通信原理课件第6-9节-第5章-4通信原理.ppt

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1、1,通信原理,第5章 模拟调制系统,2,第5章 模拟调制系统,基本概念调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义调制 分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。狭义调制 仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。调制信号 指来自信源的基带信号 载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程。载波 未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已调信号 载波受调制后称为已调信号。解调（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。,3,第5章 模拟调制系统,调制的目的 提高无线通信时的天线辐射效率。把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以

2、实现信道的多路复用，提高信道利用率。扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。调制方式 模拟调制数字调制 常见的模拟调制幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带角度调制：频率调制、相位调制,4,第5章 模拟调制系统,5.1幅度调制（线性调制）的原理一般原理设正弦型载波表示式为：式中，A 载波幅度；c 载波角频率；0 载波初始相位（以后假定0 0）。则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成式中，m(t)基带调制信号。,5,第5章 模拟调制系统,频谱设调制信号m(t)的频谱为M()，则已调信号的频谱为由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带信

3、号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。但应注意，这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。,6,第5章 模拟调制系统,调幅（AM）时域表示式式中 m(t)调制信号，均值为0；A0 常数，表示叠加的直流分量。频谱：若m(t)为确知信号，则AM信号的频谱为若m(t)为随机信号，则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述。调制器模型,7,第5章 模拟调制系统,波形图由波形可以看出，当满足条件：|m(t)|A0 时，其包络

4、与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原 始调制信号。否则，出现“过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波。,8,第5章 模拟调制系统,频谱图由频谱可以看出，AM信号的频谱由载频分量上边带下边带三部分组成。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。,9,第5章 模拟调制系统,AM信号的特性带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽 fH 的两倍：功率：当m(t)为确知信号时，若则式中Pc=A02/2 载波功率，边带功率。,10,第5章 模拟调制系统,调制效率 由上述可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率

5、两部分。只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。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：当m(t)=Am cos mt时，代入上式，得到当|m(t)|max=A0时（100调制），调制效率最高，这时max 1/3,11,第5章 模拟调制系统,5.1.2 双边带调制（DSB）时域表示式：无直流分量A0频谱：无载频分量 曲线：,12,第5章 模拟调制系统,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。5.1.3 单边带调制（SSB）原理：双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M()的所有频谱成分，因此仅传输其中

6、一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。,13,第5章 模拟调制系统,滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图 用边带滤波器，滤除不要的边带: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。若具有如下理想低通特性：则可滤除上边带。,14,第5章 模拟调制系统,SSB信号的频谱上边带频谱图:,15,第5章 模拟调制系统,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例如，若经过滤波后的话音信号的最低频率为300Hz，则上下边带之间的频率间隔为600Hz，即允许过渡带为60

7、0Hz。在600Hz过渡带和不太高的载频情况下，滤波器不难实现；但当载频较高时，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。,16,第5章 模拟调制系统,相移法和SSB信号的时域表示SSB信号的时域表示式设单频调制信号为 载波为则DSB信号的时域表示式为若保留上边带，则有 若保留下边带，则有,17,第5章 模拟调制系统,将上两式合并：式中，“”表示上边带信号，“+”表示下

8、边带信号。希尔伯特变换：上式中Am sinmt可以看作是Am cosmt 相移/2的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为“”，则有这样，上式可以改写为,18,第5章 模拟调制系统,把上式推广到一般情况，则得到 式中，若M()是m(t)的傅里叶变换，则式中上式中的-jsgn可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即,19,第5章 模拟调制系统,移相法SSB调制器方框图优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。缺点：宽带相移网络难用硬件实现。,20,第5章 模拟调制系统,SSB信号的解调 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

9、制信号的变化，所以仍需采用相干解调。SSB信号的性能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。,21,第5章 模拟调制系统,5.1.4 残留边带（VSB）调制原理：残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现中的困难。在这种调制方式中，不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留小部分，如下图所示：,22,第5章 模拟调制系统,调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图

10、与滤波法SBB调制器相同。不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。,23,第5章 模拟调制系统,对残留边带滤波器特性的要求由滤波法可知，残留边带信号的频谱为为了确定上式中残留边带滤波器传输特性H()应满足的条件，我们来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信号的。,24,第5章 模拟调制系统,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,25,第5章 模拟调制系统,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

11、通滤波器的输出频谱为,26,第5章 模拟调制系统,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。,27,第5章 模拟调制系统,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),28,第5章 模拟调制系统,5.1.5 线性调制的一般模型滤波法模型在前几节的讨论基础上，可以归纳出滤波法线性调制的一般模型如下：按照此模型得到的输出

12、信号时域表示式为：按照此模型得到的输出信号频域表示式为：式中，只要适当选择H()，便可以得到各种幅度调制信号。,29,第5章 模拟调制系统,移相法模型将上式展开，则可得到另一种形式的时域表示式，即式中上式表明，sm(t)可等效为两个互为正交调制分量的合成。由此可以得到移相法线性调制的一般模型如下：,30,第5章 模拟调制系统,它同样适用于所有线性调制。,31,第5章 模拟调制系统,5.1.6 相干解调与包络检波相干解调相干解调器的一般模型 相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低

13、通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。,32,第5章 模拟调制系统,相干解调器性能分析已调信号的一般表达式为 与同频同相的相干载波c(t)相乘后，得经低通滤波器后，得到因为sI(t)是m(t)通过一个全通滤波器HI()后的结果，故上式中的sd(t)就是解调输出，即,33,第5章 模拟调制系统,5.2 线性调制系统的抗噪声性能5.2.1 分析模型图中 sm(t)已调信号 n(t)信道加性高斯白噪声 ni(t)带通滤波后的噪声 mo(t)输出有用信号 no(t)输出噪声,34,第5章 模拟调制系统,噪声分析ni(t)为平稳窄带高斯噪声，它的表示式为或由于式中 Ni 解调器输入噪声的平均

14、功率设白噪声的单边功率谱密度为n0，带通滤波器是高度为1、带宽为B的理想矩形函数，则解调器的输入噪声功率为,35,第5章 模拟调制系统,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：,36,第5章 模拟调制系统,5.2.2 DSB调制系统的性能DSB相干解调抗噪声性能分析模型 由于是线性系统，所以可以分别计算解调器输出的信号功率和噪声功率。,37,第5章 模拟调制系统,噪声功率计算设解调器输入信号为与相干载波cosct相乘后，得经

15、低通滤波器后，输出信号为因此，解调器输出端的有用信号功率为,38,第5章 模拟调制系统,解调器输入端的窄带噪声可表示为它与相干载波相乘后，得经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为故输出噪声功率为或写成,39,第5章 模拟调制系统,信号功率计算解调器输入信号平均功率为信噪比计算输入信噪比输出信噪比,40,第5章 模拟调制系统,制度增益由此可见，DSB调制系统的制度增益为2。也就是说，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。,41,第5章 模拟调制系统,SSB调制系统的性能噪声功率这里，B=fH 为SSB 信号的带通滤波器的带宽。信号功率SSB

16、信号与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号因此，输出信号平均功率,42,第5章 模拟调制系统,输入信号平均功率为信噪比单边带解调器的输入信噪比为,43,第5章 模拟调制系统,单边带解调器的输出信噪比为制度增益讨论：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。,44,第5章 模拟调制系统,讨论上述表明，GDSB=2GSSB，这能否说明DSB系统的抗噪声性能比SSB系统好呢？回答是否定的。因为，两者的输入信号功率不同、带宽不同，在相同的噪声功率谱密度条件下，输入噪声功率也不同，所以两者的输出信噪比是在不同条件下得到

17、的。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。但SSB所需的传输带宽仅是DSB的一半，因此SSB得到普遍应用。,45,第5章 模拟调制系统,5.2.4 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。,46,第5章 模拟调制系统,大信噪比情况讨论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

18、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。,47,第5章 模拟调制系统,小信噪比情况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。,E(t)中没

19、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。,48,第5章 模拟调制系统,5.3 非线性调制（角度调制）的原理前言频率调制简称调频(FM)，相位调制简称调相(PM)。这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化。角度调制：频率调制和相位调制的总称。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。与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势

20、是其较高的抗噪声性能。,49,第5章 模拟调制系统,角度调制的基本概念 FM和PM信号的一般表达式角度调制信号的一般表达式为式中，A 载波的恒定振幅；ct+(t)(t)信号的瞬时相位；(t)瞬时相位偏移。dct+(t)/dt=(t)称为瞬时角频率d(t)/dt 称为瞬时频偏。,50,第5章 模拟调制系统,相位调制(PM)：瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，即式中Kp 调相灵敏度，含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量，单位是rad/V。将上式代入一般表达式得到PM信号表达式,51,第5章 模拟调制系统,频率调制(FM)：瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，即式中 Kf 调频灵敏度，单位是

21、rad/sV。这时相位偏移为将其代入一般表达式得到FM信号表达式,52,第5章 模拟调制系统,PM与 FM的区别比较上两式可见，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。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。,53,第5章 模拟调制系统,单音调制FM与PM设调制信号为单一频率的正弦波，即 用它对载波进行相位调制时，将上式代入 得到式中，mp=Kp Am 调相指数，表示最大的相位偏移。,54,第5章 模拟调制系统,用它对载波进行频率调制时，将代入得到FM信号的表达式式中调频指数，表示最大的相位偏移最大角频偏

22、最大频偏。,55,第5章 模拟调制系统,PM 信号和FM 信号波形(a)PM 信号波形(b)FM 信号波形,56,第5章 模拟调制系统,FM与PM之间的关系由于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。比较下面两式可见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。,57,第5章 模拟调制系统,方框图,58,第5章 模拟调制系统,5.3.2 窄带调频（NBFM）定义：如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足下式条件 则称为窄带调频；反之，称为宽带调频。,59,第5章

23、 模拟调制系统,时域表示式将FM信号一般表示式展开得到当满足窄带调频条件时，故上式可简化为,60,第5章 模拟调制系统,频域表示式利用以下傅里叶变换对可得NBFM信号的频域表达式,（设m(t)的均值为0）,61,第5章 模拟调制系统,NBFM和AM信号频谱的比较两者都含有一个载波和位于处的两个边带，所以它们的带宽相同不同的是，NBFM的两个边频分别乘了因式1/(-c)和1/(+c)，由于因式是频率的函数，所以这种加权是频率加权，加权的结果引起调制信号频谱的失真。另外，NBFM的一个边带和AM反相。,62,第5章 模拟调制系统,NBFM和AM信号频谱的比较举例以单音调制为例。设调制信号 则NBF

24、M信号为AM信号为按照上两式画出的频谱图,63,第5章 模拟调制系统,频谱图,由于NBFM信号最大频率偏移较小，占据的带宽较窄，但是其抗干扰性能比AM系统要好得多，因此得到较广泛的应用。,64,第5章 模拟调制系统,5.3.3 宽带调频调频信号表达式 设：单音调制信号为则单音调制FM信号的时域表达式为将上式利用三角公式展开，有将上式中的两个因子分别展成傅里叶级数，式中 Jn(mf)第一类n阶贝塞尔函数,65,第5章 模拟调制系统,调频信号的带宽调频波的有效带宽为它称为卡森（Carson）公式。,66,第5章 模拟调制系统,当mf 1时，上式可以近似为这就是宽带调频的带宽。当任意限带信号调制时，

25、上式中fm是调制信号的最高频率，mf是最大频偏 f 与 fm之比。例如，调频广播中规定的最大频偏f为75kHz，最高调制频率fm为15kHz，故调频指数mf 5，由上式可计算出此FM信号的频带宽度为180kHz。,67,第5章 模拟调制系统,5.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生直接调频法：用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。压控振荡器：每个压控振荡器(VCO)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 方框图LC振荡器：用变容二极管实现直接调频。直接调频法的主要优缺点：优点：可以获得较大的频偏。缺点：频率稳定度不高,68,第5章

26、模拟调制系统,间接法调频 阿姆斯特朗（Armstrong）法 原理：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个窄带调频(NBFM)信号，再经n次倍频器得到宽带调频(WBFM)信。方框图,埃德温霍华德阿姆斯特朗,69,埃德温霍华德阿姆斯特朗（英语：Edwin Howard Armstrong，1890年12月18日1954年1月31日）是一位美国无线电工程师，调频广播技术的发明者。1913年毕业于哥伦比亚大学，研究过三级管并设计反馈电路，后任该校教授。曾前往第一次世界大战的欧洲战场为美军效力。1918年在法国发明了超外差式接收机。1933年，获得了有关频率调制的发明专利权，频率调制的广播

27、方式解决了无线电收音机的天线和噪音问题。后纠缠于调频专利权的纠纷，加之病魔缠身，于1954年1月31日自尽。,70,第5章 模拟调制系统,间接法产生窄带调频信号由窄带调频公式可知，窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成的。所以可以用下图产生窄带调频信号：,71,第5章 模拟调制系统,调频信号的解调非相干解调想干解调相干解调：相干解调仅适用于NBFM信号 由于NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调，如下图所示。,72,第5章 模拟调制系统,设窄带调频信号并设相干载波则相乘器的输出为经低通滤波器取出其低频分量再经微分器，即得解调输出可见，相干解

28、调可以恢复原调制信号。,73,第5章 模拟调制系统,5.5 各种模拟调制系统的比较,74,第5章 模拟调制系统,特点与应用AM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。DSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。SSB调制：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。SSB常用于频分多路复用系统中。VSB调制：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。FM：FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。,75,第5章 模拟调制系统,5.6 频分复用(FDM)和调频(FM)立体声5.6.1 频分复用（FDM）目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率原理,76,第5章 模拟调制系统,典型例子：多路载波电话系统每路电话信号的频带限制在3003400Hz，在各路已调信号间留有防护频带，每路电话信号取4 kHz作为标准带宽 层次结构：12路电话复用为一个基群；5个基群复用为一个超群，共60路电话；由10个超群复用为一个主群，共600路电话。如果需要传输更多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群。基群频谱结构图载波频率,