通信原理第4章 模拟调制系统

第四章模拟调制系统本章要求4．1．1概述4．1．2幅度调制的原理4．1．3线性调制系统的抗噪声性能4．1．4角度调制的原理4．1．5频分复用(FDM)列题本章要求幅度调制的原理及抗噪性能FM原理FDM返回4．1．1概述1.调制目的2.调制定义3.调制分类返回1.调制目的便于信号的传输实现信道的多路复用改善系统抗噪声性能返回2．调制定义按基带信号的变化规律去改变高频载波某些参数的过程返回3．调制分类幅度调制（属线性调制）：AM、DSB、SSBVSB角度调制（非线性调制）：FM、PM返回4．1．2幅度调制（线性调制）的原理1．定义2．线性调制的原理3．线性调制信号的解调返回，1.幅度调制的定义幅度调制是高频正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。返回2.线性调制的原理线性调制器的一般形式调幅(AM)信号双边带（DSB-SC）信号单边带(SSB)信号残留边带(VSB)信号返回线性调制器的一般形式线性调制器的一般模型一般形式返回线性调制器的一般模型图4-1线性调制器的一般模型×h(t)m(t)sm(t)cosct一般形式时域(4.1)频域(4.2)式中——，在该模型中，适当选择带通滤波器的冲击响应，便可以得到各种幅度调制信号。)()])([21)(HMMSccm)(]cos)([)(thttmtScm)(M)(tm)()(thH)(th调幅(AM)信号在图4-1中，外加直流，，即滤波器（）为全通网络，则（载波项）（DSB信号项）条件：，)(tm)()(tth1)(HttmtAttmAtscccAMcos)(coscos)]([)(000)(tmxmatm)(0A)]()([21)]()([)(0ccccAMMMAS图4-2AM信号的波形和频谱m(t)OtA0＋m(t)OtOOttcosc(t)sAM(t)1M()A0－HH－ccA0SAM()0210特点:AM波的包络正比于[+]传输带宽为基带信号最高频率的两倍含载波分量返回0A)(tm双边带（DSB-SC）信号)54(cos)()(ttmtScDSB)64()]()([21)(ccDSBMMS图4-3DSB信号的波形和频谱cos0tOttOm(t)sDSB(t)OtO－ccM()OH－HSDSB()O－cc载波反相点2H特点:DSB信号的包络不与成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调DSB信号虽节省了载波发射功率，但仍具有两个边带，频带宽度与AM信号相同。由于这两个边带所携带的信息相同，传输其中一个边带即可，这种方式是单边带调制。返回)(tm单边带(SSB)信号单边带调制中只传输双边带信号中的一个边带。因此产生SSB信号的最直观方法是将图4-1中的带通滤波器设计成如图4-4所示传输特性。图4-4（a）将产生上边带信号，图4-4（b）将产生下边带信号。相应的频谱图4-5所示。图4–4形成SSB信号的滤波特性H()10－ccH()0－cc1(a)(b)图4-5SSB信号的频谱M()－HHSM()－ccOO上边带下边带下边带上边带－ccO上边带频谱O－cc下边带频谱SSB信号的时域表示式为式中“+”为下边带，“-”为上边带。是的希尔伯特变换。若为的傅氏变换，则的傅氏变换为式中)74(sin)(21cos)(21)(^ttmttmtSccSSB^)(tm)(tm)(M)(tm^)(tm^)(M)84(]sgn[)()(^jMM0,10,1sgn设为希尔伯特滤波器的传递函数，由上式可知，它实质上是一个宽带相移网络，表示把幅度不变，相移-/2即可得到。由式（4-7）还可得到单边带调制相移法的一般模型，如图4-6所示。)(tm^)(tm)94(sgn)(/)()(^jMMHh)(hH图4–6单边带调制相移法的一般模型Hh()2－±21m(t)sSSB(t)21m(t)cosctcosct21m(t)cosct21m(t)综上所述：SSB调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，因此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式。SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。返回残留边带(VSB)信号残留边带调制从频域上来看是介于SSB与DSB之的一种调制方式，它保留了一个边带和另一个边带的一部分。它即克服了DSB信号占用频带宽，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。重要结论：为了保证相干解调时无失真恢复基带信号，必须要求残留边带滤波器的传输函数在载频处具有互补对称特性。也就是说，在图4-1中应将滤波器的传输特性设计成如图4-7（a）所示的低通滤波器形式，即必须满足式中是基带信号的截止角频率。将设计成如图4-7（b）所示的带通（或高通）滤波器形式,同样可以实现残留边带调制。）（，常数104)()(HccHHH图4-7(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HVSB()10.50－cc－cc00.51HVSB()(a)(b)3．线性调制信号的解调相干解调包络检波返回相干解调相干解调器的一般模型相干解调器的分析返回相干解调器的一般模型相干解调器的一般模型如图4-8所示，它由相乘器和低通滤波器组成。可用于AM、DSB、SSB、VSB信号的解调。图4-8相干解调器的一般模型×h(t)m(t)sm(t)cosct相干解调器的分析设为式（4-7）所示的单边带信号，与同频同相相干载波相乘后得经低通滤波后得应当指出的是，相干解调的关键是必须在已调信号接收端产生与信号载波同频同相的本地载波。否则相干解调后将会使原始基带信号减弱，甚至带来严重失真，这在传输数字信号时尤为严重。返回)114(2sin)(412cos)(41)(41cos)()(^ttmttmtmttStXcccm)124()(41)(0tmtm包络检波包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成。它属于非相干解调，广播接收机中多采用此法。包络检波器就是从已调波的幅度中提取原基带调制信号，结构简单，其解调输出是相干的两倍。因此，AM信号一般都采用包络检波。一个理想包络检波器的输出就是输入的包络。返回4．1．3线性调制系统的抗噪声性能分析模型1．DSB调制系统的性能2．SSB调制系统的性能3．AM调制系统的性能返回分析模型研究的问题是信道中存在加性高斯白噪声时，各种线性调制系统的抗噪声性能。考虑信道中加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可用解调器的抗噪声性能来衡量。分析模型如图4-9所示。图4-9分析解调器抗噪声性能的模型带通滤波器sm(t)sm(t)n(t)ni(t)解调器mo(t)no(t)＋线性调制系统的抗噪声性能分析图4-9中为已调信号（如AM、DSB、SSB、VSB），为信道加性噪声，它是均值为零的高斯白噪声带通滤波器的作用是滤除已调信号频带以外的噪声，因此解调器输入端的信号仍为，噪声变为窄带高斯噪声，根据第二章概念，它表示成且式中B是理想带通滤波器的带宽，即已调信号带宽，也是解调器输入端的噪声带宽；是噪声单边功率谱密度，它在通带B内是恒定的；是解调器的输入噪声功率。)134(sin)(cos)()(ttnttntncscci均值）(0)()()(tntntnisc）（平均功率）144()()()(0222BnNtntntniisc评价模拟通信系统的质量性能指标可用输出信噪比也可用信噪比增益（调制制度增益）其中为输入信噪比，定义为返回)154()()(202000tntmNS功率解调器输出噪声的平均平均功率解调器输出有用信号的)164(//00iiNSNSG)()(22tntSNSimii功率解调器输入噪声的平均平均功率解调器输入已调信号的iiNS/解调器可以是相干解调器和包络检波器。相干解调属于线性解调，故在解调过程中，输入信号及噪声可分开解调，适用于DSB、SSB、VSB、AM信号的解调。包络检波属于非线性解调，信号与噪声无法分开解调，可用于AM信号的解调。评价模拟通信系统的质量性能指标可用输出信噪比也可用信噪比增益（调制制度增益）其中为输入信噪比，定义为返回)154()()(202000tntmNS功率解调器输出噪声的平均平均功率解调器输出有用信号的)164(//00iiNSNSG)()(22tntSNSimii功率解调器输入噪声的平均平均功率解调器输入已调信号的iiNS/1.DSB调制系统的性能由于DSB信号采用相干解调，在分析它的抗噪声性能时，图4-9所示的模型中的解调器为相干解调器（参看图4-8）。设解调器输入信号则解调器输出信号与噪声ttmtScmcos)()()(21)()(21)(00tntntmtmc输出信号平均功率输出噪声平均功率)174()(41)(2200tmtmS)184(41)(41)(41)(22200iicNtntntnN输入信号平均功率输入噪声平均功率这里B为双边带信号的带宽，(为基带信号的截止频率),因而调制制度增益讨论双边带信号解调器的信噪比改善了一倍。原因是相解调把噪声中的一个正交分量抑制掉，从而使噪声功率减半的缘故。返回)194()(21)(22tmtSSmi)204()(02BntnNii)214(2//00iiDSBNSNSGHfB22.SSB调制系统的性能分析模型与双边带的相同，不同的是解调器前端的带通滤波器的带宽是双边带的一半。设解调器输入信号则解调器输出信号与噪声ttmttmtSccmsin)(21cos)(21)(^)(21)()(41)(00tntntmtm输出信号平均功率输出噪声平均功率)224()(161)(2200tmtmS)234(41)(200iNtnN输入信号平均功率输入噪声平均功率这里B为单边带信号的带宽，。因而调制制度增益)244()(41)(22tmtSSmi)254()(02BntnNiiHfB)264(1//00iiSSBNSNSG讨论:（1）SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善，即G=1。（2）比较式（4-21）和式（4-26）：。但不能说双边带系统的抗噪声性能优于单边带系统性能。因为，在相同的输入噪声功率谱密度时，。因而在相同的时，两者输出信噪比相同，即性能相同。返回SSBDSBGG2DSBSSBBB21iSSBiDSBNN20n和iS3．AM调制系统的性能AM信号可采用相干解调和包络检波。相干解调时AM系统的性能分析方法与前面双边带（或单边带）的相同。实际中，AM信号的解调常用简单的包络检波法，分析模型如图4-9所示，其中的解调器为包络检波器。设解调器输入信号式中A是常数，表示直流分量，是交流分量，且)(tm)274(cos)]([)(ttmAtScmmax)(tmA)284(sin)(cos)()(ttnttntncscci因而解调器输入的信号功率和噪声功率为解调器输入端信号加噪声的合成包络其中就是所求的合成包络，而是合成相位。理想包络检波器的输出就是。)304()()294(2)(2)(02222BntnNtmAtSSiimi)314()](cos[)(sin)(cos)]()([)()(tttEttnttntmAtntSccsccim)324()()]()([)(22tntntmAtEs