第5章 模拟调制系统-1课件

1、第五章第五章 模拟调制系统模拟调制系统主要内容主要内容 幅度调制的原理幅度调制的原理 幅度调制的抗噪性能幅度调制的抗噪性能 角度调制原理角度调制原理 角度调制的抗噪原理角度调制的抗噪原理 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较什么是调制？什么是调制？ 调制：把信号转换成适合在信道中传输调制：把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。的形式的一种过程。为什么要调制？为什么要调制？ 适合信道的需要，完成远距离传输。适合信道的需要，完成远距离传输。 多路复用，提高传输效率。多路复用，提高传输效率。 改善信噪比，提高传输质量。通过扩展改善信噪比，提高传输质量。通过扩展发送信号带宽（为代价）来

2、增加抗噪声发送信号带宽（为代价）来增加抗噪声性能。如性能。如FM、CDMA系统。系统。调制的定义调制的定义 定义：让载波的某个参数（或几个）随调制信定义：让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。为调制。 基带信号（调制信号）：来自信源的消息信号。基带信号（调制信号）：来自信源的消息信号。 载波：一种用来搭载原始信号（信息）的高频载波：一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。信号，它本身不含有任何有用信息。 已调信号：载波调制之后的信号。已调信号：载波调制之后的信号。怎样调制怎样调制 ？基

3、带信号基带信号m(t) 高频载波信号为高频载波信号为c(t) = A cos ( ct + )让它的三个基本参量分别按基带信号变化：让它的三个基本参量分别按基带信号变化： 1、AA(t)=A0+ kAm(t)； 称为调幅称为调幅-线性调制。线性调制。 2、 c (t)= 0+ kFm(t)； 称为调频称为调频-角度调制。角度调制。 3、 (t)= 0+ kPm(t)； 称为调相称为调相-角度调制。角度调制。调制的分类调制的分类 调制信号：调制信号：m(t)载波信号：载波信号：c(t)已调信号：已调信号：s(t)1、根据、根据m(t)的不同分：模拟调制和数字调制；的不同分：模拟调制和数字调制；2

4、、根据、根据c(t)不同分：连续载波和脉冲载波调制；不同分：连续载波和脉冲载波调制；3、根据、根据c(t)被调制的参数不同：幅度调制、被调制的参数不同：幅度调制、 频率调制和相位调制。频率调制和相位调制。4、按频谱特性分：线性和非线性调制。、按频谱特性分：线性和非线性调制。 幅度调制幅度调制 (线性调制线性调制)原理原理 线性调制：已调信号线性调制：已调信号s(t)的频谱和输入基带信的频谱和输入基带信号号m(t)的频谱之间满足线性搬移的关系。的频谱之间满足线性搬移的关系。 幅度调制又分为四种具体的调制方法：幅度调制又分为四种具体的调制方法： 常规调幅（常规调幅（AM） 双边带调制（双边带调制（

5、DSB） 单边带调制（单边带调制（SSB） 残留边带调制（残留边带调制（VSB） 常规调幅（常规调幅（AM）tccos)(tm)(tsAM0ABPF调制方法调制方法(1)抬高基带信号抬高基带信号m(t)的电平，使的电平，使m(t)+A0恒为正，即要恒为正，即要求求 A0 |m(t)|max(2)产生高频等幅载波产生高频等幅载波 c(t) = cos ct / cos ( ct+ )(3)相乘：相乘：SAM(t)=A0+m(t) cos ctAM调制信号的时域表达和波形调制信号的时域表达和波形SAM(t)=A0+m(t) cos c tA0-A0m(t)c(t)SAM(t)AM调制信号的频谱和带

6、宽调制信号的频谱和带宽SAM(t)=A0cos ct+ m(t)cos ct)()(21)()()(0ccccAMMMAS M() 1 -m 0 m SAM() USB LSB LSB A0 USB -C 0 C 2m 若基带信号最高频率若基带信号最高频率 m=2 fm，则则AM调制信号带宽为：调制信号带宽为：B=2fmAM已调信号的功率和调制效率已调信号的功率和调制效率)(2121)(2202tmAtSPAMAM)(212tmAM已调信号的功率已调信号的功率%50)()(2202tmAtm基带信号能量为基带信号能量为调制效率调制效率AM调制信号举例调制信号举例单音信号单音信号3122/2/2

7、1)(;cos)(2222022200AMAMmmmmmmAAAAtmAAAAtAtm则：叫调幅系数调制效率调制效率边带功率和总平均功率之比叫调制效率，它反映发送的功率边带功率和总平均功率之比叫调制效率，它反映发送的功率中有多少比例是花在了信息上。中有多少比例是花在了信息上。AM调制信号举例调制信号举例单音信号单音信号3122/2/21)(;cos)(2222022200AMAMmmmmmmAAAAtmAAAAtAtm则：叫调幅系数调制效率调制效率边带功率和总平均功率之比叫调制效率，它反映发送的功率边带功率和总平均功率之比叫调制效率，它反映发送的功率中有多少比例是花在了信息上。中有多少比例是花

8、在了信息上。常规调幅的缺点常规调幅的缺点常规调幅方式效率很低，原因在于直流成分常规调幅方式效率很低，原因在于直流成分A0在已在已调信号中成为调信号中成为“空载波空载波”，浪费的能量超过了有用，浪费的能量超过了有用信号。如果没有直流成分信号。如果没有直流成分A0效率将会达到百分之百。效率将会达到百分之百。%50)()(2202tmAtm如果完全去掉直流？如果完全去掉直流？如果没有直流成分，采用包络解调后信号会发生严重的失真。如果没有直流成分，采用包络解调后信号会发生严重的失真。包络检波包络检波低通滤波低通滤波隔断直流隔断直流过调制的解调产生失真：过调制的解调产生失真： A0正常调制的解调波形正常

9、调制的解调波形 ：A0只要有办法解决解调后信号的失真问题，只要有办法解决解调后信号的失真问题，就能大大提高调制效率。就能大大提高调制效率。 相关解调与双边带调制相关解调与双边带调制双边带调幅双边带调幅(DSB)调制方法：不加直流电压，直接调制。调制方法：不加直流电压，直接调制。tccos)(tm)(tsDSBBPFDSB调制信号时域表达与波形调制信号时域表达与波形SDSB(t)=m(t)cos c t载波反相点载波反相点DSB调制信号的频谱和带宽调制信号的频谱和带宽)()(21)(ccDSBMMS M( ) -m 0 m SDSB()USB LSB LSB USB -C C 双边带调制信号带宽

10、仍然为双边带调制信号带宽仍然为 B=2fm除了没有冲击谱线之除了没有冲击谱线之外，与外，与AM完全相同。完全相同。SDSB(t)=m(t)cos c tDSB调制信号的功率和调制效率调制信号的功率和调制效率，无载波功率只有边带功率PPPtmttmtSPffCDSBDSB)(21cos)()(2222DSB信号的平均功率信号的平均功率DSB信号的调制效率信号的调制效率%100DSBfDSBPPDSB信号解调方法信号解调方法相干解调相干解调Sd(t)SDSB(t)S0(t)SDSB(t)= m(t)cost Sd(t)=m(t)cos2t m(t)单边带调幅单边带调幅 (SSB) SDSB() 上

11、上 下下 下下 上上 HL() -C C SLSB() HU() SUSB() -C C若基带信号最高频率若基带信号最高频率 m=2 fm ，则单边带信号带宽为：，则单边带信号带宽为：B=fm 。滤波法产生单边带信号滤波法产生单边带信号ccUUDSBSSBccLLDSBSSBHHSSHHSS|1|0)();()()(|0|1)();()()(上下f (t)sDSB(t)c(t) cosct单 边 带 滤 波 器HSSB()sSSB(t)单边带信号的时域表达单边带信号的时域表达c0)sgn(cc0)sgn(c以下边带为例以下边带为例)()(21)(ccDSBMMS)()(21)(2ccSgnSg

12、nGc)()()()(2cGSStSDSBLSBLSBG2c()-c c )sgn()()sgn()(41)()(41)sgn()()sgn()(41)sgn()()sgn()(41)sgn()sgn(21)()(21)(ccccccccccccccccccLSBMMMMMMMMMMS因为因为jtSgn2)()(2)(22SgnSgnjt)(1jSgnt希尔伯特变换希尔伯特变换ttmtm1*)()(0)(0)()()()(jMjMjSgnMtm表明希尔伯特变换的结果是将信号频谱负正两半分别相移表明希尔伯特变换的结果是将信号频谱负正两半分别相移 /2ttmjSgnM1)()()()()()()(

13、21sin)( )()()( )( )( 21sin)( ccccccctjtjtjcSgnMSgnMttmSgnjMetmetmetmjttmccc)()(41cos)(21cccMMttmttmttmtSccLSBsin)(21cos)(21)(ttmttmtSccUSBsin)(21cos)(21)(相移法产生单边带信号相移法产生单边带信号ttmttmtsccSSBsin)(21cos)(21)()(21tm)(tsSSB2/)(hH)(21tmttmccos)(21ttmccos)(21tccostcsin单音信号的特例单音信号的特例sinsincoscos2)cos(2)(sinsi

14、ncoscos2)cos(2)()cos()cos(2coscos)(;cos)(ttttAtAtSttttAtAtSttAttAtStAtmmccmmmcmLSBmccmmmcmUSBmcmcmcmmDSBmmtAtmmmsin)(相当于相当于SSB信号的功率与带宽信号的功率与带宽DSBccccSSBSSBPtmtttmtmtmtmttmttmtSP21)(41cossin)()(2)()(41sin)(cos)(41)(222122122ttmttmtsccSSBsin)(21cos)(21)(SSB信号带宽信号带宽:BSSB = fm =1/2 BDSB单边带调制存在的问题单边带调制存在

15、的问题 单边带调制需要理想的低通（或高通）滤波器，单边带调制需要理想的低通（或高通）滤波器，使截取的上、下两边带都十分完整，这在实际使截取的上、下两边带都十分完整，这在实际中是难以实现的。中是难以实现的。 如果上、下两边带虽然都不是那么完整，但可如果上、下两边带虽然都不是那么完整，但可以互补，和起来仍然能够得到完整的信息。以互补，和起来仍然能够得到完整的信息。 从双边带出发，巧妙地设计滤波器，使上、下从双边带出发，巧妙地设计滤波器，使上、下两块不那么完整的边带互补，这样的调制方法两块不那么完整的边带互补，这样的调制方法称为残留边带调制。称为残留边带调制。残留边带调幅（残留边带调幅（VSB）f

16、(t)sDSB(t)c(t)cosct残留边带滤波器HVSB()sVSB(t)乘法器乘法器 本地载波本地载波 Cos ct同同步步低通滤波低通滤波残留边带相干解调框图残留边带相干解调框图： SVSB(t) Sd(t) So(t)= f(t)/4残留边带调制原理残留边带调制原理残留边带滤波器特性残留边带滤波器特性)()(21)(ccDSBMMS)()()(21)(VccVSBHMMS)()2()(41)()()2(41)()(21)(CVcCVccVSBcVSBdHMMHMMSSS)()()(41)(cVcVoHHMS常数)()(cVcVHH双边带信号双边带信号通过残留边带滤波器后通过残留边带滤

17、波器后解调时，乘以本地载波后频谱再次搬移解调时，乘以本地载波后频谱再次搬移低通滤波后低通滤波后只要设计只要设计信号即可复原。信号即可复原。cOcHVSB()HVSB(c)cOcHVSB(c)HVSB(c) HVSB(c)OOcc(a )(b )(c )(d )HVSB()10.50cccc00.51HVSB()(a)(b)VSB信号的时域与频域表达信号的时域与频域表达ttmttmtsccVSBsin)(21cos)(21)(“-”表示残留上边带信号，表示残留上边带信号，“+”表示残留下边带信号；表示残留下边带信号； 为为m(t)通过正交滤波器的输出。通过正交滤波器的输出。)(tm发送功率发送功

18、率PVSB： PSSB PVSBPDSB频带宽度频带宽度BVSB：BSSB BVSBBDSB BVSB=(12)fm线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能带通滤波器sm(t)sm(t)n(t)ni(t)解调器mo(t)no(t)解调器抗噪声性能分析模型解调器抗噪声性能分析模型信道噪声模型噪声模型高斯白噪声高斯白噪声双边功率谱密度双边功率谱密度Pn()=n0/2线性调制系统中，噪声是以窄带高斯方式进入信号的线性调制系统中，噪声是以窄带高斯方式进入信号的ni(t)=nc(t)cosc t - ns(t)sinc t0)()()(tntntnsciBnNtntntnisci0222)()(

19、)(抗噪性能的分析方法抗噪性能的分析方法)()(22tntSNSimii功率解调器输入噪声的平均功率解调器输入信号的平均)()(202000tntmNS功率解调器输出噪声的平均功率解调器输出信号的平均输入信噪比输入信噪比输出信噪比输出信噪比信噪比得益率：信噪比得益率：(调制制度增益调制制度增益)iiNSNG/S00解调器输入信噪比解调器输出信噪比DSB调制系统的抗噪性能分析调制系统的抗噪性能分析)(21cos)()(222tmttmtsScmiBnNi0输入信噪比输入信噪比已调信号：已调信号：Sm(t)=SDSB(t)=m(t)cosct输入信号平均功率输入信号平均功率输入噪声平均功率输入噪声

20、平均功率解调器输入端的信噪比解调器输入端的信噪比BntmNSDSBii022)(输出信噪比输出信噪比Sd(t)SDSB(t)S0(t)收滤波器输出端：收滤波器输出端：SDSB(t)+ni(t)=m(t)cosc t+nc(t)cosc t- ns(t)sinc t =m(t)+nc(t)cosc t - ns(t)sinc t通过乘法器后表达式为通过乘法器后表达式为Sd(t)=m(t)+nc(t)cosc t - ns(t)sinct cosc t =m(t)+nc(t)(1+cos2c t)/2 - ns(t)sin2c t/2通过通过LPF，滤去二次谐波成分（，滤去二次谐波成分（2c） S

21、0(t)+n0(t)=m(t)+nc(t)/2收滤波器输出端：收滤波器输出端：通过乘法器后表达式为通过乘法器后表达式为通过通过LPF，滤去二次谐波成分（，滤去二次谐波成分（2c）输出信噪比与制度增益输出信噪比与制度增益输出端的信号平均功率输出端的信号平均功率输出噪声功率输出噪声功率解调器输出端信噪比解调器输出端信噪比调制制度增益调制制度增益（信噪比得益率）信噪比得益率）iOOStmtmtmS21)(41)(21)(222BntnNc02041)(41BntmNSDSBOO02)(2/00iiDSBNSNSGSSB系统的抗噪性能分析系统的抗噪性能分析输入信噪比输入信噪比已调信号已调信号输入信号平

22、均功率输入信号平均功率输入噪声平均功率输入噪声平均功率解调器输入端的信噪比解调器输入端的信噪比ttmttmtStSccSSBmsin)(21cos)(21)()()(41)(22tmtsSmiBnNOiBntmBntmNSSSBii02024)()(41输出信噪比输出信噪比收滤波器输出端：收滤波器输出端：通过乘法器后表达式为通过乘法器后表达式为通过通过LPF，滤去二次谐波成分（，滤去二次谐波成分（2c）ttnttnttmttmtntScscccciSSBsin)(cos)(sin)(cos)(21)()(ttmtnttntmtttmtnttntmtScsccccsccd2sin)(21)(21

23、)2cos1)()(2121cossin)(21)(cos)()(21)(2m0(t)+n0(t)= m(t)/4 + nc(t)/2输出信噪比与制度增益输出信噪比与制度增益输出端的信号平均功率输出端的信号平均功率输出噪声功率输出噪声功率解调器输出端信噪比解调器输出端信噪比调制制度增益调制制度增益（信噪比得益率）信噪比得益率）iOOStmtmS41)(161)(22BnNtntntnNiic022200414)(41)(41)(BntmNSSSBOO024)(1/00iiSSBNSNSG 根据上述结果，不能得出根据上述结果，不能得出DSB比比SSB解调性能解调性能好的结论。好的结论。 因因SS

24、B信号所需带宽仅是信号所需带宽仅是DSB的一半，在噪声的一半，在噪声功率密度相同的情况下，功率密度相同的情况下，DSB解调器的输入噪解调器的输入噪声功率是声功率是SSB的二倍，从而也使其输出噪声功的二倍，从而也使其输出噪声功率比率比SSB的大一倍，因此，尽管的大一倍，因此，尽管DSB的的G比比SSB的大，但他的实际解调性能不会优于的大，但他的实际解调性能不会优于SSB 如果解调器的输入噪声功率密度相同，输入的如果解调器的输入噪声功率密度相同，输入的信号功率也相同，则两者的在解调器输出端的信号功率也相同，则两者的在解调器输出端的信噪比是相等的。信噪比是相等的。AM系统的抗噪性能分析系统的抗噪性能分析包络检波法解调包络检波法解调带通滤波器sm(t)sm(t)n(t)ni(t)包络检波器mo(t)no(t)输入信噪比输入信噪比已调信号已调信号输入信号平均功率输入信号平均功率输入噪声平均功率输入噪声平均功率解调器输入端的信噪比解调器输入端的信噪比Sm(t)=SAM(t)=A0+m(t) cosc t)(21)(2202tmAtsSmiBnNOiBntmANSAM