第3章模拟调制系统详解.ppt

第3章模拟通信系统,本章要点,幅度调制系统角度调制系统模拟调制系统的抗噪声性能频分复用广播和电视系统,一、调制与解调1.调制：用信号m(t)去控制载波s(t)的某一个(或几个)参数，调制(基带)信号高频振荡波(正弦、脉冲)使之按m(t)的规律而变化已调波(频带)信号2.解调：将已调波上所携带的信号取下来，恢复原基带信号,3.1调制系统简介,3.调制的目的:提高频率以便发射提高系统的性能有效利用频带4.调制的实质:频谱搬移（基带频带）,0,C(),0,载波,二、调制的分类：P4载波调制信号1.正弦波调制：正弦波（连续波）2.脉冲调制:脉冲,模拟信号:模拟调制(3章)数字信号:数字调制(6章),模拟信号:脉冲模拟调制(4章)数字信号:脉冲编码(数字)调制(4章),三、模拟调制（线性、非线性调制）载波已调信号可以表示为：,幅度调制,频率调制,相位调制,S(t)=A(t)cos(t)t+(),S(t)=A0cos0t+0-三要素,一、标准调幅（AM）系统（一）AM调制1.定义:用信号m(t)去控制载波s(t)的振幅，使已调波的包络按照m(t)的规律线性变化。,3.2幅度调制系统,2.AM信号表达式,设m(t)为调制信号，载波为,已调波为,m(t),t,0,载波,调制信号,已调波,3.AM产生的数学模型：,AM调制器,【例1】设调制信号m(t)=Amcos(mt+m)，载波s(t)=A0cos(0t+0)求(1)AM信号的表达式;(2)画出AM波形、频谱并计算其带宽。,),cos(,),(,),(,0,0,0,+,+,=,t,t,m,A,t,s,AM,解：（1）已调波,将m(t)代入,=A01+Am/A0cos(mt+m)cos(0t+0),其中AM=Am/A0-调幅指数，AM1,(2)波形和频谱,波形,t,S(t),频谱,设m=0=0,=A0+Amcos(mt)cos(0t)=A0cos(0t)+Amcos(mt)cos(0t)=A0cos(0t)+（Am/2）cos(0+m)t+（Am/2）cos(0-m)t,频谱,0,M(),0,S(),调制信号：m(t)=Amcos(mt+m)，载波：s(t)=A0cos(0t+0),已调波：A0cos(0t)+（Am/2）cos(0+m)t+（Am/2）cos(0-m)t,m,-m,0,-0,sAM(),0,0,2m,调制信号,载波,已调波,【例2】已知调制信号m(t)=8cos2104t，载波s(t)=20cos21.1106t求(1)载波和调制信号的振幅、频率、调幅指数;(2)AM信号的表达式;(3)画出AM波形、频谱并计算其带宽。,【例3】已知调制信号为方波m(t)=4/sint+1/3(sin3t)+1/5(sin5t)+载波s(t)=A0cos(0t)求(1)AM信号的表达式;(2)画出AM波形、频谱并计算其带宽。,实验(时域),信号发生器m(t),AM/发生器s(t),sAM(t),示波器,要求:(1)用示波器两通道观测调制信号和载波波形;(2)用示波器两通道观测调制信号和已调波波形;(3)选择其它波形;,思考:已调波包络怎样变化?已调波频率怎样变化?,4.一般情况AM的波形和频谱图形：,m,m,0,M(),S(),调制信号,时域,频域,载波,已调波,结论：时域：已调波包络与调制信号成线性关系，频率为载频频域：调制过程使基带信号的频谱搬移到0处，频谱中含有载频和上、下两个边带，已调波带宽为原基带信号带宽的两倍，即WAM=2mAM调制是属于线性调制,实验(频域),信号发生器m(t),AM/发生器s(t),sAM(t),示波器,要求:(1)观测调制信号频谱-注意频率间隔;(2)观测载波频谱-注意频率间隔;(3)观测已调波频谱-注意中心频率;(4)分别改变幅度和频率。,频谱分析仪,解调：将位于载频的信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原始信号。解调方式：相干解调非相干解调1.相干调解：在收端有一本地载波,与发送载波保持同频同相，可不失真地恢复原信号数学模型：,（二）AM解调,本地载波,（1）解析分析sAM(t)=A0+m(t)cos(0t+0)-同频乘法器输出：p(t)=sAM(t)cos(0t+)=A0+m(t)cos(0t+0)cos(0t+)=1/2A0+m(t)cos(20t+0+)+cos(0-)通过LPF后：fd(t)=1/2A0+m(t)cos(0-)当0即同频同相时fd(t)=1/2A0+m(t)m(t)若0，信号失真。,（2）图解分析,0,0,0,SAM(),2.非相干解调在接收端解调信号时不需要本地载波，利用已调信号中的包络信息来恢复原始信号。AM信号非相干解调方法通常采用包络检波法。,电路,充电,放电,LPF,实验(解调),信号发生器m(t),AM/发生器s(t),sAM(t),示波器,要求:(1)观测包络检波时的波形;(2)观测相干解调时的波形。,AM/解调器,二、抑制载波双边带(DSB)调幅系统标准调幅(AM)的缺点：在标准调幅中含有载波分量，但载波分量并不携带有用消息，却耗散大量的功率。改进：将不携带消息的载波分量抑制掉，仅传输携带消息的两个边带。这就是抑制载波双边带调幅(DSB)。,0,0,抑制掉,1.DSB的时域表达式：,（一）DSB调制,2.数学模型：,3.波形及频谱,0,m,m,M(),0,0,0,SDSB(),USB,USB,LSB,LSB,2m,结论：时域：波形有反向点频域：载波被抑制频谱中只有上、下边带，WDSB=2m效率高,(二)解调：相干解调模型（同AM）乘法器输出：通过LPF后：,当0若0，信号失真。,三、单边带调制(SSB)DSB信号的缺点：传输带宽需要两倍基带信号带宽，所以它的信道利用率不高。,在DSB信号频谱中，位于0处的两侧出现了两个与M()形状完全相同的频谱，即上边带和下边带中都含有M()的全部消息故可只传送一个边带,1.表达式,（一)SSB调制,其中:为m(t)的正交分量“-”为上边带“+”为下边带,2.频谱(不要求波形),结论：节省带宽节省功率WSSB=m,3.SSB信号的产生（1）滤波法,SSSB(t),设单音调制信号m(t)=Amcosmt,载波s(t)=cos0t，则两者相乘后得到的DSB信号为：,滤出上边带，则,滤出下边带，则,上、下边带的表达式合并可写成：,（2）相移法产生SSB,对任意m(t),(二)SSB的解调-相干解调,四、残留边带(VSB)调幅系统-应用：电视图像传送双边带信号浪费边带，单边带信号的产生需要锐截止特性的滤波器不容易实现。当所传信号的频谱具有丰富的低频分量时(例如电视、电报)，SSB的上、下边带就很难分离。故可采用带宽介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式，这就是残留边带调制(VSB)。,（一）VSB调制除传送一个边带外，还保留另一边带的一部份。数学模型：,cos0t,滤波器HV()不需要十分陡峭的滤波特性,残留边带滤波器特性：在|0|附近具有滚降特性对于|0|上半幅度点呈现奇对称(互补对称)在边带范围内其它处是平坦的,（二）VSB解调-相干解调,【例4】已知调制信号频谱如图所示,画出AM、DSB、SSB的频谱，并求调制信号、AM、DSB、SSB的带宽。,3.3角度调制系统,1.定义:用调制信号m(t)去控制载波s(t)的频率或相位,称为频率调制(FM)或相位调制(PM),统称为角度调制。,一、基本概念,t,t,2.瞬时频率(t)与瞬时相角(t)的关系未调制的正弦载波：,瞬时频率瞬时相角,微分积分,其中-0：载波的固定角频率;0：载波的起始相角；Kp：调相器灵敏度，弧度/伏,3.相位调制（PM）:已调波的瞬时相角(t)与调制信号m(t)呈线性关系,（1）瞬时相角,（2）瞬时频率,瞬时相移,瞬时频偏,结论：PM的瞬时相角与m(t)呈线性关系;瞬时频率与m(t)的微分呈线性关系,（3）单音频信号的PM波表达式,则：其中：称为调相指数,最大相移=,最大频偏=AmKpm,PM波表达式,4.频率调制（FM）:已调波的瞬时频率(t)与调制信号m(t)呈线性关系,（1）瞬时频率(t)其中:0：固有角频率;Kf：调频器灵敏度，弧度/秒伏,（2）瞬时相角结论：FM波的瞬时频率与m(t)呈线性关系;瞬时相角与m(t)的积分呈线性关系,（3）单音频信号的FM波表达式,FM波表达式,其中称为调频指数最大频偏最大相位偏移,5.FM与PM的关系,因此，调频和调相并无本质上的区别。,单音频调制时，调频波和调相波的波形,PM波形FM波形,调制信号,瞬时频偏,已调波,调频波FM和调幅波AM的比较,等频不等幅,调制信号,AM,FM,等幅不等频,【练习】已知调制信号波形如图所示,画出FM和AM波形.,调制信号,AM,FM,实验(时域),信号发生器m(t),信号发生器调频端s(t),sFM(t),示波器,要求:(1)用示波器两通道观测调制信号和载波波形;(2)用示波器两通道观测调制信号和已调波波形;(3)选择其它波形;,思考:已调波包络怎样变化?已调波频率怎样变化?,二、窄带调频(NBFM)系统（一）NBFM调制1.定义：如果调频波的最大相位偏移满足如下条件,称为窄带调频。在这种情况下,调频波占有比较窄的频带宽度。2.NBFM表达式已知FM波表达式为,设0=0，并将其按三角函数展开，则有,注：在以上推导中利用了近似关系：x1，则,（1）直接调频法：用调制信号直接改变决定载波频率的电抗元件的参数，使输出信号SFM(t)的瞬时频率随调制信号线性变化。,直接调频法的优点：可以得到很大的频偏。主要缺点：载波频率会发生漂移，需附加稳频电路。,5.调频信号的产生:直接调频法、倍频法,（2）倍频法：由窄带调频通过倍频产生宽带调频信号的方法。它是由倍频器和混频器适当配合组成的。,（二）WNFM的解调宽带调频信号的解调主要采用非相干解调，非相干解调的电路类型很多，例如：相位鉴频器、比例鉴频器、晶体鉴频器等。鉴频器的数学模型：,经过微分电路后,可见，调频信号经微分后变成了调幅调频波，其幅度变化为,经过包络检波器并隔除直流分量后，输出为,m(t),设调频波为,调幅调频,【例5】设一调幅信号由载波电压100cos(2106t)加上电压50cos12.56tcos(2106t)组成。(1)画出已调波的时域波形；(2)画出已调信号的频谱；(3)写出AM波表达式并求A0、Am、f0、fm、AM、BAM。,解：（1）,(2),(3)AM波表达式SAM（t）=（100+50cos12.56t）cos(2106t)A0=100；Am=50f0=106（Hz）；fm=2（Hz）am=0.5；BAM=2fm=4（Hz）,sAM(f),f（Hz）,0,106,106+2,106-2,100,25,【例6】已知调幅波的表达式为S(t)=0.125cos(2104t)+4cos(21.1104t)+0.125cos(21.2104t)试求(1)载频是什么？(2)调幅指数为多少？(3)调制频率是多少？,解S(t)=0.125cos(2104t)+4cos(21.1104t)+0.125cos(21.2104t)(1)f0=1.1104(Hz)(2)AM=0.1252/4=0.0625(3)fm=0.1104(Hz),【例7】已知调制信号频谱如图所示,画出AM、DSB、SSB的频谱，并求调制信号、AM、DSB、SSB的带宽。,f（Hz）,DSB,0,f0+5k,f0-5k,f（Hz）,SSB(USB),0,f0+5k,f0+1k,【例8】已知调制信号m(t)=4cos2104t（v）载波s(t)=16cos5106t（v），FM=50求(1)写出AM和FM表达式；(2)求AM和FM的带宽。,3.4模拟调制系统的抗噪声性能,一、概述（一）有噪声解调器的数学模型调制系统的抗噪声性能，主要由解调器的抗噪声性能来衡量.对模拟通信系统来说，解调器的抗噪声性能主要是用“信噪比”来衡量，信噪比指的是信号和噪声的平均功率之比，用S/N表示。,S(t)为解调器输入端的已调信号，n(t)为加性高斯白噪声;带通滤波器BPF：滤出有用信号，滤除带外噪声;经带通滤波器后n(t)变为窄带噪声ni(t),各种通信系统有噪声解调器的数学模型,Si、S0分别表示解调器输入端和输出端的有用信号功率;Ni和N0分别表示解调器输入端和输出端的噪声功率;Si/Ni:解调器的输入信噪比;S0/N0:解调器的输出信噪比;,信噪比增益定义为信噪比增益越高，则解调器的抗噪声性能愈好。,（一）相干解调的抗噪声性能数学模型,二、调幅系统的抗噪声性能,1.以DSB为例求信噪比增益G,输出信噪比,cos(0t+),SSSB(t),LPF,p(t),N0为输出噪声功率,信噪比增益,2.经推导,各调幅系统的信噪比增益分别为,几点结论：AM信号经相干解调后，即使在最好的情况下，也不能改善其输入信噪比，而信噪比一般都会恶化。DSB可以改善其输入信噪比3dB，即信噪比改善了两倍。SSB和VSB即不改善也不恶化其输入信噪比。信噪比增益只适用于同一系统不同解调。注意：这并不说明DSB的抗噪声性能优于SSB。因为信噪比增益仅仅适用于同类调制系统作为衡量不同解调器的抗噪声性能，而不能用在不同调制系统抗噪声性能比较上，DSB的信噪比增益比SSB高一倍，是因为SSB所需带宽仅为DSB的一半，因此在噪声功率谱相同的情况下DSB的输入噪声功率是SSB的两倍。尽管DSB的信噪比增益为2，但一开始其输入噪声就已高出SSB的2倍，所以解调器对信噪比的改善被更大的输入噪声所低消。因此，对给定的输入信号功率，DSB和SSB输出端的信噪比是相同的，SSB和DSB解调器的性能是相同的(可靠性)。,（二）非相干解调的抗噪声性能AM采用包络检波器解调的噪声性能。1.大信噪比情况下(即小噪声)信噪比增益为,此结果与相干解调时得到的信噪比公式相同。由此说明：AM在大输入信噪比时，包络检波器性能与相干解调性能相同。2.小信噪比情况(大噪声)在小信噪比的情况，信号完全被包络检波器破坏。所以不能通过包络检波器恢复信号。,【例9】某接收机的输出噪声功率为10-9W，输出信噪比为20dB，由发射机到接收机之间总传输损耗为100dB。试求用DSB调制时发射功率应为多少?若改用SSB调制,问发射功率应为多少?解：DSB：10lg(S0/N0)=20dBS0/N0=102（倍）又Ni=4N0=410-9,又10lgS发/Si=100dBS发/Si=1010（倍）,S发=1010Si=1010210-7=2000(W),【例10】已知调制信号f(t)=cos(30103t)V，采用DSB调制方式,载波频率为2000KHz,信道为白噪声,其双边功率密度谱为n0/2=10-12W/Hz，信道使信号衰减为40dB。问在保证接收机输出信噪比为50dB时，发射机的最低发射功率是多少？,解：10lg(S0/N0)=50dBS0/N0=105（倍）,Si/Ni=105/2=5104,Si=5104Ni,=2210-1215103=610-8,Si=5104Ni=5104610-8=310-3(W),又10lgS发/Si=40dBS发/Si=104S发=Si104=310-3104=30(W),三、调频系统的抗噪声性能（一）窄带调频NBFM的抗噪声性能窄带调频信号的相干解调器模型：,单音频调制时的信噪比增益为,（二）宽带调频WBFM的抗噪声性能宽带调频一般是用非相干解调，通常采用鉴频器。含有噪声的非相干解调器数学模型如图所示。,结论：G与最大频偏的三次方成正比。通过增加频偏可以提高输出信噪比，从而使宽带调频的抗噪声性能优于调幅系统。由于WFM2，因此的增加，会使系统带宽加宽，从而使解调器的输入噪声功率Ni增加，输入信噪比(Si/Ni)FM下降。当解调器的输入信噪比下降至某一数值时，输出信噪比将急剧下降。这种情况下，增加频偏不仅不会有好处，反而带来坏处。这种现象称为“门限效应”。这个数值(Si/Ni)th称为宽带调频系统的门限值。理论和实践给出了这个门限值通常为,一、无线电广播系统1.无线广播系统中的广泛采用标准调幅AM系统2.无线广播系统中的广泛采用调频FM系统3.无线广播系统中的信道复用技术采用FDM,3.5典型模拟通信系统分析,二、无线电接收机,（1）直接放大式接收机,已调波,音频,特点：电路简单，易安装，选择性差,4.超外差式无线电接收机,（2）超外差式接收机,声/像,收音机：f本=f发+f中,本振,高频放大器,混频,中频放大器,解调检波,低频放大器,f本,f发,f中,高频,中频,低频,f中=465KHz,声/像,二、电视传输系统1.电视系统中传输图像采用残留边带VSB2.电视系统中的声音传输采用调频FM技术3.电视传输系统中的信道复用技术为FDM,3.4频分复用,一、概述,2多址方式：多个地球站通过共同的卫星同时建立各自的信道，从而实现各地球站间通信的一种方式。分类：频分多址、时分