模拟调制2015_3

1、2008年1月1通信原理2008年1月2通信原理第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统2008年1月3第五章 模拟调制系统 v为什么要学？虽然数字通信是发展的主流趋势，但是，许多重要的通信系统还是模拟系统，甚至有些通信过程还将继续采用模拟通信方式v为什么要调制？天线的尺寸问题（P86），经过频率变化，将信号的频谱搬移到较高的频率上。将多个信号分别搬移到不同的频率上，就可以实现多路复用。？2008年1月4调制的目的v传输频率：传输频率：3kHz，天线尺寸：，天线尺寸：25kmv传输频率：传输频率： 900MHz ，天线尺寸：，天线尺寸：8cmv把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以把多个基带信号

2、分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。实现信道的多路复用，提高信道利用率。v扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。频分复用2008年1月52008年1月6模拟通信系统模型 2008年1月7调制？v为什么要调制？为什么要调制？v什么是调制？什么是调制？v调制类型？调制类型？v怎样实现调制？怎样实现调制？v不同类型调制的效率如何？不同类型调制的效率如何？v怎样解调？怎样解调？方法：时域、谱域2008年1月8几个概念 v 调制（调制（modulate）把要传输

3、的信号变换成适合信道传输的高频信号。把要传输的信号变换成适合信道传输的高频信号。调制过程用于通信系统的发端。调制过程用于通信系统的发端。实现调制功能的设备实现调制功能的设备modulatorv解调（解调（demodulate）在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号， 解调是调制的逆过程解调是调制的逆过程实现解调功能的设备：解调器（实现解调功能的设备：解调器（demodulator）解调用于系统的收端解调用于系统的收端2008年1月9几个信号v自信源的信号（基带信号）自信源的信号（基带信号）模拟的，数字的。调制信号模拟的，数字的。调制信号v载波，工

4、具信号载波，工具信号v已调信号已调信号2008年1月10调制器基带信号调制信号载波信号已调波信号2008年1月11调制方法v让载波信号随着调制信号的让载波信号随着调制信号的变化而变化，让调制信号去变化而变化，让调制信号去控制控制载波参数（振幅、频率、载波参数（振幅、频率、相位）相位）的过程的过程调幅：让载波的振幅随调制信调幅：让载波的振幅随调制信号的变化而变化号的变化而变化调频：？调频：？调相：？调相：？ 角度调制2008年1月12调制的分类v模拟调制（调幅，调角）模拟调制（调幅，调角）v数字调制（振幅键控、频移键控、相移键控）数字调制（振幅键控、频移键控、相移键控）1/0只有两个状态只有两个

5、状态,象开关象开关/键一样，所以通过开关键控载波，通键一样，所以通过开关键控载波，通常称为常称为键控法Amplitude Shift Keying:ASKFrequency Shift Keying:FSKPhase Shift Keying :PSK 振幅键控 频移键控 相移键控调制系统关心的问题v谱，频谱或者功率谱谱，频谱或者功率谱v功率，已调波信号的功率、基带信号功率、功率，已调波信号的功率、基带信号功率、载波信号功率，传输相同信号，需要发射的载波信号功率，传输相同信号，需要发射的功率越小越好功率越小越好2008年1月132008年1月14模拟调制之幅度调制v调制的本质调制的本质设设1：

6、正弦型载波为：正弦型载波为式中，式中，A 载波幅度；载波幅度； c 载波角频率；载波角频率； 0 载波初始相位（以后假定载波初始相位（以后假定 0 0）。）。 设设2：m(t) 基带调制信号基带调制信号则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成0( )coscc tAt( )( )cosmcstAm ttv 分析一下，分析一下，Sm(t)和和m（t）相比，波形发生了变化，在时域调制）相比，波形发生了变化，在时域调制就是波形变换。就是波形变换。2008年1月15频域v设调制信号设调制信号m(t)的频谱为的频谱为M( )，则已调信号的，

7、则已调信号的频谱为频谱为)()(2)(ccmMMAwSv在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移内的简单搬移)()(21cos)(cccwwMwwMtwtm2008年1月162008年1月17常规调幅（常规调幅（AM）v时域表示式时域表示式式中式中 m m( (t t) ) 调制信号，均值为调制信号，均值为0 0； A A0 0 常数，表示叠加的直流分量。常数，表示叠加的直流分量。调制器的实现调制器的实现00( )( )coscos( )cosAMcccstAm ttAtm tt01( ) ()()()()2AMccccSAMM

8、发射机v若若m(t)为确知信号，则为确知信号，则AM信号的频谱为信号的频谱为2008年1月18AM必须满足的条件必须满足的条件v由波形可以看出，当满足条件：由波形可以看出，当满足条件：v|m(t)| A0 v其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原很容易恢复出原 始调制信号。始调制信号。v当当|m(t)|= A0时，时，Am=A0，满调幅，满调幅,100%调制调制v定义调制指数：定义调制指数： v工程当中取（工程当中取（0.30.8）v|m(t)|过大过大，出现，出现“过调幅过调幅”现象。这时用现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以

9、包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调方法采用其他的解调方法.11.21.41.61.822.22.42.62.83-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.511.21.41.61.822.22.42.62.830max)(AtmAM2008年1月19AM的频谱的频谱v频谱图频谱图AM信号的频谱信号的频谱载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带上边带的频谱结构与原调制上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。带是上边带的镜像。 载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带2008年1月20AM信号的特性信号的特性v带宽：它是带有载

10、波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽 fH 的两倍：的两倍：v功率：功率：当当m(t)为确知信号时，在为确知信号时，在1欧姆电阻上的平均功率等于欧姆电阻上的平均功率等于SAM（t）平平方的时间平均方的时间平均若调制信号的平均值为若调制信号的平均值为0，式中式中Pc = A02/2 载波功率，载波功率， AM信号的总功信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分率包括载波功率和边带功率两部分HAMfB222202222200( )( ) coscos( )cos2( )cosAMAMccccPstAm ttAtm ttA m tt0)(tmSc

11、AMPPtmAP2)(22202/ )(2tmPs载波功率边带功率2008年1月21twktmAtwktmAtmAtwtmAtmAttmAtsPccccAMAM2cos2)(22cos)(2)(22cos2)(2)(cos)()(220022020202202相对于2wct的变化缓慢得多，所以后面这项的均值和kcos2wct的一样，近似为02008年1月22调制效率调制效率v调制效率，传输有用信号的功率调制效率，传输有用信号的功率/总功率总功率 只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总

12、功率的有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率：比例称为调制效率：当当m(t) = Am cos mt时，时，代入上式，得到当代入上式，得到当|m(t)|max = A0时（时（100调制），调制效调制），调制效率最高，这时率最高，这时 max 1/3 2220SAMAMmtPPAmt22( )/2mmtA 222222002mAMmmtAAAAmt2008年1月23v包络检波包络检波包络检波器结构：由半波或全波整流器和低通滤波器组成。包络检波器结构：由半波或全波整流器和低通滤波器组成。适用条件：适用条件：AM信号，且要求信号，且要求|m(t)|max A0 设输入

13、信号是设输入信号是 选择选择RC满足如下关系满足如下关系 式中式中fH 调制信号的最高频率调制信号的最高频率，检波器的输出为，检波器的输出为隔去直流后即可得到原信号隔去直流后即可得到原信号m(t)。 ttmAtscAMcos)()(0cHfRCf /1 0( )dstAm tAM解调之包络检波法解调之包络检波法2008年1月24检波电路工作原理v二极管单向导电性二极管单向导电性v利用负载电路利用负载电路RC的充放电过程完成包络提取的充放电过程完成包络提取低通滤波器V(t)2008年1月25A011/22008年1月26分析改进v在在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全信号中，载波分量并不

14、携带信息，信息完全包含在边带信号中。包含在边带信号中。DSB2008年1月27双边带调制（DSB）v时域表示式：无直流分量时域表示式：无直流分量A0频谱：无载频分量频谱：无载频分量 曲线：曲线：ttmtscDSBcos)()()()(21)(ccDSBMMSm(t)m(t)cosctm(t) cosct谱特点：幅度减半带宽加宽2008年1月28DSB信号的功率和效率信号的功率和效率vDSB信号的功率信号的功率2)(22cos)(2)(cos)()(222222tmtwtmtmttmtsPccDSBDSBvDSB信号的功率仅由边带功率构成，这样信号的功率仅由边带功率构成，这样其调制效率为其调制效

15、率为100%2008年1月29DSB优缺点分析优缺点分析v调制效率：调制效率高，调制效率：调制效率高， 100 ，是它最大的优点，是它最大的优点v优点：节省了载波功率优点：节省了载波功率v缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。v缺点：占用频带宽，为消息基带信号的缺点：占用频带宽，为消息基带信号的2倍。倍。v应用：无线通信，常用于传输数字信号，如应用：无线通信，常用于传输数字信号，如ASK。m(t)cosctm(t) cosct2008年1月30调幅m(t)cosctSDSB(t)()(21)(ccDSBMMS)()(21)(ccccAMMMAS

16、DSBAM特点及应用特点及应用优点：解调方便（包络检波）优点：解调方便（包络检波）缺点：占用频带宽，（消息信号的两缺点：占用频带宽，（消息信号的两倍），调制效率低（发射功率大）倍），调制效率低（发射功率大）应用：广播。应用：广播。DSB_SCDSB_SC的特点与应用的特点与应用优点：调制效率高。优点：调制效率高。缺点：占用频带宽，为消息基带信号的缺点：占用频带宽，为消息基带信号的2 2倍。倍。应用：无线通信，常用语传输数字信号，如应用：无线通信，常用语传输数字信号，如ASKASK。Suppressed Carrier2008年1月312AM2AM202AM20202AM2202AM222AAA

17、AAAPPPmmmcm0max)(AtmAM称为调幅指数，用百分比表示时，称为调幅指数，用百分比表示时，称为调制度。（通常取称为调制度。（通常取30%60%）调制度调制度 小于小于1 1 等于等于1 1 大于大于1 1 正常调幅正常调幅 满调幅满调幅 过调幅过调幅2008年1月32 已知一个已知一个AM广播电台输出功率是广播电台输出功率是50KW，采用单频余弦信号进行，采用单频余弦信号进行调制，调幅指数为调制，调幅指数为0.707。 （1）试计算调制效率和载波功率；）试计算调制效率和载波功率； AMmmcmPPPPPAM)(40)511 (50)1 (kWPPPPAMAMmAMc51707.0

18、2707.02222AM2AMAMmcmPPP 解：解： 则调制效率则调制效率 载波功率为载波功率为2008年1月33单边带调制（SSB）v分析分析v双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱谱M( )的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。式称为单边带调制。v产生产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。信号的方法有两种：滤波法和相移法。2008年1月34滤波法形成滤波法形成

19、SSB信号信号 滤波法形成滤波法形成SSB信号原理如下图所示。信号原理如下图所示。 cSSBUSBc1,| ( )( )0,| HHccLSBSSB 0 1|,|,)()(HHm2008年1月35 SSB信号频谱为：信号频谱为：)()()(HSSDSBSSB滤波器归一化值：滤波器归一化值：一般要求：一般要求：10-3否则，滤波就难以实现。否则，滤波就难以实现。cff2008年1月36滤波法的技术难点v滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性；滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性；v多级滤波需要多次调制；多级滤波需要多次调制；v当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法

20、就不适用了。就不适用了。2008年1月37v实际例子实际例子2008年1月38cff2008年1月39 多级滤波法原理如下图所示：。多级滤波法原理如下图所示：。L12 fB 1cL1c2222fffB其中：其中： ， 300Hz3c106100/600kff100kHz100.3KHz99.7KHz10MHz10.1003MHz9.8997MHz2-102M1008997.9-1003.102008年1月40 相移法形成相移法形成SSB信号信号 设调制信号为：设调制信号为： 载波信号为：载波信号为： 则则DSB信号为：信号为： 上边带信号为：上边带信号为： 下边带信号为：下边带信号为：tAtm

21、mmcos)(ttcccos)(DSBmmc( )coscosstAtttAtA )cos(21 )cos(21mcmmcmUSBmcm1( )cos()2stAtttAttAcmmcmmsin sin2cos cos2ttAttAtscmmcmmLSBsin sin2cos cos2)(观察两项之间的区别与联系2008年1月41 相移法形成单边带信号原理如图所示。相移法形成单边带信号原理如图所示。11( )coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAtt正交分量正交分量同相分量同相分量希尔伯特（ Hilbert）变换就是实现相移9002008年1月42v是对实信号x (t )

22、定义的一种变换，变换结果记为Hilbert 变换变换vHilbert 变换器其实就是一个线性系统，其传递函数为v其实质是实信号移 相90 度，即正频率分量的相位后移90 度，负频率分量的相位前移90 度。v性质连续两次变换就是反相v变换一次移相90度，两次移相180度，即反相。Hilbert Hilbert 变换后，能量或者功率不变，能量或者功率谱密度不变v每个频率分量的功率和这个频率分量的相位无关，而 Hilbert 变换只涉及信号的相位，不改变幅度，所以经过变换后该频率分量的功率不变。于是变换后的功率谱密度不变，总的功率自然也不变2008年1月43希尔伯特变换2008年1月44将上两式合并

23、：将上两式合并：ttAttAtscmmcmmSSBsinsin21coscos21)(tAtAmmmmsinso c11( )coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAtt相移法产生单边带信号相移法产生单边带信号替换成m(t)2008年1月45v优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。v缺点：宽带相移网络难用硬件实现。缺点：宽带相移网络难用硬件实现。移相法移相法SSB调制器方框图调制器方框图2008年1月46SSB特点及应用v优点：具有最窄的传输带宽，信道利用率最高；优点：具有最窄的传输带宽，信道利用率最高；v缺点：缺点：电路实现复杂，技术要

24、求高电路实现复杂，技术要求高解调时同步误差要小解调时同步误差要小v应用应用载波通信和微波多路通信载波通信和微波多路通信保密通信保密通信2008年1月47 调幅波的解调vAMvSDSBvSSSBttmtscDSBcos)()(ttmAtscAMcos)()(0解调时，需要一个和发射载波同频同相的本地载波解调时，需要一个和发射载波同频同相的本地载波（称之为相干载波，这种解调方法叫相干解调）（称之为相干载波，这种解调方法叫相干解调）2008年1月48ttmttmtttmtttmttscccccccSSB2sin)(412cos41)(41cossin)(21coscos)(21cos)(ttmAtm

25、AtttmAttsccccAM2cos)(21)(2121coscos)(cos)(000ttmtttmttsccccDSB2cos21)(21coscos)(cos)(M(w)Sp(w)-2wc -wc wc 2wc wS1(w) -2wc -wc 0 wc 2wc w2008年1月49v包络检波包络检波包络检波器结构：由半波或全波整流器和低通滤波器组成。包络检波器结构：由半波或全波整流器和低通滤波器组成。适用条件：适用条件：AM信号，且要求信号，且要求|m(t)|max A0 设输入信号是设输入信号是 选择选择RC满足如下关系满足如下关系 式中式中fH 调制信号的最高频率调制信号的最高频率

26、，检波器的输出为，检波器的输出为隔去直流后即可得到原信号隔去直流后即可得到原信号m(t)。 ttmAtscAMcos)()(0cHfRCf /1 0( )dstAm tAM解调之包络检波法解调之包络检波法2008年1月50检波电路工作原理v二极管单向导电性二极管单向导电性v利用负载电路利用负载电路RC的充放电过程完成包络提取的充放电过程完成包络提取低通滤波器V(t)2008年1月51相干解调与包络检波v相干解调相干解调需要将接收的已调信号与想干载波相乘后，经低通滤波器取需要将接收的已调信号与想干载波相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。适用于任何幅度调制出低频分量，即可

27、得到原始的基带调制信号。适用于任何幅度调制v适用于适用于AM，DSB，SSB，VSB任何线性调制任何线性调制v？实际当中，？实际当中，AMAM的检波用哪种方法解调？检波一般适用于的检波用哪种方法解调？检波一般适用于AMAM。v也不是这么绝对，如果想用检波发解调，必须将也不是这么绝对，如果想用检波发解调，必须将DSBDSB，SSBSSB的波形变成的波形变成包络是包络是m(t)m(t)的形式（习题的形式（习题5-145-14）。）。2008年1月52残留边带调制(VSB)v原理：原理：SSB滤波器难制作，不可实现滤波器难制作，不可实现它既克服了它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了信号占用

28、频带宽的缺点，又解决了SSB信信号实现的困难。号实现的困难。不像不像SSB那样完全抑制那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是使其残信号的一个边带，而是使其残留一小部分。留一小部分。2008年1月53残留边带信号的产生v使用滤波法产生残留边带信号使用滤波法产生残留边带信号残留上边带信号残留上边带信号残留下边带信号残留下边带信号设计设计H HVSBVSB（W W）? ?m2008年1月54 VSB信号频域表达式为：信号频域表达式为： VSB调制信号采用相干解调方式，见下图。调制信号采用相干解调方式，见下图。其输出为：其输出为：)()()(21)(ccVSBVSBMMHS)(cos)(2)()()(

29、VSBVSBptwtstctstsc?Sd(t)=km(t)Sd(w)=kM(w)2008年1月55 相干解调输出信号的频谱为：相干解调输出信号的频谱为： ()()pVSBcVSBcSSS ( )VSBDSBSSH1()( )2ccMMH2008年1月56式中式中M( + 2 c)及及M( - 2 c)是搬移到是搬移到+ 2 c和和 -2 c处的频谱，它们可以处的频谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为1( )( )()()2dccSMHH Sp(w)M(w)-2wc -wc 0 wc 2wc w?Sd(t)

30、=km(t)Sd(w)=kM(w)2008年1月57 可见，只要有下式成立，解调输出就不会失真。可见，只要有下式成立，解调输出就不会失真。 常数)()(ccHHH只要等式左只要等式左侧两个函数侧两个函数在在=0=0处具处具有互补对称有互补对称（奇对称）（奇对称）特性，解调特性，解调就不失真。就不失真。2008年1月58SSB的优缺点的优缺点vSSB信号的解调信号的解调 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，它的包络不能直接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，所以仍需采

31、用反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调相干解调。vSSB信号的性能信号的性能SSB信号的实现比信号的实现比AM、DSB要复杂，但要复杂，但SSB调制方式在调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽度比度比AM、DSB减少了一半。它目前已成为短波通信中一种减少了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。重要的调制方式。2008年1月59 由于由于滤波器滤波器的设计难度，彻底滤掉一个边带、完好保留另一边带是不可的设计难度，彻底滤掉一个边带、完好保留另一边带是不可能的，为了保留一个完整边带，只好将另一边带滤去大部分，残

32、留一小部能的，为了保留一个完整边带，只好将另一边带滤去大部分，残留一小部分。分。 残留下边带的一部分滤波法实现调制的一般模型2008年1月602008年1月61 d)(cos)()()(cos)()(ccttmhthttmtsm相移法调制的一般模型相移法调制的一般模型已调信号的频域表达式为：已调信号的频域表达式为：tththtththQIccsincos)()()()(I ： in-phase)Q ：quadrature)通过时域表达式进行分析通过时域表达式进行分析2008年1月62ttsttstthtmtthtmttinthtmttthtmtmhtintmhttintmhttmhttmhth

33、ttmtsQIQImccccccccccccccccccsin)(cos)(sin)()(cos)()(sins )()(coscos)()(d )(sin)(sd )(cos)(cosdsins )()(dcoscos)()(d )(cos)()()(cos)()()()()()()()(s )()(cos)()(cctmthtstmthtstinththtththQQIIQI2008年1月63)()()()()()(tmthtstmthtsQQIIttsttstsQImccsin)(cos)()()(sin )()(cos )()()(ccQIHtthHtthHth, 1)(IH0)(QH

34、,1)(IH)()(HHHQ,1)(IH)(QH 调制滤波器调制滤波器c搬移到原点搬移到原点 基带同相滤波器基带同相滤波器搬移到原点搬移到原点 基带正交滤波器基带正交滤波器只有同相分量，只有同相分量，DSBDSB调制调制希尔伯特希尔伯特滤波器，滤波器，SSBSSB调制调制VSBVSB调制调制同相分量同相分量正交分量正交分量2008年1月64 相移法实现线性调制的模型如下图所示。相移法实现线性调制的模型如下图所示。, 1)(IH0)(QH调制电路基本结构一样，选不同的正交滤波器和同相滤波器得到不同的调制波ttsttstsQImccsin)(cos)()(只有同相分量，只有同相分量，DSBDSB调

35、制调制)(sin )()(cos )()()(ccQIHtthHtthHth2008年1月65 ttsttststttsttsttstsQIIQIccccccp2sin 212cos2121cos sin cos cos )()()()()()()()(m)(21)(dttstsI 线性调制信号解调的一般模型线性调制信号解调的一般模型1.1.相干解调相干解调适用所有的线性调制信号适用所有的线性调制信号必须使用相干载波必须使用相干载波已调信号和相干载波相乘：已调信号和相干载波相乘：经过低通滤波器：经过低通滤波器：2008年1月66载波和线性调制信号的关系vAM 有载波有载波效率低效率低包络检波包

36、络检波vDSB_SC无载波无载波效率高效率高相干解调相干解调vSSB无载波无载波效率高效率高相干解调相干解调vVSB无载波无载波效率高效率高相干解调相干解调v插入载波插入载波 效率低效率低包络检波包络检波Double Side Band with Suppressed Carrier 2008年1月67总结 线性调制和解调的一般模型1线性调制信号产生的一般模型线性调制信号产生的一般模型滤波法滤波法相移法相移法比较比较2线性调制信号解调的一般模型线性调制信号解调的一般模型相干解调相干解调包络检波包络检波载波插入法载波插入法2008年1月685.2 线性调制系统的抗噪声性能v5.2.1通信系统抗噪

37、声性能的分析模型通信系统抗噪声性能的分析模型v5.2.2线性调制相干解调的抗噪声性能线性调制相干解调的抗噪声性能v5.2.3常规调幅包络检波的抗噪声性能常规调幅包络检波的抗噪声性能2008年1月69抗噪声性能分析模型v分析解调器的抗噪声性能分析解调器的抗噪声性能选出有用信号选出有用信号滤除带外噪声滤除带外噪声接收机2008年1月705.2.1 噪声模型噪声模型v通信系统的噪声通信系统的噪声加性噪声加性噪声v高斯白噪声高斯白噪声 (AWGN：Additive White Gaussian Noise）“高斯高斯”：幅度概率密度函数为高斯分布：幅度概率密度函数为高斯分布“白白”：功率谱密度函数服从

38、均匀分布：功率谱密度函数服从均匀分布乘性噪声乘性噪声v噪声影响已调信号的接收噪声影响已调信号的接收解调器的抗噪声性能作为系统的抗噪声性能指标解调器的抗噪声性能作为系统的抗噪声性能指标v解调器的，输出信噪比，输入信噪比比值来衡量解调器的，输出信噪比，输入信噪比比值来衡量v信噪比用信噪比用dB表示表示v调制方式不同，这个比值也不一样调制方式不同，这个比值也不一样2008年1月71用用dBdB值表示信噪比值表示信噪比:10lg(S/N):10lg(S/N)为什么用为什么用dB值表示信噪比值表示信噪比 ？vdB：单位，无量纲：单位，无量纲v声音功率倍数：声音功率倍数：增强增强10倍；增强倍；增强100

39、倍；增强倍；增强1000倍倍 v人耳的感觉：人耳的感觉：增加增加1倍；增加倍；增加2倍；增加倍；增加3倍倍 人耳的感觉与声音功率倍数的对数成正人耳的感觉与声音功率倍数的对数成正比，使用比，使用dB值符合人体感官规律。值符合人体感官规律。2008年1月72 定义信噪比增益或者调制制度增益如下：定义信噪比增益或者调制制度增益如下： 上式中，分母为输入信噪比，其定义为：上式中，分母为输入信噪比，其定义为： iiooNSNSG/功率解调器输入噪声的平均平均功率解调器输入已调信号的iiNSv在相同的输入功率条件下在相同的输入功率条件下，不同系统的信噪比增益，不同系统的信噪比增益不同，系统的抗噪声性能不同

40、。不同，系统的抗噪声性能不同。v信噪比增益愈高，则解调器的抗噪声性能愈好。信噪比增益愈高，则解调器的抗噪声性能愈好。 2008年1月73v分别计算各种解调器制度增益分别计算各种解调器制度增益v计算输入信噪比计算输入信噪比v计算输出信噪比计算输出信噪比iiNSNSG/002008年1月74ttnttntnsc00isin)(cos)()(白噪声通过白噪声通过BPF后，输出为窄带白噪声。即后，输出为窄带白噪声。即噪声回顾n(t)n(t)是白噪声是白噪声设白噪声设白噪声双边功率谱密度双边功率谱密度为为0)()()(tnEtnEtnEsciBPFBPF特性理想，特性理想，单边带宽为单边带宽为B B 2

41、008年1月75DSB调制系统的性能vDSB相干解调抗噪声性能分析模型相干解调抗噪声性能分析模型 ( )mst LP F B P F )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )mt cosct 由于是线性系统，可以分别计算解调器输出的信号功率和噪声由于是线性系统，可以分别计算解调器输出的信号功率和噪声功率。功率。DSB解调器2008年1月76输输出出有有用用信信号号功功率率v设解调器输入信号为设解调器输入信号为ttmtscmcos)()(ttmtmttmcc2cos)(21)(21cos)(2o1( )( )2mtm t22oo1( )( )4Sm tm tv与相干载波与相干载波

42、cos ct相乘后相乘后v经低通滤波器后，输出信号为经低通滤波器后，输出信号为v解调器输出端的有用信号功率为解调器输出端的有用信号功率为 ( )mst LPF BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )mt cosct 2008年1月77解调器输入端的窄带噪声可表示为解调器输入端的窄带噪声可表示为它与相干载波相乘后，得它与相干载波相乘后，得经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为故输出噪声功率为故输出噪声功率为ttnttntncsccisin)(cos)( )(o1( )( )2cn tn t22oo1( )( )4cNn tn t2o

43、0111( )444iiNn tNn B ( )mst LPF BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )m t cosct N02008年1月78v输入信号平均功率为输入信号平均功率为v输入信噪比输入信噪比v输出信噪比输出信噪比v制度增益制度增益)(21cos)()(222tmttmtsScmiBntmNSii02)(21oo/2/DSBiiSNGSN ( )mst LPF BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )mt cosct BPFBPF中心频率中心频率？输输入入信信噪噪比比2008年1月79DSB相干解调性能分析相干解调性能分析v制度增益

44、制度增益oo/2/DSBiiSNGSNv由此可见，由此可见，DSB调制系统的制度增益为调制系统的制度增益为2。也就是说，。也就是说，DSB信信号的解调器使信噪比改善一倍。？号的解调器使信噪比改善一倍。？v这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除的这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除的缘故。缘故。2008年1月80SSB调制系统的性能ttmttmtsccmsin)(21cos)(21)(BPF中心频率？ ( )mst L P F B P F )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )mt co sct 2008年1月81v输出噪声功率输出噪声功率vNote，

45、B = fH 为为SSB 信号的带通滤波器的带宽。信号的带通滤波器的带宽。vSSB输出信号功率计算输出信号功率计算v与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号v输出信号平均功率输出信号平均功率ttmttmtsccmsin)(21cos)(21)(o1( )( )4mtm t22oo001( )( )16144mtSmtNn Bn B ( )mst LP F B P F )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )mt cosct 2008年1月82v信噪比信噪比SSB解调器的解调器的输入信噪比为输入信噪比为( )( )m tm

46、t因与的幅度相同，所以具有相同的平均功率，故上式)(412tmSiBntmBntmNSii02024)()(41 )(21)(2141sin)(cos)(41)(2222tmtmttmttmtsSccmi输入信号平均功率为输入信号平均功率为 ( )mst LP F B P F )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )mt cosct 2008年1月83v制度增益制度增益v讨论：讨论：G=1,信噪比没有改善信噪比没有改善因为在因为在SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以相干解调过程中，信号和噪声中的正交分量均被抑制掉，故干解调过程中，

47、信号和噪声中的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善。信噪比没有改善。22oo001( )( )16144mtSmtNn Bn Boo/1/SSBiiSNGSNBntmBntmNSii02024)()(41 ( )mst LP F B P F )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )mt cosct 2008年1月84讨论讨论v讨论讨论上述表明，上述表明，GDSB = 2GSSB，这能否说明，这能否说明DSB系统的抗噪声性能比系统的抗噪声性能比SSB系统好呢？系统好呢？回答是否定的。回答是否定的。因为，两者的输入信号功率不同、带宽不同，在相同的噪声功率谱因为，两者的输入信号功率不

48、同、带宽不同，在相同的噪声功率谱密度条件下，输入噪声功率也不同，所以两者的输出信噪比是在不密度条件下，输入噪声功率也不同，所以两者的输出信噪比是在不同条件下得到的。同条件下得到的。如果我们在相同的输入信号功率，相同的输入噪声功率谱密度，相如果我们在相同的输入信号功率，相同的输入噪声功率谱密度，相同的基带信号带宽条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现同的基带信号带宽条件下，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。它们的输出信噪比是相等的。这就是说，两者的抗噪声性能是相同的。但这就是说，两者的抗噪声性能是相同的。但SSB所需的传输带宽仅是所需的传输带宽仅是DSB的一半，因此

49、的一半，因此SSB得到普遍应用。得到普遍应用。2008年1月85残留边带调制相干解调的抗噪声性能v分析方法与单边带调制大体上是相似的。分析方法与单边带调制大体上是相似的。v由于残留边带信号的带宽在取值范围内有不由于残留边带信号的带宽在取值范围内有不同的情况，所以抗噪声性能的计算比较复杂。同的情况，所以抗噪声性能的计算比较复杂。v如果残留的边带不是太宽，可以近似认为其如果残留的边带不是太宽，可以近似认为其抗噪声性能与单边带调制相同。抗噪声性能与单边带调制相同。 2008年1月86v一般来说，输出信噪比应该随着输入信噪比的变一般来说，输出信噪比应该随着输入信噪比的变化，成比例变化。化，成比例变化。

50、iiNSNSG/002008年1月87AM 相干解调的性能分析v自己分析自己分析2008年1月885.2.4 AM包络检波的性能 ( )mst BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )mt 包络检波 ( )mst L P F B P F )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )mt co sct v检波输出电压正比于输入信号的包络变化。检波输出电压正比于输入信号的包络变化。v包络检波器分析模型包络检波器分析模型2008年1月89v解调器输入信号解调器输入信号ttmAtscmcos)()(02)(2)(2202tmAtsSmiBntnNii02)(Bntm

51、ANSii02202)(输输入入信信噪噪比比v输入信号功率输入信号功率v噪声功率为噪声功率为v输入信噪比为输入信噪比为2008年1月90包络计算包络计算由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即式中式中上式中上式中E(t)便是所求的合成包络。当包络检波器便是所求的合成包络。当包络检波器的传输系数为的传输系数为1时，则检波器的输出就是时，则检波器的输出就是E(t)。 0( )( )( )( )cos( )sin( )cos( )miccsccs tn tAm tn ttn ttE ttt220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()()(

52、)(0tntmAtnarctgtcs 有信号有噪声不能分开算2008年1月91输出信噪比计算输出信噪比计算v大信噪比情况大信噪比情况输入信号幅度远大于噪声幅度，即输入信号幅度远大于噪声幅度，即因而式因而式可以简化为可以简化为)()()(220tntntmAsc220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()()()( 2)()(22020tntntntmAtmAtEscc200120000( )2( )( )2( )( ) 1( )( )( ) 1( )cccAm tAm t n tn tAm tAm tn tAm tAm t0( )( )cAm tn t12(1)1,12x

53、xx 当时2008年1月92第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统由上式可见，有用信号与噪声独立地分成两项，由上式可见，有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别计算它们的功率。输出信号功率为因而可分别计算它们的功率。输出信号功率为输出噪声功率为输出噪声功率为v故输出信噪比为故输出信噪比为v制度增益为制度增益为2o( )Sm t22o0( )( )ciNn tn tn B2oo0( )Sm tNn B2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t2008年1月93第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统v讨论讨论1. AM信号的调制制度增益信号的调制制度增益GAM随随A0的减小而增加。

54、的减小而增加。2. GAM总是小于总是小于1，说明包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了，说明包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了3. 例如：对于例如：对于100%的调制，且的调制，且m(t)是单频正弦信号，这时是单频正弦信号，这时AM 的最大信噪的最大信噪比增益为比增益为4. 可以证明，采用同步检测法解调可以证明，采用同步检测法解调AM信号时，得到的调制制度增益与上式信号时，得到的调制制度增益与上式给出的结果相同。给出的结果相同。 5. 由此可见，对于由此可见，对于AM调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的性能与同步检测器时的性

55、能几乎一样。性能与同步检测器时的性能几乎一样。2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t32AMG2008年1月94其中其中R(t) 和和 (t) 代表噪声的包络及相位：代表噪声的包络及相位：220( )( )( )csAm tn tn t220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()(2)()()()(02220tmAtntntntmAtEcsc)()(2)()(022tmAtntntncsc)()()()(21)()(22022tntntmAtntntnsccsc)(cos)()( 21)(0ttRtmAtR)()()(22tntntRsc)()()

56、(tntnarctgtcs小信噪比情况小信噪比情况输入信号幅度远小于噪声幅度输入信号幅度远小于噪声幅度包络包络变成变成2008年1月95门限效应门限效应因为因为所以，可以把所以，可以把E(t)进一步近似：进一步近似：)()(0tmAtR)(cos)()(1)(ttRtmAtR)(cos)()( 21)()(0ttRtmAtRtE）时1(21)1 (21xxx)(cos)()(ttmAtRE(t)中没有单独的信号项，有用信号中没有单独的信号项，有用信号m(t)被噪声扰乱，只能看作是被噪声扰乱，只能看作是噪声。噪声。这时，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧这时，输出信噪比不是按比例

57、地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化，通常把这种现象称为解调器的门限效应。开始出现门限恶化，通常把这种现象称为解调器的门限效应。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。效应的输入信噪比称为门限值。 2008年1月96门限效应门限效应讨论讨论1. 门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。 2. 用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。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。总是单独存在有用信号项。3. 在大信

58、噪比情况下，在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同。但当输入信噪比低于门限值时，将会出相干解调法相同。但当输入信噪比低于门限值时，将会出现门限效应，这时解调器的输出信噪比将急剧恶化，系统现门限效应，这时解调器的输出信噪比将急剧恶化，系统无法正常工作。无法正常工作。2008年1月97v1）抗干扰能力的差异：藏在幅度中的信息很容易染上干扰成分，也就是说，）抗干扰能力的差异：藏在幅度中的信息很容易染上干扰成分，也就是说，调幅波在传播过程中很容易受到自然界或人为产生的各种干扰波的影响，调幅波在传播过程中很容易受到自然界或人为产生的各种干扰波的影响，这些

59、干扰波大多以幅度的形式叠加上来的，因此难以对调频信号产生影响。这些干扰波大多以幅度的形式叠加上来的，因此难以对调频信号产生影响。这就是调幅收音机杂音多而调频收音机杂音少的原因。一般来说，调频广这就是调幅收音机杂音多而调频收音机杂音少的原因。一般来说，调频广播比调幅广播信噪比高播比调幅广播信噪比高25dB以上；以上；v（2）声音质量的差异：调频广播的传送频带比较宽，为）声音质量的差异：调频广播的传送频带比较宽，为20Hz15KHz，而，而调幅广播只有调幅广播只有508KHz。因此，调频广播可满足高保真的基本听音要求，。因此，调频广播可满足高保真的基本听音要求，而调幅广播则不能。而调幅广播则不能。v（3）传输容量的差异：调频广播调制频宽可达）传输容量的差异：调频广播调制频宽可达75KHz，因此可以传输高，因此可以传输高质量双通道立体声广播节目，调幅广播的调制频宽只有质量双通道立体声广播节目，调幅广播的调制频宽只有9KHz或或10KHz，虽，虽然也可以实现立体声传播，但很难获得高质量效果。然也可以实现立体声传播，但很难获得高质量效果。v （4）传输范围的差异：调幅广播传播范围广，地波传播距离可轻易达到）传输范围的差异：调幅广播传播范围广，地波传播距离可轻易达到100公里以上，天波则可达公里以上，天波则可