模拟调制系统抗噪声性能课件

X第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统5.1 5.1 幅度调制幅度调制5.2 5.2 角度调制角度调制5.3 5.3 模拟调制系统抗噪声性能模拟调制系统抗噪声性能1第5章 模拟调制系统5.1 幅度调制1Xp 分析模型分析模型p DSB DSB系统抗噪声性能系统抗噪声性能p 模拟调制系统性能分析模拟调制系统性能分析p 模拟调制系统性能比较模拟调制系统性能比较5.3 5.3 模拟调制系统抗噪声性能模拟调制系统抗噪声性能2 分析模型5.3 模拟调制系统抗噪声性能2X 图中图中：sm(t)已调信号已调信号 n(t)加性平稳高斯白噪声加性平稳高斯白噪声 ni(t)带通滤波后的噪声带通滤波后的噪声 m(t)输出有用信号输出有用信号 no(t)输出噪声输出噪声分析模型分析模型目标目标：分析模拟系统可靠性指标：分析模拟系统可靠性指标u解调器的输入信噪比解调器的输入信噪比u解调器输出信噪比解调器输出信噪比u解调器调制制度增益解调器调制制度增益3 图中：sm(t)已调信号分析模型目标：分析模拟X带通滤波器的作用带通滤波器的作用-让有用信号通过，滤除带外噪声。让有用信号通过，滤除带外噪声。u带宽带宽B B ：等于已调信号的频带宽度等于已调信号的频带宽度对于对于AMAM，DSBDSB系统：系统：B=2WB=2WH H 对于对于SSBSSB：B=W B=WH H对于对于VSBVSB：BW BWH HuB B当然也是窄带噪声当然也是窄带噪声n ni i(t)(t)的带宽的带宽u带通滤波器输出噪声功率带通滤波器输出噪声功率N Ni i(即即解调器输入噪声解调器输入噪声n ni i(t)(t)的功率的功率)为：为：若若白白噪噪声声的的双双边边功功率率谱谱密密度度为为n n0 0/2/2，带带通通滤滤波波器器传传输输特特性性是是幅幅值值为为1 1，带宽为带宽为B B的理想矩形函数，的理想矩形函数，则：则：B B为带通滤波器的带宽为带通滤波器的带宽解调器输入噪声功率解调器输入噪声功率NiNi4带通滤波器的作用-让有用信号通过，滤除带外噪声。B为带通滤Xp 分析模型分析模型p DSB DSB系统抗噪声性能系统抗噪声性能p 模拟调制系统性能分析模拟调制系统性能分析p 模拟调制系统性能比较模拟调制系统性能比较5.3 5.3 幅度调制系统抗噪声性能幅度调制系统抗噪声性能5 分析模型5.3 幅度调制系统抗噪声性能5XDSBDSB系统抗噪声性能系统抗噪声性能DSBDSB相干解调抗噪声性能分析模型相干解调抗噪声性能分析模型解调器解调器6DSB系统抗噪声性能DSB相干解调抗噪声性能分析模型解调器6Xu解调器输入信号功率为解调器输入信号功率为u输入噪声功率输入噪声功率 u输入信噪比输入信噪比解调器输入信噪比解调器输入信噪比7解调器输入信号功率为解调器输入信噪比7X解调器输入信号为解调器输入信号为DSB信号：信号：与相干载波与相干载波cos ct相乘后相乘后，得，得经经低通滤波器后低通滤波器后，输出信号为，输出信号为因此，解调器输出端的有用信号功率为因此，解调器输出端的有用信号功率为解调器输出信号功率解调器输出信号功率S08解调器输入信号为DSB信号：解调器输出信号功率S08X解调器输入端的窄带噪声可表示为解调器输入端的窄带噪声可表示为它与相干载波它与相干载波相乘后相乘后，得，得经经低通滤波器后低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为，解调器最终的输出噪声为故输出噪声功率为故输出噪声功率为解调器输出噪声功率解调器输出噪声功率N09解调器输入端的窄带噪声可表示为解调器输出噪声功率N09Xp由此可见，由此可见，DSB调制系统的制度增益为调制系统的制度增益为2。也就是说，。也就是说，DSB信号的信号的解调器使信噪比改善一倍。解调器使信噪比改善一倍。p这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除的缘故。这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除的缘故。调制调制制度增益制度增益解调器输出信噪比和调制解调器输出信噪比和调制制度增益制度增益解调器输出信噪比解调器输出信噪比10由此可见，DSB调制系统的制度增益为2。也就是说，DSB信号Xp 分析模型分析模型p DSB DSB系统抗噪声性能系统抗噪声性能p 模拟调制系统性能分析模拟调制系统性能分析p 模拟调制系统性能比较模拟调制系统性能比较5.3 5.3 幅度调制系统抗噪声性能幅度调制系统抗噪声性能11 分析模型5.3 幅度调制系统抗噪声性能11X模拟调制系统抗噪声性能列表模拟调制系统抗噪声性能列表SiNiSi/NiS0N0S0/N0GDSB2SSB1AMFM注：注：DSB和和SSB采用相干解调，采用相干解调，AM采用包络检波且在大信噪比下；采用包络检波且在大信噪比下；FM在单音调频大信噪比下；在单音调频大信噪比下；VSB系统的抗噪声性能与系统的抗噪声性能与SSB类似类似12模拟调制系统抗噪声性能列表SiNiSi/NiS0N0S0/NX1.AM信号的调制制度增益信号的调制制度增益GAM随随A0的减小而增加，的减小而增加，GAM总是小于总是小于1，这，这说明包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。说明包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。例如：对于例如：对于100%的调制，且的调制，且m(t)是单频正弦信号，这时是单频正弦信号，这时AM 的调制制度的调制制度增益为增益为2.对于对于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的性能几乎一样。同步检测器时的性能几乎一样。讨论讨论1 1：针对：针对AMAM系统系统131.AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加，GAX讨论讨论2：AM系统和系统和FM系统存在门限效应系统存在门限效应u门限效应：在小信噪比时，解调器输出中没有门限效应：在小信噪比时，解调器输出中没有单独的信号项，有用信号单独的信号项，有用信号m(t)淹没在噪声中，淹没在噪声中，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化，而是急剧恶化，通常把这种现象称为通常把这种现象称为门限效应门限效应。u开始出现门限效应的输入信噪比称为开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值门限值。u产生原因：解调器的非线性引起。非相干解调产生原因：解调器的非线性引起。非相干解调存在门限效应，而存在门限效应，而相干解调不存在门限效应。相干解调不存在门限效应。14讨论2：AM系统和FM系统存在门限效应门限效应：在小信噪比Xu讨论讨论3：表中，：表中，GDSB=2，GSSB=1，这能否说明，这能否说明DSB系统的抗噪声性能比系统的抗噪声性能比SSB系统系统好呢？回答是否定的。好呢？回答是否定的。u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，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。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。u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：带宽条件下，对这两种调制方式进行比较：u比较结果：输出信噪比相等。这就是说，比较结果：输出信噪比相等。这就是说，两者的抗噪声性能相同两者的抗噪声性能相同。但。但SSB所需的所需的传输带宽仅是传输带宽仅是DSB的一半，因此的一半，因此SSB得到普遍应用。得到普遍应用。15讨论3：表中，GDSB=2，GSSB=1，这能否说明DXpFM的调频指数的调频指数mf越大，抗噪声性能越好。越大，抗噪声性能越好。pFM系统的带宽和信噪比可以互换系统的带宽和信噪比可以互换，可以牺牲带宽，可以牺牲带宽-有效性来换取可有效性来换取可靠性的提高。其它模拟调制系统无此特性。靠性的提高。其它模拟调制系统无此特性。pmf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用蜂窝电话系统）采用WBFM，mf值选大些。值选大些。讨论讨论4 4：FMFM系统的带宽和信噪比可以互换系统的带宽和信噪比可以互换16FM的调频指数mf越大，抗噪声性能越好。讨论4：FM系统的带Xp 分析模型分析模型p DSB DSB系统抗噪声性能系统抗噪声性能p 模拟调制系统性能分析模拟调制系统性能分析p 模拟调制系统性能比较模拟调制系统性能比较5.3 5.3 幅度调制系统抗噪声性能幅度调制系统抗噪声性能17 分析模型5.3 幅度调制系统抗噪声性能17X调制制方式方式传输带宽设备复复杂程度程度主要主要应用用AMAM2f2fm m简单中短波无中短波无线电广播广播DSBDSB2f2fm m中等中等应用用较少少SSBSSBf fm m复复杂短波无短波无线电广播、广播、话音音频分分复用、复用、载波通信、数据波通信、数据传输VSBVSB略大于略大于f fm m 近似近似SSBSSB复复杂电视广播、数据广播、数据传输FMFM中等中等超短波小功率超短波小功率电台（窄台（窄带FMFM）；）；调频立体声广播等高立体声广播等高质量通信（量通信（宽带FMFM）模拟调制系统性能比较模拟调制系统性能比较在相同的输入信号功率、输入噪声功率谱密度、基带信号带宽条件下的比较：在相同的输入信号功率、输入噪声功率谱密度、基带信号带宽条件下的比较：18调制传输带宽设备复杂程度主要应用AM2fm简单中短波无线电广Xu抗噪声性能抗噪声性能 FM最好，最好，DSB DSB、SSBSSB、VSBVSB次之，次之，AM AM能最差能最差；DSBDSB、SSBSSB性能相同；性能相同；VSBVSB与与SSBSSB性能相近；性能相近；圆点表示门限点圆点表示门限点19抗噪声性能圆点表示门限点19Xu频带利用率频带利用率SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；的带宽最窄，其频带利用率最高；DSB其次；其次；FM占用的带宽随调频指数占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，频带利用率最低。的增大而增大，频带利用率最低。20频带利用率20Xu特点与应用特点与应用AMAM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。主要用在中波和短波调幅广播。DSBDSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与调制：优点是功率利用率高，且带宽与AMAM相同，但设备较复杂。相同，但设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。应用较少，一般用于点对点专用通信。SSBSSB调制：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和调制：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抗选择性衰落能力均优于AMAM，而带宽只有，而带宽只有AMAM的一半；缺点是发送和接的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。收设备都复杂。SSBSSB常用于频分多路复用系统中。常用于频分多路复用系统中。VSBVSB调制：抗噪声性能和频带利用率与调制：抗噪声性能和频带利用率与SSBSSB相当。在电视广播、数传相当。在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。等系统中得到了广泛应用。FMFM：FM FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。缺点是频带利用率低，存在门限效应。21特点与应用21X设计一个设计一个单边带下边带单边带下边带调制系统，信道白噪声的双边功率谱密度为调制系统，信道白噪声的双边功率谱密度为n0/2=0.510-5W/Hz，载波频率，载波频率fc为为100kHz。模拟基带调制信号为。模拟基带调制信号为m(t),功率为功率为4W，频带在，频带在0fm范围内，范围内，fm=4k，求：，求：（1）单边带已调信号的表达式；）单边带已调信号的表达式；（2）单边带已调信号所在的频带范围；）单边带已调信号所在的频带范围；（3）画出接收端原理方框图；）画出接收端原理方框图；（4）解调器输入端信噪比？输出端信噪比？）解调器输入端信噪比？输出端信噪比？（5）解调器输出端的噪声功率谱密度？）解调器输出端的噪声功率谱密度？（6）若）若N路最高频率为路最高频率为fm的信号按的信号按SSB方式进行频分复用，再进行调方式进行频分复用，再进行调频，最大频偏为频，最大频偏为f。求调频后输出信号带宽。求调频后输出信号带宽。例例5.3-122设计一个单边带下边带调制系统，信道白噪声的双边功率谱密度为nX（4）w，=1w，w （5）=0.01w=0.01w，N N0 0=P=PN0N0(f)*2fm,P(f)*2fm,PN0N0(f)=N(f)=N0 0/(2fm)=0.01/(2*4e3)=1.25e/(2fm)=0.01/(2*4e3)=1.25e-6-6（双边谱）双边谱）（6）B=2(Nfm+f)B=2(Nfm+f)（1）（2）通带为）通带为96100 kHz；（3）23（4）w，X 例例5.3-2 信道双边噪声功率谱密度信道双边噪声功率谱密度n0/2=0.510-6W/Hz,传传输抑制载波输抑制载波单边带单边带(下边带下边带)信号。设基带信号信号。设基带信号m(t)的频带限制在的频带限制在10kHz，功率是，功率是20W。载波频率是。载波频率是1MHz。采用相干解调，接收机。采用相干解调，接收机在输入信号加至解调器之前先经过一理想带通滤波器。试问：在输入信号加至解调器之前先经过一理想带通滤波器。试问：(1)解调器输入端的信噪比是多少？解调器输入端的信噪比是多少？(2)解调器输出端的信噪比是多少？调制制度增益是多少？解调器输出端的信噪比是多少？调制制度增益是多少？(3)解调器输出端的信号功率是多少？解调器输出端的信号功率是多少？(1)Si/Ni=/4(n (1)Si/Ni=/4(n0 0B B)=20/4(20.510)=20/4(20.510-6-6101010103 3(2)G=1(2)G=1，S S0 0/N/N0 0=Si/Ni=500=Si/Ni=500(3)S(3)S0 0=/16=20/16=1.25 W=/16=20/16=1.25 W。或或N N0 0=n=n0 0B/4=1/400B/4=1/400，S S0 0/N/N0 0=Si/Ni=500=Si/Ni=500，S S0 0=500=500(1/400)=1.25W=500=50024 例5.3-2 信道双边噪声