第三章模拟调制系统.

第三章模拟线性调制通信原理简明教程（第2版）引言基本概念调制－把信号转换成适合在信道中传输形式的过程。调制信号－指来自信源的基带信号。载波－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。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。电信号基带信号（携带有用信息的信号，未调制）频带信号（基带信号经过某种调制）传输方式基带传输调制（频带）传输模拟调制线性调制：AM、DSB、SSB、VSB非线性调制：PM、FM调制数字调制：ASK、FSK、PSK信号、传输方式、调制方式的分类调制的目的提高无线通信时的天线辐射效率。传输频率：3kHz，天线高度：25km传输频率：900MHz，天线高度：8cm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。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。模拟通信系统模型)cos()(0ctAtc0ccos)()()(tttAts设f(t)为调制信号，c(t)为载波信号，s(t)为已调信号本章内容3.1双边带调幅3.2单边带调制（SSB）3.3残留边带调制（VSB）3.4线性调制和解调的一般模型3.5线性调制系统的抗噪声性能3.1双边带调幅本节目录3.1.1常规调幅(AM)3.1.2抑制载波双边带调幅(DSB-SC)3.1.3调制与解调3.1.1常规调幅标准调幅为：)cos(cc0AMttfAts)()(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若)cos(mmmtAtf)()cos()cos(ccmmm0AMttAAts)(0AMmmcc1cos()cos()Att上式中，，称为调幅指数，用百分比表示时，称为调制度。（通常取30%～60%）0mAMAA/AM0max()/ftA调制度小于1等于1大于1正常调幅满调幅过调幅若调制信号为一般信号，则取调幅指数为：当载波初相为0时，已调信号为：AM0c()()cosstAftt0cccos()cosAtftt0c0ccccc()()cos()()1()cos()()2ftFAtAfttFF)()()()(cccc0AM21FFAS频域特性分析若有：则已调信号的频谱为：载波幅度，已调信号的组成部分已调信号的频谱图：1.形状相同，位置搬移；2.AM信号含载波分量；3.AM信号是双边带信号，带宽BAM=2W=2fH4.下边带是上边带的镜像下边带上边带上边带载频分量载频分量调幅信号的平均功率为：2AMAM220c222220cc0c()()coscos()cos2()cosPstAfttAtfttAftt0)(tf02cos2cos121cosccc2tttfc220AM22PPtfAP)(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？？因为调制效率：边带功率与总功率之比，即：fcfAMfAMPPPPP)()()()(tfAtftfAtf22022202212121当时，有：此时：)cos(mmmtAtf)(22m()2/ftA2AM2AM2m202m2m202mAM222121AAAAAA若，调制效率最大值为1/3。1AM常规调幅调制效率低，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例3-1已知一个AM广播电台输出功率是50KW，采用单频余弦信号进行调制，调幅指数为0.707。（1）试计算调制效率和载波功率；（2）如果天线用50Ω的电阻负载表示，求载波信号的峰值幅度。解（1）由以上的公式有则调制效率载波功率为（2）载波功率Pc与载波峰值A的关系为所以51707.02707.02222AM2AMAMAMffcfPPPPPAM)(40)511(50)1(kWPPPPAMAMfAMcRAPc22)(2000501040223VRPAc3.1.2抑制载波双边带调幅（DSB-SC）DSB-SC信号表达式为：已调波频谱为：已调信号平均功率为：可见，边带功率是全部功率，其调制效率为)()()(ttftscDSBcos)()()(ccDSB2121FFSttftsPc222DSBDSBcos)()(22/)(tf1DSBDSB-SC波形图及频谱图如下：观察并分析：包络频谱组成带宽调制效率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：不能直接用包络检波，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。3.1.3调制与解调AM与DSB-SC调制模型如下图所示。实际中，任何具有载波频率的周期性信号都可以充当载波信号。图中仅以正弦信号为例加以说明。解调包括相干解调和包络检波两种方式。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。ttftfttfttscc2cDSB2cos2121coscos)()()()()()(tfts21d例3-2设本地载波信号与发送载波的频率误差和相位误差分别为和，试分析对解调结果的影响。解：设本地载波信号为与DSB信号相乘后为经LPF后得到(1)当时，解调输出为(2)当时，解调输出为lc()cos()ctttDSBlcc()()()coscos(stctftttt))()()(ttftscos21d)()()(cos21dtfts)()()(ttftscos21d11()cos()()cos(2)22cftwtftwtwt0,0w0,0w包络检波原理如下：其中RC的取值范围为：检波器的输出为：mfRC1cf)()(tfAtsd3.2单边带调制（SSB）引言双边带信号的频谱上边带和下边带完全对称一个边带携带了基带信号的全部信息单边带信号，单边带调制HPF：高通滤波器LPF：低通滤波器BPF：带通滤波器DSB：doubleside-bandSSB：singleside-bandUSB：upperside-bandLSB：lowerside-band本节目录3.2单边带调制（SSB）3.2.1用滤波法形成单边带信号3.2.2用相移法形成单边带信号3.2.3单边带信号的解调3.2.1滤波法形成SSB信号滤波法形成SSB信号原理如下图所示。cSSBUSBc1,||()()0,||HHccLSBSSB01||,||,)()(HHSSB信号频谱为：)()()(HSSDSBSSB滤波器归一化值：一般要求：α≥10-3否则，滤波就难以实现。cff多级滤波法原理如下图所示：。L12fB1cL1c2222fffB其中：，例3-3用单边带方式传输模拟电话信号。设载频为15MHz，电话信号的频带为300Hz∼3400Hz，滤波器归一化值为10-3。试设计滤波器的方案。解：单级方案时，过渡带归一化值为归一化值太高，实际无法实现，所以，采用二级滤波方案。取第二级滤波器的归一化值为。这时第二级上、下边带的间隔近似为为此，第一级调制应使用的载频为：所以，第一级滤波器的归一化值为：56c1041015600fB22101)kHz(150101510162c222fB211cf2B)kHz(75101502133311081075600滤波法的技术难点滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性；多级滤波需要多次调制；当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。3.2.2相移法形成SSB信号设调制信号为：载波信号为：则DSB信号为：上边带信号为：下边带信号为：tAtfmmcos)(ttcccos)(DSBmmc()coscosstAtttAtA)cos(21)cos(21mcmmcmUSBmcm1()cos()2stAtttAttAcmmcmmsinsin2coscos2ttAttAtscmmcmmLSBsinsin2coscos2)(观察两项之间的区别与联系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。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ttftf1)()(ˆ希尔伯特变换关系：时域关系为：由于其传递函数为：其幅频相频特性见右图。故其频域表达式为：ttftf1)()(ˆjsgn1tjsgnH)(H)()()()(ˆFHFFjsgnH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：)()()(SSBDSBSSBHSS)(USBH)(LSBHtttthcUSBsin1)()(ttthcLSBsin1)()()()(thtstsSSBDSBSSBttfttfccsin21cos21)(ˆ)(ttfttftsccUSBsin)(ˆ21cos)(21)()(LSBts上下边带之和为：移相法产生SSB信号原理如下图所示。ttftststscUSBLSBDSBcos)()()()(3.2.3SSB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：ttfttftsccSSBsincos)(ˆ)()(ttfttftfttstscccSSBp2sin212cos2121cos)(ˆ)()()()()()(tfts21d单边带调制分析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组成分量能说明已调信号的类型：幅度调制系数不影响信号的性质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3.3残留边带调制(VSB)原理：介于SSB与DSB之间的一种折衷方式它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现的困难。不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是使其残留一小部分。Mcfcf0DSBSSBVSB3.3.1残留边带信号的产生使用滤波法产生残留边带信号：残留上边带信号残留下边带信号VSB信号频域表达式为：VSB调制信号采用相干解调方式，见下图。其输出为：=)()()()(ccVSBVSB21FFHS)()()(tctstsdVSBpttscVSBcos)(相干解调输出信号的频谱为：)()()(cVSBcVSBp