通信原理CH模拟线性调制PPT课件

1、1主要内容和重点 调制分类 调制、解调模型和方法 AM、DSB、SSB、VSB 抗噪声性能分析 AM、DSB、SSB、VSB第1页/共77页22.1 引言 点-点通信系统 dtjke)(C通常假定为理想恒参信道：信道的数学模型：r(t) = c(t)s(t) + n(t) 第2页/共77页3问题： n为什么要对信号进行调制？n什么是调制？2.1 引言引言 第3页/共77页410l 如：如： 因此，因此，GSM手机的工作频段规定在手机的工作频段规定在 9001800MHzmlMHzfmlKHzfc1,10103103,3010,10103103,3784538fc2.1 引言 第4页/共77页5

2、以无线电广播的中波波段为例：可用波以无线电广播的中波波段为例：可用波段范围为段范围为530KHz1600KHz，而语音信号的，而语音信号的频率范围为频率范围为3003400Hz，经调制后每一个，经调制后每一个广播电台频道的带宽为广播电台频道的带宽为9KHz530KHz1600KHz300 9000上述即为上述即为，它通过不同载波频率的调制完成，它通过不同载波频率的调制完成第5页/共77页66 调制：就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。其中包括调制映射，傅立叶变换，频率搬移等等。 Sx() 频率搬移频率搬移 Sy() c twtxtytwjtwtxtywwwSwSccccxycos)()(

3、sincos)()()()()(数学分析第6页/共77页72.1 引言 调制分类 正弦（连续波）调制： 脉冲调制： C(t)：脉冲周期信号 复合调制： 对同一载波同时进行多种方式（幅度、频率、相位）的调制过程 多级调制： 对同一基带信号进行多次调制的过程 )(cos)(cctwAtc幅度调制频率调制相位调制线性调制非线性调制第7页/共77页82.1 引言 调制分类 正弦调制：C(t)=cosct 模拟调制：m(t)为模拟信号，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM 数字调制：m(t)为数字信号，如ASK、FSK、PSK等 脉冲调制：C(t)为脉冲周期信号 脉冲无编码调制 用模拟信号m(t)

4、改变脉冲的幅度(PAM)、宽度(PDM)、相位(PPM) 脉冲编码调制(PCM) 用脉冲串对模拟信号m(t) 抽样、量化、编码为PCM信号 增量调制(DM) m(t)为模拟信号，根据两相邻采样信号之差来进行编码 脉冲数字调制 m(t)为数字信号，常用多进制脉位调制第8页/共77页9 2.2 调制/解调系统原理 主要内容 一般调制方法 AM的调制解调方法 DSB的调制解调方法 SSB的调制解调方法 VSB的调制解调方法第9页/共77页10 2.2 调制/解调系统原理一般调制方法 调制方法：滤波法 不同的H(f) DSB、SSB、VSB、AM 频谱分析 )f (M) t (mF)()(2)(fMf

5、AtmAF线性调制的一般模型第10页/共77页11 2.2 调制/解调系统原理一般调制方法 ccFcffff)f (CtcosccFffMffM21)f (S) t (SccmFmffMffMfHfStS)(21)()( 频谱分析（续）第11页/共77页12 2.2 调制/解调系统原理一般调制方法 频谱分析示意图 DSB、AM第12页/共77页13 2.2 调制/解调系统原理AM AM信号的产生 时域表达式：SAM(t)=A+m(t)cosct H(f)：理想带通 AM信号频谱：S(f) AM信号带宽：BAM=2fH第13页/共77页14 AM的解调方法 包络检波：要求 A+m(t)0 相干解

6、调 0fHf) t (m21) t (mt2cos1) t (mA21tcos) t (mAoLPFcc2隔直 2.2 调制/解调系统原理AM 第14页/共77页15 相干解调（续） 频谱示意图 2.2 调制/解调系统原理AM 第15页/共77页16已调波包络完全反映调制信号变化规律已调波包络完全反映调制信号变化规律 AM信号的频谱信号的频谱SAM()由由和和、组成组成 上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，相同，AM信号是带有载波的双边带信号，它的信号是带有载波的双边带信号，它的，即，即 2.2 调制/解调系统原理AM 第16页/共77页17 sc

7、AMApptmAtSP2)(22202得得 ttmtAtsccAMcoscos0 式中，式中， PC为载波功率，为载波功率，PS为边带功率为边带功率 可见，可见，AM信号的总功率包括信号的总功率包括和和两部分，两部分，只有边带功率才与调制信号有关，载波分量不携带信息只有边带功率才与调制信号有关，载波分量不携带信息载波分量占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有功载波分量占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有功率较小。因此，从功率上讲，率较小。因此，从功率上讲，AM的功率利用率比较低的功率利用率比较低 功率利用率比较低；功率利用率比较低；(不携带信息的载波分量占据大部分功率总功率不携带信息

8、的载波分量占据大部分功率总功率)占用频带宽，占用频带宽，BAM= 。(含有用信息的两个边带含有用信息的两个边带) 将载波抑制掉再传输将载波抑制掉再传输 抑制载波的双边带调制抑制载波的双边带调制 2.2 调制/解调系统原理AM 第17页/共77页18 2.2 调制/解调系统原理DSB DSB（或DSB-SC）信号的产生 SDSB(t)=m(t)cosct 第18页/共77页19 AMS0A 0A Ot tSAM MH H Otcosw0tOtO-ccOt载波反相点tSDSB DSBS MH H ttmtAtsccAMcoscos0 ccccAMMMAS 210 ttmtscDSBcos ccDS

9、BMMS 21第19页/共77页20 由时间波形可知，由时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号的变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化规律一致，因而不能采用简单的包络检波包络检波来恢复调制信号，来恢复调制信号， 需采用需采用相干解调相干解调(同步检波同步检波)。另外，在调制信号。另外，在调制信号m(t)的过零的过零点处，高频载波相位有点处，高频载波相位有180的突变的突变 由频谱图可知，由频谱图可知，DSB信号虽然节省了载波功率，功率利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，与用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍

10、，与AM信号带宽相同。由于信号带宽相同。由于DSB信号的上、下两个边带是完全信号的上、下两个边带是完全对称的，对称的， 因此它们都携带了调制信号的全部信息因此它们都携带了调制信号的全部信息 第20页/共77页21 ttmtscDSBcosDSB频谱频谱bcB bcB DSBSbAMBB2 上边带上边带下边带下边带 ccDSBMMS 2121占用频带宽，占用频带宽，BDSB= 。(含有两个完全相同的边带含有两个完全相同的边带) 将只传输一个边带将只传输一个边带 单单边带调制边带调制第21页/共77页22 解调 不能用包络检波法解调 相干解调：同AM 2.2 调制/解调系统原理DSB 0fHf21

11、1( )cos( ) 1cos2( )( )22LPFccom ttm ttm tm t 第22页/共77页23 2.2 调制/解调系统原理SSB SSB信号的产生方法 H(f)fc+fL fc fc+fHfH(f)由得上边带USBfc-fH fc-fLfH(f)由得下边带LSB第23页/共77页24 2.2 调制/解调系统原理SSB SSB信号的时域表达式 下边带带通滤波器可表示为ccsgnsgn21)(H第24页/共77页25)sgn()(M)sgn()(M41)(M)(M41)sgn()(M)sgn()(M41)sgn()(M)sgn()(M41)sgn()sgn(21)(M)(M21)

12、(SccccccccccccccccccLSB 2.2 调制/解调系统原理SSB SSB信号的时域表达式（续）第25页/共77页26tsin) t (m21tcos) t (m21) t (SccLSB载波为cosct ) t (m是m(t)的希尔伯特变换 2.2 调制/解调系统原理SSB SSB信号的时域表达式（续）sinct是cosct的希尔伯特变换第26页/共77页27)sgn()(M)sgn()(M41)()()sgn()(M41)()(j)sgn(j)(M2121tsin) t (m21ccccccccFc 同理 载波为cosct 2.2 调制/解调系统原理SSB SSB信号的时域表

13、达式（续）11( )( )cos( )sin22USBccStm ttm tt第27页/共77页28 tcos) t (m21tsin) t (m21) t (SccLSBtcos) t (m21tsin) t (m21) t (SccUSB 2.2 调制/解调系统原理SSB SSB信号的时域表达式（续） 当载波为sinct时式中系数1/2可为任一常数第28页/共77页29 2.2 调制/解调系统原理SSB SSB信号的产生 相移法：根据时域表达式m(t)。90。90tcosc）（tm+-tsincSLSB(t)SUSB(t)11( )( )cos( )sin22LSBccStm ttm tt

14、载波为cosct 11( )( )cos( )sin22USBccStm ttm tt第29页/共77页30 解调 相干解调：同AM 插入强载波+包络检波 tcos)t (m21Atsin) t (m21tcos)t (m21Accc 2.2 调制/解调系统原理SSB 0fHf第30页/共77页31 强载波Acosct的获取方法 发端插入导频acosct，收端提取acosct后，放大得Acosct，Aa 不发导频，收端的振荡器输出Acosct作为强载波 语音单边带允许 15Hz f 2.2 调制/解调系统原理SSB 第31页/共77页3232n 综上所述：综上所述： SSB调制方式在传输信号时

15、，所占用的频带调制方式在传输信号时，所占用的频带宽度为宽度为BSSB= ，只有，只有AM、DSB的一半，它目前已成的一半，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式为短波通信中的一种重要调制方式n SSB信号的解调和信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，一样不能采用简单的包络检波，因为因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，直接反映调制信号的变化， 所以仍需采用相干解调所以仍需采用相干解调对边带滤波器的滤波性能要求很高，实际制造这样的滤对边带滤波器的滤波性能要求很高，实际制造这样的滤波器非常困难波器非常困难 对一个

16、边带进行逐渐截止对一个边带进行逐渐截止 第32页/共77页33DSB、SSB和VSB信号的频谱M()2B2BODSB()ccO(a)(b)SSB()OccccVSB()O(c)(d)第33页/共77页34 VSB调制/解调系统 fL很小时，无法用滤波器得到SSB信号，只能得到VSB信号 m(t)Sm(t)GT(f)C(f)n(t)GR(f)tcosc载波同步tcoscLPFVSB信号U(t)m0(t)n0(t)非标准的VSB信号 2.2 调制/解调系统原理VSB ( )f t cos()cw t ( )DSBSt ( )VSBHw ( )VSBSt ( )VSBSt cosdcCw t ( )

17、pSt LPF ( )dS t 第34页/共77页35 2.2 调制/解调系统原理VSB H(f)=GT(f)C(f)GR(f) 对H(f)的要求： H(f+fC)+ H(f-fC)=C，|f-fc| fH 即H(f)在fc两边互补对称 证明: )f (H)f (S)f (SmVSB1()()( )2ccM ffM ffH f第35页/共77页36)ff (H)f (M)f2f (M41)ff (H)f (M)f2f (M41)ff (S)ff (S21)f (UcccccVSBcVSB)ff (H)ff (H)f (M41)f (Mcc0当 ()(),cccHH ffH ffCfff时 2.

18、2 调制/解调系统原理VSB m(t)Sm(t)GT(f)C(f)n(t)GR(f)tcosc载波同步tcoscLPFVSB信号U(t)m0(t)n0(t)非标准的VSB信号00( )( )( )( )44CCMfM fm tm t第36页/共77页37 2.2 调制/解调系统原理VSB 第37页/共77页38 -fc-fa -fc 0 fc fc-faH(f)H(f)=H1(f)+H2(f)+H3(f)ffH1(f)00fH2(f)0fH3(f)H1(f)形成下边带信号,基带信号H2(f)形成上边带信号,基带信号H3(f)形成下边带信号,基带信号m(t)H(f)m(t) 0 fafH(f)

19、t (m )t(m)t(m 2.2 调制/解调系统原理VSB 第38页/共77页39显然，显然， 满足这种要求的滚降特性曲线并不是惟一的，而是有无穷多个满足这种要求的滚降特性曲线并不是惟一的，而是有无穷多个只要残留边带滤波器的特性只要残留边带滤波器的特性HVSB()在在c处具有互补对称（奇对称）处具有互补对称（奇对称）特性，那么，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的特性，那么，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号基带信号HVSB()10.50cccc00.51HVSB()(a)(b) HcVSBcVSBHH 常数，常数， 2.2 调制/解调系统原理VSB

20、 第39页/共77页40tsin) t (mtsin) t (m21tcos) t (m21tsin) t (m21tcos) t (m21tsin) t (m21tcos) t (m21tsin) t (m21tcos) t (m21) t (ScccccccccVSB1( )cos( ) cos2VSBccStAtAm tt 2.2 调制/解调系统原理VSB VSB的插入强载波包络检波解调法（电视） 线性调制含义：将m(t)频谱线性放大，再搬移到fc两边 第40页/共77页41讨论：讨论： 若若收发两端的载波不能做到同频或者收发两端的载波不能做到同频或者完全同相，结果如何？还可以完全恢复出

21、完全同相，结果如何？还可以完全恢复出基带信号吗？基带信号吗？ 2.2 调制调制/解调系统原理解调系统原理VSB 第41页/共77页42讨论：在DSB中，设本地载波信号与发送载波的频率误差和相位分别为和 试分析其对解调结果的影响 解： 解调器模型为 相乘输出 ttttmc2coscos21 ttttmtscccoscos tttcccosLPFLPFS0(t) tSDSBS (t)第42页/共77页43经LPF后得到 ttmtSdcos21分别设以下两种特殊情况： 1)设，0 0 时， cos21tmtSd 当2 时，输出信号为零。2 时，幅度受到衰减且符号也要改变 当当第43页/共77页442

22、) 设，0 0 时， ttmtSd cos21 当两端的载波只有频率误差时，解调输出仍为双边带调幅信号，但该信号的载波角频率为 ，产生明显失真 通常 和 两种误差都存在，因此，两种影响也都存在，从而不同程度的影响了通信的质量影响也都存在，从而不同程度的影响了通信的质量第44页/共77页4545线性调制的一般模型 )(tf )cos(twc ( )mSt )(wH )(tS 1( )( ) ()()2ccS wH wF wwF ww第45页/共77页46线性调制信号的正交产生n时域表达式n正交法产生twtfthtwtfthdtwtfhthtwtftScQcIccsin)()(cos)()()(c

23、os)()()(cos)()(展开twththtwththcQcIsin)()(cos)()(同相分量正交分量 )(tf )cos(twc )(tSI )(wHI )(tS )(wHQ )(tSQ 2/ 第46页/共77页47 双边带调制 单边带调制0)(1)(wHwHQI)()()(2121wHwHwHhQI 2.2 调制/解调系统原理VSB 第47页/共77页48第48页/共77页4949线性调制系统的相干解调 适用于：AM，DSB，SSB，VSB 数学分析输入信号：滤波前滤波后 ( )S t LPF 载波恢复 cos()cw t ( )pSt ( )dSt ( )( ) cos( )si

24、nIcQcS tS tw tStw t111222( )( ) cos( )( )cos2( )sin2pcIIcQcStS tw tS tS tw tStw t12( )( )( )dIStStft第49页/共77页5050插入载波包络检波 适用于DSB，SSB，VSB ( )S t 包络检波 载波恢复 )cos(twAcd )(tSa )(tSd 加入载波后的信号加入载波后的信号Sa(t)=SI(t)+Adcoswct+SQ(t)sinwct =A(t)coswct+(t)第50页/共77页512.3 抗噪声性能 主要内容和重点 线性调制系统的抗噪声性能 AM、DSB、SSB的相干解调抗噪

25、声性能 AM、DSB、SSB的性能比较 门限效应：包络检波第51页/共77页522.3 抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 AM、DSB、SSB相干解调的抗噪性能 BPF的带宽W等于信号带宽B，B 1时，包络检波的可靠性同相干解调 ni(t)时，E(t)A+m(t)+nc(t) mo(t)=m(t)，no(t)=nc(t) 可得: 2222( )( )2( )cos3mm tGAm tm tAtG当时，2.3 抗噪声性能第64页/共77页6565 在包络检波器的输出端没有单独的信号项。有用信号被扰乱，解调器输出只能看作噪声 所谓所谓门限效应门限效应，是指当包络检波器的输入信噪比降低，是指当包络

26、检波器的输入信噪比降低到一个特定的数值后，检波器输出信噪比急剧恶化的一种到一个特定的数值后，检波器输出信噪比急剧恶化的一种现象，即在小信噪比情况下，包络检波器会把有用信号扰现象，即在小信噪比情况下，包络检波器会把有用信号扰乱成噪声。乱成噪声。 注：注：用相干解调的方法解调各种线性调制信号时，由于用相干解调的方法解调各种线性调制信号时，由于解调过程可视为信号与噪声分别解调，故解调器输出端总是解调过程可视为信号与噪声分别解调，故解调器输出端总是单独存在有用信号项。因此单独存在有用信号项。因此相干解调不存在门限效应相干解调不存在门限效应。第65页/共77页66 当 A+m(t)ni(t)时，解调器的

27、输出端得不到独立的信号 oNS）（iNS）（oNS）（=iNS）（1dBiNS）（门限G2.3 抗噪声性能第66页/共77页6767 问题： 为什么双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高？ 双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高是否说明双边带调制的抗噪声性能比单边带调制的更好？第67页/共77页6868练习设模拟调制系统信道和接收端模型如下图所示。已知信道噪声n(t)为加性高斯白噪声，单边功率谱密度为n0=10-6W/Hz；sm(t)为已调信号，载波频率fc=1MHz ，对应的调制信号m(t)的最高频率为fH=5KHz。带通滤波器为理想。试分别计算DSB（Si=1kW，相干解调

28、）、USB（ Si=1kW ，相干解调）、AM（两边带功率Pf=1kW，载波功率Pc=4kW ，包络检波）三种情况下的下列参数： 1.带通滤波器的中心频率f0、带宽B；2.解调器输入端信噪比Si/Ni；3.信噪比增益G； 4.解调器输入端信噪比S0/N0；第68页/共77页6969DSB：(1)f0=fc=1MHz, B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10 x103=10mW Si/Ni=1x103/10-2=105(3)G=2(4) S0/N0=G x Si/Ni= 2x105第69页/共77页7070USB：(1)f0=fc+fH/2=1.0025MHz, B=fH=5kHz(2)Ni=n0B=10-6x5x103=5mW Si/Ni=(1x103)/(5x10-3)=2x105(3)G=1(4) S0/N0=G x Si/Ni= 2x105当Si，n0，fH相同时，(S0/N0)DSB=(S0/N0)SSB第70页/共77页7171AM:(1)f0=fc=1MHz, B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10 x103=10mW Si=Pc+Pf =(4+1)k