通信原理第5章(樊昌信第七版)分析课件.ppt

1、 模拟调制系统模拟调制系统 通信原理（第7版）第5章樊昌信 曹丽娜 编著调制简介定义 目的 分类线性调制（幅度调制）原理 线性调制系统的抗噪声性能 非线性调制（角度调制）原理 各种模拟调制系统的性能比较 频分复用（FDM） 本章内容: 第第5章章 模拟调制模拟调制 调制目的各种调制解调原理抗噪性能特点应用FDM调制简介n 调制定义调制定义调制：把 消息信号 搭载到 载波 的某个参数上。 比喻货物运输： 将 货物 装载到 飞机/轮船 的某个仓位上。载波：一种高频周期振荡信号，如正弦波。 受调载波称为已调信号，含有消息信号特征。解调：调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。 何谓调制？进行频谱搬移

2、频谱搬移，匹配信道特性匹配信道特性，减小天线尺寸减小天线尺寸；实现多路复用多路复用，提高信道利用率提高信道利用率；改善系统性能系统性能（有效性、可靠性）；实现频率分配频率分配 看来，调制在通信系统中起着至关重要的作用！对呀，不同的调制方式，具有不同的特点和性能!n 调制目的调制目的为什么要进行调制？消息信号基带信号 正弦波脉冲序列受调载波含有m(t) 信息 调制信号调制信号 载波载波 已调信号已调信号n 调制分类调制分类( )m t( )mst运载工具多种形式同义词先认识一下调制过程 所涉及的 三种信号信源信源调制器调制器发射机发射机信道信道接收机接收机解调器解调器信宿信宿 m t m t噪声

3、噪声发送设备发送设备接收设备接收设备 mst mr tstn t n t基带信号基带信号基带信号基带信号调制信号调制信号已调带通信号已调带通信号带通信号带通信号模拟通信系统模拟通信系统信道中传输模拟波形的通信系统信道中传输模拟波形的通信系统 7模拟调制数字调制连续波调制脉冲调制幅度调制频率调制相位调制按调制信号m(t)的类型分按载波信号c(t)的类型分线性调制非线性调制按正弦载波的受调参量分 按已调信号 的频谱结构分调制方式分类：调制方式分类：都有哪些调制方式？n 幅度调制幅度调制（线 性）： AM、DSB SSB、VSB n 角度调制角度调制（非线性）：FM、PM ( )cos()cc tA

4、t本章研究的模拟调制模拟调制方式： 是以正弦信号 作为载波的 2022-3-229 调制系统中讨论的主要问题和主要参数主要问题：主要问题：工作原理（包括调制系统的物理过程，工作原理（包括调制系统的物理过程， 调制信号、载波信号、已调信号三者的关系）调制信号、载波信号、已调信号三者的关系） 已调信号的带宽已调信号的带宽 功率关系功率关系 噪声对调制系统性能的影响噪声对调制系统性能的影响主要参数：主要参数：发送功率发送功率 传输带宽传输带宽 抗噪声性能抗噪声性能 设备的复杂性设备的复杂性n 一般模型一般模型5.1 幅度调制(线性调制)的原理( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )(

5、)()( )2mccSMMH边带滤波器边带滤波器( )( )h tH5.1.1 常规调幅(AM) 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和nAM表达式表达式nAM调制器调制器条件条件：边带项载波项nAM波形和频谱波形和频谱13nAM信号的信号的特点特点l 时，AM波的包络正比于调制信号m(t)， 故可采用包络检波。 lAM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。lAM传输带宽是调制信号带宽的两倍： lAM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。AM2HBf 0maxm tAlAM信号功率：nAM信号的缺信号的缺点点20A

6、M2( )22scAtPmPP0max( )m tA220( )m tAAM50%故边带功率边带功率 0AMccoscoscttm ttsA载波功率载波功率2sAM22AM0( )( )Pm tPAm tAM功率利用率低！功率利用率低！l调制效率(功率利用率)： -不含有用信息 ，却“浪费”大部分的发射功率。 -包含有用信息m(t)， 满调幅时，边带功率最大。 定义调幅系数 m（用百分比表示时，又称调幅度） 反映基带信号改变载波幅度的程度： max0( )mm tAm1 过调幅载波边带 当然， AM正是利用这种“浪费”去换取解调的“便宜”，即包络检波。2sAM22AM0( )( )Pm tPA

7、m tmax0( )mm tA22220AM2222200/22/2mmmmAAAmAAAAm( )cosmmm tAt设（单音正弦），22( )/2mm tA则当m=1(满调幅)时，AM调制效率的最大值仅为1/3， 可见，AM的功率利用率很低。高调幅度的重要性！高调幅度的重要性！ 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和条件：如何提高调制效率？抑制载波！ QA5.1.2 双边带调制双边带调制(DSB-SC) cDSBcosm tstt cDSBc12MMS 0m t 条件：nDSB表达式表达式nDSB调制器调制器doub

8、le-sideband suppressed carriernDSB波形和频谱波形和频谱nDSB信号的信号的特点特点l包络不再与m(t)成正比；当m(t)改变符号时载波相位反转，故不能采用包络检波，需相干解调。 l无载频分量，只有 上、下 边带。l带宽与AM的相同： l调制效率100，即功率利用率高。l主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。DSBAM2HBBf 能否只传输 一个边带？ QA5.1.3 单单边带调制边带调制(SSB)nSSB信号的产生信号的产生(1) 滤波法滤波法 技术难点之一技术难点之一原理原理： 先形成DSB信号，边带滤波即得上或下边带信号。要求：要求

9、： 滤波器HSSB() 在载频处具有陡峭的截止特性。边带滤波特性边带滤波特性 HSSB() 11cossscoinsin22mccmmmtAtAtt cosmmm tAt设 coscosDSBmmcstAtt LSB1cos2mcmstAt 11cossin22ccttm tm t1cosc21os2mcmmcmAtAt（2）相移法 coscc tt载波USB + - - 10sgn10，传递函数传递函数：( )( )sgn( )hMHjM m t 是 m(t)的希尔伯特变换 含义含义：幅度不变，相移/2 Hh() 对 m(t) 的所有 频率分量精确相移 /2 技术难点之二技术难点之二 SSB

10、11cossin22ccStm ttm tt下边带上边带 要求要求：nSSB信号的信号的特点特点l优点之一是频带利用率高频带利用率高。传输带宽为AM/DSB的一半： l因此，在频谱拥挤的通信场合获得了广泛应用，尤其在短波通信短波通信和多路载波电话多路载波电话中占有重要的地位。l优点之二是低功耗低功耗特性，因为不需传送载波和另一个边不需传送载波和另一个边带而节省了功率带而节省了功率。这一点对于移动通信系统尤为重要。l缺点是设备较复杂，存在技术难点缺点是设备较复杂，存在技术难点。也。也需相干解调。需相干解调。SSBAM/2HBBf5.1.4 残留残留边带调制边带调制(VSB)介于介于SSB与与DS

11、B之间的折中方案。之间的折中方案。nVSB信号的产生信号的产生应该具有怎样的滤波特性 ？nVSB信号的解调信号的解调 VSBDSB12ccSSMMHH应该具有怎样的滤波特性？ 29 VSB2cospcststt VSBVSBpccSSS相乘相乘： VSB12ccSMHM 1( )22122cccpcSMMHHMMLPF解调输出：解调输出： d12ccHSMH若要无失真恢复 m(t)， VSB滤波器的传输函数必须满足：在在载频载频处处 具有具有互补对称互补对称 特性特性()()ccHHH常数，含义含义： d12ccHSMH()()ccHHH常数，n残留边带滤波器的几何解释：残留边带滤波器的几何解

12、释：nVSB信号的信号的特点特点l 仅比SSB所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。l 应用：商业电视广播中的电视信号传输电视信号传输等。VSB2HHfBfn滤波法滤波法( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )()()( )2mccSMMH5.1.5 线性线性调制调制(幅度调制)的的一般模型一般模型n相移法相移法( )( )h tH在接收端，如何从在接收端，如何从已调信号已调信号中恢复出中恢复出调制信号调制信号m(t)呢呢？ QA解调的任务!5.1.6 相干解调相干解调与包络检波包络检波n相干解调相干解调 适用适用：AM、DSB、SSB、VSB特点特点：无门限效应：无门限效

13、应要求要求：载波同步：载波同步36n包络检波包络检波 适用适用：AM 信号优势优势：简单、无需载波同步 要求要求：|m(t)|max小于等于小于等于A0 37n插入载波包络检波法插入载波包络检波法 适用适用： DSB、SSB或VSB等抑制载波的已调信号原理原理：将这些信号插入恢复载波，使之成为或近似 为AM信号，然后用包络检波器恢复出m(t)要求要求：Ad 很大，载波同步方法方法：发端/收端插入载波 38n分析模型分析模型5.2 线性调制系统的抗噪声性能高斯白噪声已调信号已调信号 B 和 f0 取决于已调信号的频谱DSB信号：信号：B=2fH f0=fcSSB信号信号：B= fH f0=fcf

14、H /2BPF5.2.1 模型模型与指标指标39窄带高斯噪声输出噪声输出信号i0222ics( )( )( )n tn tn tNn B高斯白噪声已调信号BPF解调器相干解调包络检波ic0s0( )( )cos( )sinn tn ttn tt40n分析模型分析模型解调器ooii/SNGSN2oo2oo( )( )Sm tNn t2ii2ii( )( )SstNntn性能指标性能指标制度增益：输出信噪比：BPF 相干相干低通低通)(tmStc cos( )om t同步同步解调器框图解调器框图415.2.2 DSB-相干解调相干解调系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能相干解调器( )cos( )mc

15、m tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni DSB21cos1 cos22利用（）42DSB2Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH 2i12Smt 2o14Sm ti0Nn Boi14NNoioi2SSNN即020cocs( )ostc ttsin22sincos利用c000s2i0( ) cosco( )sin)co(ssn

16、ttn tttn tt 相干解调将相干解调将 ni(t)中的中的正交分量正交分量抑制掉，抑制掉，从而使信噪比改善从而使信噪比改善1倍倍。ooDSBii/2/SNGSNoioi2SSNN即sin22sincos利用原因原因正交分量正交分量5.2.2 DSB -相干解调系统的抗噪声性能相干解调器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni 11cosis n22ccmm tttm tst 2o116Smto1( )4( )m tm t2i1( )4Sm t5.2

17、.3 SSB 45SSB1Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH oioiSSNN即i0Nn BB=fH SSBDSBoN 2o116Smt2i1( )4Sm ti0Nn Boi14NNi14N 相干解调抑制正交分量相干解调抑制正交分量 （无论信号还是噪声） 11cosis n22ccmm tttm tstic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttooSSBii/1/SNGSNoioiSSNN即原因原因正交分量正交分量SSB

18、1GoioiSSNN即DSB2Goioi2SSNN即ooooDSBSSBSSNN 能否说：DSB系统的抗噪声性能 优于 SSB 系统呢？ 在相同的Si，n0， fH条件下： B=2fH B=fH i0Nn Bi0Nn B DSB和SSB的抗噪声性能相同。 QASSB和和DSB抗噪声性能讨论抗噪声性能讨论 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？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？ 双边带信号双边带信号DSB调制器的信噪比改善了一倍，原因是相干解调调制器的信噪比改善了一倍，原因是相干解调把噪声中的把噪声中的正交分量抑制掉正交分量抑制掉，从而使噪声功率减半的缘故，从

19、而使噪声功率减半的缘故 。 GSSB=1,，GDSB=2是否说明双边带调制的抗噪声性能比单边带是否说明双边带调制的抗噪声性能比单边带调制的更好？调制的更好？ 否否。因为双边带已调信号的平均功率是。因为双边带已调信号的平均功率是单边带的单边带的2倍倍，实际，实际上，双边带和单边的上，双边带和单边的抗噪性能是相同的抗噪性能是相同的。但双边带信号所需的传。但双边带信号所需的传输带宽是单边带的倍。输带宽是单边带的倍。5.2.1 相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能 DSB 和和 SSB 两系统发射信号功率均为两系统发射信号功率均为 Si 且调制信号的带宽且调制信号的带宽为为B，输出信噪比是否相同？

20、，输出信噪比是否相同？【例例】对对DSB和和SSB分别进行相干解调，接收信号功率分别进行相干解调，接收信号功率为为2 mW，噪声噪声双边双边功率谱密度为功率谱密度为210-9W/Hz，调制信调制信号最高频率为号最高频率为4kHz。 (1)比较解调器输入信噪比比较解调器输入信噪比 (2)比较解调器输出信噪比比较解调器输出信噪比9022 10/248iZSSBZDSBZnSmWW HBkHBkH 相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能lSSB： l DSB：3932 1010001252 2 104 108iiioSSBSSNn B 1125125oiSSBoiSSGNN3932 1010006

21、2.52 2 102 4 1016iiioDSBSSNn B 2 62.5125oiDSBoiSSGNN相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能l输入信噪比的比较输入信噪比的比较:l输出信噪比的比较输出信噪比的比较: : 1:25 .62:125: DSBiiSSBiiNSNS1:1125:125: DSBOOSSBOONSNS2oo220/2( )10dB/( )AMiiSNm tGSNAm t oo/23dB/DSBiiSNGSN信噪比增益比较信噪比增益比较oo/10/SSBiiSNGdBSN 合成包络5.2.4 AM 包络检波包络检波系统的抗噪声性能 22022itSmAAM0( )(

22、)coscstAm ttic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn tt0iNn B icc0cscossinmAm tn tstn tn ttt cosctttE53（1）大大信噪比时信噪比时 220cs( )( )( )Am tn ttn tE隔掉220cs( )( )( )Am tn tn t 0cAmnE ttt omt on t 22oomtmSt 2oicnNNt2AM2202( )( )m tGAm t检波输出检波输出：54 讨论讨论：2AM2202( )( )m tGAm tl由于|m(t)|max小于等于 A0 ，所以GAM 1，所以，所以FM的抗噪性能优于的

23、抗噪性能优于AM，但但FM信号带宽大于信号带宽大于AM信号带宽。所以信号带宽。所以FM的抗噪的抗噪性能优于性能优于AM，这是以牺牲有效性为代价的。，这是以牺牲有效性为代价的。mifFMoofnSmNS0223)( l在相位调制中载波瞬时相位随调制信号在相位调制中载波瞬时相位随调制信号m(t)线性地变化线性地变化，而在频率调制中载波瞬时相位随调制信号的积分线性，而在频率调制中载波瞬时相位随调制信号的积分线性地变化。地变化。 l已调信号的带宽实际上大部分的功率集中在以载频为中已调信号的带宽实际上大部分的功率集中在以载频为中心的有限带宽内心的有限带宽内l调制信号有许多频率分量时，卡森公式中调制信号有许多频率分量时，卡森公式中fm的应是调制的应是调制信号的最高频率分量的频率。信号的最高频率分量的频率。l角度调制信号的振幅是恒定的。所以角度调制信号在经角度调制信号的振幅是恒定的。所以角度调制信号在经过随参信道传输后，虽然信号振幅会因多径衰落和噪声过随参信道传输后，虽然信号振幅会因多径衰落和噪声的叠加而发生起伏，但是因为角度调制信号的振幅并不的叠加而发生起伏，但是因为角度调制信号的振幅并不包含调制信号的信息，所以不会因信号振幅的改变而使包含调制信号的信息，所以不会因信号振幅的改变而使信息受到损失。信息受到损失。角度调制信号的抗干扰能力较强。角度调制信号的抗干扰能力较强。