模拟调制系统的抗噪声性能.ppt

1.幅度调制（线性调制）的原理2.线性调制系统的抗噪声性能3.非线性调制（角调制）的原理4.调频系统的抗噪声性能5.各种模拟调制系统的性能比较,模拟调制系统的抗噪声性能,基础知识：1、调制定义2、线形调制和非线形调制的区别3、调制的三要素调制信号、被调制信号、已调信号4、模拟调制的分类 幅度调制和角度调制,1.幅度调制（线性调制）的原理 幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。幅度调制器的一般模型：设调制信号m(t)的频谱为M()，冲激响应为h(t)的滤波器特性为H(),则该模型输出已调信号的时域和频域一般表示式为 s(t)=m(t)cosct*h(t)S()=M(+c)+M(-c)H()式中，c为载波角频率，H()h(t)。,由以上表示式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；上图之所以称为调制器的一般模型，是因为在该模型中，若适当选择滤波器的特性H()，便可以得到各种幅度调制信号。例如，调幅、双边带、单边带及残留边带信号等。,若调制信号m(t)叠加直流A0后与载波相乘（即在一般模型中，滤波器为全通网络，其中，H()=1，h(t)=(t)），就可形成调幅(AM)信号，其时域和频域表示式分别为sAM(t)=A0+m(t)cosct=A0cosct+m(t)cosct SAM()=A0(+c)+(-c)+0.5M(+c)+M(-c)式中，A0为外加的直流分量；m(t)可以是确知信号，也可以是随机信号，并且可以认为其平均值m(t)=0。另请注意：信号m(t)是带宽有限的，其最高频率为H或 fH。,1.1 调幅(AM-amplitude modulation),AM 信号的波形和频谱,AM信号在1电阻上的平均功率应等于sAM(t)的均方值。当m(t)为确知信号时，sAM(t)的均方值即为其平方的时间平均，即,通常假设调制信号没有直流分量，即=0。因此 PAM=,式中，PC载波功率，PS 为边带功率。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，载波分量不携带信息。即使在“满调幅”（|m(t)|max=A0时，也称100调制）条件下，载波分量仍占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有的功率较小。因此，从功率上讲，AM信号的功率利用率比较低。,1.2 抑制载波双边带调制（DSBSCDouble Side BandSuppressed Carrier）双边带信号（DSB）。其时域和频域表示式分别为 sDSB(t)=m(t)cosct SDSB()=0.5M(+c)+M(-c),其波形和频谱：,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，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这就是单边带调制要解决的问题。,1.3 单边带调制(SSBSingle SideBand)DSB信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法。（1）用滤波法形成单边带信号,SSB信号的频谱,（2）用相移法形成单边带信号：,综上所述：SSB调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，因此，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。,1.4 残留边带调制(VSBVestigial SideBand)残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难题。,用滤波法实现残留边带调制的原理如下图。图中,滤波器的特性须按残留边带调制的要求来进行设计。,VSB调制和解调器模型(a)VSB调制器模型(b)VSB解调器模型,现在我们来确定残留边带滤波器的特性。残留边带调制信号的频谱为 SVSBi()=通过相干解调后的频谱：SVSBo()=为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号M()，必须要求 HVSB(+c)+HVSB(-c)=常数，|H,残留边带滤波器特性(a)残留部分上边带的滤波器特性;b）残留部分下边带的滤波器特性,上式的几何解释：必须使HVSB(-c)和HVSB(+c)在=0处具有互补对称的滚降特性。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。由此得到如下重要概念：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。,残留边带滤波器的几何解释,2.线性调制系统的抗噪声性能,2.1 分析模型 分析解调器的抗噪声性能的模型如下图所示。图中，sm(t)为已调信号，n(t)为传输过程中叠加的高斯白噪声。,解调器抗噪声性能分析模型,若白噪声的双边功率谱密度为n0/2，带通滤波器传输特性是高度为1，带宽为B的理想矩形函数，则解调器输入噪声ni(t)的平均功率：Ni=n0B 为了使已调信号无失真地进入解调器，同时又最大限度地抑制噪声，带宽B应等于已调信号的频带宽度，当然也是窄带噪声ni(t)的带宽。评价一个模拟通信系统质量的好坏，最终是要看解调器的输出信噪比。输出信噪比定义为：,为了便于衡量同类调制系统不同解调器对输入信噪比的影响，还可用输出信噪比和输入信噪比的比值 调制制度增益G 来表示，即,2.2 线性调制相干解调的抗噪声性能DSB、SSB、VSB系统的解调器为相干解调器，如下图所示。相干解调属于线性解调，故在解调过程中，输入信号及噪声可以分别单独解调。,线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型,（1）DSB调制系统的性能 设解调器输入信号为：sm(t)=m(t)cosct 与相干载波cosct相乘后，得：,因此，解调器输出端的有用信号功率为：,经低通滤波器后，输出信号为:,经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为:故输出噪声功率为:,解调DSB时，接收机中的带通滤波器的中心频率0与调制载频c相同，因此解调器输入端的噪声ni(t)，可表示为：ni(t)=nc(t)cosct-ns(t)sinct 它与相干载波cosct相乘后，得：,这里，BPF的带宽B=2fH，为双边带信号的带宽。,于是，解调器的输入信噪比为：,根据高斯白噪声的特性，则有：,而解调器输入信号平均功率为：,所以，解调器的输出信噪比为：,因而调制制度增益为：,由此可见，DSB调制系统的制度增益为2。这就是说，DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用同步解调，使输入噪声中的一个正交分量ns(t)被消除的缘故。,单边带信号解调器的输出噪声功率：,这里，B=fH为单边带的带通滤波器的带宽。对于单边带解调器的输入及输出信号功率，不能简单地照搬双边带时的结果。这是因为单边带信号的表示式与双边带的不同。单边带信号的表示式由下式给出，即,（2）SSB调制系统的性能 单边带信号的解调方法与双边带信号相同，其区别仅在于解调器之前的带通滤波器的带宽和中心频率不同。前者的带通滤波器的带宽是后者的一半。,与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出：,而输入信号平均功率：,因此，输出信号平均功率：,于是，单边带解调器的输入信噪比为：,输出信噪比为：,因而调制制度增益为：,这是因为在SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式（即信号也有正弦分量），所以，相干解调过程中，信号和噪声的正弦分量均被抑制掉，故信噪比没有改善。与DSB系统的调制制度增益相比较可知，GDSB=2GSSB。这能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好呢？回答是否定的。因为双边带已调信号的平均功率是单边带信号的 2 倍，所以两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到的。如果我们在相同的输入信号功率Si，相同输入噪声功率谱密度n0，相同基带信号带宽fH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。因此两者的抗噪声性能是相同的，但双边带信号所需的传输带宽是单边带的 2 倍。,（3）VSB调制系统的性能 VSB调制系统的抗噪声性能的分析方法与上面的相似。但是，由于采用的残留边带滤波器的频率特性形状不同，所以，抗噪声性能的计算是比较复杂的。但是残留边带不是太大的时候，近似认为与SSB调制系统的抗噪声性能相同。,2.3 调幅信号包络检波的抗噪声性能 AM信号可采用相干解调和包络检波。相干解调时AM系统的性能分析方法与前面双边带（或单边带）的相同。实际中，AM信号常用简单的包络检波法解调，此时，系统的解调器为包络检波器，其检波输出正比于输入信号的包络变化。,图中，sm(t)=A0+m(t)cosct，其中，A0为直流分量，m(t)为调制信号。这里仍假设m(t)的均值为0，且A0|m(t)|max。输入噪声依旧为窄带高斯的：,显然，解调器输入的信号功率Si和噪声功率Ni为：Si=s2m(t)=(A02+m2(t)/2 Ni=n0B 输入信噪比：,解调器输入是信号加噪声的混合波形，即sm(t)+ni(t)=A+m(t)+nc(t)cosct-ns(t)sinct=E(t)cosct+(t),其中合成包络E(t)=合成相位(t)=arctan,理想包络检波器的输出就是E(t)，可见，检波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。我们来考虑两种特殊情况。1）大信噪比情况 此时，输入信号幅度远大于噪声幅度，即,A0+m(t),因而合成包络可简化为:,这里利用了近似公式:,E(t)中的直流分量A0被电容器阻隔，有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别计算出输出有用信号功率及噪声功率：,输出信噪比：,显然，AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加。但对包络检波器来说,为了不发生过调制现象，应有A0|m(t)|max，所以GAM总是小于1。例如：100%的调制（即A0=|m(t)|max）且m(t)又是正弦型信号时，有：,可得：,这是AM系统的最大信噪比增益。这说明解调器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。,可以证明，若采用相干法解调AM信号，则得到的调制制度增益GAM与上面的结论相同。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相干解调法时的性能几乎一样。2）小信噪比情况：小信噪比指的是噪声幅度远大于信号幅度，即,这时合成包络E(t)变成为：,其中，R(t)及(t)代表噪声ni(t)的包络及相位：,因为R(t)A0+m(t)，所以可以利用数学近似式：,近一步把E(t)近似表示为：,这时，E(t)中没有单独的信号项，只有受到cos(t)调制的m(t)cos(t)项。但cos(t)是一个随机噪声，因而，有用信号m(t)被噪声扰乱，致使m(t)cos(t)也只能看作是噪声。因此，输出信噪比急剧下降，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。门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的。有必要指出，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。由此可下结论：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，此后，解调器的输出信噪比将急剧恶化。,3.非线性调制（角度调制）的原理,幅度调制属于线性调制，它是通过改变载波的幅度，以实现调制信号频谱的平移及线性变换的。一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量，因此，不仅可以把调制信号的信息寄于载波的幅度变化中，还可以寄在载波的频率或相位变化中。这种使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制（FM）和相位调制(PM)，分别简称为调频和调相。因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。,角度调制与线性调制不同，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。由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在密切的关系，即调频必调相，调相必调频。鉴于FM用的较多，本节将主要讨论频率调制。,3.1 角调制的基本概念 任何一个正弦时间函数，如果它的幅度不变,则可用下式表示：c(t)=A cos(t)式中，(t)称为正弦波的瞬时相位，将(t)对时间t求导可得瞬时频率：因此 未调制的正弦波可以写成 c(t)=A cosct+0,即瞬时相位(t)=ct+0,0为初相位，是常数。是载频，也是常数。而在角调制中，正弦波的频率和相位都要随时间变化，可把瞬时相位表示为(t)=ct+(t)，因此，角度调制信号的一般表达式为：sm(t)=A cosct+(t)式中，A是载波的恒定振幅；ct+(t)是信号的瞬时相位(t)，而(t)称为相对于载波相位ct的瞬时相位偏移；dct+(t)/dt是信号的瞬时频率，而d(t)/dt称为相对于载频c的瞬时频偏。,所谓相位调制，是指瞬时相位偏移随调制信号m(t)而线性变化，即(t)=Kpm(t)其中Kp是常数。于是，调相信号可表示为：sPM(t)=Acosct+Kpm(t)所谓频率调制，是指瞬时频率偏移随调制信号m(t)而线性变化，即,其中Kf是一个常数，这时相位偏移为：,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m(t)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。还可看出，如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；同样，如果将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫间接调频。直接和间接调相、调频如下图所示。,直接和间接调相,直接和间接调频,由于实际相位调制器的调制范围不大，所以直接调相和间接调频仅适用于相位偏移和频率偏移不大的窄带调制情况，而直接调频和间接调相常用于宽带调制情况。从以上分析可见，调频与调相并无本质区别，两者之间可相互转换。鉴于在实际应用中多采用FM波，下面将集中讨论频率调制。,3.3 调频信号的产生与解调（1）调频信号的产生 产生调频波的方法通常有两种：直接法和间接法。*直接法。直接法就是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。振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器（VCO）。每个压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即 i(t)=0+Kfm(t)若用调制信号作控制信号，就能产生FM波。,控制VCO振荡频率的常用方法是改变振荡器谐振回路的电抗元件L或C。L或C可控的元件有电抗管、变容管。变容管由于电路简单，性能良好，目前在调频器中广泛使用。直接法的主要优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。缺点是频率稳定度不高。因此往往需要采用自动频率控制系统来稳定中心频率。*间接法。间接法是先对调制信号积分后对载波进行相位调制，从而产生窄带调频信号(NBFM)。然后，利用倍频器把NBFM变换成宽带调频信号(WBFM)。,窄带调频,前提条件时域表达式,同相分量,正交分量,窄带近似,1,（2）调频信号的解调(i)相干解调-窄带调频,输入信号,相干解调,LPF,微分,(ii)非相干解调,微分,包络检波,信号,4.调频系统的抗噪声性能,调频系统抗噪声性能的分析方法和分析模型与线性调制系统相似，只是其中的解调器应是调频解调器。,调频系统抗噪声性能分析模型,我们先来计算解调器的输入信噪比。设输入调频信号为sFM(t)=Acosct+因而输入信号功率 Si=理想带通滤波器的带宽与调频信号的带宽BFM相同，所以输入噪声功率 Ni=n0BFM 因此,输入信噪比：,计算输出信噪比时，由于非相干解调不满足叠加性，无法分别计算信号与噪声功率，因此，也和AM信号的非相干解调一样，考虑两种极端情况，即大信噪比情况和小信噪比情况，使计算简化，以便得到一些有用的结论。（1）大信噪比情况 在大信噪比条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这时可以把信号和噪声分开来算，经过分析，我们直接给出解调器的输出信噪比,为使上式具有简明的结果，我们考虑m(t)为单一频率余弦波时的情况，即 m(t)=cosmt这时的调频信号为 sFM(t)=Acosct+mfsinmt,式中,将这些关系式代入上式可得：,因此，可得解调器的制度增益：,又因在宽带调频时，信号带宽为 BFM=2(mf+1)fm=2(f+fm)所以，制度增益还可以写成 GFM=3m2f(mf+1)3m3f 上式表明，大信噪比时宽带调频系统的制度增益是很高的，它与调制指数的立方成正比。例如调频广播中常取mf=5，则制度增益GFM=450。也就是说，加大调制指数mf，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。,例 4 1 设调频与调幅信号均为单音调制，调制信号频率为fm，调幅信号为100%调制。当两者的接收功率Si相等，信道噪声功率谱密度n0相同时，比较调频系统与调幅系统的抗噪声性能。解 调幅波的输出信噪比为,调频波的输出信噪比为,由此可见，在高调频指数时，调频系统的输出信噪比远大于调幅系统。例如，mf=5 时，宽带调频的So/No是调幅时的75倍。这也可理解成当两者输出信噪比相等时，调频信号的发射功率可减小到调幅信号的1/75。应当指出，调频系统的这一优越性是以增加传输带宽来换取的。,BFM=2(mf+1)fm=(mf+1)BAM 当 mf 1时 BFMmfBAM代入调频制度增益有,这说明宽带调频输出信噪比相对于调幅的改善与它们带宽比的平方成正比。这就意味着，对于调频系统来说，增加传输带宽就可以改善抗噪声性能。调频方式的这种以带宽换取信噪比的特性是十分有益的。在调幅制中，由于信号带宽是固定的，无法进行带宽与信噪比的互换，这也正是在抗噪声性能方面调频系统优于调幅系统的重要原因。,（2）小信噪比情况与门限效应 应该指出，以上分析都是在(Si/Ni)FM足够大的条件下进行的。当(Si/Ni)FM减小到一定程度时，解调器的输出中不存在单独的有用信号项，信号被噪声扰乱，因而(So/No)FM急剧下降。这种情况与AM包检时相似，我们称之为门限效应。出现门限效应时所对应的(Si/Ni)FM值被称为门限值（点），记为(Si/Ni)b。下图示出了在单音调制的不同调制指数mf下，调频解调器的输出信噪比与输入信噪比近似关系曲线。由图可见：（i）mf不同，门限值不同。mf越大，门限点(Si/Ni)b越高。(Si/Ni)FM(Si/Ni)b时，(So/No)FM与(Si/Ni)FM呈线性关系，且mf越大，输出信噪比的改善越明显。,非相干解调的门限效应,（ii）(Si/Ni)FM(Si/Ni)b时，(So/No)FM将随(Si/Ni)FM的下降而急剧下降。且mf越大，(So/No)FM下降得越快，甚至比DSB或SSB更差。这表明，FM系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。随着传输带宽的增加（相当mf加大），输入噪声功率增大，在输入信号功率不变的条件下，输入信噪比下降，当输入信噪比降到一定程度时就会出现门限效应，输出信噪比将急剧恶化。在空间通信等领域中，对调频接收机的门限效应十分关注，希望在接收到最小信号功率时仍能满意地工作，这就要求门限点向低输入信噪比方向扩展。采用比鉴频器更优越的一些解调方法可以达到改善门限效应的要求，目前用的较多的有锁相环鉴频法和调频负回授鉴频法。,5.各种模拟调制系统的性能比较,综合前面的分析，各种模拟调制方式的性能如下表所示。表中的So/No是在相同的解调器输入信号功率Si、相同噪声功率谱密度n0、相同基带信号带宽fm的条件下，所得的相应公式。其中AM为100%调制，调制信号为单音正弦。1.性能比较 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。NBFM和AM的性能接近,各种模拟调制系统的性能曲线,2.特点与应用 AM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，在传输中如果载波受到信道的选择性衰落，则在包检时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高。因此AM制式用于通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中。,DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，接收要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信，运用不太广泛。SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM,而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。鉴于这些特点，SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中。,VSB的性能与SSB相当。VSB解调原则上也需同步解调，但在某些VSB系统中，附加一个足够大的载波，就可用包络检波法解调合成信号（VSB+C），这种(VSB+C)方式综合了AM、SSB和DSB三者的优点。所有这些特点，使VSB对商用电视广播系统特别具有吸引力。,VSB调制的诀窍在于部分抑制了发送边带，同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分。,FM波的幅度恒定不变，这使它对非线性器件不甚敏感，给FM带来了抗快衰落能力。利用自动增益控制和带通限幅还可以消除快衰落造成的幅度变化效应。这些特点使得窄带FM对微波中继系统颇具吸引力。宽带FM的抗干扰能力强，可以实现带宽与信噪比的互换，因而宽带FM广泛应用于长距离高质量的通信系统中，如空间和卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等。宽带FM的缺点是频带利用率低，存在门限效应，因此在接收信号弱，干扰大的情况下宜采用窄带FM，这就是小型通信机常采用窄带调频的原因。另外，窄带FM采用相干解调时不存在门限效应。,6 频分复用(FDM),频分复用原理 所谓频分复用(Frequencydivision Multiplexing-FDM)是指按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中，信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以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。,频分复用系统组成原理图如下图所示。图中，各路基带信号首先通过低通滤波器(LPF)限制基带信号的带宽，避免它们的频谱出现相互混叠。然后，各路信号分别对各自的载波进行调制、合成后送入信道传输。在接收端，分别采用不同中心频率的带通滤波器分离出各路已调信号，解调后恢复出基带信号。频分复用是利用各路信号在频率域不相互重叠来区分的。若相邻信号之间产生相互干扰，将会使输出信号产生失真。为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应合理选择载波频率fc1,fc2,fcn，并使各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔。若基带信号是模拟信号，则调制方式可以是DSB-SC、AM、SSB、VSB或FM等，其中SSB方式频带利用率最高。若基带信号是数字信号，则调制方式可以是ASK、FSK、PSK等各种数字调制。复用信号的频谱结构示意图所示。,频分复用系统组成原理图,复用信号的频谱结构示意图,