通信原理--模拟线性调制-课件

通信原理-模拟线性调制 第二章第二章 模拟线性调制模拟线性调制2复习n通信本质是实现信息交互n通信解决的关键问题是距离问题n模拟通信与数字通信n将模拟信号直接调制n将模拟信号/离散消息经过信源编码后调制n通信系统组成（三要素：信源、信道、信宿）n通信原理涵盖内容n调制与信道编码（传输比特，面向信道）n信源编码（生成比特，面向信源）3主要内容和重点主要内容和重点n引言：调制分类引言：调制分类n模拟线性调制模拟线性调制/解调原理和方法解调原理和方法nAM、DSB、SSB、VSBn抗噪声性能分析抗噪声性能分析nAM、DSB、SSB、VSB42.1 引言引言n点-点通信系统通常假定为理想恒参信道：信道的数学模型：r(t)=c(t)s(t)+n(t)5问题：n为什么要对信号进行调制？n什么是调制？2.1 引言引言6对无线传输信号而言，信号需要通过发射天线发送对无线传输信号而言，信号需要通过发射天线发送对无线传输信号而言，信号需要通过发射天线发送对无线传输信号而言，信号需要通过发射天线发送出去。出去。出去。出去。根据天线理论，发射天线的尺度与信号的波长满根据天线理论，发射天线的尺度与信号的波长满根据天线理论，发射天线的尺度与信号的波长满根据天线理论，发射天线的尺度与信号的波长满足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射。即足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射。即足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射。即足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射。即 如：如：因此，因此，GSM手机的工作频段规定在手机的工作频段规定在 9001800MHzA.A.便于信号的发送（频谱搬移）便于信号的发送（频谱搬移）便于信号的发送（频谱搬移）便于信号的发送（频谱搬移）2.1 引言引言7B.B.提高信道的利用率提高信道的利用率提高信道的利用率提高信道的利用率以以无无线线电电广广播播的的中中波波波波段段为为例例：可可用用波波段段范范围围为为530KHz1600KHz，而而语语音音信信号号的的频频率率范范围围为为3003400Hz，经经调调制制后后每每一一个个广播电台频道的带宽为广播电台频道的带宽为9KHz530KHz1600KHz300 9000这样中波波段中就可以均匀分布多个电台这样中波波段中就可以均匀分布多个电台!上述即为上述即为频分复用频分复用频分复用频分复用，它通过不同载波频率的调制完成，它通过不同载波频率的调制完成只传输一路信号。只传输一路信号。只传输一路信号。只传输一路信号。浪费！浪费！浪费！浪费！89n调制：就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。主要包括调制映射、频率搬移及滤波。频率搬移频率搬移数学分析现实生活中存在复数现实生活中存在复数（虚数）吗？（虚数）吗？不存在，但两个正交维度不存在，但两个正交维度的实数可以联合定义复数的实数可以联合定义复数92.1 引言引言n调制分类n正弦（连续波）调制：n脉冲调制：nC(t)：脉冲周期信号n复合调制：n对同一载波同时进行多种方式（幅度、频率、相位）的调制过程n多级调制：n对同一基带信号进行多次调制的过程 幅度调制频率调制相位调制线性调制非线性调制102.1 引言引言n调制分类n正弦调制：C(t)=cosct n模拟调制：m(t)为模拟信号，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PMn数字调制：m(t)为数字信号，如ASK、FSK、PSK等n脉冲调制：C(t)为脉冲周期信号n脉冲无编码调制n用模拟信号m(t)改变脉冲的幅度(PAM)、宽度(PWM)、相位(PPM)n脉冲编码调制(PCM)n用脉冲串对模拟信号m(t)抽样、量化、编码为PCM信号n增量调制(DM)nm(t)为模拟信号，根据两相邻采样信号之差来进行编码n脉冲数字调制nm(t)为数字信号，常用多进制脉位调制本质是本质是信源编信源编码技术码技术11主要内容和重点主要内容和重点n引言：调制分类引言：调制分类n模拟线性调制模拟线性调制/解调原理和方法解调原理和方法nAM、DSB、SSB、VSBn抗噪声性能分析抗噪声性能分析nAM、DSB、SSB、VSB12 2.2 调制调制/解调原理和方法解调原理和方法n主要内容nAM的调制解调方法nDSB的调制解调方法nSSB的调制解调方法nVSB的调制解调方法n一般调制方法13 2.2 调幅（调幅（AM）nAM信号的产生nAmplitude Modulationn时域表达式：SAM(t)=A+m(t)cosctnH(f)：理想带通nAM信号频谱：S(f)nAM信号带宽：BAM=2fH上边带下边带实信号频谱共轭对称M(f)=M*(-f)14 2.2 调幅（调幅（AM）nAM信号时域示意图n时域：SAM(t)=A+m(t)cosctn接收到调幅信号后，如何恢复低频信号（解调）？n包络检波法n直接检测低频包络n上下包络对称n为什么低频信号要加直流分量A？15nAM的解调方法n包络检波：要求A+m(t)0 n相干解调0fHf隔直 2.2 调幅（调幅（AM）16n相干解调（续）n频谱示意图 2.2 调幅（调幅（AM）17波形特点：波形特点：波形特点：波形特点：已调波包络完全反映调制信号，已调波包络完全反映调制信号，印刻印刻频谱特点：频谱特点：频谱特点：频谱特点：AM信信号号的的频频谱谱SAM()由由载载载载频频频频分分分分量量量量和和上上上上、下下下下两两两两个边带个边带个边带个边带组成组成上上边边带带的的频频谱谱结结构构与与原原调调制制信信号号的的频频谱谱结结构构相同，相同，下边带是上边带的镜像下边带是上边带的镜像下边带是上边带的镜像下边带是上边带的镜像带带带带宽宽宽宽：AM信信号号是是带带有有载载波波的的双双边边带带信信号号，它它的的带带带带宽宽宽宽是是是是基带信号带宽基带信号带宽基带信号带宽基带信号带宽B Bb b的两倍的两倍的两倍的两倍，即，即B BAMAM=2B=2Bb b 2.2 调幅（调幅（AM）18 功率分配：功率分配：功率分配：功率分配：式中，式中，PC为载波功率，为载波功率，PS为边带功率为边带功率 可可见见，AM信信号号的的总总功功率率包包括括载载载载波波波波功功功功率率率率和和边边边边带带带带功功功功率率率率两两部部分分，只有边带功率才与调制信号有关，载波分量不携带信息只有边带功率才与调制信号有关，载波分量不携带信息载载波波分分量量占占据据大大部部分分功功率率，而而含含有有用用信信息息的的两两个个边边带带占占有有功功率较小。因此，从功率上讲，率较小。因此，从功率上讲，AM的功率利用率比较低的功率利用率比较低 AMAM信号的缺点：信号的缺点：信号的缺点：信号的缺点：功率利用率比较低；功率利用率比较低；(不携带信息的载波分量占据大部分功率总功率不携带信息的载波分量占据大部分功率总功率)占用频带宽，占用频带宽，BAM=2B2Bb b。(含有用信息的两个边带含有用信息的两个边带)克服措施：克服措施：克服措施：克服措施：将载波抑制掉再传输将载波抑制掉再传输 抑制载波的双边带调制抑制载波的双边带调制 2.2 调幅（调幅（AM）19 2.2 双边带调制（双边带调制（DSB）nDSB（或DSBSC，double side band with suppressed carrier）信号的产生nSDSB(t)=m(t)cosct20 w w w wc cw w w wc c0 02 21 1w w w wOt1 1w w w w0 0A A0 0+mm(t t)Ott tO Omm(t t)cosw0tOtOwcwcwOt载波反相点载波反相点 w w w wc cw w w wc c0 02 21 1w w w w1 1w w w w0 0DSBDSB信号的波形和频谱信号的波形和频谱信号的波形和频谱信号的波形和频谱21 由由时时间间波波形形可可知知，DSB信信号号的的包包络络不不再再与与调调制制信信号号的的变变化化规规律律一一致致，因因而而不不能能采采用用简简单单的的包包络络检检波波来来恢恢复复调调制制信信号号，需需采采用用相相干干解解调调(同同步步检检波波)。另另外外，在在调调制制信信号号m(t)的的过过零零点处，高频载波相位有点处，高频载波相位有180的突变的突变 由由频频谱谱图图可可知知，DSB信信号号虽虽然然节节省省了了载载波波功功率率，功功率率利利用用率率提提高高了了，但但它它的的频频带带宽宽度度仍仍是是调调制制信信号号带带宽宽的的两两倍倍，与与AM信信号号带带宽宽相相同同。由由于于DSB信信号号的的上上、下下两两个个边边带带是是完完全全对称的，对称的，因此它们都携带了调制信号的全部信息因此它们都携带了调制信号的全部信息 22n解调n不能用包络检波法解调n相干解调：同AM 2.2 双边带调制（双边带调制（DSB）0fHf23DSBDSB信号的缺点：信号的缺点：信号的缺点：信号的缺点：占用频带宽，占用频带宽，BDSB=2B2Bb b。(含有两个完全相同的边带含有两个完全相同的边带)克服措施：克服措施：克服措施：克服措施：将只传输一个边带将只传输一个边带 单单边带调制边带调制DSB频谱频谱上边带上边带下边带下边带24 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）nSSB（single side band）信号的产生：滤波法nH(f)低通/带通滤波器可行吗？理论可行，工程上代价高，fH/fc很小，过渡带太窄。25 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）nSSB信号的产生：移相法n下边带理想带通滤波器可表示为sgn(w)26 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）nSSB信号的产生：移相法（续）F27 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）nSSB信号的产生：移相法（续）n利用希尔伯特变换信号经希尔伯特变换后，在频域各频率分量的幅度保持不变，但相位将出现90相移。即对正频率滞后/2，对负频率导前/2，因此希尔伯特变换器又称为90移相器FFH28 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）nSSB信号的产生：移相法（续）同理载波为29 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）nSSB信号的时域表达式（续）n当载波为sinct时式中系数1/2可为任一常数30 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）nSSB信号的产生n相移法：根据时域表达式载波为cosct DSB信号单频移相容易多频移相困难：移相网络31n解调n相干解调：同AMn插入强载波+包络检波 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）0fHf3233n综综上上所所述述：SSB调调制制方方式式在在传传输输信信号号时时，所所占占用用的的频频带带宽宽度度为为BSSB=B Bb b，只只有有AM、DSB的的一一半半，它它目目前前已已成成为为短波通信中的一种重要调制方式短波通信中的一种重要调制方式nSSB信信号号的的解解调调和和DSB一一样样不不能能采采用用简简单单的的包包络络检检波波，因因为为SSB信信号号也也是是抑抑制制载载波波的的已已调调信信号号，它它的的包包络络不不能能直接反映调制信号的变化，直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调所以仍需采用相干解调SSBSSB信号的缺点：信号的缺点：信号的缺点：信号的缺点：对对边边带带滤滤波波器器的的滤滤波波性性能能要要求求很很高高，实实际际制制造造这这样样的的滤滤波器非常困难波器非常困难 克服措施：克服措施：克服措施：克服措施：对一个边带进行逐渐截止对一个边带进行逐渐截止 残留残留残留残留边带调制边带调制边带调制边带调制 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）33nVSB（Vestigial side band）调制/解调系统 nSSB要完全滤出上边带或者下边带，对滤波器要求高，代价大，实现难度大nVSB不用完全滤出上边带或者下边带，降低对滤波器的要求，实现复杂度低 2.2 残留边带调制（残留边带调制（VSB）34 2.2 残留边带调制（残留边带调制（VSB）VSB是介于SSB与DSB之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。在残留边带调制中，除了传送一个边带外，还保留了另外一个边带的一部分。对于具有低频及直流分量的调制信号，用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带无限陡的理想滤波器，在残留边带调制中已不再需要上边带下边带35 2.2 残留边带调制（残留边带调制（VSB）对滤波器H(f)的要求36 2.2 残留边带调制（残留边带调制（VSB）nH(f)=GT(f)C(f)GR(f)n 对H(f)的要求：nH(f+fC)+H(ffC)=C，|ffc|将调幅波与本地载波相乘非相干解调：从已调信号的幅度（包络）变化中提取调制信号相干解调能够恢复出幅度、相位、频率信息，非相干解调只能恢复出幅度信息线性调制的一般模型（解调）线性调制的一般模型（解调）4546n适用于：AM，DSB，SSB，VSBn输入信号：n滤波前n滤波后线性调制的一般模型（相干解调）线性调制的一般模型（相干解调）4647nAM含载波分量，能够包络解调nDSB，SSB，VSB不含载波分量，无法直接包络解调n插入强载波强载波包络解调线性调制的一般模型（包络解调）线性调制的一般模型（包络解调）47讨论：讨论：若若收发两端的载波不能做到同频或者收发两端的载波不能做到同频或者完全同相，结果如何？还可以完全恢复出完全同相，结果如何？还可以完全恢复出基带信号吗？基带信号吗？2.2 残留边带调制（残留边带调制（VSB）48讨论：在在DSB（SSB与与VSB类似）中，似）中，设本地本地载波信号与波信号与发送送载波的波的频率率误差和相差和相位分位分别为和和试分析其分析其对解解调结果的影响果的影响 解：解：解解调器模型器模型为 相乘相乘输出出LPFLPFS0(t)S(t)49经LPF后得到后得到 讨论讨论 分别设以下两种特殊情况：分别设以下两种特殊情况：1)设时，输输出信号的幅度将受到衰减出信号的幅度将受到衰减出信号的幅度将受到衰减出信号的幅度将受到衰减，衰减程度取决于，衰减程度取决于，衰减程度取决于，衰减程度取决于的大小。的大小。的大小。的大小。当当时，输出信号出信号为零。零。时，幅度受到衰减且符号也要改，幅度受到衰减且符号也要改变 当当502)设时，当两端的当两端的载波只有波只有频率率误差差时，解，解调输出仍出仍为双双边带调幅信号，但幅信号，但该信号的信号的载波角波角频率率为 ，输输出信号出信号出信号出信号产生明生明显失真失真 通常通常和和两种两种误差都存在，因此，两种差都存在，因此，两种影响也都存在，从而不同程度的影响了通信的影响也都存在，从而不同程度的影响了通信的质量量512.3 抗噪声性能抗噪声性能n主要内容和重点n线性调制系统的抗噪声性能nAM、DSB、SSB的相干解调抗噪声性能nAM、DSB、SSB的性能比较n门限效应：包络检波522.3 抗噪声性能抗噪声性能n线性调制系统的抗噪声性能 nAM、DSB、SSB相干解调的抗噪性能 BPF的带宽W等于信号带宽B，B1时，包络检波的可靠性同相干解调 ni(t)时，E(t)A+m(t)+nc(t)mo(t)=m(t)，no(t)=nc(t)可得:2.3 抗噪声性能抗噪声性能6566 小信噪比情况：小信噪比情况：小信噪比情况：小信噪比情况：A+m(t)nA+m(t)nc c(t)(t)在包络检波器的输出端没有单独的信号项。有用信号在包络检波器的输出端没有单独的信号项。有用信号被扰乱，解调器输出只能看作噪声被扰乱，解调器输出只能看作噪声门限效应！门限效应！门限效应！门限效应！所谓所谓门限效应门限效应，是指当包络检波器的输入信噪比降低，是指当包络检波器的输入信噪比降低到一个特定的数值后，检波器输出信噪比急剧恶化的一种到一个特定的数值后，检波器输出信噪比急剧恶化的一种现象，即在小信噪比情况下，包络检波器会把有用信号扰现象，即在小信噪比情况下，包络检波器会把有用信号扰乱成噪声。乱成噪声。注：注：用相干解调的方法解调各种线性调制信号时，由于用相干解调的方法解调各种线性调制信号时，由于解调过程可视为信号与噪声分别解调，故解调器输出端总是解调过程可视为信号与噪声分别解调，故解调器输出端总是单独存在有用信号项。因此单独存在有用信号项。因此相干解调不存在门限效应相干解调不存在门限效应。66n当 A+m(t)ni(t)时，解调器的输出端得不到独立的信号2.3 抗噪声性能抗噪声性能6768n问题问题：n为什么双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高？n双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高是否说明双边带调制的抗噪声性能比单边带调制的更好？6869练习设模拟调制系统信道和接收端模型如下图所示。已知信道噪声n(t)为加性高斯白噪声，单边功率谱密度为n0=10-6W/Hz；sm(t)为已调信号，载波频率fc=1MHz，对应的调制信号m(t)的最高频率为fH=5KHz。带通滤波器为理想。试分别计算DSB（Si=1kW，相干解调）、USB（Si=1kW，相干解调）、AM（两边带功率Pf=10kW，载波功率Pc=4kW，包络检波）三种情况下的下列参数：1.带通滤波器的中心频率f0、带宽B；2.解调器输入端信噪比Si/Ni；3.信噪比增益G；4.解调器输入端信噪比S0/N0；6970DSB：(1)f0=fc=1MHz,B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10 x103=10mWSi/Ni=1x103/10-2=105(3)G=2(4)S0/N0=GxSi/Ni=2x1057071USB：(1)f0=fc+fH/2=1.0025MHz,B=fH=5kHz(2)Ni=n0B=10-6x5x103=5mWSi/Ni=(1x103)/(5x10-3)=2x105(3)G=1(4)S0/N0=GxSi/Ni=2x105当Si，n0，fH相同时，(S0/N0)DSB=(S0/N0)SSB7172AM:(1)f0=fc=1MHz,B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10 x103=10mWSi=Pc+Pf=(4+1)kW=5kWSi/Ni=5x103/10-2=5x105(3)AM=Pf/(Pc+Pf)=1/(4+1)=0.2GAM=2AM=0.4(4)S0/N0=GxSi/Ni=0.4x5x105=2x10572