现代通信原理第02章-模拟调制系统分解讲解学习.ppt
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1、现代通信原理第02章-模拟调制系统分解了解:调制的功能与分类掌握:常规双边带调制(AM)信号的时域表示 掌握:频域表示 功率和效率 掌握:AM的调制与解调 了解:抑制载波双边带调制信号 了解:单边带调制(SSB)和残留边带调制(VSB)了解:非线性调制系统了解:窄带频率调制NBFM 宽带调频WBFM 了解:窄带调相NBPM 宽带调相WBPM 了解:模拟调制系统的抗噪声性能 了解:线性调制系统的抗噪声性能了解:非线性调制系统的抗噪声性能本章学习要求:2.1 调制的功能及分类调制的功能及分类 2.1.1 调制的功能调制的功能 对消息信号进行频谱搬移,使之适合信道传输的要求;把基带信号调制到较高的频
2、率(一般调制到几百kHz到几百MHz甚至更高的频率),使天线容易辐射;便于频率分配:为使无线电台发出的信号互不干扰,每个发射台都被分配给不同的频率;有利于实现信道多路复用,提高系统的传输有效性 Internet技术的广泛应用;可以减小噪声和干扰的影响,提高系统的传输可靠性。2121 根据调制信号分类 模拟调制:调制信号是模拟信号的调制;数字调制:调制信号是数字信号的调制。2122 根据载波分类 连续载波调制:以正弦信号作载波的调制;脉冲载波调制:以脉冲序列作载波的调制。载波信号是时间间隔均匀的矩形脉冲。2123 根据调制器的功能分类 幅度调制一一调制信号改变载波信号的振幅参数,即利用的幅度变化
3、来传送的信息。如调幅(AM)、脉冲振幅调制(PAM)和振幅键控(ASK)等。频率调制一一调制信号改变载波信号的频率参数,即利用的频率变化来传送的信息。如调频(FM)、脉冲频率调制(PFM)和频率键控(FSK)等。相位调制一一调制信号改变载波信号的相位参数,即利用的相位变化来传送的信息。如调相(PM)、脉冲位置调制(PPM)、相位键控(PSK)等。2.1.2 调制的分类2.1.2.4 根据调制前后信号的频谱结构关系分类线性调制一一输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性关系,如(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)等。非线性调制一一输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间没有线性
4、对应关系,即已调信号的频谱中含有与调制信号频谱无线性对应关系的频谱成分,如FM、FSK等。2.2 线性调制系统线性调制系统 2.2.1 常规双边带调制系统 2.2.1.1 常规双边带调制(AM)信号的时域表示 下图表示了常规双边带信号的调制过程。其中,(a)为基带调制信号,本图中它是一个低频余弦信号,初相为0;(b)为等幅的高频载波信号;(c)则是调制信号叠加了一个 直流分量A后的输出;(d)就是输出的调制信号。2.2.1.2 常规双边带调制信号的频域表示 常规双边带调制信号的频谱就是将调制信号的频谱减小一半后分别搬移到以为中心处,且在处还各有一个强度为的冲击分量,如图所示。2.2.1.3 常
5、规双边带调制信号的功常规双边带调制信号的功率和效率率和效率 1.通通常常将将调调制制信信号号的的功功率率用用该该信信号号在在1欧欧姆姆电电阻阻上上所所产产生生的的平平均均功功率率来来表表示示,它它等等于于该该信信号号的的方方均均值值,即即对对时时域域表表达达式式先先平平方方然然后后再求平均值。故双边带调制信号的功率为:再求平均值。故双边带调制信号的功率为:2.一一般般情情况况下下,可可认认为为是是均均值值为为0的的信信号号,且且与与载载波波的的二二倍倍频频信信号号及直流分量及直流分量A之间两两彼此独立。之间两两彼此独立。由于由于 ,求得双边带调制信号的功率为:,求得双边带调制信号的功率为:式式
6、中中第第一一项项与与信信号号无无关关,称称作作无无用用功功率率,第第二二项项是是需需要要的的信信号号功功率。率。3.一般定义信号功率与调制信号的总功率之比为调制效率:一般定义信号功率与调制信号的总功率之比为调制效率:根据双边带调制信号的时域表达式根据双边带调制信号的时域表达式 ,可以画出其调制电路框图如图所示。,可以画出其调制电路框图如图所示。2.2.1.4 AM的调制与解调 解调通常有两种方式:直接采用包络检波法-用非线性器件和滤波器分离提取出调制信号的包络,获得所需的信息,也称之为信号的非相干检波,其原理框图如图(a)所示。相干解调-通过相乘器将收到的信号与接收机产生的、与调制信号中的载波
7、同频同相的本地载波信号相乘,然后再经过低通滤波,即可恢复出原来的调制信号,如图(b)所示。2.2.2.1 抑制载波双边带调制信号1.常规双边带调制的最大缺点就是调制效率低,其功率中的大部分都消耗在本身并不携带有用信息的直流分量上,如果将这个直流成分完全取消,则效率可以提高到100%,这种调制方式就是抑制载波双边带调制,简称DSB。其已调信号的时域表达式为:就是信号 当A=0时的一个特例,其输出波形及产生过程如图所示。2.2.2 抑制载波的双边带调制(DSB)2.根据抑制载波双边带调制信号的时域表达式 ,可画出其调制电路框图如图所示。3.由于 信号的包络不再具有调制信号的形状,它只能使用相干解调
8、方式,才能恢复出原来的调制信号 ,如图所示。2.2.2.2双边带调制/解调电路实例 工程实际中,通常将信号调制、检波、鉴频、混频、鉴相等双边带信号的调制与解调过程看做两个信号的多次相乘及其后续处理,常采用集成模拟乘法器件予以实现,其电路远比分离器件简单的多,性能也更优越,目前在无线通信、广播电视等方面应用较多。2.2.2.2.1、双边带调制电路、双边带调制电路调制就是在传送信号的发送端,利用要传送的低频原始信号去控制高频振荡信号波形的某一参数(幅度、相位或频率),使这个参数随控制信号的变化而变化。这里,高频振荡波就是载波,原始控制信号即调制信号。在接收端经过与发送端相反的反调制过程,把载波所携
9、带的信息提取出来,恢复原有的信息,这就是解调过程,也叫检波。从频谱的角度,调制与解调就是一个频谱变换与反变换的过程,必须用非线性元件来实现。幅度调制信号的振幅受调制信号的控制,其振幅变化与调制信号成正比。为简化分析,假定调制信号是单频信号,即 。常规双边带调幅电路各点波形常规双边带调幅电路各点波形 过调制波形过调制波形 单频正弦信号双边带调制信号频谱单频正弦信号双边带调制信号频谱 双边带调幅信号产生电路原理图双边带调幅信号产生电路原理图 MC1496是振幅调制器,载波经高频电容耦合输入至MC1496的10脚,低频调制信号经耦合电容E05输入至MC1496的1脚,调幅信号从MC1496的12脚输
10、出。C08、E06分别为高频、低频旁路电容。引脚2、3之间的外接反馈电阻R19用于扩展调制信号的线性动态范围,当R19增大时,输入的线性范围也随之增大,但乘法器增益随之减少。引脚14为负电源端(双电源供电时)或接地端(单电源供电时)。引脚1、4所接的两个100、750电阻及47K电位器用于调节输入馈通电压,调节P01,可以引入一个直流补偿电压,由于调制电压与直流补偿电压相串联,相当于给调制信号叠加了某一直流电压后,再使其与载波信号相乘,从而实现常规双边带调幅。MC1496输出的调幅信号还需通过一个射随电路后输出,以增加电路的负载能力。为保证输出调幅信号的质量,射随器的输出还经过了下图所示的滤波
11、电路。双边带调幅信号的滤波双边带调幅信号的滤波 2.2.2.2.22.2.2.2.2、双边带解调电路、双边带解调电路 常规双边带调制信号的解调可以采用相干或非相干方式。非相干解调利用信号的包络变化反映调制信号变化规律的特点进行检波。由于包络检波电路简单,实际工程中常常用到。本实验系统的检波电路由一个二极管检波器和一个低通滤波器组成,如图2.36所示。因为要实现高频包络检波,所以二极管D20 的正向导通压降越小越好,常采用锗二极管,(正向导通电压UF0.3V)来满足要求。R28、C14 分别为负载电阻、电容,故C14的高频阻抗应远小于R,可视为短路;而其低频阻抗应远大于R,可视为开路。这样,利用
12、二极管的单向导电性和负载回路RC的充放电作用,就可以还原出与调幅信号包络基本一致的信号。观察并记录该解调输出信号的波形,并再示波器上将其与输入调制信号进行对比,并分析其差异原因。二极管包络检波解调电路二极管包络检波解调电路 2.2.3.1 单边带调制 1.仅利用一个边带传输信息的调制方式就是单边带调制,简称SSB,其已调信号记作 。如图所示,(a)图为上边带调制信号 ,(b)图则为下边带调制信号 。2.2.3 单边带调制(SSB)和残留边带调制(VSB)2.单边带信号的调制有滤波法、移相法以及移相滤波法三种方式,但移相滤波法由于通信质量较差,已很少采用。滤波法首先对调制信号进行抑制载波的双边带
13、调制,然后再通过滤波器从中滤出所需要的上(或下)边带信号,其框图如图所示。其中,当滤波器的选通频带为 时,输出上边带 信号;当通带为 时,输出下边带 信号。3.单边带调制信号通常都采用相干解调法完成解调,其框图如图所示。2.2.3.2 残留边带调制(VSB)1、残留边带调制简记为VSB。它不象单边带那样对不传送的带进行完全抑制,而是使它逐渐截止,这样就会使需要被抑制的边带信号在已调信号中保留了一小部分,其频谱如图所示。2、残留边带信号的解调也采用相干解调法,但必须保证滤波器的截止特性将使传输边带在载频附近被抑制的部分由抑制边带的残留部分进行精确补偿,即其滤波器的传递函数必须具有互补对称特性,接
14、收端才能不失真地恢复原始调制信号。3、残留边带调制在低频信号的调制过程中,由于滤波器制作比单边带容易,且频带利用率也比较高,是含有大量低频成分信号的首选调制方式。2.3 非线性调制系统非线性调制系统2.3.1 一般概念 1、调制利用高频载波的三个参数(幅度、频率、相位)之一携带调制信号的信息。2、线性调制使载波的幅度随调制信号发生线性变化。3、非线性调制载波的瞬时频率或相位随调制信号线性变化,即控制载波的瞬时频率或相位变化,其变化 的周期由的频率决定,而幅度则保持不变的调制。根据控制的是载波的角频率还是相位:频率调制(Frequency Modulation)简称调频,记为FM;相位调制(Ph
15、ase Modulation),简称调相,记为PM。2.3.2 频率调制频率调制(FM)1、依据瞬时相位偏移是否远小于0.5或 ,可划分为:窄带调频(NBFM)宽带调频(WBFM)依据的数学表示式为:或0.5,调频为窄带调频;否则为宽带调频。2.3.2.1 2.3.2.1 窄带频率调制窄带频率调制NBFMNBFM1、时域表达式为:2、窄带调频信号的频谱为:(a)、(b)、(c)分别为调制信号、常规双边带调制信号 和窄带调频信号 的频谱。单频调制时的常规调幅和窄带调频信号频谱单频调制时的常规调幅和窄带调频信号频谱 2.3.2.2 宽带调频宽带调频WBFM1、单频信号调制下的宽带调频信号、单频信号
16、调制下的宽带调频信号其中其中 称为第一类称为第一类n阶贝塞尔函数阶贝塞尔函数。2、单频调制时宽带调频信号的频谱为:、单频调制时宽带调频信号的频谱为:3、由由于于调调频频信信号号只只改改变变载载波波的的频频率率疏疏密密程程度度,而而不不改改变变其其幅幅度度,故故调调频频前前后后信信号号的的总总功功率率不不变变,只只是是由由调调频频前前的的信信号号功功率率全全部部分分在在载载波波上上改改为为调调频频后后分分配配在在载载频频和和各各次次边边频频分量上。分量上。4 4、产生调频信号、产生调频信号(1)(1)直接调频法直接调频法用调制信号直接控制高频振荡器的元件参数用调制信号直接控制高频振荡器的元件参数
17、(一般都是电感或者电容一般都是电感或者电容),使其振荡频率随着而变化。,使其振荡频率随着而变化。最常用的变容二极管调频电路,就是利用变容二极管的容量随外加电最常用的变容二极管调频电路,就是利用变容二极管的容量随外加电压变化而改变的特性来改变输出振荡频率的。压变化而改变的特性来改变输出振荡频率的。(2)(2)间接调频法间接调频法间接调频则是通过调相电路来产生调频信号的。间接调频则是通过调相电路来产生调频信号的。(1)最简单的非相干解调就是鉴频(2)相干解调方式 5、调频信号的解调可采用相干解调和非相干解调 2.3.3 相位调制相位调制(PM)调相有宽带调相和窄带调相之分。它的划分依据是:调相有宽
18、带调相和窄带调相之分。它的划分依据是:当当 时,为窄带调相时,为窄带调相.2331 窄带调相NBPM1、窄带调相的表达式为:、窄带调相的表达式为:2、窄带调相的频谱为:、窄带调相的频谱为:2332 宽带调相WBPM1、单频调相信号的另一种表示形式为:2、单频调制时宽带调相信号的频谱为:各种系统比较各种系统比较 调频系统的性能优于调相系统。故一般模拟调制中都采用调频而非调相,只是把调相电路作为产生调频信号的一种方法。调频制主要用于调频广播、电视、通信及遥控遥测等设备中。相位调制主要用于数字通信系统和产生间接调频。和调幅制相比,角度调制的主要优点是抗干扰性能强,传输的带宽越大,抗干扰的性能就越强。
19、缺点是占用频带宽(指宽带FM),设备比AM系统复杂。2.4 模拟调制系统的抗噪声性能模拟调制系统的抗噪声性能模拟调制被分为线性调制和非线性调制。241 线性调制系统的抗噪声性能一、线性调制系统相干解调框图 以系统经相干解调后的输出信噪比来衡量其抗噪能力。二、所有线性调制信号都可用下式统一表达为:1、抑制载波的双边带调制信号2、单边带调制信号 3、残留边带调制信号 2.4.2 非线性调制系统的抗噪声性能非线性调制系统的抗噪声性能 对于非线性系统的抗噪声性能分析,主要分析调频信号采用非相干解调时的性能。1、非相干解调的输入信噪比为:2、相应的输出信噪比为:分别为调制信号的最高频率、方均值和最大幅度
20、值的平方。3、当调制信号为单频信号时,相应的输出信噪比为:调频系统的解调输出信噪比较高,其输出信噪比和输 入信噪比之比和调频指数 的立方近似成比例。2.5 调频立体声广播系统国际上目前较普及的立体声信号实际上都是双声道的,其原始信息是左、右两路(分别简称为“L”信号、“R”信号)彼此独立的音频信号。由于声源的空间分布位置差异,在立体声节目录制过程中,到达两只录音话筒的R、L路声音信号的强度及时间各不相同,其强度差异和时间差异(即相位差)就构成了相应的立体声定位信息。2.5.1 立体声广播系统概述立体声广播系统概述 我们知道,信号的调制方式主要有调幅、调频和调相三种,而广播、电视传输系统主要采用
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