《模拟调制技术》PPT课件.ppt

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1、第2章 模拟调制技术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。,2.1 引言2.2 幅度调制的原理 2.3 线性调制系统的抗操声性能 2.4 角度调制（非线性调制）的原理及抗噪声性能 2.5 各种模拟调制系统的比较2.6 频分复用（FDM）,2.1 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。,2.2 幅度调制的原理,2.2.1 幅度调制的一般模型 幅度调制定义：

2、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。,2.2.2 常规双边带调幅（AM）1.AM信号的表达式、频谱及带宽 条件（在

3、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2.1 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10

4、0AM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，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

5、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，即抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）。,2.2.3 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,

6、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

7、倍。改进招数？,2.2.4 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

8、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。,2.2.5 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

9、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，目前用的最多的是直线滚降和余弦滚降。,几何含义：残留边带滤波器的传输函数在载频附近必须具有互补对称性。图3-15所示的滤波器，可以看作是对截止频率为c的理想滤波器的进行“平滑”的结果，习惯上，称这种“平滑”为“滚降”。显然，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

10、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BVSB、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。,2.3 线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

11、系统的抗噪声性能可靠性研究。,2.3.1 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：,2.3.2 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

12、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Ni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,（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。

13、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制式是相同的。,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

14、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。,2.3.3 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

15、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：在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同；但随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应。同步解调器不存在门限效应。,讨论：小信噪比时调制信号m(t)无法与噪声分开，包络A(t)中不存在单独的信号项m(t)。由于cos(t)是一个随机噪声，因而，有用信号m(t)被噪声所扰乱，致使m

16、(t)cos(t)也只能看作是噪声。这种情况下，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化。通常把这种现象称为门限效应。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。,2.4 角度调制（非线性调制）的原理及抗噪声性能,引言：与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。分类：角调制可分为频率调制（FM）和相位调制（PM）。即载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。,2.4.1 角度调制的基本概念 1.一般表达式,名词：瞬时相位瞬时相位偏移瞬时角频率瞬时角频偏,2.PM调制所谓相位调制

17、，是指是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化，即,调相信号可表示为：,则可得调频信号为,可见：FM和PM非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。,3.PM调制所谓频率调制，是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化，即,2.FM、PM的关系如果将调制信号先微分，再进行调频，则可得到调相信号；如果将调制信号先积分，再进行调相，则可得到调频信号。,可见：调频与调相并无本质区别，两者之间可以互换。,2.4.2 窄带调频与宽带调频 根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（WBFM）与窄带调频（NBFM）。当 时，称为窄带调频。否则，称为宽带调频

18、。1.窄带调频（NBFM）,书上内容很多，自己阅读，或工作中作为参考！,将上式与AM信号的频谱比较很相似,经推导可得NBFM信号的频域表达式：,进行比较，它们的带宽相同，即,对于单频调制的特殊情况，可以得到频谱如下。,2.宽带调频（WBFM）为使问题简化，我们先研究单音调制的情况，然后把分析的结果推广到多音情况。（1）单频调制时宽带调频信号的频域表达设单频调制信号为,则单音调频信号的时域表达式为：,式中：调频指数为：最大频偏：,相应频谱：,式中，Jn(mf)为第一类n阶贝塞尔函数，它是调频指数的函数。可以看出：调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。（2）单频调制时的频带宽度 理论上调频信号的带

19、宽为无限宽。然而实际上各次边频幅度正比于Jn(mf)随着n的增大而减小，因此只要取适当的n值，使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可以近似认为具有有限频谱。,卡森公式：（大于n=mf1次的边频分量，其幅度小于未调载波幅度的10）,（3）调信号的功率 因为，调频信号虽然频率在不停地变化，但振幅不变是个等幅波，而功率仅由幅度决定，与频率无关，故：,（4）任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽,调制信号的最高频率:最大频率偏移:频偏比:,调频信号的产生与解调 1.调频信号的产生（1）直接法 就是利用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。压控振荡器（VCO）：振荡频率由外部电压控

20、制的振荡器。输出频率正比于所加的控制电压，即,（2）间接法,经N次倍频后可以使调频信号的载频和调制指数增为N倍。,2.调频信号的解调（1）非相干解调 最简单的解调器是具有频率-电压转换作用的鉴频器。,输出电压与输入信号瞬时频偏成正比。理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。,理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。则微分器输出,用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出：,Kd称为鉴频器灵敏度。,（2）相干解调-窄带调频,设窄带调频信号为：相干载波：则乘法器输出为：经低通滤波器滤除高频分量，得 再经微分，得输出信号,2.4.4 调频系统的抗噪声性能 调频系统抗噪性能分析与解调方法有关，这

21、里只讨论非相干解调系统的抗噪性能。,1.输入信噪比 设输入调频信号为：,输入信号功率：输入噪声功率：,输入信噪比：,2.输出信噪比及调制制度增益,计算输出信噪比时，由于非相干解调不是线性叠加处理过程，因而无法分别计算信号与噪声功率。,解调器输入波形是调频信号和窄带高斯噪声的混合波形:,经限幅器限幅去除包络起伏后，得鉴频器输入为,此处，V0为常数。对于鉴频器输出信号来说，V0究竟为何值无关紧要，仅关心合成波瞬时相位(t)。可以证明，合成波的瞬时相位为,。,可以看出，以上两式皆是携带信息(t)的和表示噪声的V(t)、(t)的复杂函数。考虑两种极端情况，即大信噪比情况和小信噪比情况。,（1）大信噪比

22、情况,大信噪比:,此时,鉴频器输出,其中,此时，信号和噪声已经分开。,经进一步分析，可得解调器的输出信噪比为：,宽带调频系统制度增益为：,下面考虑单频调制时的情况，设调制信号为：则这时的调频信号为：式中解调器输出信噪比：解调器制度增益：宽带调频时，信号带宽为：,所以：,上式表明:在大信噪比的情况下，宽带调频解调器的制度增益是很高的，与调制指数的三次方成正比。例如，调频广播中常取mf=5，则制度增益=450。可见，加大调制指数mf，可使系统抗噪性能大大改善。,（2）小信噪比情况与门限效应,可知：这时解调器输出中已没有单独存在的有用信号，解调器输出几乎完全由噪声决定，因而输出信噪比急剧下降。这种情

23、况与常规调幅包络检波时相似，称之为门限效应。出现门限效应时所对应的输入信噪比的值被称为门限值（点）。,小信噪比:,此时,对FM系统而言:当未发生门限效应时，在相同输入信噪比情况下，FM输出信噪比优于AM输出信噪比；当输入信噪比降到某一门限（例如，图3-32中的门限值）时，FM便开始出现门限效应；若继续降低输入信噪比，则FM解调器的输出信噪比将急剧变坏，甚至比DSB的性能还要差.,讨论：输入-输出信噪比性能对DSB系统而言:信号同步检测时的性能曲线是通过原点的直线。,2.5 各种模拟调制系统的比较1.各种模拟调制方式总结（见表3-1）,前提：假定所有调制系统具有相等的输入信号功率；噪声背景相同（

24、均值为0、双边功率谱密度为n0/2的高斯白噪声）；基带信号m(t)带宽为fm，且,例如，m(t)为正弦型信号。综前：可总结各种模拟调制方式的信号带宽、制度增益、输出信噪比、设备（调制与解调）复杂程度、主要应用等如表3-1所示。表中还进一步假设了AM为100%调制。,略大于,表3-1 各种模拟调制方式总结,2.各种模拟调制方式性能比较 抗噪性能，WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM与AM接近。频带利用率，SSB最好，VSB与SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。3.各种模拟调制方式的特点与应用,2.6 频分复用（FDM）,1.复用的概念“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。2.复用方式 有三种基本的多路复用方式：频分复用（FDM）、时分复用（TDM）与码分复用（CDM）。3.复用的目的 提高频带利用率。4.FDM的实现思路：带限、调制（频率分配）、合成、信道、分路、解调,5.带宽单边带信号的总频带宽度为：,6.优缺点 优点：是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。缺点：设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。,