通信原理教程5-模拟调制系统

通信系统原理第5章模拟调制系统主讲：杨春萍第5章模拟调制系统概述线性调制非线性调制各种模拟调制系统的比较学习目标：模拟调制的概念，线性调制概念，非线性调制概念线性调制类型及其特性非线性调制类型及其特性模拟调制：用来自信源的基带模拟信号去调制某载波。调制的结果将使载波的某个参量随信号而变，或者说用载波的某个参量值代表自信源来的信号的值．载波：确知的周期性波形－余弦波：式中，A为振幅；0为载波角频率；0为初始相位。定义：调制信号m(t)－自信源来的信号已调信号s(t)－调制后的载波称为已调信号调制器－进行调制的部件概述图调制器调制器已调信号s(t)调制信号m(t))cos()(00tAtc调制的目的：频谱搬移－适应信道传输、合并多路信号提高抗干扰性和传输效率有关,即不同调制方式产生的已调信号的带宽不同,因此影响传输带宽的利用率.模拟调制的分类：线性调制：调幅、单边带、双边带、残留边带…非线性调制（角度调制）：频率调制、相位调制线性调制的已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结构相同。换言之，其已调信号的频谱是调制信号频谱沿频率轴平移的结果。非线性调制（角度调制），其已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结构有很大的不同，除了频谱搬移之外，还增加了许多新的频率成分，所占用的频带宽度也可能大大增加．基本概念设载波为：c(t)=Acos0t=Acos2f0t调制信号为能量信号m(t)，其频谱为M(f)载波：c(t)相乘结果：s(t)滤波输出：s(t)用“”表示傅里叶变换：式中，s(t)调制信号m(t)Acos0tH(f)已调信号s(t))()(fMtm)(cos)(0fStAtm)]()([2)(00ffMffMAfSM(f)f0S(f)f0f-f00(a)输入信号频谱密度(b)输出信号频谱密度线性调制由上面式子可见，相乘器的输出信号线性调制s(t)是一个幅度与m(t)成正比的余弦波，即载波波形的振幅受到了调制．另外由上面式子可看出，相乘器输出信号的频谱密度S(f)是调制信号的频谱密度M(f)平移的结果（差一个常数因子）．由于这里的相乘器输出信号的频谱密度是调制信号频谱密度的平移，即在频域中两者之间是线性变换关系，所以称其为线性调制．注意，在时域中，即在波形上，调制信号和相乘器输出信号之间不是线性变换关系．图中的带通滤波器特性H(f)可以有不同的设计，从而得到不同的调制种类，下面分别予以介绍．振幅调制（AM）基本原理设:m(t)=[1+m(t)]，|m(t)|1，m(t)|max=m－调幅度，则有调幅信号：s(t)=[1+m(t)]Acos0t，式中，[1+m(t)]0，即s(t)的包络是非负的。+1==m(t)101+m(t)101+m(t)频谱密度含离散载频分量当m(t)为余弦波，且m＝100％时，两边带功率之和＝载波功率之半。-fmm(t)s(t)M(f)C(f)c(t)A-Atfmf0-f02fmS(f)2fm-f0f0ffftt101+m(t)载波功率上边带功率下边带功率由调幅信号的波形不难看出，调幅信号包络的形状和调制信号的波形一样．所以在接收端解调时，用包络检波法就能恢复出原调制信号．包络检波器可以由一个整流器和一个低通滤波器组成，并在其输出端接有一个隔直流电路（用一个电容器表示），以除去整流器输出中的直流成分．AM信号的接收：包络检波原理：性能：设输入电压为式中，为检波器输入噪声电压y(t)的包络：在大信噪比下：整流器低通滤波器图包络检波器解调调幅信号ttnttnAtmtysc00sin)(cos)}()]('1{[)(ttnttnsc00sin)(cos)()()}()]('1{[)(22tntnAtmtVscy)()]('1[)(tnAtmtVcy检波后（已滤除直流分量）：输出信号噪声功率比：∵在检波前的信号噪声功率比等于∴检波前后信噪功率比之比为由于m(t)1，显然上式比值r0/ri小于1，即检波后信噪比下降了。)()(')(tnAtmtvc)](/)('[2220tnAtmErc)(/)('121222tnAtmEri222222220)]('1[)('2)(/)('121)(/)('tmtmEtnAtmtnAtmErrci这是因为检波前信号中的大部分功率被载波占用，它没有对检波后的有用信号做贡献．虽然有比包络检波法性能更好的解调方法可以采用，例如相干解调法，但是由于包络检波器简单价廉，通常大都采用它作为调幅信号的检波器．在大信噪比时，AM信号包络检波法的性能几乎与相干解调法性能相同；当输入信噪比低于门限值时，将出现门限效应，解调器输出信噪比将急剧恶化，系统无法正常工作。双边带（DSB）调制原理：调制信号m(t)没有直流分量时，得到DSB信号。频谱：两个边带包含相同的信息。上边带：频谱位置高于载频的边带下边带：频谱位置低于载频的边带双边带调制信号的频谱(a)调制信号频谱密度M(f)f0(b)已调信号频谱密度f00-f0fS(f)上边带上边带下边带解调：需要本地载波设接收的DSB信号为接收端的本地载波为两者相乘后，得到低通滤波后，得到仅当本地载波没有频率和相位误差时，输出信号才等于m(t)/2。[和调制信号仅差一个常数因子]优缺点：DSB信号可以节省发送功率，但接收电路较为复杂图双边带信号解调器原理方框图基带信号m(t)接收信号s(t)cos0tr(t)H(f)ttm0cos)(])cos[(0t]})2cos[()){cos((21])cos[(cos)()(000tttmtttmtr)cos()(21ttm单边带(SSB)调制原理：两个边带包含相同的信息只需传输一个边带：上边带或下边带要求m(t)中无太低频率解调：需要本地载波由于若z(t)=x(t)y(t)，则有Z()=X()Y()单边带信号解调时，用载波cos0t和接收信号相乘，相当于在频域中载波频谱和信号频谱相卷积。-f0HL(f)特性上边带(b)上边带滤波器特性和信号频谱上边带f00f图单边带信号的频谱上边带S(f)上边带下边带HH(f)特性HH(f)特性(a)滤波前信号频谱(c)下边带滤波器特性和信号频谱S(f)S(f)-f00f-f0f0f下边带f0下图以上边带为例，示出用低通滤波器滤出解调后的信号。SSB优点：比DSB信号进一步节省发送功率和占用带宽。图单边带信号的解调S(f)(b)上边带信号频谱上边带上边带f00-f0f2f0-2f0(a)载波频谱f00-f0fC(f)(c)载波和上边带信号频谱的卷积结果f00-f0f2f0-2f0M(f)HL(f)残留边带(VSB)调制引入：上述单边带信号虽然在功率和频带利用率方面具有优越性，但是在接收端解调时需要有与发送端同频同相的本地载波，才能将单边带信号的频谱搬移到正确的基带位置．另外，在发送端为了滤出单边带信号，要求滤波器的边缘很陡峭，有时也难以做到．残留边带调制信号的频谱介于双边带和单边带信号之间，并且含有载波分量．所以它克服上述单边带调制的缺点．特别是，它适合于包含直流分量和很低频率分量的基带信号，目前在电视信号广播系统中得到了广泛的应用．VSB调制的优点：容许调制信号含有很低频率和直流分量。原理：VSB仍为线性调制。调制信号和载波相乘后的频谱为设调制器的滤波器的传输函数为H(f)，则滤波输出的已调信号频谱为)]()([2)(00ffMffMAfSs(t)调制信号m(t)Acos0tH(f)已调信号s(t))()]()([2)(00fHffMffMAfS现在，求出为了得到VSB信号，H(f)应满足的条件：若仍用右图解调器，则接收信号和本地载波相乘后得到的r(t)的频谱为：将已调信号的频谱代入上式，得到r(t)的频谱为：上式中M(f+2f0)和M(f–2f0)两项可以由低通滤波器滤除，所以得到滤波输出的解调信号的频谱密度为：基带信号m(t)接收信号s(t)cos0tr(t)H’(f))()(2100ffSffS)()]()([2)(00fHffMffMAfS)}()]()2([)()]()2({[40000ffHfMffMffHfMffMA)]()()[(400ffHffHfMA为了无失真地传输，要求上式中由于所以，上式可以写为上式即产生VSB信号的条件。)]()()[(400ffHffHfMACffHffH)]()([00mfffM当,0)(mffCffHffH,)]()([00上式要求：滤波器的截止特性对于f0具有互补的对称性：H(f+f0)-(f0+fm)0000ffff0-f0f0+fm-2f02f0-2f02f0fm-fmfmfH(f)H(f-f0)H(f+f0)+H(f–f0)mffCffHffH,)]()([00【例】已知线性调制信号表示式如下（１）（２）分别画出它们的波形图和频谱图．解（１）设)]7()5()5()7([2)]()()()([2]cos[cos)(00000twt0cos)sin5.01(60wtwt0coscos（２）同理：【例】画出此信号经包络检波后的波形．思考题：作业：小结：AM调制时域表达式，AM调制信号波形和频谱图．AM调制信号的解调方法．DSB调制时域表达式,DSB信号波形和频谱图，DSB信号的解调方法．SSB信号频谱图，SSB信号的解调方法．VSB信号调制器中H(f)应满足的条件引入：在对线性调制的讨论中，我们已经熟悉了载波的概念．线性调制是将调制信号附加在载波的振幅上．非线性调制又称角度调制，它是将调制信号附加到载波的相角上．非线性调制基本原理频率的概念：严格地说，只有无限长的恒定振幅和恒定相位的正弦波形才具有单一频率。载波被调制后，不再仅有单一频率，而是具有许多离散或连续的频率分量，占据一定的频带宽度。“瞬时频率”的概念：设一个载波可以表示为式中，0为载波的初始相位；(t)=0t+0为载波的瞬时相位;0=d(t)/dt为载波的角频率。现定义瞬时频率：上式可以改写为：)cos()(cos)(00tAtAtcdttdti)()(0)()(dttti角度调制的定义：由下式可见，(t)是载波的相位。若使它随调制信号m(t)以某种方式变化，则称其为角度调制。相位调制的定义：若使相位(t)随m(t)线性变化，即令则称为相位调制。这时，已调信号的表示式为此已调载波的瞬时频率为：上式表示，在相位调制中瞬时频率随调制信号的导函数线性地变化。)cos()(cos)(00tAtAtc)()(00tkmtt)](cos[)(00tkmtAtsp)(t)0tmdtdkpi（频率调制的定义：若使瞬时频率直接随调制信号线性地变化，则称为频率调制。这时，瞬时角频率为及瞬时相位为这时，已调信号的表示式为：上式表明，载波相位随调制信号的积分线性地变化。相位调制和频率调制的比较：在相位调制中载波相位(t)随调制信号m(t)线性地变化，而在频率调制中载波相位(t)随调制信号m(t)的积分线性地变化。若将m(t)先积分，再对载波进行相位调制，即得到频率调制信号。类似地，若将m(t)先微分，再对载波进行频率调制，就得到相位调制信号。仅从已调信号波形上看无法区分二者。)()(0tmktfi000)()()(dttmkt