chap4 模擬調(diào)制系統(tǒng)

2023/2/4通信原理課件1Chap4模擬調(diào)制系統(tǒng)

2023/2/4通信原理課件2本章綱要4.1引言4.2幅度調(diào)制1.常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AmplitudeModulation，AM）2.雙邊帶抑制載波（DoubleSideband－SuppressedCarrier，DSB－SC）3.單邊帶調(diào)幅（SingleSideband，SSB）4.殘留邊帶調(diào)幅（VestigialSideband，VSB）4.3各種幅度調(diào)制系統(tǒng)的噪聲性能2023/2/4通信原理課件3本章綱要4.4角度調(diào)制（AngularModulation）（非線性調(diào)制）系統(tǒng)4.5調(diào)頻系統(tǒng)的噪聲性能4.6各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能比較4.7頻分復(fù)用（FDM）2023/2/4通信原理課件4引言4.1.1調(diào)制（Modulation）定義：使載波信號的某一個（或幾個）參量隨基帶信號改變的過程。實質(zhì)：頻譜搬移。作用與信道特性匹配；實現(xiàn)多路復(fù)用；提高抗干擾性。2023/2/4通信原理課件5引言調(diào)制的分類按載波信號c(t)分連續(xù)波調(diào)制脈沖波調(diào)制按基帶信號m(t)分數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制2023/2/4通信原理課件6引言按調(diào)制器的功能分幅度調(diào)制——如模擬調(diào)幅（AM，DSB，SSB，VSB），脈沖幅度調(diào)制（PAM），幅移鍵控（ASK）；頻率調(diào)制——如FM，頻移鍵控（FSK），脈寬調(diào)制（PDM）；相位調(diào)制——如模擬調(diào)相（PM），相移鍵控（PSK），脈位調(diào)制（PPM）。2023/2/4通信原理課件7幅度調(diào)制4.2.1一般原理概念：用調(diào)制信號去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程。模型2023/2/4通信原理課件8幅度調(diào)制時域和頻域表達式時域頻域2023/2/4通信原理課件9幅度原理線性調(diào)制——如各種幅度調(diào)制，幅移鍵控(ASK)；非線性調(diào)制——如FM、PM、頻移鍵控(FSK)。2023/2/4通信原理課件10AM（AmplitudeModulation）AM信號的產(chǎn)生2023/2/4通信原理課件11AM（AmplitudeModulation）線性調(diào)幅的條件為了解調(diào)時能使用包絡(luò)檢波法，線性調(diào)幅的條件為：A0≥|m(t)|max

，即保證AM信號的包絡(luò)總是為正的。過調(diào)現(xiàn)象：已調(diào)信號的包絡(luò)與調(diào)制信號之間已無線性關(guān)系變化可言，包絡(luò)與調(diào)制信號相比，出現(xiàn)了嚴重的失真，這種現(xiàn)象通常我們稱這種現(xiàn)象為過調(diào)。2023/2/4通信原理課件12AM（AmplitudeModulation）AM信號的頻譜特性2023/2/4通信原理課件13AM（AmplitudeModulation）特點從頻域表達式可以看出，AM信號的頻譜是DSB信號的頻譜加上載波分量。在這個頻譜搬移過程中沒有出現(xiàn)新的頻率分量，因此，該調(diào)制為線性調(diào)制。帶寬BAM＝2fm。2023/2/4通信原理課件14AM（AmplitudeModulation）AM已調(diào)信號的功率分配2023/2/4通信原理課件15例題4-1已知一AM信號（1）請寫出基帶信號m(t)的表達式；（2）寫出載波信號c(t)的表達式；（3）寫出s(t)的傅里葉變換S(f)表達式,并畫出其頻譜圖；（4）求邊帶功率和載波功率。2023/2/4通信原理課件16例題4-1解：信號頻率fm=100Hz信號頻率fc=1000Hz2023/2/4通信原理課件17DSB－SC4.2.3抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB－SC(DoubleSideband-SuppressedCarrier)產(chǎn)生載波反向點2023/2/4通信原理課件18DSB－SCDSB信號的頻譜特性上邊帶（USB）：|f|>fc的頻率分量下邊帶（LSB）：|f|<fc的頻率分量2023/2/4通信原理課件19DSB－SC頻譜特點1、上、下邊帶均包含調(diào)制信號的全部信息，在載頻處無載波分量，這就是抑制載波的效果；2、幅度減半，帶寬加倍，BDSB＝2fm；3、線性搬移。2023/2/4通信原理課件20例題4-2設(shè)m(t)是正弦型單音頻信號，載波信號為c(t)，且，試寫出DSB-SC信號及上、下邊帶信號的時域及頻域表達式。解：該DSB信號的頻域表達式為：2023/2/4通信原理課件21例題4-2上邊帶信號的時域及頻域表達式下邊帶信號的時域及頻域表達式2023/2/4通信原理課件22SSB（SingleSideband）4.2.4單邊帶調(diào)制由于從信息傳輸?shù)慕嵌戎v，上、下兩個邊帶所包含的信息相同，因此只傳送一個邊帶即可以傳送信號的全部信息。

SSB信號的產(chǎn)生方法有：濾波法；相移法；混合法（由于電路較為復(fù)雜，因此用途并不廣泛）。2023/2/4通信原理課件23SSB（SingleSideband）濾波法2023/2/4通信原理課件24希爾伯特變換定義：物理可實現(xiàn)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)其實部與虛部之間存在對應(yīng)的確定關(guān)系稱為Hilbert變換。Hilbert濾波器，它實質(zhì)上是一個寬帶相移網(wǎng)絡(luò)，對m(t)中的任意頻率分量均相移-π/2。2023/2/4通信原理課件25希爾伯特變換常用的希爾伯特變換2023/2/4通信原理課件26SSB（SingleSideband）相移法——實際上是SSB信號表達式的電路表示推導(dǎo)2023/2/4通信原理課件27SSB（SingleSideband）由例4-2可得2023/2/4通信原理課件28SSB（SingleSideband）2023/2/4通信原理課件29SSB（SingleSideband）SSB信號的頻率特性BSSB＝0.5BDSB＝fm；

因SSB信號不含有載波成分，單邊帶幅度調(diào)制的效率也為100%。2023/2/4通信原理課件30VSB（VestigialSideband）定義SSB問題：理想的濾波器難以實現(xiàn)。VSB調(diào)制：殘留邊帶調(diào)制是介于SSB與DSB-SC之間的一種調(diào)制方式，在VSB中除了傳送一個邊帶之外，還保留另外一個邊帶的一部分。信號產(chǎn)生2023/2/4通信原理課件31VSB（VestigialSideband）

HVSB(ω)的頻率特性須從VSB信號的解調(diào)方式入手2023/2/4通信原理課件32VSB（VestigialSideband）經(jīng)過LPF后，高頻成份濾掉，這樣解調(diào)輸出為：當HVSB(ω+ωc)+HVSB(ω-ωc)=常數(shù)，|ω|≤ωH時，此時，MO(ω)=C*M(ω)

，從VSB信號中無失真地恢復(fù)了原始信號。殘留邊帶濾波器傳輸函數(shù)要求滿足的互補對稱條件。2023/2/4通信原理課件33VSB（VestigialSideband）幾何解釋2023/2/4通信原理課件34VSB（VestigialSideband）VSB的特點及應(yīng)用（1）所需帶寬為ωm<ω<2ωm；（2）采用濾波法較易實現(xiàn)。（3）VSB調(diào)制在廣播電視、通信等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。2023/2/4通信原理課件35各種幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能4.3.1分析模型概念模擬通信系統(tǒng)的評價標準用有效傳輸頻帶（有效性）和接收端輸出信噪比（可靠性）來衡量。調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能是利用解調(diào)器的抗噪聲能力來衡量。抗噪聲能力通常用“信噪比”來度量。2023/2/4通信原理課件36各種幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能解調(diào)器模型注：帶通濾波器的作用是將混合在噪聲中的有用信號過濾出來，同時，濾除已調(diào)信號頻帶外的噪聲。解調(diào)器輸入端的噪聲帶寬與已調(diào)信號的帶寬是相同的，但是遠小于中心頻率。加性高斯白噪聲n(t)的雙邊功率譜密度為n0/2，均值為0。2023/2/4通信原理課件37各種幅度調(diào)制系統(tǒng)的噪聲性能分析模型解調(diào)器的輸入噪聲為窄帶高斯白噪聲解調(diào)器的輸入噪聲功率輸出信噪比2023/2/4通信原理課件38各種幅度調(diào)制系統(tǒng)的噪聲性能輸入信噪比信噪比增益也稱為調(diào)制制度增益G作用：用來衡量同類調(diào)制系統(tǒng)不同解調(diào)器對輸入信噪比的影響。2023/2/4通信原理課件39各種幅度調(diào)制系統(tǒng)的噪聲性能4.3.2線性系統(tǒng)的相干解調(diào)抗噪性能相干解調(diào)的原理原理框圖2023/2/4通信原理課件40各種幅度調(diào)制系統(tǒng)的噪聲性能模型分析sp(t)經(jīng)過低通濾波器LPF，濾掉高頻成份，得以DSB信號為例對有用信號：2023/2/4通信原理課件41各種幅度調(diào)制系統(tǒng)的噪聲性能對噪聲：通過相乘器的噪聲信號經(jīng)過低通濾波器LPF，濾掉高頻成份，得2023/2/4通信原理課件42DSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能分析（解調(diào)過程演示）解調(diào)器輸入信噪比已調(diào)信號的平均功率輸入噪聲平均功率輸入信噪比2023/2/4通信原理課件43DSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能解調(diào)器輸出端信噪比輸出信號平均功率輸出噪聲的平均功率輸出信噪比2023/2/4通信原理課件44DSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能解調(diào)增益G（信噪比得益）這說明，DSB信號的解調(diào)器使信噪比改善了一倍。這是因為采用同步解調(diào)，把噪聲中的正交分量ns(t)抑制掉了，從而使噪聲功率減半。2023/2/4通信原理課件45SSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能分析（演示）解調(diào)器輸入端信噪比已調(diào)信號的平均功率2023/2/4通信原理課件46SSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能輸入噪聲平均功率輸入信噪比注：在這里SSB信號中窄帶加性噪聲的帶寬僅是DSB系統(tǒng)中的一半，因此SSB解調(diào)器中的窄帶噪聲功率是DSB解調(diào)器中的一半。同樣的符號Ni在DSB系統(tǒng)和SSB系統(tǒng)的值不同！2023/2/4通信原理課件47SSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能解調(diào)器輸出端信噪比輸出信號平均功率輸出噪聲的平均功率輸出信噪比2023/2/4通信原理課件48SSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能解調(diào)增益G（信噪比得益） SSB解調(diào)器具有相同的輸入輸出信噪比。這說明，SSB信號的解調(diào)器對信噪比沒有改善。這是因為在SSB系統(tǒng)中，信號和噪聲具有相同的表示形式，所以相干解調(diào)過程中，信號和噪聲的正交分量均被抑制掉，故信噪比不會得到改善。

2023/2/4通信原理課件49SSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能注意在相同的噪聲背景和相同的輸入信號功率條件下，DSB和SSB在解調(diào)器輸出端的信噪比是相等的。從抗噪聲的觀點，SSB調(diào)制和DSB調(diào)制是相同的。但SSB調(diào)制所占有的頻帶僅為DSB的一半。2023/2/4通信原理課件50VSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能由于所采用的殘留邊帶濾波器的頻率特性形狀可能不同，所以難以確定抗噪性能的一般計算公式。在殘留邊帶濾波器滾降范圍不大的情況下，可將VSB信號近似看成SSB信號，即SVSB(t)≈SSSB(t)。 在這種情況下，VSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能與SSB系統(tǒng)相同。2023/2/4通信原理課件51例4-3教材P98習(xí)題4-5解：（1）為了保證信號順利通過和盡可能地濾除噪聲，帶通濾波器的寬度等于已調(diào)信號帶寬，即其中心頻率為100kHz，故有

（2）已知解調(diào)器的輸入信號功率，輸入噪聲功率為故輸入信噪比

2023/2/4通信原理課件52例4-3（3）因為DSB調(diào)制制度增益GDSB=2，故解調(diào)器的輸出信噪比：（4）根據(jù)相干解調(diào)器的輸出噪聲與輸入噪聲功率關(guān)系又因解調(diào)器中低通濾波器的截止頻率為fm=4kHz，故輸出噪聲的功率譜密度2023/2/4通信原理課件53AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能4.3.3AM信號包絡(luò)檢波解調(diào)的抗噪性能AM信號可用相干解調(diào)和包絡(luò)檢波兩種方法解調(diào)。包絡(luò)檢波的原理（演示）模型整流器LPFSAM(t)So(t)Mo(t)2023/2/4通信原理課件54AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能AM系統(tǒng)包絡(luò)檢波的抗噪性能解調(diào)器輸入端信噪比已調(diào)信號的平均功率輸入噪聲平均功率（與DSB相同）輸入信噪比2023/2/4通信原理課件55AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能解調(diào)器輸出端信噪比解調(diào)器輸入信號包絡(luò)：相位：2023/2/4通信原理課件56AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能情況一：大信噪比（小噪聲）情況，即這里利用了公式2023/2/4通信原理課件57AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能分析：輸出信號平均功率輸出噪聲的平均功率輸出信噪比解調(diào)增益2023/2/4通信原理課件58AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能結(jié)論：在小噪聲情況下，AM系統(tǒng)的相干解調(diào)與非相干解調(diào)有相同的抗噪性能。當A0=|m(t)|max時，對于單音信號的調(diào)制（簡稱單音調(diào)制）m(t)=A0cosωmt， 此時G=2/3。

2023/2/4通信原理課件59AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能情況二：小信噪比（大噪聲）情況，即2023/2/4通信原理課件60AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能分析：包絡(luò)E(t)中的m(t)，m(t)cosθ(t)是依賴于噪聲變化的隨機函數(shù)，也就是一個隨機噪聲。此時包絡(luò)檢波器把有用信號擾亂成噪聲。結(jié)論：在大噪聲情況下，AM系統(tǒng)包絡(luò)檢波法無法恢復(fù)原始信號m(t)。2023/2/4通信原理課件61AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能3.門限效應(yīng)概念：當輸入信噪比小到某一個特定的數(shù)值時，就會出現(xiàn)輸出信噪比急劇惡化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為門限效應(yīng)，而該特定的數(shù)值稱為門限。原因：由包絡(luò)檢波器的非線性解調(diào)作用所引起的。注意：非相干解調(diào)有門限效應(yīng)；相干解調(diào)無門限效應(yīng)。包絡(luò)檢波是一種非線性解調(diào)方法。2023/2/4通信原理課件62例4-4教材P99習(xí)題4-11解：(1)設(shè)AM信號為，且式中，Pc為載波功率，Ps為邊帶功率。

2023/2/4通信原理課件63例4-4（2）假定，則理想包絡(luò)檢波輸出為（3）制度增益

2023/2/4通信原理課件64角度調(diào)制(AngularModulation)頻率調(diào)制（FrequencyModulation，F(xiàn)M）：載頻fc隨基帶信號變化。相位調(diào)制（PhaseModulation，PM）：載波的相位隨基帶信號變化。調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為角度調(diào)制。角度調(diào)制屬于非線性調(diào)制，即調(diào)制后信號的頻譜不再是調(diào)制前信號頻譜的線性搬移，而產(chǎn)生出很多新的頻率成分。2023/2/4通信原理課件65角度調(diào)制(AngularModulation)4.4.1基本概念角調(diào)波的一般表達式：式中，A為——振幅（恒定）瞬時相位：瞬時角頻率：瞬時相位偏移：瞬時角頻率偏移：2023/2/4通信原理課件66角度調(diào)制(AngularModulation)調(diào)相瞬時相位偏移∝基帶信號幅值式中，Kp為調(diào)相靈敏度，單位為rad/V。則雖然是PM波，但其角頻率仍與m(t)有關(guān)。2023/2/4通信原理課件67角度調(diào)制(AngularModulation)式中，Kf為調(diào)頻靈敏度，單位為rad/(s.V)。則調(diào)頻瞬時角頻率偏移∝基帶信號幅值2023/2/4通信原理課件68角度調(diào)制(AngularModulation)總結(jié)FM波和PM波從波形上無法區(qū)別。區(qū)分FM波和PM波的方法是考察頻偏還是相移隨基帶信號的幅值變化。調(diào)頻與調(diào)相之間的關(guān)系2023/2/4通信原理課件69角度調(diào)制(AngularModulation)2023/2/4通信原理課件70角度調(diào)制(AngularModulation)4.4.2窄帶調(diào)頻（NBFM）定義時域表達式頻域表達式2023/2/4通信原理課件71角度調(diào)制(AngularModulation)與AM信號的頻譜比較2023/2/4通信原理課件72角度調(diào)制(AngularModulation)4.4.3寬帶調(diào)頻（WBFM）信號表達式設(shè)基帶信號為單音頻信號式中，AmKf為最大角頻偏，記為Δω。mf為調(diào)頻指數(shù)2023/2/4通信原理課件73角度調(diào)制(AngularModulation)調(diào)頻信號的級數(shù)展開式：調(diào)頻信號的級數(shù)展開式對應(yīng)的付氏變換譜：調(diào)頻波的帶寬用卡森公式表示：2023/2/4通信原理課件74調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)調(diào)頻信號的產(chǎn)生NBFM信號的產(chǎn)生直接調(diào)頻：常用壓控振蕩器產(chǎn)生；間接調(diào)頻：用調(diào)相電路產(chǎn)生調(diào)頻波2023/2/4通信原理課件75調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)WBFM信號的產(chǎn)生先產(chǎn)生一個NBFM信號，再經(jīng)過一個倍頻器，從而產(chǎn)生WBFM信號。2023/2/4通信原理課件76調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)混頻法2023/2/4通信原理課件77調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)調(diào)頻信號的解調(diào)NBFM的相干解調(diào)2023/2/4通信原理課件78調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)WBFM的非相干解調(diào)非線性調(diào)制采用非相干解調(diào)。而非相干解調(diào)采用的是鑒頻器。解調(diào)器的輸出應(yīng)當為：頻率-電壓轉(zhuǎn)換特性的鑒頻器鎖相環(huán)法2023/2/4通信原理課件79調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)1）鑒頻器法微分電路將幅度衡定的調(diào)頻波變換為調(diào)幅調(diào)頻波，即幅度和頻率都隨基帶信號m(t)線性變化。其缺點之一是包絡(luò)檢波器對于由信道噪聲和其他原因引起的幅度起伏也有反應(yīng)，為此，在微分器前加一個限幅器和帶通濾波器。2023/2/4通信原理課件80調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2）鎖相環(huán)法解調(diào)鑒相器：對兩輸入信號進行相位比較；環(huán)路濾波器：平滑鑒相器輸出電壓及抑制鑒相器輸出電壓中的噪聲和高頻分量。壓控振蕩器VCO：控制輸入端的控制信號隨uo變化。2023/2/4通信原理課件81調(diào)頻系統(tǒng)的噪聲性能1.模型輸入信號功率：輸入噪聲功率：2023/2/4通信原理課件82調(diào)頻系統(tǒng)的噪聲性能2.結(jié)論（1）大信噪比情況輸出信噪比：考慮基帶信號為單頻余弦波時：解調(diào)器的制度增益為：2023/2/4通信原理課件83調(diào)頻系統(tǒng)的噪聲性能寬帶調(diào)頻輸出信噪比相對于調(diào)幅的改善與其傳輸帶寬的平方成正比。也就是說，對于調(diào)頻系統(tǒng)來說，可以通過增加傳輸帶寬來改善系統(tǒng)的抗噪聲性能，調(diào)頻系統(tǒng)可以用帶寬來換取信噪比的改善。但對于調(diào)幅系統(tǒng)，因為調(diào)幅系統(tǒng)的信號帶寬是固定的，因而不能利用帶寬換取信噪比的改善。寬帶調(diào)頻時，解調(diào)器的制度增益為：教材P97例題4-12023/2/4通信原理課件84調(diào)頻系統(tǒng)的噪聲性能（2）小信噪比情況沒發(fā)生門限效應(yīng)時：在相同輸入信噪比情況下，F(xiàn)M輸出信噪比要好于AM輸出信噪比;但是，當輸入信噪比降低到某一門限時，F(xiàn)M就開始出現(xiàn)門限效應(yīng);如果輸入信噪比繼續(xù)降低，則FM解調(diào)器的輸出信噪比將急劇變壞，甚至比AM的性能還要差。用普通鑒頻器解調(diào)調(diào)頻信號時，其門限效應(yīng)與輸入信噪比有關(guān)，一般發(fā)生在輸入信噪比10dB左右處。和包絡(luò)檢波器一樣，F(xiàn)M解調(diào)器的門限效應(yīng)也是由它的非線性的解調(diào)作用所引起的。各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能比較2023/2/4通信原理課件852023/2/4通信原理課件86各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能比較性能比較WBFM抗噪聲性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪聲性能次之，AM抗噪聲性能最差。FM的調(diào)頻指數(shù)mf越大，抗噪聲性能越好，但占據(jù)的帶寬越寬，頻帶利用率低。SSB的帶寬最窄，其頻帶利用率高。優(yōu)缺點圖4-33各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能曲線頻分復(fù)用4.7.1頻分復(fù)用原理頻分復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）是指把有限的頻帶資源分給多個用戶，實現(xiàn)多個用戶同時共享一個信道?；ハ嗖桓蓴_，即各個用戶的信號頻譜不重疊，在接收方接收機可以通過帶通濾波器