通信原理-模擬線性調(diào)制系統(tǒng)課件

第5章

模擬線性調(diào)制系統(tǒng)2023/8/201第5章

模擬線性調(diào)制系統(tǒng)2023/8/51調(diào)制的研究對象問題：

為什么要對信號進(jìn)行調(diào)制？什么是調(diào)制？2023/8/202調(diào)制的研究對象問題：2023/8/52調(diào)制的目的將消息變換為便于傳輸?shù)男问?。也就是說，變換為某種形式使信道容量達(dá)到最大，而且傳輸更可靠和有效。提高性能，特別是提高抗干擾性。有效的利用頻帶。2023/8/203調(diào)制的目的將消息變換為便于傳輸?shù)男问?。也就是說，變換為某種形調(diào)制的概念調(diào)制：就是將基帶信號進(jìn)行各種變換后再傳輸?shù)倪^程。其中包括調(diào)制映射，傅立葉變換(OFDM)，頻率搬移等等。數(shù)學(xué)分析：頻率搬移2023/8/204調(diào)制的概念調(diào)制：就是將基帶信號進(jìn)行各種變換后再傳輸?shù)倪^程。其調(diào)制分類調(diào)制信號：載波信號：調(diào)幅：主要內(nèi)容：原理，頻域分析和性能分析幅度調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制線性調(diào)制非線性調(diào)制2023/8/205調(diào)制分類調(diào)制信號：幅度調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制線性調(diào)制2023/內(nèi)容

模擬線性調(diào)制1.常規(guī)調(diào)幅(AM)2.抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB-SC)3.單邊帶調(diào)制(SSB)4.殘留邊帶調(diào)制(VSB)線性調(diào)制和解調(diào)的一般模型線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能（＃）1.通信系統(tǒng)抗噪聲性能的分析模型2.線性調(diào)制相干解調(diào)的抗噪聲性能2023/8/206內(nèi)容模擬線性調(diào)制2023/8/565.1常規(guī)調(diào)幅(AM)

AM調(diào)制時域表達(dá)式調(diào)制直流調(diào)制信號2023/8/2075.1常規(guī)調(diào)幅(AM)

AM調(diào)制時域表達(dá)式直流調(diào)制信號常規(guī)調(diào)幅解調(diào)解調(diào)---包絡(luò)檢波無失真恢復(fù)條件過調(diào)幅2023/8/208常規(guī)調(diào)幅解調(diào)解調(diào)---包絡(luò)檢波2023/8/58調(diào)幅指數(shù)調(diào)制信號調(diào)幅信號調(diào)幅指數(shù)2023/8/209調(diào)幅指數(shù)調(diào)制信號2023/8/59確知信號調(diào)幅的頻域分析傅立葉變換頻域表達(dá)式直流分量信號分量2023/8/2010確知信號調(diào)幅的頻域分析傅立葉變換直流分量信號分量2023/8隨機(jī)信號調(diào)幅的頻域分析分析方法：功率譜密度函數(shù)2023/8/2011隨機(jī)信號調(diào)幅的頻域分析分析方法：2023/8/511常規(guī)調(diào)幅信號的功率分配功率組成調(diào)制效率：有用功率（用于傳輸有用信息的邊帶功率）占信號總功率的比例稱為調(diào)制效率：2023/8/2012常規(guī)調(diào)幅信號的功率分配功率組成2023/8/512

當(dāng)f(t)=Amcos

mt時， 代入上式，得到

當(dāng)|f(t)|max=A0時（100％調(diào)制），調(diào)制效率最高，這時

max

＝1/32023/8/2013 當(dāng)f(t)=Amcosmt時，2023/8/5常規(guī)調(diào)幅小結(jié)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易，適用于廣播通信。缺點：功率效率非常低，最大為1/3頻譜效率也不高，為信號最高頻率的2倍。2023/8/2014常規(guī)調(diào)幅小結(jié)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易，適用于廣播通信。2025.2改進(jìn)一：抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號表達(dá)式調(diào)制：解調(diào)---相干解調(diào)2023/8/20155.2改進(jìn)一：抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號表達(dá)式2023/8/DSB的頻域分析頻域分析確知信號：隨機(jī)信號：頻譜：功率效率：2023/8/2016DSB的頻域分析頻域分析2023/8/516調(diào)制效率：100％優(yōu)點：節(jié)省了載波功率缺點：不能用包絡(luò)檢波，需用相干檢波，較復(fù)雜。2023/8/2017調(diào)制效率：100％2023/8/5175.3改進(jìn)二：單邊帶調(diào)幅原理：頻域表示表示式：濾波器：2023/8/20185.3改進(jìn)二：單邊帶調(diào)幅原理：2023/8/518濾波法的技術(shù)難點濾波特性很難做到具有陡峭的截止特性。當(dāng)載頻較高時，采用一級調(diào)制直接濾波的方法已不可能實現(xiàn)單邊帶調(diào)制。可以采用多級（一般采用兩級）DSB調(diào)制及邊帶濾波的方法，即先在較低的載頻上進(jìn)行DSB調(diào)制，目的是增大過渡帶的歸一化值，以利于濾波器的制作。再在要求的載頻上進(jìn)行第二次調(diào)制。當(dāng)調(diào)制信號中含有直流及低頻分量時濾波法就不適用了。2023/8/2019濾波法的技術(shù)難點濾波特性很難做到具有陡峭的截止特性。當(dāng)載頻較濾波法—多級調(diào)制2023/8/2020濾波法—多級調(diào)制2023/8/520相移法分析頻域表示：頻域因果，時域解析時域表示式2023/8/2021相移法分析頻域表示：2023/8/521希爾伯特濾波器希爾伯特變換希爾伯特濾波器---寬帶相移網(wǎng)絡(luò)2023/8/2022希爾伯特濾波器希爾伯特變換2023/8/522單邊帶信號時域表達(dá)式時域關(guān)系：濾波器：時域表達(dá)式：2023/8/2023單邊帶信號時域表達(dá)式時域關(guān)系：2023/8/523單邊帶信號的相移法產(chǎn)生相移法產(chǎn)生優(yōu)點：不需要濾波器具有陡峭的截止特性。問題：載波準(zhǔn)確相移90°所有頻率成分相移90°寬帶相移網(wǎng)絡(luò)難用硬件實現(xiàn)。2023/8/2024單邊帶信號的相移法產(chǎn)生相移法產(chǎn)生2023/8/524單邊帶信號的解調(diào)相干解調(diào)2023/8/2025單邊帶信號的解調(diào)相干解調(diào)2023/8/525SSB信號的實現(xiàn)比AM、DSB要復(fù)雜，但SSB調(diào)制方式在傳輸信息時，不僅可節(jié)省發(fā)射功率，而且它所占用的頻帶寬度比AM、DSB減少了一半。它目前已成為短波通信中一種重要的調(diào)制方式。2023/8/2026SSB信號的實現(xiàn)比AM、DSB要復(fù)雜，但SSB調(diào)制方式在傳輸5.4改進(jìn)三：殘留邊帶調(diào)幅原理：頻域表示2023/8/20275.4改進(jìn)三：殘留邊帶調(diào)幅原理：2023/8/527殘留邊帶濾波器特性VSB信號解調(diào)器方框圖 圖中 因為根據(jù)頻域卷積定理可知，乘積sp(t)對應(yīng)的頻譜為

2023/8/2028殘留邊帶濾波器特性VSB信號解調(diào)器方框圖2023/8/528將代入得到式中M(

+2

c)及M(

-2

c)是搬移到+2

c和-2

c處的頻譜，它們可以由解調(diào)器中的低通濾波器濾除。于是，低通濾波器的輸出頻譜為2023/8/2029將2023/8/529

顯然，為了保證相干解調(diào)的輸出無失真地恢復(fù)調(diào)制信號m(t)，上式中的傳遞函數(shù)必須滿足：

式中，

H

－調(diào)制信號的截止角頻率。上述條件的含義是：殘留邊帶濾波器的特性H(

)在

c處必須具有互補(bǔ)對稱（奇對稱）特性,相干解調(diào)時才能無失真地從殘留邊帶信號中恢復(fù)所需的調(diào)制信號。2023/8/20302023/8/530殘留邊帶濾波器特性采用相干解調(diào)，解調(diào)不失真條件：

要求濾波器特性滿足互補(bǔ)對稱性。2023/8/2031殘留邊帶濾波器特性采用相干解調(diào)，解調(diào)不失真條件：2023/8殘留邊帶濾波器特性的兩種形式殘留“部分上邊帶”的濾波器特性：下圖(a)殘留“部分下邊帶”的濾波器特性：下圖(b)2023/8/2032殘留邊帶濾波器特性的兩種形式2023/8/5325.5調(diào)幅信號產(chǎn)生的一般模型原理框圖頻域表達(dá)式2023/8/20335.5調(diào)幅信號產(chǎn)生的一般模型原理框圖2023/8/533調(diào)幅信號的正交產(chǎn)生時域表達(dá)式正交法產(chǎn)生同相分量正交分量2023/8/2034調(diào)幅信號的正交產(chǎn)生時域表達(dá)式同相分量正交分量2023/8/5調(diào)幅信號的產(chǎn)生雙邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制殘留邊帶調(diào)制2023/8/2035調(diào)幅信號的產(chǎn)生雙邊帶調(diào)制2023/8/535調(diào)幅相干解調(diào)適用于：AM，DSB，SSB，VSB數(shù)學(xué)分析輸入信號：濾波前濾波后2023/8/2036調(diào)幅相干解調(diào)適用于：AM，DSB，SSB，VSB2023/8包絡(luò)檢波適用條件：AM信號，且要求|m(t)|max

A0

，包絡(luò)檢波器結(jié)構(gòu)：

通常由半波或全波整流器和低通濾波器組成。例如，2023/8/2037包絡(luò)檢波2023/8/537插入載波包絡(luò)檢波適用于DSB，SSB，VSB2023/8/2038插入載波包絡(luò)檢波適用于DSB，SSB，VSB2023/8/55.6線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

系統(tǒng)模型噪聲分類2023/8/20395.6線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

系統(tǒng)模型2023/8/53噪聲模型平穩(wěn)窄帶高斯噪聲瑞利分布均勻分布2023/8/2040噪聲模型平穩(wěn)窄帶高斯噪聲瑞利分布均勻分布2023/8/540性能評估指標(biāo)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)2023/8/2041性能評估指標(biāo)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)2023/8/541模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能評估指標(biāo)解調(diào)器輸出信噪比定義

輸出信噪比反映了解調(diào)器的抗噪聲性能。顯然，輸出信噪比越大越好。制度增益定義：

用G便于比較同類調(diào)制系統(tǒng)采用不同解調(diào)器時的性能。

G也反映了這種調(diào)制制度的優(yōu)劣。 式中輸入信噪比Si/Ni

的定義是：2023/8/2042模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能評估指標(biāo)解調(diào)器輸出信噪比定義2023/8/相干解調(diào)的抗噪聲性能解調(diào)模型數(shù)學(xué)分析解調(diào)前解調(diào)后2023/8/2043相干解調(diào)的抗噪聲性能解調(diào)模型2023/8/543雙邊帶調(diào)幅的抗噪聲性能forDSB，BDSB=2W，Wo=Wc解調(diào)前輸入信噪比解調(diào)后輸出信噪比信噪比增益2023/8/2044雙邊帶調(diào)幅的抗噪聲性能forDSB，BDSB=2W，W單邊帶調(diào)幅的抗噪聲性能forSSB，BSSB=W，解調(diào)前輸入信噪比解調(diào)后輸出信噪比信噪比增益2023/8/2045單邊帶調(diào)幅的抗噪聲性能forSSB，BSSB=W，20分析問題：為什么雙邊帶調(diào)制相干解調(diào)的信噪比增益比單邊帶調(diào)制的高？雙邊帶調(diào)制相干解調(diào)的信噪比增益比單邊帶調(diào)制的高是否說明雙邊帶調(diào)制的抗噪聲性能比單邊帶調(diào)制的更好？2023/8/2046分析問題：2023/8/546DSB信號的解調(diào)器使信噪比改善一倍。這是因為采用相干解調(diào)，使輸入噪聲中的正交分量被消除的緣故。因為在SSB系統(tǒng)中，信號和噪聲有相同表示形式，所以相干解調(diào)過程中，信號和噪聲中的正交分量均被抑制掉，故信噪比沒有改善。2023/8/2047DSB信號的解調(diào)器使信噪比改善一倍。這是因為采用相干解調(diào)，使應(yīng)在相同的輸入信號功率，相同的輸入噪聲功率譜密度，相同的基帶信號帶寬條件下，對這兩種調(diào)制方式進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)它們的輸出信噪比是相等的。這就是說，兩者的抗噪聲性能是相同的。2023/8/2048應(yīng)在相同的輸入信號功率，相同的輸入噪聲功率譜密度，相同的基帶AM包絡(luò)檢波的性能包絡(luò)檢波器分析模型

檢波輸出電壓正比于輸入信號的包絡(luò)變化。2023/8/2049AM包絡(luò)檢波的性能包絡(luò)檢波器分析模型2023/8/549輸入信噪比計算設(shè)解調(diào)器輸入信號為

解調(diào)器輸入噪聲為

則解調(diào)器輸入的信號功率和噪聲功率分別為

輸入信噪比為2023/8/2050輸入信噪比計算設(shè)解調(diào)器輸入信號為2023/8/550包絡(luò)計算 由于解調(diào)器輸入是信號加噪聲的混合波形，即 式中 上式中E(t)便是所求的合成包絡(luò)。當(dāng)包絡(luò)檢波器的傳輸系數(shù)為1時，則檢波器的輸出就是E(t)。2023/8/2051包絡(luò)計算2023/8/551輸出信噪比計算_大信噪比情況大信噪比情況 輸入信號幅度遠(yuǎn)大于噪聲幅度，即 因而式 可以簡化為2023/8/2052輸出信噪比計算_大信噪比情況大信噪比情況2023/8/552 由上式可見，有用信號與噪聲獨立地分成兩項，因而可分別計算它們的功率。輸出信號功率為 輸出噪聲功率為故輸出信噪比為制度增益為制度增益2023/8/2053 由上式可見，有用信號與噪聲獨立地分成兩項，因而可分別計算它討論

1.AM信號的調(diào)制制度增益GAM隨A0的減小而增加。

2.GAM總是小于1，這說明包絡(luò)檢波器對輸入信噪比沒有改善，而是惡化了。

3.例如：對于100%的調(diào)制，且m(t)是單頻正弦信號，這時AM的最大信噪比增益為

4.可以證明，采用同步檢測法解調(diào)AM信號時，得到的調(diào)制制度增益與上式給出的結(jié)果相同。

5.由此可見，對于AM調(diào)制系統(tǒng)，在大信噪比時，采用包絡(luò)檢波器解調(diào)時的性能與同步檢測器時的性能幾乎一樣。2023/8/20542023/8/554小信噪比情況 此時，輸入信號幅