《模拟调制-南京》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟调制-南京（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 模拟调制系统,5.1 幅度调制(线性调制)的原理 5.2 线性调制系统的抗噪声性能 5.3 非线性调制(角度调制)原理 5.4 调频系统的抗噪声性能 5.5 各种模拟调制系统的比较 5.6 频分复用和调频立体声,由消息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱分量，大多不适宜在信道中直接传输。必须先经过在发送端调制才能在信道中传输。而在接收端解调。 调制的作用： 提高无线通信时的天线辐射效率。 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。 所谓调制，就是按原始信号（也称为基带信号或
2、调制信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。 载波信号是指未经调制的周期性振荡信号，可以是正弦波，也可以是非正弦波。,.1 幅度调制(线性调制)的原理,幅度调制是高频正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。常见的模拟信号幅度调制方式有调幅、双边带、单边带、残留边带。,设调制信号(基带信号)为m(t)，载波信号为,则调制后的信号(已调信号)为：,设基带信号的频谱为M()，则,即：,m(t)是确知信号，无窄带限制。,由此推得已调信号的频谱：,即从时域的(*)分析，已调信号幅度随基带信号的规律呈正比地变化，而频谱是基带频谱在频域内的简单搬移。 由于频谱的搬移是线性的，幅度调制也称为线性调制。 这
3、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。,傅里叶变换一些数学关系：,1. 调幅(AM),调幅(常规双边带调制)：是指m(t)的均值等于0，但将其叠加一个直流分量A0后与载波相乘后的信号。,如果信号m(t)为确知信号，则AM信号的频谱：,从调制信号的波形图(时域)和频谱图(频域)分析可知，AM波的包络与m(t)信号的形状完全一样。条件：,调幅信号的波形图与频谱图,为绘图方便，m(t)画成正弦波，实际含有多个频谱成分。,下边带 上边带,上边带 下边带,载频分量,调幅信号由载频分量、上边带和下边带三部分组成。 AM信号的特性： 带宽：它
4、是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号的带宽的两倍。功率：当m(t)为确知信号时，对信号的平方在时间周期内求平均。,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，,当|m(t)|max = A0时(100调制)，调制效率最高，这时 max =1/3,2. 双边带调幅(DSB),频谱中的载波分量（即c处的两个冲激）并不携带信息，为节省功率，可将载波抑制，即演变为抑制载波双边带调幅信号(DSB-SC)，简称为双边带信号(DSB)。,
5、时域表示：,频域表示：,与AM比较，DSB频谱中去除了在c的两个函数。 DSB信号的调制效率为100%。 DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，不能采用包络检波方法恢复调制信号，需要用相干检波，较复杂。,双边带信号的波形图与频谱图,双边带信号的包络仍然是随调制信号变化的，但它的包络已不能准确地反映低频调制信号的变化规律。 双边带信号在调制信号的负半周时，已调波高频与原载频反相，而在调制信号的正半周时，已调波高频与原载频同相。也就是双边带信号的高频相位在调制电压过零点处要突变180度。,3. 单边带调幅(SSB),DSB信号虽节省了载波发射功率，但仍有两个边带，频带宽度与普通调幅AM信号
6、相同。 由于两个边带所携带信息相同，传输其中一个边带即可，该方式是单边带调制。,单边带(上边带)信号频谱图,单边带调制中只传输双边带信号中的一个边带。 产生上边带信号的最直观方法是设计一个如上图所示的带通滤波器，传输特性为,单边带信号的频域描述：,滤波法：,可证：单边带信号的时域描述为,式中减号为上边带信号的时域描述；加号为下边带信号的时域描述。,是 的希尔伯特变换。,希尔伯特变换的含义：任意基带信号m(t)均可以表示许多余弦信号 之和，将每个余弦信号的幅度保持不变，而相位改变/2变换为希尔伯特变换。,相移法：,滤波法的技术难点：很难做到具有陡峭的截止特性。,设 的傅氏变换为 ，则可证：,其中
7、符号函数：,定义希尔伯特滤波器的传递函数：,(*)式的物理意义：m(t)通过传递函数为 的滤波器，即可得到,用相移器实现单边带信号的一般模型（信号实现方法）：,图中采用了相移法，即利用相移网络，改变载波和调制信号的相位，使在合成过程中滤掉一个边带，从而得到SSB信号。,单边带调制小结：,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。 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
8、仍需采用相干解调。 与滤波法比较，相移法获得的SSB信号不需要滤波器具有陡峭的截止特性。但宽带相移网络难以用硬件实现，即Hh()对m(t)的所有频率均要精确相移/2很难实现。,4. 残留边带调幅(VSB),残留边带是介于双边带与单边带之间的一种调制方式，它保留了一个边带和另一边带的一部分。 它既克服了DSB（双边带）信号占用频带宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现问题。 VSB的带通滤波器不需要十分陡峭的滤波特性。,DSB,SSB(上边带),VSB,用滤波法实现VSB调制的原理与单边带信号的获取相同，但传输函数改成能够容易实现的波形。,残留部分上边带的滤波特性(形成下边带),残留部分下边带的
9、滤波特性(形成上边带),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。通过相干解调，可以使输出无失真地恢复调制信号m(t)，可证，传递函数必须满足的关系是：式中，H是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。,滤波法模型可以归纳出滤波法线性调制的一般模型如下： 按照此模型得到的输出信号时域表示式为：按照此模型得到的输出信号频域表示式为：式中， 只要适当选择H()，便可以得到各种幅度调制信号。,5. 线性调制
10、的一般模型,移相法模型 线性调制后的信号在时域可表示为一个相乘器和一个响应为h(t)的滤波器组成：将上式展开，则可得到另一种形式的时域表示式，即 式中表明，sm(t)等效为两个互为正交调制分量的合 成。,证明：,线性调制(相移法)一般模型,6. 相干解调与包络解调,相干解调,相干解调：就是在接收端用一个与发送载波同频同相的本地载波与接收到的已调信号相乘。 可用于AM、DSB、SSB、VSB解调。,其中，d(t)是一个与基带信号m(t)成正比的信号。,以单边带信号为例说明：,与同频同相相干载波相乘后得：,低通滤器后，有：,相干解调的关键：接收端要提供一个与载波信号严格同步的相干波,包络检波,包络
11、检波用于AM解调。,SAM,A0+m(t),调幅信号,包络检波定性解释：,输入信号的正向周期，通过D二极管正向电阻向电容C充电，在二极管截止时，电容通过R电阻放电。输入信号的负半周过不来。 当下一个正向周期到来时，电容C再次充电。合理选择RC时间常数，防止拖尾。 再加一级低通滤波器，将包络锯齿滤去，还原成基带信号m(t)。 性能分析：设输入信号是 选择RC满足如下关系式中fH 为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始信号m(t)。,.2 线性调制系统的抗噪性能,既然信道加性噪声主要取决于起伏噪声，而起伏噪声又可视为
12、高斯白噪声。因此本节讨论信道存在加性高斯白噪声时的各种线性调制系统的抗噪声性能。 考虑到只对已调信号的接受产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可用解调器的抗噪性能来衡量。 衡量的指标通常用“信噪比”来度量。,带通滤波器滤除已调信号频带以外的噪声后，ni(t)变为窄带高斯噪声。,窄带高斯噪声ni(t) 及其同相分量nc(t) 和正交分量ns(t) 均值都为0，且具有相同的方差。,Ni：解调器输入噪声的平均功率。 B：等效噪声带宽，即已调信号的带宽。 n0：单边噪声功率谱密度,时间平均值！,评价模拟通信系统的质量指标可用输出信噪比：,因为m0(t)、n0(t)都是随机信号，所以式中信号功率和噪声功率
13、用统计平均计算。,信噪比的分贝表示：,对于语言信号传输，S0/N0的比值为10dB时，仅仅可以理解；30dB是一般电话通讯要求；高保真度电话信号要求60dB。,也可引用信噪比增益(调制制度增益) ：,其中，Si/Ni为输入信噪比。,在给定 情况下，分析各种调制系统的抗噪性能。,1. DSB调制系统的性能,下图中DSB的接收机(DSB的解调器) 为相干解调器。,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。,对于DSB解调器，输入信号与噪声信号经相干解调后的输出为：,经低通滤波器滤波后：,没有了ns(t)项！,输出信号平均功率：,输出噪声平均功率：,输入信号平均功率：,输入噪声
14、平均功率：,第二项时间平均为0,因而，制度增益 ：,双边带信号解调器的信噪比改善了一倍，原因是相干解调把噪声中的正交分量抑制除掉，从而使噪声功率减半。,2. SSB解调系统的性能,SSB解调器仍同DSB解调器，不同的是带通滤波器的带宽是双边带的一半。,讨 论： SSB系统中， 。信噪比没有改善。 上式不能说明DSB系统的抗噪声性能比SSB系统好。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不同条件下得到的。 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，输出信噪比是相等的
15、。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。,可证， SSB的制度增益为 ：,，,3. AM包络检波的性能,调幅波既可以用相干解调，也可以用包络检波。 讨论AM信号采用包络检波的性能。 接收机为包络检波器加低通滤波器。,解调器,带 通滤波器,包络 检波,低通 滤波器,设包络检波器输入(解调后信号波形是包络) ：,带通滤波器对输入信号Sm(t)没有影响。,合成包络：,当包络检波器的传输系数1时，包络检波器的输出就是E(t)。 E(t)中信号m(t)和噪声混合在一起，不好分开，计算噪声比较困难。 为使分析简明，考虑两种情况：大信噪比情况小信噪比情况,
