模拟调制系统.pptx
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1、14.1 4.1 幅度调制原理幅度调制原理4.2 4.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能4.3 4.3 非线性调制(角调制)的原理非线性调制(角调制)的原理4.4 4.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能4.5 4.5 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4.6 4.6 频分复用和调频立体声频分复用和调频立体声第第4章章 模拟调制系统模拟调制系统第1页/共124页2第第4章章 模拟调制系统模拟调制系统4.1.1 幅度调制的一般模型1滤波法幅度调制器的一般模型幅度调制,就是用调制信号去控制高频载波的振幅,使其按调制信号的规律而变化的过程,已调信号是基带信
2、号频谱的平移及线性变换。主要有:调幅(AM)、双边带调制(DSB-SC)、单边带调制(SSB-SC)、残留边带调制(VSB-SC)。设正弦型载波为 式中,A为载波幅度;c为载波角频率;0为载波初始相位(以后可假定0为0,A为1,而不失讨论的一般性)。4.1 4.1 幅度调制原理幅度调制原理第2页/共124页3第第4章章 模拟调制系统模拟调制系统滤波法幅度调制器的一般模型第3页/共124页4第4章 模拟调制系统频谱设调制信号m(t)的频谱为M(),则已调信号的频谱为由以上表示式可见,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(
3、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。第4页/共124页5第第4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:第5页/共124页6第第4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。第6页/共124页7第4章 模拟调制系统4.1.2调幅(AM)时域表示式式中 m(t)调制信号,均值为0;A
4、0 常数,表示叠加的直流分量。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。调制器模型第7页/共124页8第4章 模拟调制系统波形图由波形可以看出,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。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。第8页/共124页9第4章 模拟调制系统频谱图由频谱可以看出,AM信号的频谱由载频分量上边带下边带三部分组成。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
5、上边带上边带下边带下边带第9页/共124页10第4章 模拟调制系统AM信号的特性带宽: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: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。第10页/共124页11第4章 模拟调制系统调制效率 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 1/3第11页/共12
6、4页12第4章 模拟调制系统4.1.3双边带调制(DSB)时域表示式:无直流分量A0频谱:无载频分量 曲线:第12页/共124页13第4章 模拟调制系统调制效率: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。4.1.4 单边带调制(SSB)原理: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。产生SSB信号的方法有两种:滤波法和相移法。第13页/共124页14第4章 模拟调制系统滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图 用边带滤波器,滤除不要的边带
7、: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。第14页/共124页15第4章 模拟调制系统SSB信号的频谱上边带频谱图:第15页/共124页16第4章 模拟调制系统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
8、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。第16页/共124页17第4章 模拟调制系统相移法和SSB信号的时域表示SSB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第17页/共124页18第4章 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,上式可以改写为第1
9、8页/共124页19第4章 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,则式中上式中的-jsgn可以看作是希尔伯特滤波器传递函数,即第19页/共124页20第4章 模拟调制系统移相法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。第20页/共124页21第4章 模拟调制系统SSB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。SSB信号的性能SSB信号的实现比AM、DSB要复杂,但SSB调制方式在传输信息时
10、,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。第21页/共124页22第4章 模拟调制系统4.1.5 残留边带(VSB)调制原理:残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式,它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点,又解决了SSB信号实现中的困难。在这种调制方式中,不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带,而是逐渐切割,使其残留小部分,如下图所示:第22页/共124页23第4章 模拟调制系统调制方法: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
11、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。第23页/共124页24第4章 模拟调制系统对残留边带滤波器特性的要求由滤波法可知,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。第24页/共124页25第4章 模拟调制系统VSB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)对应的频谱为第25页/共124页26第4章 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第26页/共124页27第
12、4章 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。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。第27页/共124页28第4章 模拟调制系统残留边带滤波器特性的两种形式残留“部分上边带”的滤波器特性:下图(a)残留“部分下边带”的滤波器特性:下图(b)第28页/共124页29第4章 模拟调制系统4.1.6 相干解调与包络检波相干解调相干解调器的一般模型 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
13、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。第29页/共124页30第4章 模拟调制系统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 第30页/共124页31第4章 模拟调制系统包络检波适用条件:AM信号,且要求|m(t)|max A0,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,性能分析设输入信号是 选择RC满足如下关系 式中f
14、H 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)。第31页/共124页32第4章 模拟调制系统4.2 线性调制系统的抗噪声性能4.2.1 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)输出噪声第32页/共124页33第4章 模拟调制系统噪声分析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第33页/
15、共124页34第4章 模拟调制系统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。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:第34页/共124页35第4章 模拟调制系统4.2.2 线性调制相干解调的抗噪声性能1 DSB调制系统的性能DSB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。第35页/共124页36第4章 模拟调制系统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
16、的有用信号功率为第36页/共124页37第4章 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第37页/共124页38第4章 模拟调制系统信号功率计算解调器输入信号平均功率为信噪比计算输入信噪比输出信噪比第38页/共124页39第4章 模拟调制系统制度增益由此可见,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。第39页/共124页40第4章 模拟调制系统2 SSB调制系统的性能噪声功率这里,B=fH 为SSB 信号的带通滤波器的带
17、宽。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,输出信号平均功率第40页/共124页41第4章 模拟调制系统输入信号平均功率为信噪比单边带解调器的输入信噪比为第41页/共124页42第4章 模拟调制系统单边带解调器的输出信噪比为制度增益讨论: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42页/共124页43第4章 模拟调制系统讨论上述表明,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
18、,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。第43页/共124页44第4章 模拟调制系统4.2.3 调幅信号包络检波的抗噪声性能调幅信号包络检波的抗噪声性能 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。第44页/共124页45第4章 模拟调制系统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
19、率分别为输入信噪比为第45页/共124页46第4章 模拟调制系统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)。第46页/共124页47第4章 模拟调制系统输出信噪比计算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第47页/共124页48第4章 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第48页/共124页49第4章 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
20、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。第49页/共124页50第4章 模拟调制系统小信噪比情况此时,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:第50页/共124页51第4章 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
21、)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,而是急剧恶化,通常把这种现象称为解调器的门限效应。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。第51页/共124页52第4章 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。第52页/共124页53第4章 模拟调制系
22、统4.3 非线性调制(角度调制)的原理4.3.1角调制的基本概念及表达式 频率调制简称调频(FM),相位调制简称调相(PM)。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。角度调制:频率调制和相位调制的总称。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新的频率成分,故又称为非线性调制。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。第53页/共124页54第4章 模拟调制系统角度调制的基本概念 FM和PM信号的一般表达式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
23、位;(t)瞬时相位偏移。dct+(t)/dt=(t)称为瞬时角频率d(t)/dt 称为瞬时频偏。第54页/共124页55第4章 模拟调制系统相位调制(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信号表达式第55页/共124页56第4章 模拟调制系统频率调制(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信号表达式第56页/共124页57第4章 模拟调制系统PM与 FM的区别比较上两式可见,PM是相
24、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。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。第57页/共124页58第4章 模拟调制系统单音调制FM与PM设调制信号为单一频率的正弦波,即 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。第58页/共124页59第4章 模拟调制系统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。第59页/共124页60第4章 模拟调制系统PM 信号和FM 信号波形 (a)PM 信号波形 (
25、b)FM 信号波形 第60页/共124页61第4章 模拟调制系统FM与PM之间的关系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。比较下面两式可见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;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。第61页/共124页62第4章 模拟调制系统方框图 (a)直接调频 (b)间接调频(c)直接调相 (d)间接调相第62页/共124页63第4章 模拟调制系统4.3.2 窄带调频(NBFM)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
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