[信息与通信]模拟调制系统.ppt

教学提示,在此之前，我们为通信系统的讨论提供了必要的数学基础，即信号分析和随机理论，有了这些工具之后，就可以转入本课程的第二部分内容，即中心内容，开始讨论通信系统的实质问题：有效性和可靠性的问题。具体涉及的问题就是调制和解调的问题。,（1）信号的时域表达式和时域波形；（2）频谱表达式和频谱图；（3）解调方式；（4）抗噪声性能。,5.0 引 言,由信源产生的的原始信号一般不能在大多数信道内直接传输，因此需要经过调制将他变换成适于在信道内传输的信号.调制的定义：把输入信号变换为适合于通过信道传输的波形 广义的调制分为基带调制和带通调制(也称载波调制)载波调制:就是用调制信号去控制载波的参数的过程,即使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化.调制信号:来自信源的消息信号(基带信号),这些信号可以是模拟的,也可以是数字的.载波:未受调制的周期性震荡信号,它可以是正弦波,也可以是非正弦波(如周期性脉冲序列).已调信号:载波调制后的信号,它含有调制信号的全部特征.解调(也称检波):调制的逆过程,其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来,一、调制的功能1、频率变换：为了采用无线传送方式，如将（0.33.4KHz）有效带宽内的语音信号调制到高频段上去。2、实现信道复用：例如将多路信号互不干扰的安排在同一物理信道中传输。3、提高抗干扰性：抗干扰性（即可靠性）与有效性互相制约，通常可通过牺牲有效性来提高抗干扰性，如FM替代AM。,二、调制的分类调制方法可以从以下几个角度进行分类。,调制器模型,1、按信号m(t)的不同分：模拟调制，特点：m(t)是连续信号。数字调制，特点：m(t)是数字信号。,2、按载波信号c(t)不同分：连续波调制，特点：c(t)连续，如c(t)=cosct；脉冲调制，特点：c(t)为脉冲，如周期矩形脉冲序列。,3、按调制器功能的功能分：幅度调制，特点：用:m(t)改变c(t)的幅度，如AM，DSB，SSB，VSB。频率调制，特点：用:m(t)改变c(t)的频率，如FM。相位调制，特点：用:m(t)改变c(t)的相位，如PM。,4、按调制器传输函数来分：线性调制，特点：调制前、后的频谱呈线性搬移关系。非线性调制，特点:调制后产生许多新成份。,其中：A 为常数；有时为了分析方便，令其为1；c 为载波角频率；0 为载波相位；有时为了分析方便，令其为0；m(t)为消息信号，即基带信号，也称为调制信号。Sm（t）为已调信号。,5.1 幅度调制(线性调制),若正弦载波信号为则调制后的信号为,若消息信号的频谱为M()，则已调信号的频谱为：,1、振幅调制（AM）所谓的标准调幅就是指输入的调制信号除了来自消息的基带信号外，还包含了直流信号A0，总的输入信号为A0+m(t)，而h(t)为理想的带通滤波器，这样调制后输出信号便既含载波分量又含有边带分量的标准调幅信号。m(t)为调制信号中的交流分量,且|m(t)|1.,1）AM调制数学模型 2）数学表达式 假设调制信号m(t)的平均值为0,将其叠加一个直流偏量A0后与载波相乘,即可形成调幅信号.SAM(t)=A0+m(t)cosct,m(t),由于|m(t)|1,所以SAM(t)的包络不小于0,即包络不可能为负值.,AM信号的波形和频谱,由波形图知AM信号有以下特点：（1）、幅度调制：AM信号的包络是随着信号呈线性关系变化的，所以它是幅度调制。（2）、频率未变：已调波的波形疏密程度相同，也就是说载波仅仅是幅度受到了调制，频率没有发生变化。（3）、调幅条件：如果A不够大，已调信号的包络不一定与m(t)成正比，将出现这样无法采用包络检波的方法检出其包络，通常我们称这种现象为过调。,保证不过调的条件为：,所以线性调幅的条件为：,为了衡量标准调幅的调制程度，定义调制指数为,3）、调制效率AM信号在1欧姆电阻上的平均功率等于sAM(t)的均方值.当m(t)为确知信号时,sAM(t)的均方值等于其平方的时间平均,即式中:由此可见,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,也就是说,载波分量并不携带信息.,调制效率当调制信号为单音余弦信号时,即 时,在“满调幅”（时，也称100%调制）条件下，这时调制效率的最大值为,2、AM信号的频域表示及频谱图,离散的载波分量;频谱位置低于载频的边带称为上边带;频谱位置高于载频的边带称为下边带;,上边带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.AM信号是带有载波分量的双边带信号,带宽是基带带宽的2倍,3、AM信号的解调 由调幅信号的波形不难看出,调幅信号包络的形状和调制信号的波形一样.所以在接收端解调时,用包络检波法就能恢复出原调制信号.由于低通滤波器可以通过直流分量,所以在其输出端接一个隔直流电路(用一个电容表示),以除去整流器输出中的直流成分.AM信号波形的包络与基带信号成正比，所以AM信号的解调既可采用非相干解调（包络检波），也可采用相干解调。,4、AM系统的特点及其应用优点：解调方便（包络检波），系统结构简单，价格低廉缺点：占用频带宽，（消息信号的两倍），调制效率低（发射功率大）应用：广播。,5.1.2双边带调制（DSB）,若调制信号没有直流分量,则在相乘器的输出信号中将没有载波分量.这时的调制信号频谱中包含有两个边带,且这两个边带包含相同的信息,称为双边带调制,全称为双边带抑制载波调制.DSB的时域表达为DSB信号的频域表达式,DSB信号特点（1）与AM信号比较，因为不存在载波分量，DSB信号的调制效率是100%，即全部功率都用于信息传输。幅度减半，带宽加倍；时间波形（2）但由于DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因此不能采用简单的包络检波来恢复调制信号。,（3）DSB信号解调时需采用相干解调，也称为同步检波设接收的DSB信号为,并设接收端的本地载波的频率和相位都有一定的误差,即设其表达式,则两者相乘后的乘积为:,低通滤波器滤除,解调输出信号为:,时域,频域,4.4单边带调制（SSB）,由于双边带调制中边带包含相同的信息,没有必要一定传输这两个边带.所以可以利用线性调制器中的滤波器将其中一个边带滤掉,只传输另一个边带.-单边带调制 为了实际上能用滤波器将上下边带分开，考虑到滤波器的边缘不能非常陡峭，故要求调制信号的频谱中不能有太低的频率分量。,SSB信号的产生(1)滤波法:在调制器中采用一个传输特性HL(f)的低通滤波器可以得到下边带信号；而采用一个传输特性为HH(f)的高通滤波器可以得到上边带信号。图中，H()为单边带滤波器的传输函 数，若它具有如下理想高通特性：则可滤除下边带,保留上边带。若具有如下理想低通特性：则可滤除上边带,保留下边带。,SSB信号的产生,(2)相移法相移法是利用相移网络，对载波和调制信号进行适当的相移，以便在合成过程中将其中的一个边带抵消而获得SSB信号。相移法不需要滤波器具有陡峭的截止特性，不论载频有多高，均可一次实现SSB调制,基础知识-希尔波特（Hilbert）变换 1)、定义：将一个信号波形中的全部频率分量相移-90后所得的时间信号就叫做原信号的希尔波特变换f(t)。2）、Hilbert变换的性质:（1）、信号和它的希尔波特变换具有相同的能量谱密度或相同的功率谱密度。推论：（2）、信号和它的希尔波特变换的能量(或功率)相同。（3）、信号和它的希尔波特变换具有相同的自相关函数。（4）、信号和它的希尔波特变换互为正交。,求解SSB时域表达式：,可以看成 相移90的结果，而幅度大小保持不变。则有,SSB信号的解调单边带信号在解调时也需加入载波，用载波与单边带信号相乘，从而恢复出原基带信号。上述过程相当于在频域中载波频谱和信号频谱相卷积。现以上边带信号的解调为例。用低通滤波器滤波后就能得到所 需解调后的基带信号频谱,SSB的特点及应用优点：具有最窄的传输带宽，信道利用率最高；缺点：（1）电路实现复杂，技术要求高（2）解调时同步误差要小应用：（1）载波通信和微波多路通信，（2）保密通信（运用频谱倒置）。,5.1.4 残留边带调幅（VSB）,SSB信号:功率和频带利用率方面具有优越性,但是在接收端解调时需要有与发送端同频同相的本地载波,才能将单边带信号的频谱搬移到正确的基带位置.在发送端为了滤出单边带信号,要求滤波器的边缘很陡峭,有时很难做到.VSB信号:残留边带调制信号的频谱介于双边带和单边带信号之间,并且含有频率分量.故能克服上述SSB调制的缺点.它适合用于包含直流分量和很低频率分量的基带信号,目前在电视信号广播系统中得到了广泛应用.,5.1.4 残留边带调幅（VSB）,VSB调制仍然属于线性调制,所以线性调制器依然如下图所示,只是其中的滤波器特性应该做相应的修改.相乘器输出信号频谱表示式为:设产生残留边带信号的滤波器的传输特性为.在经过其滤波后得出的VSB信号s(t)的频谱应为:,(1),残留上边带,残留下边带,现在来求VSB调制器中滤波器传输函数 应满足的条件若仍用上图的调制方法,则信号s(t)和本地载波 相乘后,乘积r(t)的频谱将是 平移 的结果,即r(t)的频谱为:将式(1)代入上式中,得到r(t)的频谱为:红圈部分可被低通滤波器滤除,所以滤波后输出的解调信号为:为了无失真地传输,要求:由于 为基带调制信号的频谱密度函数,它的最高频率分量为,即有:所以,式(2)可以写成:,常数,(2),5.1.4 残留边带调幅（VSB）,只要滤波器的截止特性对于载波频率具有互补的对称性就可以了,5.2线性调制系统的抗噪性能,一、准备知识 考虑加性高斯白噪声,系统的抗噪声性能 n(t)是高斯白噪声，功率谱密度为n0/2。BPF作用：滤除已调信号频带以外的噪声.信道内高斯噪声n(t)经过BPF后，形成窄带噪声ni(t)。,BPF,调制器,解制器,m(t),sm(t),n(t),h(t),m0(t),ni(t),式中 B是理想带通滤波器的带宽，即已调信号带宽，也是解调器输入端的噪声带宽；,sm(t),n0(t),评价模拟通信系统的质量性能指标用输出信噪比：也可用信噪比增益（调制制度增益）作用：用来判断解调器性能的优劣，G越大，性能越好。其中Si/Ni为输入信噪比，定义为 显然，输出信噪比和G不仅与调制方式有关，也与解调方式有关。在相同的Si和n0的条件下，输出信噪比越高，则解调器的抗噪声性能越好。,二、相干解调DSB系统的性能 1、输出信噪比定义：指解调器的输出信号平均功率与输出噪声平均功率之比。假设：（1）SDSB（t）与ni(t)相互独立（2）信道是理想的，无衰减。设解调器输入信号 与相干载波 相乘后,得经低通滤波器后,输出信号因此,解调器输出端的有用信号功率为,因为解调器输入端的窄带噪声它与相干载波 相乘后,得经低通滤波器后,解调器最终输出噪声为输出噪声功率为因为可得解调器的输出信噪比,B=2fH,2、输入信噪比 解调器输入信号平均功率可得解调器输入信噪比,3、解调增益G（信噪比增益）,DSB解调器信噪比改善一倍。原因是相干解调把噪声中的正交分量抑制掉，从而使噪声功率减半。,三、相干解调SSB系统的性能 SSB信号的解调方法与DSB相同,区别在于解调器之前的带通滤波器的带宽和中心频率不同.SSB的带通滤波器的带宽是DSB的一半.1、输出信噪比SSB信号解调器的输出噪声与输入噪声的功率SSB信号的表达式与相干载波相乘后,经过低通滤波可得解调器输出信号因此输出信号平均功率输出信噪比,B=fH,2、输入信噪比输入信号平均功率：因为 与 幅度相同,所以具有相同的平均功率,故上式变为所以SSB的输入信噪比为3、SSB的制度增益,SSB解调器信噪比未改善。原因是信号和噪声有相同表示形式，相干解调中，信号和噪声中的正交分量均被抑制掉。,GDSB=2GSSB是否说明DSB系统的抗噪性能比SSB系统好,原因：单边带信号所需带宽仅仅是双边带的一半，因而，在 噪声功率谱密度相同的情况下，双边带解调器的输入 噪声功率是单边带的两倍，从而也使双边带解调器输 出噪声功率比单边带的多一倍。因此，尽管双边带解 调器的制度增益比单边带大，但它的实际解调性能不 会优于单边带,如果我们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，对两种调制方式进行比较，他们的输出信噪比是相等的。,不同条件,抗噪性能相同,四、AM调制（包络检波）设解调器输入信号 SAM(t)=A0+m(t)cosct A0=|m(t)|max解调器输入噪声解调器输入的信号功率Si和噪声功率Ni分别为 输入信噪比,检波输出电压正比与输入信号的包络变化,解调器输入端信号加噪声的合成包络：其中包络：（1）大信噪比情况（小噪声情况）输入信号幅度远大于噪声幅度 解调器输出包络 当直流分量A。被电容器阻隔后，有用信号与噪声独立地分成两项输出功率 输出噪声功率输出信噪比,制度增益：,AM信号的调制制度增益GAM随A0减小而增加。但对包络检波器来说，为了不发生过调制现象，应该满足，所以GAM总是小于1，说明包络检波对输入信噪比没有改善，反而恶化了,（2）小信噪比时：包络近似为：式中R(t)及(t)分别为噪声ni(t)的包络及相位。讨论（a）小信噪比时，信号m(t)无法与噪声分开，有用信号“淹没”在噪声中，这时，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比上升，而是急剧恶化，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。（b)相干解调器不存在门限效应。原因是信号与噪声可分开解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。,请做课后习题5-8,非线性调制（角度调制）原理,一、角调制的基本概念 二、窄带角调制1.角调制的含义 1.窄带调频2.单频调制的角调制信号 2.窄带调相（略）三、单频调制的宽带调频信号 四、调频信号的产生1.表达式 1.直接调频法2.带宽 2.倍频法3.功率分配 五、调频信号的解调 1.相干解调 2.非相干解调,一、角调制的基本概念1.角调制的含义回顾：若用调制信号去调制载波的相位会发生什么情况呢？,幅度调制,若已调信号,相位调制PM,频率调制FM,PM是相位偏移随调制信号m（t）线性变化，FM是相位偏移随m（t）的积分呈线性变化,角度调制,2.单音调制FM与PM设调制信号为单一频率的正弦波,即,调频指数,(a)PM 信号波形(b)FM 信号波形,FM和PM之间的关系频率和相位之间存在微分与积分的关系,所以FM与PM之间是可以相互转换的.,返回,二、窄带角调制,由调制前后带宽的变化,条件,1.窄带调频,比较,通过与AM调制比较可以看出.两者都含有一个载波和位于 处的两个边带,所以他们的带宽相同,都为.不同的是,NBFM的频率加权引起调制信号频谱失真,且NBFM的一个边带和AM反相.,单音频为例,返回,三、单频调制的宽带调频信号,条件,引入贝赛尔函数,已调信号的频率与调制信号不同，故是非线性调制,2.带宽 理论上带宽无限宽,卡深公式,3.功率分配,与调制过程和mf无关,分配关系,功率,有上下两个边带,返回,四、调频信号的产生,1.直接调频法,电压/电抗,载波发生器,m(t),SMF(t),特点:易产生,且能产生很大的频偏,故也不稳定,2.间接调频法,窄带调频信号的调制模型,倍频器原理,混频器原理,倍频法产生宽带调频信号,阿姆斯特朗法,返回,五、调频信号的解调,1.非相干解调,包络,通过微分器,包络检波器,SFM(t),m0(t),微分电路,LPF,sd(t),鉴频器,2.相干解调（略）,BPF及限幅器,一、宽带调频系统抗噪声性能的分析模型,1.计算输入信噪比,调频系统的抗噪声性能,二、抗噪声性能的推导,2.计算输出信噪比,三、对宽带调频系统抗噪声性能的分析,1.信噪比增益的意义,2.宽带调频系统与幅度调制系统抗噪声性能的比较,一、宽带调频系统抗噪声性能的分析模型,返回,1.计算输入信噪比,二、抗噪声性能的推导,2.计算输出信噪比,A,B,O,参考矢量,a,a1,a2,返回,若AV(t)即输入信噪比很高时,鉴频器输出,鉴频器是一个微分网络,所以,低通滤波器输出的噪声功率,分析G:,三、对宽带调频系统抗噪声性能的分析,1.信噪比增益的意义,(1).信噪比增益很高,(2).信噪比增益随mf的增大而增大,以带宽换取信噪比,2.宽带调频系统与幅度调制系统抗噪声性能的比较,(1)幅度调制系统的信噪比增益很低,(2)幅度调制系统的输出信噪比和调制过程无关,5.5 各种调制系统的比较,第5章 模拟调制系统,抗噪声性能 WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。右图画出了各种模拟调制系统的性能曲线,图中的圆点表示门限点。门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf=6）的信噪比比AM高22dB。当输入信噪比较高时，FM的调频指数mf越大，抗噪声性能越好。,第5章 模拟调制系统,频带利用率SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，其频带利用率最低。可以说，FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。因此，mf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用WBFM，mf值选大些。对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用mf 较小的调频方式。,5.6 频分复用(FDM),复用:解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术.目的:为了充分利用信道的频带或时间资源,提高信道的利用率.信号多路复用方法:时分复用(TDM)码分复用(CDM)波分复用(WDM)在FDM中,信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段(子通道),每路信号占据其中一个子通道各路之间必须留有未被使用的频带(防护频带)进行分隔,以防止信号重叠.在接收端,采用适当的带通滤波器将多路信号分开,从而恢复出所需要的信号.,:按频率来划分信道的复用方式,频分复用(FDM),频分复用(FDM),第5章 模拟调制系统,调频立体声广播原理：FM立体声广播中，声音在空间上被分成两路音频信号，一个左声道信号L，一个右声道信号R，频率都在50Hz到15kHz之间。左声道与右声道相加形成和信号(L+R)，相减形成差信号(L-R)。在调频之前，差信号(L-R)先对38kHz的副载波进行抑制载波双边带(DSB-SC)调制，然后与和信号(L+R)进行频分复用后，作为FM立体声广播的基带信号，其形成过程如下图所示：,目前立体声广播的放声方式:首先采用抑制载波双边带调制将左右两个声道信号之差和左右两个声道信号之和频分复用;频率调制,第5章 模拟调制系统,频谱结构 015kHz用于传送(L+R)信号 23kHz53kHz用于传送(L-R)信号(L-R)信号的载波频率为38kHz在19kHz处发送一个单频信号（导频）在普通调频广播中，只发送015kHz的(L+R)信号。,第5章 模拟调制系统,立体声广播信号的解调接收立体声广播后先进行鉴频，得到频分复用信号。对频分复用信号进行相应的分离，以恢复出左声道信号L和右声道信号R。,第4章 教学要求,掌握AM、DSB、SSB、VSB信号的调制和解调原理掌握上述各信号的频谱、带宽以及AM、DSB、SSB信号的时域表达式掌握FM信号的调制和解调原理以及时域表达式、频谱特点和带宽掌握AM系统、DSB系统、SSB系统以及FM系统的抗噪性能的分析方法及结论掌握FDM概念和方法,