水声通信原理课(第三章)模拟线性调制

1、第三章第三章 模拟线性调制模拟线性调制 西北工业大学航海学院西北工业大学航海学院 2012年年4月月1. 调制目的l便于信号的传输，频率变换l实现信道的多路复用l改善系统抗噪声性能 2调制定义按基带信号的变化规律去改变高频载波某些参数高频载波某些参数的过程3模拟调制分类 幅度调制（属线性调制）：信息加载在信号的幅度上，调制后信号的频谱为调制信号的频谱的平移及线性变换平移及线性变换，如AM、DSB、SSB、VSB 角度调制（非线性调制）：信息加载在信号的频率或相位，已调信号与调制信号的频谱不存在线性不存在线性对应关系，如FM、PM )cos(tas3.1 调幅调制调幅调制 ( ) ( )cos(

2、 )mcstm tth t( )()()( )mccSMMHh(t)m(t)sm(t)cosct 幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。 时域：频域：在波形上，幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制。适当选择滤波器的特性H()，便可以得到各种幅度调制信号。例如，调幅、双边带、单边带及残留边带信号等。00( )( )coscos( )cosAMcccstAf ttAtf tt( )cosmmf tAt3.2 常规双边带调幅（常规双边带调幅（AM）

3、 h(t)=(t)，即滤波器（H()=1）为全通网络，调制信号f(t)叠加直流A0后与载波相乘)()(2/1)()()(0ccccAMFFAS，否则，出现过调幅而失真 时，AM信号的包络与调制信号成正比，所以用包络检波包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号，否则，将会出现过调幅现象而产生包络失真。这时不能用包络检波器进行解调。 调幅指数： 01mAMAA0( )maxf tA0( )maxf tA，即要求 AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽fH的两倍，即BAM=2fH功率分配 AM信号在1电阻上的平均功率应等于sAM(t)的均方值。当f(t)为确知信号时，sAM(t)的均

4、方值即为其平方的时间平均，twAtftwtftwAwttfAtSScccoAMAM2022222202cos)(2cos)(coscos)()(通常假设调制信号f(t)没有直流分量，且f(t)为与载波无关的较为缓慢变化的信号。220( )22AMcfAftSSS=+=+只有边带功率边带功率才与调制信号有关。载波分量不携带信息。 调制效率：边带功率调制效率：边带功率/已调信号功率已调信号功率2220( )( )fAMAMSftSftAh=+当调制信号为单频余弦信号时22( )/ 2MftA=22222022MMAMMMAAAbhb=+调制效率最大值：调制效率最大值： 1/3 当调制信号为方波时，

5、调制效率最大值：调制效率最大值： 1/2Sc：载波功率，Sf：边带功率AM调制的特点: AM波的包络正比于A0+f(t) 传输带宽为基带信号最高频率的两倍 含载波分量，功率利用率比较低 带宽是基带信号带宽fH的两倍，即BAM=2fH ( )( )cosDSBcstf tt( )0.5 ()()DSBccSFFcos0tOttOf(t)sDSB(t)OtO-ccF()OH-HSDSB()O-cc载波反相点2H3.3抑制载波双边带调制（抑制载波双边带调制（DSB-SC）（Double SideBand-Supresses carrier Modulater）载波分量并不携带信息， 信息完全由边带传

6、送。l由时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号， 需采用相干解调相干解调(同步检波)。l另外，在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180的突变。lDSB信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。l由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的， 它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这就是单边带调制能解决的问题。 调制与解调调制与解调调制电路调制电路常规双边带调幅常规双边带调幅(AM)信号可以用包络检波来解调信号可以用包络检波来解调DSB信号需要采用

7、相干解调信号需要采用相干解调 X LPF SD SB(t) coswct Kf(t) 21( )cos( )cos( )1cos 22DSBcccsttf ttf tt相干解调电路相干解调电路3.4单边带调制单边带调制(SSB) 单边带信号的产生方法通常有滤波法滤波法和相移法相移法。3.4.1.滤波法滤波法H()10ccH()0cc1(a)(b)形成SSB信号的滤波特性用滤波法形成SSB信号的技术难点是，一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的DSB信号的上、 下边带之间的间隔很窄，这就要求单边带滤波器单边带滤波器在fc附近具有陡峭的截止特性具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个

8、边带。实现滤波器的难度于与过渡带相对于载频的归一化值有关实现滤波器的难度于与过渡带相对于载频的归一化值有关这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。为此， 在工程中往往采用多级调制滤波多级调制滤波的方法。 P34例例3-2希尔伯特滤波器Hh（w）实质上是一个宽带相移网络，把f(t)幅度不变，相移-/2即可得到Hh()2-+-21f(t)sSSB(t)21f(t) cosctcosct21f(t)cosct21f(t)3.4.2.相移法相移法 SSB信号的时域表示式的推导比较困难，一般需借助希尔伯特希尔伯特变换来表述。希尔伯特变换：对输入信号所有频率分量相移 -/2 调制信号f(t)为任

9、意信号的SSB信号: 11( )( )cos( )sin22ssBCCstf ttf ttmww=SSB调制的特点: 可节省载波发射功率 调制效率高 频带宽度为BSSB= BDSB/2 =BAM /2 = fH3.5 残留边带残留边带(VSB)信号：解决滤波实现信号：解决滤波实现困难的问题困难的问题 介于SSB与DSB 保留了一个边带和另一个边带的一部分即克服了DSB信号占用频带宽，又解决了单边带滤波器不易实现的难题重要结论：为了保证相干解调时无失真恢复基带信号，必须要求残留边带滤波器的传输函数在载频处具有互补对称特性。即必须满足HVSB()10.50cccc00.51HVSB()(a)(b)

10、1( )( ) ()()2ccSHFF( ) ( )cos* ( )( ) ()cos()ccS tf tth thf ttd( )( )cosIch th tt( )( )sinQchth tt( )( )*( )cos( )*( )sin( )cos( )sinIcQcIcQcS th tf tth tf ttS ttStt3.6 线性调制的一般模型线性调制的一般模型 3.6.1调制信号产生的一般模型调制信号产生的一般模型 1. 滤波法:2. 相移法:利用信号的同相分量和正交分量传递函数可以实现线性调制同相分量SI(t)正比于调制信号f(t) ( )( )cos111( )( )cos2(

11、 )sin2222cIIcQcX tS ttS tS ttStt1( )( )( )2dIStS tf t3.6.2 相干解调器的一般模型 (可用于AM、DSB、SSB、VSB信号的解调) 相干解调的关键是必须在接收端产生与信号载波同频同相的本地载波关键是必须在接收端产生与信号载波同频同相的本地载波。否则相干解调后将会使原始基带信号减弱，甚至带来严重失真，这在传输数字信号时尤为严重。 + 包络检波 S(t) Cd=Adcoswct Sd(t) Sa(t) ( )( )IdA tS tA3.6.2 包络检波包络检波 1. 包络检波属于非相干解调，广播接收机中多采用此法。包络检波器就是从已调波的幅

12、度中提取原基带调制信号，结构简单。AM信号一般都采用包络检波。一个理想包络检波器的输出就是输入的包络。 2. 插入载波包络检波(很强的载波) (可用于DSB、SSB、VSB信号的解调) ( )( )IS tf t插入的载波幅度很大时瞬时幅度: )(cos)(sin)(cos)()()()(tttAttStAtStCtStSccQcdIda2/1222)()(2)()(tStSAtSAtAQIdId)(/)()(tSAtSarctgtIdQ瞬时幅度：瞬时相位：3.7 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能2220( )( )cos( )sin( )( )( )0( )( )( )(iI

13、cQcIQiIQiin tn ttnttn tntn tn tntn tNn B均值）平均功率）0n3.7.1分析模型：分析模型： 考虑信道中加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可用解调器解调器的抗噪声性能来衡量。 假设噪声为加性高斯白噪声,带通滤波器的作用是滤除已调信号频带以外的噪声，因此解调器输入端的: 信号Si(t)=Sm(t)噪声Ni(t)变为窄带高斯噪声，根据一般模型，它表示成B是理想带通滤波器的带宽，即已调信号带宽，也是解调器输入端的噪声带宽；/2是噪声单边功率谱密度，它在通带B内是恒定的； 0n B200200( )( )SStNn t解调器输出有用信号的

14、平均功率解调器输出噪声的平均功率00/iiSNGSN22( )( )iiiiSStNn t解调器输入已调信号的平均功率解调器输入噪声的平均功率 是解调器的输入噪声功率评价模拟通信系统的质量性能指标可用输出信噪比: 也可用信噪比增益信噪比增益（调制制度增益） 输入信噪比：3.7.2抗噪性能抗噪性能DSB（相干解调） SSB（相干解调） AM（包络检波） 0S2( )4E ft2( )16E ft2( )E ft 0N0042DSBHn Bn f0044SSBHn Bn f002AMHn Bn f 00SN20( )2HE ftn f20( )4HE ftn f20( )2HE ftn f iS2

15、( )2E ft2( )4E ft220( )2AE ft iN002DSBHn Bn f00SSBHn Bn f002AMHn Bn f iiSN20( )4HE ftn f20( )4HE ftn f2200( )4HAE ftn f G22202 ( )( )E ftAE ft 2 1 1 1 1/32HfHf2HfB 1. 残留边带不是太大的时候，近似认为VSB与SSB调制系统的抗噪声性能相同。2. 问：GDSB=2GSSB能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好呢？ 答：不是。双边带已调信号的平均功率是单边带信号的 2 倍 两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到的。 在

16、相同的输入信号功率Si，相同输入噪声功率谱密度n0，相同基带信号带宽fH条件下，对这两种调制方式进行比较， 可以发现它们的输出信噪比是相等的。 因此两者的抗噪声性能是相同的 但双边带信号所需的传输带宽是单边带的 2 倍3. AM的抗噪声性能： 大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同; 小信噪比时，信号无法与噪声分开，而且有用信号“淹没”在噪声之中。这时候输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化。这种现象称为门限效应。包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应; 一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化。 用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存

17、在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。3105 . 0)(fPn)(HKHzfBm10522 , 010595 ,)(其它kHzfkHzKHkW10iSW10105.010102)(233fPBNni1000iiNS 例1 设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度 W/Hz,在该信道中传输抑制载波的双边带信号，并设调制信号m（t）的频带限制在5kHz,而载波为100kHz，已调信号的功率为10kW。若接收机的输入信号在加至解调器之前，先经过 一理想带通滤波器滤波，试问：（1）该理想带通滤波器应具有怎样的传输特性 ？（2）解调器输入端的信噪功率比为多少？（2

18、）解调器输出端的信噪功率比为多少？（4）求出解调器输出端的噪声功率谱密度。解：（1）为了保证信号顺利通过和尽可能地滤除噪声，带通滤波器的宽度等于已调信号带宽，即 ，其中心频率为100KHz,故有 （2） （已知） 故输入信噪比 2DSBG20002 00iiNSNS)(5 . 2410WNNikHz5 ),(21W/Hz1025. 02)(300ffPfNfPnmn 双（3）因有 故输出信噪比 （4）据双边带解调器的输出噪声与输入噪声功率关 系，有 故 TS)100( 1010dBSSKiTWNdBNS900010),20( 1002G502100NSNSii04NNi 1022005070WNNSii 1023WSKSiT10000NSNSii04NNiWNNSii70104400100