第三章模拟调制系统_通信原理

1、Communication Theory第三章第三章 模拟调制系统模拟调制系统 幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能 频分多路复用及线性调制应用举例频分多路复用及线性调制应用举例 非线性调制原理非线性调制原理 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能 采用加重采用加重/去加重技术改善信噪比去加重技术改善信噪比Communication Theory3.1 3.1 幅度调制的原理幅度调制的原理 设正弦型载波为：设正弦型载波为： 式中：载波角频率为式中：载波角频率为 ；载波的初相位为；载波的初相位为 ；载波振幅为；载波振幅为 A 幅度调制信号的一般表达式为幅度调制信号的一般表达式为

2、0( )cos()cs tAtc0 0cosmcstAm tt ()2mmccASF stMMT 幅度调制：幅度调制：用调制信号去控制高频载波的振幅，使其振 幅随调制信号作线性变化的过程。对应频谱为对应频谱为Communication TheoryT 线性调制：已调信号的谱结构是基带调制信号频谱结构的简单平移及线性变换，因此幅度调制又称为线性调制；幅度调制的模型如下图所示：由一个相乘器和一个冲激响应为由一个相乘器和一个冲激响应为h(t)h(t)的带通滤波器组成。的带通滤波器组成。Communication Theory 根据滤波器传输函数的不同，模拟幅度调制分为4类：1.常规调幅AM： 为全通

3、网络， 有直流成分。2.抑制载波双边带调制DSB： 为全通网络， 无直流成分。3.单边带调制SSB： 是截止频率为 的高通或低通滤波器。4.残留边带调制VSB： 是特定的互补特性滤波器。 H tm H tm Hc H幅度调制的分类Communication Theory一一. .抑制载波双边带调制（抑制载波双边带调制（DSB-SCDSB-SC）原理）原理要求：信号中不含有直流分量，且 是理想带通滤波器。 th cosmcstm tt ccmMMS)(21 已调信号频谱为：其时域表达式为：不含有直流分量c HCommunication Theory DSBDSB信号的时域波形及频谱信号的时域波形

4、及频谱 Communication Theory二二. . 常规双边带调幅常规双边带调幅（AMAM） 要 求：基带信号 由交流分量 和直流分量A构成， 且必须满足 时域表达式为： tm m t ttmtAttmAtwtmtSccccmcoscoscoscos maxtmA ccccmMMAS21 频域表达式为：Communication Theory 常规双边带调幅常规双边带调幅（AMAM）信号的波形图信号的波形图Communication Theory 常规双边带调幅常规双边带调幅（AMAM）信号的频谱图信号的频谱图Communication Theory三三. . 单边带调制（单边带调制（

5、SSBSSB） 要 求：带通滤波器只允许一个边带通过。 利用下图中的滤波法可以形成单边带信号。Communication Theory产生上边带信号时产生下边带信号时CCUSBSSBHH,01)()(CClSBSSBHH,01)()()()()(SSBDSBSSBHSS单边带信号的频谱为 USBH LSBHCommunication Theory SSBSSB信号频谱图信号频谱图Communication Theory单边带调制（单边带调制（SSBSSB）信号的时域表达式）信号的时域表达式ttmttmtSccLSBsin)(21cos)(21)(ttmttmtSccUSBsin)(21cos)

6、(21)(采用上边带调制时单边带信号时域表达式为采用下边带调制时的单边带信号时域表达式为推导过程推导过程Communication Theory四. 残留边带调制（VSB） 残留边带调制是介于双边带与单边残留边带调制是介于双边带与单边带之间的一种线性调制，即克服了双带之间的一种线性调制，即克服了双边带调制信号占用频带宽的缺点，又边带调制信号占用频带宽的缺点，又解决了单边带信号要求滤波器截止特解决了单边带信号要求滤波器截止特性比较陡峭在生产技术上的难题。性比较陡峭在生产技术上的难题。 残留边带在频域的表达式残留边带在频域的表达式 ()()CCHH常数 HMMSccm21要 求：HCommunic

7、ation Theory 只要残留边带滤波器的截止特性在载频处具有互补对称互补对称特性特性，那么采用相干解调法就能准确恢复原有的基带信号。 残留边带滤波器的衰减特性有很大的选择自由度，但这并不等于对滤波器的衰减特性没有限制。滤波器的衰减特性又称滚降特性，目前应用最多的就是直线滚降和余弦滚降，例如，在电视信号传输和数据信号传输中就分别使用了直线滚降和余弦滚降。残留边带滤波器的几何解释Communication Theory带滤波器：过滤出混在噪声中的有用信号，滤除已调信号频带以外的噪声。 ：已调信号； ：高斯白噪声；)(tSm)(tn)(tni)(0tm)(0tn3.2 幅度调制抗噪声性能分析

8、通信系统的抗噪声性能用解调器抗噪声性能来衡量；对于模拟通信系统，抗噪声性能通常用“信噪比”来度量。解调器抗噪声性能的模型：带通型噪声；：输出信号。：输出噪声；Communication Theory窄带的高斯噪声可表示成以下形式 式中 ， 及 均具有相同的平均功率，即若解调器输入噪声 具有带宽 高斯白噪声单边功率谱密度为 ，则输入噪声平均功率 带通滤波器传递函数带宽应等于已调信号的频带宽度。ttnttntncsccisin)(cos)()()(tni)(tnc)(tns222( )( )( )iscintntntN)(tni0nBnNi0B1. 噪声表达式Communication Theor

9、yT 解调器输出信号平均功率为 ，噪声平均功率为 ， 则解调器输出信噪比表示为T 调制制度增益G。T 一般来讲，调制制度增益越高，解调器抗噪声性能越好。 tm20 tn20)()(22tntmNSooOOiNSiNoSoG 2. 调制制度增益 Communication Theory一. DSB调制系统的抗噪声性能分析 解调方式：相干解调；输入信号与噪声可以分别单独分析。 设输入信号为 则其平均功率为 设相干载波为 ，则 ttmtScmcos 22221( )cos2imcSStmttmttccos 2c11cos( )cos222cm ttm tm tt 12omtm t 低通后解调器输出信

10、号为 输出端信号功率为 22o1( )4oSmtm tCommunication Theory2( )cos( )cos( )sincos( )cos( )sincos111 ( )( )cos2( )sin2222icccsccccscccccscn ttn ttn tttn ttn tttn tn ttn tt)(21)(tntnco乘法器输出的噪声 经低通滤波器后输出噪声为则输出噪声功率为2211( )( )44oociNntntNCommunication Theory解调器输入信噪比为 解调器输出信噪比为调制增益为 上式说明DSB信号的解调过程使信噪比改善一倍，这是因为在相干解调中输

11、出噪声的一个正交分量 被消去的缘故。21( )2ioim tSn BN21( )414OOimtSNN2iNSiNoSoG)(tnsCommunication Theory解调方式：相干解调；二. SSB调制系统的抗噪性能分析222( )( )( )884im tmtm tS 1( )4omtm t11( )( )cos( )sin22mccStm ttm tt设SSB信号为上边带调制：经过解调，解调器输出信号为解调器的输入信号功率2211( )( )416oSm tm t 输出信号功率为 输出噪声为)(21)(tntnco2211( )( )44oociNntntN 输出噪声功率为Commu

12、nication Theory SSB解调器输入信噪比为 SSB解调器输出信噪比为 调制制度增益为 造成单边带调制制度增益为1的原因是单边带信号中的 分量被解调器滤除了。221( )( )24iioom tSm tNn Bn B2201( )( )16144OOom tSm tNn Bn B1iNSiNoSoGttmcsin)(Communication Theory三. AM调制系统的抗噪性能分析解调方式：包络检波法 设解调器输入信号 ，式中 解调器输入信号功率和噪声功率分别为 检波器输入端信号与噪声混合波形，即式中 ttmAtScmcosmax)(tmA 2222211( )cos( )2

13、2imcSStAm ttAm tBntnNoii)(2 ( )cos( )cos( )sin ( ) cos( )sin ( )cos( )micccscccsccStn tAm ttn ttn ttAm tn ttn ttE ttt 22( )( )( )csE tAm tn tnt)()()()(tntmAtnarctgtcsCommunication Theory 大信噪比满足以下条件 再利用近似公式 ，当 时。 ( )iAm tn t ( )cAm tn t )(tntmAs 1212222222( )2( )( )( )( )2( )( )( ) ( )1( )( )2( ) ( )

14、1( )( )( )ccsccsccE tAm tAm tn tntntn tntntAm tAm tAm tn tAm tAm tn tAm t21)1 (21xx1x1. 大信噪比情况包络检测器输出有用信号为 ，输出噪声为 。)(tm)(tncCommunication Theory信号功率及噪声功率分别为 和于是可见，AM信号的调制制度增益G与信号中的直流A有关；因为 所以G总是小于1的，这说明解调器对输入信噪比没有改善。当 为单频正弦信号时，即 ，有 ，此时 。若采用相干检测法去解调AM信号，其调制制度增益于包络检波（大信噪比条件下）相同 。20( )Sm t220( )( )csoN

15、ntntn BBntmNSoOO)(2)()(2222tmAtmGiNSiNoSomax)(tmA ( )m t tAtmmmcos2)(22Atm32GCommunication Theory门限效应：当解调器的输入信噪比降低到一个特定的数值后，输出信噪比出现急剧恶化的一种现象，该特定的输入信噪比就被称为“门限”。 ( )iAm tn t ( )cAm tn t )(tntmAs2222222222( )( )( )2( )( )2( )( ) ( )( )1( )( )( ) ( )( )( )( )( )cscccscsccscsE tntntAm tn tn t Am tntntntn

16、tn tntntAm tntnt2. 小信噪比情况上式中不存在单独的调制信号，即信号与噪声无法独立分开，包络检波器无法恢复出原来的基带信号，这种现象通常称为“门限效应”。Communication Theory 3.3 频分多路复用 多路复用多路复用是指将若干个彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法。常见的信道复用方法有频分复用（FDM）、时分复用（TDM）和码分复用（CDMA）。 频分复用频分复用，即按频率分割的复用方式。 优点：信道复用率高，容许复用路数多，分路方便； 缺点：设备复杂，且由于滤波器特性不够理想或信道的非线性将导致路际干扰。 在确保各路载频间隔使信号频谱不

17、重叠外，还应留有一定空隙的保护频带，一般要求相邻载波间隔 为， 其中 为已调信号带宽， 为保护频带 gSBBBBSBgBCommunication Theory频分多路原理方框图Communication Theory实例1载波电话系统在一对传输线上同时传输多路模拟电话为载波电话，采用单边带调制频分复用；规定每路话音信号的标准带宽为4KHz。载波电话有一套标准的等级，下表所示为该标准的主要等级。Communication Theory形成基群信号的频谱搬移特性 Communication Theory实例2广播电视T 广播电视：由电视塔发射的电视节目。 图像信号带宽为0MHz-6MHz，采用V

18、SB调制；伴音信号采用宽带FM方式。图象载频与伴音载频相距6.5MHz，总信号带宽为8MHz；残留边带信号在载频附近的互补特性是在接收端形成的，电视接收机中放的理想频率响应为一斜切特性。Communication Theory彩色电视中彩色信号由红、蓝、绿三原色构成。在传送彩色信号时除了传送三原色线性组合的亮度信号（黑白电视信号）之外，还需传送二路色差信号R-Y和B-Y（其中R-Y代表红色与亮度之差，B-Y代表蓝色与亮度之差）。我国彩色电视使用PAL制，这两路色差信号对4.43MHz彩色副载波进行正交的抑制载波双边带调制，即两路信号采用相同频率而相位差90度的两个载波分别进行抑制载波双边带调制

19、。彩色电视信号频谱Communication Theory 实例3立体声广播 立体声广播信号的频谱 立体声广播信号的产生Communication Theory 在广播电台将左、右声道信号之和（L+R）作为主信号，占用15kHz以下的正常音频信号频谱，以便与单声道FM广播接收相兼容（在普通调频广播中只发送015kHz的（L+R）信号）；左、右声道的差（L-R）信号用DSB方式移至2353kHz的范围内，所用调制载频为38kHz；19KHz处发送的是一个单频信号用作立体声指示，作为在接收端提取同频同相相干载波使用；另外还有一个辅助通信专用通道，供电台内部联络通信及广告节目使用。立体声广播接收端结

20、构Communication Theory 调频广播占用频段为88-108MHz，只能用于视距传输，在传输过程中由于多径干扰及建筑物阻挡对传输质量影响较大，在一些移动物体上接收立体声调频广播质量更不稳定。为解决此类问题，近年来开始研究调幅立体声广播，其信噪比低于调频立体声广播，但受衰落影响小，传播距离远。Communication Theory 左、右声道分别用相移15度的载波进行DSB调制。每个声道的已调信号均可以分解为正交分量与同相分量，再与载波分量合成矢量包络进行常规调幅，选择15度相移目的是为了减少正交分量所造成的包络畸变。调幅立体声广播发送端Communication Theory

21、是载波的振幅， 为载波角频率， 和 均为常数； 是信号的瞬时相位； 为瞬时相位偏移； 为信号的瞬时频率； 为瞬时频率偏移。3.4 非线性调制原理非线性调制：已调信号的频谱是原调制信号频谱的一种非线性变换，产 生出与线性调制频谱搬移不同的新的频率分量。 频率调制（FM）和相位调制（PM）都是非线性调制。 cos ( )cos( )mcstAtAttAcAc ttc t dtttdc/ dttd/角度调制信号的一般表达式为Communication Theory 瞬时相位偏移可表达为： 式中： 称为相移常数，代表调相器的灵敏度，单位为rad/v。 相应的已调信号为 其瞬时相角为 瞬时频率为相位调制

22、：当幅度和角频率保持不变，而瞬时相位偏移是调制信号的 线性函数。( )( )ptK m tpK cos( )mcpstAtK m t)()(tmKttPcdttdmKdttdtPc)()()(1. 相位调制的一般原理Communication Theory频率调制：载波的瞬时角频率是调制信号的线性函数。瞬时角频率偏移为式中： 为频偏常数，代表调频器灵敏度，单位为rad/v.s。瞬时角频率为瞬时相角为调频信号表达式为)()()(tmKdttdtFFK)()(tmKtFcdttmKtdtttFc)()()( dttmKtAtSFcm)(cos2. 频率调制的一般原理 Communication T

23、heory设调制信号为相位调制信号为式中： 称为调相指数， 。频率调制信号为 式中： 称为调频指数， 为最大角频率偏移，即 为最大频率偏移。tAtmmmcos)( tmtAtAKtAtSmpcmmpcpmcoscoscoscospmppmmKA coscoscossinFmcFmmcfmStAtK AtdtAtmtfmmmmmFfffAKmmaxmaxFmK Amaxf3. 频率调制和相位调制的区别和举例调相信号的相位偏移是随调制信号作线性变化，而调频信号的相位偏移是随调制信号的积分呈线性变化。Communication Theory3.5 调频系统的抗噪声性能带通滤波器：抑制信号带宽外的噪声

24、；噪 声： 加性高斯白噪声；限幅器作用是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变。nFM信号的非相干解调分析模型Communication Theory调频信号为其中解调器输入端信噪比为在鉴频器输入端加入的是调频信号与窄带高斯噪声的叠加，即式中： 为调频信号的瞬时相位， 为噪声的瞬时幅度， 为噪声的瞬时相位 )(costtAtScm ( )tFtKmd202iiSANn B ( )( )( )cos( )sin cos( )( )cos( )mimccscccStn tStn ttn ttAttV ttt t( )V t tCommunication Theory 以上三个分量分别称为信号矢量，

25、噪声矢量和合成矢量，利用三角函数的矢量表示法，通过求合成矢量的方法确定的 大小。1122cos( )cos( )cos( )cos( )cos( )cosccAttaV tttaB tta t设 ( )( )cos( )micStn tB tttCommunication Theory由图（a）可知因此可得由图（b）可得由以上分析可得)cos()sin()(12211221aaaOBBCtg)cos()sin(12211221aaaarctg)cos()sin(21122112aaaarctg)()(cos)()()(sin)()()(tttVAtttVarctgtttc)()(cos)()(

26、)(sin)()(ttAtVttAarctgtttc图a情况下：图b情况下：Communication Theory大信噪比情况下， ，由图a可得可见，与信号有关的项是 ，第三项取决于噪声。解调器输出应与输入的瞬时频偏成正比，设比例常数为1，可得解调器输出为( )AV t)()(sin)()()(ttAtVtttc t dttttVdAdttdfdttdtVc)(sin2121210 tmKtmF201. 大信噪比条件下抗噪性能又因为 tFtKm t d所以得具体分析过程Communication Theory tnAdttdnAtdtttVdAtnss2121sin210 223000222

27、243smntnNntfAA 3022220083mFfntmKANS解调器输出噪声输出噪声功率为输出信噪比为)(tm ttmmcos为单频正弦信号时mfmmfnAmfnAffNS02202002232223输出信噪比为22020020322322fmfimiSAmNn fBGmSAfNn B调制制度增益为Communication Theory设调幅信号100%调制，且 为正弦信号，平均功率为 ，可得式中： ，代入上式得)(tm2/2ABnANSAm02002mfB2mAmfnANS02004200003fAMFMmNSNS大信噪比条件下频率调制和幅度调制的性能对比分析这种高抗噪声性能的获取

28、是以增加调频系统的带宽换取的比较后得Communication Theory小信噪比情况下，即 ，可得解调器输出端不存在单独的有用信号项，信号被噪声扰乱，因而输出信噪比急剧恶化，这种情况与AM调制包络检波相似，也称之为门限效应。( )V tA)()(sin)()()(tttVAtttc2. 小信噪比条件下跳频调制的抗噪性能分析Communication Theory3.6 预加重和去加重技术若传输的基带信号大部分能量是在较低的频率分量中，由于鉴频解调器的输出噪声功率谱密度随频率增加而呈抛物线型增加；结果在FM解调后， 中比较弱的高频分量被淹没在较强的输出噪声中，则 的高频段信噪比很差。采用预加重/去加重技术提高高频段信噪比，一个带有预加重和去