通讯原理 第5章 模拟调制系统.ppt

通信原理 第5章模拟调制系统 第5章模拟调制系统 研究对象 模拟通信系统研究目的 1 通过介绍模拟调制解调原理 初步认识和了解 通信原理 这门课是在模块级系统级层次上分析和设计通信系统 2 通过分析不同模拟调制解调系统的抗噪声性能 了解各种系统的抗噪声能力与调制解调器有关参数的关系 这有助于人们在实际工作中正确地设计和选用调制方式 优化模拟通信系统的性能研究方法 不同模拟调制解调原理及其抗噪声性能预备知识 信号与系统 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 第5章模拟调制系统 信号调制 原始信号 调制器 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 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 信号调制 信号调制 第5章模拟调制系统 载波调制 按调制信号 基带信号 的变化规律去改变载波某些参数的过程 载波分类 用正弦波作为载波 用脉冲串或一组数字信号作为载波 调制的分类 模拟调制 数字调制 第5章模拟调制系统 调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求容易辐射 发射 实现频率分配 比如FM 实现多路复用减少噪声和干扰的影响 提高系统抗干扰能力 调制在通信系统中的作用 第5章模拟调制系统 调制器 m t C t sm f 线性调制 非线性调制 m f Sm f m t 改变载波信号C t 的不同参数 幅度调制 AM PAM ASK sm t 相位调制 PM PPM PSK 频率调制 PM FM FSK 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 FM PM FSK 调制的基本特征和分类 第5章模拟调制系统 重点 m t 为取值连续的调制信号 c t 为正弦载波问题 1 工作原理 包括调整系统的物理过程 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 2 已调信号的带宽 3 过滤关系 4 噪声对调制系统性能的影响调制系统的主要参数为 1 发送功率 2 传输带宽 3 抗噪声性能 如输出信噪比等 4 设备的复杂性 调制系统中讨论的主要问题和主要参数 第5章模拟调制系统 第5章模拟调制系统 基本概念调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程 调制信号 指来自信源的基带信号载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程 载波 未受调制的周期性振荡信号 它可以是正弦波 也可以是非正弦波 已调信号 载波受调制后称为已调信号 解调 检波 调制的逆过程 其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来 第5章模拟调制系统 5 1幅度调制 线性调制 的原理一般原理表示式 设 正弦型载波为式中 A 载波幅度 c 载波角频率 0 载波初始相位 以后假定 0 0 则根据调制定义 幅度调制信号 已调信号 一般可表示成式中 m t 基带调制信号 第5章模拟调制系统 频谱设调制信号m t 的频谱为M 则已调信号的频谱为由以上表示式可见 在波形上 已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化 在频谱结构上 它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移 精确到常数因子 由于这种搬移是线性的 因此 幅度调制通常又称为线性调制 但应注意 这里的 线性 并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系 事实上 任何调制过程都是一种非线性的变换过程 第5章模拟调制系统 5 1 1调幅 AM 时域表示式 式中m t 调制信号 均值为0 A0 常数 表示叠加的直流分量 频谱 若m t 为确知信号 则AM信号的频谱为调制器模型 第5章模拟调制系统 波形图由波形可以看出 当满足条件 m t A0时 其包络与调制信号波形相同 因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号 否则 出现 过调幅 现象 这时用包络检波将发生失真 但是 可以采用相干解调 同步检波 的方法 重要参数调幅度m 满调幅m 1 此时 m t max A0 正常调幅 一般m小于1 过调幅 m大于1 A t min为负值 不能用包络检波器进行解调 为保证无失真解调 可以采用同步解调 第5章模拟调制系统 mA 1时正常调幅 2 mA 1时满调幅 100 调幅 3 mA 1时过调幅 AM信号包络过零点处载波相位反相 包络和基带信号不再保持线性关系 产生了 过调幅失真 第5章模拟调制系统 频谱图由频谱可以看出 AM信号的频谱由载频分量上边带下边带三部分组成 上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同 下边带是上边带的镜像 第5章模拟调制系统 AM信号的特性带宽 它是带有载波分量的双边带信号 带宽是基带信号带宽fH的两倍 功率 当m t 为确知信号时 若则式中Pc A02 2 载波功率 边带功率 第5章模拟调制系统 调制效率由上述可见 AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分 只有边带功率才与调制信号有关 载波分量并不携带信息 有用功率 用于传输有用信息的边带功率 占信号总功率的比例称为调制效率 当m t Amcos mt时 代入上式 得到当 m t max A0时 100 调制 调制效率最高 这时 max 1 3 第5章模拟调制系统 调幅 AM 优缺点 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 AM信号的功率利用率比较低问题 能否去掉不带信息的载波 提高功率利用率 解决方法 抑制载波双边带调制 典型应用 调幅广播 调制信号最高频率取到4 5KHZ 电台之间间隔中波 载频 535kHz 1605KHz自由空间传播的特点 用于地区性广播短波 载频 3 9MHz 18MKz靠电离层反射 传播距离远 第5章模拟调制系统 5 1 2双边带调制 DSB 时域表示式 无直流分量A0频谱 无载频分量调制模型 DSB波形特点 过零点处 双边带信号的载波相位出现反相点 双边带信号的包络不再与基带信号的变化规律保持一致 所以DSB信号不能用包络检波器解调 包络解调 只能采用同步解调 波形图 频谱图 DSB信号频带宽度是调制信号带宽的两倍 是基带信号最高截止频率 DSB频谱表示 DSB号的平均功率 已调信号总功率与边带功率相等 即DSB信号中无载频分量 优缺点 调制效率 100 优点 节省了载波功率 缺点 1 不能用包络检波 需用相干检波 较复杂 2 占用带宽是基带信号带宽的两倍 由于DSB信号的上 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 因此仅传输其中一个边带即可 这就是单边带调制提出的目的 第5章模拟调制系统 5 1 3单边带调制 SSB 原理 双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M 的所有频谱成分 因此仅传输其中一个边带即可 这样既节省发送功率 还可节省一半传输频带 这种方式称为单边带调制 产生SSB信号的方法有两种 滤波法和相移法 第5章模拟调制系统 滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图 用边带滤波器 滤除不要的边带 图中 H 为单边带滤波器的传输函数 若它具有如下理想高通特性 则可滤除下边带 若具有如下理想低通特性 则可滤除上边带 第5章模拟调制系统 SSB信号的频谱上边带频谱图 第5章模拟调制系统 下边带频谱图 单边带调制的特点 1 节省了发射功率 因为只发射一个边带 相比较其它幅度调制 节约了发射功率 2 减少了占用的信道带宽 SSB信号的带宽BSSB fm 即与基带信号的带宽相同 比AM和DSB信号的带宽减少一半 3 信号的包络不能直接反映调制信号的变化 所以仍需采用相干解调 4 若采用滤波法 调制信号中不能含有直流及丰富的低频分量 第5章模拟调制系统 第5章模拟调制系统 5 1 6相干解调与包络检波 相对于接收端 一 相干解调相干解调器的一般模型相干解调器原理 为了无失真地恢复原基带信号 接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步 同频同相 的本地载波 称为相干载波 它与接收的已调信号相乘后 经低通滤波器取出低频分量 即可得到原始的基带调制信号 如果解调正确 输出信号应与发送端的原始基带信号成线性关系 1 AM信号相干解调 通过低通滤波器LPF 抑制高频分量 消除直流分量 得 2 DSB信号相干解调 通过低通滤波器LPF 抑制高频分量 得 相干解调的特点 1 解调用的载波必须与调制用的载波同频同相 所以实现较为复杂 一般用锁相环来实现 2 对AM DSB SSB都适应 二 调幅系统的非相干解调 包络检波 相对于相干解调 由于不需要本地相干载波 故解调方式简单 当AM系统在不发生过调制时 可以采用这种解调方式 低通滤波器的时间常数RC远大于载波周期 即电容C对高频载波近似短路时间常数小于调制信号周期 即低通滤波器的通频带让低频调制信号通过 检波器中波形变换示意图 在高频信号的每一周电容器充放电一次 放电时间常数RC远大于充电时间常数RvDC 充电快 时间短 放电慢 时间长 当充放电电荷相等 达到动态平衡时 电容器上的电压 即输出电压 趋近于输入信号峰值 所以称为峰值包络检波器 二极管只在输入信号峰值尖顶上有短暂的导通 大部分时间截止 包络检波的特点 包络检波电路简单 因而广泛用于AM信号的解调 但是只有在包络不失真的前提条件下才能不失真地恢复原调制信号 如不满足包络不失真条件 则不能正确恢复原基带信号 而必须用相干解调 AM波包络不失真条件 例题 已知调制信号f t 载波信号为c t 若采用抑制载波的双边带调制 画出调制信号 载波信号 已调信号的时域波形图和频谱图 解 0 100 100 400 400 300 500 500 300 1 2 例题 设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度Pn f 0 5 10 3W Hz 在该信道中传输抑制载波的双边带信号 m t 频带限制在5KHz 载波100KHz 已调信号功率10KW 若接收机的输入信号在加至解调器之前 先经过一理想带通滤波器 试问 1理想带通滤波器的传输特性H 2解调器输入端的信噪比 解 1为了保证信号顺利通过和尽可能的滤除噪声 带通滤波器的宽度等于已调信号带宽 即B 2fm 2 5 10kHz 其中心频率为100kHz 故有 2已知