上海大学通信原理教材配套课件-第4章

★1、主要内容:研究模拟信号的调制与解调方法，包括线性调制与非线性调制原理及抗噪声性能；频分复用(FDM)的基本概念。★2、基本要求:理解线性调制和非线性调制的概念。掌握幅度调制和角度调制的基本原理和抗噪声性能的分析方法。掌握频分复用的原理。本章要求(参考学时为8学时)幅度调制一般模型及调制原理幅度调制系统的抗噪声性能角度调制原理角度调制系统的抗噪声性能频分复用原理知识要点4.1引言★基带信号：具有较低的频率分量，不宜在许多信道中直接传输，位于调制前、解调后的信号。★频带信号（已调信号）：调制后得到的信号，位于调制后、解调前的信号。调制：用基带信号去改变载波信号的某些参数的过程其实质是改变基带信号的频谱位置。★模拟调制：模拟基带信号对高频载波（如：正弦波）的某个参量：幅度、频率或相位进行控制，使这个参量按照基带信号的规律变化，称这个过程为模拟调制。★调制方式：•线性调制：不产生新的频率分量，对基带信号完成频谱的线性搬移。如幅度调制。•非线性调制：在实现频谱搬移过程中还会产生新的频率分量。如调频和调相。★调制的目的、作用：（1）搬移频率，使基带信号适合信道传输；（2）多路复用，有效利用信道频带；（3）提高性能，特别是抗干扰能力。4.2幅度调制原理★调幅：高频载波的振幅随基带信号而改变的过程称调幅。★主要调幅方法：常规调幅（AM）抑制载波的双边带调制（DSB-SC）单边带调制（SSB）残留边带调制（VSB）。•4.2.1幅度调制的一般模型mxxx,,21图4.2.1线性调制器的一般模型)(tmtccos)(tsm)(th幅度调制信号：)()(21)(cos)()(ccmcmMMSttmts上式表明：幅度已调信号的频谱是基带信号频谱同时向左右移动了，而频谱结构没有变化，因此是线性调制。)(M)(Mc)()()(21)(HMMSccm更一般的表示：选择不同的特性，可以得到各种调幅信号。•4.2.2常规调幅（AM）00图4.2.2常规调幅波形及频谱(a)常规调幅波形0ttt0t00(b)常规调幅信号频谱tt)(tM)(tm)(ts)(tsm)(S)(mSHHcccc4.2.2AM时域频域表达式结论：1.为了实现不失真的调幅，必须满足下列二个条件：（1）保证总是正的，否则将会出现过调制（2）载波频率应远大于调制信号的最高频谱分量，否则会出现频谱交叠。2.已调信号频谱是原始频谱搬移了的结果，且幅度谱对原点是偶对称的。3.AM波的带宽是调制信号带宽的两倍。)(0tmmp)(pMc•4.2.3抑制载波的双边带调制（DSB-SC）0t图4.2.3DSB信号波形及频谱0t0t0t0t0t)(tM)(S)(mSHHcccc)(tsm)(ts)(tm相位翻转4.2.2DSB时域频域表达式结论：1．调制信号改变极性时，已调信号的载波相位倒相，即的包络形状按的规律变化；2．信息同时包含在振幅和相位中，因此必须采用相干解调；3．DSB信号带宽与AM信号带宽相同，即)(tsm)(tmpHDSBfB2•4.2.4单边带调制（SSB）(a)00(b)图4.2.4形成单边带信号的滤波器特性图4.2.5单边带信号的频谱(c)(b)(a)下边带频谱上边带频谱t0t0t0)(H)(H)(M)(mS)(mSccccccccHH4.2.4SSB时域和频域表达式11ˆcossin22mccstmttmtt1()()()41()sgn()()sgn()4mccccccSMMMM结论：1.USSB信号可以由一个DSB信号通过图4.2.4（a）所示的理想低通滤波器获得。LSSB信号可以由一个DSB信号通过图4.2.4（b）所示的理想低通滤波器获得。2.SSB信号频谱可得到单边带信号与调制信号有相同的带宽，即HSSBfB•4.2.5残留边带调制（VSB）1.0(a)残留下边带滤波器传输特性1.00.50(b)残留上边带滤波器传输特性0.50图4.2.6残留边带滤波器传输特性)(H)(Hcccc为了无失真地恢复调制信号,残留边带滤波器传输特性应该满足的条件：()()VSBcVSBcHH常数)(tmH重要概念：只要残留边带滤波器的截止特性在载频处具有互补对称(奇对称)特性，采用同步解调就可以不失真地恢复基带信号。图4.2.8残留边带滤波器的几何意义(d)(c)(b)(a)1.00.501.000.51.000.51.000.5cccccccc)(H)(cH)(cH)()(ccHH4.3幅度调制系统的抗噪声性能•4.3.1幅度调制系统抗噪声性能的分析模型带通滤波器图4.3.1调幅系统抗噪声性能分析模型解调器)(tsm)(tsm)(tn)(tni)(tmo)(tno解调器输出信噪比：调制制度增益：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)()(22tntmNSoooo输入信噪比输出信噪比iiooNSNSG•4.3.2DSB调制系统的抗噪声性能解调器输入信噪比：解调器输出信噪比：DSB相干解调系统调制制度增益：结论：DSB信号相干解调使信噪比改善一倍。)()(21sPsPDSBiiBntmNS02)(21DSBiooBntmNtmNS022)(41)(412iiooNSNSG•4.3.3SSB调制系统的抗噪声性能解调器输入信噪比：解调器输出信噪比：SSB相干解调系统调制制度增益：1SSBiiBntmNS02)(41SSBiooBntmNtmNS0224)(41)(1611iiooNSNSG结论：•双边带信号解调器的调制制度增益是单边带信号解调器的二倍，即DSB解调器的信噪比改善是SSB解调器的二倍。•虽然DSB的G是SSB的二倍，但两者的解调性能是相同的。•4.3.4AM调制系统的抗噪声性能★相干解调的AM系统性能输入信噪比：输出信噪比：调制制度增益：AMpiiBntmmNS02202)(AMpipooBntmNtmNS022)(41)(41)()(22202tmmtmNSNSGppiioo★包络检波的AM系统性能在大输入信噪比条件下可以得到下面的关系式：输入信噪比：输出信噪比：调制制度增益：与相干解调的AM系统有相同的抗噪声性能AMpiiBntmmNS02202)(AMpooBntmNS02)()()(22202tmmtmNSNSGppiioo★包络检波的AM系统性能•小信噪比条件，有用信号淹没在噪声中•门限效应：当输入信噪比下降到某一值时，如果输入信噪比继续下降，输出信噪比急剧恶化的现象称为解调器的门限效应。•门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。4.4角度调制原理•4.4.1角度调制信号的数学表达式时域表达式为：•是信号的瞬时相位称为瞬时相位偏移。•为信号的瞬时频率称为瞬时频率偏移。角度调制数学表达式：调制灵敏度★相位调制（PM）：★频率调制（FM）：])(cos[)(tFcmdmKtAts)](cos[)(tmKtAtsPcm•4.4.2角度调制信号的频谱结构与带宽调制信号：调频信号时域表达式：调频信号频域表达式：ttmtmHcos)()(maxnHcfnmtnmJAts)cos()()(nHcHcfnmnnmJAS)()()()(频偏常数：KF最大频偏：maxmax()FKmt4.4.2角度调制信号的频谱结构与带宽调频信号带宽（卡森公式）：)(2)1(2maxHHfFMfffmBHHHFffftmKmmaxmaxmax)(调频指数：4.5角度调制系统的抗噪声性能★调频系统抗噪声性能分析模型解调器带通图4.5.1调频系统抗噪声性能分析模型限幅鉴频低通)(tsm)(tn)(tsm)(tni)(tmo)(tno★调频系统抗噪声性能调频信号：其中：解调器输入信号功率：解调器输入噪声功率：解调器输入信噪比：)](cos[)(ttAtscmtFdmkt)()(FMiiBnANS02222iAS0iFMNnB•大信噪比下调频系统抗噪声性能解调器输出信号功率：解调器输出噪声功率谱密度：，221hPe)(4)(2222tmKtmSFoo220)(AfnPo2FMBf0)(fPo2FMB2FMBHfHff解调器输出噪声功率：解调器输出信噪比：调频系统调制制度增益：HHffHooofAndfPtnN320232)()(2max22max02230222)()(23)(83tmtmfffnAtmfnKANSHHHFooHFMHiioofBtmtmffNSNSG2max22max)()(3调制信号为单频余弦波时：ttmtmHcos)()(maxHfoofnAmNS022223)1(32322ffHFMfiioommfBmNSNSG•小信噪比下调频系统抗噪声性能调频信号的角度可表示为：)]()(sin[)()()(tttVAtttc上式中没有单独存在的信号项，信号淹没于噪声中，解调器输出由噪声决定。表明调频系统解调器也存在“门限效应”。S0/N0(dB)Si/Ni(dB)70503010DSBSSBFM0503010图4.5.5调频信号非相干解调的门限效应6fm3fm★调频系统的预加重和去加重预加重和去加重可以改善调频解调器的输出信噪比，实际上，等效于改善了频率调制的门限。(b)去加重(a)预加重图4.5.6预加重和去加重网络及频率特性(c)频率特性预加重去加重0合成CC1R2RR1f2ff•发送端：预加重•接收端：去加重对信号？对噪声4.6频分复用复合输出CHn输出CH1输出CH2……LPFLPFLPF解调器解调器解调器BPFBPFBPF信道基带信号CHn基带信号CH2基带信号CH1……LPF调制器调制器调制器LPFLPFBPFBPFBPF图4.6.1频分复用原理框图多级调制和复合调制•多级调制：同一基带信号多次调制；•复合调制：同一载波多种调制；频分复用应用举例（多级调制）4kHz4kHz4kHz000基带信号DSB调制12kHz16kHz20kHz取上边带24kHz12kHz24kHz12kHz24kHz12kHz24kHz12kHz96kHz84kHz72kHz60kHz108kHz108kHz120kHz96kHz84kHz取下边带图4.6.2载波电话的频分复用频谱Ch4END