通信原理-第五章-模拟调制系统【高级课堂】.ppt
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1、,第三章 模拟调制系统,引言,1,幅度调制的原理及抗噪声性能,2,非线性调制的原理及抗噪声性能,3,各种模拟调制系统的比较,4,本章内容:,频分复用(FDM),5,复合调制及多级调制的概念,6,2,优选课讲,本章重点,模拟通信系统的原理,各种模拟调制方式及抗噪声性能比较! 模拟调制: 线性调制:AM,DSB,SSB,VSB 非线性调制:FM,PM,3,优选课讲,5.1 引言,调制信号 m(t) (信息信号),调制器,已调信号s(t) (传输信号),载波信号c(t),4,优选课讲,调制的分类,载波信号不同:,调制信号不同:,模拟调制:调制信号是连续变化的模拟信号 数字调制:调制信号是离散的数字信
2、号,连续波调制:载波信号是连续波形 脉冲调制:载波信号是脉冲波形,5,优选课讲,调制的分类,被调制载波参数不同:,幅度调制:载波幅度随调制信号变化 频率调制:载波频率随调制信号变化 相位调制:载波相位随调制信号变化,频谱的变化:,已调信号与输入信号频谱之间呈线性搬移 已调信号与输入信号频谱之间呈非线性搬移,线性调制:,非线性调制:,6,优选课讲,5.2.1 幅度调制的原理,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。 幅度调制信号(已调信号)可表示成: 式中, m(t)基带调制信号。,7,优选课讲,假设m(t)M(),则已调信号的频谱为:,结论:已调信号的幅度随
3、基带信号正比变化,频谱是基带信号频谱的简单搬移。由于这种搬移是线性的,因此幅度调制又称为线性调制。 注意:“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。,8,优选课讲,时域表示,(1)标准调幅 AM,9,优选课讲,时域波形,当m0|m(t)|max时已调信号包络与调制信号波形相同,用包络检波法可以恢复出原始调制信号。 否则,出现“过调幅”现象,包络检波失效。,Amin,A max,10,优选课讲, m (t) max m0将会出现过调幅现象而产生包络失真,不能用包络检波器进行解调,为保证无失真解调,可以采用相干解调,当满足条件m (t)max m0时,AM信号的包络与调制信号成正比
4、,可以用包络检波法很容易恢复出原始的调制信号,重要参数:调幅指数,AM调制波形分析,O,t,m(t),满调幅, =1,此时m=m0,欠调幅,一般 小于1,过调幅, 大于1 ,Amin为负值,11,优选课讲,频谱,AM信号的频谱包含: 载频分量 上边带 下边带,上边带与原调制信号的频谱结构相同,下边带是上边带的镜像。,载频分量,下边带,上边带,单音调制,12,优选课讲,带宽与功率分配,调制信号功率:,调制信号带宽是基带信号带宽fH的两倍:,所以,载波功率,边带功率,13,优选课讲,调制效率,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。,AM调制方式调制效率低!,“满调幅
5、”时,如果m(t)为矩形波形,则最大可得到AM =50%,而m(t)为正弦波时可得到AM =33.3%。,一般情况下,调幅指数都小于1,调制效率很低,即载波分量占据大部分信号功率,有信息的两个边带占有的功率较小。,14,优选课讲,优点:可以采用包络检波法解调,不需本地同步载波信号,接收机成本很低。 缺点:AM信号的调制效率比较低,AM调制的优缺点,问题:能否去掉不带信息的载波, 提高调制效率?,抑制载波双边带调制,15,优选课讲,(2)双边带调制(DSB),时域表示式:无直流分量A0 频域表达式:无载频分量,16,优选课讲,时域表示,抑制载波,DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致,需采
6、用相干解调(同步检波),调制信号m(t)的过零点处高频载波相位有180o突变,(2)双边带调制(DSB),17,优选课讲,DSB信号频谱分析,单边带调制,18,优选课讲,(3)单边带调制(SSB),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()的所有频谱信息,因此可以只传输其中一个边带。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。,19,优选课讲,F+(w)/2,F-(w)/2,F+(w-wc)/4,F-(w+wc)/4,F+(w+wc)/4,F-(w-wc)/4,低通滤波器,高通滤波器,20,优选课讲,SSB信号的频域表示式,滤除下边带:,滤除上边带:,21,优选
7、课讲,以下边带为例:,其中,,22,优选课讲,SSB信号的时域表示,SSB的时域表示式:,所以:,上边带,下边带,23,优选课讲,SSB时域波形,一般情况:,单音调制:,24,优选课讲,SSB调制小结,SSB信号DSB一样,不能采用简单的包络检波,因为它的包络不能直接反映调制信号的变化,所以需采用相干解调。,工程实现困难?,25,优选课讲,(4)残留边带调制(VSB),残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式,它克服了DSB信号占用频带宽的缺点,又解决了SSB信号实现中的困难。,损失部分,残留部分,26,优选课讲,滤波法实现残留边带调制,滤波器的特性应按残留边带调制的要求进行设计,不
8、需要十分陡峭的截止特性,因而它比单边带滤波器容易设计。,残留边带信号的频谱:,27,优选课讲,残留边带滤波器设计,从接收端分析滤 波器的设计条件!,乘法器输出:,对应频谱:,搬移到2c的高频分量,低通滤波后去除!,28,优选课讲,残留边带滤波器设计:,低通滤波器的输出:,若输出无失真地恢复调制信号m(t),则传递函数必须满足:,其中,H 调制信号的截止角频率。,29,优选课讲,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。,30,优选课讲,残留边带滤波器特性的两种形式,残留“部分上边带”,残留“部分下边带”,31,优
9、选课讲,VSB时域波形,一般情况:,单音调制:,32,优选课讲,AM,DSB,SSB,VSB,2fH,时域表达式,带宽,2fH,fH,fH2fH,调制方式,各种线性调制方式,33,优选课讲,例5-1,已知调幅信号的表达式为SAM(t)=1.25cos2(104)t +4cos2(1.1104)t+1.25 cos2(1.2104)t 试求:1)载频为多少? 2)调幅指数为多少? 3)调制频率为多少?,34,优选课讲,幅度调制都属于线性调制,它的解调方式有两种:,非相干解调: 利用信号的幅度信息。仅适用于标准 调幅信号的解调。,相干解调:有本地载波参与解调,利用信号的幅度 信息和相位信息,可适用
10、于各种幅度调 制方式信号的解调。,(6) 线性调制的解调,35,优选课讲,原理:为了无失真地恢复基带信号,接收端必须提供与发送端载波严格同步(同频同相)的本地载波(称为相干载波),它与接收信号相乘低通滤波后,可得到原始的调制信号。,相干解调器的一般模型,I、相干解调,36,优选课讲,相干解调器时域分析,已调信号的表达式:,与相干载波相乘:,低通滤波:,各种线性调制方式sI(t)都包含了m(t)信息!,37,优选课讲,经乘法器后:,低通滤波:,相干解调利用了已调信号中的幅度和相位信息。提取 同相分量而抑制正交分量,能够无失真的恢复出原调制信 号,可用于各种调制方式。,相干解调器频域分析,输入信号
11、:,38,优选课讲,不同调制方式的相干解调,低通滤波和隔直后,,2)双边带信号,与本地载波c(t)相乘,低通滤波后,,1)标准调幅信号,39,优选课讲,3、单边带信号,本地载波c(t)相乘,经低通滤波后,,4、残留边带信号,与本地载波c(t)相乘,经低通滤波后,,40,优选课讲,标准调幅信号的包络检波,输入信号是AM信号,且满足条件,则经包络检波和低通后取出的幅度为,再经隔直流电路,得到,包络检波非相干解调的最常用电路。具有电路简单、检波效率高等优点。但只能用于AM波的解调。,D,C,R,sd(t),sAM(t),II、非相干解调(包络检波),41,优选课讲,5.2.2 线性调制系统的抗噪声性
12、能,AWGN,平稳窄带高斯噪声,同相分量,正交分量,平均功率为N i,若白噪声的单边功率谱密度为n0,带宽应等于已调信号的频带宽度,当然也是窄带噪声ni(t)的带宽 ,若(AM/DSB)带通滤波器的带宽是2fH,42,优选课讲,噪声分析,ni(t)为平稳窄带高斯噪声:,解调器输入噪声功率:,带通滤波器带宽,单边功率谱密度,43,优选课讲,信噪比增益(制度增益),用G便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能,也反映了调制制度的优劣。,信噪比增益定义:,其中,44,优选课讲,(1)DSB调制系统的性能,由于相干解调器是线性系统,可以分别计算解调器输出的信号功率和噪声功率。,45,优选课讲,解调器
13、输出端的信号功率,解调器输入信号: 相干载波相乘: 低通滤波: 解调器输出信号功率:,46,优选课讲,解调器输出端的噪声功率,解调器输入噪声: 相干载波相乘: 低通滤波: 输出噪声功率:,带通滤波器带宽2fH,47,优选课讲,信噪比计算,解调器输入信号平均功率为 输入信噪比: 输出信噪比:,48,优选课讲,DSB系统信噪比增益,DSB调制系统的信噪比增益为2,即解调器使信噪比改善一倍。 原因是采用相干解调,使输入噪声中的正交分量被抑制。,49,优选课讲,(2)SSB调制系统的性能,输出噪声功率:,带通滤波器带宽fH,解调器输出信号: 平均功率: 输出信噪比:,50,优选课讲,输入信号平均功率:
14、 输入信噪比:,51,优选课讲,SSB系统信噪比增益,SSB系统中,信号和噪声有相同表示形式,相干解调过程中,信号和噪声中的正交分量均被抑制,故信噪比没有改善。,52,优选课讲,DSB和SSB两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到的。,如果我们在相同的输入信号功率Si,相同输入噪声功率谱密度n0,相同基带信号带宽条件下,对这两种调制方式进行比较,可以发现它们的输出信噪比是相等的。,结论:DSB和SSB信号的抗噪声性能是相同的,但双边带信号所需的传输带宽是单边带的2倍,53,优选课讲,m0为载波幅度,m(t)为调制信号。这里仍假设m(t)的均值为0,,解调器的输入信号,解调器的输入噪声
15、,解调器的输入信噪比,解调器的输出信号,解调器的输出噪声,解调器的输出信噪比,(3) AM相干解调的抗噪声性能,54,优选课讲,(4) AM包络检波的性能,检波输出电压正比于输入信号的包络变化,55,优选课讲,解调器输入信噪比计算,输入信号功率: 输入噪声功率: 输入信噪比:,带通滤波器带宽2fH,56,优选课讲,解调器输入是信号加噪声的混合波形: 当包络检波器的传输系数为1时,则检波器的输出就E(t)。,输出信号包络的计算,其中,57,优选课讲,输出信噪比计算,大信噪比情况,有用信号与噪声独立分成两项,58,优选课讲,输出信号功率: 输出噪声功率: 输出信噪比: 信噪比增益:,59,优选课讲
16、,小信噪比情况,小信噪比情况,其中R(t) 和 (t) 代表噪声的包络及相位:,60,优选课讲,输出信噪比不随着输入信噪比按比例下降,而是急剧恶化,这种现象称为解调器的门限效应,出现门限效应的输入信噪比称为门限值。,因为,输出没有单独的信号项,有用信号被噪声扰乱,61,优选课讲,在小信噪比情况下,包络检波无法提取有用信号的现象称为解调器的“门限效应”。 开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。 门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的。 相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调,解调器输出端总是单独存在有用信号项。,门限效应,62,优选课讲,门限
17、效应小结,1. 门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。相干解调不存在门限效应,因为信号与噪声分别进行解调,解调器输出端总是存在单独的信号项。 2. 大信噪比情况下,AM信号包络检波器的性能与相干解调基本相同。当输入信噪比低于门限值时,包络检波将会出现门限效应,输出信噪比急剧恶化,系统无法正常工作。,63,优选课讲,讨论,1. AM信号的调制制度增益GAM随m0的减小而增加。 2. GAM总是小于1,这说明对输入信噪比没有改善,反而恶化了。 3. AM调制系统,在大信噪比时,采用包络检波器解调时的性能与同步检测器时几乎一样。但随着信噪比的减小,包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限
18、效应;一旦出现门限效应,解调器的输出信噪比将急剧恶化。,例如:对于100%的调制,且m(t)是单频正弦信号,这时AM 的最大信噪比增益为2/3。,64,优选课讲,调制的作用、调制的分类,AM、DSB、SSB和VSB调制 (时域、频域、功率分析),线性调制的一般模型(滤波法和相移法),相干/非相干解调,调幅指数、调制效率,VSB滤波器需满足的特性,滤波法和相移法产生,抗噪声性能分析 AM信号相干/非相干解调 制度增益 小信噪比门限效应,频率相位误差的影响,65,优选课讲,5.3非线性调制的原理及抗噪声性能,角度调制时间域上的特点:,幅度始终不变;,角度(频率、相位)在变化。,载波的相位角受调制信
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