第3章模拟调制传输系统.ppt

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1、3.1 调制的概念3.2 幅度调制系统3.3 频率调制系统3.4 模拟调制系统的抗噪声性能3.5 频分多路复用3.6 典型模拟通信系统第三章：模拟调制传输系统3.1 调制的基本概念调制的基本概念3.2 幅度调制系统幅度调制系统有傅氏变换理论可知1.调幅信号的频域表达调幅信号的频域表达1M(w)p A0wHwHwwcwcp A0SAM(w)021w0图2AM信号的频谱(4.1-4)则3.2.2 抑制载波双边带调制（抑制载波双边带调制（DSB-SC）(Double-sideband Suppressed Carrier)(3-5)(3-6)将AM信号中将载波分量去除掉，就可以使已调信号功率中有用信

2、号所占百分比达到100%，这就产生了抑制载波双边带调幅信号。即将A0去掉，即可输出DSB信号。1、DSB的时、频域计算DSB产生的数学模型图3-3DSB信号的时域波形和对应的频谱cosw0tOttOf(t)sDSB(t)OtOwcwcwF(w)OwwHwHSDSB(w)Owcwcw载波反相点2wH2、DSB的波形及频谱需需采采用用相相干干解解调调(同同步步检检波波)，不不能能采采用用简简单单的包络检波。的包络检波。在在调调制制信信号号m(t)的的过过零零点点处处，高高频频载载波波相相位位有有180的突变。的突变。DSB信信号号功功率率利利用用率率提提高高了了，但但它它的的频频带带宽宽度度仍仍是

3、是调调制制信信号号带带宽宽的的两两倍倍，与与AM信信号号带带宽相同。宽相同。DSB信号的特点（与信号的特点（与AM信号相比）：信号相比）：DSB信号虽然节省了载波功率，调制效率提高了，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DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这是单边带调制能解决的问题。产生SSB信号的方法有很多，其中最基本的方法有滤波法和相移法。3.2.3 单边带调制（单边带调制（SSB）(Single-sideband)1.用滤波法形成单边带信号用滤波法形成单边带信号让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所

4、需的一个边带，滤除不必要的便带，滤波器特性如图图3-5所示。单边带信号的频谱为1、用滤波法形成单边带信号由于单边带调制只传送双边带调制信号的一个边带。因此产生单边带信号的最直观的方法是让双边带信号通过一个单边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。我们把这种方法称为滤波法，它是最简单的也是最常用的方法。图3-7 SSB信号的滤波法产生图46SSB信号的频谱M(w)wHwHSM(w)wcwcwwOO 上边带 下边带 下边带 上边带wcwcO上边带频谱wOwcwcw下边带频谱H(w)10wcwcwH(w)0wcwcw1(a)(b)图45形成SSB信号的滤波特性由3-10时可得到SSB信号时域

5、表达式的一般形式：SSB信号的频谱表达式：技术难点：技术难点：单边带滤波器要求在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。这使得滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。在工程中往往采用多级调制滤波的方法。图 滤波法产生SSB的多级频率搬移过程多级调制滤波法对于基带信号为话音或音乐时比较合适，因频谱低频成分很小或没有。图像信号频谱低端接近零频，抑制无用边带困难，易引起单边带信号失真；在多路复用时，易产生对邻路的干扰，影响通信质量。2.用相移法形成单边带信号用相移法形成单边带信号设调制信号(1)单频调制(4.1-8)把上下边带合并起来可以写成式中，“-”表示上边带信号，“+”表

6、示下边带信号。2p-+sSSB(t)coswct-2p-tAmmwcos21不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH=BDSB/2。SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。滤波法中的滤波器和相移法中的宽带相移网络较难制作。SSB信号的特点：单边带传输信号具有节约一半频谱和节省功率的优点。但是付出的代价是设备制作非常困难，如用滤波法则边带滤波器不容易得到陡峭的频率特性，如用相移法则基带信号各频率成分不可能都做到-90的移相等。如果传输电视信号、传真信号和高速数据信号的话，由于它们的频谱范围较宽，而且极低频分量的幅度也比较大，这样边带滤波器和宽带相

7、移网络的制作都更为困难。3.2.4 残留边带调制（残留边带调制（VSB）(Vestigial Sideband)图3-9DSB、SSB和VSB信号的频谱为了解决这个问题，可以采用残留边带调制（VSB）。VSB是介于SSB和DSB之间的一个折中方案。在这种调制中，一个边带绝大部分顺利通过，而另一个边带残留一小部分，如图3-9所示。图4-9VSB调制和解调器模型(a)VSB调制器模型(b)VSB解调器模型HVSB(w)m(t)c(t)coswctsVSB(t)LPFmo(t)2coswctsVSB(t)(a)(b)现在我们来确定残留边带滤波器的特性。假设HVSB()是所需的残留边带滤波器的传输特性

8、。由图4-11可知，残留边带信号的频谱为满足上式有两种，如图3-9所示图4-10残留边带滤波器特性(a)残留部分上边带的滤波器特性(b)残留部分下边带的滤波器特性图3-9残留边带滤波器的几何解释wcOwwcHVSB(w)wHVSB(wwc)wcOwwcHVSB(wwc)wHVSB(wwc)HVSB(wwc)OOwcwc(a)(b)(c)(d)残留边带调制优点：带宽几乎与单边带系统相同，具有双边带的良好低频特性。对于低频分量很丰富的信号，采用残留边带调幅是一种好的办法。残留边带滤波器比要求具有陡峭截止特性的单边带滤波器简单得多。它综合了单边带和双边带的优点，克服了它们的缺点。BVSB=BSSB;

9、实现容易；只要HVSB()在c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基带信号。VSB信号的特点：调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。而解调是将位于载频的信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原始基带信号。解调的方式有两种：相干解调与非相干解调。相干解调适用于各种线性调制系统，非相干解调一般只适用幅度调制（AM）信号。3.2.5 调幅系统的解调1、AM信号的非相干解调 所谓非相干解调就是在接收端解调信号时不需要本地载波，而是利用已调信号中的包络信息来恢复原基带信号。因此，非相干解调一般只适用幅度调制（AM）系统。由于包

10、络解调器电路简单，效率高，所以几乎所有的幅度调制（AM）接收机都采用这种电路。图3-16为串联型包络检波器的具体电路。图3-16 串联型包络检波器电路 当RC满足条件 时，包络检波器的输出基本上与输入信号的包络变化呈线性关系，即 其中，。隔去直流后就得到原信号m(t)。（3.44）2.DSB信号的相干解调 所谓相干解调是为了从接收的已调信号中，不失真地恢复原调制信号，要求本地载波和接收信号的载波保证同频同相。相干解调的一般数学模型如图3-15所示。图3-15 相干解调器的数学模型设图3-15的输入为DSB信号 乘法器输出为（3-18）该信号由两部分组成：低频的基带信号部分和频率为载频2倍的高频

11、信号部分。DSB相干解调波形极其频谱图为：3.3 频率调制系统频率调制系统 幅幅度度调调制制属属于于线线性性调调制制，它它是是通通过过改改变变载载波波的的幅幅度度，以以实实现现调调制制信信号号频频谱谱的的平平移移及及线线性性变变换换的的。一一个个正正弦弦载载波波有有幅幅度度、频频率率和和相相位位三三个个参参量量，因因此此，我我们们不不仅仅可可以以把把调调制制信信号号的的信信息息寄寄托托在在载载波波的的幅幅度度变变化化中中，还还可可以以寄寄托托在在载载波波的的频频率率或或相相位位变变化化中中。这这种种使使高高频频载载波波的的频频率率或或相相位位按按调调制制信信号号的的规规律律变变化化而而振振幅幅

12、保保持持恒恒定定的的调调制制方方式式，称称为为频频率率调调制制（FM）和和相相位位调调制制(PM)。因因为为频频率率或或相相位位的的变变化化都都可可以以看看成成是是载载波波角角度度的的变变化，故调频和调相又统称为角度调制化，故调频和调相又统称为角度调制。角角度度调调制制与与线线性性调调制制不不同同，已已调调信信号号频频谱谱不不再再是是原原调调制制信信号号频频谱谱的的线线性性搬搬移移，而而是是频频谱谱的的非非线线性性变变换换，会会产产生生与与频频谱谱搬搬移移不不同同的的新新的的频频率率成成分分，故故又又称称为非线性调制为非线性调制。由由于于频频率率和和相相位位之之间间存存在在微微分分与与积积分分

13、的的关关系系，故故调调频频与与调调相相之之间间存存在在密密切切的的关关系系，即即调调频频必必调调相相，调调相相必必调调频频。鉴鉴于于FM用用的的较较多多，本本节节将将主主要要讨讨论论频频率调制。率调制。2022/12/1869前前面面的的分分析析都都是是在在没没有有噪噪声声的的条条件件下下进进行行的的。实实际际上上，任何任何通信系统都避免不了噪声的影响通信系统都避免不了噪声的影响。从从第第2章章的的有有关关信信道道和和噪噪声声的的内内容容可可知知，通通信信系系统统是是把把信信道道加加性性噪噪声声中中的的起起伏伏噪噪声声作作为为研研究究对对象象的的。而而起起伏伏噪噪声声又可视为又可视为高斯白噪声

14、高斯白噪声。因因此此，本本节节将将要要研研究究信信道道存存在在加加性性高高斯斯白白噪噪声声时时各各种种线线性系统的抗噪声性能可靠性研究性系统的抗噪声性能可靠性研究。3.4 模拟调制系统的抗噪声性能模拟调制系统的抗噪声性能2022/12/182022/12/1872解调器解调器输出信噪比输出信噪比输入信噪比输入信噪比 信噪比增益信噪比增益(调制制度增益调制制度增益)作为不同调制方式下解作为不同调制方式下解调器抗噪性能的度量。它可以定义为：调器抗噪性能的度量。它可以定义为：图3-14线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型带通滤波器sm(t)sm(t)n(t)ni(t)mo(t)no(t)低通滤波器c

15、oswct2 相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能2022/12/1874特点：特点：相干解调属于相干解调属于线性解调线性解调，故在解调过程中，故在解调过程中，输入信号及噪声可分开单独解调。输入信号及噪声可分开单独解调。适用：适用：所有线性调制（所有线性调制（DSB、SSB、VSB、AM）信号的解调）信号的解调。相干解调时接收系统相干解调时接收系统模型：模型：解调器为解调器为同步解调器同步解调器，由相乘器和由相乘器和LPF构成。构成。1.解调器的输入信噪比解调器的输入信噪比由前面的叙述可知，各调幅信号的时域表达式分别为：VSB信号与SSB信号在残留边带滤波器滚将范围不大时近似相等输入信号的

16、平均功率：输入信号的平均功率：输入噪声的平均功率：输入噪声的平均功率：输入噪声都是叠加的平稳高斯白噪声，其平均功率为，n0为白噪声的单边功率谱密度，B为已调信号带宽。对于各种调幅方式，其相干解调器输入噪声的平均功率分别为：2022/12/1878输出噪声的功率输出噪声的功率解调器解调器噪声输入噪声输入乘法器输出乘法器输出经经LPF输出噪声输出噪声输出噪声功率输出噪声功率可直接写出可直接写出（规律（规律!）2.解调器的输出信噪比解调器的输出信噪比2022/12/1879输出信号功率输出信号功率解调器输出信号平均功率解调器输出信号平均功率：结论：结论：对于对于DSB信号信号解调器的解调器的输入和输

17、出信噪比输入和输出信噪比：调制制度增益调制制度增益：（规律（规律!）输入信号调频信号(4.4-5)式中(4.4-6)输出SNR(4.4-7)(4.4-8)SNR增益(4.3-23)宽带调频时(4.4-9)SNR增益 各种模拟调制系统的性能比较各种模拟调制系统的性能比较调制方式信号带宽制度增益设备复杂度主要应用DSB2中等较少应用SSB1复杂短波无线电广播，话音频分多路VSB略大于近似SSB近似SSB复杂商用电视广播AM2/3简单中短波无线电广播FM中等超短波小功率电台(窄带FM)，微波中继，调频立体声广播(宽带FM)1、性能比较可靠性：WBFM抗噪声性能最好，DSBSSBVSB抗噪声性能次之，

18、AM抗噪声性能最差。NBFM和AM的性能接近。有效性：FM的调频指数越大，抗噪声性能越好，但占据的带宽越宽，频带利用率低。SSB的带宽最窄，其频带利用率高。2、特点和应用AM用于通信质量不高的场合。DSB接收要求同步解调，设备复杂。SSB设备复杂，普遍用在频带比较拥挤的场合。FM波波的的幅幅度度恒恒定定不不变变，这这使使它它对对非非线线性性器器件件不不甚甚敏敏感感，给给FM带带来来了了抗抗快快衰衰落落能能力力。利利用用自自动动增增益益控控制制和和带带通通限限幅幅还还可可以以消消除除快快衰衰落落造造成成的的幅幅度度变变化化效效应应。这这些些特特点点使使得得窄窄带带FM对对微微波波中中继继系系统统

19、颇颇具具吸吸引引力力。宽宽带带FM的的抗抗干干扰扰能能力力强强，可可以以实实现现带带宽宽与与信信噪噪比比的的互互换换，因因而而宽宽带带FM广广泛泛应应用用于于长长距距离离高高质质量量的的通通信信系系统统中中，如如空空间间和和卫卫星星通通信信、调调频频立立体体声声广广播播、超超短短波波电电台台等等。宽宽带带FM的的缺缺点点是是频频带带利利用用率率低低，存存在在门门限限效效应应，因因此此在在接接收收信信号号弱弱，干干扰扰大大的的情情况况下下宜宜采采用用窄窄带带FM，这这就就是是小小型型通通信信机机常常采采用用窄窄带带调调频频的的原原因因。另另外外，窄窄带带FM采用相干解调时不存在门限效应。采用相干解调时不存在门限效应。3.6典型模拟通信系统信号在自由空间的无线信道中直接传输存在两个问题：天线尺寸；多信号发射；无线电广播系统：1、无线广播系统中广泛采用标准调幅AM系统2、无线广播系统中的广泛采用调频FM系统3、无线广播系统中的信道复用技术采用FDM1、无线电发信机调幅式无线广播发射机的组成框图3.6.1无线电发信机和收信机2.无线电收信机 超外差式调幅接收机组成框图超外差式调幅接收机组成框图3.6.2多路无线广播信号的频分多路复用