第三章模拟调制系统.pptx

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1、2008年1月1电信号 基带信号 （携带有用信息的信号，未调制）频带信号 （基带信号经过某种调制）传输方式基带传输调制（频带）传输模拟调制线性调制：AM、DSB、SSB、VSB 非线性调制：PM、FM调制数字调制：ASK、FSK、PSK 信号、传输方式、调制方式的分类第1页/共79页2008年1月2调制的目的调制的目的提高无线通信时的天线辐射效率。传输频率：3kHz，天线高度：25km传输频率：900MHz，天线高度：8cm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。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。第2页/共79页2

2、008年1月3模拟通信系统模型 第3页/共79页2008年1月4设f(t)为调制信号，c(t)为载波信号，s(t)为已调信号第4页/共79页2008年1月5本章内容3.1 双边带调幅3.2 单边带调制（SSB）3.3 残留边带调制（VSB）3.4 线性调制和解调的一般模型3.5 线性调制系统的抗噪声性能第5页/共79页2008年1月63.1 双边带调幅本节目录 常规调幅(AM)抑制载波双边带调幅(DSB-SC)调制与解调 第6页/共79页2008年1月7 常规调幅标准调幅为：适用包络检波的条件！A0与f(t)的关系直流分量，直流分量，调制信号的调制信号的组成部分组成部分第7页/共79页2008

3、年1月8 若 上式中，上式中，称为调幅指数，用百分比，称为调幅指数，用百分比表示时，称为调制度。表示时，称为调制度。（通常取（通常取30%60%）调制度调制度 小于小于1 1 等于等于1 1 大于大于1 1 正常调幅正常调幅 满调幅满调幅 过调幅过调幅若调制信号为一般信号，则取调幅指数为：若调制信号为一般信号，则取调幅指数为：第8页/共79页2008年1月9 当载波初相为0时，已调信号为：频域特性分析若有：若有：则已调信号的频谱为：则已调信号的频谱为：载波幅度，已调载波幅度，已调信号的组成部分信号的组成部分第9页/共79页2008年1月10 已调信号的频谱图：1.形状相同，位置搬移；形状相同，

4、位置搬移；2.AM信号含载波分量；信号含载波分量；3.AM 信号是双边带信号，信号是双边带信号，带宽带宽 BAM=2W=2fH4.下边带是上边带的镜像下边带是上边带的镜像下边带下边带上边带上边带上边带上边带载频分量载频分量第10页/共79页2008年1月11 调幅信号的平均功率为：功率特性分析常规调幅信号的功率由载波功率常规调幅信号的功率由载波功率P Pc c和边带功率和边带功率P Pf f组成；组成；边带功率与调制信号有关，是有用功率：边带功率与调制信号有关，是有用功率：载波功率？载波功率？因为因为第11页/共79页2008年1月12 调制效率：边带功率与总功率之比，即：当当 时，有：时，有

5、：此时：此时：若若 ，调制效率最大值为，调制效率最大值为1/3。常规调幅调制效率低，载波分量不携带信息却占用大部分功率！改进方案-抑制载波双边带调制第12页/共79页2008年1月13 例3-1 已知一个AM广播电台输出功率是50KW，采用单频余弦信号进行调制，调幅指数为0.707。（1）试计算调制效率和载波功率；（2）如果天线用50的电阻负载表示，求载波信号的峰值幅度。解（1）由以上的公式有 则调制效率 载波功率为 （2）载波功率Pc与载波峰值A的关系为 所以 第13页/共79页2008年1月14 抑制载波双边带调幅（DSB-SC）DSB-SC信号表达式为：已调波频谱为：已调信号平均功率为：

6、可见，边带功率是全部功率，其调制效率为第14页/共79页2008年1月15 DSB-SC波形图及频谱图如下：观察并分析：观察并分析：v包络包络v频谱组成频谱组成v带宽带宽v调制效率调制效率第15页/共79页2008年1月16DSB-SCDSB-SC与与AMAM信号的比较信号的比较DSB-SC的调制效率：100优点：节省了载波功率。缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。双边带的上、下两个边带有什么关系？一个边带携带了调制信号的全部信息。进一步改进：单边带调制进一步节省载波功率和带宽随着性能的改善，技随着性能的改善，技术复杂度也越来越高，术复杂度也越来越高，实际应用时往往需要实际应用时往往需

7、要折衷取舍。折衷取舍。第16页/共79页2008年1月17 调制与解调 AM与DSB-SC调制模型如下图所示。实际中，任何具有载 波频率的周期性信号 都可以充当载波信号 。图中仅以正弦信 号为例加以说明。第17页/共79页2008年1月18 解调包括相干解调和包络检波两种方式。相干解调模型 如右图所示。关键是必须 有一个同频同 相的载波。表达式如下：经低通后，得到：从而恢复了原有的调制信号。第18页/共79页2008年1月19 包络检波原理如下：其中RC的取值范围为：检波器的输出为：第19页/共79页2008年1月203.2 单边带调制（SSB）引言 双边带信号的频谱上边带和下边带完全对称 一

8、个边带携带了基带信号的全部信息 单边带信号，单边带调制HPF：高通滤波器：高通滤波器 LPF：低通滤波器：低通滤波器 BPF：带通滤波器：带通滤波器 DSB：double side-bandSSB：single side-bandUSB：upper side-bandLSB：lower side-band第20页/共79页2008年1月21本节目录本节目录3.2 单边带调制（SSB）用滤波法形成单边带信号用相移法形成单边带信号 单边带信号的解调第21页/共79页2008年1月22 滤波法形成SSB信号 滤波法形成SSB信号原理如下图所示。第22页/共79页2008年1月23 SSB信号频谱为：

9、滤波器归一化值：滤波器归一化值：一般要求：一般要求：10-3否则，滤波就难以实现。否则，滤波就难以实现。第23页/共79页2008年1月24 多级滤波法原理如下图所示：。其中：其中：，第24页/共79页2008年1月25 例3-2设本地载波信号与发送载波的频率误差和相位误差分别为 和 ，试分析对解调结果的影响。解：设本地载波信号为 与DSB信号相乘后为 经LPF后得到 (1)当 时，解调输出为 (2)当 时，解调输出为第25页/共79页2008年1月26 例3-3 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300 Hz3400 Hz，滤波器归一化值为10-3。试设计滤波

10、器的方案。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：第26页/共79页2008年1月27滤波法的技术难点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；多级滤波需要多次调制；当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。第27页/共79页2008年1月28 相移法形成SSB信号 设调制信号为：载波信号为：则DSB信号为：上边带信号为：下边带信号为：观察两项之间的区别与联系第28页/共79页2008年1月29 相移法

11、形成单边带信号原理如下图所示。SSB信号第一项为同相分量，第二项为正交分量。若调制信号为非周期信号，则通过希尔伯特变换实现SSB信号的产生。第29页/共79页2008年1月30希尔伯特变换的意义希尔伯特变换的意义?数学意义：完成一种运算物理意义：完成对信号的改变 幅度特性：全通网络相角特性：宽带相移网络 第30页/共79页2008年1月31 希尔伯特变换关系：时域关系为：由于 其传递函数为：其幅频相频特性见右图。故其频域表达式为：第31页/共79页2008年1月32 由于 所以 而 和 分别对应有：和 将上述二表达式带入卷积表达式，经推导可得上下边带的SSB分别为：第32页/共79页2008年

12、1月33 上下边带之和为：移相法产生SSB信号原理如下图所示。第33页/共79页2008年1月34 信号的解调 不能用包络解调。相干解调原理如右下图所示。由于输入信号为：所以 经低通后输出为：第34页/共79页2008年1月35单边带调制分析单边带调制分析性能分析SSB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。相移法和时域表达式相对应 时域表达式的意义给出了基带信号和已调信号之间的定量关系，是定量计算的基础组成分量能说明已调信号的类型：幅度调制系数不影响信号的性质单

13、边带调制节省带宽和功率，实现困难单边带调制节省带宽和功率，实现困难双边带调制容易实现，占用双边带调制容易实现，占用2 2倍带宽倍带宽折衷方案：折衷方案：在实现难度和在实现难度和占用带宽中折衷占用带宽中折衷 第35页/共79页2008年1月363.3 残留边带调制残留边带调制(VSB)原理：介于SSB与DSB之间的一种折衷方式它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现的困难。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。第36页/共79页2008年1月37 残留边带信号的产生使用滤波法产生残留边带信号：残留上边带信号残留下边带信号第37页/共79页2008年

14、1月38 VSB信号频域表达式为：VSB调制信号采用相干解调方式，见下图。其输出为：=第38页/共79页2008年1月39 相干解调输出信号的频谱为：经低通后输出经低通后输出整理合并，得整理合并，得第39页/共79页2008年1月40 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。第40页/共79页2008年1月413.4 线性调制和解调的一般模型线性调制和解调的一般模型引言 线性调制的含义在频谱搬移和变换过程中符合线性叠加原理 线性调制的规律已调信号和调制信

15、号的频谱之间线性对应 建立调制和解调的一般模型 列出已调制信号的一般表达式第41页/共79页2008年1月42 线性调制信号产生的一般模型线性调制信号产生的一般模型已调信号的频域表达式为：已调信号的频域表达式为：时域表达式为：时域表达式为：滤波法实现线性调制模型利用差角公式利用差角公式展开：展开：令令I：in-phase (同相同相)Q：quadrature (正交正交)第42页/共79页2008年1月43 调制滤波器调制滤波器搬移到原点搬移到原点 基带同相滤波器基带同相滤波器搬移到原点搬移到原点 基带正交滤波器基带正交滤波器只有同相分量，只有同相分量，DSBDSB调制调制希尔伯特希尔伯特滤波

16、器，滤波器，SSBSSB调制调制VSBVSB调制调制同相分量同相分量正交分量正交分量第43页/共79页2008年1月44 相移法实现线性调制的模型如下图所示。第44页/共79页2008年1月45 线性调制信号解调的一般模型线性调制信号解调的一般模型1.1.相干解调相干解调适用所有的线性调制信号适用所有的线性调制信号必须使用相干载波必须使用相干载波图3-28 线性调制相干解调的一般模型已调信号和相干载波相乘：已调信号和相干载波相乘：经过低通滤波器：经过低通滤波器：第45页/共79页2008年1月462非相干解调 常规调幅信号使用包络检波包络携带原调制信号信息包络检波简单有效，不必要用相干解调 其

17、他线性调制信号无载波分量，包络不能体现调制信号信息不能采用一般的包络检波方法解决办法？第46页/共79页2008年1月47 3.插入大载波的包络检波 其中 当 时，有 则检波输出为：第47页/共79页2008年1月48插入大载波的包络检波插入大载波的包络检波分析分析 插入载波的方法？发射机的情况接收机的情况 使用场合点点通信点面通信实例：电视信号：如亮度信号、色差信号、伴音信号亮度信号，06MHz，VSB信号在发射机插入大载波接收机使用包络检波第48页/共79页2008年1月49载波和线性调制信号的关系载波和线性调制信号的关系AM 有载波效率低包络检波DSB无载波效率高相干解调SSB无载波效率

18、高相干解调VSB无载波效率高相干解调插入载波 效率低包络检波第49页/共79页2008年1月50总结总结 线性调制和解调的一般模型线性调制和解调的一般模型1线性调制信号产生的一般模型滤波法相移法比较2线性调制信号解调的一般模型相干解调包络检波载波插入法第50页/共79页2008年1月513.5 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能通信系统抗噪声性能的分析模型线性调制相干解调的抗噪声性能常规调幅包络检波的抗噪声性能第51页/共79页2008年1月52通信系统抗噪声性能的分析模型通信系统抗噪声性能的分析模型通信系统的噪声加性噪声高斯白噪声 (AWGN：additive white ga

19、ussian noise）“高斯”：幅度概率密度函数为高斯分布“白”：功率谱密度函数服从均匀分布乘性噪声码间串扰（第6章）噪声影响已调信号的接收解调器的抗噪声性能作为系统的抗噪声性能指标解调输出信噪比第52页/共79页2008年1月53高斯白噪声通过高斯白噪声通过BPF后，输出为高斯窄带噪声。即后，输出为高斯窄带噪声。即其中其中选出有用信号选出有用信号滤除带外噪声滤除带外噪声第53页/共79页2008年1月54 由随机过程理论可知：设高斯白噪声双边功率谱密度为 ，BPF特性理想，单边带宽为B，则有：定义解调器输出信噪比（SNR）为：解调器输入噪解调器输入噪声的平均功率声的平均功率第54页/共7

20、9页2008年1月55用用dBdB值表示信噪比值表示信噪比:10lg(S/N):10lg(S/N)为什么用dB值表示信噪比？dB：单位，无量纲声音功率倍数：增强10倍；增强100倍；增强1000倍 人耳的感觉：增加1倍；增加2倍；增加3倍 人耳的感觉与声音功率倍数的对数成正比，使用dB值符合人体感官规律。第55页/共79页2008年1月56通信系统质量的最终衡量通信系统质量的最终衡量质量标准是根据人的感官生理特点而确定的听觉对声音信号的要求在20dB40dB （25dB）视觉对图象信号的要求在40dB60dB （45dB）So/No确定的条件是有用信号与噪声能分开混合波形？有无独立表达式？影响

21、的因素是调制方式和解调方式 如何比较通信系统的抗噪声性能?相同的条件下比较调制信号带宽、已调信号功率、信道条件W Si n0第56页/共79页2008年1月57 对于不同调制方式，定义信噪比增益如下：上式中，分母为输入信噪比，其定义为：v在相同的输入功率条件下在相同的输入功率条件下，不同系统的信噪比增，不同系统的信噪比增益不同，系统的抗噪声性能不同。益不同，系统的抗噪声性能不同。v信噪比增益愈高，则解调器的抗噪声性能愈好。信噪比增益愈高，则解调器的抗噪声性能愈好。第57页/共79页2008年1月58 线性调制相干解调的抗噪声性能 模型见下图。此时，有：第58页/共79页2008年1月59 DS

22、B调制相干解调 由于 所以有：经低通后输出第59页/共79页2008年1月60 输出信号功率为：输出噪声功率为：输出信噪比为：输入已调信号功率为：输入噪声功率为：输入信噪比为：所以，信噪比增益为：B：已调信号的单边带宽W：基带信号带宽，B=2W第60页/共79页2008年1月61物理意义分析物理意义分析DSB调制系统的信噪比增益为2。DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。原因：采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除的缘故。第61页/共79页2008年1月62 SSB调制相干解调 由于 所以有 经低通后输出为：P83 图3-33第62页/共79页2008年1月63 输出信号功率为：输出噪声功率

23、为：输出信噪比为：输入信号功率为：输入噪声功率为：信噪比增益为：推导过程见P84 3-76推导过程见P84 3-74第63页/共79页2008年1月64物理意义分析物理意义分析GSSB=1，解调对信噪比没有改善。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。第64页/共79页2008年1月65讨讨 论论如果进行横向比较：GDSB=2，GSSB=1，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

24、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。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，在短波通信中单边带调制是一种重要的调制方式。第65页/共79页2008年1月66残留边带调制相干解调的抗噪声性残留边带调制相干解调的抗噪声性能能分析方法与单边带调制大体上是相似的。由于残留边带信号的带宽在取值范围内有不同的情况，所以抗噪声性能的计算比较复杂。如果残留的边带不是太宽，可以近似认为其抗噪声性能与单边带调制相同。第66页/共79页2008

25、年1月67 常规调幅包络检波的抗噪声性能 下图为常规调幅包络检波一般模型。输入信号为：输入信号功率为：第67页/共79页2008年1月68 由于输入噪声信号为：所以输入噪声功率为：因此，输入信噪比为：合成矢量形式：其中信号与噪声非线信号与噪声非线性混合，不能完性混合，不能完全分开。全分开。分情况讨论！分情况讨论！解调器的输入是混合信号：解调器的输入是混合信号：第68页/共79页2008年1月69 即输入信号的幅度远大于噪声幅度，有：此时 所以输出有用信号功率为：输出噪声功率为：1.大信噪比情况第69页/共79页2008年1月70 输出信噪比为：由前面的结果，输入信噪比为：信噪比增益为：由于 所

26、以，总是小于1。第70页/共79页2008年1月71 当 则 又因为 所以 正好是调制效率 的2倍。因为 ，所以 。第71页/共79页2008年1月72讨 论AM信号的信噪比增益GAM随A0的减小而增加。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。可以证明，采用相干解调法解调AM信号时，得到的信噪比增益与上式给出的结果相同。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相干解调时的性能几乎一样。第72页/共79页2008年1月73 即噪声幅度远大于信号幅度，信号与噪声无法分开，无法通过包络检波器恢复出原来的调制信号。小信噪比时，一般取：为简化计算，取：代入

27、P86（3-92）得到：2.小信噪比情况大信噪比情况大信噪比情况小信噪比情况小信噪比情况第73页/共79页2008年1月74 上式的dB形式为：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。第74页/共79页2008年1月75 例3-4 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10 mW，载波功率为100 mW，接收机带通滤波器的带宽为10 kHz，信道噪声

28、单边功率谱密度为5109 W/Hz。(1)求解调输出信噪比；(2)如果改为DSB，其性能优于常规调幅多少分贝？解(1)已知常规调幅信号的带宽为 ，其调制效率和解调信噪比增益分别为：第75页/共79页2008年1月76 输入SNR为 输出SNR为 （2）改为DSB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SNR亦为：而输出SNR为：所以所求为：第76页/共79页2008年1月77 例3-5 对双边带信号和单边带进行相干解调，接收信号功率为2 mW，噪声双边功率谱密度为 ，调制信号是最高频率为4 kHz的低通信号。(1)比较解调器输入信噪比；(2)比较解调器输出信噪比。解：SSB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：第77页/共79页2008年1月78 输入信噪比的比较为 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。第78页/共79页2008年1月79感谢您的观看！第79页/共79页