通信原理 模拟线性调制系统ppt课件.ppt
第5章 模拟线性调制系统,2022/11/25,2,调制的研究对象,问题： 为什么要对信号进行调制？什么是调制？,2022/11/25,3,调制的目的,将消息变换为便于传输的形式。也就是说，变换为某种形式使信道容量达到最大，而且传输更可靠和有效。 提高性能，特别是提高抗干扰性。有效的利用频带。,2022/11/25,4,调制的概念,调制：就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。其中包括调制映射，傅立叶变换(OFDM)，频率搬移等等。数学分析：,2022/11/25,5,调制分类,调制信号：载波信号：调幅：主要内容：原理，频域分析和性能分析,幅度调制,频率调制,相位调制,线性调制非线性调制,2022/11/25,6,内容,模拟线性调制 1. 常规调幅 (AM) 2. 抑制载波双边带调幅 (DSB-SC) 3. 单边带调制(SSB) 4. 残留边带调制(VSB)线性调制和解调的一般模型线性调制系统的抗噪声性能 （） 1. 通信系统抗噪声性能的分析模型 2. 线性调制相干解调的抗噪声性能,2022/11/25,7,5.1 常规调幅 (AM) AM调制,时域表达式调制,直流,调制信号,2022/11/25,8,常规调幅解调,解调-包络检波无失真恢复条件过调幅,2022/11/25,9,调幅指数,调制信号调幅信号调幅指数,2022/11/25,10,确知信号调幅的频域分析,傅立叶变换频域表达式,直流分量,信号分量,2022/11/25,11,随机信号调幅的频域分析,分析方法：功率谱密度函数,2022/11/25,12,常规调幅信号的功率分配,功率组成调制效率：有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率：,2022/11/25,13,当f(t) = Am cos mt 时，代入上式，得到当|f(t)|max = A0时（100调制），调制效率最高，这时max 1/3,2022/11/25,14,常规调幅小结,优点：结构简单，实现容易，适用于广播通信。缺点：功率效率非常低，最大为1/3频谱效率也不高，为信号最高频率的2倍。,2022/11/25,15,5.2 改进一：抑制载波的双边带调幅,信号表达式调制：解调-相干解调,2022/11/25,16,DSB的频域分析,频域分析确知信号：随机信号：频谱：功率效率：,2022/11/25,17,调制效率：100优点：节省了载波功率缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。,2022/11/25,18,5.3 改进二：单边带调幅,原理：频域表示表示式：滤波器：,2022/11/25,19,滤波法的技术难点,滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性。当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。可以采用多级（一般采用两级）DSB调制及边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行DSB调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。,2022/11/25,20,滤波法多级调制,2022/11/25,21,相移法分析,频域表示：频域因果，时域解析时域表示式,2022/11/25,22,希尔伯特滤波器,希尔伯特变换希尔伯特滤波器-宽带相移网络,2022/11/25,23,单边带信号时域表达式,时域关系：滤波器：时域表达式：,2022/11/25,24,单边带信号的相移法产生,相移法产生优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。问题：载波准确相移90所有频率成分相移90宽带相移网络难用硬件实现。,2022/11/25,25,单边带信号的解调,相干解调,2022/11/25,26,SSB信号的实现比AM、DSB要复杂，但SSB调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽度比AM、DSB减少了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。,2022/11/25,27,5.4 改进三：残留边带调幅,原理：频域表示,2022/11/25,28,残留边带滤波器特性,VSB信号解调器方框图图中因为根据频域卷积定理可知，乘积sp(t)对应的频谱为,2022/11/25,29,将代入得到式中M( + 2c)及M( - 2c)是搬移到+ 2c和 -2c处的频谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为,2022/11/25,30,显然，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号m(t)，上式中的传递函数必须满足： 式中，H 调制信号的截止角频率。上述条件的含义是：残留边带滤波器的特性H()在c处必须具有互补对称（奇对称）特性, 相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信号。,2022/11/25,31,残留边带滤波器特性,采用相干解调，解调不失真条件： 要求滤波器特性满足互补对称性。,2022/11/25,32,残留边带滤波器特性的两种形式,残留“部分上边带”的滤波器特性：下图(a)残留“部分下边带”的滤波器特性 ：下图(b),2022/11/25,33,5.5 调幅信号产生的一般模型,原理框图频域表达式,2022/11/25,34,调幅信号的正交产生,时域表达式正交法产生,同相分量,正交分量,2022/11/25,35,调幅信号的产生,双边带调制单边带调制残留边带调制,2022/11/25,36,调幅相干解调,适用于：AM，DSB，SSB，VSB数学分析输入信号：滤波前滤波后,2022/11/25,37,包络检波,适用条件：AM信号，且要求|m(t)|max A0 ，包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如，,2022/11/25,38,插入载波包络检波,适用于DSB，SSB，VSB,2022/11/25,39,5.6 线性调制系统的抗噪声性能,系统模型噪声分类,2022/11/25,40,噪声模型,平稳窄带高斯噪声,瑞利分布,均匀分布,2022/11/25,41,性能评估指标,通信系统的质量指标,2022/11/25,42,模拟调制系统的性能评估指标,解调器输出信噪比定义输出信噪比反映了解调器的抗噪声性能。显然，输出信噪比越大越好。制度增益定义：用G便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能。G 也反映了这种调制制度的优劣。式中输入信噪比Si /Ni 的定义是：,2022/11/25,43,相干解调的抗噪声性能,解调模型数学分析解调前解调后,2022/11/25,44,双边带调幅的抗噪声性能,for DSB，BDSB = 2W，Wo = Wc解调前 输入信噪比解调后 输出信噪比信噪比增益,2022/11/25,45,单边带调幅的抗噪声性能,for SSB，BSSB = W，解调前 输入信噪比解调后 输出信噪比信噪比增益,2022/11/25,46,分析,问题：为什么双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高？双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高是否说明双边带调制的抗噪声性能比单边带调制的更好？,2022/11/25,47,DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除的缘故。因为在SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声中的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善。,2022/11/25,48,应在相同的输入信号功率，相同的输入噪声功率谱密度，相同的基带信号带宽条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比是相等的。这就是说，两者的抗噪声性能是相同的。,2022/11/25,49,AM包络检波的性能,包络检波器分析模型检波输出电压正比于输入信号的包络变化。,2022/11/25,50,输入信噪比计算,设解调器输入信号为 解调器输入噪声为则解调器输入的信号功率和噪声功率分别为输入信噪比为,2022/11/25,51,包络计算由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即式中上式中E(t)便是所求的合成包络。当包络检波器的传输系数为1时，则检波器的输出就是E(t)。,2022/11/25,52,输出信噪比计算_大信噪比情况,大信噪比情况输入信号幅度远大于噪声幅度，即因而式可以简化为,2022/11/25,53,由上式可见，有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别计算它们的功率。输出信号功率为输出噪声功率为故输出信噪比为制度增益为,制度增益,2022/11/25,54,讨论1. AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加。2. GAM总是小于1，这说明包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。3. 例如：对于100%的调制，且m(t)是单频正弦信号，这时AM 的最大信噪比增益为4. 可以证明，采用同步检测法解调AM信号时，得到的调制制度增益与上式给出的结果相同。 5. 由此可见，对于AM调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的性能与同步检测器时的性能几乎一样。,2022/11/25,55,小信噪比情况此时，输入信号幅度远小于噪声幅度，即包络变成其中R(t) 和 (t) 代表噪声的包络及相位：,输出信噪比_小信噪比情况,2022/11/25,56,因为所以，可以把E(t)进一步近似：此时，E(t)中没有单独的信号项，有用信号m(t)被噪声扰乱，只能看作是噪声。这时，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解调器的门限效应。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。,2022/11/25,57,1. 门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。 2. 用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。3. 在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同。但当输入信噪比低于门限值时，将会出现门限效应，这时解调器的输出信噪比将急剧恶化，系统无法正常工作。,讨论,2022/11/25,58,5.7 小结,4种调幅方式常规调幅抑制载波的双边带调幅单边带调幅残留边带调幅模拟线性调制系统的一般模型和解调模拟线性调制系统的抗噪声性能,
