通信原理第5章(樊昌信第七版)PPT课件.ppt

1、 课 件 模拟调制系统模拟调制系统 通信原理（第7版）第5章樊昌信 曹丽娜 编著调制简介定义 目的 分类线性调制（幅度调制）原理 线性调制系统的抗噪声性能 非线性调制（角度调制）原理 各种模拟调制系统的性能比较 频分复用（FDM） 本章内容: 第5章 模拟调制 调制目的各种调制解调原理抗噪性能特点应用FDM调制简介n 调制定义调制定义调制：把 消息信号 搭载到 载波 的某个参数上。 比喻货物运输： 将 货物 装载到 飞机/轮船 的某个仓位上。载波：一种高频周期振荡信号，如正弦波。 受调载波称为已调信号，含有消息信号特征。解调：调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。 何谓调制？进行频谱搬移频谱

2、搬移，匹配信道特性匹配信道特性，减小天线尺寸减小天线尺寸；实现多路复用多路复用，提高信道利用率提高信道利用率；改善系统性能系统性能（有效性、可靠性）；实现频率分配频率分配 看来，调制在通信系统中起着至关重要的作用！对呀，不同的调制方式，具有不同的特点和性能!n 调制目的调制目的为什么要进行调制？消息信号基带信号 正弦波脉冲序列受调载波含有m(t) 信息 调制信号调制信号 载波载波 已调信号已调信号n 调制分类调制分类( )m t( )mst运载工具多种形式同义词先认识一下调制过程 所涉及的 三种信号7模拟调制数字调制连续波调制脉冲调制幅度调制频率调制相位调制按调制信号m(t)的类型分按载波信号

3、c(t)的类型分线性调制非线性调制按正弦载波的受调参量分 按已调信号 的频谱结构分调制方式分类：调制方式分类：都有哪些调制方式？n 幅度调制幅度调制（线 性）： AM、DSB SSB、VSB n 角度调制角度调制（非线性）：FM、PM ( )cos()cc tAt本章研究的模拟调制模拟调制方式： 是以正弦信号 作为载波的 n 一般模型一般模型5.1 幅度调制(线性调制)的原理( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )()()( )2mccSMMH边带滤波器边带滤波器( )( )h tH5.1.1 常规常规调幅调幅(AM) 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt

4、0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和nAM表达式表达式nAM调制器调制器条件条件：边带项载波项nAM波形和频谱波形和频谱12nAM信号的信号的特点特点l 时，AM波的包络正比于调制信号m(t)， 故可采用包络检波。 lAM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。lAM传输带宽是调制信号带宽的两倍： lAM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。AM2HBf 0maxm tAlAM信号功率：nAM信号的缺信号的缺点点20AM2( )22scAtPmPP0max( )m tA220( )m tAAM50%故边带功率边带功率 0AMccoscoscttm ttsA载波功率载波功率

5、2sAM22AM0( )( )Pm tPAm tAM功率利用率低！功率利用率低！l调制效率(功率利用率)： -不含有用信息 ，却“浪费”大部分的发射功率。 -包含有用信息m(t)， 满调幅时，边带功率最大。 定义调幅系数 m（用百分比表示时，又称调幅度） 反映基带信号改变载波幅度的程度： max0( )mm tAm1 过调幅载波边带 当然， AM正是利用这种“浪费”去换取解调的“便宜”，即包检。2sAM22AM0( )( )Pm tPAm tmax0( )mm tA22220AM2222200/22/2mmmmAAAmAAAAm( )cosmmm tAt设（单音正弦），22( )/2mm tA

6、则当m=1(满调幅)时，AM调制效率的最大值仅为1/3， 可见，AM的功率利用率很低。高调幅度的重要性！高调幅度的重要性！ 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和条件：如何提高调制效率？抑制载波！ QA5.1.2 双边带调制双边带调制(DSB-SC) cDSBcosm tstt cDSBc12MMS 0m t 条件：nDSB表达式表达式nDSB调制器调制器double-sideband suppressed carriernDSB波形和频谱波形和频谱nDSB信号的信号的特点特点l包络不再与m(t)成正比；当m(t)改变符

7、号时载波相位反转，故不能采用包络检波，需相干解调。 l无载频分量，只有 上、下 边带。l带宽与AM的相同： l调制效率100，即功率利用率高。l主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。DSBAM2HBBf 能否只传输 一个边带？ QA5.1.3 单单边带调制边带调制(SSB)nSSB信号的产生信号的产生(1) 滤波法滤波法 技术难点之一技术难点之一原理原理： 先形成DSB信号，边带滤波即得上或下边带信号。要求：要求： 滤波器HSSB() 在载频处具有陡峭的截止特性。边带滤波特性边带滤波特性 HSSB() 11cossscoinsin22mccmmmtAtAtt cosmm

8、m tAt设 coscosDSBmmcstAtt LSB1cos2mcmstAt 11cossin22ccttm tm t1cosc21os2mcmmcmAtAt（2）相移法 coscc tt载波USB + - - 10sgn10，传递函数传递函数：( )( )sgn( )hMHjM m t 是 m(t)的希尔伯特变换 含义含义：幅度不变，相移/2 Hh() 对 m(t) 的所有 频率分量精确相移 /2 技术难点之二技术难点之二 SSB11cossin22ccStm ttm tt下边带上边带 要求要求：nSSB信号的信号的特点特点l优点之一是频带利用率高频带利用率高。传输带宽为AM/DSB的一

9、半： l因此，在频谱拥挤的通信场合获得了广泛应用，尤其在短波通信短波通信和多路载波电话多路载波电话中占有重要的地位。l优点之二是低功耗低功耗特性，因为不需传送载波和另一个边不需传送载波和另一个边带而节省了功率带而节省了功率。这一点对于移动通信系统尤为重要。l缺点是设备较复杂，存在技术难点缺点是设备较复杂，存在技术难点。也。也需相干解调。需相干解调。SSBAM/2HBBf5.1.4 残留残留边带调制边带调制(VSB)介于介于SSB与与DSB之间的折中方案。之间的折中方案。nVSB信号的产生信号的产生应该具有怎样的滤波特性 ？nVSB信号的解调信号的解调 VSBDSB12ccSSMMHH应该具有怎

10、样的滤波特性？ 28 VSB2cospcststt VSBVSBpccSSS相乘相乘： VSB12ccSMHM1( )22122cccpcSMMHHMMLPF解调输出：解调输出： d12ccHSMH若要无失真恢复 m(t)， VSB滤波器的传输函数必须满足：在在载频载频处处 具有具有互补对称互补对称 特性特性()()ccHHH常数，含义含义： d12ccHSMH()()ccHHH常数，n残留边带滤波器的几何解释：残留边带滤波器的几何解释：nVSB信号的信号的特点特点l 仅比SSB所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。l 应用：商业电视广播中的电视信号传输电视信号传输等。VSB2HHfBfn

11、滤波法滤波法( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )()()( )2mccSMMH5.1.5 线性线性调制调制(幅度调制)的的一般模型一般模型n相移法相移法( )( )h tH在接收端，如何从在接收端，如何从已调信号已调信号中恢复出中恢复出调制信号调制信号m(t)呢呢？ QA解调的任务!5.1.6 相干解调相干解调与包络检波包络检波n相干解调相干解调 适用适用：AM、DSB、SSB、VSB特点特点：无门限效应：无门限效应要求要求：载波同步：载波同步35n包络检波包络检波 适用适用：AM 信号优势优势：简单、无需载波同步 要求要求：|m(t)|max小于等于小于等于A0 36n插

12、入载波包络检波法插入载波包络检波法 适用适用： DSB、SSB或VSB等抑制载波的已调信号原理原理：将这些信号插入恢复载波，使之成为或近似 为AM信号，然后用包络检波器恢复出m(t)要求要求：Ad 很大，载波同步方法方法：发端/收端插入载波 37n分析模型分析模型5.2 线性调制系统的抗噪声性能高斯白噪声已调信号已调信号 B 和 f0 取决于已调信号的频谱DSB信号：信号：B=2fH f0=fcSSB信号信号：B= fH f0=fcfH /2BPF5.2.1 模型模型与指标指标38窄带高斯噪声输出噪声输出信号i0222ics( )( )( )n tn tn tNn B高斯白噪声已调信号BPF解

13、调器相干解调包络检波ic0s0( )( )cos( )sinn tn ttn tt39n分析模型分析模型解调器ooii/SNGSN2oo2oo( )( )Sm tNn t2ii2ii( )( )SstNntn性能指标性能指标制度增益：输出信噪比：BPF405.2.2 DSB-相干解调相干解调系统的抗噪声性能相干解调器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni DSB21cos1cos22利用（）41DSB2Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t22

14、2ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH 2i12Smt 2o14Sm ti0Nn Boi14NNoioi2SSNN即020cocs( )ostc ttsin22sincos利用c000s2i0( ) cosco( )sin)co(ssn ttn tttn tt 相干解调将相干解调将 ni(t)中的中的正交分量正交分量抑制掉，抑制掉，从而使信噪比改善从而使信噪比改善1倍倍。ooDSBii/2/SNGSNoioi2SSNN即sin22sincos利用原因原因正交分量正交分量5.2.2 DSB -相干

15、解调相干解调系统的抗噪声性能相干解调器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni 11cosis n22ccmm tttm tst 2o116Smto1( )4( )m tm t2i1( )4Sm t5.2.3 SSB 44SSB1Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH oioiSSNN即i0Nn BB=fH

16、 SSBDSBoN 2o116Smt2i1( )4Sm ti0Nn Boi14NNi14N 相干解调抑制正交分量相干解调抑制正交分量 （无论信号还是噪声） 11cosis n22ccmm tttm tstic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttooSSBii/1/SNGSNoioiSSNN即原因原因正交分量正交分量SSB1GoioiSSNN即DSB2Goioi2SSNN即ooooDSBSSBSSNN 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 i0Nn Bi0Nn B DSB和SSB的抗噪声性能相同。

17、 QA合成包络5.2.4 AM 包络检波包络检波系统的抗噪声性能 22022itSmAAM0( )( )coscstAm ttic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn tt0iNn B icc0cscossinmAm tn tstn tn ttt cosctttE48（1）大大信噪比时信噪比时 220cs( )( )( )Am tn ttn tE隔掉220cs( )( )( )Am tn tn t 0cAmnE ttt omt on t 22oomtmSt 2oicnNNt2AM2202( )( )m tGAm t检波输出检波输出：49 讨论讨论：2AM2202( )( )m

18、 tGAm tl由于|m(t)|max小于等于 A0 ，所以GAM 1，即l100%调制，且 m(t) 为单频正弦时：l相干解调的GAM 如同上式，但不受信噪比条件的限制。oioiSSNN32AMG50 小信噪比时，信号被扰乱成噪声，导致输出 信噪比急剧恶化门限效应门限效应。 22csntRntt arctansctntnt（2）小小信噪比时信噪比时220( )( )( )csAm tn tn t cosER ttm ttA 220cs( )( )( )Am tn ttn tE 可见：可见：原因原因：包络检波器 的非线性解调作用。u大大信噪比时信噪比时：u小小信噪比时信噪比时：门限效应门限效应

19、AM-包络检波包络检波系统的抗噪声性能：系统的抗噪声性能：2AM2202( )( )m tGAm t32AMG100% 单音正弦归纳归纳BPF解调器相干解调相干解调包络检波包络检波SSB1GDSB2G2AM2202( )( )m tGAm tB=2fH f0=fcB= fH f0=fcfH /2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能：DSBSSBVSBAM抑制正交分量相干解调相干解调小结小结535.3 非线性调制非线性调制(角度调制)原理原理n概述概述l角度调制：FM和PM的总称。l载波的幅度恒定，而频率或相位受调制。l属于非非线性调制。l抗噪声性能优于幅度调制优势。545.3.1

20、 角度调制的基本概念角度调制的基本概念 n1 角角调信号一般表达式调信号一般表达式( )cos( )mcstAtt载波的恒定振幅载波的恒定振幅 Omegact +Phi(t) 已调信号的瞬时相位已调信号的瞬时相位 相对于相对于Omegact的的瞬时相位偏移瞬时相位偏移Omegac+dPhi (t)/dt 已调信号的瞬时角频率已调信号的瞬时角频率 相对于相对于Omegac的的瞬时角频偏瞬时角频偏55Kf =rad/(sV)Kp调相灵敏度(rad/V）( )cos( )mcstAttPM( )cos( )pcstAKtm tPM：FM：角调信号：( )( )pKtm t( )( )fdtm tdt

21、KFM( )( )coscfstAdtKm56 n2 PM与与 FM的关系的关系l PM 是 相位偏移 随 m(t) 作 线性 变化；l FM 是 相位偏移 随 m(t) 的积分作 线性 变化。若预先不知m(t)形式，能否判断已调信号是PM还是FM信号?57( )( )fdtm tdtKFM( )( )coscfstAdtKm( )( )ftmdK max(0.56fKm t dt或）则为窄带调频（NBFM）；否则宽带调频（WBFM）若最大瞬时相位偏移满足：5.3.3 宽带宽带 调频调频 58fmfmmmK Afmf最大相位偏移最大相位偏移n1 单音调频单音调频 FM 调频指数调频指数( )c

22、osmmm tAt cossinfmmfmmmtK At dtK Atsinfmmt cosmmfdtAKtdt最大角频偏 2mmffmK A2fmfm fFM( )cossinfcmstAtmt单音调频信号单音调频信号：， 则 设59n2 FM信号的频谱与带宽信号的频谱与带宽 FMcossincfmstAtmt FM()cos()ncmnfmJstAntFM( )()()()nfcmcmSAJmnn 第一类 n 阶贝塞尔函数 是调频指数 mf 的函数傅里叶变换傅里叶变换级数展开级数展开讨论讨论l 载频分量 和无数多对边频 (分布在两侧)； l 边频幅度 AJn(mf) 随着 n 的增大而逐渐

23、减小；l 工程上，保留上、下边频分量共有 2n=2(mf+1)个；相邻边频之间的频率间隔为 fm，所以FM带宽近似为：FM2(1)2()fmmBmfff FM12fmBmf时：FM12fBfm 时：窄带调频(NBFM)宽带调频(WBFM) FM频谱和传输带宽：CCmnC对于多音或任意带限调制信号时的FM信号： FM广播的最大频偏f = 75kHz，最高调制频率fm=15kHz， 故调频指数mf 5，FM信号的频带宽度为：推广推广：调制信号的最高频率FM2(1)2()fmmBmfff 例如例如：FM2(5 1) 152(75 15)180 kHzBn3 FM信号的功率分配信号的功率分配 FFM2

24、MsPt22()2nfnAJm22cPA载波功率 调制后总的功率不变，只是重新分配，而功率分配的比例与调频指数mf 有关。 FM()cos()ncmnfmJstAnt=1n4 FM的特点的特点 优势优势 应用应用应用：要求高质量或信道噪声大的场合，例如：调频广播，电视伴音、卫星通信、移动通信、微波通信和蜂窝电话等系统中。l包络恒定；l频偏随调制信号m(t)作线性变化；l相偏随消息信号m(t)的积分作线性变化；l带宽与m(t)的带宽和mf 有关，比AM带宽大(mf+1) 倍。优势：抗噪声能力强； 代价：占用较大的信道带宽，因而频谱利用率较低。5.3.4 调频调频信号的产生与解调信号的产生与解调n

25、1 调频调频信号的产生信号的产生 1)直接法直接法原理原理：调制电压控制振荡器的频率： 0iftK m t优点优点：电路简单、可获得较大的频偏；缺点缺点：频率稳定度不高，可采用PLL调频器进行改进。Voltage-controlled oscillator 652)间接法间接法原理原理：积分 调相(NBFM) n次倍频 WBFM优点优点：频率稳定度好；缺点缺点：需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。66n2 调频调频信号的解调信号的解调 1)非相干解调非相干解调2) 相干解调相干解调适用：NBFM和WBFM思路：完成频率电压的转换，即：FM( )cos( )cfstAtKmdo( )( )fm

26、tK m t鉴频器鉴频器一种振幅鉴频器仅适用NBFM微分器：把幅度恒定的调频波 调幅调频波 ： 包络检波器包络检波器：检出包络并滤去直流， 原理原理：( )( )sin)(ccffds tAtdK m tKm )()(otmKKtmfd幅/频都随m(t)变化经LPF即得解调输出： FM( )cos( )cfstAtKmd685.4 调频调频系统的抗噪声性能抗噪声性能模型和方法与线性调制系统相似。解-鉴频器：单音调制时FM2(1)2()fmmBmfff n大信噪比时： 2FM3(1)ffGmm可见可见：FM系统可通过增加传输带宽带宽来改善抗噪声性能;注意注意: 以带宽换取输出信噪比改善并不是无止

27、境的。n小信噪比时：门限效应门限效应mf 69所有系统在所有系统在“同等条件同等条件”下进行比较下进行比较： 解调器输入信号功率为解调器输入信号功率为 Si 信道噪声均值为信道噪声均值为0，单边单边功率谱密度为功率谱密度为 n0 基带信号带宽为基带信号带宽为 fm 其中其中AM的调幅度为的调幅度为 100% ，正弦型调制信号正弦型调制信号5.5 各种模拟模拟调制系统调制系统的比较比较调制方式信号带宽输出信噪比制度增益设备AMDSBSSB VSBFM2mfmfmf略大于2mf21fmmf2/3231ffmm 0imSn f0imSn f013imSn f2032ifmSmn f21SSB近似SS

28、B近似简单简单中等中等中等中等复杂复杂复杂复杂n性能比较： 1）抗噪声性能：FM最好，DSB/SSB、 VSB次之，AM最差；2）频谱利用率：SSB最高，VSB较高， DSB/AM次之，FM最差；3）功率利用率：FM最高，DSB/SSB、 VSB次之，AM最差； 4）设备复杂度：AM最简，DSB/ FM次之， VSB较复杂， SSB最复杂。n特点与应用 1）AM：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。2）DSB：优点是功率利用率高，带宽与AM相同。主要用于调频立体声中的差信号调制，彩色TV中的色差信号调制。3）SSB：优点是功率利用率和频带利用率都较

29、高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是收发设备都复杂。常用于频分多路复用系统中。4）VSB：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播等系统中得到了广泛应用。5）FM： 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。5.6 频分复用频分复用(FDM)l复用：在一条信道中同时传输多路信号l目的：充分利用信道的频带或时间资源l分类：FDM、TDM、SDM、CDMl频分：按频率划分信道的复用方式l方法：调制 合成 传输 分路 解调l原理： 图示 nFDM系统原理框图： n典型例子-多路载波电话系统（目前，TDM替代）替代）层次结构层次结构： 基群频谱结构示意图：基群频谱结构示意图： 12 路 一个基群 5 个基群 一个超群（ 60路电话） 10个超群 一个主群（600路电话） 多个主群 一个巨群 （每路4kHz）76配套辅导教材： 曹丽娜 樊昌信 编著 国防工业出版社 整理知识 归纳结论梳理关系 引导主线剖析难点 解惑疑点强化重点 点击考点 谢谢！感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！