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1、2018年10月,西南交通大学电气工程学院,1,第5章 模拟调制系统,主要内容 调制的定义和作用 各种模拟调制的时域和频域分析及特点比较 相干和非相干解调的原理及特点 各种模拟调制解调方式的抗噪声性能分析,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,2,5.1 引 言,模拟信源,发送设备,信道,接收设备,信宿,模拟信源,调制器,信道,解调器,信宿,模拟调制系统的基本组成,噪声源,噪声源,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,3,5.1 引 言,调制就是用待传输的原始基带信号去控制高频正弦波或周期性脉冲信号的某个参量，使它随基带信号的变化而变化，其实质是频谱变换。 经调制后的信号称为已调信
2、号或频带信号，它应具有两个基本特性：一是要携带有原始信号的信息；二是要适合在给定的信道中传输。 在接收端把已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号频谱的过程称为解调。调制和解调在一个通信系统中总是同时出现，它们是通信系统的重要组成部分，一个通信系统性能的好坏，在很大程度上由调制和解调方式来决定。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,4,5.1 引 言,调制的作用：,调制是为了有效辐射。调制把基带信号的频谱搬移到载频附近，以适应信道频带要求，使信号特性与信道特性相匹配，便于发送和接收。如无线传输时必须将基带信号调制到高频载波上，才能将电磁能量有效地向空间辐射(基带信号的低频分量丰富，如果
3、直接传送则信号损耗太大)。而天线能有效发射电磁波的另一条件是，所发射的信号波长与天线的尺寸相比拟。载波的频率较高(波长较短)，发射天线易于制作。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,5,5.1 引 言,实现信道的复用。信道复用是在一个信道中同时传输多路信号，用以提高信道的利用率。如若干个广播电台同时工作时，由于不同电台的基带信号频谱所占据的频带大致相同，若不进行不同载波频率的调制，广播电台就无法同时工作。载波调制时，只要把各个基带信号分别调制到不同的频带上，然后将它们一起送入信道传输即可。这种在频域上实现的多路复用称为频分复用(FDM)。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,6
4、,5.1 引 言,提高系统的抗噪声性能。通信中难免受噪声的影响，通过选择适当的调制方式可以减少它们的影响。不同的调制方式具有不同的抗噪声性能。 例如，通过调制使已调信号的传输带宽变宽，用增加带宽的方法换取噪声影响的减少，这是通信系统设计中常采用的一种方法。调频(F M)信号的传输带宽比调幅(AM) 的宽得多，因此F M系统的抗噪声性能要优于AM系统的抗噪声性能。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,7,5.1 引 言,线性调制与非线性调制： 以调制前后信号频谱结构是否变化为依据，将调制分为线性调制和非线性调制。 线性调制。调制前后，已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系。即已
5、调信号与调制信号的频谱之间没有发生结构变化，仅是频率的位置发生了变化，这种调制称为线性调制。如调幅系统的振幅调制(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)和残留边带调制(VSB)等，均属于线性调制。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,8,5.1 引 言,非线性调制。调制前后，已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈非线性关系。即已调信号的频谱与调制信号的频谱相比，不仅是频率的位置发生了变化，在频谱结构上也发生了根本性变化，出现了频率扩展或增生，这种调制称为非线性调制，如调角系统的频率调制(FM)、相位调制(PM)等。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,9,5.2 线性
6、调制系统,线性调制（幅度调制） 用调制信号m(t)控制高频载波c(t)的振幅，使载波的振幅随调制信号作线性变化，已调信号频谱是基带信号频谱的线性搬移。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,10,5.2 线性调制系统,标准调幅AM,其中假设m(t)中无直流分量，即,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,11,5.2 线性调制系统,调幅度（调幅系数）：,A0,m(t)max,A(t)min,0,m(t)min,A(t)max,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,12,5.2 线性调制系统,当 m 1 时，AM信号的包络不能反应调制信号。,m1，过调幅,m = 1，满调幅,20
7、18年10月,西南交通大学电气工程学院,13,5.2 线性调制系统,例5.2.2 已知调幅波sAM(t)=(100+30 cost+20cos3t)cos 2fct，求其调幅系数。,解 此调幅波的瞬时振幅为 A(t)=100+30 cost+20cos3t当t=0时，瞬时振幅有最大值 A(t)max=100+30+20=150(V)当t=/ 时，瞬时振幅有最小值 A(t)min=100-30-20=50(V) 因此,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,14,5.2 线性调制系统,AM信号的频谱,特点：同时含有载频分量和边带分量；已调信号带宽为调制信号带宽的2倍。,2018年10月,西南
8、交通大学电气工程学院,15,5.2 线性调制系统,载频分量,下边带,上边带,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,16,5.2 线性调制系统,例：同例5.2.2，已知 =20rad/s，调制信号和调幅波分别为,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,17,5.2 线性调制系统,AM信号的功率和调制效率,假定调制信号m(t)没有直流分量，即 。则,载频功率Pc,边带功率Ps,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,18,5.2 线性调制系统,调制效率：已调信号中边带功率与已调信号总功率之比。,AM1，说明AM信号的功率利用率比较低，载波分量占据大部分信号功率，而含有信息的两个边带占
9、有的功率较小。但AM信号可以采用设备简单、不需本地同步载波信号的包络检波法解调。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,19,5.2 线性调制系统,例：同例5.2.2，求AM信号的功率和调制效率。,PAM(f ),f /Hz,0,-100,25,56.25,2500,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,20,5.2 线性调制系统,单频调制AM信号,设,则,A(t)max=A0+Am,Am,A0,A(t)min=A0-Am,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,21,5.2 线性调制系统,M(f ),f,0,fm,Am/2,SAM(f ),f,0,-fc,A0/2,B=2fm
10、,Am/4,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,22,5.2 线性调制系统,抑制载波的双边带调制DSB-SC,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,23,5.2 线性调制系统,时间波形特点： (1) 在调制信号的过零点处，载波相位出现反相。 (2) 包络不再与基带信号的变化规律保持一致，所以DSB信号不能用包络检波器解调 (包络解调)，只能采用同步解调。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,24,5.2 线性调制系统,DSB信号的频谱,特点： 无载波分量； 带宽为调制信号的2倍。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,25,5.2 线性调制系统,单频调制DSB信号,
11、设,则,上边带 下边带,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,26,5.2 线性调制系统,M(f ),f,0,fm,Am/2,SDSB(f ),f,0,-fc,B=2fm,Am/4,上边带,下边带,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,27,5.2 线性调制系统,单边带调制SSB,单频调制： m(t)=Am cos2fmt,“-”：上边带（USB）；“+”：下边带（LSB）。,推广到任意基带信号m(t),2018年10月,西南交通大学电气工程学院,28,5.2 线性调制系统,用滤波法产生SSB信号,SUSB(f ),f,0,fc+fm,fc,-fc,A/2,2018年10月,西南交
12、通大学电气工程学院,29,5.2 线性调制系统,用相移法产生SSB信号,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,30,5.2 线性调制系统,特点： (1) 节省了发射功率。因为只发射一个边带，相比较其它幅度调制，节约了发射功率。 (2) 减少了占用的信道带宽。SSB信号的带宽BSSB=f m，即与基带信号的带宽相同，比AM和DSB信号的带宽减少了一半。 (3)无载波分量，只能采用同步解调。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,31,5.2 线性调制系统,残留边带调制VSB,残留边带调制是介于双边带调制与单边带调制之间的一种调制方式。通常用滤波法产生，用同步检波器解调。 VSB信号的
13、频谱如图5.2.12(b)所示，图中虚线表示相应的SSB信号的频谱。从中可以发现，VSB信号不像SSB那样完全抑制一个边带，而是残留一小部分(残留部分带宽为fv)。因此，滤波器的边缘特性不要求完全陡峭，实现上比SSB要容易。VSB信号带宽介于DSB和SSB信号带宽之间，即BVSB=fm+fv。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,32,5.2 线性调制系统,图5.2.12 VSB信号的频谱,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,33,5.2 线性调制系统,产生和解调原理,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,34,5.2 线性调制系统,为了保证相干解调的输出无失真地重现调制
14、信号，即Mo(f )与M(f )相同，必须要求(5-2-11) 式中，C为常数，fm是调制信号的最高频率。式(5-2-11)就是确定残留边带滤波器传输特性HVSB(f )所必须遵循的条件。通常把满足上式的残留边带滤波器特性称为具有互补对称特性。满足上式的HVSB(f )的可能形式有两种：图5.2.14(a)所示的低通滤波器形式和图5.2.14(b)所示的带通(或高通)滤波器形式。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,35,5.2 线性调制系统,图5.2.14 残留边带滤波器特性,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,36,5.2 线性调制系统,调幅系统的相干解调（同步解调）,20
15、18年10月,西南交通大学电气工程学院,37,5.2 线性调制系统,Sr(f )=SDSB(f ),f,0,fc+fm,fc,-fc,fc-fm,A/2,S (f )， H(f ),f,0,2fc,-fc,fc,A/2,-2fc,A/4,fm,-fm,B,-B,M (f ),f,0,A,fm,-fm,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,38,5.2 线性调制系统,调幅系统的非相干解调（包络检波）,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,39,5.2 线性调制系统,特点比较： 1）相干解调需要与调制载波同频同相的相干解调载波，否则解调有失真； 2）非相干解调只适用于欠调幅和满调幅的AM，对其它调幅方式，可采用载波插入法包络检波； 3）相干解调不存在门限效应，但设备复杂；非相干解调存在门限效应，但设备简单。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,40,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,分析模型,BPF让已调信号全部通过，同时滤除部分噪声。 n(t)为信道引入的高斯白噪声，ni(t)为通过BPF后的窄带高斯白噪声。 sr(t)为接收到的已调信号，通过BPF后保持不变。,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,41,5.3 线性调制系统的抗噪声性能,输入信噪比,输出信噪比,调制制度增益,抗噪声性能指标：,2018年10月,西南交通大学电气工程学院,
