《通信原理教程 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 李卫东 李殷 游思晴 第5章 模拟调制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理教程 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 李卫东 李殷 游思晴 第5章 模拟调制系统（132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 引言,图5.1 调制模型,进行正弦型载波调制主要有以下几个方面的作用。 （1）信号在频率域的位置搬移。 把基带信号的低通频谱搬移到载波频率上，使得所发送的频带信号频谱匹配于频带信号的带通特性。 （2）实现信道复用。 通过调制技术还可以在一个信道内同时传输多个信源信息，将各消息的低通频谱分别搬移到互不重叠的频带上使其在频谱上依次排列，这个过程称为频分复用。,（3）改善系统的抗噪声性能，或提高系统的频带利用率。 通信系统的可靠性与有效性是一对互相矛盾的性能指标，可通过选用不同的调制方式来达到系统设计预期的目标。 本章着重讨论幅度调制及角度调制信号的表达式、频谱分析、解
2、调原理及其在信道加性高斯白噪声干扰下的解调性能，简述超外差接收机的工作原理。,5.2 幅度调制的原理,5.2.1 双边带抑制载波调幅 5.2.2 具有离散大载波的双边带幅度调制 5.2.3 单边带调幅 5.2.4 残留边带调幅,5.2.1 双边带抑制载波调幅,1双边带抑制载波调幅信号的产生,图5-2 双边带抑制载波调幅信号的产生,图5-3 的信号波形及频谱,2双边带抑制载波调幅信号的相干解调,发送的已调信号通过信道传输到接收端，假设该信道是简单的加性噪声信道。 本小节为了阐述解调原理，先不考虑加性噪声的影响。,在相干解调中，提取载波的常用方法有两种：第1种方法是在发送端加一离散的载频分量，称之
3、为导频，要求导频信号的功率比已调信号功率小，这种方法的缺点是在发端要分配一部分功率给导频； 第 2 种方法是在发端不加导频信号，而是在接收端用平方环法或COSTAS环法从接收信号中获取载波。,（3）,3双边带抑制载波调幅信号的功率谱密度,5.2.2 具有离散大载波的双边带幅度调制,1具有离散大载波的双边带幅度调制信号的产生,图5-5 AM信号的产生,AM信号产生过程如图5-5所示。,图5-6 当 时，AM信号波形,图5-7 当 过调幅时，AM信号波形,图5-8 AM信号频谱,2AM信号的解调,包络检波器包括两个部分，即整流电路和低通滤波器，当AM信号经过整流之后再通过低通滤波器就可以恢复原基带
4、信号。,图5-9 AM信号的包络检波,图1-3 晶体管计算机,（3）画出载波分量框图如下所示。,3AM信号的功率谱,双边带已调信号包含有两个边带，即上、下边带。 由于这两个边带包含的信息相同，双边带信号是有剩余度的，因而只要利用双边带中的任一边来传输，就能在接收机解调出原基带信号，这样可以减少传输已调信号的信道带宽。,5.2.3 单边带调幅,1单边带信号的产生,图5-10 利用边带滤波器发产生单边带信号,单边带信号滤波法产生的频谱如图5-11所示。,图5-11 滤波法产生单边带信号频谱,采用单边带调幅（SSB AM）的优点是明显的，它的带宽是DSB和AM信号带宽的一半，从而提高了通信系统的频带
5、利用率。 用于产生单边带信号的边带滤波器，如图5-12所示。,图5-12 边带滤波器,图5-13 相移法产生SSB信号,2单边带信号的解调,单边带信号解调方法之一是采用相干解调或同步解调，如图5-14所示。,图5-14 单边带调幅信号的相干解调,（2）调制方式为上边带调制。 （3）解调框图如下所示。,单边带调制的优点是已调信号的带宽较小，缺点是实现上有一定的难度。 比如采用滤波法时，需要制作锐截止特性的滤波器。 而残留边带调幅（VSB AM）不是将双边带信号中的一个边带完全抑制，而是使该边带逐渐截止，实现起来要容易得多。 残留边带调幅的产生模型如图5-15所示。,5.2.4 残留边带调幅,图5
6、-15 VSB AM的产生,残留边带滤波器的传递函数如图5-16所示。,图5-16 残留边带滤波器传递函数,图5-17 VSB AM信号相干解调,图5-18 残留边带滤波器特性,残留边带滤波器信号的带宽介于单边带和双边带信号之间，它对滤波器要求不高。,5.3 幅度调制的抗噪声性能,5.3.1 双边带抑制载波调幅的抗噪声性能 5.3.2 单边带调幅的抗噪声性能 5.3.3 具有离散大载波的双边带幅度调制信号的抗噪声性能,通信系统中的噪声包括起伏噪声和突发性噪声。 突发性噪声是指偶然出现的干扰，因为缺少理论分析的支持，通信系统抗噪声性能一般指对起伏噪声，即加性高斯白噪声的抑制能力。 模拟系统中抗噪
7、声性能通常用接收机的输出端的信号噪声功率之比来衡量。 模拟调制系统接收机的原理框图如图5-19所示。,图5-19 模拟调制系统解调原理框图,图5-20 带通滤波器频谱,图5-20 带通滤波器频谱,本节要研究的就是在不同幅度调制制度下，抗噪声信能的差异。 不同的调制系统因采用的调制制度不同、解调方法不同，则可能有不同的抗噪声性能。,双边带抑制载波调幅只能采用相干解调，如图5-22所示。,5.3.1 双边带抑制载波调幅的抗噪声性能,图5-22 DSB-SC AM相干解调框图,5.3.2 单边带调幅的抗噪声性能,具有离散大载波的双边带抑制调幅可以采用相干解调和包络检波。,5.3.3 具有离散大载波的
8、双边带幅度调制信号的抗噪声性能,1AM的相干解调,图5-23 AM相干解调框图,2AM的包络检波,因此，在解调输入信噪比很低时，包络检波信号和噪声不再是相加的，而是信号分量乘以噪声，这样就不能从中区分出信号来，此时系统工作与门限以下，解调输出信噪比急剧下降。,5.4 角度调制,5.4.1 角度调制原理 5.4.2 窄带角度调制 5.4.3 调频信号的产生和解调,与幅度调制不同，角度调制虽然也要完成频谱的搬移，但它所形成的信号频谱与原基带信号不再是线性关系，因此又称为非线性调制。 非线性调制通常是通过原基带信号来改变载波的频率或相位。 角度调制就是频率调制（FM）和相位调制（PM）的统称。,5.
9、4.1 角度调制原理,调频与调相的关系如下。 （1）信号调频，等效于积分后调相，如图5-24所示。,图5-24 调频,图5-25 调相,5.4.2 窄带角度调制,调频信号的产生按其原理可分为直接调频法与间接调频法。 原理图如图5-24所示。,5.4.3 调频信号的产生和解调,图5-24 调频,1直接调频,调频器通常采用压控振荡器（VCO），使它的振荡频率与输入电压成正比，如图5-26所示。 当输入电压为零时，振荡器产生一频率为的正弦波；当输入基带信号的电压变化时，该频率作相应变化。 直接调频也可用于宽带调频，但载频容易发生漂移，应采用稳频措施。,图5-26 利用VCO作调频器,2间接调频,先对
10、信号做窄带调频，再对窄带调频信号倍频得到宽带调频信号的方法称为间接调频。 由于窄带调频可以通过幅度调制的方法实现，因而间接调频可以用较为简单的方法实现。原理如图5-27所示。,图5-27 倍频法产生宽带调频,3调频解调器,调频波的解调可以采用相干解调和非相干解调两种方法。 相干解调只适用于窄带调频，相干解调过程与AM调制信号的相干解调类似。非相干解调用于窄带调频和宽带调频。 在鉴频法解调电路中，鉴频器的输出电压与输入的调频信号的频偏成线性对应关系。 图5-28所示为普通鉴频器的原理框图。,图5-28 普通鉴频器的原理框图,5.5 角度调制的抗噪声性能,调频信号的解调方法如图5-29所示。,图5
11、-29 角度调制的解调器,图5-30 解调器输入信号的近似计算,图5-31 解调器输出噪声的功率谱密度,通过式（5.97）和式（5.98）可知，对于角度调制来说，增加发送信号的幅度（也就是增加功率），使得解调器输出的噪声功率谱密度和噪声功率降低，因而提高了输出信噪比，这与幅度调制方式明显不同。 对于幅度调制方式，增加发送信号的功率，并不影响解调器输出噪声，而是增大了解调器输出信号部分的功率。 在小信噪比情况下，角度调制方式的解调信号输出几乎全由噪声决定，因而不能解调出信号。 我们发现，在输入信噪比小于某个特定值的时候，角度调制系统的解调输出信噪比急剧下降，把这一现象称为“门限效应”，而那个输入
12、信噪比的特定值就称为“门限”。,5.6 各种模拟调制系统性能比较,1性能比较,FM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。 窄带FM和AM的性能接近。 图5-32所示为各种模拟调制系统的性能曲线，图中的圆点表示门限点。 门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf = 6）的信噪比比AM高22dB。 由此可见：FM的调频指数mf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。,图5-32 各种模拟调制系统的性能曲线,2特点与应用,AM调制的优点是接收设备简单，缺点是功
13、率利用率低，抗干扰能力差，在传输中如果载波受到信道的选择性衰落，则在包检时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高。 因此，AM制式用于通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中。,DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，接收要求同步解调，设备较复杂。 因此，DSB只用于点对点的专用通信，应用不太广泛。 SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。 鉴于这些特点，SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的无线电广播和频分多路复用系 统中。,VSB调制的诀窍在于部分
14、抑制了发送边带，同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分，它的性能与SSB相当。 VSB解调原则上也需同步解调，但在某些VSB系统中，附加一个足够大的载波，就可用包络检波法解调合成信号（VSB + C），这种(VSB + C）方式综合了AM、SSB和DSB三者的优点。 所有这些特点，使VSB对商用电视广播系统特别具有吸引力。,FM波的幅度恒定不变，这使它对非线性器件不甚敏感，给FM带来了抗快衰落能力。 利用自动增益控制和带通限幅还可以消除快衰落造成的幅度变化效应。 这些特点使得窄带FM对微波中继系统颇具吸引力。 宽带FM的抗干扰能力强，可以实现带宽与信噪比的互换，因而宽带FM广泛应用于长距离、
15、高质量的通信系统中，如空间和卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等。,宽带FM的缺点是频带利用率低，存在门限效应，因此在接收信号弱、干扰大的情况下宜采用窄带FM，这就是小型通信机常采用窄带调频的原因。 另外，窄带FM采用相干解调时不存在门限效应。,5.7 频分复用,经常有这样的问题：有多个独立的信号需要传输，但是只有一个信道资源。 这个问题的解决方法就是信道复用。 信道复用的方法由很多，例如，按照频率区分的方法即频分复用，按照时间区分信号的方法即时分复用等。 本节只讨论频分复用。,图5-33 频分复用,5.8 超外差接收机,在无线通信中，接收机除了要对收到的已调信号进行解调以外，还要完成以下功
16、能：进行频率调谐，选择所要接收信号；带通滤波，滤除邻近信道的已调信号；放大，对接收信号加以放大。,目前，无论是无线广播系统或是无线通信系统中的接收机通常采用超外差接收机。 超外差接收机是由接收天线、射频放大器、混频器、本地振荡器、中频振荡器、中频放大器、解调器、功放、终端传感器等组成。 图5-34所示为具有离散放大载波的双边带调幅（AM）系统的超外差接收机组成框图，它是用包络检波器作为解调器。,图5-34 AM超外差接收机的组成框图,中频部分是由一级或多极调谐放大器或由多级宽带放大器与中频调谐滤波器级联组成，其带宽是根据所接收信号的带宽来决定的。 该中频滤波器的频率特性还要满足接收机对邻近信道的信号进行抑制的要求。 中频放大器承担对接收信号进行放大的主要任务，使得中放输出电平达到解调输入端所要求的电平。 解调器的任务是从已调信号中恢复出基带信号。 解调后信号经放大送至终端传感器。,
