通信原理CH2模拟线性调制课件.ppt
1,第二章 模拟线性调制,2,主要内容和重点,调制分类调制、解调模型和方法AM、DSB、SSB、VSB抗噪声性能分析AM、DSB、SSB、VSB,3,2.1 引言,点-点通信系统,通常假定为理想恒参信道：,信道的数学模型：r(t)=c(t)s(t)+n(t),4,问题：,为什么要对信号进行调制？什么是调制？,2.1 引言,5,对无线传输信号而言，信号需要通过发射天线发送出去。根据天线理论，发射天线的尺度与信号的波长满足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射。即,如：,因此，GSM手机的工作频段规定在 9001800MHz,A.便于信号的发送（频谱搬移）,2.1 引言,6,B.提高信道的利用率,以无线电广播的中波波段为例：可用波段范围为530KHz1600KHz，而语音信号的频率范围为3003400Hz，经调制后每一个广播电台频道的带宽为9KHz,530KHz,1600KHz,300 9000,这样中波波段中就可以均匀分布多个电台!,上述即为频分复用，它通过不同载波频率的调制完成,只传输一路信号。浪费！,7,7,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，频率搬移等等。,频率搬移,数学分析,8,2.1 引言,调制分类正弦（连续波）调制：脉冲调制：C(t)：脉冲周期信号复合调制：对同一载波同时进行多种方式（幅度、频率、相位）的调制过程多级调制：对同一基带信号进行多次调制的过程,幅度调制,频率调制,相位调制,线性调制非线性调制,9,2.1 引言,调制分类正弦调制：C(t)=cosct 模拟调制：m(t)为模拟信号，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM数字调制：m(t)为数字信号，如ASK、FSK、PSK等脉冲调制：C(t)为脉冲周期信号脉冲无编码调制用模拟信号m(t)改变脉冲的幅度(PAM)、宽度(PDM)、相位(PPM)脉冲编码调制(PCM)用脉冲串对模拟信号m(t)抽样、量化、编码为PCM信号增量调制(DM)m(t)为模拟信号，根据两相邻采样信号之差来进行编码脉冲数字调制m(t)为数字信号，常用多进制脉位调制,10,2.2 调制/解调系统原理,主要内容一般调制方法AM的调制解调方法DSB的调制解调方法SSB的调制解调方法VSB的调制解调方法,11,2.2 调制/解调系统原理一般调制方法,调制方法：滤波法 不同的H(f)DSB、SSB、VSB、AM 频谱分析,线性调制的一般模型,12,2.2 调制/解调系统原理一般调制方法,频谱分析（续）,13,2.2 调制/解调系统原理一般调制方法,频谱分析示意图DSB、AM,14,2.2 调制/解调系统原理AM,AM信号的产生时域表达式：SAM(t)=A+m(t)cosctH(f)：理想带通 AM信号频谱：S(f)AM信号带宽：BAM=2fH,15,AM的解调方法包络检波：要求 A+m(t)0 相干解调,隔直,2.2 调制/解调系统原理AM,16,相干解调（续）频谱示意图,2.2 调制/解调系统原理AM,17,波形特点：已调波包络完全反映调制信号变化规律频谱特点：AM信号的频谱SAM()由载频分量和上、下两个边带组成上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像带宽：AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽Bb的两倍，即BAM=2Bb,2.2 调制/解调系统原理AM,18,功率分配：,式中，PC为载波功率，PS为边带功率 可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分，只有边带功率才与调制信号有关，载波分量不携带信息载波分量占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有功率较小。因此，从功率上讲，AM的功率利用率比较低,AM信号的缺点：功率利用率比较低；(不携带信息的载波分量占据大部分功率总功率)占用频带宽，BAM=2Bb。(含有用信息的两个边带)克服措施：将载波抑制掉再传输 抑制载波的双边带调制,2.2 调制/解调系统原理AM,19,2.2 调制/解调系统原理DSB,DSB（或DSB-SC）信号的产生 SDSB(t)=m(t)cosct,20,DSB信号的波形和频谱,21,由时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调(同步检波)。另外，在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180的突变 由频谱图可知，DSB信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，因此它们都携带了调制信号的全部信息,22,DSB信号的缺点：占用频带宽，BDSB=2Bb。(含有两个完全相同的边带)克服措施：将只传输一个边带 单边带调制,23,解调不能用包络检波法解调相干解调：同AM,2.2 调制/解调系统原理DSB,24,2.2 调制/解调系统原理SSB,SSB信号的产生方法H(f),25,2.2 调制/解调系统原理SSB,SSB信号的时域表达式 下边带带通滤波器可表示为,26,2.2 调制/解调系统原理SSB,SSB信号的时域表达式（续）,27,载波为cosct,是m(t)的希尔伯特变换,2.2 调制/解调系统原理SSB,SSB信号的时域表达式（续）,sinct是cosct的希尔伯特变换,28,同理,载波为cosct,2.2 调制/解调系统原理SSB,SSB信号的时域表达式（续）,29,2.2 调制/解调系统原理SSB,SSB信号的时域表达式（续）当载波为sinct时,式中系数1/2可为任一常数,30,2.2 调制/解调系统原理SSB,SSB信号的产生相移法：根据时域表达式,载波为cosct,31,解调相干解调：同AM插入强载波+包络检波,2.2 调制/解调系统原理SSB,32,强载波Acosct的获取方法 发端插入导频acosct，收端提取acosct后，放大得Acosct，Aa不发导频，收端的振荡器输出Acosct作为强载波语音单边带允许 15Hz,2.2 调制/解调系统原理SSB,33,33,综上所述：SSB调制方式在传输信号时，所占用的频带宽度为BSSB=Bb，只有AM、DSB的一半，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调,SSB信号的缺点：对边带滤波器的滤波性能要求很高，实际制造这样的滤波器非常困难 克服措施：对一个边带进行逐渐截止 残留边带调制,34,DSB、SSB和VSB信号的频谱,35,VSB调制/解调系统 fL很小时，无法用滤波器得到SSB信号，只能得到VSB信号,2.2 调制/解调系统原理VSB,36,2.2 调制/解调系统原理VSB,H(f)=GT(f)C(f)GR(f)对H(f)的要求：H(f+fC)+H(f-fC)=C，|f-fc|fH即H(f)在fc两边互补对称,证明:,37,当,2.2 调制/解调系统原理VSB,38,2.2 调制/解调系统原理VSB,39,2.2 调制/解调系统原理VSB,40,显然，满足这种要求的滚降特性曲线并不是惟一的，而是有无穷多个只要残留边带滤波器的特性HVSB()在c处具有互补对称（奇对称）特性，那么，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号,2.2 调制/解调系统原理VSB,41,2.2 调制/解调系统原理VSB,VSB的插入强载波包络检波解调法（电视）,线性调制含义：将m(t)频谱线性放大，再搬移到fc两边,42,讨论：,若收发两端的载波不能做到同频或者完全同相，结果如何？还可以完全恢复出基带信号吗？,2.2 调制/解调系统原理VSB,43,试分析其对解调结果的影响,解：解调器模型为,相乘输出,44,经LPF后得到,讨论,分别设以下两种特殊情况：,45,当两端的载波只有频率误差时，解调输出仍为双边带调幅信号，但该信号的载波角频率为，输出信号产生明显失真,影响也都存在，从而不同程度的影响了通信的质量,46,46,线性调制的一般模型,47,线性调制信号的正交产生,时域表达式正交法产生,同相分量,正交分量,48,双边带调制单边带调制,2.2 调制/解调系统原理VSB,49,解调：在通信系统的接收端从已调信号中恢复出基带信号的过程 从频域上看，解调就是将调制时搬移到载频附近的调制信号频谱再搬回到原来的基带范围内,线性调制系统的解调,相干解调：利用已调信号的相位变化来恢复调制信号将调幅波与本地载波相乘非相干解调：从已调信号的幅度变化中提取调制信号,50,50,线性调制系统的相干解调,适用于：AM，DSB，SSB，VSB数学分析输入信号：滤波前滤波后,51,51,插入载波包络检波,适用于DSB，SSB，VSB,加入载波后的信号Sa(t)=SI(t)+Adcoswct+SQ(t)sinwct=A(t)coswct+(t),52,2.3 抗噪声性能,主要内容和重点线性调制系统的抗噪声性能 AM、DSB、SSB的相干解调抗噪声性能AM、DSB、SSB的性能比较门限效应：包络检波,53,2.3 抗噪声性能,线性调制系统的抗噪声性能 AM、DSB、SSB相干解调的抗噪性能 BPF的带宽W等于信号带宽B，Bfc ni为窄带白噪声,54,54,噪声分类,来源于闪电 各种工业火花 电器开关,来源于电阻热噪声 天体辐射 电子运动,55,55,噪声模型,平稳窄带高斯噪声,瑞利分布,均匀分布,56,56,解调模型数学分析解调前解调后,57,ni(t)=nc(t)cos0t-ns(t)sin0t AM、DSB中 f0=fc SSB中 f0fc带通滤波器输出信噪比即解调器输入信噪比()i 解调器输出信噪比()o 制度增益 G=,2.3 抗噪声性能,58,2.3 抗噪声性能,以SSB为例说明分析过程,59,2.3 抗噪声性能,SSB的抗噪声性能分析（续）,60,2.3 抗噪声性能,SSB的抗噪声性能分析（续）可见,61,61,对于相干解调：低通、隔直（即在AM相干解调过程中，需注意，这里的LPF不仅滤掉了高频成份，同时也滤掉了直流成份。由于直流成分即不是信号，也不是噪声，所以在分析噪声性能时不考虑。）,AM,AM,62,模拟线性调制系统(AM、DSB、SSB、VSB)相干解调的性能比较：,2.3 抗噪声性能,63,模拟线性调制系统(AM、DSB、SSB、VSB)相干解调的性能比较（续）可靠性（按优劣顺序）：FM、SSB(DSB)、AMVSB的可靠性，无分析结论有效性（按优劣顺序）：SSB、VSB、AM(DSB)、FM虽然 GSSB=1、GDSB=2，但BDSB=2BSSB，故两者输出信噪比相同,2.3 抗噪声性能,64,包络检波的门限效应 1时，包络检波的可靠性同相干解调 1时，出现门限效应,2.3 抗噪声性能,65,当 A+m(t)ni(t)时，E(t)A+m(t)+nc(t)mo(t)=m(t)，no(t)=nc(t)可得:,2.3 抗噪声性能,66,66,小信噪比情况：A+m(t)nc(t),在包络检波器的输出端没有单独的信号项。有用信号被扰乱，解调器输出只能看作噪声门限效应！,所谓门限效应，是指当包络检波器的输入信噪比降低到一个特定的数值后，检波器输出信噪比急剧恶化的一种现象，即在小信噪比情况下，包络检波器会把有用信号扰乱成噪声。,注：用相干解调的方法解调各种线性调制信号时，由于解调过程可视为信号与噪声分别解调，故解调器输出端总是单独存在有用信号项。因此相干解调不存在门限效应。,67,当 A+m(t)ni(t)时，解调器的输出端得不到独立的信号,2.3 抗噪声性能,68,68,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？,69,69,练习,设模拟调制系统信道和接收端模型如下图所示。已知信道噪声n(t)为加性高斯白噪声，单边功率谱密度为n0=10-6W/Hz；sm(t)为已调信号，载波频率fc=1MHz，对应的调制信号m(t)的最高频率为fH=5KHz。带通滤波器为理想。试分别计算DSB（Si=1kW，相干解调）、USB（Si=1kW，相干解调）、AM（两边带功率Pf=1kW，载波功率Pc=4kW，包络检波）三种情况下的下列参数：1.带通滤波器的中心频率f0、带宽B；2.解调器输入端信噪比Si/Ni；3.信噪比增益G；4.解调器输入端信噪比S0/N0；,70,70,DSB：,(1)f0=fc=1MHz,B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10 x103=10mW Si/Ni=1x103/10-2=105(3)G=2(4)S0/N0=G x Si/Ni=2x105,71,71,USB：,(1)f0=fc+fH/2=1.0025MHz,B=fH=5kHz(2)Ni=n0B=10-6x5x103=5mW Si/Ni=(1x103)/(5x10-3)=2x105(3)G=1(4)S0/N0=G x Si/Ni=2x105,当Si，n0，fH相同时，(S0/N0)DSB=(S0/N0)SSB,72,72,AM:,(1)f0=fc=1MHz,B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10 x103=10mW Si=Pc+Pf=(4+1)kW=5kW Si/Ni=5x103/10-2=5x105(3)AM=Pf/(Pc+Pf)=1/(4+1)=0.2 GAM=2 AM=0.4(4)S0/N0=G x Si/Ni=0.4x5x105=2x105,73,73,复习思考题,1、什么是线性调制？常见的线性调制方式有哪些？2、与未调载波的功率相比，AM信号在调制过程中功率增加了多少？3、为什么要抑制载波？相对AM信号来说，抑制载波的双边带信号可以增加多少功效？4、SSB信号的产生方法有哪些？各有何技术难点？5、VSB滤波器的传输特性应满足什么条件？为什么？6、如何比较两个模拟通信系统的抗噪声性能？7、DSB和SSB调制系统的抗噪声性能是否相同？为什么？8、什么是门限效应？AM信号采用包络检波时为什么会产生门限效应？,74,作业：,1、若对某一信号用DSB进行传输，设加至接收机的调制信号m(t)的功率谱密度为试求：（1）接收机的输入信号功率；（2）接收机的输出信号功率；（3）若叠加于DSB信号的白噪声具有双边带功率谱密度为n0/2，设解调器的输出端接有截至频率为fm的理想低通滤波器，那么，输出信噪功率比为多少？,75,作业：,2、设调制信号m(t)的功率谱密度与上题相同，若用SSB调制方式进行传输，试求：（1）接收机的输入信号功率；（2）接收机的输出信号功率；（3）若叠加于SSB信号的白噪声具有双边带功率谱密度为n0/2，设解调器的输出端接有截至频率为fm的理想低通滤波器，那么，输出信噪功率比为多少？（4）该系统的调制制度增益G为多大？,76,作业：,3、设被接收的调幅信号为Sm(t)=A+m(t)cosct，采用包络检波法解调，其中m(t)的功率谱密度与题1相同，若一双边功率谱密度为n0/2噪声叠加于已调信号，试求解调器输出的信噪功率比。,77,作业,77,(a),(b),4.某调制方框图如图（a）所示，已知m(t)的频谱如图（b）所示，载频，且理想低通滤波器的截止频率为，试求输出信号S(t)，并说明S(t)为何种已调制信号。,
