第3章模拟调制.ppt

1 第3章模拟调制系统 通信原理课程组 2 目标要求 一 基本要求 1 掌握模拟调制 载波 调制信号 已调信号 调制器的定义 2 掌握调制的目的及模拟调制的分类 3 掌握线性调制器的原理模型 会分析AM DSB SSB VSB调制与解调特性 4 掌握非线性调制器的原理 及非线性已调信号的频谱和带宽特性 3 目标要求 二 重点和难点 1 重点是 掌握线性调制与解调的原理模型 及其数学分析 波形分析 频谱分析 理解各种调制方式的特点 2 难点是 非线性调制频谱和带宽特性的分析和理解 4 主要内容 3 1概述3 2线性调制3 3非线性调制小结思考题 习题 5 一 模拟调制的定义 1 定义用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波 载波是一个确知的周期性波形 余弦波载波的表达式 式中 A为振幅 0为载波角频率 0为初始相位 3 1概述 6 2 组成调制信号m t 自信源来的基带信号已调信号s t 调制后的载波称为已调信号调制器 进行调制的部件 3 1概述 7 二 调制的目的 1 频谱搬移 容易辐射实现频率分配多路复用2 提高抗干扰性3 还与传输效率有关 3 1概述 8 三 模拟调制的分类 1 线性调制 已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结构相同 其频谱是调制信号频谱沿频率轴平移的结果 包括 调幅 单边带 双边带 残留边带 2 非线性调制 角度调制 已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结构有很大的不同 除了频谱搬移外 还增加了许多新的频率成分 包括 频率调制 相位调制 3 1概述 返回 9 一 基本概念设载波为 c t Acos 0t Acos2 f0t调制信号为能量信号m t 则线性调制器的原理模型如图所示 3 2线性调制 10 3 2线性调制 基本概念 相乘结果 s t m t Acos2 f0t用 表示傅里叶变换 又所以 11 3 2线性调制 基本概念 相乘器输入信号m t 和输出信号s t 的频谱密度图 12 二 振幅调制 AM 1 基本原理设 m t 1 m t m t 1 m t max m 调幅度 则有调幅信号 s t 1 m t Acos 0t 式中 1 m t 0 即s t 的包络是非负的 1 m t 3 2线性调制 13 2 频谱密度含离散载频分量 当m t 为余弦波 且m 100 时 两边带功率之和 载波功率之半 3 2线性调制 振幅调制 AM 14 3 2线性调制 振幅调制 AM 15 3 AM信号的接收 包络检波 1 原理 3 2线性调制 振幅调制 AM 16 2 性能 设输入电压为 式中 为检波器输入噪声电压y t 的包络 在大信噪比下检波后 已滤除直流分量 3 2线性调制 振幅调制 AM 17 输出信号噪声功率比 在检波前的信号噪声功率比等于 检波前后信噪功率比之比为由于m t 1 显然上式比值r0 ri小于1 即检波后信噪比下降了 3 2线性调制 振幅调制 AM 18 三 双边带 DSB 调制1 原理 调制信号m t 没有直流分量时 得到DSB信号 2 频谱 两个边带包含相同的信息 3 2线性调制 上边带 下边带 19 3 解调 需要本地载波设接收的DSB信号为接收端的本地载波为两者相乘后 得到 3 2线性调制 双边带 DSB 调制 20 3 2线性调制 双边带 DSB 调制 低通滤波后 得到仅当本地载波没有频率和相位误差时 输出信号才等于m t 2 和调制信号仅差一个常数因子 4 DSB的优缺点 DSB信号可以节省发送功率 但接收电路较为复杂 21 四 单边带 SSB 调制1 原理 两个边带包含相同的信息只需传输一个边带 上边带或下边带要求m t 中无太低频率 f0 HL f 特性 上边带 b 上边带滤波器特性和信号频谱 单边带信号的频谱 上边带 S f 上边带 下边带 HH f 特性 HH f 特性 a 滤波前信号频谱 c 下边带滤波器特性和信号频谱 S f S f f0 f0 3 2线性调制 上边带 22 2 解调 需要本地载波由于若z t x t y t 则有Z X Y 单边带信号解调时 用载波cos 0t和接收信号相乘 相当于在频域中载波频谱和信号频谱相卷积 下图以上边带为例 示出用低通滤波器滤出解调后的信号 3 SSB优点 比DSB信号进一步节省发送功率和占用带宽 3 2线性调制 单边带 SSB 调制 23 3 2线性调制 单边带 SSB 调制 24 五 残留边带 VSB 调制1 特点 适合包含直流分量和很低频率分量的基带信号 2 原理 VSB仍为线性调制 3 2线性调制 25 数学推导 调制信号和载波相乘后的频谱为设调制器的滤波器的传输函数为H f 则滤波输出的已调信号频谱为若仍用上图的解调器 则接收信号和本地载波相乘后得到的r t 的频谱为 将已调信号的频谱代入上式 得到r t 的频谱为 3 2线性调制 残留边带 VSB 调制 26 上式中M f 2f0 和M f 2f0 两项可以由低通滤波器滤除 所以得到滤波输出的解调信号的频谱密度为 为了无失真地传输 要求上式中由于所以 上式可以写为上式即产生VSB信号的条件 3 2线性调制 残留边带 VSB 调制 27 上式要求 滤波器的截止特性对于f0具有互补的对称性 3 2线性调制 残留边带 VSB 调制 返回 28 一 基本原理1 频率的概念 严格地说 只有无限长的恒定振幅 恒定频率和恒定相位的正弦 余弦 波形才具有单一频率 载波被调制后 不再仅有单一频率 2 瞬时频率 的概念 设一个载波可以表示为式中 0为载波的初始相位 t 0t 0为载波的瞬时相位 0 d t dt为载波的角频率 现定义瞬时频率 上式可以改写为 3 3非线性调制 29 3 角度调制的定义 t 是载波的相位 若使它随调制信号m t 以某种方式变化 则称其为角度调制 1 相位调制的定义 若使相位 t 随m t 线性变化 即令则称为相位调制 这时 已调信号的表示式为此已调载波的瞬时频率为 即 在相位调制中瞬时频率随调制信号的导函数线性地变化 3 3非线性调制 基本原理 30 2 频率调制的定义 若使瞬时频率直接随调制信号线性地变化 则称为频率调制 瞬时角频率为瞬时相位为这时 已调信号的表示式为 上式表明 载波相位随调制信号的积分线性地变化 3 3非线性调制 基本原理 31 3 相位调制和频率调制的比较 在相位调制中载波相位 t 随调制信号m t 线性地变化 而在频率调制中载波相位 t 随调制信号m t 的积分线性地变化 若将m t 先积分 再对载波进行相位调制 即得到频率调制信号 类似地 若将m t 先微分 再对载波进行频率调制 就得到相位调制信号 仅从已调信号波形上看无法区分二者 二者的区别仅在于已调信号和调制信号的关系不同 3 3非线性调制 基本原理 32 4 角度调制的波形上图表示瞬时频率和时间的关系 在 0到2 0间做线性变化下图表示已调信号波形若m t 作直线变化 则已调信号就是频率调制信号若m t 是随t2变化 则已调信号就是相位调制信号 3 3非线性调制 基本原理 33 二 已调信号的频谱和带宽1 频谱设 调制信号m t 是一个余弦波用其对载波作频率调制 则载波的瞬时角频率为上式中 kf 为最大频移已调信号表示式 3 3非线性调制 34 3 3非线性调制 已调信号的频谱和带宽 式中 m f fm为最大频率偏移和基带信号频率之比 称为调制指数mf 即有 上式是一个含有正弦函数的余弦函数 它的展开式为 35 式中 Jn mf 为第一类n阶贝塞尔函数 它具有如下性质 故上式可以改写为 已调信号最终表示式 3 3非线性调制 已调信号的频谱和带宽 36 3 3非线性调制 已调信号的频谱和带宽 贝塞尔函数曲线 37 2 频谱特点 a 边频成对b 大部分功率集中在有限带宽内c 当调制指数mf1时 带宽B 或 3 3非线性调制 已调信号的频谱和带宽 38 三 角度调制信号的接收角度调制的振幅是恒定的 经过变参信道传输后 不会因信号振幅的改变而使信息受到损失 信道中衰落及噪声对于信号角度 频率和相位 的影响与振幅相比要小得多 故 其抗干扰能力较强 3 3非线性调制 返回 39 小结 模拟调制 线性调制 非线性调制 角度调制