通信原理第三章ppt课件.ppt

第三章模拟调制系统 主要内容 3 1引言3 2幅度调制原理及抗噪性能3 3角度调制原理及抗噪性能3 4模拟调制系统的比较3 5频分复用3 6复合调制及多级调制的原理 内容简介 1 调制的概念 分类 作用 2 模拟线性调制 AM DSB SSB VSB的基本原理 时域 频域表示 调制与解调方法 抗噪性能 3 模拟非线性调制 角度调制 宽带调频 WBFM 和窄带调频 NBFM 的基本原理 信号频谱 调制与解调方法 抗噪性能 4 门限效应 加重技术 5 频分复用 FDM 技术 3 1引言 重点掌握 1 基本概念 调制 解调 载波调制 载波 调制信号 已调波信号等 2 调制的分类 模拟调制与数字调制 线性调制 AM DSB SSB VSB 与非线性调制 FM PM 连续波调制与脉冲调制 3 调制的作用 3 1引言 1 基本信号 1 载波 频率在给定信道通带内的基带信号的载体 可分为正弦波载波和脉冲载波 连续载波 确知的周期性波形 余弦波 式中 A为振幅 0为载波角频率 0为初始相位 2 调制信号m t 自信源来的携带信息的基带信号 3 已调波信号已调信号s t 调制后的载波称为已调信号调制器 进行调制的部件 2 调制的相关知识 1 调制的定义 在发送端 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 实现频谱搬移 2 解调的定义 在接收端把已搬移到给定信道通带内的频谱还原为基带信号频谱的过程 3 正弦波载波调制 用正弦波作为载波 4 脉冲编码调制 用脉冲串作为载波的数字调制 5 模拟调制 用来自信源的基带模拟信号去调制某载波的过程 3 调制的作用 1 将基带信号变成适合在信道中传输的已调信号 2 实现信道的多路复用 3 改善系统的抗噪声性能 4 改变信号占用的带宽 4 调制的分类 连续波调制 载波为正弦波 振幅调制 AM DSB SSB VSB 模拟调制频率调制 FM 相位调制 PM 数字调制振幅键控 ASK 频移键控 FSK 相移键控 PSK 脉冲波调制 载波为脉冲波 模拟调制脉冲振幅调制 PAM 脉冲带宽调制 PWM 脉冲频率调制 PFM 数字调制脉冲编码调制 PCM 增量调制 M 脉冲间隔调制 PIM 脉冲位置调制 PPM 5 调制系统种讨论的主要问题和主要参数 1 工作原理 2 已调信号的带宽 3 功率关系 功率利用率 4 抗噪声性能 噪声对调制系统性能的影响 调制系统的主要参数 1 发送功率2 传输带宽3 抗噪声性能4 设备的复杂度 3 2幅度调制的原理及抗噪声性能 重点掌握 1 基本原理 幅度调制 AM DSB SSB VSB 调制与解调的基本原理 2 时域及频域表示式 3 波形图与频谱图 4 抗噪性能 信号功率 噪声功率 信噪比 调制度增益的计算 3 2幅度调制的原理及抗噪声性能 幅度调制 高频正弦波的幅度随调制信号作线性变化的过程一 线性调制器的一般模型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 适当选择滤波器的特性H 便可以得到各种幅度调制信号 例如 调幅 双边带 单边带及残留边带信号等 h t H 载波信号c t m t 滤波器 Sm t 线性调制器的一般模型 输出信号的一般表达式 时域 且频域 二 调幅AM信号 假设h t t 即滤波器 H 1 为全通网络 调制信号m t 叠加直流A0后与载波相乘AM的时域表达式 t m t costA0为外加的直流分量 m t 为调制信号 C为载波的角频率AM的调制模型 t cos t m t 设 m t 1 m t m t 1 m t max ma 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 AM的频域表达式 SAM w A0 w wc w wc 0 5 M w wc M w wc 调制波形图与频谱图如下 下一个例子 找错 调幅AM信号 由图可见 1 波形包络与输入基带信号m t 成正比 2 频谱具有上 下对称的两个边带 3 频谱中心含离散载频分量 它并不携带信息 4 要使调幅波的包络波形与基带信号波形相同 则一定要满足两个条件 a 对所有的t的值 m t max A0 否则会过调制b 载波频率必须高于基带信号的最高频率 5 AM的调幅度 AM一个重要的参数是调幅度ma 又称为调制系数 其定义为 一般ma 1 只有SAm t min为负数时 ma才大于1 此时出现过调幅 接收端解调出的信号将出现波形失真 思考题 过调幅时 AM已调波的波形如何 6 已调AM波只是把基带信号的频谱简单地搬移 而没有产生新的频谱分量 AM是线性调制 7 功率分配AM信号在1 电阻上的平均功率应等于sAM t 的均方值 当m t 为确知信号时 sAM t 的均方值即为其平方的时间平均 通常假设调制信号没有直流分量 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 载波分量不携带信息 即使在 满调幅 m t max 时 也称100 调制 条件下 载波分量仍占据大部分功率 而含有用信息的两个边带占有的功率较小 因此 从功率上讲 AM信号的功率利用率比较低 8 调制效率 调制效率 当调制信号m t 为单频余弦信号 在刚发生过调制的临界状态下 ma 1 此时调制效率最大 AM 1 3即 两边带功率之和 载波功率之半 在各种调制信号中 调制效率最高的是幅度为Ao的方波 此时 AM 1 2 AM系统的特点及其应用 AM系统的特点及其应用优点 解调方便 包络检波 缺点 占用频带宽 消息信号的两倍 调制效率低 发射功率大 应用 广播 三 抑制载波双边带调制 DSB SC 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 即可得到抑制载波双边带信号 简称双边带信号 DSB 抑制载波双边带调幅信号 时域表达式 频域表达式 抑制载波双边带调幅信号 由图可知 1 由时间波形可知 DSB信号的包络不与m t 成正比 2 在调制信号m t 的过零点处 高频载波相位有180 的突变 3 DSB信号节省了载波发射功率 但具有上 下对称的两个边带 故频带宽度与AM信号相同 4 功率分配 PDSB PS 5 调制效率 DSB 1 DSB的特点与应用 优点 调制效率高 抗噪性能较强 缺点 占用频带宽 为消息基带信号的2倍 应用 无线通信 低带宽信号多路复用 常用于传输数字信号 如ASK 四 单边带SSB信号 单边带调制只是传输双边带信号中的一个边带 因此产生SSB信号 1 最直接的方法 滤波法 将不含直流分量的基带信号m t 和载波信号经乘法器后得到双边带信号DSB 再通过一个单边带滤波器就得到需要的单边带SSB信号 单边带调制 SSB 的一般模型 从图中看 SSB与DSB好象没什么不同 但两者的h t 不同 DSB的h t 要求保留两个边带信号 而SSB的h t 只要求保留一个而且只能保留一个边带信号 如果H 是上边带滤波器H 则得到相应的上边带信号 USB 如果HUSB 是下边带滤波器HLSB 则得到相应的下边带信号 LSB 因此 SSB信号的频谱可表示为 SSSB SDSB H 用滤波法形成SSB信号的技术难点是 由于一般调制信号都具有丰富的低频成分 经调制后得到的DSB信号的上 下边带之间的间隔很窄 这就要求单边带滤波器在fc附近具有陡峭的截止特性 才能有效地抑制无用的一个边带 这就使滤波器的设计和制作很困难 有时甚至难以实现 为此 在工程中往往采用多级调制滤波的方法 2 单边带调制相移法 单音频调制时的SSB信号的波形图 单音频调制时的SSB频谱图 2 单边带调制相移法 时域 下边带SSB信号 上边带SSB信号 其中是m t 的希尔伯特变换 希尔波特 Hilbert 变换 定义 将一个信号波形中的全部频率分量相移 90 后所得的时间信号就叫做原信号的希尔波特变换 1 变化公式 希尔波特变换在时间域的数学描述如下 希尔波特变换在频率域中的数学描述为 2 常用希尔波特变换对 3 Hilbert变换的性质信号和它的希尔波特变换具有相同的能量谱密度或相同的功率谱密度 信号和它的希尔波特变换的能量 或功率 相同 信号和它的希尔波特变换具有相同的自相关函数 信号和它的希尔波特变换互为正交 的希尔波特变换为 f t 4 Hilterb变换的用途 在SSB中 用来实现相位选择 以产生单边带信号 给出最小相移网络的幅频特性和相频特性之间的关系 为带通信号的表示提供了基础 2 单边带调制相移法的原理框图 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 调制信号为任意信号的SSB信号的频谱图 单边带SSB信号 由SSB信号的频谱图可见 1 SSB信号的解调不能采用简单的包络检波法 也需要采用相干解调法 2 SSB信号可节省载波发射功率 是双边带发射功率的一半 3 SSB信号的频率带宽只有双边带DSB信号的一半 SSB的特点及应用 优点 具有最窄的传输带宽 信道利用率最高 缺点 1 电路实现复杂 技术要求高 2 解调时要求同步误差小 应用 1 话音通信 2 话音频分多路通信 五 残留边带调制 VSB 1 残留边带调制 VSB 的工作原理为了克服SSB设备制作困难的缺点 可以采用VSB VSB介于SSB和DSB之间 它让一个边带完全通过 而让另一个边带只残留一部分 这样 既克服了DSB占用频带宽的缺点 又解决了SSB实现上的困难 VSB的调制过程的一般模型与DSB和SSB没有区别 不同的是滤波器的冲击响应h t 是按VSB的要求设计的 残留边带VSB信号 为了保证接收端相干解调时无失真的恢复基带信号 必须要求残留边带滤波器的传输函数在载频处具有互补对称特性 又叫滚降形状 2 VSB信号的频谱 3 发送功率和传输带宽 VSB的发送功率和带宽介于SSB和DSB之间 一般典型值为 线性调制信号的解调 解调 从接收的已调信号中恢复原基带信号 解调的实质 频谱搬移1 相干解调 LPF coswct 相干载波 So t Sm t 线性调制信号的解调 2 包络检波 LPF Mo t 包络检波 Sm t 线性系统的抗噪声性能 1 分析模型 解调器 N t 高斯白噪声 mo t nO t BPF Sm t Sm t Ni t 线性系统的抗噪声性能 2 评价模拟调制系统的抗噪声性能的指标 1 输出信噪比 2 信噪比增益 3 各种调制系统相干解调的抗噪声性能 1 DSB调制系统的性能DSB解调器的输入信号为 设载波信号幅度为 其平均功率为 经过同步解调相乘器的输出信号为 经过LPF后 输出有用信号为 于是 解调器输出端的有用信号的平均功率为 采用同步解调 则经过相乘器后的输出噪声为 其中 nc t 及ns t 为高斯窄带噪声ni t 的同相分量及正交分量 经过LPF后 输出噪声为 于是 解调器输出端的噪声的平均功率为 将上述结果代入 输入信噪比 输出信噪比 调制制度增益 2 SSB调制系统的抗噪声性能 SSB解调器的输入信号为只有DSB信号的一半 其平均功率为 解调器采用同步解调 则经过相乘器后的输出信号为 经过LPF后 输出有用信号为 于是 解调器输出端的有用信号的平均功率为 采用同步解调 则经过相乘器后的输出噪声为 经过LPF后 输出噪声为 于是 解调器输出端的噪声的平均功率为 线性系统的抗噪声性能 将上述结果代入 输入信噪比 输出信噪比 调制度增益 结论 由此可见 SSB调制系统的调制度增益为1 所以DSB的调制度增益是SSB的两倍 这是因为SSB采用同步解调 使输入噪声中的一个正交分量被消除的同时 也消除了有用信号的正交分量 但这并不说明DSB的抗噪声性能优于SSB 因为DSB的带宽是SSB的两倍 则在输入噪声功率谱密度相同的情况下 DSB解调器的输入噪声和输出噪声都是SSB的两倍 在输入信号的平均功率相等的情况下 DSB和SSB的输出信噪比是相同的 所以 从抗噪声的观点看 DSB和SSB是相同的 3 AM调制系统的抗噪声性能 1 同步解调时AM采用同步解调时的抗噪声性能分析与DSB相同 这里只给出结果 详细过程自己推导 输入信噪比 输出信噪比 调制度增益 线性系统的抗噪声性能 若为单音频正弦波调制 且m 1 则m0 M 它表明AM调制系统在单音频调制且采用同步解调时的调制度增益最多为2 3 若为双极性矩形脉冲信号 且m 1 则m0 M G 1 4 非相干解调的抗噪声性能 实际中AM信号的解调通常采用包络检波器或平方律检波 设AM信号为 式中 输入噪声为 则解调器输入端的信号功率和噪声功率分别为 解调器输入端有用信号和噪声的合成信号为 其中E t 即为合成包络 t 为相位 通常分析检波器的输出信号和噪声有一定困难为简化起见 我们考虑两种特殊情况 1 大信噪比情况 所谓大信噪比是指 则及 于是 此包络信号中的有用信号为m t 噪声为nc t 所以输出信号功率和噪声功率分别为 于是AM的调制度增益为 显然 A越小 G越大 但为了不出现过调幅 要求 因此 对单音频的正弦波100 调制 则 这就是包络检波器能够得到的最大信噪比改善值 2 小信噪比情况 所谓小信噪比是指 则及 于是 其中 可以看出 小信噪比情况下 在检波器输出端无单独的信号项 只有受到cos t 调制的项m t cos t 由于cos t 是一个依赖与噪声变化的随机函数 故实际上它就是一个随机噪声 因而 有用信号m t 被包络检波器扰乱 致使m t cos t 也只能看作是噪声 门限效应 非同步解调时 当输入信噪比下降到某一值时 它的输出信噪比急剧下降 这个值就是门限值 这种现象称之为 门限效应 它是由包络检波器的非线性解调引起的 因为在小信噪比情况下 无法由包络检波器解调出有用信号 所以只有采用相干解调 才能恢复有用信号 3 3角度调制原理 一 非线性调制的原理调制过程都要实现基带调制信号的频谱搬移 对于 线性调制 调制后信号的频谱结构和基带调制信号的频谱结构保持一致 非线性调制 调制后信号却不再保持基带调制信号的频谱结构 非线性调制通常是通过改变载波的频率或相位来实现的 而载波振幅保持不变 因为频率或相位的变化可以看成是载波角度的变化 所以这种调制方式又称为角度调制 它是调频 FM 和调相 PM 的统称 频率的概念 严格地说 只有无限长的恒定振幅和恒定相位的正弦波形才具有单一频率 载波被调制后 不再仅有单一频率 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 由频率与相位的关系 上式可以改写为 1 角度调制的定义及表达式 由下式可见 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 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 式中 叫瞬时相位偏移这时 已调信号的表示式为此已调载波的瞬时频率为 式中 叫瞬时频率偏移 上式表示 在相位调制中瞬时频率偏移随调制信号的对时间求导的函数线性地变化 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 这时 瞬时角频率为 瞬时角频率偏移为 及瞬时相位为 瞬时相位偏移为 这时 已调信号的表示式为 上式表明 载波瞬时相位偏移随调制信号的积分线性地变化 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 直接和间接调相 直接和间接调频 当调制信号为单音频正弦波信号时 即 则 式中 称之为调相指数 表示最大相位偏移 瞬时角频率 最大角频率偏移 2 单音调制的PM与FM表示式 当调制信号为单音频正弦波信号时 即则 式中 称之为调频指数 表示最大相位偏移 m f fm为最大频率偏移和基带信号频率之比 瞬时角频率 最大角频率偏移 3 调相波与调频波的比较 调相波与调频波的比较共同点 振幅不变 是等幅波不同点 调相波与调频波的比较 4 角度调制的波形和频谱 1 角度调制的波形单音频调制时的调相和调频信号波形如图4 12所示 则其频谱与AM很相似 如图4 13所示 从图中可以看出 NBFM的带宽 a 宽带调频 WBFM 若 则称之为宽带调频 若为单音频调制 且Am 1则 式中 称为第一类n阶贝塞尔 Bessel 函数 且 具体数据可以参看贝塞尔函数表 Jn m m关系曲线上式的展开式为 图4 14给出了mf 5 A 1 fc fm时 单音频调制的WBFM的频谱图 由此可见 即使在单音频调制情况下 WBFM的频谱也可展开成无数个频率分量 但实际上无限多个频率分量是不必要的 因为贝塞尔函数的最大值随着阶数的增加而下降 只要取适当的n值 使Jn mf 下降到可以忽略的程度 则比它更高的边频分量就可以忽略不计 使WBFM的频谱约束在有限的频谱范围内 如果我们把幅度小于0 1倍的载波幅度的边频忽略不计 则可以得到WBFM的带宽 称之为最大频偏 若 则若调制信号为多音频信号 其频谱分析是很复杂的 一般有经验公式 式中 fh为调制信号的最高频率 频谱特点 边频成对大部分功率集中在有限带宽内当调制指数mf1时 带宽B 式中 f 最大调制频移 fm 调制信号频率 3 4非线性调制的抗噪声性能非线性调制的抗噪声性能分析较复杂 这里我们只给出频率调制系统抗噪声性能分析的结果 解调器输入端的信噪比 大信噪比下 解调器输出的有用信号 大信噪比下 解调器输出信号功率 假设解调器的LPF的截止频率为fm 且fm 0 5B 则解调器输出噪声功率为 解调器输出信噪比 3 5各种模拟调制系统的比较 见教材P122 123一 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 FM的调频指数m越大 抗噪声性能越好 但占据的带宽越宽 频带利用率低 SSB的带宽最窄 其频带利用率高 二 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