通信原理 第5章 模拟调制系统.ppt

1、1、通信原理，2、通信原理，第5章模拟调制系统，第3章，第5章模拟调制系统，调制的目的是提高无线通信中的天线辐射效率。多个基带信号被移动到不同的载波频率，以实现信道复用并提高信道利用率。(调频)扩展了信号带宽，提高了系统的抗干扰和抗衰落能力，还可以实现传输带宽和信噪比的互换。普通模拟调制调幅：调幅，双边带，单边带和残留边带角度调制：调频，调相，4，第5章模拟调制系统，5.1调幅原理(线性调制)一般原理表达式：假设：正弦载波是载波a的幅度；载波角频率；0载波初始相位(以下假设为0 0)。根据调制的定义，调幅信号(调制信号)通常可以表示为m(t)基带调制信号。在第五章模拟调制系统中，如果调制信号m

2、(t)的频谱是m()，那么从上面的表达式可以看出调制信号的频谱，并且调制信号的幅度在波形上随基带信号的规律成比例地变化；就频谱结构而言，其频谱是基带信号频谱在频域中的简单移位(精确到常数因子)。因为这种运动是线性的，振幅调制通常被称为线性调制。然而，应当注意，这里的“线性”并不意味着调制信号和调制信号符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一个非线性变换过程。6，第5章模拟调制系统，5.1.1 m(t)调制信号在调幅时域的表达式，平均值为0；A0常数，表示叠加的DC分量。频谱：如果m(t)是已知信号，调幅信号的频谱就是如果m(t)是随机信号，调制信号的频域表达式必须用功率谱来描述。调制器型号

3、，第7章，第5章模拟调制系统。从波形可以看出，当满足条件|m(t)| A0时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检测法恢复原始调制信号是容易的。否则，就会出现“过调幅”现象。此时，包络检测会产生失真。然而，可以使用其他解调方法，例如同步检测。在第五章模拟调制系统中，从频谱可以看出调幅信号的频谱由三部分组成：载波频率分量的上边带和下边带。上边带的光谱结构与原始调制信号的光谱结构相同，下边带是上边带的镜像。第五章模拟调制系统，调幅信号的特征带宽：它是一个带载波分量的双边带信号，其带宽是基带信号的两倍fH:功率：当m(t)是一个确定的信号时，Pc=A02/2载波功率和边带功率。第五章模拟调制系统，

4、调制效率从上面可以看出，调幅信号的总功率包括载波功率和边带功率。只有边带功率与调制信号相关，载波分量不携带信息。有用功率(用于传输有用信息的边带功率)与总信号功率之比称为调制效率：当m(t)=Am cos mt时，代入上述公式，当|m(t)|max=A0 (100调制)时，得到最高调制效率，然后最大1/3、11，第5章模拟调制系统，包络例如，在性能分析中，假设输入信号为RC，它满足以下关系式中fH调制信号的最高频率。当检测到大信号(通常大于0.5 V)时，二极管处于受控开关状态，检测器的输出是去除DC后的原始信号m(t)。12，第5章模拟调制系统，5.1.2双边带调制(DSB)时域表达式：无D

5、C分量A0频谱：无载波频率分量曲线：13，第5章模拟调制系统，调制效率：100优点：节省载波功率缺点：使用相干检测代替包络检测很复杂。相干解调适用于所有调幅形式的相干解调器的一般模型。第14章，第5章模拟调制系统，相干解调器的原理：为了恢复原始基带信号而不失真，接收端必须提供一个与接收到的调制载波严格同步的本地载波(称为相干载波)，该载波乘以接收到的调制信号，然后通过低通滤波器取出低频分量，得到原始基带调制信号。第5章模拟调制系统，相干解调器的性能分析调制信号的一般表达式是，在乘以具有相同频率和相位的相干载波c(t)之后，它通过一个低通滤波器，并且得到sI(t)是m(t)通过一个全通滤波器HI

6、()的结果，因此上述公式中的sd(t)是解调输出，即、 11 5.1.3单边带调制(SSB)原理：双边带信号的两个边带中的任何一个包含调制信号频谱m()的所有频谱分量，因此只能传输其中一个边带。 这不仅节省了传输功率，还节省了一半的传输频带，这就是所谓的单边带调制。产生单边带信号的方法有两种：滤波法和相移法。17，第5章，模拟调制系统，滤波方法和单边带信号的频域表示。该框图使用边带滤波器滤除不需要的边带。在图：中，H()是单边带滤波器的传递函数。如果它具有以下理想的高通特性，它可以滤除下边带。如果它具有以下理想的低通特性，它可以滤除上边带。18，第5章模拟调制系统，SSB信号频谱上边带频谱图：

7、19，第5章模拟调制系统，滤波方法的技术难点，滤波特性很难达到陡峭的截止特性，例如，如果滤波后的语音信号的最低频率为300赫兹，上边带和下边带之间的频率间隔为600赫兹，即允许的过渡带为600赫兹。在600赫兹过渡带和不太高载波频率的情况下，滤波器不难实现；然而，当载波频率较高时，利用一阶调制的直接滤波方法不可能实现单边带调制。可以采用多级(通常为两级)DSB调制和边带滤波，也就是说，首先在较低的载波频率下执行DSB调制，以便增加过渡带的归一化值并便于滤波器的制造。然后对所需的载波频率进行第二次调制。当调制信号包含DC和低频分量时，滤波方法不适用。理论分析方法可以参考教科书第91-92页第20

8、章第5节模拟调制系统的描述，SSB信号的时域表达式如果单频调制信号是载波，DSB信号的时域表达式是：如果上边带被保留，那么就有、21章第5节模拟调制系统，它将上述公式推广到一般情况。如果m()是m(t)的傅里叶变换，则上述公式中的-jsgn可以看作是希尔伯特滤波器的传递函数，即、22、第5章模拟调制系统，对单边带信号的解调，像DSB一样，不能采用简单的包络检测，因为单边带信号也是载波被抑制的调制信号，其包络不能直接反映调制信号的变化， 与调幅和DSB相比，单边带信号的实现更加复杂，但在传输信息时，单边带调制不仅可以节省传输功率，而且与调幅和DSB相比，单边带占用的带宽减少了一半。 目前，它已经

9、成为短波通信中一种重要的调制方式。23，第5章模拟调制系统，5.1.4残留边带(VSB)调制原理：残留边带调制是单边带调制和DSB调制的折衷，它不仅克服了DSB信号占用带宽的缺点，而且解决了单边带信号实现的困难。在这种调制方式下，DSB信号的一个边带并不像单边带那样被完全抑制，而是逐渐切断，使其保持一小部分，如下图所示：24，第5章模拟调制系统，调制方法：滤波法剩余边带调制的原理框图与滤波法SBB调制器的原理框图相同，25，第5章，模拟调制系统，残留边带滤波器特性要求根据滤波方法，残留边带信号的频谱是如何实现残留边带滤波器的传输特性h()的，这可以在教科书中找到。结论如下：26，第5章模拟调制

10、系统，残留边带滤波器特性的两种形式残留“部分上边带”滤波器特性：图(a)残留“部分下边带”滤波器特性：图(b)，27，第5章模拟调制系统，5.2线性调制系统的抗噪声性能5.2.1分析模型图sm (t)调制信号n(t)信道加性高斯白噪声ni (t)带通滤波噪声m (t)输出有用信号无(t)输出噪声，28，第5章模拟调制系统， 噪声分析ni(t)是平稳窄带高斯噪声，其表达式为：或者因为ni解调器的输入噪声的平均功率假定为n0，并且带通滤波器是一个高度为1、带宽为B的理想矩形函数，那么解调器的输入噪声功率为、29。 第五章模拟调制系统，解调器的输出信噪比定义了输出信噪比，它反映了解调器的抗噪声性能。

11、显然，输出信噪比越大越好。机构增益的定义：G便于比较具有不同解调器的类似调制系统的性能。g也反映了这种调制系统的优点和缺点。在公式中，输入信噪比Si /Ni的定义为：30，第5章模拟调制系统，5 . 2 . 2 DSB相干解调抗噪声性能分析模型由于它是一个线性系统，解调器输出的信号功率和噪声功率可以分开计算。31，第5章模拟调制系统，噪声功率计算假设解调器输入信号乘以相干载波cosct，然后通过低通滤波器，然后输出信号为，因此，解调器输出端的有用信号功率为、32，第5章模拟调制系统，解调器输入端的窄带噪声可以表示为乘以相干载波，然后通过低通滤波器。解调器的最终输出噪声写入or、33。第五章：模

12、拟调制系统，计算解调器输入信号的平均功率作为信噪比，计算输入信噪比，输出信噪比，34。第五章：模拟调制系统，由此可以看出制度增益，DSB调制系统的制度增益为2。也就是说，DSB信号的解调器可以使信噪比加倍。这是因为通过相干解调消除了输入噪声中的正交分量。第五章单边带调制系统的性能噪声功率这里，B=fH是单边带信号带通滤波器的带宽。信号功率单边带信号乘以相干载波后，通过低通滤波得到解调器输出信号。因此，在第5章模拟调制系统中，输出信号的平均功率为信噪比，在第5章模拟调制系统中，输入信噪比为信噪比，单边带解调器的输出信噪比为机构增益。38，第5章模拟调制系统。以上讨论表明GDSB=2GSSB。这是

13、否表明DSB系统比单边带系统具有更好的抗噪声性能？答案是否定的，因为两个系统的输入信号功率和带宽不同，在相同的噪声功率谱密度下，输入噪声功率也不同，所以两个系统的输出信噪比是在不同的条件下得到的。如果我们在相同的输入信号功率、相同的输入噪声功率谱密度和相同的基带信号带宽下比较这两种调制方法，我们可以发现它们的输出信噪比是相等的。也就是说，它们的抗噪声性能是相同的。然而，单边带所需的传输带宽只有DSB的一半，因此单边带被广泛使用。39，第5章模拟调制系统，5.2.4调幅包络检波器分析模型的性能检测输出电压与输入信号的包络变化成正比。，40，第5章模拟调制系统，输入信噪比计算如果解调器输入信号是解

14、调器输入噪声，则解调器输入的信号功率和噪声功率分别是输入信噪比、41，第5章模拟调制系统，包络计算因为解调器输入是信号加噪声的混合波形，即上述公式中的E(t)是所需的复合包络。当包络检波器的传输系数为1时，检波器的输出为E(t)。42，第5章模拟调制系统，计算输出信噪比输入信号幅度比大信噪比情况下的噪声幅度大得多，也就是说，等式可以简化为，43，第5章模拟调制系统，从中可以看出有用信号和噪声被独立地分成两项，因此它们的功率可以分别计算。输出信号功率是输出噪声功率，因此输出信噪比是、44的系统增益。第五章讨论模拟调制系统。1.调幅信号的调制系统增益随着A0的减小而增大。2.GAM总是小于1，这表

15、明包络检波器并没有提高输入信噪比，反而使其恶化。3.例如，对于100%调制，m(t)是单频正弦信号，调幅的最大信噪比增益为4。可以证明，当用同步检波方法解调调幅信号时，得到的调制系统增益与上述公式给出的增益相同。5.可以看出，对于调幅调制系统，当信噪比较大时，包络检波器的解调性能几乎与同步检波器相同。在第5章，模拟调制系统，在小信噪比的情况下，输入信号的幅度比噪声的幅度小得多，也就是说，包络变成其中R(t)和(t)代表噪声的包络和相位：46，第5章，模拟调制系统，正因为如此，E(t)可以进一步近似：此时，E(t)此时，输出信噪比不随输入信噪比成比例地降低，而是急剧恶化，这通常称为阈值效应阈值效

16、应开始出现时的输入信噪比称为阈值。第5章模拟调制系统，讨论1。阈值效应是由包络检波器的非线性解调引起的。2.用相干解调方法解调各种线性调制信号时，没有阈值效应。原因是信号和噪声可以分别解调，有用的信号项总是分别存在于解调器的输出端。3.在信噪比较大的情况下，调幅信号包络检波器的性能与相干解调法几乎相同。但是，当输入信噪比低于阈值时，就会出现阈值效应，解调器的输出信噪比会急剧恶化，系统将无法正常工作。48，第5章模拟调制系统，5.3非线性调制(角度调制)原理前言频率调制简称为调频，相位调制简称为调相。在这两种调制中，载波的幅度保持不变，而频率和相位的变化是载波瞬时相位的变化。角度调制：调频和调相。调制信号频谱不再是原始调制信号频谱的线性偏移，而是频谱的非线性变换，这将产生不同于频谱偏移的新的频率分量，因此也称为非线性调制。与调幅技术相比，角度调制最突出的优点是其较高的抗噪声性能。49，