1、通信原理-模拟线性调制2 第二章第二章 模拟线性调制模拟线性调制3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）4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、VSB52.1 引言引言 n点-点通信系统 dtjke)(C通常假
2、定为理想恒参信道：信道的数学模型：r(t)=c(t)s(t)+n(t)6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 710l 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 9001800MHzmlMHzfmlKHzfc1,10103103,3010,10103103,3784538fc2.1 引言引言 8以无线电广播的中波波段为例：可用波以无线电广播的中波波段为例：可用波段范围为段范围为530KHz1600KHz，而语音信号的，而语音信号的频率范围为频率范围为3003400Hz，经调制后每一个，经调制后每一个广播电台频道的带宽为广播电台频道的带宽为9K
3、Hz530KHz1600KHz300 9000上述即为上述即为，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9 9n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。Sx()频率搬移频率搬移 Sy()c()()()()()()cossincyxcjw tccSwSw wwy tx tex tw tjw t数学分析 Sy()c-c 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102.1 引言引言 n调制分类n正弦（连续波）调制：n脉冲调制：nC(t
4、)：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 )(cos)(cctwAtc幅度调制频率调制相位调制线性调制非线性调制112.1 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P
5、CM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12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、VSB13 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14 2.2 调幅（调幅（AM）nAM信号的产生nAmpli
6、tude 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)15 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？16nAM的解调方法n包络检波：要求 A+m(t)0 n相干解调 0fHf)t(m21)t(mt2cos1)t(mA21tcos)t(mAoLPFcc2隔直 2.2 调幅（调
7、幅（AM）17n相干解调（续）n频谱示意图 2.2 调幅（调幅（AM）18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 AM信号的频谱信号的频谱SAM()由由和和、组成组成 上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，相同，AM信号是带有载波的双边带信号，它的信号是带有载波的双边带信号，它的，即，即 2.2 调幅（调幅（AM）19 scAMApptmAtSP2)(22202得得 ttmtAtsccAMcoscos0 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 可见，可见，AM信号的总功率包括信号的总功率包括和和两部
8、分，两部分，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波分量占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有功载波分量占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有功率较小。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 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=。(含有用信息的两个边带含有用信息的两个边带)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
9、幅（AM）20 2.2 双边带调制（双边带调制（DSB）nDSB（或DSB-SC，double side band with suppressed carrier）信号的产生 nSDSB(t)=m(t)cosct 21 AMS0A 0A Ot tSAM MH H Otcosw0tOtO-ccOt载波反相点载波反相点tSDSB DSBS MH H ttmtAtsccAMcoscos0 ccccAMMMAS 210 ttmtscDSBcos ccDSBMMS 2122 由时间波形可知，由时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号的变信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的化规律
10、一致，因而不能采用简单的包络检波包络检波来恢复调制信号，来恢复调制信号，需采用需采用相干解调相干解调(同步检波同步检波)。另外，在调制信号。另外，在调制信号m(t)的过零的过零点处，高频载波相位有点处，高频载波相位有180的突变的突变 由频谱图可知，由频谱图可知，DSB信号虽然节省了载波功率，功率利信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。由于信号带宽相同。由于DSB信号的上、下两个边带是完全信号的上、下两个边带是完全对称的，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
11、制信号的全部信息 23n 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）0fHf211()cos()1cos2()()22LPFccom ttm ttm tm t24 ttmtscDSBcos ccDSBMMS 2121占用频带宽，占用频带宽，BDSB=。(含有两个完全相同的边带含有两个完全相同的边带)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bcB bcB bAMBB2 上边带上边带下边带下边带 DSBS25 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/
12、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。26 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ccsgnsgn21)(Hsgn(w)27)sgn()(M)sgn()(M41)(M)(M41)sgn()(M)sgn()(M41)sgn()(M)sgn()(M41)sgn()sgn(21)(M)(M21)(SccccccccccccccccccLSB 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）nSSB信号的产生：移相法（续）1()cos2cm ttF28 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）nSSB信号的产生：移相法
13、（续）n利用希尔伯特变换m(t)(Htsin)t(mctcosct1)t(h,)sgn(j)(H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 FF H29)sgn()(M)sgn()(M41)()()sgn()(M41)()(j)sgn(j)(M2121tsin)t(m21ccccccccFc 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11()()cos()sin22USBccStm ttm ttcoscw t30 tcos)t(m21tsin)t(
14、m21)t(SccLSBtcos)t(m21tsin)t(m21)t(SccUSB 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31 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m(t)。90。90tcosc）（tm+-tsincSLSB(t)SUSB(t)11()()cos()sin22LSBccStm ttm tt载波为cosct 11()()cos()sin22USBccStm ttm ttDSB信号单频移相容易多频移相困难：移相网络32n解调n相干解调：同AMn插入强载波+包
15、络检波 tcos)t(m21Atsin)t(m21tcos)t(m21Accc 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）0fHf11()()cos()sin22LSBccStm ttm tt3333n 综上所述：综上所述：SSB调制方式在传输信号时，所占用的频带调制方式在传输信号时，所占用的频带宽度为宽度为BSSB=，只有，只有AM、DSB的一半，它目前已成的一半，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式为短波通信中的一种重要调制方式n SSB信号的解调和信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，一样不能采用简单的包络检波，因为因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能信号也是抑制
16、载波的已调信号，它的包络不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对边带滤波器的滤波性能要求很高，对边带滤波器的滤波性能要求很高，实际制造这样的滤实际制造这样的滤波器非常困难波器非常困难 对一个边带进行逐渐截止对一个边带进行逐渐截止 2.2 单边带调制（单边带调制（SSB）34nVSB（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）()f t cos(
17、)cw t()DSBSt()VSBHw()VSBSt 35 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36 2.2 残留边带调制（残留边带调制（VSB）H()H(),cccHffffCfff对滤波器H(f)的要求37 2.2 残留边带调制（残留边带调制（VSB）nH(f)=GT(
18、f)C(f)GR(f)n 对H(f)的要求：nH(f+fC)+H(f-fC)=C，|f-fc|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）4646n适用于：AM，DSB，SSB，VSBn输入信号：n滤波前n滤波后()S t LPF 载波恢复 cos()cw t()pSt()dSt()()cos()sinIcQcS tS tw tStw t111222()()cos()()cos2()sin2pcIIcQcStS tw tS tS tw tStw
19、 t12()()()dIStStft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）4747nAM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）48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）49讨论讨论：在在DSB（SSB与与VSB类似）中，设类似）中，设本地载波信号与发送载波的频率误差和相本
20、地载波信号与发送载波的频率误差和相位分别为位分别为和和 试分析其对解调结果的影响试分析其对解调结果的影响 解：解：解调器模型为解调器模型为 相乘输出相乘输出 ttttmc2coscos21 ttttmtscccoscos tttcccosLPFLPFS0(t)tSDSBS(t)50经经LPF后得到后得到 ttmtSdcos21分别设以下两种特殊情况：分别设以下两种特殊情况：设设，0 0 时，时，cos21tmtSd 当当2 时，输出信号为零。时，输出信号为零。2 时，幅度受到衰减且符号也要改变时，幅度受到衰减且符号也要改变 当当512)设设，0 0 时，时，ttmtSd cos21 当两端的载
21、波只有频率误差时，解调输出仍为当两端的载波只有频率误差时，解调输出仍为双边带调幅信号，但该信号的载波角频率为双边带调幅信号，但该信号的载波角频率为 ，产生明显失真产生明显失真 通常通常 和和 两种误差都存在，因此，两种两种误差都存在，因此，两种影响也都存在，从而不同程度的影响了通信的质量影响也都存在，从而不同程度的影响了通信的质量522.3 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532.3 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
22、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:2222()()2()cos3mm tGAm tm tAtG当时，2.3 抗噪声性能抗噪声性能6666 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 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
23、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。67n当 A+m(t)ni(t)时，解调器的输出端得不到独立的信号 oNS）（iNS）（oNS）（=iNS）（1dBiNS）（门限G2.3 抗噪声性能抗噪声性能6868n
24、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？6969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f
25、0、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；7070DSB：(1)f0=fc=1MHz,B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10 x103=10mW Si/Ni=1x103/10-2=105(3)G=2(4)S0/N0=G x Si/Ni=2x1057171USB：(1)f0=fc+fH/2=1.0025MHz,B=fH=5kHz(2)Ni=n0B=10-6x5x103=5mW Si/Ni=(1x103)/(5x10-3)=2x105(3)G=1(4)S0/N0=G x Si/Ni=2x105当Si，n0，fH相同时，(S0/N0)DSB=(S0/N0)SSB7272AM:(1)f0=fc=1MHz,B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10 x103=10mW Si=Pc+Pf=(4+1)kW=5kW Si/Ni=5x103/10-2=5x105(3)AM=Pf/(Pc+Pf)=1/(4+1)=0.2 GAM=2 AM=0.4(4)S0/N0=G x Si/Ni=0.4x5x105=2x105
