第2章 模拟通信技术解析课件.ppt

了解调制的功能与分类掌握AM、DSB、SSB、和VSB的基本原理（信号表达式、频谱及带宽、调制/解调方式）熟悉FM的基本原理（信号表达式、带宽）、FM信号的解调；了解调制通信系统的抗噪声性能；,本章学习要求,第2章 模拟通信技术,2.1 模拟通信系统概述2.2 模拟基带信号传输2.3 线性调制2.4 非线性调制（角调制）2.5 各种模拟通信系统的比较,本章学习要求,了解调制的功能与分类掌握AM、DSB、SSB、和VSB的基本原理（信号表达式、频谱及带宽、调制/解调方式）熟悉FM的基本原理（信号表达式、带宽）、FM信号的解调了解调制通信系统的抗噪声性能,模拟通信系统的基本模型（点对点通信）,电声,声电,第2章 模拟通信技术2.1 模拟通信系统概述2.1.1 模拟通信系统的构成,已调信号(高频信号),电声,声电,A、有线通信：利用导线传送信息的系统。 B、无线通信：利用自由空间传送信息的系统。 C、光纤通信：利用光导纤维传送信息的系统。,模拟通信系统的基本模型（点对点通信）,2.1.2 调制的意义与分类对消息信号进行频谱搬移，使之适合信道传输的要求； 把基带信号调制到较高的频率(一般调制到几百kHz到几百MHz甚至更高的频率)，使天线容易辐射；便于频率分配：为使无线电台发出的信号互不干扰，每个发射台都被分配给不同的频率；有利于实现信道多路复用，提高系统的传输有效性；可以减小噪声和干扰的影响，提高系统的传输可靠性。,2.1.2 调制的意义与分类调制的实质是频谱变换 把携带消息的基带信号的频谱搬移（变换）到较高的频率范围。已调信号应具有两个基本特性：一是仍然携带有消息二是适合于信道传输调制分类：根据调制信号、载波信号及调制器功能的不同，分类方式不同。,调制的分类根据调制信号分类 模拟调制：调制信号是模拟信号的调制；数字调制：调制信号是数字信号的调制。根据载波分类 连续载波调制：以正弦信号作载波的调制；脉冲载波调制：以脉冲序列作载波的调制。载波信号是时间间隔均匀的矩形脉冲。,根据调制器的功能分类 幅度调制：调幅(AM)、脉冲振幅调制(PAM)和振幅键控(ASK)等。频率调制：调频(FM)、脉冲频率调制(PFM)和频率键控(FSK)等。相位调制：调相(PM)、脉冲位置调制(PPM)、相位键控(PSK)等。,根据调制前后信号的频谱结构关系分类 线性调制：输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性关系，如(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)等。非线性调制：输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间没有线性对应关系，即已调信号的频谱中含有与调制信号频谱无线性对应关系的频谱成分，如FM、PM、FSK等。,2.2 模拟基带信号传输 由输入转换器直接产生的低频率电信号，如音频信号等称为基带信号。 基带信号可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输，这种模拟基带信号不经过调制而直接进行传输的通信方式称为模拟基带信号传输，其对应的通信系统叫做模模拟基带通信系统。,什么是基带信号？,图2.2 模拟基带信号传输系统,图2.3 具有压扩器的基带信号传输系统,图2.4 线性调制的一般模型,调制在发送端把基带信号的频谱搬移到给定信道通带内的过程称为调制。线性调制若输出已调信号的频谱和调制信号的频谱呈线性搬移关系的调制称为线性调制。,2.3 线性调制,从模型上可知，已调信号一般可表示为：式中：c表示载波C(t)的角频率 A(t)为瞬时振幅。线性调制分为：双边带调制(DSB)、振幅调制（AM）、单边带调制(SSB)和残留边带调制(VSB),这些不同的线性调制都有各自的特点和相应的应用场合。,2.3.1 双边带调制（DSB）(1)工作原理 在图2.4中，把基带信号m(t)乘以载波C(t)=Accosct就可以实现双边带调制DSB。已调信号SDSB（t）为：,图2.4,式中，A(t)=Acm(t)，它与m(t)呈线性关系，c=2fc。若m(t)的角频率为=2f，则（2.2）式所对应的频谱关系为： 从图2.5（b）中可以直接看出双边带信号的带宽，它是基带信号上限频率fm的2倍，即DSB信号的带宽为：,图2.5 双边带调制的波形及频谱,DSB信号中没有载波成分，DSB信号的功率为：Pm为调制信号的平均功率 不仅是边带功率，同时也是DSB调制系统的调制信号功率，其中 为平均载波功率；DSB信号的总功率就等于边带功率；DSB信号的调制效率可以达到100，即DSB= 1。,（2）DSB信号的产生与解调DSB信号的解调，一般采用同步解调，同步解调又称相干解调。它是通过SDSB(t)信号与C(t)相乘，再通过低通滤波器来实现的。,图2.6 DSB信号同步解调原理框图,S(t)=SDSB(t)C(t),相干载波，与载波同频同相,C(t)cosct，经过乘法器后，可得,接收端所需要的解调信号,高频信号,【例】 同步检波电路中输入信号us(t)是双边带调幅信号，已知us(t)=Usmcos(t)cos(ct)，低通滤波器具有理想特性，写出输出电压表示式。,解：,解调输出电压,高频分量，被低通滤除。,同步检波电路对于DSB 、SSB和AM调幅信号都可进行解调。但AM调幅信号的解调通常采用包络检波电路更简便。,2.3.2 振幅调制（AM）(1)幅度调制的基本工作原理 振幅调制可看成是由一个大的载波成分和双边带信号相加得到。振幅调制信号的表达式为：Ac可看作未调载波的振幅载波频率的初始相位可认为是0。,调制信号,载波信号,图2.7 振幅调制的波形及频谱,根据信号功率的定义，可以得到振幅调制（AM）信号的功率：Pm调制信号的平均功率 载波平均功率，不携带任何信息 为调制信号边带功率，边带功率携带信息。,注意：调制效率AM既与调制信号的波形有关，同时也与调制深度m有关，它们之间的关系式为:当m=1时，正弦调制效率AM1/3。,（2）振幅调制AM的解调AM信号的解调方法主要有两种：同步解调包络检波法,2.3.3 单边带调制（SSB）(1)单边带调制的工作原理单边带调制可分为上边带调制和下边带调制两种。,图2.8 单边带调制信号的频谱,(2)SSB信号的带宽和功率（3）SSB信号的产生与解调 产生SSB信号的方法比较多，常用的有滤波法和移相法。如图9、图10所示。 SSB信号的解调必须采用相干解调（同步解调）。其解调原理和系统构成与DSB的解调基本相同，但SSB信号解调输出信号的振幅要比DSB信号解调输出信号的振幅降低一半。,图2.9 单边带调制模型,图2.10 移相法产生SSB信号,2.3.4 残留边带调制（VSB） 调制时，将基带信号和载波信号相乘后得到双边带信号，关键是后面接的滤波器。接特性为全通网络的带滤波器双边带信号输出；接截止频率为载频的高通或低通滤波器的单边带滤波器单边带信号输出。,图2.11 残留边带（上边带）调制的频谱,VSB它不象单边带那样对不传送的带进行完全抑制，而是使它逐渐截止，使需要被抑制的边带信号在已调信号中保留了一小部分，其频谱如图所示。,2.3.5 线性调制通信系统的抗噪声性能（1）线性调制系统同步解调时的抗噪声性能分析各种线性调制系统的调制制度增益。式中， 为调制信号的平均功率可见：双边带调制制度增益为2，这说明DSB信号解调后输出信噪比So/No增加1倍，即DSB系统信噪比改善了2倍。,调幅波的功率,图2.12 有噪声影响的同步与非同步解调,（2）线性调制系统非同步解调时的抗噪声性能分析在输入大信噪比情况下，AM调制系统的调制制度增益为： 非同步解调都存在一个“门限效应”。即输入信噪比下降到某一值时，它的输出信噪比将随之急剧下降，这个值通常称为门限值。 门限值的大小没有严格的定义，一般可认为门限值为10 dB，在这个门限值以上工作时，检波器的输出信噪比为正常值，而在门限值以下工作时，输出信噪比严重恶化，甚至使系统无法工作。,2.4 非线性调制（角调制）2.4.1 角调制的概念和分类角调制载波的相角受调制信号的控制而变化。调相(PM)：相位调制时，载波的振幅不变，调制信号控制载波的相位，使已调信号的相位按调制信号的规律变换。瞬时相角(t)等于未调载波的瞬时相角加上一个与调制信号m(t)成比例的时变相角，即：c为载波角频率，Kp为比例常数称为调相器的调制灵敏度（rad/V）。,调相波的时域表达式为：调频(FM)：频率调制时，载波的振幅不变，调制信号控制载波的频率，使已调信号的频率按调制信号的规律变化，其瞬时角频率等于未调载波的角频率加上一个与m(t)成比例的时变角频率，即：c为未调载波角频率，kf为调制器的调频灵敏度（Hz/V）。调频波的时域表达式为：,（1）窄带调频和宽带调频,1)窄带调频(NBFM)2)宽带调频(WBFM),根据公式,调角信号实际所占的有效频带宽度：,通常取,BW = 2 (m + 1) F,若 m 1,则,BW 2 F,称为窄带调角信号,若 m 1,则,BW 2 m F,= 2 fm,称为宽带调角信号,复杂信号调制时,角度调制具有抗干扰能力强和设备利用率高等优点，但调角信号的有效频谱带宽比调幅信号大得多。,（2）调频信号的功率 载波频率远大于调制信号的频率时，调频波的疏密变化是缓慢的，所以在调制周期内，调频信号的平均功率就等于未调制时的载波功率：,2.4.2 FM波的产生和解调（1）调频波的产生 通常调频波产生有两种方式：直接调频法(又称参数变值法) 用调制信号直接控制振荡器振荡回路元件的参量，使振荡器的振荡频率受到控制，使它在载频的上、下按调制信号的规律变化。间接调频法(又称为阿姆斯特朗法) 将调制信号积分，然后对载波进行调相，从而获得调频信号。,主要性能指标：,中心频率及稳定度、最大频偏、非线形失真和调制灵敏度。,中心频率：调频信号的载波频率fc。保持中心频率高稳定度是保证接收机正常接收所必需的。,最大频偏：正常调制电压作用下所能产生的最大频率偏移fm,调频信号的频率偏移与调制电压的关系称为调制特性，实际调频电路中调制特性不可能呈线性，而会产生非线形失真。,调制灵敏度：调制电压变化单位数值所产生的频率偏移称为调制灵敏度即（调制特性曲线的斜率），调制灵敏度越高，单位调制电压所产生的频率偏移就越大。,直接调频法：是直接利用压控振荡器进行调频的方法，利用变容管组成压控振荡器，使压控振荡器的瞬时频率随调制信号的变化而呈线性变化。,特点：原理简单，频偏较大，但中心频率不易稳定。应用：广泛使用在小型调频电台中。,图2.13 直接调频法原理框图,（1）变容二极管直接调频电路,提供变容管的反向偏压,隔直电容,高频扼流圈，对高频开路、对调制信号短路,调制信号,变容管结电容,振荡回路由电感L和变容管结电容Cj组成,（2）晶体振荡器直接调频电路,电路中晶体当等效电感元件用。工作频率在 fq 和 fp 之间。,两个谐振频率十分接近。,频偏小，但中心频率稳定度高。,C0是晶片的静态电容，相当于平板电容，即由晶片作介质，镀银电极和支架引线作极板构成。几十几pF 。,Lq、Cq、rq为晶片振动时的等效动态电感、电容和摩擦损耗。 Lq很大，几十几百mH； Cq很小，百分之几pF； rq 为几几百欧。,石英谐振器Q值很高，且性能很稳定，因此有很高的回路标准性。,（b）基频等效电路,（c）含泛音频率的等效电路,fs 串联谐振频率,fp 并联谐振频率,串联谐振频率,并联谐振频率,通常,所以,石英谐振器只在 之间的很窄频率范围内呈感性，且感抗曲线很陡，故当工作于该区域时，具有很强的稳频作用。一般不用电容区。,间接调频法：是先用调制信号产生一个窄带调频信号，然后将窄带调频信号通过倍频器得到宽带调频信号。,特点：调制不在振荡器中进行，易于保持中心频率的稳定，但不易获得大的频偏。,图2.14 间接调频法原理框图,间接调频基本原理,Umcos(ct),设：调制信号u (t) =Umcos(t),间接调频的关键是调相,调频信号的解调是要产生一个输出幅度与输入调频波的频率呈线性关系的信号。完成频率/电压转换的电路称为频率解调器。1) 斜率鉴频解调图2.15 鉴频器原理框图FM波经微分器之后变成了调频调幅波,（2）调频波的解调,2) 反馈解调频率负反馈解调,图2.16 频率负反馈解调器原理框图,锁相环解调,图2.17 锁相环解调器原理框图,锁相鉴频电路,工作原理：输入为调频信号，当环路锁定后，压控振荡器的振荡频率就精确地跟踪输入调频信号的瞬时频率而变化，产生具有相同调制规律的调频信号。只要压控振荡器的频率控制特性是线性的，压控振荡器的控制电压uc(t) 就是输入调频信号的原调制信号。,锁相环路的捕捉与跟踪过程,由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差称为环路捕捉带，用p表示。,若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪过程。能够保持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为同步带（又称跟踪带），用H表示。,捕捉过程：失锁 锁定,跟踪过程：锁定 维持锁定,锁相环路根据初始状态的不同有两种自动调节过程：,当 wi 从低频至高频缓慢变化时,wi,失锁,锁定,wb,失锁,当 wi 从高频至低频缓慢变化时,wc,锁定,wd,捕捉带,同步带,wP,wH,通常捕捉带小于同步带,2.4.3 调频系统的抗噪声性能分析图2.18 FM非相干解调的原理框图只有在大信噪比的条件下作某些近似处理，才能把输出的信号与噪声分开，这样可求出调频信号的制度增益为：,2.4.4 加重技术图2.19 鉴频器输出噪声功率谱图2.20 调频系统中的预加重和去加重技术,预加重和去加重的工作原理：由于调频通信系统输出噪声功率谱呈向上开口抛物线形状，即噪声随频率升高而迅速增大，如果在调频系统输出端外接一个网络，设传输函数为HR(f)，该网络在输出信号频带内，其传输函数随频率增大而滚降，称为去加重网络。接入去加重网络，使高频端的输出噪声进一步衰减，则总的噪声功率就可以减小。由于接入去加重网络，会使传输信号产生频率失真，为了补偿由去加重网络而产生的频率失真，可在调频通信系统的发送端接入一个预加重网络，其传输函数为 ，以均衡去加重网络产生的频率失真。这样在保证输出信号不变的要求下，输出噪声得到降低，提高了输出信噪比。,2.5 各种模拟通信系统的性能比较图2.21 各种调制方式时S0/N0与Si/Ni的关系,本章小结,模拟调制有线性调制和非线性调制两类。线性调制包括(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)和残留边带调制（VSB）；非线性调制有调相（PM）和调频（PM）。AM完全传输载波功率和上下两个边带的功率，其带宽为调制信号带宽的两倍，在功率和带宽上都比较浪费，调制效率不高，是一个小于1倍的数。但AM信号的产生和解调都比较简单，所以仍被广泛使用。,DSB信号中没有载波成分，所以DSB调制效率能达到100%，即DSB=1。可以利用平衡调制器或环形调制器产生DSB信号，解调时使用相干解调。DSB信号的带宽同样为调制信号带宽的2倍。SSB调制只采用信号的上边带或下边带传送信息，带宽比DSB信号减少了一半，其调制效率同样可达到100%。SSB信号可采用鉴频法或鉴相法来产生，解调时采用相干解调。残留边带调幅VSB方式的特点是一个边带完全被传输，另一个边带的一些“余迹”也被传输，其性能介于DSB和SSB之间，适于以单边带的方式传输低频分量交丰富的信号，如电视信号和宽带数据信号等。,FM波的产生有直接法和间接法两种，对FM波的解调一般采用相干解调。其带宽一般都大于2倍的调制信号带宽。FM波是等幅波，其功率由载波振幅决定，与调制信号m(t)无关。在输入信号功率相同和输入背景噪声也相同的条件下，调频系统的抗噪声性能大大优于双边带调制系统。但调频系统输出端信噪比的提高是以牺牲带宽为代价换取的。,习题2,什么叫线性调制和非线性调制，它们之间有什么本质区别？试述振幅调制AM、双边带调幅DSB、单边带调制SSB和残留边带调制VSB的特点？试述什么叫同步解调与非同步解调？它们之间的区别是什么？同步解调主要用在哪些调制系统中？有哪些措施可以改善线性调制系统和非线性调制系统的抗噪声性能？,试比较DSB和SSB调制的特点，为什么SSB系统的性能通常会比DSB系统的要好？为什么说PM和FM在本质上没有什么区别？。什么叫窄带调频和宽带调频，它们的带宽如何确定？产生调频信号的方法有几种，它们分别是什么，各有什么特点？若一个1KHz的正弦波对10MHz的载波进行调频，产生2KHz的频率偏移。求调频信号的带宽？若把调制信号改为2KHz和4kHz，调频带宽又为多少？,对调频信号的解调有几种方式，它们分别是什么，各有什么优点？什么叫预加重和去加重，加重技术为什么广泛使用在调频系统中，其他调制系统是否可以采用？为什么宽带调频系统的抗噪声性能要比一般线性调制系统的优越？什么叫调制系统的制度增益？怎样用它衡量一个通信系统的性能指标？试写出各类线性调制系统和调频系统的制度增益。,调幅波的功率,载波分量功率,边频分量功率：,调幅波在调制信号一个周期内的平均功率：,单频调制时AM调幅波的功率：,当调幅波处于包络峰值时，高频输出功率最大，称为调幅波最大功率，也称峰值包络功率。即,当 ma = 1时，边频功率最大，但仅为PAV / 3。实际使用中， ma 在0.11 之间，平均值为0.3。可见普通调幅波中边频分量所占功率非常小，而不携带信息的载波占去很大比例。,斜率鉴频器,LC并联谐振回路谐振频率f0调离调频波的中心fc。,当加到LC并联回路的调频信号频率随时间变化时，回路两端电压的振幅也随时间产生相应的变化。利用LC并联回路谐振曲线的下降（上升）部分，使等幅的调频信号变成调幅-调频信号。,采用振幅检波器，可得到原调制信号uo(t)。,标准调幅波（AM）信号的波形,调制信号载波信号已调信号,u(t) = U m cos ( t ),(t),= c+ m cos( t ),附加相移与调制信号相位相差90o,瞬时角频率与调制信号变化规律一致。,u(t) = U m cos ( t ),附加相移与调制信号变化规律一致。,PAM PDM PPM信号波形,用二进制（多进制）数字信号作为调制信号去控制载波某些参量的变化，这种把基带数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。,上边带,下边带,上边带和下边带频谱分量的相对大小及间距均与调制信号的频谱相同，仅下边带频谱倒置而已。可见调幅的作用是将调制信号频谱不失真地搬移到载频两侧。,复杂信号调制时调幅波频谱,双边带调幅信号,抑制载波、只发送含有信息的上、下边带的调幅信号称为双边带调幅信号，用DSB表示。,则,若,