模擬調(diào)制系統(tǒng)

1、第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)信源：消息的來源。信源發(fā)送設(shè)備信 道接收設(shè)備信宿噪聲源（發(fā)送端）：人、計算機、控制系統(tǒng)（接收端）:人，計算機、控制系統(tǒng)人：話音計算機：數(shù)據(jù)、程序；控制系統(tǒng)的傳感信號，溫度、壓力、速度電視；什么是信號？什么是信息？4.1 引言通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)信源調(diào)制器信 道解調(diào)器信宿噪聲源（發(fā)送端）人、計算機、控制系統(tǒng)（接收端）人，計算機、控制系統(tǒng)信源m(t)：消息的來源。 人：話音、圖像； 計算機：數(shù)據(jù)、程序； 控制系統(tǒng)的傳感信號：溫度、壓力、速度、高度，角度問題：如何將消息從信源傳送到需要的信宿（收信者）？與哪些理論和技術(shù)有關(guān)系？在廣播中，如

2、何將聲音發(fā)送出去，如何復(fù)原聲音？通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.1.1 調(diào)制器的模型調(diào)制器m(t)c(t)Sm(t)圖 4-1 調(diào)制器模型調(diào)制：就是按調(diào)制信號m(t)(消息)的變化規(guī)律去改變載波某些參 數(shù)的過程。通俗的說法就是，把消息裝載到載波上，用載波攜帶消息的過程。 c(t)：載波信號，理論上可以是任何波形，相對m(t)來說是高頻信號。 Sm(t)：已調(diào)信號 。通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.1.2 調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用 n1、實現(xiàn)信道多路復(fù)用，提高信道利用率。n把頻率分成不同的段，分別安排不同的應(yīng)用。管理頻率資源的組織叫做無線電管理委員會，如校廣播臺，個人無線

3、電臺，對講機。n頻段，40-500kHz電力線載波；535-1605 中波調(diào)幅廣播；n2、提高抗干擾能力。 (雷電對AM和FM的干擾差別)n3、進行頻率變換，把調(diào)制信號的頻譜搬移到所希望的頻帶上，從而將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號。 通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.1.3 調(diào)制的分類調(diào)制的分類 n根據(jù)調(diào)制的概念，調(diào)制涉及調(diào)制信號、載波信號及調(diào)制過程中基帶信號對載波信號中的參數(shù)控制，按照信號和載波的不同以及參數(shù)控制的不同，可以對調(diào)制進行如下分類。n1.按照調(diào)制信號按照調(diào)制信號m(t)分分n(1) 模擬調(diào)制：m(t)為模擬信號，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PMn(2) 數(shù)字調(diào)制

4、：m(t)為數(shù)字信號，如ASK、FSK、PSK等。通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)n2.按照載波信號按照載波信號c(t)分分n連續(xù)波調(diào)制：c(t)為連續(xù)正（余)弦波, 如：AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM、ASK、FSK、PSK等。 n脈沖波調(diào)制：c(t)為周期性脈沖信號，PAM、PCM等。通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)n3.按照按照 m(t)對對c(t)不同參數(shù)的控制分不同參數(shù)的控制分：n(1) 幅度調(diào)制：載波的幅度隨調(diào)制信號線性變化的過程，AM、ASKn(2) 頻率調(diào)制：FM、FSKn(3)相位調(diào)制：PM、PSK、DPSK通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)n在模擬調(diào)制系統(tǒng)中，根據(jù)調(diào)制前后

5、頻譜特性不同又分線性調(diào)制、非線性調(diào)制兩部分，前者包括幅度調(diào)制，即AM、DSB、SSB、VSB，后者包括角度調(diào)制FM、PM，總共有六種調(diào)制方式。n特別提醒：n對于調(diào)制解調(diào)理論的學(xué)習(xí)，按照如下思路進行n(1) 分析輸入、輸出信號的表達式、波形、頻譜、帶寬和功率分配；n(2) 各種調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)原理與實現(xiàn)方法；n(3) 分析各種調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能；n(4) 了解各種調(diào)制系統(tǒng)的特點和應(yīng)用。 以上內(nèi)容必須掌握通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.2 線性調(diào)制線性調(diào)制n若已調(diào)信號的頻譜只是調(diào)制信號頻譜的平移及線性變換，則稱為線性調(diào)制。n線性調(diào)制包括：n幅度調(diào)制(AM)、雙邊帶調(diào)制(DSB)、單邊帶調(diào)制(

6、SSB)和殘留邊帶調(diào)制(VSB)四種線性調(diào)制方式。n它們都是對載波的幅度進行的調(diào)制，所以也稱為幅度調(diào)制。通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.2.1 調(diào)幅（AM）00( )( )coscos( )cosAMcccstAm ttAtm tt假設(shè)調(diào)制信號m(t)的平均值為0，將其疊加一個直流分量A0后與載波相乘，如圖4-2所示，即可形成調(diào)幅信號。其時域表示式為：乘法運算實現(xiàn)的技術(shù)上有哪些？實際上，任何信號都可以擔(dān)當(dāng)載波，只要便于產(chǎn)生和解調(diào)通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)n若為確知信號，則AM信號的頻譜為 01( ) ()()()()2AMccccSAMM 通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)AM已調(diào)波的特性及

7、參數(shù)0( )0Am t2AMmBf帶寬：振幅：2220( )( ) cosAMAMcPstAm tt2222200cos( )cos2( )coscccAtmttA m tt220( )22AMcSAm tPPP功率計算： 2220SAMAMmtPPAmt調(diào)制效率：調(diào)幅指數(shù)：0max)(AtmmA通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)AM波的解調(diào)方法通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.2.2 雙邊帶調(diào)制雙邊帶調(diào)制(DSB) n在AM信號中，信息完全由邊帶傳送, 載波分量并不攜帶信息，但載波卻占用了大量的功率，使系統(tǒng)功率利用率低下。n如果將圖4-2中的直流去掉，即可得到一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式抑制載波雙邊

8、帶信號（DSB-SC），簡稱雙邊帶調(diào)制（DSB）n時域表達式（令A(yù)M波表達式中的A0=0）： ( )( )cosDSBcstm tt通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)DSB的頻譜表達式1()()()2DSBccSMMDSB的波形與頻譜，已調(diào)信號帶寬mDSBfB2通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.2.3 單邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制(SSB)n單邊帶調(diào)制（SSB）信號是將雙邊帶信號中的一個邊帶濾掉而形成的。產(chǎn)生SSB信號的方法有：n濾波法、相移法和維弗法等。通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)1.濾波法濾波法n產(chǎn)生SSB信號最直觀的方法是先產(chǎn)生一個雙邊帶信號，然后讓其通過一個邊帶濾波器，濾除不需要的邊帶，即可得到

9、單邊帶信號。稱這種方法為濾波法，它是最簡單也是最常用的方法。其原理框圖如圖4-8所示。1,( )( )0,cUSBcHH邊帶濾波器通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)()()SSBDSBSSH1,( )( )0,cLSBcHH1,( )( )0,cUSBcHH保留上邊帶和下邊帶的濾波器特性頻域mSSBfB帶寬通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)n2.相移法相移法n單邊帶信號的頻域表示直觀、簡明，但其時域表示式的推導(dǎo)比較困難，需借助希爾伯特(Hilbert)變換來表述。 n相移法是利用相移網(wǎng)絡(luò)，對載波和調(diào)制信號進行適當(dāng)?shù)南嘁?，以便在合成過程中將其中的一個邊帶抵消而獲得SSB信號。相移法不需要濾波器具有陡峭的

10、截止特性，不論載頻有多高，均可一次實現(xiàn)SSB調(diào)制。 通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)單頻調(diào)制信號為： ( )cosmmm tAt( )coscc tt載波為 ( )coscos11cos()cos()22DSBmmcmcmmcmstAttAtAt則DSB信號的時域表示式為 取出上邊帶 111( )cos()coscossinsin222USBmCmmmcmmcstAtAttAtt取出下邊帶 111( )cos()coscossinsin222LSBmCmmmcmmcstAtAttAtt把上、下邊帶公式合并起來統(tǒng)一表達 11( )coscossinsin22SSBmmcmmcstAttAtt移相

11、產(chǎn)生SSB的方法通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)mmA sint11( )coscossinsin22SSBmmcmmcstAttAtt可以看成是 相移/2的結(jié)果，而幅度大小保持不變。把這一過程稱為希爾伯特變換，記為“ ”。 mcosmAtSS信號cossinmmmmAtAt11( )coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAtt通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)1,0( )1,0sgn看一般形式，定義符號函數(shù)物理意義是m(t)通過傳遞函數(shù)為-jsgn（）的濾波器，得到 由此可知，-jsgn（）稱為希爾伯特濾波器的傳遞函數(shù)。通過濾波器后的信號， 在幅度上 保持不變，在相位上移相/2。

12、 m t m t寬帶/2網(wǎng)絡(luò)用分立元件難以實現(xiàn)，采用數(shù)字信號處理手段可以準(zhǔn)確實現(xiàn)。通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)根據(jù)圖4-10可以得到SSB的時間表達式為ttmttmsccSSBsin)(21cos)(21(t)“-”號取上邊帶，“+”號取下邊帶通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)n3.維弗法維弗法n采用多次調(diào)制，由正弦和余弦載波的相位差來實現(xiàn)m(t)到 的變換，可以克服移相法的困難。 m t通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.2.4 殘留邊帶調(diào)制殘留邊帶調(diào)制(VSB)n殘留邊帶（Vestigial Side-Band，VSB）調(diào)制是介于SSB與DSB之間的一種折中方式，它既克服了DSB信號占用頻帶寬

13、的缺點，又解決了某些SSB信號要求濾波器具有陡峭特性的困難。這種調(diào)制方式不像SSB那樣完全抑制DSB信號的一個邊帶，而是逐漸過渡，使其殘留一小部分，如圖4-12所示。 通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)VSB信號的頻域表達式為：)()H-M()M(21)(H)(S)(VSBccVSBDSBVSBSVSB要想在接收端恢復(fù)原信號，濾波器應(yīng)滿足圖4-14的特性仿照SSB的表達式，VSB的時域表達式：ttmttmsccSSBsin)(21cos)(21(t)通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)mVSBfB已調(diào)波帶寬通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.3 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 n1）輸出

14、信噪比n模擬通信系統(tǒng)的主要質(zhì)量指標(biāo)是解調(diào)器的輸出信噪比。輸出信噪比定義如下：2o2o( )()( )om tSNn t解調(diào)器輸出有用信號的平均功率解調(diào)器輸出噪聲的平均功率22( )()( )miistSNn t解調(diào)器輸入已調(diào)信號的平均功率解調(diào)器輸入噪聲的平均功率2） 輸入信噪比為了對比調(diào)制系統(tǒng)的優(yōu)劣，還要考慮輸入解調(diào)器的信噪比，輸入信噪比的定義為：通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)（3）調(diào)制制度增益為了便于比較同類調(diào)制系統(tǒng)采用不同解調(diào)器時的性能，還可用輸出信噪比和輸入信噪比的比值來表示，即：(/)(/)oiSNGSN 線性調(diào)制系統(tǒng)的一般表達式：ttmttmtscqcimsin)(cos)()(通信

15、原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)2抗噪性能分析方法抗噪性能分析方法 mst in t對于不同的調(diào)制系統(tǒng)，將有不同形式的信號但解調(diào)器輸入端的噪聲形式卻相同。( )( )cos( )siniccscn tn ttn tt( )( )cos( )icn tV ttt通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)2( )imPst輸入信號的功率為：則解調(diào)器的輸入噪聲功率為：0n iPn B 這里的帶寬B應(yīng)等于已調(diào)信號的頻帶寬度，保證已調(diào)信號無失真地進入解調(diào)器，同時最大限度地抑制噪聲。通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.3.2 雙邊帶調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲雙邊帶調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能性能 n在分析DSB及SSB、VSB系統(tǒng)的抗噪聲性能

16、時，圖4-15模型中的解調(diào)器應(yīng)為相干解調(diào)器，如圖4-16所示。由于是線性系統(tǒng)，所以可以分別計算解調(diào)器輸出的信號功率和噪聲功率。通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)解調(diào)過程的圖解通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)計算輸入信噪比)(21(t)22tmsPDSBiBntntntnNscii0222)(21)(21)(設(shè)解調(diào)器輸入信號為 ( )( )cosDSBcstm tt輸入信號功率：輸入噪聲功率：因此解調(diào)器輸入端的窄帶噪聲ni(t)，可表示為 ( ) ( )cos( )siniccscn tn ttn tt輸入信噪比BntmBntmNPNSiiii02022)()(21通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)解調(diào)

17、器輸入信號為 ( )( )cosDSBcstm tt211( )cos( )( )cos222ccm ttm tm tt相干載波cosct相乘后 經(jīng)低通濾波器后，含有高頻載波的分量被濾除掉，所以輸出信號為：o1( )( )2m tm t 22oo1( )( )4Pm tm t因此，解調(diào)器輸出端的有用信號功率為：因此解調(diào)器輸入端的窄帶噪聲ni(t)，可表示為 ( ) ( )cos( )siniccscn tn ttn tt它與相干載波相乘后 ( )cos( )cos( )sincos11( )( )cos2( )sin 222icccscccccscn ttn ttn tttn tn ttn t

18、t計算輸出信噪比通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)經(jīng)低通濾波器后，解調(diào)器最終的輸出噪聲為：o1( )( )2cn tn t故輸出噪聲功率為：22n0o1( )( )4cPn tn t2n00111( )444iniPn tPn B或者輸出信噪比 BntmBntmNS020200)(41)(41信噪比增益200NSNSGii通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.3.3單邊帶調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能單邊帶調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能nSSB信號的解調(diào)方法與DSB信號相同，其區(qū)別僅在于解調(diào)器之前的帶通濾波器的帶寬和中心頻率不同。SSB帶通濾波器的帶寬是DSB的一半。n看解調(diào)圖解通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)22001(

19、 )( )4()4iin imtPSmtNPn Bn B220001( )( )16()144oonm tPSm tNPn Bn B(/)1(/)oSSBiSNGSN輸入信噪比輸出信噪比信噪比增益通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.3.4幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能n1. AM包絡(luò)檢波的性能包絡(luò)檢波的性能nAM信號可用相干解調(diào)和包絡(luò)檢波兩種方法解調(diào)。先對信號可用相干解調(diào)和包絡(luò)檢波兩種方法解調(diào)。先對AM信號采用包絡(luò)檢波的性能進行討論。此時，圖信號采用包絡(luò)檢波的性能進行討論。此時，圖4-15分析模分析模型中的解調(diào)器為一包絡(luò)檢波器，如圖型中的解調(diào)器為一包絡(luò)檢波器，如圖4-17所示，其檢波輸所示，其檢波輸出電壓正比于輸入信號的包絡(luò)變化。出電壓正比于輸入信號的包絡(luò)變化。n設(shè)解調(diào)器輸入信號為：設(shè)解調(diào)器輸入信號為：0( )( )cosAMcstAm tt通信原理 第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)( )( )cos( )siniccscn tn ttn tt2220( )( )22iA MAmtPst0( )( )cosAMcstAm tt信號功率噪聲功率20( )niiPn tn