CH511调制传输系统的抗噪声性能

中国矿业大学通信研究所,5.1幅度调制系统的抗噪声性能,5.1.1分析模型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。由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可以用解调器的抗噪声性能来衡量。分析解调器的抗噪声性能的模型如图5-1所示。图中，sm(t)为已调信号，n(t)为传输过程中叠加的高斯白噪声。,5.调制传输系统性能分析,分析模型,中国矿业大学通信研究所,解调器抗噪声性能分析模型,对于不同的调制系统，有不同形式的信号sm(t),但解调器输入端的噪声ni(t)形式是相同的，它是平稳高斯白噪声经过带通滤波器而得到的。当带通滤波器带宽远小于其中心频率0时，ni(t)即为平稳高斯窄带噪声。,噪声,中国矿业大学通信研究所,若白噪声的双边功率谱密度为n0/2，,解调器输入噪声平均功率：,n0/2,设带通滤波器传输特性是增益为1，带宽为B的理想矩形函数,解调器输入噪声可表示为：,为使已调信号无失真地通过，同时最大限度抑制噪声，带宽B应等于已调信号频带宽度。,信噪比,中国矿业大学通信研究所,评价一个模拟通信系统质量的好坏，最终是要看解调器的输出信噪比。输出信噪比定义为,只要解调器输出端有用信号能与噪声分开，则输出信噪比就能确定。输出信噪比与调制方式有关，也与解调方式有关。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。,G,中国矿业大学通信研究所,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调制制度增益G来表示，即,显然，G越大，表明解调器的抗噪声性能越好。下面我们在给出已调信号sm(t)和单边噪声功率谱密度n0的情况下，推导出各种解调器的输入及输出信噪比，并在此基础上对各种调制系统的抗噪声性能作出评述。,幅度调制相干解调,中国矿业大学通信研究所,解调器,5.1.2幅度调制相干解调的抗噪声性能在分析DSB、SSB系统的抗噪声性能时，模型中的解调器为相干解调器，如图所示。,相干解调属于线性解调，故在解调过程中，输入信号及噪声可以分别单独解调。,DSB调制系统的性能,中国矿业大学通信研究所,解调器,1.DSB调制传输系统的性能,解调器输入信噪比,解调器输出信噪比,调制信号带宽,中国矿业大学通信研究所,SDSB(t)与相干载波cosct相乘后，得,经低通滤波器后，输出信号为,解调器输出信噪比,因此，解调器输出端的信号功率为,输出噪声,中国矿业大学通信研究所,解调DSB时，接收机中的带通滤波器的中心频率0与调制载频c相同，因此解调器输入端的噪声ni(t)可表示为ni(t)=nc(t)cosct-ns(t)sinct它与相干载波cosct相乘后，得,经低通滤波器后，输出噪声为,输出信噪比,中国矿业大学通信研究所,故输出噪声功率为,可得解调器的输出信噪比为,调制制度增益为,中国矿业大学通信研究所,调制制度增益为,由此可见，DSB调制系统的制度增益为2。这就是说，DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用同步解调，使输入噪声中的一个正交分量ns(t)被消除的缘故。,2.SSB调制系统的性能,中国矿业大学通信研究所,2.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。前者的带通滤波器的带宽是后者的一半。,单边带信号的解调器与双边带信号的相同，故计算单边带信号解调器输入及输出信噪比的方法也相同。单边带信号解调器的输入、出噪声功率可根据DSB的推导直接得到，即,解调器的输入及输出信号功率,中国矿业大学通信研究所,对于单边带解调器的输入及输出信号功率：这此时解调器输入信号：,输入信号平均功率,因为m(t)与幅度相同，两者具有相同的平均功率，经推导可得到输入信号平均功率,中国矿业大学通信研究所,于是，单边带解调器的输入信噪比为,输出信噪比：,中国矿业大学通信研究所,求输出信噪比：,与相干载波相乘后,低通输出,中国矿业大学通信研究所,再经低通滤波可得解调器输出信号,输出信噪比为,所以，输出信号平均功率,G,中国矿业大学通信研究所,因为，单边带解调器的输入信噪比为,输出信噪比为,因而制度增益为,这是因为在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。,VSB,中国矿业大学通信研究所,3.VSB调制系统的性能VSB调制系统的抗噪声性能的分析方法与上面的相似。但是，由于采用的残留边带滤波器的频率特性形状不同，所以，抗噪声性能的计算是比较复杂的。但是残留边带不是太大的时候，近似认为与SSB调制系统的抗噪声性能相同。,调幅信号包络检波的抗噪声性能,中国矿业大学通信研究所,5.1.3AM信号包络检波的抗噪声性能,AM信号可采用相干解调和包络检波。相干解调时AM系统的性能分析方法与前面双边带（或单边带）的相同。实际中，AM信号常用简单的包络检波法解调，其检波输出正比于输入信号的包络变化。如图所示：,输入的信号噪比,中国矿业大学通信研究所,显然，解调器输入的信号功率Si和噪声功率Ni为,输入噪声为,输入信号为,所以,输出的信号噪比,中国矿业大学通信研究所,解调器输入是信号加噪声的混合波形，即,其中,E(t)分析,中国矿业大学通信研究所,合成包络,理想包络检波器的输出就是E(t)，由上式可知，检波输出中有用信号与噪声无法完全分开。因此，计算输出信噪比是件困难的事。我们来考虑两种特殊情况。1）大信噪比情况此时，输入信号幅度远大于噪声幅度，即,中国矿业大学通信研究所,因而包络可简化为,信噪比,中国矿业大学通信研究所,式中直流分量A被电容器阻隔，有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别计算出输出有用信号功率及噪声功率,输出信噪比,信噪比增益,中国矿业大学通信研究所,显然，AM信号的调制制度增益GAM随A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m0|m(t)|max，所以GAM总是小于1。100%调制(即m0=|m(t)|max)且m(t)又是正弦型信号时，有,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。,可得信噪比增益,小信噪比时,中国矿业大学通信研究所,2）小信噪比情况小信噪比指的是噪声幅度远大于信号幅度时,其中R(t)及(t)代表噪声ni(t)的包络及相位,这时，E(t)中没有单独的信号项，只有受到cos(t)调制的m(t)cos(t)项。由于cos(t)是一个随机噪声，因而，有用信号m(t)被噪声扰乱，致使m(t)cos(t)也只能看作是噪声。,输出信噪比急剧下降，这种现象称为解调器的门限效应。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。,原因,中国矿业大学通信研究所,这种门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的。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。结论：大信噪比时，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，解调器的输出信噪比将急剧恶化。,例题,中国矿业大学通信研究所,例5-1：对单频调制的常规调幅信号进行包络检波，设每个边带的功率为10mW，载波功率100mW，接收机带通滤波器的带宽为10kHz，信道噪声单边功率谱密度为,求解调输出信噪比；如果改为抑制载波双边带信号，其性能优于常规调幅多少分贝？,解：常规调幅信号,输出噪声功率,据分析，AM已调信号的边带功率为,输出信噪比,中国矿业大学通信研究所,（2）抑制载波双边带信号,功率与常规调幅信号功率相同，即,输入噪声功率,双边带信号的输入信噪比,双边带信号的输出信噪比,中国矿业大学通信研究所,5.1.42ASK系统的抗噪声性能,设传输后只有固定衰耗，则在每一码元的持续时间，解调器的输入波形为,在一个码元的持续时间(0,Ts)内，发送端输出的波形可表示为,通常可用包络检波法或同步检测法进行解调。,误判,中国矿业大学通信研究所,2ASK系统的抗噪声性能,“y(t)瞬时值的大小决定判决输出！”,包络解调,中国矿业大学通信研究所,1包络检波法的系统性能,在(0，Ts)内，解调器输出为包络,误判,中国矿业大学通信研究所,2ASK系统的抗噪声性能,当发送码元为“1”，错误接收为“0”的概率,Pe0,中国矿业大学通信研究所,2ASK系统的抗噪声性能,总误码率,当发送码元为“0”时，错误接收为“1”的概率,系统误码率取决于系统输入信噪比和门限值。,中国矿业大学通信研究所,在大信噪比的情况下得到最佳门限,则当0、1独立等概时，总误码率,系统误码率取决于门限值Vd，令,2ASK系统的抗噪声性能,同步解调,可得2ASK包络解调时的误码率为,中国矿业大学通信研究所,2ASK系统的抗噪声性能,接收波形,输出波形为,1同步检测法的系统性能,LPF,判决,概率密度,中国矿业大学通信研究所,2ASK系统的抗噪声性能,由于nc(t)是高斯过程，因此其瞬时值的一维概率密度为,若令判决门限为Vd,中国矿业大学通信研究所,误码率的几何表示,2ASK系统的抗噪声性能,总误码率,0,a,中国矿业大学通信研究所,误码率与判决门限Vd有关。令,设0，1独立等概，则系统总误码率,，,2ASK系统的抗噪声性能,与包络检测比较,可解得，最佳门限,则系统总误码率,中国矿业大学通信研究所,2ASK系统的抗噪声性能,大信噪比下，2ASK信号同步检测的误码率总是低于包络检波时的误码率，但两者的误码性能相差不大。然而，后者不需要稳定的本地相干载波信号，故在电路上要比前者简单的多。,例,中国矿业大学通信研究所,分析：误码率是r的函数，而r又是B,n0和S的函数，因此，需根据题意求出r的参数。,例7-1设某2ASK信号