天津大学通信原理 课件 第三章_模拟调制

1第三章·通信原理第三章模拟调制系统‰§3.1调制的概念‰§3.2幅度调制‰§3.3调幅系统的解调‰§3.4调幅系统的抗噪声性能‰§3.5角度调制系统‰§3.6频分复用(FDM)2第三章·通信原理第三章模拟调制系统‰§3.1调制的概念‰§3.2幅度调制‰§3.3调幅系统的解调‰§3.4调幅系统的抗噪声性能‰§3.5角度调制系统‰§3.6频分复用(FDM)3第三章·通信原理‰原始信号一般为基带信号，频谱成分一般集中在低频部分ª声音：20~20KHzª一般图像信号0~几兆HZ‰许多信道不能直接传输基带信号‰发端需将基带信号的频谱搬移到适合在信道传输的频率范围模拟调制的概念§3.1调制的概念4第三章·通信原理定义调制是使信号f(t)控制载波的某一个(或N个)参数，使这个参数按照信号f(t)的规律变化的过程。2.分类（1）连续波调制：用正弦高频信号作为载波模拟调制：调制信号为连续型的模拟信号数字调制：调制信号为脉冲型的数字信号（2）脉冲调制：用脉冲序列作为载波的脉冲模拟调制：用连续型的调制信号去改变脉冲参数脉冲编码调制:用连续调制信号的数字化形式(通过模数转换）去形成一系列脉冲组模拟调制的概念§3.1调制的概念5第三章·通信原理模拟调制的概念‰定义：调制是使信号f(t)控制载波的某一个(或N个)参数，使这个参数按照信号f(t)的规律变化的过程‰分类：ª连续波调制：用正弦高频信号作为载波™模拟调制：调制信号为连续型的模拟信号™数字调制：调制信号为脉冲型的数字信号ª脉冲调制：用脉冲序列作为载波™脉冲模拟调制：用连续型调制信号去改变脉冲参数™脉冲编码调制:用连续调制信号的数字化形式(通过模数转换）去形成一系列脉冲组6第三章·通信原理调制方式用途连续波调制幅度调制标准调幅AM广播双边带抑制载波DSB立体声广播单边带调制SSB载波通信、无线电台、数传残留边带调制VSB电视广播、数传、传真角度调制频率调制FM微波中继、卫星和移动通信相位调制PM中间调制方式数字调制幅移键控ASK数据传输频移键控FSK数据传输相移键控PSKDPSK数据传输、数字微波、空间通信现代调制系统QAM、GMSK和MSK等数据传输、数字微波通信、卫星通信和数字移动通信等脉冲调制脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式、一点对多点微波通信脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制ΔM军用、民用通信新方式DPCM、LPC等图像、话的编码表3.1常用调制方式及用途§3.1调制的概念7第三章·通信原理‰调幅：线性调制‰调频：相位调制‰调相：相位调制00FMωω(t)=ω()kft→+00PMθθ(t)=θ()kft→+00AMAA(t)=A()kft→+基带信号载波000()cos(ωθ)StAt=+()ft控制载波的三个参数，有以下三种基本调制方式：模拟调制的基本方法§3.1调制的概念8第三章·通信原理()()()()()()rtstptRSPωωω=∗↔=[]1()()()()()()2rtstptRSPωωωπ=↔=∗000cos(ω)[(ωω)(ω+ω)]tπδδ↔−+()()ed1()()ed2jtjtFfttftFtωωωωπ−==∫∫傅里叶变换相关知识回顾§3.1调制的概念9第三章·通信原理第三章模拟调制系统‰§3.1调制的概念‰§3.2幅度调制‰§3.3调幅系统的解调‰§3.4调幅系统的抗噪声性能‰§3.5角度调制系统‰§3.6频分复用(FDM)10第三章·通信原理　SAM(t)=［A0+f(t)］cosω0t=A0cosω0t+f(t)cosω0t§3.2.3标准调幅AM调制的数学模型A0f(t)cosω0tSAM(t)[]AM000()()()SAωπδωωδωω=++−[]001()()2FFωωωω+++−§3.2幅度调制时域表达频域表达11第三章·通信原理AM信号的波形和频谱0tA0+f(t)0tf(t)0tcosw0t0tSAM(t)F(ω)−ωΗω0ωΗ−ω00ωω0πA0πA0|f(t)|max≤A0BAM=2ωH§3.2幅度调制12第三章·通信原理[]001()()()2DSBSFFωωωωω=++−0()()cosDSBstfttω=A0f(t)cosω0tSAM(t)§3.2.2双边带抑制载波调制(DSB)§3.2幅度调制时域表达频域表达DSB调制数学模型AM调制数学模型13第三章·通信原理DSB信号的波形和频谱0tcosω0t0ω0ω−ω0t0f(t)ωF(ω)ωΗ−ωΗsDSB(t)t0Oωω0−ω0SDSB(ω)BDSB=2ωH过0点§3.2.2双边带抑制载波调制(DSB)§3.2幅度调制14第三章·通信原理图3-6　SSB信号的频谱F(w)基带频谱DSB频谱上边带频谱下边带频谱ww0-w0§3.2.3单边带调制(SSB)§3.2幅度调制15第三章·通信原理形成SSB信号的滤波器10ww0H(w)-w0上边带下边带⎩⎨⎧−≥=0101)sgn(ωωω()()()[]00sgnsgn21ωωωωω−−+=下SSBH()()1SSBSSBHHωω=−上上方法一：滤波法§3.2幅度调制16第三章·通信原理滤波法的技术难点‰调制信号含有丰富的低频成分，经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄。‰要求单边带滤波器在w0附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带且不影响有用边带的信号成分。‰这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。17第三章·通信原理方法二：相移法设单频调制信号为载波为两者相乘得DSB信号的时域表示式为0()coscosDSBmmstAttωω=0011cos()cos()22mmmmAtAtωωωω=++−§3.2幅度调制0costω()cosmmftAtω=相移法产生单音频信号的SSB信号18第三章·通信原理则，上、下边带的表达式分别可表示为:01()cos()2USBmmstAtωω=+0011coscossinsin22mmmmAttAttωωωω=−01()cos()2LSBmmstAtωω=−0011coscossinsin22mmmmAttAttωωωω=+方法二：相移法§3.2幅度调制19第三章·通信原理Amsinωmt可以看成是Amcosωmt相移-90度，而幅度大小保持不变。0011()coscossinsin22SSBmmmmstAttAttωωωω=∓把上、下边带合并起来可以写成方法二：相移法§3.2幅度调制以上采用相移获得SSB信号的方法能否推广到一般信号？20第三章·通信原理11()()()fftftdttττππτ∞−∞=∗=−∫11()()()fftftdttττππτ∞−∞=−∗=−−∫方法二：相移法§3.2幅度调制什么样的变换能让函数的幅频特性保持不变，同时相移-90度呢？希尔伯特变换21第三章·通信原理若为的傅氏变换，式中符号函数令⎩⎨⎧−≥=0101)sgn(ωωω()()sgn()()FHjFωωωω==−则的傅氏变换为:()ft()Fω()Fω()()[sgn]FFjωωω=⋅−()ft希尔伯特变换的相移特性§3.2幅度调制22第三章·通信原理f(t)tthπ1)(=ttftfπ1)()(∗=∧希尔伯特变换的相移特性()sgn()0000Hjjjωωωωω=−−⎧⎪==⎨⎪⎩H(ω)j-jω§3.2幅度调制()ft∧23第三章·通信原理0011()cos()sin22SSBsfttfttωω=∓方法二：相移法§3.2幅度调制0011()coscossinsin22SSBmmmmstAttAttωωωω=∓相移法产生单音频信号的SSB信号相移法产生信号的SSB信号()ft()ft24第三章·通信原理()Hω±21f(t)sSSB(t)21f(t)cosω0tcosω0t21f(t)sinω0t21f(t)2π−方法二：相移法§3.2幅度调制25第三章·通信原理方法二：相移法‰难点：宽带相移网络的实现，该网络要对调制信号f(t)的负频率分量严格相移π/2，正频率分量严格相移-π/226第三章·通信原理SSB调制方式的优缺点‰优点ª功率利用率高（无载波发射功率）ª频谱效率高，它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、DSB的一半‰缺点：实现方法复杂27第三章·通信原理移项法的难点：宽带相移网络的实现，该网络要对调制信号f(t)的负频率分量严格相移π/2，正频率分量严格相移-π/2SSB调制方式的优点：（1）功率利用率高（无载波发射功率）（2）频谱效率高，它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、DSB的一半缺点：实现方法复杂　2.用相移法形成单边带信号§3.2幅度调制28第三章·通信原理wwc-w0ww0-w0ww0-w0wDSBSSBVSBDSB、SSB和VSB信号的频谱§3.2.4残留边带调制(VSB)§3.2幅度调制29第三章·通信原理(a)残留部分上边带的滤波器特性;　(b)残留部分下边带的滤波器特性残留边带滤波器特性0ω0ω−0ω0ω−(a)(b)残留边带滤波器的可能实现方案§3.2幅度调制30第三章·通信原理残留边带滤波器的几何解释0ω0ω−hωhω−(a)(b)HVSB(ω+ω0)+HVSB(ω-ω0)=常数，|ω|≤ωH(3.1-14)在w=0点互补对称残留边带滤波器的可能实现方案§3.2幅度调制31第三章·通信原理第三章模拟调制系统‰§3.1调制的概念‰§3.2幅度调制‰§3.3调幅系统的解调‰§3.4调幅系统的抗噪声性能‰§3.5角度调制系统‰§3.6频分复用(FDM)32第三章·通信原理调幅系统的解调‰相干解调ª在解调端利用通频同相的载波与已调信号相乘，进行低通滤波后得到调制信号‰非相干解调ª包括：包络检波、平方律检波、整流检波ª无需载波，利用包络信息恢复调制信号ª只适用于标准AM信号‰载波插入法解调ª除标准AM信号之外，已调信号的包络不能完全包含原调制信号的信息ª需要在接受端插入一个通频同相的载波以辅助包络检波§3.3调幅系统的解调33第三章·通信原理调幅系统的相干解调00()()cos(ωθ)DSBStftt=+000()()cos(ωθ)cos(ωφ)Ptfttt=++01()()cos(θ)2oftftφ=−当θ＝φ时1()()2oftft=00011()cos(θφ)()cos(2ωθφ)22ftftt=−+++cos(ω0t+φ)fo(t)Sm(t)P(t)LPF§3.3调幅系统的解调34第三章·通信原理DSB信号的相干解调f(t)t0–ω0ω0ω0πδ(ω-ω0)πδ(ω+ω0)cosω0tt0ω0ω0–ω0SDSB(ω)SDSB(t)t0ω02ω0–2ω0P(ω)35第三章·通信原理第三章模拟调制系统‰§3.1调制的概念‰§3.2幅度调制‰§3.3调幅系统的解调‰§3.4调幅系统的抗噪声性能‰§3.5角度调制系统‰§3.6频分复用(FDM)36第三章·通信原理信噪比增益G：输出信噪比和输入信噪比的比值抗噪声性能分析模型iiooNSNSG//=带通滤波器sm(t)sm(t)ni(t)解调器fo(t)no(t)n(t)图3-12解调器抗噪声性能分析模型§3.4调幅系统的抗噪声性能37第三章·通信原理带通滤波器传输特性|H(f)|N0/20－f0f0fB若白噪声的双边功率谱密度为n0/2，带通滤波器传输特性是高度为1，带宽为B的理想矩形，噪声功率为:Ni=n0B抗噪声性能分析模型§3.4调幅系统的抗噪声性能38第三章·通信原理设解调器输入信号为　　解调器输入信号平均功率为:22201()[()cos]()2imSstfttftω===解调器输入噪声平均功率为:Ni=n0B解调器的输入信噪比为201()2iiftSNnB=DSB解调的输入信噪比§3.4调幅系统的抗噪声性能0()()cosmstfttω=39第三章·通信原理输入信号与相干载波cosω0t相乘后，得：经低通滤波器后，输出信号为200011()cos()cos()(