第8讲 模拟线性调制的原理.ppt

1、通信原理电子教案,广东海洋大学信息学院 2012年9月,通信原理电子教案,授课班级：通信1103班、通信1104班 授课教师：广东海洋大学信息学院 梁能,第4章 模拟调制系统 调制是频带传输的基础。 主要内容高频电子线路已经学过，从通信原理角度予以带有复习性质的介绍。,4.0 引言 4.1 幅度调制的原理 4.2 线性调制系统的抗操声性能 4.3 角度调制（非线性调制）的原理及抗噪声性能 4.4 各种模拟调制系统的比较 4.5 频分复用（FDM）,4.0 引言 调制的定义：是按原始电信号的变化规律去改变载波某些参量的过程。 调制的方式 ：模拟调制和数字调制 调制信号形式； 载波的选择： 正弦波

2、和脉冲调制 高频载波形式。 调制的作用： 调制的分类： AM 、 DSB-SC、 SSB 、 VSB 、FM和PM。,4.1 幅度调制的原理,4.1.1 幅度调制的一般模型 幅度调制定义：用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。,模型：,表达式：,m(t)-调制信号（一般为基带信号）； sm(t)-已调信号； h(t)-滤波器的冲激响应。,模型：,表达式：,讨论： 在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化； 在频谱上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制； 适当选择H( )、m(t)，便可得到各种幅度调制信

3、号，例如：常规双边带调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB-SC）、单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）信号等。,4.1.2 常规双边带调幅（AM） 1. AM信号的表达式、频谱及带宽 条件（在一般模型的基础上） ： 滤波器为全通网络：H( )=K(=1); 调制信号：m(t)外加直流分量A0，且,（1）模型,（2）表达式,（3）波形及频谱,（4）讨论 AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即 上边带、下边带。都含有原调制信号的完整信息 。 包络检波不发生失真条件 过调制。,2.AM信号的功率分配及调制效率 已调信号功率为： 功率分配： 注：Pc载波功率；Ps

4、边带功率； 基带信号功率。 调制效率： 显然，AM信号的调制效率总是小于1。,例4.1 设m(t)为正弦信号，进行100的常规双边带调幅，求此时的调制效率。 解： 依题意无妨设 而100调制就是 的调制，即 因此,由此可见，正弦波做100AM调制时，调制效率仅为33.3%!,3.AM信号的解调 调制的逆过程叫做解调。AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。,用一个低通滤波器，就无失真的恢复出原始的调制信号：,（1）相干解调 原理：乘法器移频。 关键：与调制器同频同相位的载波。,问：同频不同相？ 同相解调结果：1/2幅度。,（2）包络检波法 原理：AM信号波形的包络与输入基带信号成正比

5、，故可以用包络检波的方法恢复原始调制信号。,包络检波器：一般由半波/全波整流器和LPF组成。 电路由二极管D、电阻R和电容C组成。,包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即：,（3）讨论 包络检波法属于非相干解调法，其特点是：解调效率高，解调器输出近似为相干解调的2倍；解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位的载波信号，大大降低实现难度。 故几乎所有的调幅（AM）式接收机都采用包络检波法。 采用AM传输信息 好处：解调电路简单，可采用包络检波法。 缺点：调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率。 改进措施：如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的

6、双边带调幅（DSB-SC）。,4.1.3 抑制载波的双边带调幅（DSB-SC） 1. DSB信号的表达式、频谱及带宽,条件（在一般模型的基础上）： 滤波器为全通网络：H( )=K(=1); 调制信号：无直流分量，依然,（2）表达式,（1）模型,（3）波形及频谱,讨论：DSB信号不能进行包络检波，只能相干解调； 除不含载频分量离散谱外，DSB信号频谱同于AM（由上下对称的两个边带组成）DSB信号是不带载波的双边带信号； 它的带宽为基带信号带宽的两倍：,2. DSB信号的功率分配及调制效率 由于不再包含载波成分，因此，DSB信号的功率就等于边带功率，是调制信号功率的一半，即,显然，DSB信号的调制

7、效率为100%。,3.DSB信号的解调 DSB信号只能采用相干解调。 乘法器输出为：,经低通滤波器滤除高次项，得,即无失真地恢复出原始电信号。 DSB调制的好处:节省了载波发射功率，调制效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。 缺点:占用频带宽度比较宽，为基带信号的2倍。 改进招数？,4.1.4 单边带调制（SSB） 考察：由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。 1. SSB信号的产生 产生SSB信号的方法很多，最基本的：滤波法和相移法。（1）滤波法据一般模型而建,条件： 滤波器为： 调制信号：调制

8、信号基带信号， 且 关键/注：,模型,模型,频谱,频域 表达式,（2）用相移法形成SSB信号据时域表达式而建 可以证明， SSB信号的时域表示式为： 式中：“”对应上边带信号，“+”对应下边带信号；,是 的希尔伯特变换。,模型,为希尔伯特滤波器，它实质上是一个宽带相移网络，对 m(t)中的所有频率分量均相移。,2. SSB信号带宽、功率和调制效率,3. SSB信号的解调 SSB信号的解调也不能采用包络检波，只能采用相干解调，,SSB信号不含载波成分，单边带幅度调制的效率也为100%。,乘法器输出为：,经低通滤波后的解调输出为,SSB信号的解调原理：,是DSB时的二分之一。 心得：相干解调解出同

9、相分量的一半，抑制正交分量。,回顾/小结： AM调制： 可采用包检，结构简单，但调制效率低，最大33； DSB调制：调制效率高，但信号占用频带宽； SSB调制：调制效率高，信号占用频带低，同于基带信号。,4.1.5 残留边带调制（VSB） 特点：残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。 原理：在残留边带调制中，除了传送一个边带外，还保留了另外一个边带的一部分。,1. 残留边带信号的产生,模型,频谱,频域表达式,关键：残留边带滤波器（待证）,时域表达式?,满足互补对称特性的滚降形状可以有无穷多种，用的最

10、多的是直线滚降和余弦滚降。,几何含义：HVSB()在载频附近必须具有互补对称性。 HVSB()可以看作是对截止频率为c的理想滤波器的进行“平滑”“滚降”的结果。 由于“滚降”，滤波器截止频率特性的“陡度”变缓，实现难度降低，但滤波器的带宽变宽。,2. 残留边带信号的解调 只能采用相干解调。,乘法器输出： 而： 代入上式得：,经LPF: 所以：,同于DSB调制系统。,VSB与SSB调制： VSB带宽：介于BDSB、BSSB之间，但趋于BSSB; 由于VSB基本性能接近SSB，而VSB调制中的边带滤波器比SSB中的边带滤波器容易实现，所以VSB调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。,4.2 线

11、性调制系统的抗操声性能,前面的分析都是在没有噪声的条件下进行的。实际上，任何通信系统都避免不了噪声的影响。 从第2章的有关信道和噪声的内容可知，通信系统是把信道加性噪声中的起伏噪声作为研究对象的。而起伏噪声又可视为高斯白噪声。 因此，本节将要研究信道存在加性高斯白噪声时各种线性系统的抗噪声性能可靠性研究。,4.2.1 通信系统抗噪性能分析模型 由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可用解调器的抗噪声性能来衡量。分析解调器抗噪性能的一般模型：,为传输过程中叠加的高斯白噪声：0、2、n0/2; 为窄带高斯噪声，可以表示为：,窄带高斯噪声ni(t)功率Ni：,输出信噪比 输

12、入信噪比 信噪比增益(调制制度增益)作为不同调制方式下解调器抗噪性能的度量。它可以定义为：,4.2.2 线性调制相干解调的抗噪声性能,特点：相干解调属于线性解调，故在解调过程中，输入信号及噪声可分开单独解调。 适用：所有线性调制（DSB、SSB、VSB、AM）信号的解调 。,相干解调时接收系统模型：解调器为同步解调器，由相乘器和LPF构成。,1. DSB调制系统的性能 （1）求So输出信号的功率,解调器输入信号 乘法器输出 经LPF输出信号 输出信号功率,可直接写出,（2）求NO输出噪声的功率,解调器噪声输入 乘法器输出,经LPF输出噪声 输出噪声功率,可直接写出,（3）求Si输入信号功率 解

13、调器输入信号平均功率：,结论： 解调器的输入和输出信噪比：,调制制度增益：,2.SSB调制系统的性能,（2）求No输出噪声的功率结论同于DSB,可直接写出,但：？,（1）求So输出信号的功率,（3）求Si输入信号的功率,结论： 解调器的输入和输出信噪比：,调制制度增益：,DSB解调器的调制制度增益是SSB的二倍。因此就说：双边带系统的抗噪性能优于单边带系统？ 比较前提：解调器的输入噪声功率谱密度n0/2相同； 输入信号的功率Si也相等。 具体分析如下：,在相同的噪声背景和相同的输入信号功率条件下，DSB和SSB在解调器输出端的信噪比是相等的。这就是说，从抗噪声的观点，SSB制式和DSB制式是相

14、同的。 但：B,3.VSB调制系统的性能 VSB调制系统抗噪性能的分析方法与上面类似相干解调。 但问题：采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同，难以确定抗噪性能的一般计算公式。 不过，在残留边带滤波器滚降范围不大的情况下，可将VSB信号近似看成SSB信号，即 在这种情况下，VSB调制系统的抗噪性能与SSB系统相同。,解调器输入信号为： 输入噪声为： 注：包络检波属于非线性解调，信号与噪声无法分开处理。,4.2.3 常规调幅包络检波的抗噪声性能 AM信号可采用相干解调或包络检波。实际中，常用简单的包络检波法解调。 1. 模型：一般模型中的解调器具体为包络检波器。,2.输入信号功率Si、噪声功

15、率Ni和输入信噪比Si/ Ni,3. 输出信号功率So、噪声功率No、输出信噪比So/ No 、GAM 非线性解调，信号与噪声无法分开处理。 解调器输入的信号加噪声的合成波形是 ： 其中合成包络：,理想包络检波器的输出就是A(t)。 检波器输出中有用信号与噪声无法完全分开，因此，计算输出信噪比是件困难的事。为简化起见，考虑两种特殊情况： 大信噪比情况 小信噪比情况,（1）大信噪比情况,大信噪比（输入信号幅度远大于噪声幅度），即 :,即：,此时,输出信号功率、噪声功率和信噪比：,调制制度增益：,对于100调制（即 ），且又是单音频正弦信号输入时：,小信噪比（噪声幅度远大于输入信号幅度），即:,（2）小信噪比情况,此时,即：,结论： 在大信