通信原理第三章

第三章模拟调制系统，主要内容：3.1简介3.2调幅原理和抗噪声性能3.3角度调制原理和抗噪声性能3.4模拟调制系统比较3.5频分复用3.6复合调制和多电平调制原理，内容简介1。调制的概念、分类和功能。2.模拟线性调制：调幅、DSB、单边带和VSB的基本原理、时域和频域表示、调制和解调方法以及抗噪声性能。3.模拟非线性调制(角度调制):宽带频率调制(WBFM)和窄带频率调制(NBFM)的基本原理、信号频谱、调制和解调方法以及抗噪声能力。4.阈值效应和强调技术。5.频分复用(FDM)技术。引言：1 .基本概念：调制、解调、载波调制、载波、调制信号、调制波信号等。2.调制的分类：模拟调制和数字调制、线性调制(调幅、DSB、单边带、VSB)和非线性调制(调频、调相)、连续波调制和脉冲调制。3.调制的作用。基本信号：1)载波：基带信号的载波，其频率在给定信道的通带内，可分为正弦波载波和脉冲载波。连续载波：已知周期波形余弦波；其中A为振幅；0是载波角频率；0是初始阶段。2)调制信号M(t)-从信源携带信息的基带信号。3)调制波信号调制信号S(t)-调制载波被称为调制信号调制器-调制分量，2。调制相关知识，1)调制定义：在发射端，根据调制信号(基带信号)的变化规律，改变载波的某些参数，实现频谱偏移的过程。2)解调的定义：在接收端将移动到给定信道通带的频谱减少到基带信号频谱的过程。3)正弦波载波调制：正弦波用作载波。4)脉码调制：以脉冲串为载波的数字调制。5)模拟调制：用于从来自信号源的基带模拟信号调制载波的过程。(1)将基带信号转换成适合在信道中传输的调制信号(2)实现信道复用(3)提高系统的抗噪声性能(4)改变信号占用的带宽，(4)调制的分类，连续波调制(载波是正弦波)幅度调制(调幅、DSB、单边带、VSB)模拟调制频率调制(调频)相位调制(调相)数字调制幅度键控(ASK)频移键控(FSK)相移键控(PSK)， 脉冲波调制(载波是脉冲波)模拟调制脉冲幅度调制脉冲带宽调制脉冲频率调制(PFM)数字调制脉冲编码调制增量调制脉冲间隔调制脉冲位置调制。 5.调制系统中讨论的主要问题和主要参数。(1)工作原理(2)调制信号的带宽(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、发射功率2、传输带宽3、抗噪声性能4、设备复杂度。3，2调幅原理和抗噪声性能，重点是：1。基本原理：调幅(调幅、DSB、单边带、VSB)调制和解调的基本原理；2.时域和频域表达式；3.波形图和频谱图；4.抗噪声性能：计算信号功率、噪声功率、信噪比和调制增益。调幅、调幅的原理及抗噪声性能：高频正弦波振幅随调制信号线性变化的过程1。线性调制器的一般模型由于这种偏移是线性的，振幅调制也通常称为线性调制。通过适当选择滤波器的特性H()，可以获得各种调幅信号。例如调幅、双边带、单边带和残留边带信号等。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：和频域：第二，调幅am信号，假设h(t)=(t)，即滤波器(H()=1)是一个全通网络，时域eC是载波的角频率调幅的调制模型：(t)、cos (t)、m (t)，set : m (t)=1 m (t)，| m (t) | 1，m(t)| max=ma-调制幅度，则有一个调幅信号：s (t)=1m(t)a s0t，其中1 m (t) 0，即s(t)的包络是非负的。1=，m (t)，调幅的频域表达式：萨姆(w)=A0 (w-碳化钨)(w碳化钨)0.5米(w-碳化钨)米(w碳化钨)调制波形和频谱如下：下一个例子是找错了对象。从图中可以看出：(1)波形包络与输入基带信号m(t)成正比；(2)频谱具有两个上下对称的边带；(3)频谱中心包含不携带信息的离散载波频率分量；(4)要使调幅波的包络波形与基带信号的包络波形相同，必须满足两个条件：a、对于t |m(t)|maxA0的所有值，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)调幅，调幅的一个重要参数是调幅ma，它的定义是：一般ma1，只有当SAm(t)min为负时，ma才大于1。此时，发生幅度调制，并且接收端的解调信号将具有波形失真。问：调幅过度时调幅调制波的波形是什么？调制调幅波只是移动基带信号的频谱，而不产生新的频谱分量。调幅是线性调制。(7)1电阻上的功率分配调幅信号的平均功率应等于调幅的均方值(t)。当m(t)是已知信号时，sAM(t)的均方值是其平方的时间平均值。通常假设调制信号没有DC分量，调幅信号的总功率包括两部分：载波功率和边带功率。只有边带功率与调制信号相关。载体组件不携带信息。即使在“全幅度调制”(|m(t)|max=，也称为100%调制)的情况下，载波分量仍然占据大部分功率，而包含供使用的信息的两个边带占据较少的功率。因此，就功率而言，调幅信号的功率利用率相对较低。当调制信号m(t)是单频余弦信号时，在刚刚发生调制的临界状态下ma=1，调制效率最大： am=1/3，即两个边带功率之和=载波功率的一半。在各种调制信号中，调制效率最高的是幅度为A0的方波，此时： am=1/2。am系统的特点和应用，am系统的特点和应用优势：方便解调(包络检测)缺点：调制效率低(传输功率大)，占用频率带宽(两倍的消息信号)。应用：广播。载波双边带调制的抑制(DSB-SC)。在调幅信号中，载波分量不携带信息，信息完全由边带传输。如果载波被抑制，则可以获得被抑制的载波双边带信号(DSB)。(2)在调制信号m(t)的过零点，高频载波相位具有180的突变。(3)DSB信号节省了载波发射功率，但是具有上下对称的两个边带。因此，带宽与调幅信号相同(4)功率分布：PDSB=PS(5)调制效率： DSB=1，DSB的特点和应用具有调制效率高、抗噪声能力强的优点。缺点：占用频率带宽，是消息基带信号的两倍。应用：无线通信，低带宽信号复用，常用于传输数字信号，如ASK。单边带单边带信号，单边带调制只是双边带信号传输中的一个边带。因此，产生单边带信号(1)最直接的方法是滤波法：将没有DC分量的基带信号m(t)与载波信号相乘，得到双边带信号DSB，然后通过单边带滤波器得到所需的单边带单边带信号。单边带调制的一般模型看起来似乎单边带调制和DSB调制没有什么不同，但它们的h(t)不同。DSB的H(t)要求保留两个边带信号；然而，单边带的h(t)只需要一个边带信号。如果h()是上边带滤波器h()，则获得相应的上边带信号(通用串行总线)。如果HUSB()是下边带滤波器HLSB()，则获得相应的下边带信号。因此，单边带信号的频谱可以表示为：SSSB()=SDSB()H()。通过滤波方法形成单边带信号的技术难点在于，由于一般调制信号具有丰富的低频成分，调制DSB信号的上下边带之间的间隔非常窄，这就要求单边带滤波器在fc附近具有陡峭的截止特性，以便有效地抑制无用边带。这使得滤波器的设计和制造非常困难，有时甚至难以实现。因此，工程中经常使用多级调制滤波。(2)单边带调制相移法：单边带信号在单音频调制时的波形图，单边带信号在单音频调制时的频谱图，以及(2)单边带调制相移法：时域：下边带单边带信号，上边带单边带信号，其中m(t)希尔伯特变换，希尔伯特变换，定义：将信号波形中的所有频率分量相移-90得到的时间信号称为原始信号的希尔伯特变换。(1)变分公式：希尔伯特变换在时域的数学描述如下：希尔伯特变换在频域的数学描述如下：(2)常用的希尔伯特变换对。(3)希尔伯特变换的性质信号及其希尔伯特变换具有相同的能谱密度或相同的功率谱密度。信号具有与其希尔伯特变换相同的能量(或功率)。信号及其希尔伯特变换具有相同的自相关函数。信号及其希尔伯特变换相互正交。is-f(t)的希尔伯特变换。(4)在单边带中使用4)希尔伯特变换，实现相位选择以产生单边带信号；给出了最小相移网络的幅频特性和相频特性之间的关系。它为频带信号的表示提供了基础。(2)单边带调制相移法原理框图，相移法形成单边带信号的难点在于宽带相移网络的制作，它必须对调制信号m(t)的所有频率分量严格移相/2，即使近似实现也很困难。为了解决这个问题，可以采用一种混合方法(也称为weaver方法)。调制信号是任何信号的单边带信号的频谱图。单边带单边带信号可以从单边带信号的频谱图中看出：(1)单边带信号的解调不能采用简单的包络检测方法，还需要相干解调方法。(2)单边带信号可以节省载波发射功率，为双边带发射功率的一半。(3)单边带信号的频带宽度仅为双边带DSB信号的一半。单边带的特点和应用具有传输带宽最窄、信道利用率最高的优点。缺点：(1)电路实现复杂，技术要求高；(2)解调需要小的同步误差。应用：(1)语音通信；(2)语音到音频多通道通信，(5)残留边带调制(VSB)，1。残留边带调制(VSB)的工作原理为了克服单边带设备制造困难的缺点，可以使用VSB。VSB位于瑞典国家安全局和DSB之间。它允许一边带完全通过，而只留下另一边带的一部分。这样，不仅克服了DSB占用带宽的缺点，也解决了单边带实现的困难。VSB调制过程的一般模型与DSB和单边带没有区别，只是滤波器的脉冲响应h(t)是根据VSB的要求设计的。对于残留边带VSB信号，为了确保接收端相干解调期间基带信号的无失真恢复，残留边带滤波器的传输函数必须在载波频率上具有互补的对称特性，也称为滚降形状：2。VSB信号频谱，3。传输功率和带宽，介于单边带和DSB之间。典型值为：线性调制信号的解调和解调：从接收的调制信号中恢复原始基带信号。解调的本质：频谱偏移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，包络检测，Mo(t)，包络检测，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，模拟调制系统抗噪声性能的评价指标(1)输出信噪比(2)信噪比增益，3，各种调制系统的相干解调的抗噪声性能，(1)DSB调制系统的性能DSB解调器的输入信号是(假设载波信号幅度是：平均功率是：同步解调后乘法器的输出信号为：LPF后，输出有用信号为：因此，解调器输出端有用信号的平均功率为：如果采用同步解调，乘法器后的输出噪声为：其中nc(t)和ns(t)是高斯窄带噪声ni(t)的同相和正交分量。在LPF之后，输出噪声为：因此，解调器输出端的平均噪声功率为：上述结果被代入：输入信噪比：输出信噪比：调制系统增益：(2)单边带调制系统的抗噪声性能，单边带解调器的输入信号仅为DSB信号的一半，其平均功率为：解调器采用同步解调，乘法器后的输出信号为：(2)在LPF之后，输出有用信号是：因此，解调器输出处有用信号的平均功率是：采用同步解调。乘法器后的输出噪声为：在LPF之后，输出噪声为：因此，解调器输出端噪声的平均功率为：线性系统的抗噪声性能，上述结果代入：输入信噪比：输出信噪比：调制增益：结论可以看出，单边带调制系统的调制增益为1。因此，DSB的调制增益是单边带的两倍。这是因为单边带采用同步解调，消除了输入噪声的一个正交分量，也消除了有用信号的正交分量。然而，这并不意味着DSB的抗噪声性能优于单边带，因为DSB的带宽是单边带的两倍。在相同的输入噪声功率谱密度下，DSB解调器的输入噪声和输出噪声是单边带的两倍。在相同的输入信号平均功率下，DSB和单边带的输出信噪比相同。因此，从抗噪声的角度来看，DSB和单边带是相同的。(3)调幅调制系统的抗噪声性能，(1)采用同步解调的调幅抗噪声性能分析与DSB相同，这里只给出了结果，具体过程自行推导。输入信噪比：输出信噪比：调制系统增益：线性系统的抗噪声性能，如果是单音正弦波调制，m=1，则m0=M，这表明采用单音调制和同步解调时，调幅调制系统的调制系统增益最多为2/3。如果是双极矩形脉冲信号，m=1，则m0=M，G=1，4、非相干解调的抗噪声性能。在实际应用中，调幅信号的解调通常采用包络检波或平方律检波。让调幅信号成为：在哪里。输入噪声为：那么解调器输入端的信号功率和噪声功率为：解调器输入端的有用信号和噪声的组合信号为：其中E(t)是组合包络，t)是