第四章-模拟调制技术分解

第四章模拟调制系统 通信原理 通信原理 概述 通信原理 调制的定义 调制 将基带信号的频带搬移至适合信道传输的频谱位置的过程 解调 是调制的反变换 是将调制的信号还原成基带信号的过程 通常未调制的信号 基带信号 称为调制信号 而调制后的信号称为已调信号 完成频带搬移的则为载波信号 调制是通过调制信号 基带信号 控制载波的某个 或某些 参数来实现的 通信原理 4 1概述 通信原理 调制的分类 调制 正弦波调制 脉冲调制 模拟调制 数字调制 通信原理 调制的分类 按基带信号对载波的控制参量 幅度 频率或相位 分类 分为调幅 调频 调相 按已调信号的频谱结构分类 线性调制 已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同 非线性调制 已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同 通信原理 主要内容 通信原理 4 1幅度调制 幅度调制 正弦载波幅度随调制信号变化的调制方式 调制信号 已调信号 载波信号 频谱特性 令 是基带信号频谱在频域内的简单搬移 通信原理 幅度调制的一般模型 幅度调制的一般模型由一个相乘器和一个冲激响应为h t 的带通滤波器组成 选择不同的h t 可以得到各种线性调制信号 通信原理 4 1幅度调制 通信原理 常规双边带调幅 AM 调制 调制模型 设调制信号 通信原理 常规双边带调幅 AM 调制各点波形 通信原理 常规双边带调幅 AM 调制各点波形 属于频带信号 通信原理 调制的逆过程叫做解调 AM信号的解调方法有两种 相干解调和非相干解调 1 相干解调用一个低通滤波器 就无失真的恢复出原始的调制信号 常规双边带调幅 解调 通信原理 2 非相干解调 包络检波法 通信原理 通信原理 常规双边带调幅 AM特点 常规双边带调幅信号中的载波不携带任何信息 而且占据了信号一半以上的功率 非常浪费 其调制效率也很低 带宽为为了提高效率 将功率充分地应用到有用的边带去 可把载波抑制掉 即可得到抑制载波的双边带调幅 通信原理 4 1幅度调制 通信原理 调制原理 抑制载波的双边带调幅 调制 通信原理 乘法器输出为 经低通滤波器滤除高次项 得 抑制载波的双边带调幅 解调 解调原理 相干解调 通信原理 通信原理 抑制载波的双边带调制 特点 1 抑制载波的双边带调幅节省了载波功率 2 频带宽度仍为调制信号的两倍 与常规双边带调幅时相同 3 上 下两个边带是完全对称的 用一个边带就可以传输全部信息 通信原理 4 1幅度调制 通信原理 单边带调制 滤波法 为了取出双边带调制信号的一个边带 最直接的方法是用滤波器取出一个边带 HSSB 通信原理 希尔波特 Hilbert 变换 单边带调制 相移法 通信原理 希尔波特滤波器 希尔波特 Hilbert 变换 希尔波特 Hilbert 反变换 通信原理 希尔波特滤波器冲激响应及传递函数 F T 希尔伯特滤波器实际上是一个宽带移相网络 表示把输入信号的所有频率分量移相90度 幅度不变 通信原理 单边带调制 相移法 上边带 下边带 通信原理 单边带调制 解调 单边带信号包络不能反映调制信号的波形 解调不能采用简单的包络检波单边带信号采用相干解调 同相载波 解调后的基带信号 通信原理 4 1幅度调制 通信原理 残留边带调制 残留边带调制是介于单边带调制与抑制载波双边带调制之间的一种调制方式克服了双边带调制信号占用频带宽的缺点解决了单边带信号实现上的难题 产生残留边带信号的关键是形成滤波器 可将理想高通滤波器或理想低通滤波器特性按照残余对称原理进行修改 即进行滚降 上边带传递函数 下边带传递函数 通信原理 残留边带调制 结论 只要残留边带滤波器的截止待性在载频处有互补对称特性 采用同步解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号 上边带传递函数 下边带传递函数 通信原理 残留边带调制 适用于低频成分丰富的原始信息信号 二者叠加 恢复原频谱 通信原理 残留边带调制 通信原理 小结 各种线性调制方法的比较 通信原理 通信原理 主要内容 通信原理 4 2线性调制系统的抗噪声性能 通信系统抗噪声性能分析模型线性调制相干解调的抗噪声性能常规调幅包络检波的抗噪声性能 通信原理 通信系统抗噪声性能分析模型 信道 带通滤波器 BPF 解调器 通信原理 线性调制系统的抗噪声性能 通信系统抗噪声性能分析模型线性调制相干解调的抗噪声性能常规调幅包络检波的抗噪声性能 通信原理 线性调制相干解调的抗噪声性能 DSB调制系统的性能SSB调制系统的性能VSB调制系统的性能 通信原理 DSB相干解调的信噪比增益 带通滤波器 BPF 低通滤波器 LPF 解调器 信道 通信原理 1 解调器输入信号平均功率 DSB相干解调的抗噪声性能 通信原理 2 解调器输入噪声平均功率 DSB相干解调的抗噪声性能 通信原理 3 输出信号的功率 解调器输入信号 相干载波 相乘 经过低通滤波输出 解调器输出端有用信号功率 DSB相干解调的抗噪声性能 通信原理 DSB相干解调的抗噪声性能 通信原理 DSB相干解调的抗噪声性能 通信原理 线性调制相干解调的抗噪声性能 DSB调制系统的性能SSB调制系统的性能VSB调制系统的性能 通信原理 线性调制相干解调的抗噪声性能 通信原理 SSB调制系统的性能 相干载波 相乘 解调器输入信号 经过低通滤波输出 解调器输出信号功率 1 输入信号的解调 2 输入噪声的解调 3 解调器输入信号平均功率 输入信噪比 调制制度增益 通信原理 SSB调制系统的性能 DSB解调器的调制制度增益是SSB的二倍 但不能因此就说 双边带系统的抗噪性能优于单边带系统 信号所需带宽为SSB的二倍 因而在输入噪声功率谱密度相同的情况下 DSB解调器的输入噪声功率将是SSB的二倍 通信原理 线性调制相干解调的抗噪声性能 DSB调制系统的性能SSB调制系统的性能VSB调制系统的性能 通信原理 VSB调制系统的性能 VSB调制系统所采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同 难以确定抗噪性能的一般计算公式 在残留边带滤波器滚降范围不大的情况下 可将VSB信号近似看成SSB信号 在这种情况下 VSB调制系统的抗噪性能与SSB系统相同 通信原理 线性调制系统的抗噪声性能 通信系统抗噪声性能分析模型线性调制相干解调的抗噪声性能常规调幅包络检波的抗噪声性能 通信原理 常规调幅包络检波的抗噪声性能 解调器输入信号 解调器输入噪声 解调器输入信号功率 解调器输入噪声功率 输入信噪比 通信原理 常规调幅包络检波的抗噪声性能 分析大信噪比情况小信噪比情况 信号加噪声的合成波形 合成包络 合成相位 通信原理 大信噪比情况 输入信号幅度远大于噪声幅度 当 信号功率 噪声功率 输出信噪比 合成包络 通信原理 大信噪比情况 输入信号幅度远大于噪声幅度 输出信噪比 调制制度增益 合成包络 输入信噪比 通信原理 常规调幅包络检波的抗噪声性能 分析大信噪比情况小信噪比情况 通信原理 小信噪比情况 噪声幅度远大于输入信号幅度 合成包络 通信原理 分析结论 小信噪比时调制信号无法与噪声分开 包络中不存在单独的信号项m t 只有m t cos t cos t 是一个随机噪声 m t cos t 也只能看作是噪声 输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降 而是急剧恶化 这种现象称为门限效应 开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值 同步解调器不存在门限效应 结论 大信噪比情况下 AM信号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同 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 一旦出现了门限效应 解调器的输出信噪比将急剧变坏 通信原理 主要内容 通信原理 4 3非线性调制技术 非线性调制信号的频谱与基带信号的频谱结构不呈线性关系 它们之间是非线性变换过程 变换要产生一些新的频率成分 非线性调制是通过基带信号控制载波的频率或相位来完成的 所以载波的振幅保持不变 而载波的频率或相位则随基带信号变化 因频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化 所以这种调制又称角度调制 角度调制可分为相位调制和频率调制 通信原理 4 3非线性调制技术 通信原理 角度调制的基本概念 角度调制的一般表达式相位调制频率调制 通信原理 角度调制的一般表达式 信号瞬时频率 信号瞬时相位 通信原理 角度调制的一般表达式 角调制 设 瞬时频率偏移 瞬时相位偏移 瞬时相位 瞬时频率 通信原理 角度调制的基本概念 角度调制的一般表达式相位调制频率调制 通信原理 相位调制 相位调制是瞬时相位偏移随调制信号m t 线性变化的调制方式 瞬时相位偏移 瞬时相位 初相 相移常数 令 通信原理 角度调制的基本概念 角度调制的一般表达式相位调制频率调制 通信原理 频率调制 频率调制是瞬时频率偏移随调制信号m t 线性变化的调制方式 瞬时角频率偏移 瞬时角频率 频偏常数 通信原理 频率调制实现框图 调相波 调频波 通信原理 频率调制实现框图 实际相位调制器的调节范围不可能超出 直接调相和间接调频适用于相位偏移和频率偏移不大的窄带调制情形直接调频和间接调相适用于宽带调制情形调频与调相并无本质区别 两者之间可以互换 通信原理 调频与调相的比较 1 频率与相位的变化方式 通信原理 通信原理 4 3非线性调制技术 通信原理 窄带调频与宽带调频 根据调制后载波瞬时相位偏移的大小 可将频率调制分为宽带调频 WBFM 与窄带调频 NBFM 调频所引起的最大瞬时相位偏移远小于30 时 称为窄带调频 否则 称为宽带调频 窄带调频 NBFM 宽带调频 WBFM 通信原理 窄带调频 NBFM 假设 调频信号表达式 窄带调频 频域表达式 通信原理 窄带调频 NBFM 与AM信号频谱比较 带宽相同 分析差别 通信原理 单频调制时NBFM与AM的差别 单频调制信号 载波信号 NBFM信号 AM信号 比较 通信原理 单频调制时NBFM与AM的差别 NBFM与AM的时间表示式和频谱式非常相似都是线性调制差别单频调幅频谱中各分量的幅度都是正值 频谱中的边带分量幅度为Am 2 当Am为l时 边带的最大幅度为1 2 是载波幅度的一半 窄带调频时 频谱中的下边带分量幅度为负值 其边带分量的幅度比载波分量幅度小很多 频谱图 通信原理 频谱图 频谱图 通信原理 窄带调频与宽带调频 窄带调频 NBFM 宽带调频 WBFM 通信原理 宽带调频 WBFM 单频调制时宽带调频信号的频域表达单频调制时的频带宽度任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽 宽带调频 通信原理 单频调制时宽带调频信号的频域表达 单频调制信号 单音调频信号 展开 通信原理 单频调制时宽带调频信号的频域表达 展开为以贝塞尔函数为系数的三角级数 以贝塞尔函数特性化简 频谱特性 含有无穷多个频谱分量 通信原理 调频波的频谱 通信原理 宽带调频 WBFM 单频调制时宽带调频信号的频域表达单频调制时的频带宽度任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽 通信原理 单频调制时的频带宽度 调频信号的频谱包含无穷多个频率分量 理论带宽为无限宽 实际上各次边频幅度随着n的增大而减小 因此只要取适当的n值 使边频分量小到可以忽略的程度 调频信号可以近似认为具有有限频谱 带宽公式 调制信号频率 最大频偏 卡森公式 通信原理 卡森公式 边频分量只取到 mf 1 次 计算表明大于 mf 1 次的边频分量 其幅度小于未调载波幅度的15 卡森公式是忽略了边频幅度小于未调载波幅度15 的边频后得到的 大于 mf 2 次的边频分量其幅度小于未调载波幅度10 当 NBFM的带宽 当 大指数WBFM的带宽 通信原理 宽带调频 WBFM 单频调制时宽带调频信号的频域表达单频调制时的频带宽度任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽 通信原理 任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽 对于多音或其它任意信号调制的调频波的频谱分析极其复杂 经验表明 对卡森公式做适当修改 即可得到任意限带信号调制时调频信号带宽的估算公式 频偏比 当 通信原理 调频和调相是相对于调制信号而言的 从波形上看 调频波和调相波非常相似 都是等幅的疏密相间的正弦波 如果预先不知道调制信号m t 的具体形式 则难以判断已调信号是调相信号还是调频信号 调频与调相的比较 通信原理 4 3非线性调制技术 通信原理 调频信号的产生与解调 调频信号的产生调频信号的解调 通信原理 调频信号的产生 产生调频信号的方法通常有两种 直接法和间接法直接法间接法 通信原理 直接法 直接法利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 它产生的输出频率正比于所加的控制电压 压控振荡器中心频率 通信原理 调频信号的产生 直接法间接法 通信原理 间接法 间接调频法是先对调制信号积分 再对载波进行相位调制 从而产生调频信号 只能获得窄带调频信号 为了获得宽带调频信号 可利用倍频器再把NBFM信号变换成WBFM信号 间接调频 通信原理 间接法 NBFM信号 输入信号 倍频后输出信号 滤出上式的直流分量后 可得到新的调频信号 通信原理 调频信号的产生与解调 调频信号的产生调频信号的解调 通信原理 调频信号的解调 非相干解调相干解调 通信原理 非相干解调 输入调频信号 解调器输出 理想鉴频特性 鉴频器 通信原理 非相干解调 微分器输出 包络检波器输出 鉴频器灵敏度 上述方法又称为包络检测 非相干解调 缺点包络检波器对于由信道噪声和其它原因引起的幅度起伏也有反应 因此 使用中常在微分器之前加一个限幅器和带通滤波器 通信原理 调频信号的解调 非相干解调相干解调 通信原理 相干解调 窄带调频信号 相干载波 低通滤波器滤除高频分量 乘法器输出 微分后输出 通信原理 主要内容 通信原理 调频系统的抗噪声性能 输入信噪比输出信噪比及调制制度增益 通信原理 输入信噪比 输入调频信号 信号功率 噪声功率 输入信噪比 通信原理 非线性调制系统的抗噪声性能 输入信噪比输出信噪比及调制制度增益 分析大信噪比情况小信噪比情况 通信原理 大信噪比情况 解调器输出信噪比 单频调制情况分析 通信原理 单频调制情况分析 大信噪比宽带调频解调器的制度增益很高 调制信号 调频信号 解调器输出信噪比 制度增益 宽带调频信号带宽 通信原理 通信原理 输出信噪比及调制制度增益 分析大信噪比情况小信噪比情况 通信原理 小信噪比情况与门限效应 在相同输入信噪比情况下 FM输出信噪比优于AM输出信噪比 当输入信噪比降到某一门限时 FM开始出现门限效应 若继续降低输入信噪比 则FM解调器的输出信噪比将急剧变坏 甚至比DSB的性能还要差 解调器性能曲线 通信原理 主要内容 通信原理 4 5各种模拟调制系统的比较 通信原理 各种模拟调制方式的性能 通信原理 各种模拟调制方式的性能 门限电平以下 曲线将迅速跌落 在门限值以上 DSB SSB的信噪比比AM优越4 7dB以上 而FM的信噪比比AM优越22dB 当输入信噪比较高时 采用FM方式可以得到更大好处 通信原理 4 5各种模拟调制系统的比较 通信原理 特点与应用 AM调制的优点是接收设备简单 缺点是是功率利用率低 抗干扰能力差 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 设备较复杂 只用于点对点的专用通信SSB调制的优点是功率利用率和频带利同率都比较高 抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM 但带宽只有AM的一半 缺点是发送和接收设备都复杂 鉴于这些特点 SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合 如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中 通信原理 特点与应用 VSB的性能与SSB相当 VSB C 方式综合了AM SSB和DSB三者的优点 VSB对商用电视广播系统特别具有吸引力 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