第五模擬調(diào)制系統(tǒng)

第五模擬調(diào)制系統(tǒng)演示文稿目前一頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)（優(yōu)選）第五模擬調(diào)制系統(tǒng)目前二頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)5.1引言由信源產(chǎn)生的的原始信號(hào)一般不能在大多數(shù)信道內(nèi)直接傳輸，因此需要經(jīng)過調(diào)制將他變換成適于在信道內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào).

調(diào)制的定義：把輸入信號(hào)變換為適合于通過信道傳輸?shù)牟ㄐ涡旁凑{(diào)制發(fā)濾波器信道收濾波器解調(diào)調(diào)制信宿n(t))(Cw點(diǎn)---點(diǎn)通信系統(tǒng)一、調(diào)制的功能

1、頻率變換：為了采用無線傳送方式，如將（0.3~3.4KHz）有效帶寬內(nèi)的語音信號(hào)調(diào)制到高頻段上去。

2、實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用：例如將多路信號(hào)互不干擾的安排在同一物理信道中傳輸。

3、提高抗干擾性：抗干擾性（即可靠性）與有效性互相制約，通常可通過犧牲有效性來提高抗干擾性，如FM替代AM。目前三頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)二、調(diào)制的分類調(diào)制方法可以從以下幾個(gè)角度進(jìn)行分類。

基帶信號(hào)m(t)調(diào)制器Sm(t)C(t)載波調(diào)制器模型

1、按信號(hào)m(t)的不同分：

模擬調(diào)制，特點(diǎn)：m(t)是連續(xù)信號(hào)。

數(shù)字調(diào)制，特點(diǎn)：m(t)是數(shù)字信號(hào)。2、按載波信號(hào)c(t)不同分：

連續(xù)波調(diào)制，特點(diǎn)：c(t)連續(xù)，如c(t)=cosωct；

脈沖調(diào)制，特點(diǎn)：c(t)為脈沖，如周期矩形脈沖序列。

3、按調(diào)制器功能的功能分：

幅度調(diào)制，特點(diǎn)：用:m(t)改變c(t)的幅度，如AM，DSB，SSB，VSB。

頻率調(diào)制，特點(diǎn)：用:m(t)改變c(t)的頻率，如FM。

相位調(diào)制，特點(diǎn)：用:m(t)改變c(t)的相位，如PM。

4、按調(diào)制器傳輸函數(shù)來分：

線性調(diào)制，特點(diǎn)：調(diào)制前、后的頻譜呈線性搬移關(guān)系。

非線性調(diào)制，特點(diǎn)無上述關(guān)系，且調(diào)制后產(chǎn)生許多新成份。

目前四頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)1、AM信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式及波形所謂的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅就是指輸入的調(diào)制信號(hào)除了來自消息的基帶信號(hào)外，還包含了直流信號(hào)A，總的輸入信號(hào)為A+m(t)，h(t)為理想的帶通濾波器，這樣調(diào)制后輸出信號(hào)便既含載波分量由含有邊帶分量的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號(hào)。1）AM調(diào)制數(shù)學(xué)模型

2）數(shù)學(xué)表達(dá)式

SAM(t)=[A+m(t)]cosωct

式中的第一項(xiàng)代表載波分量，第二項(xiàng)代表邊帶分量,，該項(xiàng)為消息信號(hào)。

時(shí)域波形

AM信號(hào)的波形為幅度隨信號(hào)變化的余弦波形。目前五頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)4）、線性調(diào)幅的條件

由波形圖知AM信號(hào)有以下特點(diǎn)：

（1）、幅度調(diào)制：AM信號(hào)的包絡(luò)是隨著信號(hào)呈線性關(guān)系變化的，所以它是幅度調(diào)制。

（2）、頻率未變：已調(diào)波的波形疏密程度相同，也就是說載波僅僅是幅度受到了調(diào)制，頻率沒有發(fā)生變化。

（3）、調(diào)幅條件：如果A不夠大，已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)不一定與m(t)成正比，將出現(xiàn)這樣無法采用包絡(luò)檢波的方法檢出其包絡(luò)，通常我們稱這種現(xiàn)象為過調(diào)。保證不過調(diào)的條件為：所以線性調(diào)幅的條件為：

目前六頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)5）、調(diào)制指數(shù)

為了衡量標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅的調(diào)制程度，定義調(diào)制指數(shù)為

實(shí)際工程中，一般調(diào)制指數(shù)?。?.3～0.8）。2、AM信號(hào)的頻域表示及頻譜圖

討論頻域的原因：

（1）系統(tǒng)的有效性就是系統(tǒng)所需的傳輸帶寬，而傳輸帶寬只能在頻域中體現(xiàn)。

（2）有時(shí)在頻域中分析問題較在時(shí)域更為方便。信號(hào)頻譜：就是指時(shí)域信號(hào)的付式變換。

SAM(t)=[A+m(t)]cosωct目前七頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)S(f)C(f)f0-fcfcM(f)

-fH-fL0fLfHfc(t)載波調(diào)制信號(hào)m(t)sm(t)已調(diào)信號(hào)特點(diǎn)：信號(hào)的頻譜經(jīng)過AM調(diào)制后形狀未變，僅僅是幅度下降的一半，位置發(fā)生了變換，搬移到了±ωc。帶寬由原始消息信號(hào)的ωm變?yōu)?ωm。在這個(gè)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。

問題：通常AM已調(diào)信號(hào)的頻譜中，高于ωc部分稱為上邊帶（USB），低于ωc部分稱為下邊帶（LSB）。事實(shí)上，任何一個(gè)邊帶足以表達(dá)消息信號(hào)的全部信息，顯然AM傳輸有些浪費(fèi)。

解決辦法：采用單邊帶調(diào)制。-fc0fc-fH

fc

fc+fHf目前八頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)3、AM信號(hào)的解調(diào)

解調(diào)：從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)信號(hào)的過程。

AM解調(diào)方法：相干解調(diào)、非相干解調(diào)1）、非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）2）、相干解調(diào)

與DSB的相干解調(diào)相同，在DSB中介紹。4、AM系統(tǒng)的特點(diǎn)及其應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：解調(diào)方便（包絡(luò)檢波），

缺點(diǎn)：占用頻帶寬，（消息信號(hào)的兩倍），調(diào)制效率低（發(fā)射功率大）

應(yīng)用：廣播。

目前九頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)4.3雙邊帶調(diào)幅（DSB）1、DSB信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式及波形

DSB的時(shí)域表達(dá)為2、DSB信號(hào)的頻域表達(dá)式及頻譜圖

對(duì)公式（4.3-1）進(jìn)行傅立葉變換，得DSB信號(hào)的頻域表示式DSB信號(hào)的頻譜有如下特點(diǎn)：

1、上、下邊帶均包含調(diào)制信號(hào)的全部信息；

2、幅度減半，帶寬加倍；

3、線性調(diào)制。m(t)cosωctm(t)cosωctfc0f0f目前十頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)3、DSB信號(hào)的解調(diào)

方法：相干解調(diào)。-fcfc0-fcfc0-2fc2fc00-fmfmffffabcd目前十一頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)4、DSB的特點(diǎn)與應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制效率高。

缺點(diǎn)：占用頻帶寬，為消息基帶信號(hào)的2倍。

應(yīng)用：無線通信，常用語傳輸數(shù)字信號(hào)，如ASK。SDSB(t)Acosωct包絡(luò)檢波m0(t)目前十二頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)4.4單邊帶調(diào)幅SSB-fcfc0fDSB下邊帶上邊帶cc-f

ffH(f)由得下邊帶LSB,-fcfc0fUSBfH(f)得上邊帶USB,-fcfc由-fcfc0fLSB一、SSB的一般概念及基礎(chǔ)知識(shí)

AM、DSB的共同缺點(diǎn)：所需傳輸?shù)膸捠切盘?hào)的2倍，這樣就降低了系統(tǒng)的有效性。由于從信息傳輸?shù)慕嵌戎v，上、下兩個(gè)邊帶所包含的信息相同，因此只傳送一個(gè)邊帶即可以傳送信號(hào)的全部信息。

1、SSB概念

概念：只傳送一個(gè)邊帶的調(diào)制方式成為單邊帶調(diào)制。

SSB信號(hào)的頻譜如圖4.4-1

顯然，SSB信號(hào)的帶寬是與消息信號(hào)m(t)相同。

比較：AM、DSB信號(hào)無論在時(shí)域還是在頻域，都比較直觀，但是SSB信號(hào)在頻域非常直觀，但是在時(shí)域很難想象。目前十三頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)2、基礎(chǔ)知識(shí)-希爾波特（Hilbert）變換

1)、定義：將一個(gè)信號(hào)波形中的全部頻率分量相移-90°后所得的時(shí)間信號(hào)就叫做原信號(hào)的希爾波特變換。2）、變化公式在頻率域中的數(shù)學(xué)描述為：希爾波特變換在時(shí)間域的數(shù)學(xué)描述如下：f(t))(Hw)t(f)t1)t(h,)sgn(j)(Hpww=-=目前十四頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)3）、Hilbert變換的性質(zhì):

（1）、信號(hào)和它的希爾波特變換具有相同的能量譜密度或相同的功率譜密度。

推論：

（2）、信號(hào)和它的希爾波特變換的能量(或功率)相同。

（3）、信號(hào)和它的希爾波特變換具有相同的自相關(guān)函數(shù)。

（4）、信號(hào)和它的希爾波特變換互為正交。4）、Hilterb變換的用途：

在單邊帶調(diào)制中，用來實(shí)現(xiàn)相位選擇，以產(chǎn)生單邊帶信號(hào)目前十五頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)二、SSB信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式及頻譜

1、模型

2、SSB信號(hào)的頻譜下邊帶低通濾波器可等效為m(t)cosωctm(t)cosωcth(t)SSSB(t)cw-0w)sgn(cww+cw0w)sgn(cww-4[][])sgn()()sgn()(41)()(41ccccccMMMMwwwwwwwwwwww---+++++-=[][][][])sgn()()sgn()(1)sgn()()sgn()(41)sgn()sgn(21)()(21)(ccccccccccccLSBMMMMMMSwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww---+++-+-+-=--+-++=——載波為cosωct目前十六頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)當(dāng)載波為sinωct時(shí)當(dāng)載波為cosωct時(shí)同理載波為cosωct

目前十七頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)三、SSB信號(hào)的產(chǎn)生

(1)濾波法(2)相移法m(t)cosωctm(t)cosωcth(t)SSSB(t)m(t)。90-。90-tcoscw）（tm)++-tsincwSLSB(t)SUSB(t)目前十八頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)四、SSB信號(hào)的解調(diào)

相干解調(diào)法

五、SSB的特點(diǎn)及應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：具有最窄的傳輸帶寬，信道利用率最高；

缺點(diǎn)：（1）電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，技術(shù)要求高（2）解調(diào)時(shí)同步誤差要小

應(yīng)用：（1）載波通信和微波多路通信，（2）保密通信（運(yùn)用頻譜倒置）。SSSB(t)cosωctSp(t)LPFm0(t)目前十九頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)4.5殘留邊帶調(diào)幅（VSB）一、VSB的一般概念

SSB問題：理想的濾波器難以實(shí)現(xiàn)。

VSB調(diào)制：與SSB相似，但是允許濾波器有過過渡帶，其中一個(gè)邊帶損失的能夠恰好被另外一個(gè)邊帶殘留的部分補(bǔ)償。二、Hv(ω)的要求

m(t)cosωctm(t)cosωcthv(t)SSSB(t)Hccff0,C)ff(H)ff(H<<=-++目前二十頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)三、VSB信號(hào)的時(shí)間表達(dá)式四、VSB信號(hào)的產(chǎn)生

通常采用二種方法：濾波法

移相法（與SSB相似）五、VSB的特點(diǎn)及應(yīng)用

1、所需帶寬為ωH<ω<2ωH;

2、采用濾波法較易實(shí)現(xiàn)。"-"表示取上邊帶；

"+"表示取下邊帶。

目前二十一頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)4.6各種幅度調(diào)制系統(tǒng)的噪聲性能

一、準(zhǔn)備知識(shí)

考慮加性高斯白噪聲,系統(tǒng)的抗噪聲性能

n(t)是高斯白噪聲，功率譜密度為n0/2。

BPF作用：通過已調(diào)信號(hào)，抑制噪聲，其帶寬與已調(diào)信號(hào)的帶寬相同。信道內(nèi)高斯噪聲n(t)經(jīng)過BPF后，形成窄帶噪聲ni(t)。BPF調(diào)制器解制器m(t)sm(t)n(t)h(t)m0(t)ni(t)式中B是理想帶通濾波器的帶寬，即已調(diào)信號(hào)帶寬，也是解調(diào)器輸入端的噪聲帶寬；目前二十二頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)評(píng)價(jià)模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量性能指標(biāo)用輸出信噪比：也可用信噪比增益（調(diào)制制度增益）作用：用來判斷解調(diào)器性能的優(yōu)劣，

G越大，性能越好。其中Si/Ni為輸入信噪比，定義為

顯然，輸出信噪比和G不僅與調(diào)制方式有關(guān)，也與解調(diào)方式有關(guān)。在相同的Si和n0的條件下，輸出信噪比越高，則解調(diào)器的抗噪聲性能越好。目前二十三頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)二、相干解調(diào)DSB系統(tǒng)的性能

1、輸入信噪比定義：指解調(diào)器的輸入信號(hào)平均功率與輸入噪聲平均功率之比。假設(shè)：（1）SDSB（t）與ni(t)相互獨(dú)立

（2）信道是理想的，無衰減。

設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)輸入信號(hào)平均功率輸入噪聲平均功率輸入信噪比Sm(t)n(t)帶通濾波器Sm(t)ni(t)tcoscw低通濾波器m0(t)n0(t)B目前二十四頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)2、輸出信噪比

DSB相干解調(diào)后，輸出信號(hào)：輸出信號(hào)平均功率So

輸出噪聲平均功率為No，經(jīng)過LPF后，噪聲為輸出信噪比3、解調(diào)增益G（信噪比增益）

DSB解調(diào)器信噪比改善一倍。原因是相干解調(diào)把噪聲中的正交分量抑制掉，從而使噪聲功率減半。目前二十五頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)三、相干解調(diào)SSB系統(tǒng)的性能

1、輸入信噪比解調(diào)器輸入信號(hào)：輸入信噪比：其中帶寬B=fH解調(diào)器輸出信號(hào)與噪聲分別為輸出信噪比：Sm(t)n(t)帶通濾波器Sm(t)ni(t)tcoscw低通濾波器m0(t)n0(t)B制度增益：SSB解調(diào)器信噪比未改善。原因是信號(hào)和噪聲有相同表示形式，相干解調(diào)中，信號(hào)和噪聲中的正交分量均被抑制掉。目前二十六頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)四、AM調(diào)制（包絡(luò)檢波）設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)SAM(t)=[A+m(t)]cosωctA>=|m(t)|max信號(hào)傳輸帶寬：B=2fH輸入信噪比：Si/Ni=[A2+m2(t)]/(2n0B)解調(diào)器輸入端信號(hào)加噪聲的合成包絡(luò)：其中包絡(luò)：（1）大信噪比情況（小噪聲情況）解調(diào)器輸出包絡(luò)輸出信噪比

制度增益：目前二十七頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)（2）小信噪比時(shí)：包絡(luò)近似為：式中R(t)及θ(t)分別為噪聲ni(t)的包絡(luò)及相位。討論（a）小信噪比時(shí)，信號(hào)m(t)無法與噪聲分開，有用信號(hào)“淹沒”在噪聲中，這時(shí)，輸出信噪比不是按比例地隨著輸入信噪比上升，而是急劇惡化，這種現(xiàn)象稱為門限效應(yīng)。開始出現(xiàn)門限效應(yīng)的輸入信噪比稱為門限值。（b)相干解調(diào)器不存在門限效應(yīng)。原因是信號(hào)與噪聲可分開解調(diào)，解調(diào)器輸出端總是單獨(dú)存在有用信號(hào)項(xiàng)。目前二十八頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)4.7角度調(diào)制（非線性調(diào)制）系統(tǒng)概述一、角度調(diào)制的基本概念

1、角度調(diào)制的概念

一個(gè)余弦信號(hào)可以寫成s(t)=A0cos[ωct+θ(t)](4.7-1)其中，A0為常數(shù)，當(dāng)θ(t)隨基帶信號(hào)m(t)變化時(shí)，則稱角度調(diào)制。2、角度調(diào)制的方法

兩種方法：調(diào)頻FM：角頻率隨消息信號(hào)m(t)變化；

調(diào)相PM：相位隨消息信號(hào)m(t)變化。3、瞬時(shí)相位與瞬時(shí)角頻率

概念：瞬時(shí)相位和瞬時(shí)角頻率。

瞬時(shí)相位：公式（4.7-1）中θ(t)稱為瞬時(shí)相位(或瞬時(shí)相角)

瞬時(shí)角頻率：瞬時(shí)相位的導(dǎo)數(shù)稱為瞬時(shí)角頻率，ω(t)＝dθ(t)/dt

二者之間的關(guān)系為：(4.7-2)4、角度調(diào)制的特點(diǎn)

角度調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)：（1）抗干擾性強(qiáng)；（2）實(shí)現(xiàn)和解調(diào)都較簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：頻帶利用率低(有效性低)。目前二十九頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)二、調(diào)相信號(hào)PM

相位隨基帶信號(hào)m(t)成比例變化，即φ(t)=Kpm(t)調(diào)相波可表示為SPM(t)=Acos[ωct+Kpm(t)]三、調(diào)頻信號(hào)FM

dφ(t)/dt隨基帶信號(hào)m(t)成比例變化，即

dφ(t)/dt=Kfm(t)式中Kf為比例常數(shù)，調(diào)頻波表示為設(shè)單頻調(diào)制信號(hào)m(t)=Amcosωmt則式中KfAm為最大角頻偏，記為Δω；ωm為調(diào)制角頻率mf稱為調(diào)頻指數(shù):結(jié)論：FM、PM波的幅度是恒定的，已調(diào)波的功率為P=A02/2

目前三十頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)四、調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生1、直接調(diào)頻

常用壓控振蕩器產(chǎn)生.

工作原理：震蕩器的頻率隨著外加電壓m(t)線性變化。2、間接調(diào)頻

用調(diào)相電路產(chǎn)生調(diào)頻波;五、調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)1、鑒頻器

1）構(gòu)成：由一個(gè)微分器和一個(gè)包絡(luò)檢波器級(jí)聯(lián)而成；

2）基本功能

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(hào)m(t)線性變化。

2、鎖相環(huán)解調(diào)鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器VCO目前三十一頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)六、抗噪聲性能BPF的作用：與線性調(diào)制系統(tǒng)相同，通帶范圍與SFM(t)的頻帶相同。限幅的作用：FM波的幅度是恒定的，但是在信道噪聲的影響下，F(xiàn)M波的幅度或多或少的會(huì)發(fā)生變化，因此需要加以限制，加限幅的作用就是限制幅度噪聲。鑒頻器（DIS）的作用：先將Si(t)經(jīng)微分電路，變成調(diào)幅調(diào)頻波，然后再由包絡(luò)檢波器提取包絡(luò)。這實(shí)際上相當(dāng)于對(duì)瞬時(shí)相位求導(dǎo)數(shù)。

LPF的作用：SFM（t）與ni(t)經(jīng)DIS（鑒頻器）后，輸出中有信號(hào)和噪聲，但此時(shí)噪聲所占頻帶寬度一般較寬，即噪聲的帶寬大于消息信號(hào)m(t)的帶寬。這樣LPF可以限制帶外噪聲，提高輸出信噪比。

目前三十二頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)(a)mf不同，調(diào)頻波的頻譜結(jié)構(gòu)不同。調(diào)頻波帶寬:BFM=2(mf+1)fm=2(Δf+fm)當(dāng)mf<<1(窄帶調(diào)頻）時(shí)：BFM=2fm當(dāng)mf>>1(寬帶調(diào)頻）時(shí)：BFM=2Δf(b)mf增加，傳輸帶寬加大，系統(tǒng)的抗噪聲性能改善。調(diào)頻方式的這種以帶寬換取信噪比的特性十分有益。而調(diào)幅信號(hào)帶寬固定，因此不能實(shí)現(xiàn)帶寬與信噪比的互換。結(jié)論：大信噪比時(shí)，調(diào)頻系統(tǒng)抗噪聲性能比調(diào)幅系統(tǒng)優(yōu)越，且其優(yōu)越程度隨傳輸帶寬的增加而增加。大信噪比（限幅鑒頻器）時(shí)，制度增益：目前三十三頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)七、PM波與FM波的關(guān)系盡管PM、FM是兩種不同的調(diào)制方式，但是并無本質(zhì)上的區(qū)別。

原因：用FM電路可以實(shí)現(xiàn)PM波，而用PM電路也可以實(shí)現(xiàn)FM波。目前三十四頁\總數(shù)四十頁\編于六點(diǎn)調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能類別BG備注AM2fH2/3DSB2fH2

SSBfH1

VSBfH～2fH//

FM2(mf+1)fm2(Δf+fm