通信原理模拟调制调幅系统幻灯片.ppt

通信原理课件模拟调制调幅系统第1页，共45页，编辑于2022年，星期三2 主要内容主要内容主要内容主要内容引言引言4.1标准调幅（标准调幅（AM）4.2抑制载波双边带调幅（抑制载波双边带调幅（DSB）4.3单边带调幅（单边带调幅（SSB）4.4残留边带调幅（残留边带调幅（VSB）4.5调幅信号的相干解调调幅信号的相干解调4.6调幅信号的非相干解调调幅信号的非相干解调4.7各种调幅信号相干解调的噪声性能各种调幅信号相干解调的噪声性能4.8AM系统包检波器的噪声性能系统包检波器的噪声性能4.9各种调幅系统的比较各种调幅系统的比较4.10小结小结第2页，共45页，编辑于2022年，星期三3n定义：用定义：用调制信号调制信号(基带信号基带信号)的变化规律去控制的变化规律去控制载波的某个参载波的某个参数数，使这个参数按照信号的规律变化。，使这个参数按照信号的规律变化。n调制过程对通信系统至关重要，主要目的主要有调制过程对通信系统至关重要，主要目的主要有:提高频率以便辐射提高频率以便辐射;实现信道复用；实现信道复用；引言引言AMAM，FMFM，PMPMASKASK，FSKFSK，PSKPSK，QAMQAMPAMPAM，PDMPDM，PPMPPMPCM/DPCM/ADPCMPCM/DPCM/ADPCM第3页，共45页，编辑于2022年，星期三4连续波已调信号连续波已调信号本章主要介绍连续波本章主要介绍连续波(CW)(CW)模拟调制系统，其中包括：模拟调制系统，其中包括：调幅调幅(线性线性)：调制信号调制信号(基带信号基带信号)频谱的线性搬移过频谱的线性搬移过 程。程。AM,DSB,SSB,VSBAM,DSB,SSB,VSB 调角调角(非线性非线性)：调制信号频谱与已调信号频谱间无线性对应关系。调制信号频谱与已调信号频谱间无线性对应关系。FMFM、PMPM第4页，共45页，编辑于2022年，星期三54.14.1标准幅度标准幅度(AM)(AM)标准调幅标准调幅1、波形及其频谱、波形及其频谱用信号用信号f(t)去控制载波去控制载波C(t)的振幅，使已调信号包络按照的振幅，使已调信号包络按照f(t)的规律线性变化的过程的规律线性变化的过程第5页，共45页，编辑于2022年，星期三6讨论：讨论：1、频率成分包含载波和上下边、频率成分包含载波和上下边带分量，若设调制信号带分量，若设调制信号f(t)的消息带宽的消息带宽为为Wm,则调制后带宽：则调制后带宽：BAM=2Wm2、不失真调幅的条件：、不失真调幅的条件：第一第一,Wm等于等于f(t)中的最高频谱中的最高频谱分量分量,必须满足必须满足0Wm;第二第二,|f(t)|maxA0以保证调制后载以保证调制后载波相位不会改变波相位不会改变,否则会出现过调制，否则会出现过调制，包络失真包络失真3、调制指数、调制指数:又叫调制度，又叫调制度，AM=|f(t)|max/A0，避免过调失真，避免过调失真，AM=1第6页，共45页，编辑于2022年，星期三7例：单频调制例：单频调制AMAM第7页，共45页，编辑于2022年，星期三82 2、调幅波的产生、调幅波的产生+xA0f(t)cos(0t+0)实际调幅器可用二极管、晶体管等任何非线性器件都可以充当乘法器作实际调幅器可用二极管、晶体管等任何非线性器件都可以充当乘法器作用用,而其上加一定的直流偏置便可实现加法器功能而其上加一定的直流偏置便可实现加法器功能AM数学模型数学模型第8页，共45页，编辑于2022年，星期三93 3、AMAM的功率分布和效率的功率分布和效率 2P57例：试用峰例：试用峰峰值为峰值为2Am且不含且不含直流分量的方波对振幅为直流分量的方波对振幅为A0的载波进行标准调幅。试求的载波进行标准调幅。试求已调波的功率和效率。已调波的功率和效率。第9页，共45页，编辑于2022年，星期三10例：单频调制AM的效率在各种调制信号中，调制效率最高的是在各种调制信号中，调制效率最高的是100%调制时的方波，为调制时的方波，为50，标准调幅最大缺点，效率低，标准调幅最大缺点，效率低第10页，共45页，编辑于2022年，星期三114.24.2抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制(DSB)1、波形及其频谱、波形及其频谱第11页，共45页，编辑于2022年，星期三12nf(t)f(t)改变符号的时刻改变符号的时刻,载波相位出现倒相点载波相位出现倒相点,包络不再与包络不再与f(t)f(t)的形状相的形状相同，而按同，而按|f(t)|f(t)|的规律变化的规律变化,信息包含在振幅和相位两者之中信息包含在振幅和相位两者之中.nDSBDSB和和AMAM频谱的区别仅在于前者频谱中不含载波分量频谱的区别仅在于前者频谱中不含载波分量.n带宽与带宽与AMAM一样一样2W2WM M第12页，共45页，编辑于2022年，星期三132 2、DSBDSB产生产生DSBDSB的实现的实现:在标准调幅波中令在标准调幅波中令A0=0 A0=0，实际常采用简单稳定，实际常采用简单稳定,平衡平衡性好，可很好抑制载波信号的性好，可很好抑制载波信号的平衡调制器平衡调制器.DSBDSB解调解调:必须用相干解调必须用相干解调.区别于区别于AM,AM,不可用包络检波器进行不可用包络检波器进行非相干解调，倒相点的存在使得已调波的包络不再与非相干解调，倒相点的存在使得已调波的包络不再与f(t)f(t)形状相同形状相同.第13页，共45页，编辑于2022年，星期三144.34.3单边带调幅（单边带调幅（SSB)SSB)单边带调幅单边带调幅(SSB)(SSB)n在在AMAM或或DSBDSB中中,0 0处出现了两个与处出现了两个与F()F()形状完全相同的频谱形状完全相同的频谱,但任何物理可但任何物理可实现信号其频谱都是实现信号其频谱都是的偶函数的偶函数,因此不可能做到只传送其中一个频谱因此不可能做到只传送其中一个频谱.n以以 0 0为中心的频谱分成为中心的频谱分成USBUSB和和LSBLSB两部分后两部分后,我们可以只传送我们可以只传送USBUSB或或LSB,LSB,它们它们均为均为的偶函数的偶函数,且包含了且包含了F()F()的全部信息的全部信息.由频谱图可知由频谱图可知,SSB,SSB带宽比带宽比AMAM或或DSBDSB减小了一倍减小了一倍.提高了信道的利用率提高了信道的利用率而不发送载波只发送一个边带而不发送载波只发送一个边带,可以更节省功率可以更节省功率1、单边带信号的频谱图、单边带信号的频谱图第14页，共45页，编辑于2022年，星期三152 2、滤波法形成单边带信号、滤波法形成单边带信号(从频域概念出发从频域概念出发)n滤波法的概念滤波法的概念:在双边带调制后接上一个边带滤波器在双边带调制后接上一个边带滤波器,让有用边带通过而抑制让有用边带通过而抑制掉无用边带掉无用边带.滤波器可用带通滤波器可用带通,高通高通(产生产生USB)USB)或低通滤波器或低通滤波器(产生产生LSB).LSB).n滤波法实现滤波法实现SSBSSB的数学模型如图的数学模型如图.f(t)SSB(t)cos(0t)缺点缺点：要求在：要求在0 0处有锐截止特性处有锐截止特性,特别是信号含有丰富低频分量时，载频高于特别是信号含有丰富低频分量时，载频高于1 1兆赫兆赫较难实现较难实现.解决办法是采用多级频率搬移解决办法是采用多级频率搬移,即在低载频上形成单边带信号即在低载频上形成单边带信号,然后通过然后通过变频将频谱搬移到更高的载频变频将频谱搬移到更高的载频.cos(1)cos(2)f(t)增益为2第15页，共45页，编辑于2022年，星期三163 3、相移法产生单边带信号、相移法产生单边带信号滤波法实现单边带缺点：是当滤波法实现单边带缺点：是当 f(t)f(t)有丰富的低频成份时上下边带有丰富的低频成份时上下边带很难分离很难分离,对滤波器要求较高对滤波器要求较高.以单频调制为例以单频调制为例通过边带滤波器后通过边带滤波器后第16页，共45页，编辑于2022年，星期三17f(t)f(t)cos(0t+0)cos(0t+0)sin(0t+0)单边带信号的一般表达式单边带信号的一般表达式 sin(0t+0)SSB(t)+-USB+LSB相移法产生相移法产生SSB实际上是一个宽带相移网络，表示把f(t)幅度不变，所有频率分量均相移-/2所有频率分量均相移所有频率分量均相移/2是难点所在是难点所在第17页，共45页，编辑于2022年，星期三184.44.4残留边带调制残留边带调制残留边带调幅残留边带调幅(VSB)(VSB)1 1、频谱、频谱f(t)f(t)的频谱有丰富的低频成份时的频谱有丰富的低频成份时,不宜采用不宜采用SSBSSB.在在VSBVSB中中,不是对一个边带完全抑制不是对一个边带完全抑制,而而是使它逐渐截止是使它逐渐截止.截止特性使传输边带在载频附近被抑制的部分被不需要边带的残截止特性使传输边带在载频附近被抑制的部分被不需要边带的残留部分精确补偿。留部分精确补偿。第18页，共45页，编辑于2022年，星期三192 2、虑波法产生、虑波法产生VSBVSB信号信号残留边带滤波器残留边带滤波器:频率特性在频率特性在|0|0|附近具有滚降特性附近具有滚降特性,且要求这段具有互补且要求这段具有互补对称性对称性,如图如图,这将意味着将这将意味着将|H|HV V()|()|分别移动分别移动-0-0和和+0+0后所得后所得H HV V(0)0)相加后在零频附近恒为常数相加后在零频附近恒为常数.在在|Wm范围内有范围内有:HV(-0)+HV(+0)=const=2第19页，共45页，编辑于2022年，星期三20VSBVSB的频谱表达式的频谱表达式优点优点:(1)(1)在节省带宽方面几乎与单边带系统相同，并有在节省带宽方面几乎与单边带系统相同，并有 双边带所具有的良好低频基带特性双边带所具有的良好低频基带特性 (2)VSB(2)VSB滤波器比滤波器比SSB SSB 锐截止特性滤波器易于制作锐截止特性滤波器易于制作对于电视信号以及要求有良好相位特性的信号或低频分量的传输很重要的对于电视信号以及要求有良好相位特性的信号或低频分量的传输很重要的信号，采用信号，采用VSB VSB 是一种标准的方法是一种标准的方法。第20页，共45页，编辑于2022年，星期三21 4.5 4.5调幅信号的相干解调调幅信号的相干解调解调解调:也是一个频谱搬移过程，在接收端恢复信号的时候也是一个频谱搬移过程，在接收端恢复信号的时候,从已调信从已调信号的频谱中号的频谱中,将位于载频的信号频谱从载频位置再搬回低频将位于载频的信号频谱从载频位置再搬回低频.解调几种主要方法解调几种主要方法:相干解调相干解调:AM,DSB,SSB:AM,DSB,SSB以及以及VSBVSB都适用都适用.非相干解调非相干解调:标准调幅信号标准调幅信号AMAM以及具有大载波的以及具有大载波的DSBDSB、SSBSSB、VSBVSB信号适用信号适用.第21页，共45页，编辑于2022年，星期三22调幅信号的相干解调调幅信号的相干解调条件条件:为不失真恢复信号为不失真恢复信号,本地载波和发送载波必须相位相干或同步本地载波和发送载波必须相位相干或同步,即要求本地载波和接收信号载波必须保持同频同相即要求本地载波和接收信号载波必须保持同频同相.也叫零拍检测也叫零拍检测相干解调数学模型如下图相干解调数学模型如下图cos(0t+)(t)vd(t)Vp(t)第22页，共45页，编辑于2022年，星期三231 1、AMAM和和DSBDSB信号的相干检测信号的相干检测讨论：讨论：第23页，共45页，编辑于2022年，星期三24理想低通滤波器传输特性理想低通滤波器传输特性,它它要求要求:截止频率等于或大截止频率等于或大于最高调制频率于最高调制频率Wm,Wm,但远小但远小于载频于载频00令令:Ao=0:Ao=0时，上述分析为时，上述分析为DSBDSB的结果的结果第24页，共45页，编辑于2022年，星期三252 2、SSBSSB信号的相干检测信号的相干检测设设第25页，共45页，编辑于2022年，星期三26同步时同步时第26页，共45页，编辑于2022年，星期三273 3、残留边带信号的解调、残留边带信号的解调输入信号为输入信号为VSB,在频域分析比较方便。假设本地载波完全相干，由乘法在频域分析比较方便。假设本地载波完全相干，由乘法器输出信号器输出信号的傅氏变换为的傅氏变换为将将代入上式得：代入上式得：经过经过LPFLPF后，后，在在|Wm|Wm范围内有范围内有:H:HV V(-0 0)+H)+HV V(+0 0)=const=2)=const=2滤波器互补对称特性滤波器互补对称特性第27页，共45页，编辑于2022年，星期三284.64.6调幅系统的非相干解调调幅系统的非相干解调第28页，共45页，编辑于2022年，星期三291 1、AMAM信号的非相干解调信号的非相干解调包络检波器包络检波器第29页，共45页，编辑于2022年，星期三30整流检波：整流检波：输出为输出为仅将已调信号整流，整流相当于将已调仅将已调信号整流，整流相当于将已调信号和频率为信号和频率为的方波相乘。的方波相乘。包络检波是一个非线性系统，整流检包络检波是一个非线性系统，整流检波器是线性时变参量系统波器是线性时变参量系统条件条件 才可使用整流检波。这时调幅信号的才可使用整流检波。这时调幅信号的零交点周期性的位于载波的半周期点零交点周期性的位于载波的半周期点上，整流才等效于与方波相乘。上，整流才等效于与方波相乘。第30页，共45页，编辑于2022年，星期三312 2、具有大载波的、具有大载波的SSBSSB信号的非相干解调信号的非相干解调包络检波输出包络检波输出第31页，共45页，编辑于2022年，星期三324.74.7各种调幅信号相干解调的噪声性能分析各种调幅信号相干解调的噪声性能分析 BPFBPF带宽是已调信号带宽，滤除信号带外噪声带宽是已调信号带宽，滤除信号带外噪声n(t)宽带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为宽带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为ni(t)窄带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为窄带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为第32页，共45页，编辑于2022年，星期三33(1)首先计算解调器输入信号功率首先计算解调器输入信号功率输入信号平均功率可由信号的输入信号平均功率可由信号的均方值求得：均方值求得：(2)输入噪声功率输入噪声功率第33页，共45页，编辑于2022年，星期三34(3)为了计算输出信号功率和噪声，认为解调过程是线性的为了计算输出信号功率和噪声，认为解调过程是线性的,满足叠加定理满足叠加定理在在 W Wm m和和n n0 0相同的情况下，相同的情况下，SSB,VSBSSB,VSB的的输入端信噪比为双边带时的输入端信噪比为双边带时的4 4倍倍P39求噪声输出功率求噪声输出功率第34页，共45页，编辑于2022年，星期三35(4)第35页，共45页，编辑于2022年，星期三36(5)(5)但是实际上在各种调制方法中，已调波的功率是不相同的，但是实际上在各种调制方法中，已调波的功率是不相同的，合理的方法是假设相同输入信号功率合理的方法是假设相同输入信号功率结论结论：在输入信号功率和：在输入信号功率和WmWm、n n0 0都相同的情况下，都相同的情况下，DSB,SSBDSB,SSB和和VSBVSB系统的噪声性能相同，系统的噪声性能相同，AMAM差差3dB3dB以上以上第36页，共45页，编辑于2022年，星期三37信噪比增益：输出信噪比和输入信噪比的比值信噪比增益：输出信噪比和输入信噪比的比值注意注意：信噪比增益的改善只适用于同类调制系统，不同的解调器：信噪比增益的改善只适用于同类调制系统，不同的解调器对输入信噪比的改善，而不能作为不同调制系统的抗噪声性能分析。对输入信噪比的改善，而不能作为不同调制系统的抗噪声性能分析。在给定输入信号功率下，在给定输入信号功率下，DSB和和SSB输出端的信噪比是相同的，从信输出端的信噪比是相同的，从信噪比改善观点看，噪比改善观点看，DSB,SSB性能是相同的。性能是相同的。第37页，共45页，编辑于2022年，星期三384.8AM4.8AM系统包洛检波器的噪声性能分析系统包洛检波器的噪声性能分析输入信号为输入信号为输入信号功率输入信号功率输入噪声功率输入噪声功率输入信噪比输入信噪比与相干解调与相干解调相同相同第38页，共45页，编辑于2022年，星期三39ni(t)窄带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为窄带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为包络检波器输入信号之和包络检波器输入信号之和（*）(1)(1)大信噪比时大信噪比时第39页，共45页，编辑于2022年，星期三40输出信号功率输出信号功率输出噪声功率输出噪声功率输出信噪比输出信噪比信噪比增益信噪比增益(2)(2)小信噪比时小信噪比时与相干解调与相干解调相同相同第40页，共45页，编辑于2022年，星期三41（*）式可以化为）式可以化为门限效应：门限效应：输出信噪比与输入信噪比不成正比输出信噪比与输入信噪比不成正比第41页，共45页，编辑于2022年，星期三424.9各种调幅系统的比较各种调幅系统的比较1 1、标准调幅、标准调幅(AM)(AM)优点：优点：(1)接收系统简单接收系统简单(2)(2)大功率信号的调幅信号容易产生大功率信号的调幅信号容易产生缺点：缺点：载波本身不携带信息，却占据了一半以上的功率，载波本身不携带信息，却占据了一半以上的功率，带宽比较宽，带宽比较宽，抗选择性衰落能力差抗选择性衰落能力差应用应用：一部发射机对千万部接收机工作的无线电广播系统一部发射机对千万部接收机工作的无线电广播系统2 2、抑制载波双边带系统、抑制载波双边带系统优点：优点：传送相同的消息所需功率较小，发射机比传送相同的消息所需功率较小，发射机比AMAM发射机经济，发射机经济，抗选择性衰落能力优于抗选择性衰落能力优于AM系统系统缺点：缺点：接收机复杂，需要相干载波接收机复杂，需要相干载波应用：应用：点对点通信，包括一部发射机和一部或几部接收机的情况点对点通信，包括一部发射机和一部或几部接收机的情况第42页，共45页，编辑于2022年，星期三433、单边带系统、单边带系统优点：功率利用率高、带宽利用率高，抗选择性衰落能力优于优点：功率利用率高、带宽利用率高，抗选择性衰落能力优于DSB系统系统缺点：接收机复杂，需要自动频率控制来稳定本地载波频率和缺点：接收机复杂，需要自动频率控制来稳定本地载波频率和相位相位应用：应用：长距离固定业务通信，在特高频散射通信、航空通信方面长距离固定业务通信，在特高频散射通信、航空通信方面也有应用也有应用4、残留边带、残留边带优点：优点：带宽介于带宽介于SSB和和DSB之间，之间，VSB滤波器实现比滤波器实现比SSB简单简单具有良好的低频基带特性具有良好的低频基带特性应用：应用：调制信号具有丰富的低频分量（电视、电报信号调制信号具有丰富的低频分量（电视、电报信号),要求有要求有良好相位特性的信号良好相位特性的信号第43页，共45页，编辑于2022年，星期三441 1、调制的定义，目的和分类、调制的定义，目的和分类2 2、标准调幅的时域表达式、频谱、非相干和相干、标准调幅的时域表达式、频谱、非相干和相干解调方法解调方法3 3、单边带信号时域、频域表示式，解调方法、单边带信号时域、频域表示式，解调方法4 4、残留边带的频谱特性、及边带滤波器满足的条件、残留边带的频谱特性、及边带滤波器满足的条件5 5、AMAM、DSBDSB、SSBSSB和和VSBVSB的噪声性能分析方法和结论的噪声性能分析方法和结论4.10小结小结第44页，共45页，编辑于2022年，星期三45第45页，共45页，编辑于2022年，星期三