通信原理-CH2-模拟线性调制课件.ppt

1、1 第二章第二章 模拟线性调制模拟线性调制2主要内容和重点主要内容和重点n调制分类调制分类n调制、解调模型和方法调制、解调模型和方法nAM、DSB、SSB、VSBn抗噪声性能分析抗噪声性能分析nAM、DSB、SSB、VSB32.1 引言引言 n点-点通信系统 dtjke)(C通常假定为理想恒参信道：信道的数学模型：r(t)=c(t)s(t)+n(t)4问题：n为什么要对信号进行调制？n什么是调制？2.1 引言引言 510l 如：如：因此，因此，GSM手机的工作频段规定在手机的工作频段规定在 9001800MHzmlMHzfmlKHzfc1,10103103,3010,10103103,3784

2、538fc2.1 引言引言 6以无线电广播的中波波段为例：可用波以无线电广播的中波波段为例：可用波段范围为段范围为530KHz1600KHz，而语音信号的，而语音信号的频率范围为频率范围为3003400Hz，经调制后每一个，经调制后每一个广播电台频道的带宽为广播电台频道的带宽为9KHz530KHz1600KHz300 9000上述即为上述即为，它通过不同载波频率的调制完成，它通过不同载波频率的调制完成7 7n调制：就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。其中包括调制映射，傅立叶变换，频率搬移等等。Sx()频率搬移频率搬移 Sy()c twtxtytwjtwtxtywwwSwSccccxyco

3、s)()(sincos)()()()()(数学分析82.1 引言引言 n调制分类n正弦（连续波）调制：n脉冲调制：nC(t)：脉冲周期信号n复合调制：n对同一载波同时进行多种方式（幅度、频率、相位）的调制过程n多级调制：n对同一基带信号进行多次调制的过程 )(cos)(cctwAtc幅度调制频率调制相位调制线性调制非线性调制92.1 引言引言 n调制分类n正弦调制：C(t)=cosct n模拟调制：m(t)为模拟信号，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PMn数字调制：m(t)为数字信号，如ASK、FSK、PSK等n脉冲调制：C(t)为脉冲周期信号n脉冲无编码调制n用模拟信号m(t)改变脉冲

4、的幅度(PAM)、宽度(PDM)、相位(PPM)n脉冲编码调制(PCM)n用脉冲串对模拟信号m(t)抽样、量化、编码为PCM信号n增量调制(DM)nm(t)为模拟信号，根据两相邻采样信号之差来进行编码n脉冲数字调制nm(t)为数字信号，常用多进制脉位调制10 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理n主要内容n一般调制方法nAM的调制解调方法nDSB的调制解调方法nSSB的调制解调方法nVSB的调制解调方法11 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理一般调制方法一般调制方法n调制方法：滤波法 n不同的H(f)DSB、SSB、VSB、AM n频谱分析 )f(M)t(mF)()(2)(fMf

5、AtmAF线性调制的一般模型12 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理一般调制方法一般调制方法 ccFcffff)f(CtcosccFffMffM21)f(S)t(SccmFmffMffMfHfStS)(21)()(n频谱分析（续）13 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理一般调制方法一般调制方法n频谱分析示意图nDSB、AM14 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理AM nAM信号的产生n时域表达式：SAM(t)=A+m(t)cosctnH(f)：理想带通 nAM信号频谱：S(f)nAM信号带宽：BAM=2fH15nAM的解调方法n包络检波：要求 A+m(t)0 n相干解调

6、 0fHf)t(m21)t(mt2cos1)t(mA21tcos)t(mAoLPFcc2隔直 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理AM 16n相干解调（续）n频谱示意图 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理AM 17已调波包络完全反映调制信号变化规律已调波包络完全反映调制信号变化规律 AM信号的频谱信号的频谱SAM()由由和和、组成组成 上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，相同，AM信号是带有载波的双边带信号，它的信号是带有载波的双边带信号，它的，即，即 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理AM 18 scAMApptmAtSP2

7、)(22202得得 ttmtAtsccAMcoscos0 式中，式中，PC为载波功率，为载波功率，PS为边带功率为边带功率 可见，可见，AM信号的总功率包括信号的总功率包括和和两部分，两部分，只有边带功率才与调制信号有关，载波分量不携带信息只有边带功率才与调制信号有关，载波分量不携带信息载波分量占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有功载波分量占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有功率较小。因此，从功率上讲，率较小。因此，从功率上讲，AM的功率利用率比较低的功率利用率比较低 功率利用率比较低；功率利用率比较低；(不携带信息的载波分量占据大部分功率总功率不携带信息的载波分量占据大部分功率总

8、功率)占用频带宽，占用频带宽，BAM=。(含有用信息的两个边带含有用信息的两个边带)将载波抑制掉再传输将载波抑制掉再传输 抑制载波的双边带调制抑制载波的双边带调制 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理AM 19 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理DSB nDSB（或DSB-SC）信号的产生 nSDSB(t)=m(t)cosct 20 AMS0A 0A Ot tSAM MH H Otcosw0tOtO-ccOt载波反相点载波反相点tSDSB DSBS MH H ttmtAtsccAMcoscos0 ccccAMMMAS 210 ttmtscDSBcos ccDSBMMS 2121

9、由时间波形可知，由时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号的变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化规律一致，因而不能采用简单的包络检波包络检波来恢复调制信号，来恢复调制信号，需采用需采用相干解调相干解调(同步检波同步检波)。另外，在调制信号。另外，在调制信号m(t)的过零的过零点处，高频载波相位有点处，高频载波相位有180的突变的突变 由频谱图可知，由频谱图可知，DSB信号虽然节省了载波功率，功率利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。由于信号带宽相同。

10、由于DSB信号的上、下两个边带是完全信号的上、下两个边带是完全对称的，对称的，因此它们都携带了调制信号的全部信息因此它们都携带了调制信号的全部信息 22 ttmtscDSBcosDSB频谱频谱bcB bcB DSBSbAMBB2 上边带上边带下边带下边带 ccDSBMMS 2121占用频带宽，占用频带宽，BDSB=。(含有两个完全相同的边带含有两个完全相同的边带)将只传输一个边带将只传输一个边带 单单边带调制边带调制23n 解调n不能用包络检波法解调n相干解调：同AM 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理DSB 0fHf211()cos()1cos2()()22LPFccom ttm t

11、tm tm t 24 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理SSB nSSB信号的产生方法nH(f)fc+fL fc fc+fHfH(f)由得上边带USBfc-fH fc-fLfH(f)由得下边带LSB25 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理SSB nSSB信号的时域表达式 n下边带带通滤波器可表示为ccsgnsgn21)(H26)sgn()(M)sgn()(M41)(M)(M41)sgn()(M)sgn()(M41)sgn()(M)sgn()(M41)sgn()sgn(21)(M)(M21)(SccccccccccccccccccLSB 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理

12、SSB nSSB信号的时域表达式（续）27tsin)t(m21tcos)t(m21)t(SccLSB载波为cosct)t(m是m(t)的希尔伯特变换 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理SSB nSSB信号的时域表达式（续）sinct是cosct的希尔伯特变换28)sgn()(M)sgn()(M41)()()sgn()(M41)()(j)sgn(j)(M2121tsin)t(m21ccccccccFc 同理 载波为cosct 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理SSB nSSB信号的时域表达式（续）11()()cos()sin22USBccStm ttm tt29 tcos)t(m

13、21tsin)t(m21)t(SccLSBtcos)t(m21tsin)t(m21)t(SccUSB 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理SSB nSSB信号的时域表达式（续）n当载波为sinct时式中系数1/2可为任一常数30 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理SSB nSSB信号的产生n相移法：根据时域表达式m(t)。90。90tcosc）（tm+-tsincSLSB(t)SUSB(t)11()()cos()sin22LSBccStm ttm tt载波为cosct 11()()cos()sin22USBccStm ttm tt31n解调n相干解调：同AMn插入强载波+包络检波

14、 tcos)t(m21Atsin)t(m21tcos)t(m21Accc 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理SSB 0fHf32n强载波Acosct的获取方法n 发端插入导频acosct，收端提取acosct后，放大得Acosct，Aan不发导频，收端的振荡器输出Acosct作为强载波n语音单边带允许 15Hz f 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理SSB 3333n 综上所述：综上所述：SSB调制方式在传输信号时，所占用的频带调制方式在传输信号时，所占用的频带宽度为宽度为BSSB=，只有，只有AM、DSB的一半，它目前已成的一半，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式为短波

15、通信中的一种重要调制方式n SSB信号的解调和信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，一样不能采用简单的包络检波，因为因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能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，直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调所以仍需采用相干解调对边带滤波器的滤波性能要求很高，实际制造这样的滤对边带滤波器的滤波性能要求很高，实际制造这样的滤波器非常困难波器非常困难 对一个边带进行逐渐截止对一个边带进行逐渐截止 34DSB、SSB和和VSB信号的频谱信号的频谱M()2B2BODSB()ccO(a)(b)SSB()OccccVSB()O(c)

16、(d)35nVSB调制/解调系统 nfL很小时，无法用滤波器得到SSB信号，只能得到VSB信号 m(t)Sm(t)GT(f)C(f)n(t)GR(f)tcosc载波同步tcoscLPFVSB信号U(t)m0(t)n0(t)非标准的VSB信号 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理VSB ()f t cos()cw t()DSBSt()VSBHw()VSBSt ()VSBSt cosdcCw t()pSt LPF()dS t 36 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理VSB nH(f)=GT(f)C(f)GR(f)n 对H(f)的要求：nH(f+fC)+H(f-fC)=C，|f-fc|

17、fHn即H(f)在fc两边互补对称 证明:)f(H)f(S)f(SmVSB1()()()2ccM ffM ffH f37)ff(H)f(M)f2f(M41)ff(H)f(M)f2f(M41)ff(S)ff(S21)f(UcccccVSBcVSB)ff(H)ff(H)f(M41)f(Mcc0当()(),cccHH ffH ffCfff时 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理VSB m(t)Sm(t)GT(f)C(f)n(t)GR(f)tcosc载波同步tcoscLPFVSB信号U(t)m0(t)n0(t)非标准的VSB信号00()()()()44CCMfM fm tm t38 2.2 调制

18、调制/解调系统原理解调系统原理VSB 39 -fc-fa-fc 0 fc fc-faH(f)H(f)=H1(f)+H2(f)+H3(f)ffH1(f)00fH2(f)0fH3(f)H1(f)形成下边带信号,基带信号H2(f)形成上边带信号,基带信号H3(f)形成下边带信号,基带信号m(t)H(f)m(t)0 fafH(f)t(m)t(m)t(m 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理VSB 40显然，显然，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，而是有无穷多个只要残留边带滤波器的特性只要残留边带滤波器的特性HVSB()在在c处具有互补对

19、称（奇对称）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基带信号HVSB()10.50cccc00.51HVSB()(a)(b)HcVSBcVSBHH 常数，常数，2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理VSB 41tsin)t(mtsin)t(m21tcos)t(m21tsin)t(m21tcos)t(m21tsin)t(m21tcos)t(m21tsin)t(m21tcos)t(m21)t(ScccccccccVSB1()cos()cos2VSBccStAtAm tt 2.

20、2 调制调制/解调系统原理解调系统原理VSB nVSB的插入强载波包络检波解调法（电视）线性调制含义：将m(t)频谱线性放大，再搬移到fc两边 42讨论：讨论：若若收发两端的载波不能做到同频或者收发两端的载波不能做到同频或者完全同相，结果如何？还可以完全恢复出完全同相，结果如何？还可以完全恢复出基带信号吗？基带信号吗？2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理VSB 43讨论讨论：在在DSB中，设本地载波信号与发送中，设本地载波信号与发送载波的频率误差和相位分别为载波的频率误差和相位分别为和和 试分析其对解调结果的影响试分析其对解调结果的影响 解：解：解调器模型为解调器模型为 相乘输出相乘输出

21、 ttttmc2coscos21 ttttmtscccoscos tttcccosLPFLPFS0(t)tSDSBS(t)44经经LPF后得到后得到 ttmtSdcos21分别设以下两种特殊情况：分别设以下两种特殊情况：1)设设，0 0 时，时，cos21tmtSd 当当2 时，输出信号为零。时，输出信号为零。2 时，幅度受到衰减且符号也要改变时，幅度受到衰减且符号也要改变 当当452)设设，0 0 时，时，ttmtSd cos21 当两端的载波只有频率误差时，解调输出仍为当两端的载波只有频率误差时，解调输出仍为双边带调幅信号，但该信号的载波角频率为双边带调幅信号，但该信号的载波角频率为 ，产

22、生明显失真产生明显失真 通常通常 和和 两种误差都存在，因此，两种两种误差都存在，因此，两种影响也都存在，从而不同程度的影响了通信的质量影响也都存在，从而不同程度的影响了通信的质量4646线性调制的一般模型)(tf)cos(twc()mSt)(wH)(tS 1()()()()2ccS wH wF wwF ww47线性调制信号的正交产生n时域表达式时域表达式n正交法产生正交法产生twtfthtwtfthdtwtfhthtwtftScQcIccsin)()(cos)()()(cos)()()(cos)()(展开twththtwththcQcIsin)()(cos)()(同相分量正交分量)(tf)c

23、os(twc)(tSI)(wHI)(tS)(wHQ)(tSQ 2/48n双边带调制n单边带调制0)(1)(wHwHQI)()()(2121wHwHwHhQI 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理VSB 495050线性调制系统的相干解调n适用于：AM，DSB，SSB，VSBn数学分析n输入信号：n滤波前n滤波后()S t LPF 载波恢复 cos()cw t()pSt()dSt()()cos()sinIcQcS tS tw tStw t111222()()cos()()cos2()sin2pcIIcQcStS tw tS tS tw tStw t12()()()dIStStft5151插

24、入载波包络检波n适用于DSB，SSB，VSB()S t 包络检波 载波恢复)cos(twAcd)(tSa)(tSd 加入载波后的信号加入载波后的信号Sa(t)=SI(t)+Adcoswct+SQ(t)sinwct =A(t)coswct+(t)522.3 抗噪声性能抗噪声性能n主要内容和重点n线性调制系统的抗噪声性能 nAM、DSB、SSB的相干解调抗噪声性能nAM、DSB、SSB的性能比较n门限效应：包络检波532.3 抗噪声性能抗噪声性能n线性调制系统的抗噪声性能 nAM、DSB、SSB相干解调的抗噪性能 BPF的带宽W等于信号带宽B，B 1时，包络检波的可靠性同相干解调 ni(t)时，E

25、(t)A+m(t)+nc(t)mo(t)=m(t)，no(t)=nc(t)可得:2222()()2()cos3mm tGAm tm tAtG当时，2.3 抗噪声性能抗噪声性能6666 在包络检波器的输出端没有单独的信号项。有用信号在包络检波器的输出端没有单独的信号项。有用信号被扰乱，解调器输出只能看作噪声被扰乱，解调器输出只能看作噪声 所谓所谓门限效应门限效应，是指当包络检波器的输入信噪比降低，是指当包络检波器的输入信噪比降低到一个特定的数值后，检波器输出信噪比急剧恶化的一种到一个特定的数值后，检波器输出信噪比急剧恶化的一种现象，即在小信噪比情况下，包络检波器会把有用信号扰现象，即在小信噪比情

26、况下，包络检波器会把有用信号扰乱成噪声。乱成噪声。注：注：用相干解调的方法解调各种线性调制信号时，由于用相干解调的方法解调各种线性调制信号时，由于解调过程可视为信号与噪声分别解调，故解调器输出端总是解调过程可视为信号与噪声分别解调，故解调器输出端总是单独存在有用信号项。因此单独存在有用信号项。因此相干解调不存在门限效应相干解调不存在门限效应。67n当 A+m(t)ni(t)时，解调器的输出端得不到独立的信号 oNS）（iNS）（oNS）（=iNS）（1dBiNS）（门限G2.3 抗噪声性能抗噪声性能6868n问题问题：n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？n双边带调制相干解调

27、的信噪比增益比单边带调制的高是否说明双边带调制的抗噪声性能比单边带调制的更好？6969练习设模拟调制系统信道和接收端模型如下图所示。已知信道噪声n(t)为加性高斯白噪声，单边功率谱密度为n0=10-6W/Hz；sm(t)为已调信号，载波频率fc=1MHz，对应的调制信号m(t)的最高频率为fH=5KHz。带通滤波器为理想。试分别计算DSB（Si=1kW，相干解调）、USB（Si=1kW，相干解调）、AM（两边带功率Pf=1kW，载波功率Pc=4kW，包络检波）三种情况下的下列参数：1.带通滤波器的中心频率f0、带宽B；2.解调器输入端信噪比Si/Ni；3.信噪比增益G；4.解调器输入端信噪比S

28、0/N0；7070DSB：(1)f0=fc=1MHz,B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10 x103=10mW Si/Ni=1x103/10-2=105(3)G=2(4)S0/N0=G x Si/Ni=2x1057171USB：(1)f0=fc+fH/2=1.0025MHz,B=fH=5kHz(2)Ni=n0B=10-6x5x103=5mW Si/Ni=(1x103)/(5x10-3)=2x105(3)G=1(4)S0/N0=G x Si/Ni=2x105当Si，n0，fH相同时，(S0/N0)DSB=(S0/N0)SSB7272AM:(1)f0=fc=1MHz,B=2fH

29、=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10 x103=10mW Si=Pc+Pf=(4+1)kW=5kW Si/Ni=5x103/10-2=5x105(3)AM=Pf/(Pc+Pf)=1/(4+1)=0.2 GAM=2 AM=0.4(4)S0/N0=G x Si/Ni=0.4x5x105=2x1057373复习思考题n1、什么是线性调制？常见的线性调制方式有哪些？n2、与未调载波的功率相比，AM信号在调制过程中功率增加了多少？n3、为什么要抑制载波？相对AM信号来说，抑制载波的双边带信号可以增加多少功效？n4、SSB信号的产生方法有哪些？各有何技术难点？n5、VSB滤波器的传输特性应满足什

30、么条件？为什么？n6、如何比较两个模拟通信系统的抗噪声性能？n7、DSB和SSB调制系统的抗噪声性能是否相同？为什么？n8、什么是门限效应？AM信号采用包络检波时为什么会产生门限效应？74作业：n1、若对某一信号用DSB进行传输，设加至接收机的调制信号m(t)的功率谱密度为试求：（1）接收机的输入信号功率；（2）接收机的输出信号功率；（3）若叠加于DSB信号的白噪声具有双边带功率谱密度为n0/2，设解调器的输出端接有截至频率为fm的理想低通滤波器，那么，输出信噪功率比为多少？|2|()0|mmnfmfmmffPfff75作业：n2、设调制信号m(t)的功率谱密度与上题相同，若用SSB调制方式进

31、行传输，试求：（1）接收机的输入信号功率；（2）接收机的输出信号功率；（3）若叠加于SSB信号的白噪声具有双边带功率谱密度为n0/2，设解调器的输出端接有截至频率为fm的理想低通滤波器，那么，输出信噪功率比为多少？（4）该系统的调制制度增益G为多大？76作业：n3、设被接收的调幅信号为Sm(t)=A+m(t)cosct，采用包络检波法解调，其中m(t)的功率谱密度与题1相同，若一双边功率谱密度为n0/2噪声叠加于已调信号，试求解调器输出的信噪功率比。77作业77(a)(b)4.某调制方框图如图（a）所示，已知m(t)的频谱如图（b）所示，载频 ，且理想低通滤波器的截止频率为 ，试求输出信号S(t)，并说明S(t)为何种已调制信号。121H