通信原理第5章模拟调制

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1、第5章 模拟调制系统,李志华,本章知识点,AM、DSB、SSB、VSB、FM的调制及解调原理 模拟调制系统抗噪性能分析 FDM,5.1 引言,5.1.1 调制的概念调制就是用基带信号对高频载波波形某个参数进行控制 5.1.2 调制的目的1形成适合于线路传送的信号2有效地利用频带，实现FDM3改善系统的抗噪性能,5.1.3 调制的分类1 按基带信号的不同分： 模拟调制，特点：基带信号是连续信号。 数字调制，特点：基带信号是数字信号。 2 按载波信号的不同分： 连续波调制，特点：载波连续，如正、余弦波； 脉冲调制，特点：载波为脉冲，如周期矩形脉冲序列。,3 按调制器功能的功能分： 幅度调制，特点：

2、改变载波的幅度，如AM，DSB，SSB，VSB。 频率调制，特点： 改变载波的频率，如FM。 相位调制，特点： 改变载波的相位，如PM。 4 按调制器传输函数来分： 线性调制，特点：调制前、后的频谱呈线性搬移关系。 非线性调制，特点：无上述关系，且调制后产生许多新成份。,5.2 幅度调制原理及其抗噪声性能,5.2.1 幅度调制原理线性调制器一般模型,h（t）,s(t)=cosct,m(t),sm (t),s(t)=cosct,m(t),sm (t),5.2.2 双边带调制（DSB）,m(t)中不含有直流分量，相乘器后不设置滤波器h(t)！,1 特征（与AM比较）基带信号中无直流分量，也称为DS

3、B-SC2 时间表达式 若载波信号为则调制后的信号为3 频域表达式已调信号频谱为4 带宽B=2fm （fm是基带信号带宽）,5 解调方法相干解调法（同步解调）,LPF,cosct,n(t),sm (t),+,BPF,m(t),解调器,自行分析解调原理，BPF的作用？ 注意是线性解调！,5.2.3 标准调幅（AM）Amplitude Modulation,1 特征（与DSB-SC比较）基带信号中存在直流分量，2 时间表达式 若载波信号为则调制后的信号为3 频域表达式已调信号频谱为4 带宽B=2fm （fm是基带信号带宽）,m(t)中含有直流分量，相乘器后不设置滤波器h(t)！,5 解调方法a 相

4、干解调法（同步解调）,LPF,cosct,n(t),sm (t),+,BPF,m(t),解调器,自行分析解调原理，注意是线性解调！,b 包络检波法,5.2.3 单边带调制（SSB）,补充：希尔伯特变换（Hilbert变换）,H(),物理含义： m（t）与其希尔伯特变换幅频特性完全一致，仅在相频特性上相差/2。 所以两者具有相同的功率谱密度。,上边带,下边带,其中，,5.2.3 单边带调制（SSB）,滤波器生成上边带信号频谱图,滤波器生成下边带信号频谱图,5.2.3 单边带调制（SSB）,1 特征只传输一个边带（上边带或下边带）;要求m(t)中无太低频率成分。2 时间表达式 若载波信号为则调制后

5、的信号为3 频域表达式已调信号频谱为4 带宽B=fm （fm是基带信号带宽）,推导单边带信号的时域表达式：（以下边带信号为例）,下图以上边带为例，示出用低通滤波器滤出解调后的信号。SSB优点：比DSB信号进一步节省发送功率和占用带宽。,5.2.4 残留边带调制(VSB) Vestigial Side-Band,确定VSB滤波器传输特性H(w)满足的条件！,采用同步解调法解调：,即：只要残留边带滤波器的截止特性在载频处具有互补对称性。残留边带滤波器的截止特性具有很大的选 择自由度。但必须注意，有选择自由度并不意 味着对“陡峭程度”就没有什么制约了。很明显， 如果滤波器截止特性非常陡峭，那么，所得

6、到 的残留边带信号便接近单边带信号，滤波器将 难以制作；如果滤波器截止特性的陡峭程度变 差，则残留部分自然就增多，残留边带信号所 占据的带宽也越宽，越逼近双边带信号。,已调信号的频谱是基带信号的 频谱的简单搬移-线性调制,选择适当的带通滤波器的h(t)，可 以得到不同的调幅信号。,复习,调制的概念及目的 调制的分类 线性调制的原理,因为加性噪声被认为只对信号的接收产生影响，所以调制系统的抗噪声性能是用解调器的抗噪声能力来衡量的，而解调器的抗噪声能力通常用“信噪比”来度量。,5.2.5 线性调制系统的抗噪声性能,通信系统抗噪声分析模型,线性调制系统相干解调抗噪声模型,解调器输入信噪比：,解调器输

7、出信噪比：,信噪比增益：,输入噪声功率：,1DSB调制系统相干解调抗噪声性能,解调器输入信噪比：,解调器输出信噪比：,信噪比增益：,2SSB调制系统相干解调抗噪声性能,解调器输入信噪比：,解调器输出信噪比：,信噪比增益：,输出信噪比：,根据上述结果，并不能得出双边带解调性能比单 边带好的结论。这是因为，单边带所需带宽仅是双边带的一半。因而，双边带发送端发送的信号功率是单边带的2倍，而且解调器的输入噪声功率是单边带的2倍，双边带解调器输出噪声功率也是单边带的2倍。所以尽管双边带解调器的调制制度增益比单边带大，但当输入的信号功率相等时，实际解调器性能不会优于单边带的解调性能。不难看出，如果解调器的

8、输入噪声功率谱密度相同，输入的信号功率相等，则双边带和单边带在解调器输出端的信噪比是相等的。,3AM调制系统相干解调抗噪声性能,解调器输入信噪比：,解调器输出信噪比：,信噪比增益：,可见，随着A的减小，G增大。 由于不能产生过调制，所以 A不能小于m(t)的最大幅值，G1 例：调幅度为1（100%调幅），,则,4AM调制系统非相干解调抗噪声性能,信噪比增益：,a 当输入信噪比大时,b 当输入信噪比小时,门限效应,a 当输入信噪比大时，满足,包络检波器输出的是信号加噪声的包络。,解调器输入信噪比：,b 当输入信噪比小时，满足,输出当中无有用信号！,在小信噪比的情况下，包络检波器会把有用 信号扰乱

9、成噪声，这种现象称为“门限效应”。所 谓门限效应，就是当包络检波器的输入信噪比降 低到一个特定的数值后，检波器输出信噪比出现 急剧恶化的一种现象，该特定的输入信噪比值被 成为“门限值”，这种门限效应是由包络检波器的 非线性解调作用所引起的。,例、某线性调制系统的输出噪声功率为 w,该机的输出信噪比为20dB，由发射机输出端到解调器输入端之间的总的传输损耗为100dB，试求双边带发射机输出功率？ 解：设发射机的输出功率为，解调器输入端信号功率为，则传输损耗,复习,调制的概念及目的 调制的分类 线性调制的原理 线性调制解调原理 线性调制系统的抗噪声分析 调制制度增益（信噪比增益） 门限效应,5.3

10、 非线性调制（角度调制）的原理 及抗噪声性能,线性调制是通过改变载波的幅度来实现 基带调制信号的频谱搬移，而非线性调制虽 然也完成频谱的搬移，但它所形成的信号频 谱不再保持原基带频谱的结构。也就是说已 调信号频谱与基带信号频谱之间存在非线性 变化关系。非线性调制通常是改变载波的频 率或相位来达到的，即载波的幅度保持不变。 两种调制方式最终都可用载波相角的变化来 表示，所以统称角度调制。,5.3.1 非线性调制原理,瞬时相位,瞬时角频率,瞬时相位偏移,瞬时频率偏移,角度已调信号的一般表示式,1相位调制（PM）信号,瞬时相位,瞬时角频率,瞬时相位偏移,瞬时频率偏移,2频率调制（FM）信号,瞬时相位

11、,瞬时角频率,瞬时相位偏移,瞬时频率偏移,相位调制和频率调制的比较：,在相位调制中载波相位(t)随调制信号m(t)线性地变化，而在频率调制中载波相位(t)随调制信号m(t)的积分线性地变化。 若将m(t)先积分，再对载波进行相位调制，即得到频率调制信号。类似地，若将m(t)先微分，再对载波进行频率调制，就得到相位调制信号。 仅从已调信号波形上看无法区分二者。,5.3.2 非线性调制系统的抗噪声性能,鉴频器,带通限幅器,LPF,调频信号的解调方框图,调频信号的抗噪声性能,输入信号功率：,输入噪声功率：,输入信噪比：,调频信号的抗噪声性能,输出信号功率：,输出噪声功率：,输出信噪比：,单音调制(基

12、带信号为单频余弦信号) P79,当宽带调频时，若mf=5，则制度增益G=450， 也就是说加大调制指数，可使系统的抗噪声性能迅速改善。,调频信号的频带宽度,或,卡森公式:,AM与FM的比较： AM在包络检波下，且大信噪比时,小信噪比情况分析见书P81,例、已知某单频调频波的振幅是10V,瞬时频率为,前提：设接收机输入端具有相等的信号功率，且加性噪声均为均值为零，噪声功率谱密度为 的高斯白噪声。,5.4 各种模拟调制系统的性能比较,各种模拟调制方式的性能,略大于,1性能比较 可靠性：WBFM抗噪声性能最好，DSBSSBVSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。NBFM和AM的性能接近。 有效性：

13、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。,注：采用非线性解调时，务必保证系统工作在门限值以上！,5.5 频分复用,5.5.1 复用的概念是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个在同一信道上传输的复合信号的方法。5.5.2 复用的分类FDM： 按频率区分信号的频分复用TDM ：按时间区分信号的时分复用CDM ：按码元波形区分信号的码分复用,复习,非线性调制的原理和抗噪性能分析注意非线性解调的门限效应 各种模拟调制

14、系统的总结、比较,5.5.3 FDM原理,频分多路复用（FDM）是利用传输介质的可用带宽超过一路信号所需的带宽这一点。频分多路复用FDM是把每个要传输的信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率是完全独立的，即信号的频带不会重叠，然后同时进行传输，这样在传输介质上就可以同时传输多路信号。 多路的原始信号在频分复用前，首先要经过频谱搬移，将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，可以通过调制时采用不同的载波来实现。,频分复用系统组成方框图,在两个通道间应留有间隙作为防护频带，以防相互干扰。 频分复用要求在已分配的频段间加入“防护频带”，而防护频带要占用一定的线路能力，因此使传输效率有所降低。,分别为第i路和第（i+1）路的载频的频率 每一路的最高频率 邻路间隔防护频带 n路单边带信号的总频带宽度应等于：,FDM的优、缺点： a 信道复用率高，分路方便 b 设备复杂，滤波器特性要求高应用： 广播电视、电缆电视、有线和微波通信中应用广泛。（模拟通信）,5.6 复合调制及多级调制的概念,5.6.1 复合调制对同一载波进行两种或更多种调制。5.6.2 多级调制将同一基带信号实施两次或更多次的调制。如：SSB/SSB、 SSB/FM等。,本章小结,各种模拟调制系统的原理 各种模拟调制系统的抗噪性能分析 各种模拟调制系统的比较 时分复用,