通信原理--第5章-模拟调制系统课件

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1、154-1,通信原理,第1章 绪论 第2章 确知信号 第3章 随机过程 第4章 信道 第5章 模拟调制系统 第6章 数字基带传输系统 第7章 数字带通传输系统 第8章 新型数字带通调制技术 第9章 模拟信号的数字传输 第10章 数字信号的最佳接收 第11章 差错控制编码 第12章 正交编码与伪随机序列 第13章 同步原理,154-2,通信原理,第5章 模拟调制系统,154-3,图1-5 数字通信系统模型,图1-4 模拟通信系统模型,ch4,ch3,ch5,ch5,154-4,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

2、）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 5.7 小结,154-5,第5章 模拟调制系统,基本概念 调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。 广义调制 分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。 狭义调制 仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。 调制信号 指来自信源的基带信号 载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程。 载波 未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。 已调信号 载波受调制后称为已调信号。 解调（检波） 调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。,154

3、-6,第5章 模拟调制系统,调制的目的 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。 调制方式 模拟调制 数字调制 常见的模拟调制 幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带 角度调制：频率调制、相位调制,154-7,第5章 模拟调制系统,5.1幅度调制（线性调制）的原理 一般原理 表示式： 设：正弦型载波为 式中，A 载波幅度； c 载波角频率； 0 载波初始相位（以后假定0 0）。 则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成 式中， m(t

4、) 基带调制信号。,154-8,第5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(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。,154-9,第5章 模拟调制系统,5.1.1调幅（AM） 时域表示式 式中 m(t) 调制信号，均值为0； A0 常数，表示叠加的直流分量。 频谱：若m(t)

5、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,154-10,第5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。,154-11,第5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。,154-12,154-13,%

6、 幅度调制 AM 信号输出和功率谱 程序清单 dt=0.001; %时间采样频谱 fmax=1; %信源最高频谱 fc=10; %载波中心频率 T=5; %信号时长 N=T/dt; t=0:N-1*dt; mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源 A=2; s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t); f,Xf=FFT_SHIFT(t,s_am); %调制信号频谱 PSD=(abs(Xf).2)/T; %调制信号功率谱密度 figure(1) subplot(211); plot(t,s_am);hold on; %画出AM信号波形 plot(t,A+mt,

7、r-); %表示AM包络 title(AM调制信号及其包络); xlabel(t); subplot(212); %画出功率谱图形 plot(f,PSD); axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(PSD); title(AM信号功率谱); xlabel(f);,154-14,第5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。,154-15,第5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

8、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 1/3,154-16,例5-1 已知一个AM广播电台输出功率是50KW，采用单频余弦信号进行调制，调幅指数为0.707。 （1）试计算调制效率和载波功率； （2）如果天线用50的电阻负载表示，求载波信号的峰值幅度。 解（1） 由以上的公式有 则调制效率 载波功率为 （2）载波功率Pc与载波峰值A的关系为 所以,例5-1,154-17,第5章 模

9、拟调制系统,5.1.2 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：,154-18,第5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。,154-19,% 抑制载波双边带调制 DSB dt=0.001; %时间采样频谱 fmax=1; %信源最高频谱 fc=10; %载波中心频率 T=5; %信号时长 t=0:dt:T; mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源 s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); f,sf=FFT_SHIFT(t,s_dsb); %调制信号频谱 PSD=

10、(abs(sf).2)/T; %调制信号功率谱密度 figure(1) subplot(211) plot(t,s_dsb);hold on; %画出DSB信号波形 plot(t,mt,r-); %标示mt波形 title(DSB调制信号及其包络); xlabel(t); subplot(212) plot(f,PSD); axis(-2*fc 2*fc 0 max(PSD); title(DSB信号功率谱); xlabel(f);,154-20,第5章 模拟调制系统,5.1.3 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

11、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。,154-21,第5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: 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。,154-22,第5章 模拟调制系统,SSB信号的频谱 上边带频谱图:,154-23,第5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

12、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。,154-24,第5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,154-25,第

13、5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,154-26,第5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 （ 注：sgn 符号函数） 上式中的-jsgn可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即,154-27,第5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。,154-28,第5章 模拟

14、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，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。,154-29,154-30,% 单边带调制 SSB dt=0.001; %时间采样频谱 fmax=1; %信源最高频谱 fc=10; %载波中心频率 T=5; t=0:dt:T; mt=sqrt(2)*cos(2*pi*f

15、max*t); %信源 s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t); f,sf=FFT_SHIFT(t,s_ssb); %单边带信号频谱 PSD=(abs(sf).2)/T; %单便带信号功率谱 figure(1) subplot(211) plot(t,s_ssb);hold on; %画出SSB信号波形 plot(t,mt,r-); %标示mt 的包络 title(SSB调制信号); xlabel(t); subplot(212) plot(f,PSD); axis(-2*fc 2*fc 0 max(PSD); title(SSB信号功率谱); xlabel(f);,154-31,function f, sf=FFT_SHIFT(t, st) %This function is FFT to calculate a signals Fourier transform %Input: t: sampling time , st : signal data. Time length must greater than 2 %output: f : sampling frequency , sf: frequency %output is the