的估算公式 宽带调频 WBFM 由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号的幅度 因而调频信号的解调器必须能产生正比于输入频率的输出电压 调频信号的解调 鉴频器特性与组成 Kd称为检频器灵敏度 以上解调过程是先用微分器将幅度恒定的调频波变成调幅调频波 再用包络检波器从幅度变化中检出调制信号 因此上述解调方法又称为包络检测 其缺点之一是包络检波器对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应 为此 在微分器前加一个限幅器和带通滤波器以便将调频波在传输过程中引起的幅度变化部分削去 变成固定幅度的调频波 带通滤波器让调频信号顺利通过 而滤除带外噪声及高次谐波分量 鉴频器特性与组成 相干解调 窄带调频信号的相干解调 宽带调频信号能采用相干解调 调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种 相干解调仅适用于窄带调频信号 且需同步信号 而非相干解调适用于窄带和宽带调频信号 而且不需同步信号 因而是FM系统的主要解调方式 调频系统抗噪声性能分析模型 调频系统的抗噪声性能 输入功率 输入噪声功率 输入SNR 调频系统的抗噪声性能 大信噪比情况 输入信号 单音 调频信号 输出SNR 调频系统的抗噪声性能 SNR增益 宽带调频时 SNR增益 调频系统的抗噪声性能 应该指出 以上分析都是在 Si Ni FM足够大的条件下进行的 当 Si Ni FM减小到一定程度时 解调器的输出中不存在单独的有用信号项 信号被噪声扰乱 因而 So No FM急剧下降 这种情况与AM包检时相似 我们称之为门限效应 出现门限效应时所对应的 Si Ni FM值被称为门限值 点 记为 Si Ni b 下图给出了在单音调制的不同调制指数mf下 调频解调器的输出信噪比与输入信噪比近似关系曲线 小信噪比情况与门限效应 调频系统的抗噪声性能 mf不同 门限值不同 mf越大 门限点 Si Ni b越高 Si Ni FM Si Ni b时 So No FM与 Si Ni FM呈线性关系 且mf越大 输出信噪比的改善越明显 Si Ni FM Si Ni b时 So No FM将随 Si Ni FM的下降而急剧下降 且mf越大 So No FM下降得越快 甚至比DSB或SSB更差 非相干解调的门限效应 调频系统的抗噪声性能 综合前面的分析 各种模拟调制方式的性能如表所示 表中的So No是在相同的解调器输入信号功率Si 相同噪声功率谱密度n0 相同基带信号带宽fm的条件下 其中AM为100 调制 调制信号为单音正弦 1 性能比较 WBFM抗噪声性能最好 DSB SSB VSB抗噪声性能次之 AM抗噪声性能最差 NBFM和AM的性能接近 各种模拟调制系统的性能比较 各种模拟调制系统的性能比较 2 特点与应用 AM调制的优点是接收设备简单 缺点是功率利用率低 抗干扰能力差 在传输中如果载波受到信道的选择性衰落 则在包检时会出现过调失真 信号频带较宽 频带利用率不高 因此AM制式用于通信质量要求不高的场合 目前主要用在中波和短波的调幅广播中 DSB调制的优点是功率利用率高 但带宽与AM相同 接收要求同步解调 设备较复杂 只用于点对点的专用通信 运用不太广泛 各种模拟调制系统的性能比较 SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高 抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM 而带宽只有AM的一半 缺点是发送和接收设备都复杂 鉴于这些特点 SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合 如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中 VSB调制的诀窍在于部分抑制了发送边带 同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分 各种模拟调制系统的性能比较 VSB的性能与SSB相当 VSB解调原则上也需同步解调 但在某些VSB系统中 附加一个足够大的载波 就可用包络检波法解调合成信号 VSB C 这种 VSB C 方式综合了AM SSB和DSB三者的优点 所有这些特点 使VSB对商用电视广播系统特别具有吸引力 各种模拟调制系统的性能比较 FM波的幅度恒定不变 这使它对非线性器件不甚敏