通信原理-CH2-模拟线性调制

通信原理-CH2-模拟线性调制第一页，共78页。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、VSB2第二页，共78页。2.1引言

点-点通信系统

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)

3第三页，共78页。问题：为什么要对信号进行调制？什么是调制？2.1引言

4第四页，共78页。对无线传输信号而言，信号需要通过发射天线发送出去。根据天线理论，发射天线的尺度与信号的波长满足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射。即

如：因此，GSM手机的工作频段规定在900—1800MHzA.便于信号的发送（频谱搬移）2.1引言

5第五页，共78页。B.提高信道的利用率以无线电广播的中波波段为例：可用波段范围为530KHz~1600KHz，而语音信号的频率范围为300～3400Hz，经调制后每一个广播电台频道的带宽为9KHz530KHz1600KHz3009000这样中波波段中就可以均匀分布多个电台!!!上述即为频分复用，它通过不同载波频率的调制完成只传输一路信号。浪费！！6第六页，共78页。7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。频率搬移数学分析7第七页，共78页。2.1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幅度调制频率调制相位调制线性调制非线性调制8第八页，共78页。2.1引言

调制分类正弦调制：C(t)=cosωct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)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9第九页，共78页。

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10第十页，共78页。

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

线性调制的一般模型11第十一页，共78页。

2.2调制/解调系统原理—一般调制方法

频谱分析（续）12第十二页，共78页。

2.2调制/解调系统原理—一般调制方法频谱分析示意图DSB、AM13第十三页，共78页。

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)]cosωctH(f)：理想带通

AM信号频谱：S(f)AM信号带宽：BAM=2fH14第十四页，共78页。AM的解调方法包络检波：要求A+m(t)≥0相干解调0fHf隔直

2.2调制/解调系统原理—AM

15第十五页，共78页。相干解调（续）

频谱示意图

2.2调制/解调系统原理—AM

16第十六页，共78页。波形特点：已调波包络完全反映调制信号变化规律频谱特点：AM信号的频谱SAM(ω)由载频分量和上、下两个边带组成上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像带宽：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Bb的两倍，即BAM=2Bb

2.2调制/解调系统原理—AM

17第十七页，共78页。

功率分配：

式中，PC为载波功率，PS为边带功率可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分，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，AM的功率利用率比较低AM信号的缺点：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)占用频带宽，BAM=2Bb

。(∵含有用信息的两个边带)克服措施：将载波抑制掉再传输

抑制载波的双边带调制

2.2调制/解调系统原理—AM

18第十八页，共78页。

2.2调制/解调系统原理—DSB

DSB（或DSB-SC）信号的产生

SDSB(t)=m(t)cosωct19第十九页，共78页。­wcwc021wOt1w0A0+m(t)OttOm(t)cosw0tOtO­wcwcwOt载波反相点­wcwc021w1w0DSB信号的波形和频谱20第二十页，共78页。

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(同步检波)。另外，在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180°的突变由频谱图可知，DSB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。由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，因此它们都携带了调制信号的全部信息21第二十一页，共78页。DSB频谱上边带下边带DSB信号的缺点：占用频带宽，BDSB=2Bb

。(∵含有两个完全相同的边带)克服措施：将只传输一个边带

单边带调制22第二十二页，共78页。

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

0fHf23第二十三页，共78页。

2.2调制/解调系统原理—SSB

SSB信号的产生方法H(f)fc+fLfcfc+fHfH(f)由得上边带USBfc-fH

fc-fLfH(f)由得下边带LSB24第二十四页，共78页。

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25第二十五页，共78页。

2.2调制/解调系统原理—SSB

SSB信号的时域表达式（续）26第二十六页，共78页。——载波为cosωct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）sinωct是cosωct的希尔伯特变换27第二十七页，共78页。

同理

——载波为cosωct

2.2调制/解调系统原理—SSB

SSB信号的时域表达式（续）28第二十八页，共78页。

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sinωct时—式中系数1/2可为任一常数29第二十九页，共78页。

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——载波为cosωct30第三十页，共78页。解调相干解调：同AM插入强载波+包络检波

2.2调制/解调系统原理—SSB

0fHf31第三十一页，共78页。强载波Acosωct的获取方法发端插入导频acosωct，收端提取acosωct后，放大得Acosωct，A>>a不发导频，收端的振荡器输出Acosωct作为强载波语音单边带允许<15Hz

2.2调制/解调系统原理—SSB

32第三十二页，共78页。33综上所述：SSB调制方式在传输信号时，所占用的频带宽度为BSSB=Bb

，只有AM、DSB的一半，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，因为SSB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，所以仍需采用相干解调SSB信号的缺点：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克服措施：对一个边带进行逐渐截止

残留边带调制33第三十三页，共78页。DSB、SSB和VSB信号的频谱34第三十四页，共78页。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

2.2调制/解调系统原理—VSB

35第三十五页，共78页。

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:36第三十六页，共78页。当

2.2调制/解调系统原理—VSB

37第三十七页，共78页。

2.2调制/解调系统原理—VSB

38第三十八页，共78页。

2.2调制/解调系统原理—VSB

39第三十九页，共78页。显然，满足这种要求的滚降特性曲线并不是惟一的，而是有无穷多个只要残留边带滤波器的特性HVSB(ω)在±ωc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基带信号

2.2调制/解调系统原理—VSB

40第四十页，共78页。

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41第四十一页，共78页。讨论：

若收发两端的载波不能做到同频或者完全同相，结果如何？还可以完全恢复出基带信号吗？

2.2调制/解调系统原理—VSB

42第四十二页，共78页。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LPFS0(t)S

(t)43第四十三页，共78页。经LPF后得到讨论分别设以下两种特殊情况：

设时，输出信号的幅度将受到衰减，衰减程度取决于的大小。当时，输出信号为零。时，幅度受到衰减且符号也要改变

当44第四十四页，共78页。2)设时，

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，输出信号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45第四十五页，共78页。46线性调制的一般模型46第四十六页，共78页。线性调制信号的正交产生时域表达式正交法产生同相分量正交分量47第四十七页，共78页。双边带调制单边带调制

2.2调制/解调系统原理—VSB

48第四十八页，共78页。

解调：在通信系统的接收端从已调信号中恢复出基带信号的过程从频域上看，解调就是将调制时搬移到载频附近的调制信号频谱再搬回到原来的基带范围内线性调制系统的解调相干解调：利用已调信号的相位变化来恢复调制信号＝>将调幅波与本地载波相乘非相干解调：从已调信号的幅度变化中提取调制信号49第四十九页，共78页。50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50第五十页，共78页。51插入载波包络检波适用于DSB，SSB，VSB加入载波后的信号Sa(t)=[SI(t)+Ad]coswct+SQ(t)sinwct=A(t)cos[wct+ψ(t)]51第五十一页，共78页。2.3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的相干解调抗噪声性能AM、DSB、SSB的性能比较门限效应：包络检波52第五十二页，共78页。2.3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<<fc

∴ni为窄带白噪声53第五十三页，共78页。54噪声分类乘性加性

脉冲干扰起伏干扰来源于闪电各种工业火花电器开关来源于电阻热噪声天体辐射电子运动54第五十四页，共78页。55噪声模型平稳窄带高斯噪声瑞利分布均匀分布55第五十五页，共78页。56解调模型数学分析解调前解调后56第五十六页，共78页。ni(t)=nc(t)cosω0t-ns(t)sinω0tAM、DSB中f0=fcSSB中f0≠fc带通滤波器输出信噪比即解调器输入信噪比()i

解调器输出信噪比()o

制度增益G=2.3抗噪声性能57第五十七页，共78页。2.3抗噪声性能以SSB为例说明分析过程

58第五十八页，共78页。2.3抗噪声性能SSB的抗噪声性能分析（续）59第五十九页，共78页。2.3抗噪声性能SSB的抗噪声性能分析（续）可见60第六十页，共78页。61

对于相干解调：低通、隔直（即在AM相干解调过程中，需注意，这里的LPF不仅滤掉了高频成份，同时也滤掉了直流成份。由于直流成分即不是信号，也不是噪声，所以在分析噪声性能时不考虑。）AMAM61第六十一页，共78页。模拟线性调制系统(AM、DSB、SSB、VSB)相干解调的性能比较：类别BG备注AM2fH

2/3DSB2fH

2SSBfH

1VSBfH～2fH

//FM2(mf+1)fm，即2(Δf+fm)3mf3

2.3抗噪声性能62第六十二页，共78页。模拟线性调制系统(AM、DSB、SSB、VSB)相干解调的性能比较（续）可靠性（按优—劣顺序）：FM、SSB(DSB)、AMVSB的可靠性，无分析结论有效性（按优—劣顺序）：SSB、VSB、AM(DSB)、FM虽然GSSB=1、GDSB=2，但BDSB=2BSSB，故两者输出信噪比相同

2.3抗噪声性能63第六十三页，共78页。包络检波的门限效应

>>1时，包络检波的可靠性同相干解调

<<1时，出现门限效应2.3抗噪声性能64第六十四页，共78页。

当A+m(t)>>ni(t)时，E(t)≈A+m(t)+nc(t)mo(t)=m(t)，no(t)=nc(t)

可得:

2.3抗噪声性能65第六十五页，共78页。66

小信噪比情况：A+m(t)<<nc(t)

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——门限效应！

所谓门限效应，是指当包络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。

注：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单独存在有用信号项。因此相干解调不存在门限效应。66第六十六页，共78页。当A+m(t)<<ni(t)时，解调器的输出端得不到独立的信号

2.3抗噪声性能67第六十七页，共78页。68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？68第六十八页，共78页。69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）、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；69第六十九页，共78页。70DSB：(1)f0=fc=1MHz,B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10x103=10mWSi/Ni=1x103/10-2=105(3)G=2(4)S0/N0=GxSi/Ni=2x10570第七十页，共78页。71USB：(1)f0=fc+fH/2=1.0025MHz,B=fH=5kHz(2)Ni=n0B=10-6x5x103=5mWSi/Ni=(1x103)/(5x10-3)=2x105(3)G=1(4)S0/N0=GxSi/Ni=2x105当Si，n0，fH相同时，(S0/N0)DSB=(S0/N0)SSB71第七十一页，共78页。72AM:(1)f0=fc=1MHz,B=2fH=10kHz(2)Ni=n0B=10-6x10x103=10mWSi=Pc+Pf=(4+1)kW=5kWSi/Ni=5x103/10-2=5x105(3)ηAM=Pf

/(Pc+Pf

)=1/(4+1)=0.2GAM=2ηAM=0.4(4)S0/N0=GxSi/Ni=0.4x5x10