通信原理 第5章教案和习题.ppt

1、2020年10月,西南交通大学电气工程学院,1,第5章 模拟调制系统,主要内容 调制的定义和作用 各种模拟调制的时域和频域分析及特点比较 相干和非相干解调的原理及特点 各种模拟调制解调方式的抗噪声性能分析,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,2,5.1 引 言,模拟信源,发送设备,信道,接收设备,信宿,模拟信源,调制器,信道,解调器,信宿,模拟调制系统的基本组成,噪声源,噪声源,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,3,5.1 引 言,调制就是用待传输的原始基带信号去控制高频正弦波或周期性脉冲信号的某个参量，使它随基带信号的变化而变化，其实质是频谱变换。 经调制后的信号称为已调信

2、号或频带信号，它应具有两个基本特性：一是要携带有原始信号的信息；二是要适合在给定的信道中传输。 在接收端把已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号频谱的过程称为解调。调制和解调在一个通信系统中总是同时出现，它们是通信系统的重要组成部分，一个通信系统性能的好坏，在很大程度上由调制和解调方式来决定。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,4,5.1 引 言,调制的作用：,调制是为了有效辐射。调制把基带信号的频谱搬移到载频附近，以适应信道频带要求，使信号特性与信道特性相匹配，便于发送和接收。如无线传输时必须将基带信号调制到高频载波上，才能将电磁能量有效地向空间辐射(基带信号的低频分量丰富，如果

3、直接传送则信号损耗太大)。而天线能有效发射电磁波的另一条件是，所发射的信号波长与天线的尺寸相比拟。载波的频率较高(波长较短)，发射天线易于制作。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,5,5.1 引 言,实现信道的复用。信道复用是在一个信道中同时传输多路信号，用以提高信道的利用率。如若干个广播电台同时工作时，由于不同电台的基带信号频谱所占据的频带大致相同，若不进行不同载波频率的调制，广播电台就无法同时工作。载波调制时，只要把各个基带信号分别调制到不同的频带上，然后将它们一起送入信道传输即可。这种在频域上实现的多路复用称为频分复用(FDM)。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,6

4、,5.1 引 言,提高系统的抗噪声性能。通信中难免受噪声的影响，通过选择适当的调制方式可以减少它们的影响。不同的调制方式具有不同的抗噪声性能。 例如，通过调制使已调信号的传输带宽变宽，用增加带宽的方法换取噪声影响的减少，这是通信系统设计中常采用的一种方法。调频(F M)信号的传输带宽比调幅(AM) 的宽得多，因此F M系统的抗噪声性能要优于AM系统的抗噪声性能。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,7,5.1 引 言,线性调制与非线性调制： 以调制前后信号频谱结构是否变化为依据，将调制分为线性调制和非线性调制。 线性调制。调制前后，已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系。即已

5、调信号与调制信号的频谱之间没有发生结构变化，仅是频率的位置发生了变化，这种调制称为线性调制。如调幅系统的振幅调制(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)和残留边带调制(VSB)等，均属于线性调制。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,8,5.1 引 言,非线性调制。调制前后，已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈非线性关系。即已调信号的频谱与调制信号的频谱相比，不仅是频率的位置发生了变化，在频谱结构上也发生了根本性变化，出现了频率扩展或增生，这种调制称为非线性调制，如调角系统的频率调制(FM)、相位调制(PM)等。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,9,5.2 线性

6、调制系统,线性调制（幅度调制） 用调制信号m(t)控制高频载波c(t)的振幅，使载波的振幅随调制信号作线性变化，已调信号频谱是基带信号频谱的线性搬移。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,10,5.2 线性调制系统,标准调幅AM,其中假设m(t)中无直流分量，即,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,11,5.2 线性调制系统,调幅度（调幅系数）：,A0,m(t)max,A(t)min,0,m(t)min,A(t)max,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,12,5.2 线性调制系统,当 m 1 时，AM信号的包络不能反应调制信号。,m 1，欠调幅,m 1，过调幅,m =

7、 1，满调幅,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,13,5.2 线性调制系统,例5.2.2 已知调幅波 sAM(t)=(100+30 cost+20cos3t)cos 2fct，求其调幅系数。,解 此调幅波的瞬时振幅为 A(t)=100+30 cost+20cos3t 当t=0时，瞬时振幅有最大值 A(t)max=100+30+20=150(V) 当t=/ 时，瞬时振幅有最小值 A(t)min=100-30-20=50(V) 因此,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,14,5.2 线性调制系统,AM信号的频谱,特点：同时含有载频分量和边带分量； 已调信号带宽为调制信号带宽的2倍

8、。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,15,5.2 线性调制系统,载频分量,下边带,上边带,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,16,5.2 线性调制系统,例：同例5.2.2，已知 =20rad/s，调制信号和调幅波分别为,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,17,5.2 线性调制系统,AM信号的功率和调制效率,假定调制信号m(t)没有直流分量，即。则,载频功率Pc,边带功率Ps,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,18,5.2 线性调制系统,调制效率：已调信号中边带功率与已调信号总功率之比。,AM1，说明AM信号的功率利用率比较低，载波分量占据大部分信号功率

9、，而含有信息的两个边带占有的功率较小。但AM信号可以采用设备简单、不需本地同步载波信号的包络检波法解调。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,19,5.2 线性调制系统,例：同例5.2.2，求AM信号的功率和调制效率。,PAM(f ),f /Hz,0,-100,25,56.25,2500,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,20,5.2 线性调制系统,单频调制AM信号,设,则,A(t)max=A0+Am,Am,A0,A(t)min=A0-Am,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,21,5.2 线性调制系统,M(f ),f,0,fm,Am/2,SAM(f ),f,0,-f

10、c,A0/2,B=2fm,Am/4,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,22,5.2 线性调制系统,抑制载波的双边带调制DSB-SC,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,23,5.2 线性调制系统,时间波形特点： (1) 在调制信号的过零点处，载波相位出现反相。 (2) 包络不再与基带信号的变化规律保持一致，所以DSB信号不能用包络检波器解调 (包络解调)，只能采用同步解调。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,24,5.2 线性调制系统,DSB信号的频谱,特点： 无载波分量； 带宽为调制信号的2倍。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,25,5.2 线性调制系

11、统,单频调制DSB信号,设,则,上边带 下边带,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,26,5.2 线性调制系统,M(f ),f,0,fm,Am/2,SDSB(f ),f,0,-fc,B=2fm,Am/4,上边带,下边带,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,27,5.2 线性调制系统,单边带调制SSB,单频调制： m(t)=Am cos2fmt,“-”：上边带（USB）；“+”：下边带（LSB）。,推广到任意基带信号m(t),2020年10月,西南交通大学电气工程学院,28,5.2 线性调制系统,用滤波法产生SSB信号,SUSB(f ),f,0,fc+fm,fc,-fc,A/2,

12、2020年10月,西南交通大学电气工程学院,29,5.2 线性调制系统,用相移法产生SSB信号,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,30,5.2 线性调制系统,特点： (1) 节省了发射功率。因为只发射一个边带，相比较其它幅度调制，节约了发射功率。 (2) 减少了占用的信道带宽。SSB信号的带宽BSSB=f m，即与基带信号的带宽相同，比AM和DSB信号的带宽减少了一半。 (3)无载波分量，只能采用同步解调。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,31,5.2 线性调制系统,残留边带调制VSB,残留边带调制是介于双边带调制与单边带调制之间的一种调制方式。通常用滤波法产生，用同步检

13、波器解调。 VSB信号的频谱如图5.2.12(b)所示，图中虚线表示相应的SSB信号的频谱。从中可以发现，VSB信号不像SSB那样完全抑制一个边带，而是残留一小部分(残留部分带宽为fv)。因此，滤波器的边缘特性不要求完全陡峭，实现上比SSB要容易。VSB信号带宽介于DSB和SSB信号带宽之间，即BVSB=fm+fv。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,32,5.2 线性调制系统,图5.2.12 VSB信号的频谱,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,33,5.2 线性调制系统,产生和解调原理,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,34,5.2 线性调制系统,为了保证相干解

14、调的输出无失真地重现调制信号，即Mo(f )与M(f )相同，必须要求 (5-2-11) 式中，C为常数，fm是调制信号的最高频率。式(5-2-11)就是确定残留边带滤波器传输特性HVSB(f )所必须遵循的条件。通常把满足上式的残留边带滤波器特性称为具有互补对称特性。满足上式的HVSB(f )的可能形式有两种：图5.2.14(a)所示的低通滤波器形式和图5.2.14(b)所示的带通(或高通)滤波器形式。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,35,5.2 线性调制系统,图5.2.14 残留边带滤波器特性,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,36,5.2 线性调制系统,调幅系统的

15、相干解调（同步解调）,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,37,5.2 线性调制系统,Sr(f )=SDSB(f ),f,0,fc+fm,fc,-fc,fc-fm,A/2,S (f )， H(f ),f,0,2fc,-fc,fc,A/2,-2fc,A/4,fm,-fm,B,-B,M (f ),f,0,A,fm,-fm,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,38,5.2 线性调制系统,调幅系统的非相干解调（包络检波）,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,39,5.2 线性调制系统,特点比较： 1）相干解调需要与调制载波同频同相的相干解调载波，否则解调有失真； 2）非相干解调

16、只适用于欠调幅和满调幅的AM，对其它调幅方式，可采用载波插入法包络检波； 3）相干解调不存在门限效应，但设备复杂； 非相干解调存在门限效应，但设备简单。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,40,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,分析模型,BPF让已调信号全部通过，同时滤除部分噪声。 n(t)为信道引入的高斯白噪声，ni(t)为通过BPF后的窄带高斯白噪声。 sr(t)为接收到的已调信号，通过BPF后保持不变。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,41,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,输入信噪比,输出信噪比,调制制度增益,抗噪声性能指标：,2020年10月,西南交通大学电气工

17、程学院,42,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,输入噪声功率,f0,Pni(f ),0,f,-f0,n0/2,B,0,f,n0,B,B：BPF的带宽。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,43,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,带通滤波器 （带宽：B；中心频率： f0）,f,fc,fc+fm,fc-fm,AM,f0,f0,f,fc,fc+fm,USB,f,fc,fc-fm,LSB,B=2fm，f0 = fc,B=fm，f0 = fc-fm/2,B=fm，f0 = fc+fm/2,f,fc,fc+fm,fc-fm,DSB,B=2fm，f0 = fc,2020年10月,西南交通大学电气工程

18、学院,44,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,相干解调输出噪声功率,相干解调器中乘法器输出噪声为,低通滤波后得到解调器输出噪声为,则输出噪声功率为,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,45,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,输入信号功率,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,46,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,相干解调输出信号功率,AM和DSB：,SSB：,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,47,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,DSB,相干解调的抗噪声性能,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,48,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,AM,2020年10月,

19、西南交通大学电气工程学院,49,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,SSB,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,50,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,总结比较：,1）假设输入信号功率、噪声功率谱密度、调制信号带宽都相同，分别为Si、 n0 、fm ，则,说明DSB和SSB系统抗噪声性能相同，但所需传输带宽差一倍。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,51,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,2）AM系统的抗噪声性能远差于其它调幅方式。 对相干解调和大输入信噪比时的非相干解调，都近似有,3）所有非相干解调都存在门限效应，即当输入信噪比很小时，输出有用信号都将被噪声全部淹没，导致输出

20、信噪比急剧下降。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,52,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,计算举例 单频调制的AM信号，非相干解调，每个边带功率为10 mW，载波功率为100 mW。n0=510-9 W/Hz。接收机中BPF带宽为10 kHz。 （1）求解调输出信噪比。 （2）若改为DSB调制，在接收机输入信号和噪声功率相同时，输出信噪比提高多少分贝？,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,53,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,解（1）,输出信噪比改善,（2）,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,54,5.4 角度调制,角度调制的基本概念 正弦载波幅度不变，而角度（

21、相位或频率）随调制信号而变化。 频率调制简称调频(FM)，它使载波信号的频率随基带调制信号的瞬时值作线性变化。因此，FM信号是频率随基带信号变化的等幅高频振荡信号。 相位调制简称调相(PM)，它使载波信号的相位随基带调制信号的瞬时值作线性变化。因此，PM信号是相位随基带信号变化的等幅高频振荡信号。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,55,5.4 角度调制,调角信号的时域表达式,Kf：调频系数，rad/(sV),Kp：调相系数，rad/V,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,56,5.4 角度调制,基带信号,调频信号,调相信号,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,57,

22、5.4 角度调制,间接法调频调相 用调相器实现调频；用调频器实现调相,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,58,5.4 角度调制,相关参数,频率偏移：瞬时频率相对于未调载波频率的最大偏移量。（最大频率偏移）,调制指数：瞬时相角相对于未调载波相角的最大偏移量。（最大相位偏移）,（调频指数）,（调相指数）,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,59,5.4 角度调制,单频调制,另设0=0，则,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,60,5.4 角度调制,例5.4.1 已知调角波为,解 (1) (t)=107t+5 cos104t，(t)=5 cos104t,求（1）调制指数m和

23、频率偏移f； （2）如果s(t)是PM信号，且Kp=2rad/V，求基带信号m(t)； （3）如果s(t)是FM信号，且Kf=2000rad/sV，求基带信号m(t)；,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,61,5.4 角度调制,(3) 对于FM有,(2) 对于PM有,所以,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,62,5.4 角度调制,窄带调频（NBFM）,当 m 1时，调频引起的最大瞬时相位偏移远小于/6，调频信号的带宽较小，称为窄带调频。,假设A0=1，则,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,63,5.4 角度调制,特 点： 载波分量、边频分量；线性搬移； 两个边频分

24、量相位相反； 带宽为调制信号带宽的2倍。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,64,5.4 角度调制,f,0,M(f),f,fc,-fc,0,SNBFM(f),A0/2,例：单频调制,-fm,fm,fc+fm,fc-fm,Am/2,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,65,5.4 角度调制,宽带调频（WBFM） 当窄带调频的条件不满足时，称为宽带调频。,（单频调制）,n =0，载波分量,n = 1，1次边频分量,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,66,5.4 角度调制,频谱特点 1）宽带调频信号由载波分量和无穷多个边频分量构成。理论上带宽为无穷大。,2）频谱结构（有哪

25、些分量，各分量的幅度）决定于调制指数m。,3）相对于调制信号，宽带调频信号中有新的频率成分，所以是非线性调制。,4）FM信号的带宽近似由卡森公式确定，即,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,67,5.4 角度调制,调频信号的功率,边带功率,载波功率,FM总功率,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,68,5.4 角度调制,(2)在带宽B=2(m+1)F=4F范围内，包括已调载波分量和 4 次边频分量。,查Bessel函数表得：,例5.4.2 已知某单音调频信号的调频指数m=3，未调载波的 振幅A0=10 V，求 (1) 调频信号的平均功率。 (2) 调频信号在带宽内的有效平均功率

26、。,解： (1)调频信号的平均功率,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,69,5.4 角度调制,直接法调频,间接法调频,调频信号的产生与解调,调相器输出信号频偏较小，倍频器将其载频和最大频偏放大以获得宽带调频信号。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,70,5.4 角度调制,为避免载频过高，将倍频器和混频器配合使用。 混频器实现频率加减，用于降低载频，但不影响频偏和调频指数。,阿姆斯特朗法调频,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,71,5.4 角度调制,非相干解调（鉴频法）,Kd：鉴频器灵敏度，一般取为,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,72,5.4 角度调制

27、,sFM(t),sd(t),m(t),2020年10月,西南交通大学电气工程学院,73,5.4 角度调制,相干解调（只适用于窄带调频）,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,74,5.5 调频系统的抗噪声性能,非相干解调的抗噪声性能,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,75,5.5 调频系统的抗噪声性能,相干解调的抗噪声性能,考虑到对NBFM，B=2fm，因此得到,这就将NBFM和WBFM的调制制度增益计算公式统一了。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,76,5.5 调频系统的抗噪声性能,单频调制时的抗噪声性能,WBFM：,NBFM：,2020年10月,西南交通大学电气

28、工程学院,77,5.5 调频系统的抗噪声性能,调幅与调频性能比较,1）对于WBFM信号，其带宽远大于基带信号带宽，抗噪声性能优于幅度调制。 原因是对于FM信号，在传输中噪声和干扰的影响表现为：引起信号幅度的失真；使FM信号产生附加的频偏(附近调相)。FM信号为等幅信号，解调前可以设置限幅器去掉叠加在信号幅度上的噪声和干扰。而线性调制中信号幅度都携带信息，不能用限幅器。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,78,5.5 调频系统的抗噪声性能,2）因为GWBFM 3m3，并且m可以远大于1，而AM系统的m1。因此FM系统可获得很高的信噪比。此外，由于 B=2(1+m) fm，因此增加传输带

29、宽可改善FM系统的抗噪声性能。 3）非相干FM信号解调存在门限效应，FM通信时，解调器输入端的信噪比不能太低。,结论： 有效性（带宽）：SSBDSB=AMFM 可靠性（抗噪声性能）：AMSSB=DSBFM,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,79,5.5 调频系统的抗噪声性能,计算举例 已知 n0=510-15 W/Hz，信道损耗为60 dB，调制信号为8 MHz的单频余弦信号，若要求解调器输出信噪比为40 dB，比较 调制效率为1/3的标准调幅 和 调频指数为5的调频系统 的带宽和发射功率。,2020年10月,西南交通大学电气工程学院,80,5.5 调频系统的抗噪声性能,则,此外，BAM = 2fm = 16 MHz，则,解(1) 调幅：GAM=2AM=2/3,Ni = n0BAM = 810-8 W,发射功率为 S = Si 106 = 1200 W,则解调器输入信号功率为,2020年1