模拟线性调制ppt课件

第三章 模拟线性调制,1,单元学习提纲,调制简介定义 目的 分类 线性调制（幅度调制）原理 线性调制和解调的一般模型 相干解调的抗噪声性能 门限效应,2,新课导入调制与解调的概念,上飞机的过程即为调制,下飞机的过程即为解调,3,调 制 简 介,调制定义,何谓 调制？,4,进行频谱搬移，匹配信道特性，减小天线尺寸； 实现多路复用，提高信道利用率； 改善系统性能（有效性、可靠性）； 实现频率分配 ,调制目的,为什么要进行调制？,5,调制信号 载 波 已调信号,运载工具,多种形式,同义词,认识一下 调制过程 所涉及的 三种信号,调制分类,6,- 可从不同角度分类：,都有哪些 调制方式？,7,模拟通信系统模型,8,设f(t)为调制信号，c(t)为载波信号，s(t)为已调信号,9,常规双边带幅 1、信号的表达和产生：,适用包络检波的条件！ A0与f(t)的关系,直流分量，调制信号的组成部分,10,若,上式中， ，称为调幅指数，用百分比表示时，称为调制度。（30%-60%）,若调制信号为一般信号，则取调幅指数为：,11,12,当载波初相为0时，已调信号为：,频域特性分析,若有：,则已调信号的频谱为：,13,已调信号的频谱图：,1、形状相同，位置搬移； 2、SAM含载波分量； 3、SAM是双边带信号， 带宽 BAM=2W=2fH 4、下边带是上边带的镜像,载频分量,载频分量,14,AM信号的特点,时，AM波的包络正比于调制信号m(t)， 故可采用包络检波。 AM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。 AM传输带宽是调制信号带宽的两倍： AM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。,15,调幅信号的平均功率为：,功率特性分析,常规调幅信号的功率由载波功率Pc和边带功率Pf组成； 边带功率与调制信号有关，是有用功率： 载波功率？,因为,16,调制效率：边带功率与总功率之比，即：,当 时，有： 此时：,若 ，调制效率最大值为1/3。,常规调幅调制效率低下，载波分量不携带信息却占用大部分功率！ 改进方案-抑制载波双边带调制,17,条件：,如何提高调制效率？,抑制载波！,QA,18,抑制载波双边带调幅（DSB-SC）,条件：,DSB表达式,DSB调制器,Double-Sideband Suppressed Carrier,19,DSB波形和频谱,20,DSB信号的特点,包络不再与f(t)成正比；当f(t)改变符号时载波相位反转，故不能采用包络检波，需相干解调。 无载频分量，只有 上、下 边带。 带宽与AM的相同： 调制效率100，即功率利用率高。 主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。,能否只传输 一个边带 ？,QA,课件制作：曹丽娜,西安电子科技大学 通信工程学院,21,AM和DSB调制与解调的一般模型,非相干解调包络检波,22,AM和DSB调制与解调的一般模型,23,例：若非线性器件的输入-输出特性为:y=a1x+a2x2,解：由图x1=f(t)+cosct ; x2=-f(t)+cosct y1=a1f(t)+cosct +a2f(t)+cosct2 y2=a1-f(t)+cosct +a2-f(t)+cosct2 y=y1-y2=2a1f(t)+4a2f(t)cosct,24,环行调制器也可以完成乘法运算， 实现抑制载波的双边带调幅。,25,26,DSB相干解调模型 如右图所示。 关键是必须 有一个同频同 相的载波。 表达式如下： 经低通后，得到： 从而恢复了原有的调制信号。,27,DSB-SC与AM信号的比较,DSB-SC的调制效率：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。 双边带的上、下两个边带有什么关系？ 一个边带携带了调制信号的全部信息。 进一步改进：单边带调制 进一步节省载波功率和带宽,随着性能的改善，技术复杂度也越来越高，实际应用时往往需要折衷取舍。,28,3.2 单边带调制（SSB）,SSB信号的产生,（1）滤波法,技术难点之一,29,30,边带滤波特性 HSSB(),31,实际电路中，理想的滤波特性不易实现，所 有的滤波器都不可能是真正的矩形，其上升沿和 下降沿都有一定的过渡带。 通常，滤波器的中心频率越高，过渡带就 会越宽，实现矩形滤波就越困难。即实现滤波器 的难易与过渡带与载频的归一化值有关。 在高频情况下，要实现窄带滤波，通常只有 采用多级调制的方式。,32,例3-2 某单边带调制信号要求载频为10MHZ， 调制信号频带为300-3400HZ，试用两级调制实现。 解：如果采用一级实现。必须要求在10MHZ 中心频率情况下，过渡带的带宽要小于60OHZ，即 过渡带相对于载频的归一化值要小于6*10-5，这是 不可能实现的。故采用二级调制，如图所示。,33,以上是多级调制频谱图，每级过渡带相对于载 频的归一化值只要求小于6*10-3，这是可以实现的。,34,要把一个低通信号调制成单边带，如视频 信号等，由于信号频谱中有直流成分（零频）， 通过平衡调制后产生的双边带已调信号中， 上边带与下边带完全连在一起，不能通过滤波 器选出单边带信号。 故引出相移法。,35,（2）相移法,USB,+,-,-,36,相移法形成单边带信号原理如下图所示。 SSB信号第一项为同相分量，第二项为正交分量。 若调制信号为非周期信号，则通过希尔伯特变换实现SSB信号的产生。,37,希尔伯特变换的意义?,数学意义：完成一种运算 物理意义：完成对信号的改变 幅度特性：全通网络 相角特性：宽带相移网络,38,希尔伯特变换关系： 时域关系为： 由于 其传递函数为： 频域表达式为：,物理意义: f(t)信号通过传递函数为 -jsgn的滤波器可以得到其希尔伯特变换式。,39,由于 所以 而 和 分别对应有： 和 将上述二表达式带入卷积表达式，经推导可得上下边带的SSB分别为：,40,上下边带之和为： 移相法产生SSB信号原理如下图。,移相法： 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,41,42,SSB信号的解调 不能用包络解调。相干解调原理如右下图所示。 由于输入信号为： 所以 经低通后输出为：,43,SSB信号的特点,性能分析 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。 相移法和时域表达式相对应 时域表达式的意义 给出了基带信号和已调信号之间的定量关系，是定量计算的基础 能说明已调信号的类型：幅度调制、组成分量 系数的影响,单边带调制节省带宽和功率，实现困难 双边带调制容易实现，占用2倍带宽,折衷方案： 在实现难度和 占用带宽中折衷,44,3.3 残留边带调制（VSB）,介于SSB与DSB之间的折中方案。,45,VSB信号的产生,应该具有怎样 的滤波特性 ？,VSB信号的解调,应该具有怎样 的滤波特性？,46,相干解调输出信号的频谱为：,经低通后输出,整理合并，得,47,若要无失真恢复 f(t)， VSB滤波器的传输函数必须满足：,含义：,48,残留边带滤波器的几何解释：,49,VSB信号的特点,仅比SSB所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。 应用：商业电视广播中的电视信号传输等。,50,滤波法,3.4 线性调制（幅度调制）的一般模型,相移法,51,解调的任务!,f(t),52,相干解调 与 包络检波,相干解调,53,包络检波,54,55,3.6 线性调制系统的抗噪声性能,先明确几个概念 1、噪声分为两种： 加性干扰：外界造成的突发性脉冲干扰、内部 有源器件造成的起伏干扰。 乘性干扰：内部非线性器件产生的交调、互调。 这里主要考虑对已调信号有持续影响的起伏 干扰，据产生机理和实验测量表明，起伏干扰是 各态历经的平稳高斯白噪声。,56,“各态历经”统计平均值等于时间平均值。 “平稳”-概率密度函数与时间无关。 “高斯”-概率密度函数为高斯分布。 “白”-功率谱密度函数为均匀分布。 以下是噪声分布模型：噪声只对接收系统 产生影响，下面主要讨论接收系统的抗干扰性。,57,在接收机的设设计中，为了提高信噪比，通常 在低噪声放大器（高放）后加一级窄带带通滤波 器。其传递函数如下图。,58,由随机过程理论可知，平稳高斯白噪声通过窄带滤波后（带通滤波器带宽中心频率）后，可以表示如下：,59,在分析系统的抗噪性能之前先明确几个概念： （1）噪声的同相分量、正交分量功率与噪声功率相等。,（2）对于AM、DSB，n(t)经过BPF后，得：,60,对于ASM、DSB信号，B=2fm,对于SSB信号，B=fm,61,分析模型,高斯白噪声,已调信号,BPF,62,窄带高斯噪声,输出噪声,输出信号,高斯白噪声,已调信号,BPF,解调器,相干解调 包络检波,63,分析模型,解调器,性能指标,信噪比增益：,输出信噪比：,BPF,64,用dB值表示信噪比:10lg(S/N),为什么用dB值表示信噪比 ？ dB：单位，无量纲 声音功率倍数： 增强10倍；增强100倍；增强1000倍 人耳的感觉： 增加1倍；增加2倍；增加3倍 人耳的感觉与声音功率倍数的对数成正比，使用dB值符合人体感官规律。,65,线性调制相干解调系统的抗噪声性能,相干解调器,Si,So,No,Ni,DSB,66,B=2fH,67,原因,正交分量,68,SSB相干解调系统的抗噪声性能,相干解调器,Si,So,No,Ni,69,B=2fH,B=fH,SSB,DSB,70,相干解调抑制正交分量（无论信号还是噪声）,原因,正交分量,71,能否说：DSB系统的抗噪声性能 优于 SSB 系统呢？,在相同的Si，n0， fH条件下：,B=2fH,B=fH, DSB和SSB的抗噪声性能相同。,QA,72,合成包络,AM 包络检波系统的抗噪声性能,73,（1）大信噪比时,隔掉,检波输出：,74,讨论：,由于|f(t)|max A0 ，所以GAM 1，即 100%调制，且 f(t) 为单频正弦时： 相干解调的GAM 如同上式，但不受信噪比条件的限制。,75,（2）小信噪比时,可见：,76,大信噪比时：,小信噪比时：门限效应,AM-包络检波系统的抗噪声性能：,归纳,门限效应 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，通常把这种现象称为解调器的门限效应。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。,77,1双边带调幅 (1)常规调幅信号 时域表达式，时域波形，调幅指数 频域表达式，频谱图，信号的带宽 常规调幅信号的功率，调制效率 (2)抑制载波双边带调幅 时域表达式，时域波形 频域表达式，频谱图，信号的带宽,78,(3)常规调幅信号和双边带信号的调制与解调 常规调幅信号和双边带信号的调制 双边带信号的相干解调 常规调幅信号的包络检波 2单边带调制 用滤波法形成单边带信号，频域表达式及带宽 用相移法形成单边带信号，时域表达式 单边带信号的相干解调,79,3残留边带调制 用滤波法形成残留边带信号，频域表达式及带宽 残留边带信号的相干解调 残留边带滤波器的特性,80,二、线性调制系统的抗噪声性能 通信系统的抗噪声性能分析模型 抗噪声性能的指标：输出信噪比、信噪比增益 相干解调 双边带调制相干解调的抗噪声性能 单边带调制相干解调的抗噪声性能 常规调幅包络检波的抗噪声性能,81,难点分析,调制信号、载波和已调信号 调制信号即基带信号，指来自信源的消息信号。 载波指未受调制的周期性振荡信号，如正（余）弦波或周期性脉冲信号。 已调信号是载波经过调制后的信号，通常以调制方式作为已调信号的名称，例如幅度调制信号、频率调制信号等。 相干载波和相干解调 一般来说相干载波要从接收信号中提取。 有些发射机在发送已调信号的同时发送导频信号作为解调载波使用。,82,解调方法和门限效应 相干解调没有门限效应。 相干解调器由相乘器和低通滤波器组成，在解调过程中信号和噪声可以分开处理，所以没有门限效应。 非相干解调指包络检波。 包络检波器由整流器和低通滤波器组成，在解调过程中信号和噪声无法分开处理。 当输入信噪比低于一定数值时，解调器的输出信噪比急剧恶化，这种现象称为门限效应。,83,易混淆的概念： 单边带/双边带信号 单边/双边带宽 单边/双边功率谱密度 基带信号的带宽W与已调信号的带宽B,84,3.6 频分多路复用及线性调制应用,多路复用： 把多个彼此不相关的信号合并为一个复合的群信号，可在一条信道上同时进行通信的方法。 频分多路复用: (Frequency Division Multiplexing,FDM),85,频分多路复用的原理方框图如图6-2所示,86,FDM最典型的例子是在一条物理线路上传送多路话音信号的多路载波电话系统 考虑到大容量载波电话在传输中合群、分群的方便，现已形成了一套标准的等级。,多路载波电话,87,其中，基群、超群和基本主群的关系如图，在图中可以看出，各种等级群路信号的基本频带并不是在实际信道中传输的频带，在送入信道前还要进行频率搬移,88,广播电视,中波、短波、调频等广播系统的多个节目采用频分复用。 有线及无线电视系统（VHFH和UHF频段）的多个频道都采用频分复用。 广播电视每个节目的基带信号也采用频分复用。,89,黑白电视的频谱,90,彩色电视的频谱,91,立体声广播的频谱,92,立体声广播信号的产生,93,立体声广播信号的解调,94,自测题,（1）传送单频信号时，常规双边带调幅信号的不失真传输条件是什么？ （2）线性调制相干解调时，若采用不同频率、不同相位的载波，有什么影响？ （3）采用什么办法，才能用包络检波对双边带抑制载波调制信号实现解调？ （4）什么叫门限效应？哪些模拟调制，在什么情况下会出现门限效应？ （5）定性解释残留边带无失真解调时的互补特性。 （6）画出线性调制相移法的一般模型。 （7）立体声广播中采用了哪几种模拟调制？ （8）将单边带信号的滤波法与相移法形成作一比较。,95,作 业,P65-66 3.7 3.8 3.13 3.14 3.22,96,