通信原理-课件-第5章.ppt

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1、1第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 基本概念基本概念 调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。 广义调制 分为基带调制和带通调制(也称载波调制)。 狭义调制 仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合,调制一词均指载波调制。 载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程。 调制信号 指来自信源的基带信号 载波信号 未受调制的周期性振荡信号,它可以是正弦波,也可以是非正弦波。(用于传递消息的信号) 已调信号 载波受调制后称为已调信号。 解调(检波) 调制的逆过程,其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。 2第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 调制的目的 u使已调信号的频谱与信道的带

2、通特性相匹配。u把多个基带信号分别搬移到不同的载频处,以实现信道的多路复用,提高信道利用率。u扩展信号带宽,提高系统抗干扰、抗衰落能力,还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。 调制分类 u依调制信号不同分:模拟调制和数字调制u依载波信号不同分:连续波调制和脉冲调制u依载波参数不同分:幅度、频率、相位调制或脉宽、脉幅、脉位调制u依已调信号频谱结构分:线性调制和非线性调制3第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统常见的模拟调制u幅度调制:调幅、双边带、单边带和残留边带u角度调制:频率调制、相位调制 本章研究的内容u线性调制和非线性调制的原理u线性调制的抗噪声性能分析u频分复用 学习中注意的问题u调制与解

3、调的方框图u已调信号的数学表达式、波形及其频谱u信号调制、解调前后的频带变化u调制系统的抗噪声性能4第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统5.1幅度调制(线性调制)的原理幅度调制(线性调制)的原理一般原理u表示式:设:正弦型载波为式中,A 载波幅度; c 载波角频率; 0 载波初始相位(以后假定0 0)。 则根据调制定义,幅度调制信号(已调信号)一般可表示成式中, m(t) 基带调制信号。()0( )coscc tAtwj=+( )( )cosmcstAm ttw=5第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频谱设调制信号m(t)的频谱为M(),则已调信号的频谱为u由以上表示式可见,在波形上,已调信

4、号的幅度随基带信号的规律而正比地变化;在频谱结构上,它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。由于这种搬移是线性的,因此,幅度调制通常又称为线性调制。但应注意,这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上,任何调制过程都是一种非线性的变换过程。 ( )()()2mccASMMwwwww=+-6第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统5.1.1调幅(AM)u时域表示式式中 m(t) 调制信号,均值为0; m0 常数,表示叠加的直流分量。u频谱:若m(t)为确知信号,则AM信号的频谱为若m(t)为随机信号,则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述。u调制器

5、模型00( )( )coscos( )cosAMcccstmm ttmtm ttwww=+=+01( ) ()()()()2AMccccSmMMwpd wwd wwwwww=+-+-7第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u波形图和频谱图8第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 由波形可以看出,当满足条件:|m(t)| max m0 时,其包络与调制信号波形相同,因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号。否则,出现“过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真。但是,可以采用其他的解调法,如同步检波。 由频谱可以看出,AM信号的频谱由载频分量、上边带、 和下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号

6、的频谱结构相同,下边带是上边带的镜像。9第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uAM信号的特性 带宽:它是带有载波分量的双边带信号,带宽是基带信号带宽 fH 的两倍: 功率:当m(t)为确知信号时,若则式中Pc = A02/2 载波功率, 边带功率。2AMHBf=22202222200( )( ) coscos( )cos2( )cosAMAMccccPstAm ttAtm ttA m ttwwww=+=+( )0m t =220( )22AMcSAmtPPP=+=+2( )/2sPm t=10第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 调制效率 由上述可见,AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部

7、分。只有边带功率才与调制信号有关,载波分量并不携带信息。有用功率(用于传输有用信息的边带功率)占信号总功率的比例称为调制效率:当m(t) = Am cos mt时,代入上式,得到当|m(t)|max = A0时(100调制),调制效率最高,这时max 1/3()()2220SAMAMmtPPAmth=+22( )/2mmtA=()()222222002mAMmmtAAAAmth=+11第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.1.2 双边带调制(DSB)u时域表示式:无直流量A0u频谱:无载频分量 u曲线:( )( )cosDSBcstm ttw=1( )()()2DSBccSMMwwwww=

8、+-12第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u调制效率:100u优点:节省了载波功率u缺点:不能用包络检波,需用相干检波,较复杂。 5.1.3 单边带调制(SSB)u原理: 双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M()的所有频谱成分,因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率,还可节省一半传输频带,这种方式称为单边带调制。 产生SSB信号的方法有两种:滤波法和相移法。 13第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图 用边带滤波器,滤除不要的边带: 图中,H()为单边带滤波器的传输函数,若它具有如下理想高通特性:则可滤除下边带。若具有如下

9、理想低通特性:则可滤除上边带。1,( )( )0,cUSBcHHwwwwww= 1,( )( )0,cLSBcHHwwwwww= - +220( )( )( )( )csE tAm tn tn t=+22200( )( )2( )( )( )( )ccsE tAm tAm t n tn tn t=+200120000( )2( )( )2( )( ) 1( )( )( ) 1( )cccAm tAm t n tn tAm tAm tn tAm tAm t+轾犏+犏+臌轾犏+犏+臌0( )( )cAm tn t=+12(1)1,12xxx+ +当时50第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统由上式可

10、见,有用信号与噪声独立地分成两项,因而可分别计算它们的功率。输出信号功率为输出噪声功率为故输出信噪比为制度增益为2o( )Sm t=22o0( )( )ciNn tn tn B=2oo0( )Sm tNn B=2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t=+51第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统讨论1. AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加。2. GAM总是小于1,这说明包络检波器对输入信噪比没有改善,而是恶化了。3. 例如:对于100%的调制,且m(t)是单频正弦信号,这时AM 的最大信噪比增益为4. 可以证明,采用同步检测法解调AM信号时,得到的调制制度增益与

11、上式给出的结果相同。 5. 由此可见,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同步检测器时的性能几乎一样。2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t=+23AMG=52第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 小信噪比情况此时,输入信号幅度远小于噪声幅度,即包络变成其中R(t) 和 (t) 代表噪声的包络及相位:220( )( )( )csAm tn tn t+ +( )( ) 1cos ( )( )Am tR t tR t轾+犏+犏臌02( )( )( ) 1cos ( )( )Am tE tR t tR t+=+12(1)1(12xxx+ )( )( )

12、cos ( )R tAm t t=+54第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统讨论1. 门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。 2. 用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调,解调器输出端总是单独存在有用信号项。3. 在大信噪比情况下,AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同。但当输入信噪比低于门限值时,将会出现门限效应,这时解调器的输出信噪比将急剧恶化,系统无法正常工作。55第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.3 非线性调制(角度调制)的原理非线性调制(角度调制)的原理 前言u频率调制简称调频(FM),相位调制简称调相(PM)。u这

13、两种调制中,载波的幅度都保持恒定,而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化。u角度调制:频率调制和相位调制的总称。u已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移,而是频谱的非线性变换,会产生与频谱搬移不同的新的频率成分,故又称为非线性调制。u与幅度调制技术相比,角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。 56第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.3.1角度调制的基本概念 uFM和PM信号的一般表达式角度调制信号的一般表达式为式中,A :载波的恒定振幅; :信号的瞬时相位; :瞬时相位偏移。 :称为瞬时角频率 :称为瞬时频率偏移。( )( )c t t t+=( )cos( )mcstA

14、t t=+( ) t( )/( )cd t tdt t+=( )/d tdt57第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u相位调制(PM):瞬时相位偏移随调制信号作线性变化,即式中Kp 调相灵敏度,含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量,单位是rad/V。将上式代入一般表达式得到PM信号表达式( )( )p tK m t=( )cos( )PMcpstA tK m t=+( )cos( )mcstA t t=+58第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频率调制(FM):瞬时频率偏移随调制信号成比例变化,即式中 Kf 调频灵敏度,单位是rad/sV。 这时相位偏移为将其代入一般表达式得到FM

15、信号表达式( )( )fd tK m tdt=( )( )tftKmd- =jtt( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wtt( )cos( )mcstA t t=+59第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uPM与 FM的区别 比较上两式可见, PM是相位偏移随调制信号m(t)线性变化,FM是相位偏移随m(t)的积分呈线性变化。 如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式,则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。( )cos( )PMcpstA tK m t=+( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wtt60第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u单音调制FM与PM设调制

16、信号为单一频率的正弦波,即 用它对载波进行相位调制时,将上式代入 得到式中,mp = Kp Am 调相指数,表示最大的相位偏移。( )coscos2mmmmm tAtAf t=wp( )cos( )PMcpstA tK m t=+PM( )coscoscpmmstAtK At=+wwcosscpmAtm cot=+ww61第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统用它对载波进行频率调制时,将代入得到FM信号的表达式式中调频指数,表示最大的相位偏移最大角频偏 最大频偏。 ( )coscos2mmmmm tAtAf t=wpFM( )coscostcfmmstAtK Ad- =+ww t t( )cos

17、( )tFMcfstAtKmd- =+wttcosncfmAtm sit=+wwfmfmmmK AfmfDD=wwwfmK AD=wfmfmfD=62第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uPM 信号和FM 信号波形 (a) PM 信号波形 (b) FM 信号波形 63第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uFM与PM之间的关系由于频率和相位之间存在微分与积分的关系,所以FM与PM之间是可以相互转换的。 比较下面两式可见 如果将调制信号先微分,而后进行调频,则得到的是调相波,这种方式叫间接调相;同样,如果将调制信号先积分,而后进行调相,则得到的是调频波,这种方式叫间接调频。 ( )cos( )PM

18、cpstAtK m t=+( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wtt64第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统方框图 (a)直接调频 (b)间接调频 (c) 直接调相 (d) 间接调相65第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.3.2 窄带调频(NBFM)u定义:如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足下式条件 则称为窄带调频;反之,称为宽带调频。( )0.56tfKm d- (或)66第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u时域表示式将FM信号一般表示式展开得到当满足窄带调频条件时,故上式可简化为( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wttcoscos( )sinsin(

19、)ttcfcfAtKmdAtKmd- - =-蝌wttwtt1( )tfKm d- cos( )1sin( )( )tfttffKmdKmdKmd- - - 蝌tttttt( )os( )sintNBFMcfcstActAKmdt- -wttw67第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频域表示式利用以下傅里叶变换对可得NBFM信号的频域表达式( )( )cos ()()sin ()()ccccccm tM t tj +-+-( )( )M m t dtj(设m(t)的均值为0) ()()1( )sin2cccccMMm t dttwwwwwwwww轾+-犏-犏+-臌NBFM( ) ()()cc

20、sA=+-wpd wwd ww()()2fccccAKMM轾-+犏+-犏-+臌wwwwwwww68第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uNBFM和AM信号频谱的比较两者都含有一个载波和位于 处的两个边带,所以它们的带宽相同不同的是,NBFM的两个边频分别乘了因式1/( - c)和1/( + c) ,由于因式是频率的函数,所以这种加权是频率加权,加权的结果引起调制信号频谱的失真。另外,NBFM的一个边带和AM反相。1( ) ()()()()2AMccccSAMM=+-+-wpd wwd wwwwwwNBFM( ) ()()ccsA=+-wpd wwd ww()()2fccccAKMM轾-+犏+-

21、犏-+臌wwwwwwwwcw69第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uNBFM和AM信号频谱的比较举例以单音调制为例。设调制信号 则NBFM信号为AM信号为按照上两式画出的频谱图和矢量图如下:( )cosmmm tA t=( )cos( )sintNBFMcfcstAtAKmdt- -wttw1cossinsincmfmcmAtAA Ktt=-wwwwcoscos()cos()2mFccmcmmAA KAttt=+-wwwwww(cos)cosAMmmcsAAtt=+wwscoscoscmmcAcotAt=+wwwcoscos()cos()2mccmcmAAttt=+-wwwww70第第5章章

22、 模拟调制系统模拟调制系统p频谱图71第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p矢量图 (a) AM (b) NBFM在AM中,两个边频的合成矢量与载波同相,所以只有幅度的变化,无相位的变化;而在NBFM中,由于下边频为负,两个边频的合成矢量与载波则是正交相加,所以NBFM不仅有相位的变化,幅度也有很小的变化。这正是两者的本质区别 。由于NBFM信号最大频率偏移较小,占据的带宽较窄,但是其抗干扰性能比AM系统要好得多,因此得到较广泛的应用。 72调制方式传输带宽设备复杂程度主要应用AM2fm简单中短波无线电广播DSB2fm中等应用较少SSBfm复杂短波无线电广播、话音频分复用、载波通信、数据传输V

23、SB略大于fm 近似SSB复杂电视广播、数据传输FM中等超短波小功率电台(窄带FM);调频立体声广播等高质量通信(宽带FM)第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较oo/SNoo0AM13imSSNn f骣骣鼢珑鼢 =珑鼢珑鼢珑桫桫oo0DSBimSSNn f骣骣鼢珑鼢 =珑鼢珑鼢珑桫桫oo0SSBimSSNn f骣骣鼢珑鼢 =珑鼢珑鼢珑桫桫2(1)fmmf+2oo0FM32ifmSSmNn f骣骣鼢珑鼢 =珑鼢珑鼢珑桫桫73第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 抗噪声性能u WBFM抗噪声性能最好,DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之,AM抗

24、噪声性能最差。u右图画出了各种模拟调制系统的性能曲线,图中的圆点表示门限点。u门限点以下,曲线迅速下跌;门限点以上,DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上,而FM(mf = 6)的信噪比比AM高22dB。u当输入信噪比较高时,FM的调频指数mf越大,抗噪声性能越好。74第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 频带利用率 SSB的带宽最窄,其频带利用率最高;FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大,其频带利用率最低。可以说,FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。因此, mf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、卫星通信和蜂窝电话

25、系统)采用WBFM, mf值选大些。对于一般通信,要考虑接收微弱信号,带宽窄些,噪声影响小,常选用mf 较小的调频方式。75第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 特点与应用uAM: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。uDSB调制:优点是功率利用率高,且带宽与AM相同,但设备较复杂。应用较少,一般用于点对点专用通信。uSSB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AM,而带宽只有AM的一半;缺点是发送和接收设备都复杂。SSB常用于频分多路复用系统中。uVSB调制:抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播、数传

26、等系统中得到了广泛应用。uFM: 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。缺点是频带利用率低,存在门限效应。76第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 5.6 频分复用频分复用(FDM)和调频和调频(FM)立体声立体声 5.6.1 频分复用(FDM)u目的:充分利用信道的频带资源,提高信道利用率u原理77第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u典型例子:多路载波电话系统每路电话信号的频带限制在3003400Hz,在各路已调信号间留有防护频带,每路电话信号取4 kHz作为标准带宽 层次结构:12路电话复用为一个基群;5个基群复用为一个超群,共60路电话;由10个超群复用为一个主群,共600路电话。如果需要传输更多路电话,可以将多个主群进行复用,组成巨群。 基群频谱结构图载波频率 ()644 12kHzcNfN=+-78第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uFDM 技术主要用于模拟信号,普遍应用在多路载波电话系统中。其主要优点是信道利用率高,技术成熟;缺点是设备复杂,滤波器难以制作,并且在复用和传输过程中,调制、解调等过程会不同程度地引入非线性失真,而产生各路信号的相互干扰。

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