通信原理第5章模拟调制系统.ppt

第五章：模拟调制系统,5.0 引言 5.1 线性调制的原理 5.2 线性调制系统的抗噪声性能分析 5.3 非线性调制（角度调制）系统的原理 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,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5.0 引言,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 调制的类型 根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制； 根据载波的不同可分为以正弦波作为载波的连续载波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制； 根据调制器频谱搬移特性的不同可分为线性调制和非线性调制。

本章研究各种模拟调制、解调方式、系统的可靠性和有效性1．正弦调制 C(t)=cosωct （1）模拟调制 m(t)为模拟信号，AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM （2）数字调制 m(t)为数字信号，ASK、FSK、PSK等2．脉冲调制 C(t)为脉冲周期信号 （1）脉冲无编码调制用模拟信号m(t)改变脉冲的幅度(PAM)、宽度(PDM)、相位(PPM) （2）脉冲编码调制(PCM)m(t)为模拟信号，用m(t)对脉冲串进行幅度调制后得到PAM，再对PAM量化编码得到PCM信号 （3）增量调制(ΔM)m(t)为模拟信号，根据采样信号与预测信号之差进行一位编码 （4）脉冲数字调制m(t)为数字信号，常用多进制脉位调制PPM,3．复合调制： 对同一载频进行两种或更多种的调制称为复合调制例如，对一个FM信号再进行一次振幅调制，所得结果为调频调幅波这里的调制信号可以不相同 4．多级调制： 用同一基带信号实施两次或更多次的调制过程，如AM/FM用m(t)进行AM调制，再用此AM信号对另一载波进行FM调制.,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）。

则根据定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成式中， m(t)— 基带调制信号频谱 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)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,,,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。

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,,,,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：,,,,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：滤波法和相移法一、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SSB信号的频谱上边带频谱图:,,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二、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,,,,,,,,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 sinmt可以看作是Am cosmt 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,,,把上式推广到一般情况，则得到 式中，,,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5.1.4 残留边带（VSB）调制 原理：残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现中的困难在这种调制方式中，不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留—小部分，如下图所示：,,调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法SSB调制器相同不过，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对残留边带滤波器特性的要求 由滤波法可知，残留边带信号的频谱为为了确定上式中残留边带滤波器传输特性H()应满足的条件，我们来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信号的。

VSB信号解调器方框图图中因为根据频域卷积定理可知，乘积sp(t)对应的频谱为,,,,,将代入得到式中M( + 2c)及M( - 2c)是搬移到+ 2c和 -2c处的频谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除于是，低通滤波器的输出频谱为,,,显然，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号m(t)，上式中的传递函数必须满足： 式中，H － 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残留边带滤波器特性的两种形式 残留“部分上边带”的滤波器特性：下图(a) 残留“部分下边带”的滤波器特性 ：下图(b),,5.1.5 线性调制的一般模型 滤波法模型在前几节的讨论基础上，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移相法模型将上式展开，则可得到另一种形式的时域表示式，即式中上式表明，sm(t)可等效为两个互为正交调制分量的合成由此可以得到移相法线性调制的一般模型如下：,,,,,它同样适用于所有线性调制。

5.1.6 相干解调与包络检波 相干解调 相干解调器的一般模型 相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号包络检波 适用条件：AM信号，且要求|m(t)|max  A0 ， 包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成例如，性能分析设输入信号是 选择RC满足如下关系式中fH － 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信号m(t)分析AM，DSB，SSB相干解调抗噪性能，AM包络检波的门限效应 5.2.1 分析模型图中 sm (t) － 已调信号n(t) － 信道加性高斯白噪声ni (t) － 带通滤波后的噪声mo (t) － 输出有用信号no(t) － 输出噪声,,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,噪声分析ni(t)为平稳窄带高斯噪声，表示式为由于式中 Ni － 解调器输入噪声的平均功率设白噪声的单边功率谱密度为n0，带通滤波器是高度为1、带宽为B的理想矩形函数，则解调器的输入噪声功率为,,,,,解调器输出信噪比定义输出信噪比反映了解调器的抗噪声性能。

显然，输出信噪比越大越好 制度增益定义用G便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能G 也反映了这种调制制度的优劣式中输入信噪比Si /Ni 的定义是：,,,,,,,,,· 性能比较: 可靠性 优——劣:SSB（DSB），AM有效性 优——劣:SSB，VSB，AM（DSB）· VSB的可靠性，无分析结论讨论 上述表明，GDSB = 2GSSB，这能否说明DSB系统的抗噪声性能比SSB系统好呢？回答是否定的因为，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如果我们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，可以发现它们的输出信噪比是相等的这就是说，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5.2.4 AM包络检波的性能 包络检波器分析模型检波输出电压正比于输入信号的包络变化输入信噪比计算设解调器输入信号为解调器输入噪声为则解调器输入的信号功率和噪声功率分别为输入信噪比为,,,,包络计算由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即式中上式中E(t)便是所求的合成包络。

当包络检波器的传输系数为1时，则检波器的输出就是E(t)输出信噪比计算 大信噪比情况输入信号幅度远大于噪声幅度，即因而式可以简化为,。