通信原理--第5章-模拟调制系统课件.ppt

通信原理l第第1章章绪论绪论l第第2章章确知信号确知信号l第第3章章随机随机过程过程l第第4章章信道信道l第第5章章模拟调制系统模拟调制系统l第第6章章数字基带传输系统数字基带传输系统l第第7章章数字带通传输系统数字带通传输系统l第第8章章新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术l第第9章章模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输l第第10章章数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收l第第11章章差错控制编码差错控制编码l第第12章章正交编码与伪随机序列正交编码与伪随机序列l第第13章章同步原理同步原理1通信原理第第5章章模拟调制系统模拟调制系统2图1-5 数字通信系统模型数字通信系统模型图1-4 模拟通信系统模型模拟通信系统模型ch4ch3ch5ch53第第5章章模拟调制系统模拟调制系统l5.1幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理l5.2线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能l5.3非线性调制（角度调制）原理非线性调制（角度调制）原理l5.4调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能l5.5各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较l5.6频分复用和调频立体声频分复用和调频立体声l5.7小结小结4第第5章章模拟调制系统模拟调制系统l基本概念基本概念n调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。n广义调制 分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。n狭义调制 仅指带通调制。在无线通信和其他大多在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。数场合，调制一词均指载波调制。n调制信号 指来自信源的基带信号 n载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程。n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。n已调信号 载波受调制后称为已调信号。n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。5第第5章章模拟调制系统模拟调制系统n调制的目的 u提高无线通信时的天线辐射效率。u把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。u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。n调制方式 u模拟调制u数字调制 n常见的模拟调制u幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带u角度调制：频率调制、相位调制 6第第5章章模拟调制系统模拟调制系统l5.1幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理n一般原理u表示式：设：正弦型载波为式中，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。7第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u频谱设调制信号m(t)的频谱为M()，则已调信号的频谱为u由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带信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。8第第5章章模拟调制系统模拟调制系统n5.1.1调幅（调幅（AM）u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。u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。u调制器模型9第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u波形图p由波形可以看出，当满足条件：|m(t)|A0 时，其包络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。p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。10第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u频谱图p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。p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。载频分量载频分量载频分量载频分量上边带上边带上边带上边带下边带下边带下边带下边带1112l%幅度调制幅度调制AM信号输出和功率谱信号输出和功率谱程序清单程序清单dt=0.001;%时间采样频谱时间采样频谱fmax=1;%信源最高频谱信源最高频谱fc=10;%载波中心频率载波中心频率T=5;%信号时长信号时长N=T/dt;t=0:N-1*dt;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t);%信源信源A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t);f,Xf=FFT_SHIFT(t,s_am);%调制信号频谱调制信号频谱PSD=(abs(Xf).2)/T;%调制信号功率谱密度调制信号功率谱密度figure(1)subplot(211);plot(t,s_am);holdon;%画出画出AM信号波形信号波形plot(t,A+mt,r-);%表示表示AM包络包络title(AM调制信号及其包络调制信号及其包络);xlabel(t);subplot(212);%画出功率谱图形画出功率谱图形plot(f,PSD);axis(-2*fc2*fc01.5*max(PSD);title(AM信号功率谱信号功率谱);xlabel(f);13第第5章章模拟调制系统模拟调制系统uAM信号的特性p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：p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。14第第5章章模拟调制系统模拟调制系统p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 1/315 例例5-1已知一个已知一个AM广播电台输出功率是广播电台输出功率是50KW，采用单频余弦信，采用单频余弦信号进行调制，调幅指数为号进行调制，调幅指数为0.707。（1）试计算调制效率和载波功率；）试计算调制效率和载波功率；（2）如果天线用）如果天线用50的的电电阻阻负载负载表示，求表示，求载载波信号的峰波信号的峰值值幅度。幅度。解解（1）由以上的公式有由以上的公式有则调制效率则调制效率载波功率为载波功率为（2）载波功率）载波功率Pc与载波峰值与载波峰值A的关系为的关系为所以所以例例5-116第第5章章模拟调制系统模拟调制系统n5.1.2 双边带调制（DSB）u时域表示式：无直流分量A0u频谱：无载频分量 u曲线：17第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u调制效率：100u优点：节省了载波功率u缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。18l%抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制DSBdt=0.001;%时间采样频谱时间采样频谱fmax=1;%信源最高频谱信源最高频谱fc=10;%载波中心频率载波中心频率T=5;%信号时长信号时长t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t);%信源信源s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);f,sf=FFT_SHIFT(t,s_dsb);%调制信号频谱调制信号频谱PSD=(abs(sf).2)/T;%调制信号功率谱密度调制信号功率谱密度figure(1)subplot(211)plot(t,s_dsb);holdon;%画出画出DSB信号波形信号波形plot(t,mt,r-);%标示标示mt波形波形title(DSB调制信号及其包络调制信号及其包络);xlabel(t);subplot(212)plot(f,PSD);axis(-2*fc2*fc0max(PSD);title(DSB信号功率谱信号功率谱);xlabel(f);19第第5章章模拟调制系统模拟调制系统n5.1.3 单边带调制（SSB）u原理：p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。p产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。20第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u滤波法及SSB信号的频域表示p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。21第第5章章模拟调制系统模拟调制系统pSSB信号的频谱p上边带频谱图:22第第5章章模拟调制系统模拟调制系统p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600Hz。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。23第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u相移法和SSB信号的时域表示pSSB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，则有两式仅正负号不同两式仅正负号不同24第第5章章模拟调制系统模拟调制系统将上两式合并：式中，“”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。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25第第5章章模拟调制系统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 （注：sgn 符号函数）上式中的-jsgn可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即26第第5章章模拟调制系统模拟调制系统p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。27第第5章章模拟调制系统模拟调制系统uSSB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制信号的变化，所以仍需采用相干解调。uSSB信号的性能SSB信号信号的实现比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短波通信中一种重要的调制方式。2829l%单边带调制单边带调制SSBdt=0.001;%时间采样频谱时间采样频谱fmax=1;%信源最高频谱信源最高频谱fc=10;%载波中心频率载波中心频率T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t);%信源信源s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t);f,sf=FFT_SHIFT(t,s_ssb);%单边带信号频谱单边带信号频谱PSD=(abs(sf).2)/T;%单便带信号功率谱单便带信号功率谱figure(1)subplot(211)plot(t,s_ssb);holdon;%画出画出SSB信号波形信号波形plot(t,mt,r-);%标示标示mt的包络的包络title(SSB调制信号调制信号);xlabel(t);subplot(212)plot(f,PSD);axis(-2*fc2*fc0max(PSD);title(SSB信号功率谱信号功率谱);xlabel(f);30lfunctionf,sf=FFT_SHIFT(t,st)%ThisfunctionisFFTtocalculateasignalsFouriertransform%Input:t:samplingtime,st:signaldata.Timelengthmustgreaterthan2%output:f:samplingfrequency,sf:frequency%outputisthefrequencyandthesignalspectrumdt=t(2)-t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(t);f=-N/2:N/2-1*df;sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);3132 多级滤波法原理如下图所示：。多级滤波法原理如下图所示：。其中：其中：，33 例例5-2用单边带方式传输模拟电话信号。设载频为用单边带方式传输模拟电话信号。设载频为15MHz，电话信号的频带为，电话信号的频带为300Hz 3400Hz，滤波器归，滤波器归一化值为一化值为10-3。试设计滤波器的方案。试设计滤波器的方案。解：解：单级方案时，过渡带归一化值为 归一化值太高，实际无法实现，所以，采用二级滤波 方案。取第二级滤波器的归一化值为 。这时第二级上、下边带的间隔近似为 为此，第一级调制应使用的载频为：所以，第一级滤波器的归一化值为：34第第5章章模拟调制系统模拟调制系统l5.1.4残留边带（残留边带（VSB）调制）调制n介于SSB与DSB之间的一种折衷方式n它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现的困难。n不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是使其残留一小部分。35第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法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。36第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u对残留边带滤波器特性的要求p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。37第第5章章模拟调制系统模拟调制系统pVSB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38第第5章章模拟调制系统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，低通滤波器的输出频谱为39第第5章章模拟调制系统模拟调制系统 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。p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。40 l使用滤波法产生残留边带信号：使用滤波法产生残留边带信号：残留上边带信号残留上边带信号残留下边带信号残留下边带信号第第5章章模拟调制系统模拟调制系统41 可见，只要有下式成立，解调输出就不会失真。可见，只要有下式成立，解调输出就不会失真。只要等式左只要等式左侧两个函数侧两个函数在在=0=0处具处具有互补对称有互补对称（奇对称）（奇对称）特性，解调特性，解调就不失真。就不失真。4243l%显示模拟调制的波形及其解调方法显示模拟调制的波形及其解调方法VSB，文件名：，文件名：VSB.ml%Signalldt=0.001;lfmax=5;lfc=20;lT=5;lN=T/dt;lt=0:N-1*dt;lmt=sqrt(2)*(cos(2*pi*fmax*t)+sin(2*pi*0.5*fmax*t);l%VSBmodulationls_vsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);lB1=0.2*fmax;lB2=1.2*fmax;lf,sf=FFT_SHIFT(t,s_vsb);lt,s_vsb=vsbmd(f,sf,B1,B2,fc);l%PowerSpectrumDensitylf,sf=FFT_SHIFT(t,s_vsb);lPSD=(abs(sf).2)/T;l%PlotVSBandPSDlfigure(1)lsubplot(211)lplot(t,s_vsb);holdon;lplot(t,mt,r-);ltitle(VSB调制信号调制信号);lxlabel(t);lsubplot(212)lplot(f,PSD);laxis(-2*fc2*fc0max(PSD);ltitle(VSB信号功率谱信号功率谱);lxlabel(f);44lfunction t,st=vsbmd(f,sf,B1,B2,fc)l%This function is a residual bandpass filterl%Inputs f:sample frequency,sf:frequency spectrum datal%B1:residual bandwidth,B2:highest freq of the baseband signall%Outputs t:sample time,st:signal dataldf=f(2)-f(1);lT=1/df;lhf=zeros(1,length(f);lbf1=floor(fc-B1)/df):floor(fc+B1)/df);lbf2=floor(fc-B1)/df)+1:floor(fc+B2)/df);lf1=bf1+floor(length(f)/2);lf2=bf2+floor(length(f)/2);lstepf=1/length(f1);lhf(f1)=0:stepf:1-stepf;lhf(f2)=1;lf3=-bf1+floor(length(f)/2);lf4=-bf2+floor(length(f)/2);lhf(f3)=0:stepf:(1-stepf);lhf(f4)=1;lyf=hf.*sf;lt,st=IFFT_SHIFT(f,yf);lst=real(st);45lfunction t,st=IFFT_SHIFT(f,Sf)ldf=f(2)-f(1);lfmax=(f(end)-f(1)+df);ldt=1/fmax;lN=length(f);lt=0:N-1*dt;lSf=fftshift(Sf);lst=fmax*ifft(Sf);lst=real(st);46第第5章章模拟调制系统模拟调制系统n5.1.5 线性调制的一般模型u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。47第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u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：48第第5章章模拟调制系统模拟调制系统它同样适用于所有线性调制。49第第5章章模拟调制系统模拟调制系统n5.1.6 相干解调与包络检波u相干解调p相干解调器的一般模型 p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，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。50第第5章章模拟调制系统模拟调制系统p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 51第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u包络检波p适用条件：AM信号，且要求|m(t)|max A0，p包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如，p性能分析设输入信号是 选择RC满足如下关系 式中fH 调制信号的最高频率在大信号检波时（一般大于0.5 V），二极管处于受控的开关状态，检波器的输出为隔去直流后即可得到原信号m(t)。52l通信系统的噪声通信系统的噪声n加性噪声u高斯白噪声 (AWGN：additive white gaussian noise）p“高斯”：幅度概率密度函数为高斯分布p“白”：功率谱密度函数服从均匀分布n乘性噪声u码间串扰（第6章）l噪声影响已调信号的接收噪声影响已调信号的接收n解调器的抗噪声性能作为系统的抗噪声性能指标u解调输出信噪比53第第5章章模拟调制系统模拟调制系统l5.2线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能n5.2.1 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 m(t)输出有用信号 no(t)输出噪声54第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u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55第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u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。u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：56第第5章章模拟调制系统模拟调制系统n5.2.2 DSB调制系统的性能uDSB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。57第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u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58第第5章章模拟调制系统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59第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u信号功率计算解调器输入信号平均功率为u信噪比计算p输入信噪比p输出信噪比60第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u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。61第第5章章模拟调制系统模拟调制系统nSSB调制系统的性能u噪声功率这里，B=fH 为SSB 信号的带通滤波器的带宽。u信号功率SSB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62第第5章章模拟调制系统模拟调制系统输入信号平均功率为u信噪比p单边带解调器的输入信噪比为63第第5章章模拟调制系统模拟调制系统p单边带解调器的输出信噪比为u制度增益u讨论：p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。64第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u讨论p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。65第第5章章模拟调制系统模拟调制系统l思考题思考题5-9lDSB和和SSB调制系统的抗噪声性能是否相同调制系统的抗噪声性能是否相同？为什么？为什么？l结果，在相同的噪声背景和相同的输入信号结果，在相同的噪声背景和相同的输入信号功率条件下，功率条件下，DSB和和SSB在解调器输出端的在解调器输出端的信噪比是相同的。从抗噪声的观点，信噪比是相同的。从抗噪声的观点，SSB制制式和式和DSB制式是相同的，但制式是相同的，但SSB制式所占有制式所占有的频带为的频带为DSB的一半。的一半。66第第5章章模拟调制系统模拟调制系统n5.2.4 AM包络检波的性能u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。67第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u输入信噪比计算设解调器输入信号为 解调器输入噪声为则解调器输入的信号功率和噪声功率分别为输入信噪比为68第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u包络计算由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即式中上式中E(t)便是所求的合成包络。当包络检波器的传输系数为1时，则检波器的输出就是E(t)。69第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u输出信噪比计算p大信噪比情况输入信号幅度远大于噪声幅度，即因而式可以简化为70第第5章章模拟调制系统模拟调制系统由上式可见，有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别计算它们的功率。输出信号功率为输出噪声功率为故输出信噪比为制度增益为71第第5章章模拟调制系统模拟调制系统讨论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。72第第5章章模拟调制系统模拟调制系统p小信噪比情况此时，输入信号幅度远小于噪声幅度，即包络变成其中R(t)和(t)代表噪声的包络及相位：73第第5章章模拟调制系统模拟调制系统因为所以，可以把E(t)进一步近似：此时，E(t)中没有单独的信号项，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急剧恶化，通常把这种现象称为解调器的门限效应门限效应。开始。开始出现门限效应的输入信噪比称为出现门限效应的输入信噪比称为门限值门限值。74第第5章章模拟调制系统模拟调制系统讨论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。75第第5章章模拟调制系统模拟调制系统思考题：相干解调是否存在门限效应？思考题：相干解调是否存在门限效应？相干解调不存在门限效应。原因是相干解调是由相相干解调不存在门限效应。原因是相干解调是由相乘器和低通滤波器组成，信号与噪声可以分开处乘器和低通滤波器组成，信号与噪声可以分开处理，故没有门限效应。理，故没有门限效应。包络检波器由整流和低通滤波器组成，信号与噪声包络检波器由整流和低通滤波器组成，信号与噪声无法分开处理，当（无法分开处理，当（Si/Ni）低于一定数值时，解）低于一定数值时，解调器的输出信噪比（调器的输出信噪比（S0/N0）急剧恶化。这种门）急剧恶化。这种门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的。的。76线性调制/解调的一般模型已调信号经过信道已调信号经过信道77幅度解调78 例例5-2对单频调制的常规调幅信号进行包络检波。设每对单频调制的常规调幅信号进行包络检波。设每个边带的功率为个边带的功率为10mW，载波功率为，载波功率为100mW，接收，接收机带通滤波器的带宽为机带通滤波器的带宽为10kHz，信道噪声单边功率，信道噪声单边功率谱密度为谱密度为5109W/Hz。(1)求解调输出信噪比；求解调输出信噪比；(2)如果改为如果改为DSB，其性能优于常规调幅多少分贝？，其性能优于常规调幅多少分贝？例题5-2（1）79 例例5-2对单频调制的常规调幅信号进行包络检波。设每个对单频调制的常规调幅信号进行包络检波。设每个边带的功率为边带的功率为10mW，载波功率为，载波功率为100mW，接收机带，接收机带通滤波器的带宽为通滤波器的带宽为10kHz，信道噪声单边功率谱密度为，信道噪声单边功率谱密度为5109W/Hz。(1)求解调输出信噪比；求解调输出信噪比；解解(1)已已知知常常规规调调幅幅信信号号的的带带宽宽为为，其其调调制制效效率和解调信噪比增益分别为：率和解调信噪比增益分别为：例题5-2（2）80 输入输入SNR为为输出输出SNR为为（2）改为）改为DSB时，信号功率相同，而由于带宽不变，时，信号功率相同，而由于带宽不变，所以，输入噪声功率也不变，所以输入所以，输入噪声功率也不变，所以输入SNR亦为：亦为：而输出而输出SNR为：为：所以所求为：所以所求为：例题5-2（3）81 例例5-3对双边带信号和单边带进行相干解调，接收信号功对双边带信号和单边带进行相干解调，接收信号功率为率为2mW，噪声双边功率谱密度为，噪声双边功率谱密度为，调制信，调制信号是最高频率为号是最高频率为4kHz的低通信号。的低通信号。(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。解：解：SSB信号的输入信噪比和输出信噪比分别为：信号的输入信噪比和输出信噪比分别为：DSB信号的输入信噪比和输出信噪比分别为：信号的输入信噪比和输出信噪比分别为：例题5-3（1）82 输入信噪比的比较为输入信噪比的比较为输出信噪比的比较为输出信噪比的比较为计算结果说明两种信号的抗噪声性能一致。计算结果说明两种信号的抗噪声性能一致。例题5-3（2）83 门限效应输出信噪比不是按比例地输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而随着输入信噪比下降，而是急剧恶化，通常把这种是急剧恶化，通常把这种现象称为解调器的现象称为解调器的门限效门限效应应。开始出现门限效应的。开始出现门限效应的输入信噪比称为输入信噪比称为门限值门限值。门限效应门限效应84心电信号的调制与解调(1)（AM调制、相干解调）l一一.系统构思：系统构思：l1）、通信原理课程介绍了模拟信号的调制与解调。调制）、通信原理课程介绍了模拟信号的调制与解调。调制可以实现将低频信号频谱搬移到载频位置，解调相当于可以实现将低频信号频谱搬移到载频位置，解调相当于调制的反过程。调制的反过程。2）、调制和解调的应用举例：）、调制和解调的应用举例：3.4kHZ的话音信号经过的话音信号经过调制后可经信道进行远距离传输，在接收端通过解调不调制后可经信道进行远距离传输，在接收端通过解调不失真的恢复出原始信号。失真的恢复出原始信号。3）、作为生医系的学生，对心电信号是不陌生的，无论）、作为生医系的学生，对心电信号是不陌生的，无论是心电信号的采集还是处理，我们都曾做过。但至今并是心电信号的采集还是处理，我们都曾做过。但至今并未尝试过心电信号的远距离传输。于是就有了本系统的未尝试过心电信号的远距离传输。于是就有了本系统的初始想法：对心电信号进行调制和解调，实现心电信号初始想法：对心电信号进行调制和解调，实现心电信号的电话线传输。这样病人可以在家进行心电检测，直接的电话线传输。这样病人可以在家进行心电检测，直接将心电信号传输到医院的接收机，大大的方便了用户。将心电信号传输到医院的接收机，大大的方便了用户。当然本系统只是个模拟系统，用当然本系统只是个模拟系统，用Matlab检验系统的可实检验系统的可实现性。现性。85心电信号的调制与解调(2)86第第5章章模拟调制系统模拟调制系统l5.3非线性调制（角度调制）的原理非线性调制（角度调制）的原理n前言u频率调制简称调频(FM)，相位调制简称调相(PM)。u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。u角度调制：频率调制和相位调制的总称。u已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，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，故又称为新的频率成分，故又称为非线性调制非线性调制。u与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。87第第5章章模拟调制系统模拟调制系统n5.3.1角度调制的基本概念 uFM和PM信号的一般表达式 角度调制信号的一般表达式为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。pdct+(t)/dt=(t)称为瞬时角频率pd(t)/dt 称为瞬时频偏。88第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u相位调制相位调制(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信号表达式信号表达式89第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u频率调制频率调制(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信号表达式信号表达式90第第5章章模拟调制系统模拟调制系统uPM与与FM的区别的区别p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。p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。91第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u单音调制单音调制FM与与PM设调制信号为单一频率的正弦波，即 p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。92第第5章章模拟调制系统模拟调制系统p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 最大频偏。93第第5章章模拟调制系统模拟调制系统(a)PM 信号波形 (b)FM 信号波形 94第第5章章模拟调制系统模拟调制系统uFM与PM之间的关系p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。p比较下面两式可见p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；p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。95第第5章章模拟调制系统模拟调制系统p方框图 （a）直接调频 （b）间接调频 (c)直接调相 (d)间接调相96第第5章章模拟调制系统模拟调制系统n5.3.2 窄带调频（NBFM）u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。97第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u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198第第5章章模拟调制系统模拟调制系统u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）99第第5章章模拟调制系统模拟调制系统uNBFM和AM信号频谱的比较p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p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。p另外，NBFM的一个边带和AM反相。100第第5章章模拟调制系统模拟调制系统uNBFM和AM信号频谱的比较举例以单音调制为例。设调制信号 则NBFM信号为AM信号为按照上两式画出的频谱图和矢量图如下：101第第5章章模拟调制系统模拟调制系统p频谱图102第第5章章模拟调制系统模拟调制系统p矢量图(a)AM (b)NBFM 在AM中，两个边频的合成矢量与载波同相，所以只有幅度的变化，无相位的变化；而在NBFM中，由于下边频为负，两个边频的合成矢量与载波则是正交相加，所以NBFM