通信原理-模拟线性调制系统教学文案

第5章

模拟(mónǐ)线性调制系统第一页，共58页。调制(tiáozhì)的研究对象问题(wèntí)：为什么要对信号进行调制？什么是调制？第二页，共58页。2023/1/132调制(tiáozhì)的目的将消息变换为便于传输的形式。也就是说，变换为某种形式使信道容量达到(dádào)最大，而且传输更可靠和有效。提高性能，特别是提高抗干扰性。有效的利用频带。第三页，共58页。2023/1/133调制(tiáozhì)的概念调制：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(yìngshè)，傅立叶变换(OFDM)，频率搬移等等。数学分析：频率搬移第四页，共58页。2023/1/134调制(tiáozhì)分类调制信号：载波信号：调幅：主要内容：原理，频域分析(fēnxī)和性能分析(fēnxī)幅度(fúdù)调制频率调制相位调制线性调制非线性调制第五页，共58页。2023/1/135内容(nèiróng)模拟线性调制1.常规调幅(AM)2.抑制载波双边带调幅(DSB-SC)3.单边带调制(SSB)4.残留边带调制(VSB)线性调制和解调的一般(yībān)模型线性调制系统的抗噪声性能（＃）1.通信系统抗噪声性能的分析模型2.线性调制相干解调的抗噪声性能第六页，共58页。2023/1/1365.1常规调幅(diàofú)(AM)

AM调制时域表达式调制(tiáozhì)直流调制(tiáozhì)信号第七页，共58页。2023/1/137常规调幅(diàofú)解调解调---包络检波无失真(shīzhēn)恢复条件过调幅第八页，共58页。2023/1/138调幅(diàofú)指数调制信号调幅(diàofú)信号调幅(diàofú)指数第九页，共58页。2023/1/139确知信号(xìnhào)调幅的频域分析傅立叶变换(biànhuàn)频域表达式直流分量(fènliàng)信号分量第十页，共58页。2023/1/1310随机信号调幅(diàofú)的频域分析分析方法：功率(gōnglǜ)谱密度函数第十一页，共58页。2023/1/1311常规调幅信号的功率(gōnglǜ)分配功率组成(zǔchénɡ)调制效率：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：第十二页，共58页。2023/1/1312 当f(t)=Amcosmt时， 代入上式，得到(dédào)

当|f(t)|max=A0时（100％调制），调制效率最高，这时 max＝1/3第十三页，共58页。2023/1/1313常规调幅(diàofú)小结优点：结构简单，实现容易，适用于广播通信。缺点：功率效率(xiàolǜ)非常低，最大为1/3频谱效率(xiàolǜ)也不高，为信号最高频率的2倍。第十四页，共58页。2023/1/13145.2改进一：抑制载波的双边(shuāngbiān)带调幅信号表达式调制(tiáozhì)：解调---相干解调第十五页，共58页。2023/1/1315DSB的频域分析(fēnxī)频域分析(fēnxī)确知信号：随机信号：频谱：功率效率：第十六页，共58页。2023/1/1316调制效率：100％优点：节省了载波(zàibō)功率缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。第十七页，共58页。2023/1/13175.3改进(gǎijìn)二：单边带调幅原理(yuánlǐ)：频域表示表示式：滤波器：第十八页，共58页。2023/1/1318滤波法的技术(jìshù)难点滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性。当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。可以采用多级（一般采用两级）DSB调制及边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行DSB调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。当调制信号中含有直流及低频(dīpín)分量时滤波法就不适用了。第十九页，共58页。2023/1/1319滤波(lǜbō)法—多级调制第二十页，共58页。2023/1/1320相移法分析频域表示(biǎoshì)：频域因果，时域解析时域表示(biǎoshì)式第二十一页，共58页。2023/1/1321希尔伯特滤波器希尔伯特变换(biànhuàn)希尔伯特滤波器---宽带相移网络第二十二页，共58页。2023/1/1322单边带信号(xìnhào)时域表达式时域关系(guānxì)：滤波器：时域表达式：第二十三页，共58页。2023/1/1323单边带信号(xìnhào)的相移法产生相移法产生优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。问题(wèntí)：载波准确相移90°所有频率成分相移90°宽带相移网络难用硬件实现。第二十四页，共58页。2023/1/1324单边带信号(xìnhào)的解调相干(xiānggān)解调第二十五页，共58页。2023/1/1325SSB信号的实现比AM、DSB要复杂，但SSB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度比AM、DSB减少了一半。它目前已成为(chéngwéi)短波通信中一种重要的调制方式。第二十六页，共58页。2023/1/13265.4改进(gǎijìn)三：残留边带调幅原理(yuánlǐ)：频域表示第二十七页，共58页。2023/1/1327残留边带滤波器特性(tèxìng)VSB信号解调器方框图 图中 因为根据(gēnjù)频域卷积定理可知，乘积sp(t)对应的频谱为

第二十八页，共58页。2023/1/1328将代入得到(dédào)式中M(+2c)及M(-2c)是搬移到+2c和-2c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第二十九页，共58页。2023/1/1329显然，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号m(t)，上式中的传递函数必须满足：

式中，H－调制信号的截止角频率。上述条件的含义(hányì)是：残留边带滤波器的特性H()在c处必须具有互补对称（奇对称）特性,相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信号。第三十页，共58页。2023/1/1330残留边带滤波器特性(tèxìng)采用相干(xiānggān)解调，解调不失真条件：要求滤波器特性满足互补对称性。第三十一页，共58页。2023/1/1331残留边带滤波器特性(tèxìng)的两种形式残留“部分(bùfen)上边带”的滤波器特性：下图(a)残留“部分(bùfen)下边带”的滤波器特性：下图(b)第三十二页，共58页。2023/1/13325.5调幅信号产生的一般(yībān)模型原理(yuánlǐ)框图频域表达式第三十三页，共58页。2023/1/1333调幅(diàofú)信号的正交产生时域表达式正交法产生(chǎnshēng)同相分量(fènliàng)正交分量第三十四页，共58页。2023/1/1334调幅(diàofú)信号的产生双边(shuāngbiān)带调制单边带调制残留边带调制第三十五页，共58页。2023/1/1335调幅(diàofú)相干解调适用于：AM，DSB，SSB，VSB数学分析(shùxuéfēnxī)输入信号：滤波前滤波后第三十六页，共58页。2023/1/1336包络检波适用条件：AM信号，且要求|m(t)|maxA0，包络检波器结构(jiégòu)： 通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如，第三十七页，共58页。2023/1/1337插入(chārù)载波包络检波适用(shìyòng)于DSB，SSB，VSB第三十八页，共58页。2023/1/13385.6线性调制系统(xìtǒng)的抗噪声性能

系统模型(móxíng)噪声分类第三十九页，共58页。2023/1/1339噪声(zàoshēng)模型平稳窄带高斯(ɡāosī)噪声瑞利分布(fēnbù)均匀分布第四十页，共58页。2023/1/1340性能(xìngnéng)评估指标通信(tōngxìn)系统的质量指标第四十一页，共58页。2023/1/1341模拟调制系统(xìtǒng)的性能评估指标解调器输出信噪比定义 输出信噪比反映了解调器的抗噪声性能。显然，输出信噪比越大越好。制度增益定义： 用G便于比较同类调制系统采用不同(bùtónɡ)解调器时的性能。 G也反映了这种调制制度的优劣。 式中输入信噪比Si/Ni的定义是：第四十二页，共58页。2023/1/1342相干解调的抗噪声(zàoshēng)性能解调(jiědiào)模型数学分析解调(jiědiào)前解调(jiědiào)后第四十三页，共58页。2023/1/1343双边带调幅(diàofú)的抗噪声性能forDSB，BDSB=2W，Wo=Wc解调前输入(shūrù)信噪比解调后输出信噪比信噪比增益第四十四页，共58页。2023/1/1344单边带调幅(diàofú)的抗噪声性能forSSB，BSSB=W，解调前输入信噪比解调后输出(shūchū)信噪比信噪比增益第四十五页，共58页。2023/1/1345分析(fēnxī)问题：为什么双边带调制相干解调(jiědiào)的信噪比增益比单边带调制的高？双边带调制相干解调(jiědiào)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？第四十六页，共58页。2023/1/1346DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除(xiāochú)的缘故。因为在SSB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，故信噪比没有改善。第四十七页，共58页。2023/1/1347应在相同(xiānɡtónɡ)的输入信号功率，相同(xiānɡtónɡ)的输入噪声功率谱密度，相同(xiānɡtónɡ)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。这就是说，两者的抗噪声性能是相同(xiānɡtónɡ)的。第四十八页，共58页。2023/1/1348AM包络检波的性能(xìngnéng)包络检波器分析模型

检波输出电压(diànyā)正比于输入信号的包络变化。第四十九页，共58页。2023/1/1349输入(shūrù)信噪比计算设解调器输入(shūrù)信号为

解调器输入(shūrù)噪声为

则解调器输入(shūrù)的信号功率和噪声功率分别为

输入(shūrù)信噪比为第五十页，共58页。2023/1/1350包络计算 由于(yóuyú)解调器输入是信号加噪声的混合波形，即 式中 上式中E(t)便是所求的合成包络。当包络检波器的传输系数为1时，则检波器的输出就是E(t)。第五十一页，共58页。2023/1/1351输出信噪比计算(jìsuàn)_大信噪比情况大信噪比情况 输入信号幅度远大于噪声(zàoshēng)幅度，即 因而式 可以简化为第五十二页，共58页。2023/1/1352 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(jìsuàn)它们的功率。输出信号功率为 输出噪声功率为故输出信噪比为制度增益为制度(zhìdù)增益第五十三页，共58页。2023/1/1353讨论 1.AM信号的调制制度增益GAM随A0的减小而增加。 2.GAM总是小于1，这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100%的调制，且m(t)是单频正弦信号，这时AM的最大信噪比增益为 4.可以(kěyǐ)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给出的结果相同。 5.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性能与同步检测器时的性能几乎一样。第五十四页，共58页。2023/1/1354小信噪比情况 此时，输入信号(xìnhào)幅度远小于噪