通信原理第5章樊昌信第七版91729讲解课件.ppt

1、第5章模拟调制系统通信原理（第7版）樊昌信 曹丽娜 编著本章内容:调制简介定义 目的 分类第5章 模拟调制线性调制（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）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?调制定义比喻货物运输：何谓调制？将 货物 装载到 飞机/轮船 的某个仓位上。调制：把 消息信号 搭载到 载波 的某个参数上。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。?调制目的?为什么要进行调制？进行频谱搬移，匹配信道特性，减小天线尺寸；

2、实现多路复用，提高信道利用率；改善系统性能（有效性、可靠性）；实现频率分配看来，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!?调制分类m(t)m(t)调制器调制器sm(t)sm(t)先认识一下调制过程 所涉及的 三种信号c(t)调制信号载波运波弦正载工脉冲序列具已调信号多受调载波种含有m(t)形信息式同消息信号义号信带基词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调制信号调制信号已调带通信号已调带通信号发送设备发送设备调制器调制器发射机发射机信道信道噪声噪声基带信号基带信号信源信源m?t?sm?t?基带信号基带信号信宿信

3、宿m?t?接收设备接收设备解调器解调器接收机接收机n?t?rtst?n t?m带通信号带通信号调制方式分类：按调制信号m(t)的类型分?模拟调制?数字调制按已调信号的频谱结构分?线性调制?非线性调制都有哪些调制方式？按正弦载波的受调参量分?幅度调制?频率调制m(t)调制器调制器sm(t)按载波信号c(t)的类型分?连续波调制?脉冲调制c(t)?相位调制7本章研究的模拟调制方式：(t)?Acos(?t?)作为载波的是以正弦信号cc?幅度调制（线性）：AM、DSBSSB、VSB?角度调制（非线性）：FM、PM 调制系统中讨论的主要问题和主要参数主要问题：工作原理（包括调制系统的物理过程，调制信号、

4、载波信号、已调信号三者的关系）已调信号的带宽功率关系噪声对调制系统性能的影响主要参数：发送功率传输带宽抗噪声性能设备的复杂性2020/7/1895.1 幅度调制(线性调制)的原理?一般模型m?t?cos?cth?t?sm?t?边带滤波器ht()?H(?)st()?(mt)cos?t?h(t)mc1S()?M(?)?M(?)H()?mcc25.1.1常规调幅(AM)?AM表达式?AM调制器sA?mtcos?t?t?AM0c?A os?t?mos?t?t?c0ccc载波项边带项m?t?A0sAM?t?cos?ctt?0 和mtm?A条件：m?0ax1S?A?M?M?AM0cccc?2?AM波形和频

5、谱M?A0?m?t?A00t?H0?H?载波载波t?cSAM?0?c载波分量载波分量下边带下边带?上边带上边带sAM?t?t?c0?c?BAM?AM信号的特点?m?t?max?A0时，AM波的包络正比于调制信号m(t)，故可采用包络检波。?AM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。AM传输带宽是调制信号带宽的两倍：BAM?2fH?AM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。13?AM信号的缺点st?A cost?mt cost?AM0cc?20?AM信号功率：Am()tP?PAMc?Ps22载波功率载波功率边带功率边带功率Pm(t)s?AM?22PAt)AM0?m(22?调制效率(功率利用

6、率)：2m()tm?Am(t)0?ax?0%AM功率利用率低！A故AM520载波-不含有用信息，却“浪费”大部分的发射功率。当然，AM正是利用这种“浪费”去换取解调的“便宜”，即包络检波。边带-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：m?m(t)maxA0m 1过调幅m=1 临界状态，满调幅（100）A?m(t)A0A?m(t)A?m(t)AAt0t0tsAM(t)sAM(t)sAM(t)0tttm?1m?1m?1高调幅度的重要性！Pm(t)s?AM?22PAt)AM0?m(2m?m(t)maxA022m则m(

7、t)?A/2设m(t)?A cos（t单音正弦），mm?AA/Am?AM22A?A2?A/A2?m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。2m220m22m022m02QA如何提高调制效率？抑制载波！m?t?sA?mtcos?t?t?AM0c?A os?t?mos?t?t?c0ccc条件：?A0sm?t?cos?ctmt?0 和mtm?A?0ax1S?A?M?M?c?AM0ccc?2?5.1.2 双边带调制(DSB-SC)double-sideband suppressed carrier?DSB表达式?DSB调制器st?mt cos?t?DSBc条件

8、：m?t?0m?t?cos?ctsDSB?t?1S?M?M?DSBcc?2?DSB波形和频谱m?t?0M?t?H0?H?载波载波t?c0?c下边带下边带?上边带上边带sDSB?t?cSDSB?t0?c?BDSB?DSB信号的特点QA?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。能否只传输一个边带？?无载频分量，只有 上、下 边带。带宽与AM的相同：B?B?2fDSBAMH?调制效率100，即功率利用率高。主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。5.1.3 单边带调制(SSB)?SSB 信号的产生m?t?(1)滤波法?sDSB

9、?t?HSSB?sSSB?t?原理：先形成DSB信号，边带滤波即得上或下边带信号。cos?ct要求：滤波器HSSB(?)在载频处具有陡峭的截止特性。技术难点之一边带滤波特性HSSB(?)SDSB?下边带下边带上边带上边带HLSB?c0?c?SLSB?c?c0?c0HUSB?c?SUSB?c?c0?c0?c?（2）相移法设mt?A cos?t载波ctcos?t?mmcst?A cos?t?cos?t?DSBmmc11?A cos?t?A cos?t?mcmmcm221st?A cos?t?LSBmc?m+2USB11?A cos?tcos?t?A sin?tsin?tmmcmmc-2211?mt

10、 cos?t?mt sin?t?cc-2211?St?m t cos?t?m t sin?t?SSBcc22下边带上边带m?t?是 m(t)的希尔伯特变换1m?t?2含义：幅度不变，相移/2Hh?cos?tc1m?t?cos?ct2?/2?sSSB?t?传递函数：M(?)H?)?jsgn?h(M(?)?1，?0sgn?1，?0?1?m?t?2?1m?t?sin?t2c要求：Hh()对 m(t)的所有频率分量精确相移/2技术难点之二?SSB信号的特点优点之一是频带利用率高。传输带宽为AM/DSB的一半：B?B/2?fSSBAMH?因此，在频谱拥挤的通信场合获得了广泛应用，尤其在短波通信和多路载波

11、电话中占有重要的地位。?优点之二是低功耗特性，因为不需传送载波和另一个边带而节省了功率。这一点对于移动通信系统尤为重要。?缺点是设备较复杂，存在技术难点。也需相干解调。5.1.4残留边带调制(VSB)介于SSB与DSB之间的折中方案。M?DSB?SSBVSB-?c0?c?VSB信号的产生m?t?sDSB?t?H?sVSB?t?应该具有怎样应该具有怎样的滤波特性的滤波特性？cos?ct?？VSB信号的解调sVSB?t?sp?t?LPFsd?t?c(t)?2cos?ct1S?S?H?M?M?H?VSBDSBcc?2?相乘：st?st?2cos?t?pVSBcsVSB?t?sp?t?LPFsd?t?

12、S?S?S?pVSBcVSBc?c(t)?2cos?ct1S?M?M?H?VSBcc?2?1S(?)?M?2?M?H?pc?c?21?M?M?2?H?c?c?2LPF解调输出：1S?M?H?H?dcc?2291S?M?H?H?dcc?2若要无失真恢复 m(t)，VSB滤波器的传输函数必须满足：H(?)H(?)常数，?ccH含义：在载频处具有互补对称10.5?HVSB?c10?c特性0.5?c0?c?残留边带滤波器的几何解释：H?0?H?c?H?c?c?c?H(?)H(?)常数，?ccH?VSB信号的特点仅比SSB所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。?f?B?2fHVSBH?应用：商业电视

13、广播中的电视信号传输等。5.1.5线性调制(幅度调制)的一般模型?滤波法?相移法HI?m?t?h?t?sm?t?m?t?sI?t?cos?tccos?ct?/2HQ?sm?t?ht()?H(?)sQ?t?st()?(mt)cos?t?h(t)mc1S()?M(?)?M(?)H()?mcc2QA在接收端，如何从已调信号中恢复出调制信号m(t)呢？解调的任务!5.1.6 相干解调与包络检波?相干解调sm?t?sp?t?LPFsd?t?c?t?cos?ct适用：AM、DSB、SSB、VSB特点：无门限效应要求：载波同步?包络检波tAM信号DRtCA0?m?t?适用：AM 信号优势：简单、无需载波同步

14、要求：|m(t)|max小于等于A036?插入载波包络检波法sm(t)?包络检波器Adcos?ct适用：DSB、SSB 或VSB等抑制载波的已调信号原理：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：Ad 很大，载波同步方法：发端/收端插入载波375.2 线性调制系统的抗噪声性能5.2.1 模型与指标?分析模型sm?t?已调信号高斯白噪声H(f)?n?t?带通带通BPF滤波器滤波器sm?t?ni?t?解调器解调器mo?t?no?t?B 和f0取决于已调信号的频谱B1DSB信号：B=2fH f0=fcf?f00f0SSB信号：B=fHf0=fcfH/238

15、输出信号sm?t?已调信号高斯白噪声?n?t?带通带通BPF滤波器滤波器si?t?ni?t?解调器解调器解调器mo?t?no?t?窄带高斯噪声输出噪声n(t)?n(t)costn?(t)sintic0s02i2c2s?相干解调包络检波n(t)?n(t)?n(t)?NnBi?039解调器框图解调器框图?相干相干Sm(t)?低通低通mo(t)分析模型sm?t?同步同步cos?ct?n?t?带通带通BPF滤波器滤波器si?t?ni?t?解调器解调器解调器mo?t?no?t?性能指标输出信噪比：制度增益：Som(t)?2Nono(t)2oSo/NoG?Si/NiSis(t)?2Nini(t)402i5

16、.2.2 DSB-相干解调系统的抗噪声性能sm(t)DSB?n(t)BPFSi sm(t)ni(t)Ni 相干解调器?LPFmo(t)Sono(t)Noc(t)?cos?cts()t?m()t cos?tmc1mo(t)?m(t)2212?Sst()?m(t)cos?t(t)?mi?c22m212?Sm()t?m()to?42o411利用 cos?（1?cos2?）2利用sin2?2sin?cos?n(t)?n(t)cost?n(t)sintc(t)?cost?ic001no(t)?nc(t)2?2s0?Ni?n0B2oB=2fH11122?N?n(t)?n(t)=n t)?Noci(i444

17、12Si?m?t?212So?m?t?41No?Ni4GDSB?2SoSi即?2NoNi42Ni?n0B利用sin2?2sin?cos?So/NoGDSB?2Si/Ni原因原因相干解调将 ni(t)SoSi即?2NoNin(t)?iLPF中的正交分量抑制掉，从而使信噪比改善1 倍。no(t)c(t)?cos?ctn(t)?cost?n(t)cost?n(t)sint?cost?i0c00正交分量?20s?5.2.2 DSB-相干解调系统的抗噪声性能5.2.3SSBSi 相干解调器sm(t)?n(t)BPFsm(t)ni(t)Ni 2m?LPFmo(t)Sono(t)Noc(t)?cos?ct2

18、12Sst()?m(t)cos?t(t)s()t?m()t cos?t?mi?cmc21112?st?m t cos?t?mt sin?t?Si?m(t)?mcc2241122mo(t)?m(t)?Sm t?m()to?o()24121?So?m?t?mo(t)?m(t)164n(t)?n(t)cost?n(t)sintic0s0?Ni?n0B?Ni?n0B1no(t)?nc(t)22o?DSBSSBB=fHB=2fH111122Ni?n(t)?n(t)=n t)?N?NNoici(o444412Si?m(t)4Ni?n0B12So?m?t?16GSSB?1SoSi即?NoNi451No?Ni

19、4So/NoGSSB?1Si/Ni原因SoSi即?NoNism?t?（无论信号还是噪声）相干解调抑制正交分量n(t)i?LPFno(t)c(t)?cos?ct11?st?mt cos?t?m t sin?t?mcc22n(t)?n(t)cost?n(t)sintic0s0正交分量?QAGSSB?1GDSB?2Ni?n0BNi?n0BSoSi即?NoNiSoSi即?2NoNiB=fH B=2fH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：DSB和SSB的抗噪声性能相同。?So?So?No?DSB?No?SSB5.2.1 相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性

20、能SSB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，原因是相干解调制器的信噪比改善了一倍，原因是相干解调把噪声中的调把噪声中的 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，

21、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。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？，输出信噪比是否相同？相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能【例】对DSB和SSB分别进行相干解调，接收信号功率-9为2 mW，噪声双边功率谱密度为210 W/Hz，调制信号最高频率为4kHz。(1)比较解调器输入信噪比(2)比较解调器输出信噪比n?90S2m W?2?10 W/Hi?Z2B4kHB8kHSSB?Z

22、DSB?Z相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能?SSB：?3SS2?101000ii?125?93NnB?2?10?4?108ioS SB2SSoi?G?1?125?125SSBNNoiSS2?101000ii?62.5?93NB?2?10?2?4?1016inoDSB2?3?DSB：SSoi?G?2?62.5?125DSBNNoi输入信噪比的比较:输出信噪比的比较:?S?S?ii?:?125:62.5?2:1?NN?i?i?SSBDSB?S?S?OO?:?125:125?1:1?NNOO?SSBDSB?信噪比增益比较信噪比增益比较SN/o2m(t)oG?10?dBAM22SN/Am(t)

23、ii0?2So/NoG?2?3dBDSB?Si/NiSo/NoG?1?0dBSSB?Si/Ni5.2.4AM 包络检波系统的抗噪声性能sm(t)?n(t)BPFsm(t)ni(t)包络检波器包络检波器E(t)Am?t?s(t)?A?m(t)cos?t?Si?AM0c22202n(t)?n(t)cost?n(t)sint?Ni?n0Bic0s0stn?t?A?mtn?t cost?n t sint?mi0ccsc?E t cos?t?t?c?合成包络检波输出：E t?A?m(t)?n(t)nt()?0c2s2（1）大信噪比时A?m()t?nt()?nt()02c2sE t?Am?t?n t?0c

24、隔掉2o2mo?t?no?t?Sm t?mt?o?Nn?t?No?i2cGAM?2m(t)A0?m(t)53222GAM?讨论：?2m(t)A0?m(t)222SoSi由于|m(t)|max小于等于 A0，所以GAM 1，所以FM的抗噪性能优于AM，但FM信号带宽大于AM信号带宽。所以FM的抗噪性能优于AM，这是以牺牲有效性为代价的。?在相位调制中载波瞬时相位随调制信号m(t)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地变化。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?调制信号有许多频率分量时，卡森公式中fm的应是调制信号的最高频率分量的频率。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信息受到损失。角度调制信号的抗干扰能力较强。?