第五章模擬調制系統(tǒng).ppt

第五章模擬調制系統(tǒng),引言幅度調制頻分復用線性調制應用舉例線性調制系統(tǒng)的抗噪性能分析角度調制調頻信號的產生和解調調頻應用舉例調頻系統(tǒng)的抗噪性能分析各種模擬調制系統(tǒng)的比較,5.1引言,關于載波調制的幾個概念調制用基帶信號的變化規(guī)律去控制載波的某些參數(shù)解調從已調信號的參數(shù)中提取基帶信號的變化規(guī)律調制信號來自信源的消息信號（基帶信號），模擬/數(shù)字載波未受調制的周期性振蕩信號，適合在信道中傳送，正弦波/周期性脈沖已調信號載波調制后的信號，含有調制信號的全部特征,引言（續(xù)）,載波調制的目的無線傳輸中，把基帶信號的頻譜搬到較高的載波頻率上，提高傳輸性能，降低發(fā)送功率，縮短天線尺寸；把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻，實現(xiàn)頻分復用，提高信道利用率擴展信號帶寬，實現(xiàn)帶寬與信噪比之間的互換，提高抗干擾、抗衰落能力。調制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性都有影響。,引言(續(xù)),正弦載波：,A：振幅c=2fc：角頻率0：初相位,正弦波調制的信號波形,PAM、PDM、PPM的信號波形,5.2幅度調制原理,一、通用模型二、標準調幅AM三、抑制載波雙邊帶調幅DSB四、單邊帶調幅SSB五、殘留邊帶調幅VSB,一、通用模型,乘法器用于基本調制，h(t)控制產生不同的調幅波。,調制信號控制載波的幅度，使之隨調制信號呈線性變化,二、標準調幅AM,1調制,m(t)為直流=0的基帶信號，A0為外加直流（若m(t)含有直流分量，將其歸入A0）SAM(t)=A0+m(t)cosct,標準調幅AM(續(xù))調制,標準調幅AM(續(xù))調制,說明：調制使頻譜搬移，但未改變形狀。AM頻譜波形關于c對稱，分上、下邊帶調制使已調信號帶寬增加一倍若m(t)為隨機信號，頻域使用功率譜描述，結論相同要求A0+m(t)0，否則，“過調幅”，使包絡失真。稱|m(t)|max/A0為調幅指數(shù)要求cH，否則，發(fā)生交疊失真,標準調幅AM(續(xù))解調,2.解調包絡檢波電路：結果：當Ao+m(t)0且fH1/(RC)fc時mo(t)Ao+m(t)，經(jīng)隔直電路得到m(t),標準調幅AM(續(xù)),3.應用中短波廣播通信,標準調幅AM(續(xù)),4.效率,AM波的平均功率為：,調制效率：,Pc為載波功率，Ps為邊帶功率,舉例,標準調幅AM(續(xù)),5.缺點：邊帶傳遞有效信息，載波不傳，但載波要占一半以上的功率，發(fā)送功率的效率低。,三、抑制載波雙邊帶調幅DSB,目的：提高發(fā)送功率的效率,1.調制,m(t)為直流=0的基帶信號，若m(t)含有直流分量，可通過隔直電路去掉。,抑制載波雙邊帶調幅DSB(續(xù)),2.解調相干解調,抑制載波雙邊帶調幅DSB(續(xù)),3.應用立體聲廣播,4.效率SDSB(t)信號無載頻分量，Pc=0效率DSB=100%,5.缺點：已調信號帶寬增大一倍,信道利用率低,四、單邊帶調幅SSB,目的：提高信道利用率,1.調制(濾波法),H(w)為理想低通時，提取下邊帶（+）；H(w)為理想高通時，提取上邊帶（-）,單邊帶調幅SSB(續(xù)),原理：兩個邊帶包含相同的信息只需傳輸一個邊帶：上邊帶或下邊帶要求m(t)中無太低頻率技術難點陡峭截止特性的濾波器難實現(xiàn)采用多級DSB調制及邊帶濾波的方法。先在較低載頻上進行DSB調制，增大過渡帶的歸一化值。再在要求的載頻上二次調制,單邊帶調幅SSB(續(xù)),相移法：不需要濾波器具有陡峭的截止特性,sin,單邊帶調幅SSB(續(xù)),2.解調相干解調,1/2,1/4,單邊帶調幅SSB(續(xù)),3.應用載波通信，短波無線電話,4.缺點：要求邊帶濾波器是理想低通或理想高通。不易實現(xiàn)。,五、殘留邊帶調幅VSB,目的:信道利用率較高,邊帶濾波器易實現(xiàn),1.調制,H()滿足：關于c點奇對稱互補。,上式要求：濾波器的截止特性對于fc具有互補的對稱性：,殘留邊帶調幅VSB(續(xù)),VSB使一個邊帶的大部分通過（小部分損失），另一個邊帶的小部分殘留，且殘留部分剛好彌補損失部分。,VSB系統(tǒng)的頻率特性及相干解調原理如下圖所示,殘留邊帶調幅VSB(續(xù)),2.解調相干解調,3.應用電視圖象,線性調制的解調方法,相干解調：適用于所有類型的線性調制系統(tǒng)，需要相干載波，比較復雜包絡檢波：適用于已調信號包絡與調制信號的形狀完全相同的情況下的解調，結構簡單，用于AM解調插入載波包絡檢波：對DSB、SSB、VSB信號，在發(fā)送端或接收端插入很強的載波，使之成為近似AM的信號，然后采用包絡檢波。要求插入的載波同頻同相。,AM例題,已知AM電臺的輸出功率是50KW，對單頻余弦信號進行調制，調幅指數(shù)為0.707。求：（1）調制效率（2）載波功率（3）若天線用50電阻表示，求載波的峰值幅度。,DSB例題,接收DSB信號時，設本地載波與發(fā)送載波有頻差，相位差，分析對解調結果的影響。,SSB例題,03KHz的基帶信號經(jīng)過20MHz的載波調制后，生成下邊帶信號。接收機框圖如下，其中，兩級混頻器的頻點分別為fo和fd。已知fo高于輸入信號的頻率，中頻放大器的通頻帶范圍為1010.003MHz，求fo和fd。,5.3頻分復用,當信道帶寬遠大于一路信號的帶寬時，利用調制技術將多路信號調制道互不交疊的各個頻段上，在同一信道中一起傳輸，以提高信道利用率的方法。,頻分復用(續(xù)),5.4線性調制應用舉例,一、載波電話系統(tǒng)二、電視三、立體聲廣播,一、載波電話系統(tǒng),在多路載波電話系統(tǒng)中采用：SSB調制，頻分復用傳輸技術來節(jié)省傳輸頻帶。每路電話信號限帶3003400Hz，SSB調制后，為便于接收，另加保護間隔，每路載波電話取4KHz做為標準頻帶。,載波電話系統(tǒng)(續(xù)),多路載波電路分群等級：,載波電話系統(tǒng)(續(xù)),基群頻譜：,606468108f/kHz,二、電視,1.黑白電視信號,圖象信號VSB調制，上邊帶寬5.5MHz，下邊帶寬1.25MHz；伴音信號FM調制，伴音載頻距圖象載頻6.5MHz；二者頻分復用，信號總帶寬8MHz。,電視(續(xù)),2.彩色電視信號,彩色電視由RGB三原色組成，為與黑白電視兼容，傳送三色合成的亮度信號Y（既黑白的圖象信號）和兩路色差信號：R-Y（紅色-亮度之差），B-Y（蘭色-亮度之差）亮度信號YVSB調制；色差信號正交的DSB調制，彩色付載頻距圖象載頻4.43361875MHz，色差信號頻譜落于亮度信號頻譜范圍內，帶寬不變；伴音信號FM調制，伴音載頻距圖象載頻6.5MHz；,電視(續(xù)),3.電視信號的頻譜4.解調：發(fā)射時插入大的載波，接收機包絡檢波,三、立體聲廣播,廣播信號頻帶015KHz，包括左右兩個聲道L和R。立體聲廣播傳送L+R和L-R。L+R：基帶信號，頻帶015KHz；L-R：DSB調制，載頻38KHz；頻帶2353KHz；導頻：19KHz，做為立體聲指示（STEREO），并提取相干載波；三者頻分復用后再調頻。普通調頻廣播與立體聲調頻廣播兼容，但只發(fā)送L+R信號。,立體聲廣播(續(xù)),5.5線性調制系統(tǒng)的抗噪性能分析,一、分析模型二、各種調幅信號相干解調的抗噪性能三、AM系統(tǒng)包絡檢波的抗噪性能,一、分析模型,n(t)為高斯白噪聲，單邊功率譜為n0(W/Hz)；基帶信號帶寬為fm。,分析模型(續(xù)),為信噪比得益（調制制度增益）,通常，用解調器輸出端的信噪比表示系統(tǒng)的抗噪性能，用G表示解調器的性能。,二、各種調幅信號相干解調的抗噪性能,BPF帶寬為：,各種調幅信號相干解調的抗噪性能(續(xù)),各種調幅信號相干解調的抗噪性能(續(xù)),各種調幅信號相干解調的抗噪性能(續(xù)),說明：AM解調器對輸入信噪比沒有改善DSB解調器使信噪比改善1倍但DSB與SSB的抗噪性能相同,三、AM系統(tǒng)包絡檢波的抗噪性能,AM系統(tǒng)包絡檢波的抗噪性能(續(xù)),為包絡,AM系統(tǒng)包絡檢波的抗噪性能(續(xù)),大輸入信噪比時,大信噪比時，包絡檢波與相干解調的抗噪性能相同,AM系統(tǒng)包絡檢波的抗噪性能(續(xù)),小輸入信噪比時,小信噪比時，包絡檢波出現(xiàn)“門限效應”，信號完全被淹沒在噪聲中?！伴T限效應”是所有非相干解調的共同問題。,5.6角度調制原理,一、基本概念二、窄帶調頻（NBFM）三、寬帶調頻（WBFM）四、FM的產生五、FM的解調,一、基本概念,1.角調波的一般表達式,A：振幅，保持不變,：瞬時角頻率；,：瞬時頻偏；,(t)：瞬時相移；,(t)=ct+(t)：瞬時相位；,基本概念(續(xù)),2.調相（PM）瞬時相移隨基帶信號成線性變化Kp：調相靈敏度,基本概念(續(xù)),3.調頻（FM）瞬時頻偏隨基帶信號成比例變化Kf：調頻靈敏度,基本概念(續(xù)),PM信號和FM信號波形(a)PM信號波形(b)FM信號波形,基本概念(續(xù)),4.FM與PM的轉換,由于調相器調相范圍在（-，）內，直接調相和間接調頻適宜窄帶調制；,基本概念(續(xù)),5.寬帶調頻與窄帶調頻,調頻信號:,瞬時角頻率:,最大角頻偏:,瞬時相位偏移:,最大相位偏移:,基本概念(續(xù)),假設m(t)=cosmt（基帶帶寬fm，m=2fm）,結論：對任一歸一化的基帶信號m(t)（帶寬fm），,基本概念(續(xù)),可見，瞬時頻偏Kfm(t)項表示載波頻率自其靜態(tài)值c的偏移，它將決定調頻信號的頻譜寬度。,二、窄帶調頻（NBFM）,NBFM調頻信號,窄帶調頻（續(xù)）,NBFM和AM信號頻譜的比較兩者都含有一個載波和位于c處的兩個邊帶，所以它們的帶寬相同不同的是，NBFM的兩個邊頻分別乘了因式1/(-c)和1/(+c)，由于因式是頻率的函數(shù)，所以這種加權是頻率加權，加權的結果引起調制信號頻譜的失真。另外，NBFM的一個邊帶和AM反相。,三、寬帶調頻（WBFM）,假設m(t)=cosmt（基帶帶寬fm），則調頻信號,對上式進行付氏級數(shù)展開，得到：,寬帶調頻(續(xù)),寬帶調頻(續(xù)),頻譜：,即使基帶信號是單頻的，調頻信號也是多頻的；除載頻C外，還在C兩側間距為m對稱地分布了許多邊頻；邊頻振幅由Jn(mf)決定；調頻波的頻譜無限寬，但主要能量集中（Jn(mf)總趨勢上是遞減的），所以，取主要能量部分做為帶寬。,寬帶調頻(續(xù)),調頻波帶寬的確定：帶寬取決于Jn(mf)的大小。由于Jn(mf)遞減，可以只取有效的k個Jn(mf)，對nk的Jn(mf)忽略。則BFM=2kfm。一般：kmf+1，B=2(mf+1)fm=2(f+fm)近似地,mf1時，kmf，B=2mffm=2f（WBFM）,本結論適用于任意最高頻率為fm的基帶信號m(t),例題,調頻廣播，最大頻偏為75KHz。(1)調制信號的帶寬取4KHz時，廣播信號帶寬是多少？(2)調制信號的帶寬取15KHz時，廣播信號帶寬是多少？,四、FM的產生,1.直接法,改變振蕩器回路元件（L，C）的數(shù)值來改變其輸出頻率。如：用壓控振蕩器VCO做受控振蕩器，用變容管做受控電抗元件。,FM的產生直接法(續(xù)),可變電容C受基帶信號m(t)線性控制：C=C0+C=C0+Km(t)(CV(t)），信號與噪聲分別計算信號部分：噪聲部分：鑒頻器輸出正比于輸入信號的瞬時角頻率輸出信噪比,增大頻偏Kf，即增加傳輸帶寬，可以大大增加信噪比,ns(t)的功率譜密度為Pi(f)=n0，理想微分電路的傳輸函數(shù)為則鑒頻器輸出噪聲nd(t)的功率譜密度為,鑒頻器前、后的噪聲功率譜密度,舉例,1.m(t)=Acoswmt時，寬帶調頻的調制制度增益。2.FM與AM的性能比較,舉例,3.已知調制信號是8MHz的單頻余弦信號，若要求輸出信噪比為40dB，試比較調制效率為1/3的常規(guī)調幅系統(tǒng)和調頻指數(shù)為5的調頻系統(tǒng)的帶寬和發(fā)射功率。設信道噪聲的單邊功率譜密度為n0=510-15w/Hz。信道損耗為60dB。,三、小輸入信噪比時的抗噪性能,小輸入信噪比時（AV(t)）出現(xiàn)“門限效應”，信號完全被淹沒在噪聲中。mf越大，門限值越高，一般為10dB門限值以上，信噪比線性改善門限值以下，信噪比急劇下降用鎖相環(huán)解調，以降低門限。,四、預加重和去加重,