第二讲模拟调制课件

现代通信原理现代通信原理2010.92011.1第二讲第二讲 模拟调制模拟调制n主要内容主要内容调制的原因调制的原因模拟线性调制模拟线性调制常规调幅常规调幅抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅单边带单边带残留边带残留边带模拟非线性调制模拟非线性调制调频调频调相调相模拟调制的抗噪声性能模拟调制的抗噪声性能线性调制线性调制非线性调制非线性调制通信关注的模拟调制的哪些方面？通信关注的模拟调制的哪些方面？线性调制为什么会有多种方式？线性调制为什么会有多种方式？模拟调制系统抗噪声分析的方法？模拟调制系统抗噪声分析的方法？频谱与带宽频谱与带宽功率效率功率效率调制与解调方法调制与解调方法抗噪声性能抗噪声性能调制调制(modulation)n调制是什么？调制是什么？从傅立叶变换的角度看，调制就是频谱搬移的过程从傅立叶变换的角度看，调制就是频谱搬移的过程n为什么要进行调制？为什么要进行调制？只有当天线尺寸与被辐射信号波长处于同一数量级时，信号才能被有效只有当天线尺寸与被辐射信号波长处于同一数量级时，信号才能被有效的辐射出去的辐射出去大气对较低频信号有较强的衰减，改善电波传播的衰减大气对较低频信号有较强的衰减，改善电波传播的衰减电台进行分割电台进行分割实现多路复用实现多路复用适应特殊信道要求适应特殊信道要求n调制的分类调制的分类模拟调制模拟调制线性调制：已调信号频谱为调制信号频谱的平移或线性变换线性调制：已调信号频谱为调制信号频谱的平移或线性变换非线性调制：已调信号频谱与调制信号频谱之间不能通过平移或线非线性调制：已调信号频谱与调制信号频谱之间不能通过平移或线性变换互相表示性变换互相表示数字调制数字调制常规调幅（常规调幅（AM）n表达式表达式n特点：特点：输出的已调信号的包络与输入调制信号成正比n解调方法：包络检波不失真的条件 A0f(t)SAM(t)常规调幅（常规调幅（AM）n主要参数主要参数确知信号确知信号频谱与带宽频谱与带宽 常规调幅已调信号带宽是调制信号带宽的两倍！6常规调幅（常规调幅（AM）n主要参数主要参数确定性信号确定性信号功率效率功率效率 如果如果 确定性信号情况下常规调幅最大的功率效率为1/2！直流消耗大量的功率却不传送信息！n主要参数主要参数随机信号随机信号随机信号不能采用确定的时间函数进行表示，因此也就不存在频谱，随机信号不能采用确定的时间函数进行表示，因此也就不存在频谱，只能采用功率谱描述其频域特性；只能采用功率谱描述其频域特性；广义平稳随机过程的功率谱函数与自相关函数是一对傅立叶变换广义平稳随机过程的功率谱函数与自相关函数是一对傅立叶变换功率谱与带宽功率谱与带宽 常规调幅（常规调幅（AM）已调信号带宽是调制信号带宽的两倍！常规调幅（常规调幅（AM）n主要参数主要参数随机信号随机信号功率效率功率效率 随机信号情况下常规调幅直流消耗功率却不传送信息！n主要参数总结主要参数总结带宽：带宽：2倍调制信号带宽倍调制信号带宽功率效率功率效率确定性信号：最高确定性信号：最高1/2随机信号随机信号n调制指数：调制指数：常规调幅（常规调幅（AM）功率效率太低，直流占据大量功率但不传信息！需要想办法消除直流！不过载最大调制指数为1！随机信号的平均功率计算随机信号的平均功率计算n信号的频域表示信号的频域表示确定性信号：频谱确定性信号：频谱随机信号：功率谱，功率密度在频域中随频率的变化情况随机信号：功率谱，功率密度在频域中随频率的变化情况具有相同幅度谱而相位谱不同的信号具有相同的功率谱具有相同幅度谱而相位谱不同的信号具有相同的功率谱n随机信号的功率谱随机信号的功率谱平稳：数学期望和方差与时间无关，而自相关函数仅与时间平稳：数学期望和方差与时间无关，而自相关函数仅与时间差有关差有关各态历经：任意一次样抽样包含了该随机过程所具有的所有各态历经：任意一次样抽样包含了该随机过程所具有的所有统计特性统计特性 广义平稳随机过程的功率谱与自相关函数是一对傅立叶变换广义平稳随机过程的功率谱与自相关函数是一对傅立叶变换各态历经平稳随机过程的统计平均与时间平均等价各态历经平稳随机过程的统计平均与时间平均等价绝大多数通信信号都是各态历经平稳随机过程绝大多数通信信号都是各态历经平稳随机过程n表达式表达式n特点：提高调制效率，去除直流分量特点：提高调制效率，去除直流分量n主要指标带宽：2倍调制信号带宽 调制效率：1n解调方法：相干解调 抑制载波双边带调制（抑制载波双边带调制（DSB）coswct SDSB(t)LPFKf(t)双边带宽有浪费！思考：相干载波如何得到？SSSB(t)HSSB(w)f(t)SDSB(t)coswct单边带调制（单边带调制（SSB）n特点特点目的：节省传输频带和功耗；方法：只传输双边带中的一个边带；n主要指标主要指标带宽：2倍调制信号带宽n调制方法调制方法滤波法上边带 下边带 单边带调制（单边带调制（SSB）滤波器实现的问题滤波器实现的问题理想滤波器是无法实现的理想滤波器是无法实现的佩利维纳准则佩利维纳准则滤波器实现的难易程度取决于过渡带相对于载频的规一化值，越滤波器实现的难易程度取决于过渡带相对于载频的规一化值，越小越难以实现小越难以实现SSB的多级调制方法的多级调制方法适用于有一定过渡带但较小的情况如果调制信号没有过渡带，则不能采用滤波法进行调制！必须考虑SSB的其他调制方法。n调制方法调制方法相移法先考虑最简单的情况：单频信号的单边带调制 单边带调制（单边带调制（SSB）这个方法是否适合所有信号的单边带调制？确定性周期信号？更一般的信号？n调制方法调制方法相移法希尔伯特变换一个物理可实现系统的是与冲激响应一定是 单边带调制（单边带调制（SSB）物理可实现系统传递函数的实部和虚部是一对希尔伯特变换！物理可实现系统的传递函数其实部与虚部之间存在对应的确定关系，物理可实现系统的传递函数其实部与虚部之间存在对应的确定关系，通常把这一对关系式称为希尔伯特变换对通常把这一对关系式称为希尔伯特变换对 传递函数在频域上具有因果性的系统，其付氏反变换的实部与虚部传递函数在频域上具有因果性的系统，其付氏反变换的实部与虚部之间存在确定的关系，也是一对希尔伯特变换之间存在确定的关系，也是一对希尔伯特变换单边带调制（单边带调制（SSB）2024/7/1617 希尔伯特变换的性质：希尔伯特变换的性质：(3)若若f(t)的频带限于的频带限于则有则有单边带调制（单边带调制（SSB）思考题：如何证明？希尔伯特滤波器：希尔伯特滤波器：若若F(w)为为f(t)的付氏变换，则的付氏变换，则f(t)的的 希尔希尔伯特变换的付氏变换为伯特变换的付氏变换为 传递函数为传递函数为 的滤波器称为希尔的滤波器称为希尔伯特滤波器，它将解析信号伯特滤波器，它将解析信号 变成变成 ，希尔伯特滤波器实际上就是一个，希尔伯特滤波器实际上就是一个宽带宽带移相网络移相网络！单边带调制（单边带调制（SSB）单边带调制（单边带调制（SSB）n调制方法调制方法相移法一般信号的单边带调制时域表达式 单边带调制（单边带调制（SSB）单边带调制（单边带调制（SSB）n调制方法调制方法相移法一般信号的单边带调制相移法框图 单边带调制（单边带调制（SSB）n调制方法调制方法相移法一般信号的单边带调制相移法频谱形成其他调制方法单边带的维弗法形成 单边带调制（单边带调制（SSB）单边带调制（单边带调制（SSB）n解调方法：相干解调解调方法：相干解调coswct SSSB(t)LPFSd(t)Sp(t)残留边带调制（残留边带调制（VSB）n特点特点除了传送一个边带之外，还保留另外一个边带的一部分除了传送一个边带之外，还保留另外一个边带的一部分代价是传输频带增宽了一些代价是传输频带增宽了一些，但是工程实现变得容易，但是工程实现变得容易n表达式表达式n残留边带滤波器残留边带滤波器0-wcwcwHVSB(w)10.50-wcwcwHVSB(w)10.5H(w)coswctf(t)S(t)线性调制的一般模型线性调制的一般模型n频域表达式频域表达式n时域表达式时域表达式线性调制的一般模型线性调制的一般模型n抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制DSBn单边带调制单边带调制SSBn残留边带调制残留边带调制VSB正交分量与调制信号成正比！Sd(t)LPFcoswctS(t)Sp(t)相干解调的一般模型相干解调的一般模型n寻求一种简单的解调方式寻求一种简单的解调方式关注包络关注包络当插入的载波很强时当插入的载波很强时解调输出解调输出n常用于广播系统，在发送端插入强载波，简化大量的接收端的设备常用于广播系统，在发送端插入强载波，简化大量的接收端的设备Sd(t)包络检波AdcoswctS(t)Sa(t)插入载波包络检波插入载波包络检波载波同步载波同步n相干解调相干解调要求接收端要恢复与发送端同频、同相的相干载波，否要求接收端要恢复与发送端同频、同相的相干载波，否则会引起解调的失真则会引起解调的失真思考题：如果同频但不同相，对解调结果有什么影响？思考题：如果同频但不同相，对解调结果有什么影响？n相干载波恢复的方法相干载波恢复的方法直接法：已调信号的频谱中包含载波的离散谱直接法：已调信号的频谱中包含载波的离散谱插入导频法插入导频法DSB：不包含离散载频分量：不包含离散载频分量非线性变换非线性变换插入导频法插入导频法SSB及及VSB插入导频法插入导频法线性调制的应用线性调制的应用n频分多路复用频分多路复用频谱实现正交分割，不同的通道占据不同的频带频谱实现正交分割，不同的通道占据不同的频带信道复用率高，分路方便信道复用率高，分路方便各路信号之间的相互干扰，即串扰各路信号之间的相互干扰，即串扰滤波器特性不够理想，可通过发送带通滤波器滤除滤波器特性不够理想，可通过发送带通滤波器滤除信道中的非线性特性造成的已调信号频谱的展宽：难以消除信道中的非线性特性造成的已调信号频谱的展宽：难以消除对系统线性的要求很高对系统线性的要求很高合理选择载波频率，并在各路已调信号频谱之间留有一定的保合理选择载波频率，并在各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔，是减小串扰的有效措施护间隔，是减小串扰的有效措施n载波电话系统载波电话系统n广播电视广播电视n立体声广播立体声广播频分多路复用频分多路复用n模拟电视信号的频谱模拟电视信号的频谱黑白电视信号频谱黑白电视信号频谱残留边带滤波器残留边带滤波器彩色电视信号频谱彩色电视信号频谱模拟电视信号频谱模拟电视信号频谱立体声广播中的调幅应用立体声广播中的调幅应用n立体声广播的频谱立体声广播的频谱抑制载波双边带调制将左右两个声道信号之差和左右两个声抑制载波双边带调制将左右两个声道信号之差和左右两个声道信号之和频分复用道信号之和频分复用19kHz处发送一个单频信号用作立体声指示，并作为接收端处发送一个单频信号用作立体声指示，并作为接收端提取同频同相相干载波提取同频同相相干载波非线性调制非线性调制n角调制的基本概念角调制的基本概念n相位调制相位调制 为调制信号为调制信号f(t)的线性函数的线性函数为相移常数为相移常数n频率调制频率调制瞬时角频率为调制信号瞬时角频率为调制信号f(t)的线性函数的线性函数为频偏常数为频偏常数非线性调制非线性调制n窄带调频窄带调频频率调制频率调制最大瞬时相位偏移很小最大瞬时相位偏移很小窄带调频窄带调频频域表示式与AM类似带宽为调制信号带宽的两倍n窄带调相窄带调相相位调制相位调制最大瞬时相位偏移很小最大瞬时相位偏移很小窄带调相窄带调相频域表示式与AM类似带宽为调制信号带宽的两倍宽带调频宽带调频n单频调制表达式单频调制表达式采用贝赛尔函数展开采用贝赛尔函数展开频谱频谱产生了新的频率分量，带宽无穷大！n单频调制近似带宽单频调制近似带宽n卡森公式卡森公式 fmax为最大频率偏移n任意限带信号宽带调频带宽任意限带信号宽带调频带宽频偏比频偏比带宽估算公式带宽估算公式宽带调频信号的带宽宽带调频信号的带宽n单频调制表达式单频调制表达式 采用贝赛尔函数展开采用贝赛尔函数展开频谱频谱n带宽估算公式带宽估算公式与宽带调频一样与宽带调频一样宽带调相宽带调相产生了新的频率分量，与调频类似，仅相位不同n直接法：压控振荡器直接法：压控振荡器优点：可以得到很大频偏优点：可以得到很大频偏缺点：载频会发生偏移缺点：载频会发生偏移n倍频法倍频法步骤步骤采用正交调制产生窄带调频信号采用正交调制产生窄带调频信号不断倍频，产生宽带调频信号不断倍频，产生宽带调频信号频谱搬移频谱搬移 调频信号产生调频信号产生-90积分器-+SNBFM(t)Acoswctf(t)最大相位偏移扩大2倍，调频指数扩大2倍ufn非相干解调：鉴频器非相干解调：鉴频器微分器微分器包络检波器包络检波器 调频信号的解调调频信号的解调Si(t)限幅器与带通微分器包络检波 低通滤波器So(t)鉴频器n相干解调相干解调窄带调频信号的解调窄带调频信号的解调乘以相干载波乘以相干载波经过低通滤波和微分经过低通滤波和微分调频信号的解调调频信号的解调模拟调制的抗噪声性能分析模型模拟调制的抗噪声性能分析模型n通信系统抗噪声性能的分析模型通信系统抗噪声性能的分析模型非相干解调非相干解调相干解调相干解调n各态历经平稳高斯白噪声各态历经平稳高斯白噪声概率密度为高斯分布概率密度为高斯分布功率谱为均匀分布功率谱为均匀分布概率密度函数与时间无关概率密度函数与时间无关统计平均与时间平均相等统计平均与时间平均相等n平稳窄带高斯噪声平稳窄带高斯噪声平稳高斯噪声通过窄带滤波器平稳高斯噪声通过窄带滤波器 高斯白噪声分析模型高斯白噪声分析模型窄带高斯噪声幅度包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布通信信号一般都是各态历经平稳随机过程同相分量与正交分量同相分量与正交分量窄带高斯噪声及其同相分量、正交分量有相同的方差窄带高斯噪声及其同相分量、正交分量有相同的方差Ni为输入噪声功率，即通过窄带滤波器进入解调器的噪声功率为输入噪声功率，即通过窄带滤波器进入解调器的噪声功率 高斯白噪声分析模型高斯白噪声分析模型单边功率谱密度单边功率谱密度|双边功率谱密度双边功率谱密度通信带宽通信带宽n输出信噪比输出信噪比输出信噪比越大，抗噪声性能越好输出信噪比越大，抗噪声性能越好n信噪比增益信噪比增益信噪比增益越大，抗噪声性能越好信噪比增益越大，抗噪声性能越好n抗噪声能力相关因素抗噪声能力相关因素调制方式、解调方式调制方式、解调方式抗噪声性能的评价抗噪声性能的评价n方法方法采用线性调制一般模型，求出解调后信号及噪声，求出输采用线性调制一般模型，求出解调后信号及噪声，求出输出信噪比出信噪比 解调器输入信号：解调器输入信号：和相干载波相乘后：和相干载波相乘后：经低通滤波后：经低通滤波后：线性调制相干解调的抗噪声性能线性调制相干解调的抗噪声性能nDSB参数参数带通滤波器中心频率带通滤波器中心频率带宽带宽 BDSB2W解调输出：解调输出：输出有用信号平均功率：输出有用信号平均功率：输出噪声平均功率：输出噪声平均功率：输入已调信号平均功率：输入已调信号平均功率：输入噪声平均功率：输入噪声平均功率：DSB抗噪声性能抗噪声性能SSB抗噪声性能抗噪声性能n上边带调制参数上边带调制参数带通滤波器中心频率带通滤波器中心频率带宽带宽 BSSBW解调输出：解调输出：输出有用信号平均功率：输出有用信号平均功率：输出噪声平均功率：输出噪声平均功率：输出信噪比：输出信噪比：SSB抗噪声性能抗噪声性能输入已调信号平均功率：输入已调信号平均功率：希尔伯特变换对的幅度谱相同，仅相位谱不同，因此平均功率相同希尔伯特变换对的幅度谱相同，仅相位谱不同，因此平均功率相同 输入噪声平均功率：输入噪声平均功率：n信噪比增益信噪比增益n输入已调信号平均功率输入已调信号平均功率 DSB与与SSB抗噪声性能的对比分析抗噪声性能的对比分析如果解调器的输入噪声功率谱密度相同，输入的信号功率也相等，则双边带和单边带在解调器输出端的信噪比是相同的。也就是说，从抗噪声的观点来衡量，双边带的解调性能和单边带是相同的！AM包络检波的抗噪声性能包络检波的抗噪声性能n分析模型分析模型 输入已调信号的平均功率输入已调信号的平均功率输入噪声平均功率输入噪声平均功率解调器输入信号解调器输入信号AM包络检波的抗噪声性能包络检波的抗噪声性能包络检波输出：包络检波输出：n小噪声情况小噪声情况输入信号幅度远大于噪声幅度输入信号幅度远大于噪声幅度n大噪声情况大噪声情况有有用用信信号号“淹淹没没”在在噪噪声声之之中中。这这时时候候输输出出信信噪噪比比急急剧剧恶恶化化，通通常常把把这这种种现现象象称称之之为为门门限限效效应应。开开始始出出现现门限效应的输入信噪比称为门限值。门限效应的输入信噪比称为门限值。引起的原因：包络检波的非线性引起的原因：包络检波的非线性AM包络检波的抗噪声性能包络检波的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能n非相干解调系统模型非相干解调系统模型 输入信号：输入信号：输入信号平均功率：输入信号平均功率：输入噪声平均功率：输入噪声平均功率：调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能矢量分析方法矢量分析方法在大信噪比条件下在大信噪比条件下鉴频器输出：鉴频器输出：信号输出及平均功率：信号输出及平均功率：调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能信号信号噪声噪声调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能噪声输出表达式：噪声输出表达式：输出噪声谱密度输出噪声谱密度鉴频器输出噪声功率谱已不再是输入噪声那样的均匀分布，而变为抛物线分布，随着输出频率增加而平方地增大。输出噪声平均功率：输出噪声平均功率：输出信噪比：输出信噪比：信噪比增益：信噪比增益：如果如果 单频调制：单频调制：调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能调频系统的信噪比增益很大！抗噪声能力很强！代价：高带宽！AM、FM单频调制抗噪声性能对比单频调制抗噪声性能对比对于小信噪比，此时解调器输出中已不存在单独的有用信号项，信号完全被噪声淹没了，因而输出信噪比急剧下降。这种情况与常规调幅包络检波时相似，我们也称之为门限效应。在小信噪比条件下在小信噪比条件下调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能n相干解调适用于窄带调频相干解调适用于窄带调频分析模型分析模型输入信号：输入信号：解调输出信号：解调输出信号：调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能输入信噪比：输入信噪比：输出信噪比：输出信噪比：解调器增益：解调器增益：单频调制情况：单频调制情况：调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能模拟调制方式的比较模拟调制方式的比较调制方式调制方式带宽带宽调制与解调调制与解调应用应用AM2W包络检波，比包络检波，比较简单较简单调幅广播调幅广播DSB2W相干解调，常相干解调，常用导频用导频立体声广播立体声广播SSBW相干解调，调相干解调，调制器教复杂制器教复杂载波通信，短载波通信，短波无线电通信波无线电通信VSB略大于略大于W相干解调，滤相干解调，滤波器残留对称波器残留对称广播电视广播电视FM2(DFM+1)W调制器复杂，调制器复杂，解调简单解调简单卫星通信，立卫星通信，立体声广播体声广播作业：3.19,4.2,4.14;本讲重点内容本讲重点内容n课程的重点课程的重点调制的原因调制的原因线性调制的带宽、频谱、调制解调方法线性调制的带宽、频谱、调制解调方法线性调制的抗干扰性能分析方法线性调制的抗干扰性能分析方法各种线性调制的应用各种线性调制的应用调频的带宽、频谱、调制解调方法调频的带宽、频谱、调制解调方法调频的抗干扰性能分析方法调频的抗干扰性能分析方法调频的应用调频的应用本讲重点内容本讲重点内容n要求掌握的内容要求掌握的内容会进行各种线性调制带宽的计算会进行各种线性调制带宽的计算会画调制解调的框图会画调制解调的框图会进行线性调制应用于不同应用场合的原因分析会进行线性调制应用于不同应用场合的原因分析会运用信噪比增益公式计算做简单计算会运用信噪比增益公式计算做简单计算会运用卡森公式计算调频信号带宽会运用卡森公式计算调频信号带宽会画调频调制解调的框图会画调频调制解调的框图掌握调频带宽换取信噪比的基本概念掌握调频带宽换取信噪比的基本概念会运用信噪比增益公式做与线性调制的比较计算会运用信噪比增益公式做与线性调制的比较计算n重点课后习题重点课后习题3.19，3.29，4.1，4.2，4.14，4.24