第五章模擬調制系統(tǒng)-線性調制原理

第五章模擬調制系統(tǒng)-線性調制原理第一頁，共76頁?；仡?、信道的數(shù)學模型（1）調制信道模型n(t)——加性干擾當沒有信號輸入時，信道輸出端也有加性干擾k(t)——乘性干擾當沒有信號輸入時，信道輸出端沒有乘性干擾第二頁，共76頁。特性隨機變化的信道稱為隨參信道特性不隨時間變化或者變化很小的信道稱為恒參信道回顧（2）編碼信道模型轉移概率（transferprobability）第三頁，共76頁?；仡?、信道特性對信號傳輸?shù)挠绊慳、幅頻特性為一條水平直線，即（1）恒參信道的傳輸特性H(w)可用幅頻特性和相頻特性共同描述無失真?zhèn)鬏敚ɡ硐牒銋⑿诺溃l件：b、相頻特性是一條通過原點的直線，即第四頁，共76頁?；仡欘l率失真、相位失真均屬于線性失真，通?？捎镁€性網絡補償，這種補償網絡通常稱為幅度和相位均衡器。除以上兩種線性失真外，還存在其他失真：非線性失真、頻率偏移（deviation）和相位抖動(phasejitter)（2）隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊憘鬏斕匦裕篴、對信號的衰耗隨時間而變化b、傳輸?shù)臅r延隨時間而變化c、多徑傳播——對信號產生的影響稱為多徑效應第五頁，共76頁。從波形上，確知等幅波變成了包絡緩慢起伏的隨機調幅波瑞利型衰落頻率彌散頻率選擇性衰落從頻譜上看，單根線譜變成了窄帶頻譜()衰落與頻率有關多徑效應頻率選擇性衰落是多徑效應中最嚴重的一種。多徑效應回顧第六頁，共76頁。由于這種衰落與頻率有關，故稱其為頻率選擇性衰落。經過分析，多徑信道的衰減和信號頻率及時延差有關，因而導致信號中的某些頻率成分或其倍頻波隨機性嚴重衰落——衰落現(xiàn)象?；仡櫟谄唔?，共76頁。回顧減小頻率選擇性衰落的措施：1、當信號的帶寬時，將產生嚴重的頻率選擇性衰落。為了避免，應使工程上，2、對于數(shù)字信號，帶寬取決于碼元的速率RB，而RB等于碼元寬度Ts的倒數(shù)，因此第八頁，共76頁。回顧3、信道中的噪聲了解了噪聲的統(tǒng)計特性：分析表明起伏噪聲（熱噪聲、散彈噪聲、宇宙噪聲）均為高斯噪聲，且頻譜在很寬的頻率范圍內均勻分布，故一律把起伏噪聲或熱噪聲稱為高斯白噪聲。為了描述窄帶噪聲的帶寬，我們又介紹了什么是噪聲等效帶寬：意義：高度為Pn(f0)、寬度為Bn的理想矩形濾波器（虛線）的面積和功率譜密度曲線下面的面積相等，即功率相等?？烧J為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬Bn內是恒定的。第九頁，共76頁?；仡?、信道中的容量(1)離散信道容量(2)連續(xù)信道容量第十頁，共76頁?；仡櫱笙铝杏嬎阒担海?）已知二元離散信源具有“0”、“1”兩個符號，若出現(xiàn)“0”的概率為1/3，求出現(xiàn)1的信息量。（2）某離散信源有0、1、2、3四種符號組成，出現(xiàn)概率分別為3/81/41/41/8，求該信源的熵。第十一頁，共76頁。（3）已知電話信道的帶寬是3400Hz，若要求傳輸6800bit/s的數(shù)據(jù)，請計算要求信道的最小信噪比是多少分貝？第十二頁，共76頁。某一待傳輸?shù)膱D片約含2.5*10^6個像素，為了很好地重現(xiàn)圖片，需將每個像素量化為16個亮度電平之一，假如所有這些亮度電平等概率出現(xiàn)且互不相干，并設加性高斯噪聲信道中的信噪比為30dB，試計算用3min傳送一張這樣的圖片所需的最小信道帶寬（不壓縮編碼）一張圖片的信息量為：解：每個像素的信息量為3min傳送圖片所需的信道容量為：信噪比為30dB=1000由香農公式得：B=5.57KHz第十三頁，共76頁。5.1幅度調制的原理5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能5.3角度調制原理5.4調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能5.5各種模擬調制系統(tǒng)的比較5.6頻分復用和調頻立體聲第十四頁，共76頁。概述一、調制的概念：按調制信號（基帶信號）的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)的過程。也就是將基帶信號進行各種變換后再傳輸?shù)倪^程。二、調制目的：1、提高傳輸性能，以較小的發(fā)送功率與較短的天線來輻射電磁波。2、提高抗干擾性。（不同調制方式性能不同）3、有效的利用頻帶（頻譜搬移）。第十五頁，共76頁。概述三、調制的種類：四、模擬調制的種類：

第十六頁，共76頁。概述幅度調制(線性調制)角度調制(非線性調制)AMDSB-SCSSBVSB頻率調制FM相位調制PM四、模擬調制的種類：

第十七頁，共76頁?！?.1幅度調制的原理一、幅度調制（調幅）概念：幅度調制是用調制信號去控制高頻載波的振幅，使其按調制信號的規(guī)律而變化的過程。幅度調制器的一般模型如下圖所示。m(t)為調制信號第十八頁，共76頁?！?.1幅度調制的原理第十九頁，共76頁?！?.1幅度調制的原理二、幅度調制特點（1）波形特點： 幅度隨基帶信號變化呈正比變化（2）頻譜特點： 從基帶簡單的搬移到頻帶上——頻譜的搬移是線性的，所以稱為線性調制第二十頁，共76頁?！?.1幅度調制的原理三、調幅方式的分類在調幅方式中，常見的有普通雙邊帶調幅、抑制載波雙邊帶調幅以及單邊帶調幅，他們的瞬時幅度A的波形是不相同的。C第二十一頁，共76頁。1、普通雙邊帶調幅（AM）（1）時域表達圖中，調制信號m(t)（通常認為其平均值為0）疊加直流A0后與載波相乘(見圖)，就可形成調幅(AM)信號直流調制信號第二十二頁，共76頁。調幅器輸出波形：1、普通雙邊帶調幅（AM）第二十三頁，共76頁。1、普通雙邊帶調幅（AM）（2）頻譜特性直流分量信號分量第二十四頁，共76頁。第二十五頁，共76頁。1、普通雙邊帶調幅（AM）m(t)Ac+m(t)M(ω)上邊帶下邊帶下邊帶上邊帶第二十六頁，共76頁。1、普通雙邊帶調幅（AM）時域波形——解調：由上圖可以看出，當m(t)的形狀完全一樣，因此，用包絡檢波的方法很容易恢復出原始的調制信號。如果不滿足上述條件，則會出現(xiàn)過調幅，也就是就需要用同步檢波的方法進行解調。時，包絡與調制信號第二十七頁，共76頁。1、普通雙邊帶調幅（AM）頻譜——帶寬：頻譜組成：載頻分量、上邊帶、下邊帶結構：上邊帶的頻譜結構與原調制信號的頻譜結構相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。結論：AM的帶寬是基帶信號帶寬fH的2倍。第二十八頁，共76頁。1、普通雙邊帶調幅（AM）結論：振幅調制的實質在頻域上完成頻譜搬移，但要完成調幅，調制電壓必須在時域上和載波相乘。第二十九頁，共76頁。1、普通雙邊帶調幅（AM）（3）功率分配關系AM信號在1Ω電阻上的平均功率PAM應等于sAM(t)的均方值。當m(t)為確知信號時，sAM(t)的均方值即為其平方的時間平均，即

第三十頁，共76頁。1、普通雙邊帶調幅（AM）通常假設調制信號沒有直流分量,即,因此：其中為載波功率為邊帶功率（與調制信號有關）AM信號的功率利用率比較低第三十一頁，共76頁。1、普通雙邊帶調幅（AM）調制效率定義:當調制信號為單頻余弦信號時：

調制效率

當Am＝A0

時，調制效率達到最大為1/3第三十二頁，共76頁?？偨Y：1、優(yōu)點：結構簡單，實現(xiàn)容易，適用于廣播通信。2、缺點：（1）功率效率非常低，最大為1/31、普通雙邊帶調幅（AM）（2）頻譜效率也不高，為信號最高頻率的2倍。返回第三十三頁，共76頁。2、雙邊帶調制（DSB）將常規(guī)雙邊帶調幅SAM(t)中不攜帶信息的載波抑制掉，即去掉振幅中的直流分量，可得雙邊帶調幅的時域表達式：（1）時域表達第三十四頁，共76頁。2、雙邊帶調制（DSB）第三十五頁，共76頁。2、雙邊帶調制（DSB）頻域分析：m(t)M(ω)第三十六頁，共76頁。2、雙邊帶調制（DSB）可見：（1）調制效率

（因為不存在載波分量）

（2）DSB信號的包絡不再與調制信號的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡單的包絡檢波來恢復調制信號（3）SDSB(t)頻帶寬度和SAM(t)相等，是調制信號帶寬的兩倍第三十七頁，共76頁。2、雙邊帶調制（DSB）（4）由于DSB信號的上、下兩個邊帶是完全對稱的，它們都攜帶了調制信號的全部信息，因此僅傳輸其中一個邊帶即可，這就是單邊帶調制能解決的問題。返回第三十八頁，共76頁。3、單邊帶調幅（SSB）DSB信號包含有兩個邊帶，即上、下邊帶。由于這兩個邊帶包含的信息相同，因而，從信息傳輸?shù)慕嵌葋砜紤]，傳輸一個邊帶就夠了。

這種只傳輸一個邊帶的通信方式稱為單邊帶通信。

單邊帶信號的產生方法通常有濾波法和相移法

繼續(xù)第三十九頁，共76頁。（1）用濾波法形成單邊帶信號

產生SSB信號最直觀的方法是讓雙邊帶信號通過一個邊帶濾波器，保留所需要的一個邊帶，濾除不要的邊帶.就可分別取出下邊帶信號頻譜SLSB(ω)或上邊帶信號頻譜SUSB(ω)，如下圖所示。

第四十頁，共76頁。形成SSSB(t)信號的濾波特性SSSB(t)信號的頻譜為HUSB(w)10－wcwcw0－wcwcw1(a)(b)HLSB(w)（1）用濾波法形成單邊帶信號第四十一頁，共76頁。F(w)－wHwHSDSB(w)－wcwcwwOO上邊帶下邊帶下邊帶上邊帶－wcwcO上邊帶頻譜wO－wcwcw下邊帶頻譜返回第四十二頁，共76頁。第一項與調制信號和載波的乘積成正比，稱為同相分量第二項乘積中包含調制信號與載波信號分別相移的結果，稱為正交分量同相分量正交分量保留上邊帶，則把上、下邊帶合并起來可以寫成（2）用相移法形成單邊帶信號保留下邊帶，則以單頻信號為例設單頻信號為載波為第四十三頁，共76頁。（2）用相移法形成單邊帶信號下邊帶上邊帶是m(t)的希爾伯特變換希爾伯特變換——是把m(t)的所有頻率成分都相移-90°的一種變換由此推出一般情況：第四十四頁，共76頁。是m(t)的希爾伯特變換。若M(ω)為m(t)的傅氏變換，則的傅氏變換為式中符號函數(shù)sgnw=1,w>0-1,w<0物理意義：若m(t)通過傳遞函數(shù)為的濾波器，即可得到，把具有傳遞函數(shù)的濾波器稱為希爾伯特濾波器。（2）用相移法形成單邊帶信號H(ω)j0-jω第四十五頁，共76頁。tmwmAcos21

twtwAcmmcoscos21

)cos(twc

tcwtmwmAsinsin21

)(tSSSB

2/p-

2/p-)(wHh

（2）用相移法形成單邊帶信號返回第四十六頁，共76頁。3、單邊帶調幅（SSB）綜上所述：優(yōu)點：SSB調制方式在傳輸信號時，不但可節(jié)省載波發(fā)射功率，而且它所占用的頻帶寬度只有AM、DSB的一半，也可以減小選擇性衰落引起的信號失真。因此，它目前已成為短波通信中的一種重要調制方式缺點：單邊帶調幅要求收發(fā)兩端的載頻要求嚴格同步，而且SSB信號產生較復雜，常用濾波來產生，載頻越高，要求相對過渡帶就越窄，實現(xiàn)就越困難，目前都采用機械或晶體濾波器，且采用多次混頻（提高頻率）的方案來產生單邊帶信號。第四十七頁，共76頁。3、單邊帶調幅（SSB）SSB信號的解調和DSB一樣不能采用簡單的包絡檢波，因為SSB信號也是抑制載波的已調信號，它的包絡不能直接反映調制信號的變化，所以仍需采用相干解調。

解調：什么情況下需要用相干檢波？第四十八頁，共76頁。4、單邊帶傳輸?shù)膬煞N制式（1）獨立邊帶利用發(fā)射機上、下兩個邊帶同時傳輸兩路互不相關的信號，彼此互相獨立，這樣可以實現(xiàn)頻分多路復用用途：是干線通信的基本方法這種方法可節(jié)省信道頻率、實現(xiàn)多路復用，但是會產生互調失真。評價：第四十九頁，共76頁。4、單邊帶傳輸?shù)膬煞N制式（2）殘留邊帶（VSB）殘留邊帶調制是介于SSB與DSB之間的一種調制方式，它既克服了DSB信號占用頻帶寬的缺點，又解決了SSB信號實現(xiàn)上的難題。

在VSB中，不是完全抑制一個邊帶（如同SSB中那樣），而是逐漸切割，使其殘留一小部分，如圖所示。

第五十頁，共76頁。4、單邊帶傳輸?shù)膬煞N制式第五十一頁，共76頁。原理框圖為：

假設HVSB(ω)是所需的殘留邊帶濾波器的傳輸特性。由上述框圖可知，

4、單邊帶傳輸?shù)膬煞N制式殘留邊帶信號的頻譜為：

時域表達式：

第五十二頁，共76頁。4、單邊帶傳輸?shù)膬煞N制式殘留邊帶濾波器特性為：（a）殘留部分上邊帶的濾波器特性;

（b）殘留部分下邊帶的濾波器特性第五十三頁，共76頁。4、單邊帶傳輸?shù)膬煞N制式（2）殘留邊帶（VSB）下面我們要來討論一下，接收端是如何恢復出基帶信號的：由解調框圖可知：為保證相干解調無失真，則要求其等于常數(shù)第五十四頁，共76頁。采用相干解調，解調不失真條件：4、單邊帶傳輸?shù)膬煞N制式（2）殘留邊帶（VSB）要求殘留邊帶濾波器傳輸函數(shù)在w=0處滿足互補對稱性（奇函數(shù)）返回第五十五頁，共76頁。§5.1幅度調制的原理四、線性調制的一般模型第一種模型：濾波法原理框圖頻域表達式：時域表達式：第五十六頁，共76頁?！?.1幅度調制的原理同相分量正交分量第二種模型：正交法（相移法）原理框圖同相濾波器正交濾波器正交分量幅度同相分量幅度第五十七頁，共76頁。例題1設m(t)=cos(4πfmt)，載波c(t)=2Accos(4πfct),分別求出下邊帶與雙邊帶調幅的時域表達式。分析：下邊帶的希爾伯特變換為：上邊帶雙邊帶調幅的時域表達式為：第五十八頁，共76頁。的希爾伯特變換為：解：上邊帶信號為：下邊帶信號為：雙邊帶信號為：第五十九頁，共76頁。例題2對（0，4000）Hz范圍內的話音信號f(t)，采用相移法單邊帶調制方式發(fā)送上邊帶信號，給出形成上述SSB信號的體統(tǒng)框圖和信號時域表達式。

)cos(twc

)(tSSSB

2/p-

2/p-)(wHh

)Sin(twc第六十頁，共76頁。例題3已知調制信號m(t)=cos(2000πt)，載波為2cos10^4πt，分別寫出AM

DSB

USB

LSB信號的表示式，并畫出頻譜圖。解：AM信號：DSB信號：USB信號：USB信號：第六十一頁，共76頁。檢波電路的作用和組成作用：從已調幅波中不失真地檢出調制信號。是調制的逆過程。組成：非線性器件+低通濾波器§5.1幅度調制的原理五、相干解調與包絡檢波第六十二頁，共76頁。§5.1幅度調制的原理五、相干解調與包絡檢波1、相干解調適用于：AM，DSB，SSB，VSB數(shù)學分析：輸入信號：濾波前：濾波后：第六十三頁，共76頁。2、包絡檢波§5.1幅度調制的原理五、相干解調與包絡檢波二極管包絡檢波二極管導通時正向導通時，電容充電；二極管截止時，電容C向RL放電。

二極管的正向電阻rD《RL,所以充電速度快，放電速度慢，使得正向電壓U0慢慢積累起來。第六十四頁，共76頁。fH為調制信號的最高頻率fc為載波頻率§5.1幅度調制的原理而對于二極管來說，U0對二極管起著截止的作用，因此隨著U0的逐步上升，二極管的導通時間逐漸縮短，電流導通角逐步減小輸入AM信號為：第六十五頁，共76頁。2、包絡檢波——插入載波包絡檢波（DSB

SSB）§5.1幅度調制的原理五、相干解調與包絡檢波插入載波的位置：接收端或者發(fā)送端插入載波的條件：1、載波振幅大于信號的振幅

2、與調制載波同頻同相第六十六頁，共76頁。例題４現(xiàn)有一振幅調制信號其中調制信號的頻率為，載頻常數(shù)（1）請問此已調信號能否用包絡檢波器解調？（2）畫出其解調框圖（3）畫出從該接收信號提取載波分量的框圖第六十七頁，共76頁。解：（1）此信號無法用包絡檢波解調。（2）解調框圖（3