通信原理第二章 信道第三章 模拟调制系统

第三章模拟调制系统

3.1引言

3.2幅度调制原理及抗噪性能

3.3角度调制原理及抗噪性能

3.4频分复用(FMD)

习题

3.1引言

点—点通信系统

c(⑼

信源调制一►发滤波器一信道一►收滤波器—然界J信宿

tn(t)

通常，信道是一个理想的恒参信道C(⑼=kb皿d,研究各种调制、解调方式、系统的

可靠性和有效性，简介一下通信中的调制分类。

基带信号.州调制器

Sm(t)

C(t)我波

1.正弦调制CC(t)=cos3ct

(1).模拟调制m(t)为模拟信号,AM.DSB、SSB、VSB、FM、PM

(2).数字调制m(t)为数字信号，ASK、FSK、PSK等。

2.脉冲调制C(t)为脉冲周期信号

(1).脉冲无编码调制

用模拟信号m(t)改变脉冲的幅度(PAM)、宽度(PDM)、相位(PPU)

(2).脉冲编码调制(POM)

m(t)为模拟信号，用m(t)对脉冲串进行幅度调制后PAM再量化编码为PCM信号

(3).增量调制(DM)

m(t)为模拟信号，据两相邻采样信号之差来进行一位编码

(4).脉冲数字调制

m(l)为数字信号，常用多进制脉位调制PPM

3.复合调制：对同一载波同时进行幅度、频率、相位中一个

4.多级调制用同一基带信号实施两次或更多次的调制过程，如AM/FM用m(t)调制。

3.2幅度调制系统原理及抗噪性能

一.调制、解调方法

用滤波器产生AM、DSB.SSB、VSB信号方法。

AM:A+m(t)八c/、

DSB.VSB,SSB:m(t)―Vj--4叫一⑴

C(t)，cosgth(t)

m(t)—^M(f)

A+m(t)—^2^A0^(f)+M(f)

cosgt—^C(f)=万[3(f+q)+5(f-fc)]

S(t)—?->S(f)=1[M(f+力)+M(f-fc)]

Sm(t)—^Sm(f)=1H(f)[M(f+fc)+M(f-fc)]

采用不同的H(f)可得到DSB、SSB、VSB、AM

1.AM

H(f)为理想带通。

fcfi<。f/力

SAM(t)=[A+m(t)]cos3ct

AM信号频谱同S(f),信号带宽B=2f.<

解调

•包络检波要求A+m(t)20

0

•相关解调

2

+m(t)]coswcl=—[A+m(t)](l+cos2(wct)—>mo(l)=—m(t)

2隔直2

2.DSB(或DSB-SC)

H(f)

频谱同S(t),B=2fH

SusB(t)=ni(t)cos(oct

解调

•不能用包络检波法解调DSB信号。

•相干解调方框图同AM相干解调。请自己画出各点频谱。

推导SSB信号的时域表达式

下边带带通滤波器可表示为H(ry)=[sgn(<y+<wc)-sgn(69-(oc)]

sgn@+«c)1

sgn^-<y;)

SLSB(啰)=：[M(3+必)+M3-g)]•J[sgn⑥+©：)-sgn⑷一叫)]

="!■[M(/w-(%)sgn@+)-M(©+©c)sgn@-牝)]

+-^-[M(694-6yc)sgn^y+69c)-M(6y-6yc)sgn^w-<yc)]

=—[M((w-6?c)+M(<y+<wc)]

+；[M(o)-6Vc)sgn@+0c)-M(ft?-3c)sgn@-3c)]

SLSB(t)=—m(t)cos6yct+^-m(t)sinfyct----载波为cos3ct

m(t)是m(t)的希尔伯特变换，sinsJ是cos的希尔伯特变换。

m(t)m(t)NT/、・/、■/八।

AH(MH(3)=-jsgn⑥)，h(t)=—

cos<yctsirwj近

—m(t)sinfyct—^――{M(fy)[-jsgn^)][*j^[c>(ty+<wc)--(oc)1

222TT

=—M(0)sgn@)*+q)-8(0-©c)]

69+<yc)sgn^+69c)-M(<y-69c)sgn^y-<yc)]

同理SUSB=m(t)cos<yct-m(t)sinryct一载波为COS3ct

当载波为sin3ct时SLSB(t)=—m(t)sinft>ct—rh(t)cos69ct

SL1SB(t)=Jm(t)singt+；亩(t)cosgt

单边带时域式中的系数1/2可为任一常数。

据时域表达式可用相移法产生SSB信号。

解调

•相干解调方框图同AM,自己画各点频谱.

­插入强载波一一包络检波。

[A+gm⑴]cosgi土g由⑴sirwj=[A+TmaHcosgi此为AM信号

故可用包络检波法解调SSB信号。

强载波Acos3ct的获取方法：

(2)发端插入导频acosQct,收端提取acos3ct后,放大得AcosMt,A»ao

(2)不发导频，收端的振荡器输出Acos3ct作为强载波，语音单边带允许＜15Hz。

4.VSB

当fl很小时，无法用滤波器得到SSB信号，而只能得到VSB信号。

VSB系统

H(f)=Gr(f)C(f)GR(f)

对H(f)的要求：H(f+fJ+H(f-fJ=C0<|f|<fHH(f)在命两边互补

证明：SVSB(f)=Sm(f)H(f)

=l[M(f+fc)+M(f-fc)]H(f)

U(f)=g[S\，sB(f+fc)+SvsB("fc)]

=:[M(f+2fc)+M(f)]H(f+&)+[[M(f-2fc)+M(f)]H(f-fc)

Mrt(f)=iM(f)；H(f+fc)+H(f-fc)]

当H(f+fc)+H(f-fc)=C,0<|f|<fH^M0(f)=£M(f)mo(t)=£m(t)

VSB的插入强载波一一包络检波解调法（电视），必须给出VSB时域式。

H(f)=H■.(f)+H42(f)+HJ3(f)

%(f)形成下边带信号，基带信号(I)

%(f)形成上边带信号，基带信号111'.)

f4(f)形成下边带信号，基带信号-田f(t)

m(t)

>ir(f)m>(t)

SVSB(【)=gm(t)cos(Wcl+g吊(t)sin3cl

+—m'(t)cos色.t——m/(t)sin<wt——m,(t)cos6<>.t—

22r22

f

=—m(t)cos69ct+—m(t)siiwct-m(t)si吟t

S\，SB+Acosgl=A4-—m(l)coscosgt-------AM信号

X线性调制含义：将m(t)频谱线性放大，再搬运到九两边。

线性调制系统的抗噪性能

分析AM,DSB,SSB相干解调抗噪性能，AM包络检波的门限效应

1.相干解调

S/)m0(t)

n(t)

BPF带宽W等于信号带宽B,B«fc・・・m为窄带白噪声。

nt(t)=nc(t)cos<*>ot-ns(t)sinotAM,DSB中f产f<.

SSR中

带通滤波器输出信噪比即解调器输入信噪比(§)i

N

解调器输出信噪比得)。制度增益G=($N)%/N)

以SSB为例说明分析过程

S|SB(t)=-^111(1)cos<wct--^rri(I)sinft>ct

iii(t)=nc(t)cos<yot-ns(t)sin<yot

22222

Sj=-m(t)+-m(t)cos2<yct+-m(t)--m(t)cos26yct--nj(t)m(t)sin2fyct

88884

22

m(t),由2(1)与sin2gi,cos23ct不相关，sin23cl=cos2^cl=0»m(t)=rii(t)

.'.S：=—m2(t)

14

Nj=n0B=nofH

SLSB(t)cosryct=—m(t)+—ni(t)cos26yct--m(t)sin26；'t

444

11——

•••m0(t)=-m(t),S0(t)=—m-(t)

416

](t)cosfwj=；nc(t)[eosA<wt+cos(<yc+ns(t)[sinA6;t+sin(g+%)]

no(t)=ync(t)cosA6yt-yn3(t)sinA69t

,/nc(t),%⑴与co52Atyt,sin2AftH不相关

sin2Atyt=cos2Aft?t=0

•\n"t)=；n*t)即No=lnoB=lnofH

可见(S/N)。=(S/N)i=兽^G=1

4n°B

注：此结论与设f产F,：时相同。

其它信号(AM、DSB)相干解调分析与此类似，结论如下:

类别BGSo/No备注

1Sj

AM2fH2/3SAM⑴=A[l+sinfwmt]cosfyet

3nofm

s.

DSB2f«2

n0^H

Si

SSBfii1

n()fH

VSBfL2fH///

2(m,+l)f32Si

n!

3—m———SFM(l)=Acos[<yct+mfsin<wml]

FM3mfr

2(Af+fra)2"

•性能比较：可靠性优一一劣:FM,SSB(DSB),AM

有效性优——劣:SSB,VSB,AM(DSB),FM

•VSB的可靠性，无分析结论。

,虽然GSSB=1»GDSB=2»但两者输出信噪比相同。故BDSB=2BSSB。

SIQ

(1)DSB胃京SB两者抗噪性能相同。

2.AM包络检波的门限效应。

(-)?>1时，包络检波的可靠性同相干解调。

N

(9),<〈1时，出现门限效应。

N

SAM(t)+nj(t)=[A+m(t)]cos<yct+nc(t)cos6yct-ns(t)sin6yct

=E(t)cos[<ycti^(t)]

Am22

E(t)=7(+(t)+nc(t)]+ns(t)

当A+m(t)»m(t)时,E(t)^A+m(t)+nf(t)

m.,(t)=m(t),n<,(t)=n..(t)

可得：G=—⑴当n1(t)=Acos69mt时，G=—

A2+m2(t)3

当A+m(t)〈〈a(t)时，解调器的输出端得不到独立的信号。

3.3角度调制原理及抗噪声性能

—.基本概念

先调制信号的时域表达式Sm(t)=Acos[<yet+^(t)J

瞬时相偏8(。，瞬时频偏△例t)=d8(i%

最大频偏△o=d*(%|max

带宽B=2(Af+fH)=2(m+l)fHm=———优制指数

1.FM：

^(t)=jKFm(t)dtKH----调频灵敏度

△fy(t)=KFm(t»,Af=niax

2兀

B=2(Af+f»)=2(mr+l)fi----卡森公式

当Af>>f“时，B=2Af,与基带信号频率无关。

2.PM：

0(t)=Km⑴，△◎«)=!<包虫Ki-----调相灵敏度

dt

M=Kp号?|rmx,与m⑴变化速率即m⑴频率有关。

B=2(Af+f“)与基带信号有关，是变化的，故很少用。

3.FM的频谱：

设m(t)=A„cos3mt

KA

SFM(t)=Acos(w<-t+m(sin<>>,lt),mf=­

%

PC

频谱SFM(。)=办£Jn(nif)双/-coc+6((o+q+n/)]

n二e

尢穷多个频率分量，其幅度止比于J“(mJ——n阶贝赛尔函数

B=2(mf+l)fii,n>m,-+l时Jn(oh)比较小，忽略不计

例：mf=3

£两边不对称，不能用单边带信号传输信息。

4.窄带调频

当⑴dl<开/6时为窄带调频。

SNBFM(t)-cos<yct-m(t)dtsinfyct

二.FM方法

1.直接调频

—►VCO------>Aco{gt+jK］；m(l)dl

问题：载频£不稳定

VCO一般为LC、RC振荡器，为10"

2.窄带调频一一倍频

3.

u0(t)

u(t)=ACO{NOJ+JKm(t)dt

ov改变N即可变换波道

条件：环路自然谐振频率。〈八

三.FD方法

1.限幅鉴频器

S|-M

(t)

m°⑴,⑴

*(t)n；(D

暂不考虑噪声

S[；M(t)=Aco{at+K.|rJm(t)dtj

坐泮一…卜m(t)]siif+KFJm(i)dt|

dt

AMFM

包络检波输出：m(t)

2.锁相鉴频

u.(t)LF—i——►uc(t)=-^m(t)

-1->PD------------>

____Kv

八

VT----------V(：04—

u。⑴

u,(l)=Asin^fyct+KFJm(t)dtj锁相后

u0(t)=U°co{gt+

Kvjue(t)dt

当fn人时，卜.Jm⑴dtaKvjuc(t)dt

()。?

•••Uctm(t)

Kv

3.NBFM的相干解调

>微分——►低通----►

1-sing,t

四.抗噪性能

限幅鉴频器：

号)

1.大信噪比

⑴

SmCO+n^t)=Acosj^69ct+VFJin(t)dt+%

=Acos[gt+8⑴]+L⑴cosgl-ns(t)sinryct

=A(t)cos[^ct+夕(。+(t)]

2⑴

A

限幅带通输出：

Uj(t)=Acos辰t+0(t)+On(t)].设FD增益KD=1%,

_d*⑴

则m(t)=Km(t)/2^,n(t)

oFo2^-dt

mo(t)=KFm(t)/2>r,no(t)=no(t)*hL(t)

|b|=7nJ(0+nJ(t)

以S.(t)为参考，当|b|不变时，由于a(t)是变化的，故On(t)在-回至回内变

AA

化。n.(t)、n,(t)不相关，两者同时达最大值概率很小，b由n“t)和n,(t)合成。因此

=n=n

1blmaxlclmaxlsLx

考虑到上述因素，可认为4(t)=arctgp=2里

AA

FD输出1no(t)=Km(t)/2^,n0(t)=--------

F2^Adt

LPF截至频率为加，故

m0(t)=m(t)/2/r,n(t)=n(t)*h(t)

KFuoL

So=-----与K/成正比，即与B?成

4/r

正比。

f2B

Pn(f)=&P%(f)=Qn°'|f|<2

0"A一|0，其它

t2

|f|<fH

pn.(f)=p%(f)HL(f)=k°'

0，其它

常称FD输出「；(t)为三角噪声。

(“(t)也为三角噪声)

。=广九⑴df=组》一一与降B无关。

J-%3A"

FM信号带宽大，鉴频输出信号功率增大，但噪声功率不变，故FM的制度增益增

高，抗噪能力强°

Ni=n°B=2n°(Af+储)5.=^^|皿

2

S3A2KQn2⑴S,A

=842%母'(N)i=2^B

设m(t)=Amcos6;mt,Sm(t)=Acos[6yct+mrsinfymt]

可得G=3nif(mt+1)®3mf

3Sj9

(—)o=3mJ(­)；=3m；...-----•rrif

N，。'*2nrnf

ofm2nomf

与AM比较：100与调制SA«(t)=Ai(l+coswmt)coswct

=2fm（mf+l）=2fmmf

BAM=2口

^FM=®AM（mf+1）=MfB.

即（S/N）PFM=45m2（^FM_）2

（S/N）0AMB/XM

以带宽换取信噪比一一当（得工相同时，由于BQIL,故调频系统的信道容量大于调

幅系统，信道损失的信息量少，输出信号质量高。

2.小信噪比一门限效应

号）＜1时，号）急剧下降,

NN

脉冲噪声急剧增多，使N0急剧增大。

八小规噪声谱

K___X

i__

B-fH0%B>f

22

五.预加重/去加重技术一改善（*）。

N

对n0⑴中的高频噪声衰减大，从

而使n0G）的高频噪声功率谱密度小，从而使

，减小。《

可改善（°）06dB

N°

六.压扩技术——改善小信号3)。

N

业4|压缩曲斗|尔信遒FD|吟(：、|扩张目

||||L_J||n20(t)