模拟调制系统课件

第4章 模拟调制系统 通信原理 第4章 模拟调制系统信源：消息的来源。信源发送设备信 道接收设备信宿噪声源（发送端）：人、计算机、控制系统（接收端）:人，计算机、控制系统人：话音计算机：数据、程序；控制系统的传感信号，温度、压力、速度电视；什么是信号？什么是信息？4.1 引言通信原理 第4章 模拟调制系统信源调制器信 道解调器信宿噪声源（发送端）人、计算机、控制系统（接收端）人，计算机、控制系统信源m(t)：消息的来源。人：话音、图像；计算机：数据、程序；控制系统的传感信号：温度、压力、速度、高度，角度问题：如何将消息从信源传送到需要的信宿（收信者）？与哪些理论和技术有关系？在广播中，如何将声音发送出去，如何复原声音？通信原理 第4章 模拟调制系统4.1.1 调制器的模型调制：就是按调制信号m(t)(消息)的变化规律去改变载波某些参 数的过程。通俗的说法就是，把消息装载到载波上，用载波携带消息的过程。c(t)：载波信号，理论上可以是任何波形，相对m(t)来说是高频信号。Sm(t)：已调信号。通信原理 第4章 模拟调制系统4.1.2 调制在通信系统中的作用调制在通信系统中的作用 n1、实现信道多路复用，提高信道利用率。n把频率分成不同的段，分别安排不同的应用。管理频率资源的组织叫做无线电管理委员会，如校广播台，个人无线电台，对讲机。n频段，40-500kHz电力线载波；535-1605 中波调幅广播；n2、提高抗干扰能力。(雷电对AM和FM的干扰差别)n3、进行频率变换，把调制信号的频谱搬移到所希望的频带上，从而将调制信号转换成适合信道传输的已调信号。通信原理 第4章 模拟调制系统4.1.3 调制的分类调制的分类 n根据调制的概念，调制涉及调制信号、载波信号及调制过程中基带信号对载波信号中的参数控制，按照信号和载波的不同以及参数控制的不同，可以对调制进行如下分类。n1.按照调制信号按照调制信号m(t)分分n(1)模拟调制：m(t)为模拟信号，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PMn(2)数字调制：m(t)为数字信号，如ASK、FSK、PSK等。通信原理 第4章 模拟调制系统n2.按照载波信号按照载波信号c(t)分分n连续波调制：c(t)为连续正（余)弦波,如：AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM、ASK、FSK、PSK等。n脉冲波调制：c(t)为周期性脉冲信号，PAM、PCM等。通信原理 第4章 模拟调制系统n3.按照按照 m(t)对对c(t)不同参数的控制分不同参数的控制分：n(1)幅度调制：载波的幅度随调制信号线性变化的过程，AM、ASKn(2)频率调制：FM、FSKn(3)相位调制：PM、PSK、DPSK通信原理 第4章 模拟调制系统n在模拟调制系统中，根据调制前后频谱特性不同又分线性调制、非线性调制两部分，前者包括幅度调制，即AM、DSB、SSB、VSB，后者包括角度调制FM、PM，总共有六种调制方式。n特别提醒：n对于调制解调理论的学习，按照如下思路进行n(1)分析输入、输出信号的表达式、波形、频谱、带宽和功率分配；n(2)各种调制系统的调制和解调原理与实现方法；n(3)分析各种调制系统的抗噪性能；n(4)了解各种调制系统的特点和应用。以上内容必须掌握通信原理 第4章 模拟调制系统4.2 线性调制线性调制n若已调信号的频谱只是调制信号频谱的平移及线性变换，则称为线性调制。n线性调制包括：n幅度调制(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)和残留边带调制(VSB)四种线性调制方式。n它们都是对载波的幅度进行的调制，所以也称为幅度调制。通信原理 第4章 模拟调制系统4.2.1 调幅（AM）假设调制信号m(t)的平均值为0，将其叠加一个直流分量A0后与载波相乘，如图4-2所示，即可形成调幅信号。其时域表示式为：乘法运算实现的技术上有哪些？实际上，任何信号都可以担当载波，只要便于产生和解调通信原理 第4章 模拟调制系统n若为确知信号，则AM信号的频谱为 通信原理 第4章 模拟调制系统AM已调波的特性及参数带宽：振幅：功率计算：调制效率：调幅指数：通信原理 第4章 模拟调制系统AM波的解调方法通信原理 第4章 模拟调制系统4.2.2 双边带调制双边带调制(DSB)n在AM信号中，信息完全由边带传送,载波分量并不携带信息，但载波却占用了大量的功率，使系统功率利用率低下。n如果将图4-2中的直流去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式抑制载波双边带信号（DSB-SC），简称双边带调制（DSB）n时域表达式（令AM波表达式中的A0=0）：通信原理 第4章 模拟调制系统DSB的频谱表达式DSB的波形与频谱，已调信号带宽通信原理 第4章 模拟调制系统4.2.3 单边带调制单边带调制(SSB)n单边带调制（SSB）信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的。产生SSB信号的方法有：n滤波法、相移法和维弗法等。通信原理 第4章 模拟调制系统1.滤波法滤波法n产生SSB信号最直观的方法是先产生一个双边带信号，然后让其通过一个边带滤波器，滤除不需要的边带，即可得到单边带信号。称这种方法为滤波法，它是最简单也是最常用的方法。其原理框图如图4-8所示。边带滤波器通信原理 第4章 模拟调制系统保留上边带和下边带的滤波器特性频域带宽通信原理 第4章 模拟调制系统n2.相移法相移法n单边带信号的频域表示直观、简明，但其时域表示式的推导比较困难，需借助希尔伯特(Hilbert)变换来表述。n相移法是利用相移网络，对载波和调制信号进行适当的相移，以便在合成过程中将其中的一个边带抵消而获得SSB信号。相移法不需要滤波器具有陡峭的截止特性，不论载频有多高，均可一次实现SSB调制。通信原理 第4章 模拟调制系统设单频调制信号为：载波为 则DSB信号的时域表示式为 取出上边带 取出下边带 把上、下边带公式合并起来统一表达 移相产生SSB的方法通信原理 第4章 模拟调制系统可以看成是 相移/2的结果，而幅度大小保持不变。把这一过程称为希尔伯特变换，记为“”。SS信号通信原理 第4章 模拟调制系统看一般形式，定义符号函数物理意义是m(t)通过传递函数为-jsgn（）的滤波器，得到 由此可知，-jsgn（）称为希尔伯特滤波器的传递函数。通过滤波器后的信号，在幅度上 保持不变，在相位上移相/2。宽带/2网络用分立元件难以实现，采用数字信号处理手段可以准确实现。通信原理 第4章 模拟调制系统根据图4-10可以得到SSB的时间表达式为“-”号取上边带，“+”号取下边带通信原理 第4章 模拟调制系统n3.维弗法维弗法n采用多次调制，由正弦和余弦载波的相位差来实现m(t)到 的变换，可以克服移相法的困难。通信原理 第4章 模拟调制系统4.2.4 残留边带调制残留边带调制(VSB)n残留边带（Vestigial Side-Band，VSB）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，又解决了某些SSB信号要求滤波器具有陡峭特性的困难。这种调制方式不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐过渡，使其残留一小部分，如图4-12所示。通信原理 第4章 模拟调制系统VSB信号的频域表达式为：要想在接收端恢复原信号，滤波器应满足图4-14的特性仿照SSB的表达式，VSB的时域表达式：通信原理 第4章 模拟调制系统已调波带宽通信原理 第4章 模拟调制系统4.3 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 n1）输出信噪比n模拟通信系统的主要质量指标是解调器的输出信噪比。输出信噪比定义如下：2）输入信噪比为了对比调制系统的优劣，还要考虑输入解调器的信噪比，输入信噪比的定义为：通信原理 第4章 模拟调制系统（3）调制制度增益为了便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能，还可用输出信噪比和输入信噪比的比值来表示，即：线性调制系统的一般表达式：通信原理 第4章 模拟调制系统2抗噪性能分析方法抗噪性能分析方法对于不同的调制系统，将有不同形式的信号但解调器输入端的噪声形式却相同。通信原理 第4章 模拟调制系统输入信号的功率为：则解调器的输入噪声功率为：这里的带宽B应等于已调信号的频带宽度，保证已调信号无失真地进入解调器，同时最大限度地抑制噪声。通信原理 第4章 模拟调制系统4.3.2 双边带调制系统的抗噪声双边带调制系统的抗噪声性能性能 n在分析DSB及SSB、VSB系统的抗噪声性能时，图4-15模型中的解调器应为相干解调器，如图4-16所示。由于是线性系统，所以可以分别计算解调器输出的信号功率和噪声功率。通信原理 第4章 模拟调制系统解调过程的图解通信原理 第4章 模拟调制系统计算输入信噪比设解调器输入信号为 输入信号功率：输入噪声功率：因此解调器输入端的窄带噪声ni(t)，可表示为 输入信噪比通信原理 第4章 模拟调制系统设解调器输入信号为 相干载波cosct相乘后 经低通滤波器后，含有高频载波的分量被滤除掉，所以输出信号为：因此，解调器输出端的有用信号功率为：因此解调器输入端的窄带噪声ni(t)，可表示为 它与相干载波相乘后 计算输出信噪比通信原理 第4章 模拟调制系统经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为：故输出噪声功率为：或者输出信噪比 信噪比增益通信原理 第4章 模拟调制系统4.3.3单边带调制系统的抗噪声性能单边带调制系统的抗噪声性能nSSB信号的解调方法与DSB信号相同，其区别仅在于解调器之前的带通滤波器的带宽和中心频率不同。SSB带通滤波器的带宽是DSB的一半。n看解调图解通信原理 第4章 模拟调制系统输入信噪比输出信噪比信噪比增益通信原理 第4章 模拟调制系统4.3.4幅度调制系统的抗噪声性能幅度调制系统的抗噪声性能n1.AM包络检波的性能包络检波的性能nAM信号可用相干解调和包络检波两种方法解调。先对信号可用相干解调和包络检波两种方法解调。先对AM信号采用包络检波的性能进行讨论。此时，图信号采用包络检波的性能进行讨论。此时，图4-15分析模分析模型中的解调器为一包络检波器，如图型中的解调器为一包络检波器，如图4-17所示，其检波输所示，其检波输出电压正比于输入信号的包络变化。出电压正比于输入信号的包络变化。n设解调器输入信号为：设解调器输入信号为：通信原理 第4章 模拟调制系统信号功率噪声功率输入信噪比 通信原理 第4章 模拟调制系统信号和噪声混合波形信号和噪声混合波形通信原理 第4章 模拟调制系统(1)大信噪比情况输入信号幅度远大于噪声幅度，即：这里，利用了近似公式里，利用了近似公式|x|nc(t),Ans(t)当x1时，有arctan xx通信原理 第4章 模拟调制系统通信原理 第4章 模拟调制系统故最终解调器输出（LPF输出）的噪声功率（图中阴影部分）为：