水聲通信原理課(第三章)模擬線性調(diào)制

1、第三章第三章 模擬線性調(diào)制模擬線性調(diào)制 西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院 2012年年4月月1. 調(diào)制目的l便于信號(hào)的傳輸，頻率變換l實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用l改善系統(tǒng)抗噪聲性能 2調(diào)制定義按基帶信號(hào)的變化規(guī)律去改變高頻載波某些參數(shù)高頻載波某些參數(shù)的過(guò)程3模擬調(diào)制分類 幅度調(diào)制（屬線性調(diào)制）：信息加載在信號(hào)的幅度上，調(diào)制后信號(hào)的頻譜為調(diào)制信號(hào)的頻譜的平移及線性變換平移及線性變換，如AM、DSB、SSB、VSB 角度調(diào)制（非線性調(diào)制）：信息加載在信號(hào)的頻率或相位，已調(diào)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)的頻譜不存在線性不存在線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，如FM、PM )cos(tas3.1 調(diào)幅調(diào)制調(diào)幅調(diào)制 ( ) ( )cos(

2、 )mcstm tth t( )()()( )mccSMMHh(t)m(t)sm(t)cosct 幅度調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的振幅振幅，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化的過(guò)程。 時(shí)域：頻域：在波形上，幅度隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，是基帶信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移(精確到常數(shù)因子)。由于這種搬移是線性的，因此幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。適當(dāng)選擇濾波器的特性H()，便可以得到各種幅度調(diào)制信號(hào)。例如，調(diào)幅、雙邊帶、單邊帶及殘留邊帶信號(hào)等。00( )( )coscos( )cosAMcccstAf ttAtf tt( )cosmmf tAt3.2 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）

3、 h(t)=(t)，即濾波器（H()=1）為全通網(wǎng)絡(luò)，調(diào)制信號(hào)f(t)疊加直流A0后與載波相乘)()(2/1)()()(0ccccAMFFAS，否則，出現(xiàn)過(guò)調(diào)幅而失真 時(shí)，AM信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)成正比，所以用包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波的方法很容易恢復(fù)出原始的調(diào)制信號(hào)，否則，將會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)幅現(xiàn)象而產(chǎn)生包絡(luò)失真。這時(shí)不能用包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)。 調(diào)幅指數(shù)： 01mAMAA0( )maxf tA0( )maxf tA，即要求 AM信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬是基帶信號(hào)帶寬fH的兩倍，即BAM=2fH功率分配 AM信號(hào)在1電阻上的平均功率應(yīng)等于sAM(t)的均方值。當(dāng)f(t)為確知信號(hào)時(shí)，sAM(t)的均

4、方值即為其平方的時(shí)間平均，twAtftwtftwAwttfAtSScccoAMAM2022222202cos)(2cos)(coscos)()(通常假設(shè)調(diào)制信號(hào)f(t)沒(méi)有直流分量，且f(t)為與載波無(wú)關(guān)的較為緩慢變化的信號(hào)。220( )22AMcfAftSSS=+=+只有邊帶功率邊帶功率才與調(diào)制信號(hào)有關(guān)。載波分量不攜帶信息。 調(diào)制效率：邊帶功率調(diào)制效率：邊帶功率/已調(diào)信號(hào)功率已調(diào)信號(hào)功率2220( )( )fAMAMSftSftAh=+當(dāng)調(diào)制信號(hào)為單頻余弦信號(hào)時(shí)22( )/ 2MftA=22222022MMAMMMAAAbhb=+調(diào)制效率最大值：調(diào)制效率最大值： 1/3 當(dāng)調(diào)制信號(hào)為方波時(shí)，

5、調(diào)制效率最大值：調(diào)制效率最大值： 1/2Sc：載波功率，Sf：邊帶功率AM調(diào)制的特點(diǎn): AM波的包絡(luò)正比于A0+f(t) 傳輸帶寬為基帶信號(hào)最高頻率的兩倍 含載波分量，功率利用率比較低 帶寬是基帶信號(hào)帶寬fH的兩倍，即BAM=2fH ( )( )cosDSBcstf tt( )0.5 ()()DSBccSFFcos0tOttOf(t)sDSB(t)OtO-ccF()OH-HSDSB()O-cc載波反相點(diǎn)2H3.3抑制載波雙邊帶調(diào)制（抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）（Double SideBand-Supresses carrier Modulater）載波分量并不攜帶信息， 信息完全由邊帶傳

6、送。l由時(shí)間波形可知，DSB信號(hào)的包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來(lái)恢復(fù)調(diào)制信號(hào)， 需采用相干解調(diào)相干解調(diào)(同步檢波)。l另外，在調(diào)制信號(hào)m(t)的過(guò)零點(diǎn)處，高頻載波相位有180的突變。lDSB信號(hào)雖然節(jié)省了載波功率，功率利用率提高了，但它的頻帶寬度仍是調(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍，與AM信號(hào)帶寬相同。l由于DSB信號(hào)的上、下兩個(gè)邊帶是完全對(duì)稱的， 它們都攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此僅傳輸其中一個(gè)邊帶即可，這就是單邊帶調(diào)制能解決的問(wèn)題。 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制電路調(diào)制電路常規(guī)雙邊帶調(diào)幅常規(guī)雙邊帶調(diào)幅(AM)信號(hào)可以用包絡(luò)檢波來(lái)解調(diào)信號(hào)可以用包絡(luò)檢波來(lái)解調(diào)DSB信號(hào)需要采用

7、相干解調(diào)信號(hào)需要采用相干解調(diào) X LPF SD SB(t) coswct Kf(t) 21( )cos( )cos( )1cos 22DSBcccsttf ttf tt相干解調(diào)電路相干解調(diào)電路3.4單邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制(SSB) 單邊帶信號(hào)的產(chǎn)生方法通常有濾波法濾波法和相移法相移法。3.4.1.濾波法濾波法H()10ccH()0cc1(a)(b)形成SSB信號(hào)的濾波特性用濾波法形成SSB信號(hào)的技術(shù)難點(diǎn)是，一般調(diào)制信號(hào)都具有豐富的低頻成分，經(jīng)調(diào)制后得到的DSB信號(hào)的上、 下邊帶之間的間隔很窄，這就要求單邊帶濾波器單邊帶濾波器在fc附近具有陡峭的截止特性具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制無(wú)用的一個(gè)

8、邊帶。實(shí)現(xiàn)濾波器的難度于與過(guò)渡帶相對(duì)于載頻的歸一化值有關(guān)實(shí)現(xiàn)濾波器的難度于與過(guò)渡帶相對(duì)于載頻的歸一化值有關(guān)這就使濾波器的設(shè)計(jì)和制作很困難，有時(shí)甚至難以實(shí)現(xiàn)。為此， 在工程中往往采用多級(jí)調(diào)制濾波多級(jí)調(diào)制濾波的方法。 P34例例3-2希爾伯特濾波器Hh（w）實(shí)質(zhì)上是一個(gè)寬帶相移網(wǎng)絡(luò)，把f(t)幅度不變，相移-/2即可得到Hh()2-+-21f(t)sSSB(t)21f(t) cosctcosct21f(t)cosct21f(t)3.4.2.相移法相移法 SSB信號(hào)的時(shí)域表示式的推導(dǎo)比較困難，一般需借助希爾伯特希爾伯特變換來(lái)表述。希爾伯特變換：對(duì)輸入信號(hào)所有頻率分量相移 -/2 調(diào)制信號(hào)f(t)為任

9、意信號(hào)的SSB信號(hào): 11( )( )cos( )sin22ssBCCstf ttf ttmww=SSB調(diào)制的特點(diǎn): 可節(jié)省載波發(fā)射功率 調(diào)制效率高 頻帶寬度為BSSB= BDSB/2 =BAM /2 = fH3.5 殘留邊帶殘留邊帶(VSB)信號(hào)：解決濾波實(shí)現(xiàn)信號(hào)：解決濾波實(shí)現(xiàn)困難的問(wèn)題困難的問(wèn)題 介于SSB與DSB 保留了一個(gè)邊帶和另一個(gè)邊帶的一部分即克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬，又解決了單邊帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)的難題重要結(jié)論：為了保證相干解調(diào)時(shí)無(wú)失真恢復(fù)基帶信號(hào)，必須要求殘留邊帶濾波器的傳輸函數(shù)在載頻處具有互補(bǔ)對(duì)稱特性。即必須滿足HVSB()10.50cccc00.51HVSB()(a)(b)

10、1( )( ) ()()2ccSHFF( ) ( )cos* ( )( ) ()cos()ccS tf tth thf ttd( )( )cosIch th tt( )( )sinQchth tt( )( )*( )cos( )*( )sin( )cos( )sinIcQcIcQcS th tf tth tf ttS ttStt3.6 線性調(diào)制的一般模型線性調(diào)制的一般模型 3.6.1調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的一般模型調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的一般模型 1. 濾波法:2. 相移法:利用信號(hào)的同相分量和正交分量傳遞函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制同相分量SI(t)正比于調(diào)制信號(hào)f(t) ( )( )cos111( )( )cos2(

11、 )sin2222cIIcQcX tS ttS tS ttStt1( )( )( )2dIStS tf t3.6.2 相干解調(diào)器的一般模型 (可用于AM、DSB、SSB、VSB信號(hào)的解調(diào)) 相干解調(diào)的關(guān)鍵是必須在接收端產(chǎn)生與信號(hào)載波同頻同相的本地載波關(guān)鍵是必須在接收端產(chǎn)生與信號(hào)載波同頻同相的本地載波。否則相干解調(diào)后將會(huì)使原始基帶信號(hào)減弱，甚至帶來(lái)嚴(yán)重失真，這在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)尤為嚴(yán)重。 + 包絡(luò)檢波 S(t) Cd=Adcoswct Sd(t) Sa(t) ( )( )IdA tS tA3.6.2 包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波 1. 包絡(luò)檢波屬于非相干解調(diào)，廣播接收機(jī)中多采用此法。包絡(luò)檢波器就是從已調(diào)波的幅

12、度中提取原基帶調(diào)制信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。AM信號(hào)一般都采用包絡(luò)檢波。一個(gè)理想包絡(luò)檢波器的輸出就是輸入的包絡(luò)。 2. 插入載波包絡(luò)檢波(很強(qiáng)的載波) (可用于DSB、SSB、VSB信號(hào)的解調(diào)) ( )( )IS tf t插入的載波幅度很大時(shí)瞬時(shí)幅度: )(cos)(sin)(cos)()()()(tttAttStAtStCtStSccQcdIda2/1222)()(2)()(tStSAtSAtAQIdId)(/)()(tSAtSarctgtIdQ瞬時(shí)幅度：瞬時(shí)相位：3.7 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能2220( )( )cos( )sin( )( )( )0( )( )( )(iI

13、cQcIQiIQiin tn ttnttn tntn tn tntn tNn B均值）平均功率）0n3.7.1分析模型：分析模型： 考慮信道中加性噪聲只對(duì)已調(diào)信號(hào)的接收產(chǎn)生影響，因而調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能可用解調(diào)器解調(diào)器的抗噪聲性能來(lái)衡量。 假設(shè)噪聲為加性高斯白噪聲,帶通濾波器的作用是濾除已調(diào)信號(hào)頻帶以外的噪聲，因此解調(diào)器輸入端的: 信號(hào)Si(t)=Sm(t)噪聲Ni(t)變?yōu)檎瓗Ц咚乖肼?，根?jù)一般模型，它表示成B是理想帶通濾波器的帶寬，即已調(diào)信號(hào)帶寬，也是解調(diào)器輸入端的噪聲帶寬；/2是噪聲單邊功率譜密度，它在通帶B內(nèi)是恒定的； 0n B200200( )( )SStNn t解調(diào)器輸出有用信號(hào)的

14、平均功率解調(diào)器輸出噪聲的平均功率00/iiSNGSN22( )( )iiiiSStNn t解調(diào)器輸入已調(diào)信號(hào)的平均功率解調(diào)器輸入噪聲的平均功率 是解調(diào)器的輸入噪聲功率評(píng)價(jià)模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量性能指標(biāo)可用輸出信噪比: 也可用信噪比增益信噪比增益（調(diào)制制度增益） 輸入信噪比：3.7.2抗噪性能抗噪性能DSB（相干解調(diào)） SSB（相干解調(diào)） AM（包絡(luò)檢波） 0S2( )4E ft2( )16E ft2( )E ft 0N0042DSBHn Bn f0044SSBHn Bn f002AMHn Bn f 00SN20( )2HE ftn f20( )4HE ftn f20( )2HE ftn f iS2

15、( )2E ft2( )4E ft220( )2AE ft iN002DSBHn Bn f00SSBHn Bn f002AMHn Bn f iiSN20( )4HE ftn f20( )4HE ftn f2200( )4HAE ftn f G22202 ( )( )E ftAE ft 2 1 1 1 1/32HfHf2HfB 1. 殘留邊帶不是太大的時(shí)候，近似認(rèn)為VSB與SSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能相同。2. 問(wèn)：GDSB=2GSSB能否說(shuō)明雙邊帶系統(tǒng)的抗噪聲性能比單邊帶系統(tǒng)好呢？ 答：不是。雙邊帶已調(diào)信號(hào)的平均功率是單邊帶信號(hào)的 2 倍 兩者的輸出信噪比是在不同的輸入信號(hào)功率情況下得到的。 在

16、相同的輸入信號(hào)功率Si，相同輸入噪聲功率譜密度n0，相同基帶信號(hào)帶寬fH條件下，對(duì)這兩種調(diào)制方式進(jìn)行比較， 可以發(fā)現(xiàn)它們的輸出信噪比是相等的。 因此兩者的抗噪聲性能是相同的 但雙邊帶信號(hào)所需的傳輸帶寬是單邊帶的 2 倍3. AM的抗噪聲性能： 大信噪比情況下，AM信號(hào)包絡(luò)檢波器的性能幾乎與相干解調(diào)法相同; 小信噪比時(shí)，信號(hào)無(wú)法與噪聲分開，而且有用信號(hào)“淹沒(méi)”在噪聲之中。這時(shí)候輸出信噪比不是按比例地隨著輸入信噪比下降，而是急劇惡化。這種現(xiàn)象稱為門限效應(yīng)。包絡(luò)檢波器將在一個(gè)特定輸入信噪比值上出現(xiàn)門限效應(yīng); 一旦出現(xiàn)門限效應(yīng)，解調(diào)器的輸出信噪比將急劇惡化。 用相干解調(diào)的方法解調(diào)各種線性調(diào)制信號(hào)時(shí)不存

17、在門限效應(yīng)。原因是信號(hào)與噪聲可分別進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)器輸出端總是單獨(dú)存在有用信號(hào)項(xiàng)。3105 . 0)(fPn)(HKHzfBm10522 , 010595 ,)(其它kHzfkHzKHkW10iSW10105.010102)(233fPBNni1000iiNS 例1 設(shè)某信道具有均勻的雙邊噪聲功率譜密度 W/Hz,在該信道中傳輸抑制載波的雙邊帶信號(hào)，并設(shè)調(diào)制信號(hào)m（t）的頻帶限制在5kHz,而載波為100kHz，已調(diào)信號(hào)的功率為10kW。若接收機(jī)的輸入信號(hào)在加至解調(diào)器之前，先經(jīng)過(guò) 一理想帶通濾波器濾波，試問(wèn)：（1）該理想帶通濾波器應(yīng)具有怎樣的傳輸特性 ？（2）解調(diào)器輸入端的信噪功率比為多少？（2

18、）解調(diào)器輸出端的信噪功率比為多少？（4）求出解調(diào)器輸出端的噪聲功率譜密度。解：（1）為了保證信號(hào)順利通過(guò)和盡可能地濾除噪聲，帶通濾波器的寬度等于已調(diào)信號(hào)帶寬，即 ，其中心頻率為100KHz,故有 （2） （已知） 故輸入信噪比 2DSBG20002 00iiNSNS)(5 . 2410WNNikHz5 ),(21W/Hz1025. 02)(300ffPfNfPnmn 雙（3）因有 故輸出信噪比 （4）據(jù)雙邊帶解調(diào)器的輸出噪聲與輸入噪聲功率關(guān) 系，有 故 TS)100( 1010dBSSKiTWNdBNS900010),20( 1002G502100NSNSii04NNi 1022005070WNNSii 1023WSKSiT10000NSNSii04NNiWNNSii70104400100