西电《通信原理》课件 第四章.ppt

第四章模拟调制系统 2 内容提要 4 1幅度调制 线性调制 的原理 4 2线性调制系统的抗噪声性能 4 3非线性调制 角度调制 的原理 4 4各种模拟调制的性能比较 4 5频分复用 FDM 作业 1 2 5 6 7 8 11 12 13 14 17 10 1 10 2 3 引言 调制的目的和分类 调制目的 将原始电信号变换成频带适合信道传输的信号方式 按调制信号的变化规律去改变载波的某些参数作用 正弦波调制 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 减小干扰 提高系统抗干扰能力 实现传输带宽与信噪比之间的互换 调制信号 原始基带信号模拟调制 调制信号取值连续 数字调制 调制信号取值离散 载波 携带调制信号的信号 正弦波调制 正弦型信号作为载波 脉冲调制 脉冲串作为载波 4 正弦波模拟调制 4 1幅度调制 线性调制 的原理 返回 6 幅度调制 线性调制 是用调制信号去控制高频载波的振幅 使其按调制信号的规律而变化的过程 分类 调幅 AM 双边带抑制载波调幅 DSB SC 单边带调制 SSB 残留边带调制 VSB 7 一 幅度调制器的一般模型 适当选择 可以得到各种幅度调制信号 8 二 AM信号 调制信号叠加直流后与载波相乘 就可形成调幅 AM 信号 9 AM信号的波形和频谱 上边带 调幅指数 a 1 过调幅 10 AM调制信号仿真波形 a 0 5 11 AM调制信号仿真波形 a 1 12 AM调制信号仿真波形 a 1 5 13 结论 可以看出当满足条件时 AM信号的包络与调制信号成正比 所以用包络检波的方法很容易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 AM信号的频谱由载频分量和上 下两个边带组成 上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同 14 举例 设 满量 100 调幅也即由此可见 AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分 载波分量不携带信息 仍占据大部分功率 因此 AM信号的功率利用率比较低 15 AM信号的解调 包络检波条件 特点 不需要同步载波 输出幅度大 16 AM信号的相干解调 实际中提取载波 会不可避免地存在有载波相位偏差 此时解调器的输出为 载波相位偏差 17 三 抑制载波双边带调制 DSB 在AM信号中 载波分量并不携带信息 信息完全由边带传送 如果将载波抑制 只需将直流A0去掉 即可输出抑制载波双边带信号 简称双边带信号 DSB 18 DSB信号的波形和频谱 DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致 因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号 需采用相干解调 同步检波 19 DSB信号的调制与解调 特点 DSB信号不含载波分量 功率利用率高包络不再正比于调制信号m t 变化 只能采用相干解调带宽同AM信号 20 四 单边带调制 SSB DSB信号包含有两个边带 即上 下边带 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 这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信 单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法 用滤波法形成单边带信号 方法是让双边带信号通过一个边带滤波器 保留所需要的一个边带 滤除不要的边带 21 形成SSB信号的滤波特性 上边带 下边带 22 SSB信号的频谱 特点 SSB信号不含载波分量 功率利用率高只能采用相干解调带宽为AM DSB信号的一半 23 用相移法形成单边带信号 调制信号为任意信号的SSB信号的时域表示式为是的希尔伯特变换它实质上是一个宽带相移网络表示把幅度不变 所有的频率分量均相移 即可得到 上边带 下边带 24 相移法形成SSB信号示意图 相移法形成SSB信号的困难在于宽带相移网络的制作 该网络要对调制信号m t 的所有频率分量严格相移 2 这一点即使近似达到也是困难的 为解决这个难题 可以采用混合法 也叫维弗法 25 残留边带调制 VSB 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 从实现上考虑 边带完全抑制边带逐渐截止 26 残留边带调制 VSB 信号的频谱 27 残留边带滤波器特性的确定 假设是所需的残留边带滤波器的传输特性残留边带信号的频谱为VSB信号必须采用相干解调残留边带信号与相干载波的乘积为则低通滤波器的输出为 常数 28 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 29 残留边带滤波器的几何解释 4 2线性调制系统的抗噪声性能 返回 31 本节将要研究的问题是信道存在加性高斯白噪声时 各种线性调制系统的抗噪声性能 解调器抗噪声性能分析模型n t 对接收端有影响 n t 为高斯白噪声 双边功率谱密度为n0 2 ni t 平稳窄带高斯噪声 已调信号 32 带通滤波器传输特性 33 一 解调器性能的评价 窄带噪声及其同相分量和正交分量的均值都为0 且具有相同的方差 即解调器输入端信号功率 解调器输入端噪声功率 解调器输出端信号功率 解调器输出端噪声功率 输出信噪比定义为 34 在已调信号平均功率相同 而且信道噪声功率谱密度也相同的情况下 输出信噪比反映了系统的抗噪声性能 为了便于衡量同类调制系统不同解调器对输入信噪比的影响 还可用输出信噪比和输入信噪比的比值G来表示 G越大 表明解调器的抗噪声性能越好 不是同等条件 不能简单比较 调制制度增益 35 二 DSB调制系统的性能 36 可见 抑制正交载波对所有相干解调都成立 37 三 SSB调制系统的性能 单边带信号的解调方法与双边带信号相同 其区别仅在于解调器之前的带通滤波器的带宽和中心频率不同 SSB的带通滤波器的带宽是DSB的一半 38 与相干载波相乘后 再经低通滤波可得解调器输出信号为 可见 39 在SSB系统中 信号和噪声有相同表示形式 所以 相干解调过程中 信号和噪声的正交分量均被抑制掉 故信噪比没有改善 GDSB 2GSSB能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好呢 回答是否定的 40 DSB与SSB抗噪声性能的比较 在相同的输入信号功率 相同输入噪声功率谱密度 相同基带信号带宽条件下 对这两种调制方式进行比较它们的输出信噪比是相等的 因此两者的抗噪声性能是相同的 但双边带信号所需的传输带宽是单边带的两倍 41 四 AM相干解调的性能 解调器输入是信号加噪声的混合波形 42 若采用相干解调 43 举例 100 调幅 这是AM系统的最大信噪比增益 这说明解调器对输入信噪比没有改善 而是恶化了 44 五 AM包络检波的性能 解调器输入是信号加噪声的混合波形 45 合成包络合成相位可见 有用信号与噪声无法完全分开 计算输出信噪比是件困难的事 考虑两种特殊情况大信噪比情况 输入信号幅度远大于噪声幅度 46 大信噪比条件 可见AM的调制制度增益随A0的减小而增加 但对包络检波器来说 为了不发生过调制现象 应有 所以GAM总是小于1 47 小信噪比条件 E t 中没有单独的信号项 只有受到调制的项 由于是一个随机噪声 因而 有用信号被噪声扰乱 致使也只能看作是噪声 因此 输出信噪比急剧下降 这种现象称为解调器的门限效应 48 结论 用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应 原因是信号与噪声可分别进行解调 解调器输出端总是单独存在有用信号项 在大信噪比情况下 AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同 但随着信噪比的减小 包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应 一旦出现门限效应 解调器的输出信噪比将急剧恶化 4 3非线性调制 角度调制 的原理 返回 50 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 分别简称为调频和调相 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 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 51 一 角调制的基本概念 角度调制信号的一般表达式为 恒定振幅 瞬时相位 载波相位 相对于载波相位的瞬时相位偏移 载波角频率 瞬时角频率 瞬时角频偏 52 相位调制 PM 是指瞬时相位偏移随调制信号m t 而线性变化 调相信号可表示为 常数调相灵敏度 rad V 最大相偏 最大角频偏 53 频率调制 FM 是指瞬时角频率偏移随调制信号m t 而线性变化 调频信号可表示为 常数调频灵敏度 可见 FM和PM非常相似 如果预先不知道调制信号的具体形式 则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号 54 调频与调相的关系 如果将调制信号先微分 而后进行调频 则得到的是调相波 这种方式叫间接调相 同样 如果将调制信号先积分 而后进行调相 则得到的是调频波 这种方式叫间接调频 55 二 宽带调频与窄带调频 当最大相位偏移及相应的最大频率偏移较小时 即一般认为满足可求出它的任意调制信号的频谱表示式 这时 信号占据带宽窄 属于窄带调频 NBFM 反之 是宽带调频 WBFM 56 窄带调频 单音调制信号调频信号的瞬时相偏单音调频的时域表达式 最大频偏 调频指数 57 窄带调频 有近似式可简化为 58 窄带调频 窄带调频信号的频域表达式 59 单音调制的AM与NBFM频谱 单音调频波形示意图 单频频率0 5Hz 载波频率50Hz Kf 5 Kp 5 60 由于NBFM信号最大相位偏移较小 占据的带宽较窄 使得调制制度的抗干扰性能强的优点不能充分发挥 因此目前仅用于抗干扰性能要求不高的短距离通信中 在长距离高质量的通信系统中 如微波或卫星通信 调频立体声广播 超短波电台等多采用宽带调频 61 WBFM信号的频谱 调频波的频谱包含无穷多个分量 理论上调频波的频带宽度为无限宽 实际上边频幅度随着n的增大而逐渐减小 因此调频信号可近似认为具有有限频谱 62 调频信号的带宽 单音调频波的带宽为它说明调频信号的带宽取决于最大频偏和调制信号的频率 该式称为卡森公式 根据经验把卡森公式推广 即可得到任意带限信号调制时的调频信号带宽的估算公式 63 三 调频信号的产生 直接法 用调制信号直接控制振荡器的频率 使其按调制信号的规律线性变化 振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器 VCO 每个压控振荡器自身就是一个FM调制器 因为它的振荡频率正比于输入控制电压 即 i t 0 Kfm t 直接法的主要优点是在实现线性调频的要求下 可以获得较大的频偏 缺点是频率稳定度不高 因此往往需要采用自动频率控制系统来稳定中心频率 直接调频法得到的信号多为窄带调频信号 64 间接法 先对调制信号积分后对载波进行相位调制 从而产生窄带调频信号 NBFM 然后 利用倍频器把NBFM变换成宽带调频信号 WBFM 倍频器的作用是提高调频指数 从而获得宽带调频经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍 间接法的优点是频率稳定度好 缺点是需要多次倍频和混频 因此电路较复杂 65 四 调频信号的解调 非相干解调 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 最简单的解调器是具有频率 电压转换特性的鉴频器相干解调 由于窄带调频信号可分解成同相分量与正交分量之和 因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调 66 鉴频器特性与组成 Kd 鉴频器灵敏度 67 五 调频系统的抗噪声性能 大信噪比情况对于调频系统来说 增加传输带宽就可以改善抗噪声性能 调频方式的这种以带宽换取信噪比的特性是十分有益的 在调幅制中 由于信号带宽是固定的 无法进行带宽与信噪比的互换 这也正是在抗噪声性能方面调频系统优于调幅系统的重要原因 68 小信噪比情况与门限效应 当减小到一定程度时 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 因而急剧下降 这种情况与AM包检时相似 我们称之为门限效应 不同 门限值不同 门限小于门限时 急剧下降 下降越快FM以带宽换取信噪比的改善不是无止境的BNi门限效应 69 非相干解调的门限效应 70 4 4各种模拟调制系统的性能比较 返回 在相同的解调器输入信号功率 相同噪声功率谱密度 相同基带信号带宽的条件下 比较 72 结论 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 73 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 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 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 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 VSB的性能与SSB相当 FM波的幅度恒定不变 这使它对非线性器件不甚敏感 给FM带来了抗快衰落能力 宽带FM的缺点是频带利用率低 存在门限效应 因此在接收信号弱 干扰大的情况下宜采用窄带FM 窄带FM采用相干解调时不存在门限效应 74 4 5频分复用 返回 复用 将若干个彼此独立的信号 合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法 信号之间相互不干扰 频分复用 Frequency divisionMultiplexing FDM 按照频率的不同来复用多路信号的方法 在频分复用中 信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段 每路信号占用其中一个频段 因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路