(高职精品)-04模拟调制.ppt[修复的]

1、4.0 引言引言4.1 调制的功能及分类调制的功能及分类4.2 线性调制（幅度调制）系统线性调制（幅度调制）系统4.3 非线性调制（角度调制）系统非线性调制（角度调制）系统4.4 模拟调制系统的抗噪声性能分析模拟调制系统的抗噪声性能分析4.5 频分复用（频分复用（FDM）第第 4 章章 模拟调制模拟调制4.0 引言引言模拟信号传输方式： (一)模拟信号基带传输 ( (二二) )模拟信号频带传输模拟信号频带传输 (三)模拟信号数字化传输4.1 调制的功能及分类调制的功能及分类 调制调制: :在发送端将基带信号的频谱搬移频谱搬移到适合信道传输或便于信道多路复用信道多路复用的较高的频率范围。解调是调

2、制的逆过程。解调是调制的逆过程。 所谓调制，就是按调制信号（基带信号）调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程的变化规律去改变载波的某些参数的过程。解调则是相反的变换过程，即由载波参数的变化去恢复基带信号。 图41 扩音示意图 话筒扩音机扬声器一是铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆，其传输成本之高、线路利用率之低。但如果我们还想将声音再传得更远一些，比如几十千米、几百千米，那该怎么办？大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题： 二是利用无线电通信时，需满足一个基本条件，即欲发射信号的波长必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天

3、线尺寸应大于波长的十分之一）。而音频信号的频率范围是20Hz20kHz，最小的波长为8433 101.5 10 ( )20 10cmf 可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高（不包括天线底座或塔座）。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。 下面用一个生活中的例子帮助大家理解调制的概念：比如，我们要把一件货物运到几千千米外的地方，我们必须使用运载工具，或汽车、或火车、或飞机。在这里，货物相当于调制信号，运载工具相当于载波；把货物装到运载工具上相当于调制，从运载工具上卸下货物就是解调

4、。这个例子虽然不十分贴切，但基本上类似于调制原理。 如何对信号进行调制呢？ 在傅里叶变换中我们知道，若一个信号f(t)与一个正弦型信号cosct相乘，从频谱上看，相当于把f(t)的频谱搬移到c处。设f(t)的傅里叶变换（也可称为频谱）为F()，则有4.1.1 调制的功能 1、缩小天线尺寸 2、匹配信道的频谱特性，实现更远距离传输 3、实现频分多路复用（FDM） 4、减小噪声和干扰的影响4.1.2 调制的分类1、根据调制信号分类 模拟调制 数字调制2、根据载波分类 正弦载波调制 脉冲载波调制3、根据调制器的功能分类 幅度调制 频率调制 相位调制4、根据调制前后信号的频谱结构关系分类 线性调制 非

5、线性调制调制系统中讨论的主要问题1、调制解调的工作原理2、已调信号的频谱及带宽3、功率关系4、噪声对调制系统性能影响教教学学目的目的1、了解幅度调制的概念；了解幅度调制的概念；2、掌握常规调幅产生框图掌握常规调幅产生框图 3、掌握幅度调制（掌握幅度调制（AM）的波形绘制）的波形绘制4、掌握幅度调制（掌握幅度调制（AM）的频域关系）的频域关系教学教学重点重点1、幅度调制（、幅度调制（AM）的波形绘制）的波形绘制2、幅度调制（、幅度调制（AM）的频域关系）的频域关系4.2 线性调制线性调制系统系统 线性调制线性调制就是将基带信号的频谱沿频率轴作线性搬移的过程。 包括：常规双边带调制AM 抑制载波的

6、双边带调制DSB 单边带调制SSB 残留边带调制VSB4.2.1常规双边带调制（常规双边带调制（AM） 常规双边带调制常规双边带调制是指：用信号f(t)叠加一个直流分量后去控制载波uc(t)的振幅，使已调信号的包络按照f(t)的规律线性变化。 又称为调幅调幅(Amplitude Modulation)AMAM。 1.1.常规双边带调制AM信号的时域时域表示为外加的直流分量，且要求SAM(t) =A0+f(t)uc(t) = A0+f(t)cosct0A0)(A)(0max0tftfA或f(t)tcoscSAM(t)A0+常规幅度调制信号AM的产生模型Otf(t)OtA0+f(t)Otcos(c

7、t)OtSAM(t)常规双边带调制过程调制过程 基带调制信号 载波 频率为cAM已调信号加直流A0，使A0+f(t)0信号包络包络：高频信号的各个极值点相连，得到的曲线。4.2.1常规双边带调制系统常规双边带调制系统调幅指数调幅指数 （ ）称为调幅指数调幅指数。要求m1，否则出现过调制，已调信号的包络严重失真。0max)(Atfm 1 mo4.2.1常规双边带调制系统常规双边带调制系统过调制过调制m1m1,信号包络包络失真2.2.常规双边带调制AM信号的频域频域表示 SAM(t)=A0+f(t)cosct)()(21)()(2)(0ccccAMffFffFffffAfS4.2.1常规双边带调制

8、系统常规双边带调制系统频域分析频域分析4.2.1常规双边带调制系统常规双边带调制系统频域分析频域分析1F ()mm0cmc+mA0ccA0SAM()021-cm-c+m基带信号频谱调制后信号频谱带宽B=fm带宽B=2fm下边带上边带下边带上边带4.2.1常规双边带调制系统常规双边带调制系统功率和调制效率功率和调制效率 信号功率：信号功率：通常用该信号f(t)在1电阻上的平均功率表示，等于信号的均方值。均方值。 均方值均方值：对时域表达式先平方后,再求其平均值。 例如：Sf(t)信号f(t)的功率2)(tf3.3.常规双边带调制AM信号的功率和调制效率对于AM信号A0+f(t)cosctPAMt

9、tfAc220cos)()(2tsAM)2cos1)(2)(210220ttfAtfAEc2cos)(22cos)(2cos)(2)(2102200220ttfAttftAtfAtfAEccc )(21220tfA PAM202020AAAE0coscosttEcc0)()(tftfE常数的均值(数学期望)cosct的均值假设假设f(t)的均值0)()(000AtfAtfAE两个函数独立4.2.1常规双边带调制系统常规双边带调制系统功率和效率功率和效率调制效率：调制效率：边带功率和已调信号总功率之比，记做： AM当f(t)A0cosct时20221)(Atf2202)()(2/12/1tfAt

10、fPPPmcmAM则mcscPPPPtfA21 )(21220PAM因为31)21(21202020AAAAM载波功率边带功率调制信号功率 4.2.1常规双边带调制系统常规双边带调制系统解调解调4.4.常规双边带调制AM信号的解调 解调方式有两种： 包络检波（非相干解调） 相干解调（同步解调）4.2.1常规双边带调制系统常规双边带调制系统解调解调包络检波法非线性器件低通滤波sAM(t) 用非线性器件和滤波器分离提取出已调信号的包络。f(t) 非线性器件：二极管，跟随AM信号幅度变化 低通滤波器：过滤掉信号中的高频成分。 4.2.1常规双边带调制系统常规双边带调制系统解调解调包络检波法包络检波法

11、 电路由二极管电路由二极管D、电阻、电阻R和电容和电容C组成。组成。 这时这时，包络检波器的输出与输入信号的包络十，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即：分相近，即： )()(0tfAtfo4.2.1常规双边带调制系统常规双边带调制系统解调解调 相干解调：接收机产生与已调信号中载波同频同频同相同相的本地载波，通过相乘器与收到的sAM(t)信号相乘，再经低通滤波，恢复出原来的调制信号。sAM(t)1/2f(t)本地载波由载波同步提取电路得到。隔直流隔直流低通滤波器低通滤波器ttfAc20cos)(本地本地coscosc ct t21)2cos1 ()(cos)(020ttfAttfAcc

12、212cos)(21)(2100ttfAtfAcm(t)OtA+m(t)OtOOttcosc(t)sAM(t)1F()A0-HH-ccA0SAM()0210mAMfB2AM的特点AM调制器原理图AM解调器原理图 1.相干解调 2.包络检波优点：实现简单缺点：通信效果不佳,效率低应用：中短波广播 4.2.2抑制载波双边带调制系统抑制载波双边带调制系统 抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制(DSB)(DSB):不加直流分量,直接用信号f(t)控制载波uc(t)的振幅。 DSB信号的时域时域表示SDSB(t)=f(t)cosctDSB信号的频域频域表示SDSB(f)=F(f+fc)+F(f-fc)/

13、2cos0tOttOf(t)sDSB(t)OtO-ccF()OH-HSDSB()O-cc载波反相点2m 4.2.2抑制载波双边带调制系统-调制过程mfB24.2.2抑制载波双边带调制系统调制和解调coscosc ct tf(t)DSB调制器原理图sDSB(t)DSB解调器原理图sDSB(t)f(t)低通滤波器ttfc2cos)(本地本地coscosc ct t相干解调21)2cos1 ()(cos)(2ttfttfccttfccos)( 4.2.3单边带调制单边带调制SSB DSB和AM频谱均包括上下两个一样的边带，每个边带包含的调制信号的信息完全一样。 单边带单边带SSBSSB调制：仅利用一

14、个边带传输信息的调制方式。(Single-SideSand) 实现方法实现方法： 1.滤波法 2.相移法F()-mmOSDSB()-ccO上边带下边带下边带 上边带H ()10- ccSHSB()-ccO上边带上边带滤波器sDSB(t)f(t)本地本地coscosc ct tsHSB(t)高通 4.2.3单边带调制单边带调制SSB-滤波法滤波法选通频带ccmF()-mmOSDSB()-ccO上边带下边带下边带 上边带滤波器sDSB(t)f(t)本地本地coscosc ct tsLSB(t)低通 4.2.3单边带调制单边带调制SSB-滤波法滤波法选通频带c-mcH ()0- cc1SLSB()-

15、ccO下边带下边带SSB信号的频谱M()HHSM()ccOO 上边带 下边带 下边带 上边带ccO上边带频谱Occ下边带频谱mfB 4.2.3单边带调制单边带调制SSB-相移法相移法 当调制信号f(t)Amcosmt时单边带单边带SSBSSB频域表示频域表示ttAttAtscmmcmmHSBsinsin21coscos21)(ttAtscmmDSBcoscos)(tAtAmcmmcm)cos(21)cos(21上边频下边频ttAttAtscmmcmmLSBsinsin21coscos21)(ttfttftsccSSBsin)(21cos)(21)(一般情况下一般情况下f(t)的希尔波特变换上边

16、频下边频Hh()2-+ +21f(t)sSSB(t)21f(t) cosctcosct21f(t)sinct21f(t)相移法形成单边带信号 4.2.3单边带调制系统解调SSB解调器原理图sSSB(t)f(t)低通滤波器本地本地coscosc ct t相干解调ttfttftsccSSBsin)(21cos)(21)(ttscSSBcos)( tttfttfccccossin)(21cos)(212ttfttftfcc2sin)(412cos)(41)(41ttscSSBcos)( -fcfcH(f)fSm(f)-fcfcf0-fcfcSVSB(f)f-fcfcff0(f)0ftccos)(tf

17、)(tsVSB图3-14 VSB信号的滤波法产生 )(VSBH)(tsDSBDSB信号的频谱残留边带 滤波器解调后信号的频谱调制解调调制解调实现过程实现过程V VS SB BVSB信号的频谱相干解调4.2.4残留边带调制VSBmmfBf24.2.4残留边带调制VSB- -滤波器特性 为了保证传输边带在载频附近被抑制的部分由抑制边带的残留部分精确补偿，滤波器的传递函数H()必须满足互补对称特性。HcVSBcVSBHH常数，)()( )()()(21VSBccVSBHFFS残留边带滤波器特性(a) 残留部分上边带的滤波器特性;b） 残留部分下边带的滤波器特性 HVSB()10.50cccc00.5

18、1HVSB()(a)(b)残留边带滤波器的几何解释cOcHVSB()HVSB(c)cOcHVSB(c)HVSB(c) HVSB(c)OOcc(a)(b)(c)(d)LPF图3-16 VSB信号的相干解调xtccos)(tsVSB)(tfo)(tsp)()(21)(cVSBcVSBpSSS)()2()(41)(FFHSccVSBp)2()()(41ccVSBFFH)()()(41)(cVSBcVSBoHHFF 4.2.4残留边带调制系统解调相干解调相干解调4.3非线性调制系统非线性调制系统l非线性调制（角度调制角度调制）：已调信号的频谱不再是调制信号频谱的线性搬移，而是非线性搬移，在频谱搬移的同

19、时会产生新的频率新的频率成分成分。l调频（）：用调制信号控制载波频率，使载波的频率随着调制信号变化l调相（）：用调制信号控制载波相位，使载波的相位随着调制信号变化4.3.1 基本概念正弦载波信号正弦载波信号:瞬时角频率瞬时角频率 :瞬时相位瞬时相位 :角调制信号的时间表达式角调制信号的时间表达式 :瞬时相位：瞬时相位：瞬时相位偏移：瞬时相位偏移：瞬时角频率：瞬时角频率：瞬时角频率偏移：瞬时角频率偏移： )(cos)(tAtcttddt00)()()()(2cos)(ttfAtscm)(2ttfc)(tdtttfdc/)(2dttd/ )(tttd)(d)(相位调制相位调制：瞬时相位偏移随调制信

20、号 线性变化，即 其中 是常数，称为调相灵敏度，单位是弧度伏。频率调制频率调制：瞬时频率偏移随调制信号 线性变化，即其中 是常数，称为调频灵敏度，单位是弧度秒.伏。 瞬时相位偏移:)()(tmKtp)(tmpK)(2cos)(tmKtfAtspcPM)(/ )(tmKdttdffK)(tmtfcFMdmKtfAts)(2cos)(tfdmKt)()(表示式F表示式间接调相间接调相：将调制信号先微分再调频，则得到调相信号 间接调频间接调频：将调制信号先积分再调相，则得到调频信号 FM和PM信号非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。图4.3.1 直接

21、和间接调相图4.3.2 直接和间接调频)(tm)(tm)(tm)(tm)(tsPM)(tsPM)(tsFM)(tsFMPMFMPMFMdttdm/ )(dm )(4.3.2 窄带调频和宽带调频窄带调频窄带调频： 带宽与AM信号相等:) 5 . 0 ( 6)( 或tfdmK图4.3.4 单音窄带调频信号的频谱)( fMmfmf0ff)( fSNBFMmcff cfmcff mfcf cfmcff AMHNBFMBfB 2单频调制信号频谱单频调制信号频谱窄带调频信号频谱窄带调频信号频谱(t)dcos)(tmKtAtsfcFM单频信号tAtfmmcos)(coscostdtAKtAmmfc调频指数m

22、mmfmfffKAmmaxmaxsincostKAtAmmfmcsincos)(tmtAtsmfcFM最大频偏最大频偏宽带调频WBFM图4.3.5 单音宽带调频信号的频谱示意图)(fMmfmf00)(fSFMcfcfFMBff宽带调频信号的频谱1fmn1 . 0)(fnmJ)(2) 1(2maxmmfFMfffmB卡森公式1 2 3 4 1 2 3 4 -1 -2 -3 -4 -1 -2 -3 -4 例：例：已知某调频波S（t）=20cos2108t+8sin4000t，试确定调频指数、最大频偏、信号带宽和已调信号的功率 。解：调频指数： 最大频偏：信号带宽：信号功率：4.4.1抗噪声性能分析

23、模型抗噪声性能分析模型4.4 模拟调制系统的抗噪声性能分析模拟调制系统的抗噪声性能分析模拟调制系统的抗噪声性能分析模型带通滤波器s (t)si(t)n(t)ni(t)So(t)no(t)低通滤波器cosctn(t)高斯白噪声t0n n0 0f|H( f )|10f0fBf (x)12Ox)2)(exp(2122ax带通滤波器n(t)单边功率谱密度带宽B中心频率fcttnttntncsccisin)(cos)()(BnNi0输出噪声的功率单边功率谱密度滤波器带宽调制制度增益GiiNSNSG/00输入信噪比输出信噪比G越大，表明解调器的抗噪声性能越好4.4.2各种调制方式的相干解调时抗噪声性能分各

24、种调制方式的相干解调时抗噪声性能分析析（1）AM调制方式的抗噪声性能分析调制方式的抗噪声性能分析 （2）DSB系统的抗噪性能分析系统的抗噪性能分析（3）SSB系统的抗噪性能分析系统的抗噪性能分析（1）AM调制方式的抗噪声性能分析调制方式的抗噪声性能分析 ttfAtScicos0 tfAttfAtSScii220220221cos mAMiifnBntnN0022 )2cos21(21coscos020ttfAttfAttSScccic tftSo21 tftSSoo2241 tttnttnttntnccscccicossincoscos tttnttnccscccossincos2 ttntt

25、ntncsccc2sin212cos2121 tntnco21 tntnNcoO2241 miifnNtn02214141 tfAtfNSNSGiiOOAM22022AM系统的调制制度增益为： （2）DSB系统的抗噪性能分析系统的抗噪性能分析ttfScDSBcos)()(21cos)(22tfttfc)(21)(0tftf)2cos1 (21)(cos)(2ttfttfcc)(41)(2122tftf低通滤波双边带信号输入信号功率：输出信号功率：相干解调：SiSo输入噪声功率：输出噪声功率：242moiomoDSBoifnNNfnBnNDSB系统的调制制度增益为 ：2OODSBiiSNGSN2

26、sin)(21cos)(21ttfttfcc输入信号功率：SittfttftSccSSBsin)(21cos)(21)(sincos)()(2sin)(cos)(4122tttftfttftftfcccc8)(8)(22tftf4)(2tf（3）SSB系统的抗噪性能分析系统的抗噪性能分析)(41)(0tftf)(161)(4122tftf低通滤波解调器输出信号功率：相干解调：SotttfttfttSccccSSBcossin)(cos)(21cos)(cossin)(cos)(212tttfttfccc2sin)()2cos1)(41ttfttfcc4)(2tfSi)(1612tfSoNiBn

27、0NoBn041SSB系统的调制制度增益为 ：14)(4)(/020200BntfBntfNSNSGiiSSB4.4.3非相干解调时的抗噪声性能分析非相干解调时的抗噪声性能分析（1）AM信号非相干解调的抗噪声性能分析信号非相干解调的抗噪声性能分析（2）FM信号非相干解调的抗噪声性能分析信号非相干解调的抗噪声性能分析（1）AM信号非相干解调的抗噪声性信号非相干解调的抗噪声性能分析能分析当信号功率远远大于噪声功率时，即输入为大信噪比情况 miifntfANS02204 mfntfNS02002 200202AMiiftSNGS NAft同相干解调同相干解调小信噪比情况 有用信号“淹没”在了噪声之中。这时输出信噪