北邮信号课件第四章.ppt

1 今天的内容 角度调制幅度调制的抗噪声性能 2 4 3角度调制 前面讨论了模拟调制中的幅度调制方式 幅度调制也成为线性调制 下面我们将讨论调频和调相调制方式 调频调相均属于非线性调制 统称为角度调制 由于它们都是非线性的 分析时较为困难 在许多情况下是近似分析 3 4 3角度调制 角度调制的特点是它占有较宽的信道带宽 加调信号的带宽经常是基带信号带宽的许多倍 其是以牺牲一定的带宽来换取高的抗噪能力 由于该系统的可靠性好 因而在高逼真度音乐广播系统及发射功率有限的点对点通信系统中广泛应用调频制式 4 4 3 1角调制的基本概念 相位调制 瞬时相位偏移随调制信号m t 而线性变化 频率调制 瞬时频率偏移随调制信号m t 而线性变化 相位偏移常数 频率偏移常数 5 4 3 1角调制的基本概念 如果预先不知道调制信号m t 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 实际相位调制器的调制范围有限 适用于窄带调制 适用于宽带调制 适用于宽带调制 6 4 3 1调频与调相信号 在调相系统中 最大相位偏移为 在调频系统中 最大频率偏移为 7 4 3 1调制指数 调相系统的调制指数 调频系统的调制指数 W是模拟基带信号的带宽 8 4 3 1窄带角度调制 定义 在角度调制系统中 若 称此角度调制为窄带角度调制 利用近似公式可得到 频谱与AM信号相类似抗噪声性能也与AM类似实际很少使用 用于产生宽带角度调制信号的中间级 9 4 3 2角度调制信号的频谱特性 非线性调制 并非频谱的简单搬移很难求出精确频谱特性在非常简单的基带信号情况下 利用近似分析进行频谱研究 然后推广到更复杂的基带信号 10 4 3 2正弦信号的角度调制 正弦信号的调频和调相 其表示式为 周期函数 第一类n阶贝塞尔函数 11 4 3 2正弦信号的角度调制 当调制信号是频率为fm的正弦信号时 其角调信号含有以fc nfm n 0 1 2 的频率分量 因而已调信号的带宽应是无穷的 对应于大的n值得fc nfm分量的幅度是很小的 可忽略 因此包含98 或99 的已调信号总功率的带宽是个有限值 定义为有效带宽 12 4 3 2正弦信号的角度调制 贝塞尔函数的级数展开 值很小时 第一项 n 1 即第一旁瓣 为主要分量 13 4 3 2卡松公式 对于基带信号是任意的周期信号或对于一般的非周期信号或对于一般的非周期基带信号的角度调制 其频谱分析复杂 然而 计算角调信号的有效带宽存在一近似关系式 称为卡送公式 由于宽带调频的 值约在5以上 所以宽带调频信号的带宽比调幅信号的带宽宽的多 14 4 3 3角度调制器与解调器 产生调频信号有直接调频法和间接调频法下面分别介绍 15 4 3 3直接调频 直接调频是利用压控震荡器 VCO 定义 当输入电压为零时 振荡器产生一频率为f0的正弦波 当输入基带信号的电压变化时 该振荡频率作相应变化 m t VCO 16 4 3 3直接调频 VCO可满足宽带调频的大频偏要求 但很难保证中心频率的稳定性 晶振 分频 分频 低通 VCO 输出宽带调频信号 17 4 3 3间接调频 间接产生调频或调相信号的方法之一是首先产生窄带角调信号 然后将它变换成宽带角调信号 框图如下 窄带调频器 倍频 本振 带通滤波器 频率 频率 输入 输出 18 4 3 3间接调频 若窄带角调信号 则倍频器输出为 它是宽带角调信号 上图中应用的是下变频 本振频率为 下变频后的宽带角调信号 19 4 3 3间接调频 产生窄带角调信号的方法 框图如下 20 4 3 3解调 非相干解调 鉴频器 普通鉴频器 解调方法之一是先将调频信号变为调幅调频信号 使该调幅调频信号的幅度比例于调频信号的瞬时频率 然后再利用一调幅解调器取其包络 恢复出原消息信号 包络检波器 FM信号 AM信号 FM至AM变换器 输出 21 削去调频波在传输过程中引起的幅度变化部分 变成固定幅度 4 3 3解调 非相干解调 鉴频器 m0 t Kfm t 将幅度恒定的调频波变成调幅调频波 从幅度变化中检出调制信号 缺点 对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应 22 4 3 3解调 非相干解调 鉴频器 调频信号 微分以后 此信号的包络正比于m t 23 4 3 3解调 非相干解调 锁相环 输入调频信号 压控振荡器的瞬时频率 VCO的输出 24 4 3 3解调 非相干解调 锁相环 鉴相器由乘法器和低通构成 其输出 锁相环锁定时 e t 为一个很小的值 25 4 4线性调制系统的抗噪声性能 分析模型DSB SC的性能SSB SC的性能AM的性能 26 分析模型 AWGN 平稳窄带高斯噪声 同相分量 正交分量 平均功率为Ni 若白噪声的双边功率谱密度为n0 2 带宽B应等于已调信号的频带宽度 当然也是窄带噪声ni t 的带宽 27 窄带白高斯噪声 窄带白高斯噪声n t 的均值为零 双边功率谱密度为 窄带噪声表示式之一为 的同相分量及正交分量 功率谱密度如下 28 指标 评价指标 解调器的输出信噪比物理含义 衡量一个模拟通信系统质量的好坏 与调制方式有关 与解调方式有关 不同类调制方式 同类调制方式 制度增益 不同解调方式 G越大 表明解调器的抗噪声性能越好 越大 表明解调器的抗噪声性能越好 29 4 4 1双边带调幅系统的抗噪声性能输入信号 在接收机中 解调的输入信号为 相干解调中 将r t 与本振相乘 可得 30 4 4 1双边带调幅系统的抗噪声性能输出信号 低通滤波器抑制二倍频分量 仅通过低通分量 设 则 故解调的输出基带信号与噪声分量式相加的 下面分别求出解调的输入信噪比与输出信噪比 31 4 4 1双边带调幅系统的抗噪声性能输出噪声的功率 1 解调输出信号的平均功率 其中是随机过程的平均功率 2 解调输出噪声的平均功率 其中为带通白高斯噪声的平均功率 其值为 32 4 4 1双边带调幅系统的抗噪声性能输出信噪比 3 解调输出信噪比 33 4 4 1双边带调幅系统的抗噪声性能输入信号的特性 解调器输入信号 4 输入信号平均功率 5 输入噪声平均功率 6 输入信噪比 34 4 4 1双边带调幅系统的抗噪声性能制度增益 由公式可知DSB SCAM的解调输出信噪比是解调输入信噪比的2倍 即 制度增益 35 4 4 2单边带调幅系统的抗噪声性能 36 4 4 2单边带调幅系统的抗噪声性能输入信号 输出信号 在接收机中 解调的输入信号为 相干解调中 将r t 与理想恢复的载波相乘 低通滤波器抑制二倍频分量 仅通过低通分量 解调的输出基带信号与噪声分量式相加的 37 4 4 2单边带调幅系统的抗噪声性能输出信号的指标 1 解调输出信号的平均功率 2 解调输出噪声的平均功率 其中 3 解调输出信噪比 38 4 4 2单边带调幅系统的抗噪声性能输入信号的指标 输入信号 4 解调输入信号平均功率 5 解调输入噪声平均功率 6 解调输入信噪比 39 4 4 2单边带调幅系统的抗噪声性能性能 由公式可知 SSB SCAM的解调输出信噪比 解调输入信噪比 即 制度增益 40 比较 当DSB SC与SSB SC1 解调器输入的信号功率相等2 输入噪声双边功率谱密度相同则 两者的输出信噪比是相同的 41 4 4 3AM抗噪声性能相干解调 在接收机中 解调的输入信号为 相干解调中 将r t 与理想恢复相乘 低通滤波器抑制二倍频分量 仅通过低通分量 经过隔直电容的得到输出 42 4 4 3AM抗噪声性能相干解调 1 解调输入信号的平均功率 2 解调输出信噪比 43 4 4 3AM抗噪声性能相干解调 由于 所以AM解调的输出 从上述分析看出 AM信号总发射功率中的大部分功率被分配给离散的离散的载波分量 其调制效率相当低 这就是该调制方式的缺点 信噪比经常是小于DSB SCAM的输出信噪比 44 4 4 3AM抗噪声性能包络检波 大信噪比情况 r t 的包络为 假设r t 中的信号分量强的多 因而包络近似为 包络检波器输出在滤除直流分量后 得到 大信噪比情况下 包络检波于相干解调性能相同 45 4 4 3AM抗噪声性能包络检波 小信噪比情况 其中 利用了 x很小时 46 4 4 3AM抗噪声性能包络检波 小信噪比情况 在解调输入信噪比很低时 包络检波信号和噪声不再是相加的 而是信号分量乘以噪声 这样就不能从中区分出信号来 此时系统工作与门限以下 解调输出信噪比急剧下降 47 4 5角度调制系统的抗噪声性能 调频 调相系统的抗噪声性能角度调制的门限效应预加重和去加重 48 4 5角度调制系统的抗噪性能解调器的输入信号 对于一般角调信号的接收解调框图为 带通滤波器的输出为 其中 解调器输出 49 4 5角度调制系统的抗噪性能解调器输入信号的幅度相角表达 50 4 5角度调制系统的抗噪性能输入信号幅度相角表达 近似 51 4 5角度调制系统的抗噪性能解调器输出信号 解调输出 PM FM 相位 相位的导数 52 4 5角度调制系统的抗噪特性解调器输出的噪声部分 在解调输入信噪比高时 可证明上式可简化为 调相时解调输出噪声为 调频时解调输出噪声为 为与噪声有关的项 53 4 5角度调制系统的抗噪特性输出噪声的特性 功率谱密度 功率谱密度 54 4 5角度调制系统的抗噪特性微分器的传递函数 微分器可以看成一个线性系统其传递函数 的功率谱密度为 55 4 5角度调制系统的抗噪特性输出噪声的功率谱和输出功率 PM FM PM FM PM FM 功率谱密度 功率 56 4 5角度调制系统的抗噪特性输出信噪比 由输出信号功率 可知 PM FM PM FM PM FM 57 4 5角度调制系统的抗噪特性输出信噪比的几种表达 接收信号功率 则 PM FM 58 4 5角度调制系统的抗噪特性输出信噪比的几种表达 卡松公式 则 PM FM 令 59 4 5角度调制系统的抗噪特性总结 1 前面的近似分析的前提为输入信噪比高 此条件成立 则输出信噪比与 平方成正比 即增加带宽可以增加信噪比 2 增加 则输入噪声增大 近似分析不成立 在一个门限值附近 输出信噪比急剧下降 3 调幅 调角增加发射功率都能提高解调输出信噪比 但是机理不同 4 调频系统 输出噪声功率谱为抛物线 实际系统采用预加重和去加重技术 60 4 5 2角度调制的门限效应 定义 当下降到一定程度时 FM的急剧下降 这种现象叫门限效应 门限值的 和 之间的近似关系为 非相干解调都有这种特点 不过AM包络检波的门限效应表现得不及FM显著 61 4 5 2角度调制的门限效应 2 当信噪比降低时 这个假设逐步变得不能成立 此时的实际情形是 随着的下降 输出噪声及失真以更快的速度恶化 1 非相干解调信噪比时所做的假设 大信噪比 如果始终成立 则一定随着的下降而线性下降 62 4 5 3去加重与预加重滤波 产生原因 FM输出的噪声功率谱呈抛物线状 如果FM系统的输入信号具有均匀的功率谱密度 则输出信号在各个频率成分处的信噪比不均衡 加重技术就是为了解决这一问题 具有去加重与预加重滤波的调频系统框图 预加重滤波 调频器 带通滤波 鉴频器 去加重滤波 加性噪声 63 4 5 3去加重与预加重滤波 如上图所示 发送端使用 预加重滤波 提升信号在高频部分的功率 使之能和FM鉴频器输出的噪声功率谱密度相匹配 接收端再用 去加重滤波 还原到原来的频谱 64 各种模拟调制系统的比较 结论 当输入信噪比较高时 采用FM方式可以得到更大好处 出现门限效应时的曲线拐点 门限电平以下 曲线将迅速跌落 比AM优越4 7dB以上 比AM优越22dB 65 各种调制方式的性能比较 66 4 6频分复用 FDM 技术I 定义 若干相互独立的携带消息的信号合成为一复合信号在一公共信道上传输称为复用 信号复用的方式有很多种 频分复用 众多信号在频率上分开的技术时分复用 众多信号在时间上分开的技术一典型的FDM系统中 在发射机中的低通滤波器带宽限于基带信号的带宽WHz 每个基带调制各自的载频 因此要求有k个调制器 将k个调制器的输出信号相加成一合成信号在信道中传输 在接收机中 通过并行的带通滤波支路 将各路信号分离出来 其中每个带通滤波器调谐到其中的载频之一 其带宽足以通过所希望接收的信号 每个带通滤波的输出信号被解调 并通过低通滤波 输出消息信号 67 4 6频分复用 FDM 技术II SSB 将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区 每个小区能顺利通过一路信号 防护频带 滤波器截止特性问题收发载波同步问题 优点 可以在给定的信道内同时传输许多路信号 提高信号传输的有效性 缺点 因滤波器特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰 68 4 6频分复用 FDM 技术III 低通 低通 低通 低通 低通 低通 调制器 调制器 调制器 频率合成器 调制器 调制器 调制器 低通 低通 低通 信道 频率合成器 中心频率 中心频率 中心频率 69 4 7超外差接收机I 目前 无论是无线广播系统或是无线通信系统中的接收机均采用超外差接收机 超外差接收机是由接收天线 射频放大 混频