通信原理第5章(樊昌信第七版)

1、 模擬調制系統(tǒng)模擬調制系統(tǒng) 通信原理（第7版）第5章樊昌信 曹麗娜 編著調制簡介定義 目的 分類線性調制（幅度調制）原理 線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能 非線性調制（角度調制）原理 各種模擬調制系統(tǒng)的性能比較 頻分復用（FDM） 本章內容: 第第5章章 模擬調制模擬調制 調制目的各種調制解調原理抗噪性能特點應用FDM調制簡介n 調制定義調制定義調制：把 消息信號 搭載到 載波 的某個參數(shù)上。 比喻貨物運輸： 將 貨物 裝載到 飛機/輪船 的某個倉位上。載波：一種高頻周期振蕩信號，如正弦波。 受調載波稱為已調信號，含有消息信號特征。解調：調制的逆過程，從已調信號中恢復消息信號。 何謂調制？進行頻譜搬移

2、頻譜搬移，匹配信道特性匹配信道特性，減小天線尺寸減小天線尺寸；實現(xiàn)多路復用多路復用，提高信道利用率提高信道利用率；改善系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能（有效性、可靠性）；實現(xiàn)頻率分配頻率分配 看來，調制在通信系統(tǒng)中起著至關重要的作用！對呀，不同的調制方式，具有不同的特點和性能!n 調制目的調制目的為什么要進行調制？消息信號基帶信號 正弦波脈沖序列受調載波含有m(t) 信息 調制信號調制信號 載波載波 已調信號已調信號n 調制分類調制分類( )m t( )mst運載工具多種形式同義詞先認識一下調制過程 所涉及的 三種信號信源信源調制器調制器發(fā)射機發(fā)射機信道信道接收機接收機解調器解調器信宿信宿 m t m t噪聲

3、噪聲發(fā)送設備發(fā)送設備接收設備接收設備 mst mr tstn t n t基帶信號基帶信號基帶信號基帶信號調制信號調制信號已調帶通信號已調帶通信號帶通信號帶通信號模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)信道中傳輸模擬波形的通信系統(tǒng)信道中傳輸模擬波形的通信系統(tǒng) 7模擬調制數(shù)字調制連續(xù)波調制脈沖調制幅度調制頻率調制相位調制按調制信號m(t)的類型分按載波信號c(t)的類型分線性調制非線性調制按正弦載波的受調參量分 按已調信號 的頻譜結構分調制方式分類：調制方式分類：都有哪些調制方式？n 幅度調制幅度調制（線 性）： AM、DSB SSB、VSB n 角度調制角度調制（非線性）：FM、PM ( )cos()cc tA

4、t本章研究的模擬調制模擬調制方式： 是以正弦信號 作為載波的 2022-5-69 調制系統(tǒng)中討論的主要問題和主要參數(shù)主要問題：主要問題：工作原理（包括調制系統(tǒng)的物理過程，工作原理（包括調制系統(tǒng)的物理過程， 調制信號、載波信號、已調信號三者的關系）調制信號、載波信號、已調信號三者的關系） 已調信號的帶寬已調信號的帶寬 功率關系功率關系 噪聲對調制系統(tǒng)性能的影響噪聲對調制系統(tǒng)性能的影響主要參數(shù)：主要參數(shù)：發(fā)送功率發(fā)送功率 傳輸帶寬傳輸帶寬 抗噪聲性能抗噪聲性能 設備的復雜性設備的復雜性n 一般模型一般模型5.1 幅度調制(線性調制)的原理( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )()

5、()( )2mccSMMH邊帶濾波器邊帶濾波器( )( )h tH5.1.1 常規(guī)調幅(AM) 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和nAM表達式表達式nAM調制器調制器條件條件：邊帶項載波項nAM波形和頻譜波形和頻譜13nAM信號的信號的特點特點l 時，AM波的包絡正比于調制信號m(t)， 故可采用包絡檢波。 lAM的頻譜由載頻分量、上邊帶和下邊帶組成。lAM傳輸帶寬是調制信號帶寬的兩倍： lAM的優(yōu)勢在于接收機簡單，廣泛用于中短調幅廣播。AM2HBf 0maxm tAlAM信號功率：nAM信號的缺信號的缺點點20AM

6、2( )22scAtPmPP0max( )m tA220( )mtAAM50%故邊帶功率邊帶功率 0AMccoscoscttm ttsA載波功率載波功率2sAM22AM0( )( )Pm tPAm tAM功率利用率低！功率利用率低！l調制效率(功率利用率)： -不含有用信息 ，卻“浪費”大部分的發(fā)射功率。 -包含有用信息m(t)， 滿調幅時，邊帶功率最大。 定義調幅系數(shù) m（用百分比表示時，又稱調幅度） 反映基帶信號改變載波幅度的程度： max0( )mm tAm1 過調幅載波邊帶 當然， AM正是利用這種“浪費”去換取解調的“便宜”，即包絡檢波。2sAM22AM0( )( )Pm tPAm

7、tmax0( )mm tA22220AM2222200/22/2mmmmAAAmAAAAm( )cosmmm tAt設（單音正弦），22( )/2mm tA則當m=1(滿調幅)時，AM調制效率的最大值僅為1/3， 可見，AM的功率利用率很低。高調幅度的重要性！高調幅度的重要性！ 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和條件：如何提高調制效率？抑制載波！ QA5.1.2 雙邊帶調制雙邊帶調制(DSB-SC) cDSBcosm tstt cDSBc12MMS 0m t 條件：nDSB表達式表達式nDSB調制器調制器double

8、-sideband suppressed carriernDSB波形和頻譜波形和頻譜nDSB信號的信號的特點特點l包絡不再與m(t)成正比；當m(t)改變符號時載波相位反轉，故不能采用包絡檢波，需相干解調。 l無載頻分量，只有 上、下 邊帶。l帶寬與AM的相同： l調制效率100，即功率利用率高。l主要用作SSB、VSB的技術基礎，調頻立體聲中的差信號調制等。DSBAM2HBBf 能否只傳輸 一個邊帶？ QA5.1.3 單單邊帶調制邊帶調制(SSB)nSSB信號的產生信號的產生(1) 濾波法濾波法 技術難點之一技術難點之一原理原理： 先形成DSB信號，邊帶濾波即得上或下邊帶信號。要求：要求：

9、濾波器HSSB() 在載頻處具有陡峭的截止特性。邊帶濾波特性邊帶濾波特性 HSSB() 11cossscoinsin22mccmmmtAtAtt cosmmm tAt設 coscosDSBmmcstAtt LSB1cos2mcmstAt 11cossin22ccttm tm t1cosc21os2mcmmcmAtAt（2）相移法 coscc tt載波USB + - - 10sgn10，傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)：( )( )sgn( )hMHjM m t 是 m(t)的希爾伯特變換 含義含義：幅度不變，相移/2 Hh() 對 m(t) 的所有 頻率分量精確相移 /2 技術難點之二技術難點之二 SSB11

10、cossin22ccStm ttm tt下邊帶上邊帶 要求要求：nSSB信號的信號的特點特點l優(yōu)點之一是頻帶利用率高頻帶利用率高。傳輸帶寬為AM/DSB的一半： l因此，在頻譜擁擠的通信場合獲得了廣泛應用，尤其在短波通信短波通信和多路載波電話多路載波電話中占有重要的地位。l優(yōu)點之二是低功耗低功耗特性，因為不需傳送載波和另一個邊不需傳送載波和另一個邊帶而節(jié)省了功率帶而節(jié)省了功率。這一點對于移動通信系統(tǒng)尤為重要。l缺點是設備較復雜，存在技術難點缺點是設備較復雜，存在技術難點。也。也需相干解調。需相干解調。SSBAM/2HBBf5.1.4 殘留殘留邊帶調制邊帶調制(VSB)介于介于SSB與與DSB之

11、間的折中方案。之間的折中方案。nVSB信號的產生信號的產生應該具有怎樣的濾波特性 ？nVSB信號的解調信號的解調 VSBDSB12ccSSMMHH應該具有怎樣的濾波特性？ 29 VSB2cospcststt VSBVSBpccSSS相乘相乘： VSB12ccSMHM1( )22122cccpcSMMHHMMLPF解調輸出：解調輸出： d12ccHSMH若要無失真恢復 m(t)， VSB濾波器的傳輸函數(shù)必須滿足：在在載頻載頻處處 具有具有互補對稱互補對稱 特性特性()()ccHHH常數(shù)，含義含義： d12ccHSMH()()ccHHH常數(shù)，n殘留邊帶濾波器的幾何解釋：殘留邊帶濾波器的幾何解釋：n

12、VSB信號的信號的特點特點l 僅比SSB所需帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡單。l 應用：商業(yè)電視廣播中的電視信號傳輸電視信號傳輸?shù)?。VSB2HHfBfn濾波法濾波法( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )()()( )2mccSMMH5.1.5 線性線性調制調制(幅度調制)的的一般模型一般模型n相移法相移法( )( )h tH在接收端，如何從在接收端，如何從已調信號已調信號中恢復出中恢復出調制信號調制信號m(t)呢呢？ QA解調的任務!5.1.6 相干解調相干解調與包絡檢波包絡檢波n相干解調相干解調 適用適用：AM、DSB、SSB、VSB特點特點：無門限效應：無門限效應要求

13、要求：載波同步：載波同步36n包絡檢波包絡檢波 適用適用：AM 信號優(yōu)勢優(yōu)勢：簡單、無需載波同步 要求要求：|m(t)|max小于等于小于等于A0 37n插入載波包絡檢波法插入載波包絡檢波法 適用適用： DSB、SSB或VSB等抑制載波的已調信號原理原理：將這些信號插入恢復載波，使之成為或近似 為AM信號，然后用包絡檢波器恢復出m(t)要求要求：Ad 很大，載波同步方法方法：發(fā)端/收端插入載波 38n分析模型分析模型5.2 線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能高斯白噪聲已調信號已調信號 B 和 f0 取決于已調信號的頻譜DSB信號：信號：B=2fH f0=fcSSB信號信號：B= fH f0=fcfH /

14、2BPF5.2.1 模型模型與指標指標39窄帶高斯噪聲輸出噪聲輸出信號i0222ics( )( )( )n tn tn tNn B高斯白噪聲已調信號BPF解調器相干解調包絡檢波ic0s0( )( )cos( )sinn tn ttn tt40n分析模型分析模型解調器ooii/SNGSN2oo2oo( )( )Sm tNn t2ii2ii( )( )SstNntn性能指標性能指標制度增益：輸出信噪比：BPF 相干相干低通低通)(tmStc cos( )om t同步同步解調器框圖解調器框圖415.2.2 DSB-相干解調相干解調系統(tǒng)的抗噪聲性能系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調器( )cos( )mcm t

15、stt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni DSB21cos1 cos22利用（）42DSB2Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH 2i12Smt 2o14Sm ti0Nn Boi14NNoioi2SSNN即020cocs( )ostc ttsin22sincos利用c000s2i0( ) cosco( )sin)co(ssn ttn

16、 tttn tt 相干解調將相干解調將 ni(t)中的中的正交分量正交分量抑制掉，抑制掉，從而使信噪比改善從而使信噪比改善1倍倍。ooDSBii/2/SNGSNoioi2SSNN即sin22sincos利用原因原因正交分量正交分量5.2.2 DSB -相干解調系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni 11cosis n22ccmm tttm tst 2o116Smto1( )4( )m tm t2i1( )4Sm t5.2.3

17、SSB 45SSB1Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH oioiSSNN即i0Nn BB=fH SSBDSBoN 2o116Smt2i1( )4Sm ti0Nn Boi14NNi14N 相干解調抑制正交分量相干解調抑制正交分量 （無論信號還是噪聲） 11cosis n22ccmm tttm tstic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttooSSBii/1/SNGSNoioiSSNN即原因原因正交分量正交分量SSB1Go

18、ioiSSNN即DSB2Goioi2SSNN即ooooDSBSSBSSNN 能否說：DSB系統(tǒng)的抗噪聲性能 優(yōu)于 SSB 系統(tǒng)呢？ 在相同的Si，n0， fH條件下： B=2fH B=fH i0Nn Bi0Nn B DSB和SSB的抗噪聲性能相同。 QASSB和和DSB抗噪聲性能討論抗噪聲性能討論 為什么雙邊帶調制相干解調的信噪比增益比單邊帶調制的高？為什么雙邊帶調制相干解調的信噪比增益比單邊帶調制的高？ 雙邊帶信號雙邊帶信號DSB調制器的信噪比改善了一倍，原因是相干解調調制器的信噪比改善了一倍，原因是相干解調把噪聲中的把噪聲中的正交分量抑制掉正交分量抑制掉，從而使噪聲功率減半的緣故，從而使噪

19、聲功率減半的緣故 。 GSSB=1,，GDSB=2是否說明雙邊帶調制的抗噪聲性能比單邊帶是否說明雙邊帶調制的抗噪聲性能比單邊帶調制的更好？調制的更好？ 否否。因為雙邊帶已調信號的平均功率是。因為雙邊帶已調信號的平均功率是單邊帶的單邊帶的2倍倍，實際，實際上，雙邊帶和單邊的上，雙邊帶和單邊的抗噪性能是相同的抗噪性能是相同的。但雙邊帶信號所需的傳。但雙邊帶信號所需的傳輸帶寬是單邊帶的倍。輸帶寬是單邊帶的倍。5.2.1 相干解調的抗噪聲性能相干解調的抗噪聲性能 DSB 和和 SSB 兩系統(tǒng)發(fā)射信號功率均為兩系統(tǒng)發(fā)射信號功率均為 Si 且調制信號的帶寬且調制信號的帶寬為為B，輸出信噪比是否相同？，輸出

20、信噪比是否相同？【例例】對對DSB和和SSB分別進行相干解調，接收信號功率分別進行相干解調，接收信號功率為為2 mW，噪聲，噪聲雙邊雙邊功率譜密度為功率譜密度為210-9W/Hz，調制信，調制信號最高頻率為號最高頻率為4kHz。 (1)比較解調器輸入信噪比比較解調器輸入信噪比 (2)比較解調器輸出信噪比比較解調器輸出信噪比9022 10/248iZSSBZDSBZnSmWW HBkHBkH 相干解調的抗噪聲性能相干解調的抗噪聲性能lSSB： l DSB：3932 1010001252 2 104 108iiioSSBSSNn B 1125125oiSSBoiSSGNN3932 10100062

21、.52 2 102 4 1016iiioDSBSSNn B 2 62.5125oiDSBoiSSGNN相干解調的抗噪聲性能相干解調的抗噪聲性能l輸入信噪比的比較輸入信噪比的比較:l輸出信噪比的比較輸出信噪比的比較: : 1:25 .62:125: DSBiiSSBiiNSNS1:1125:125: DSBOOSSBOONSNS2oo220/2( )10dB/( )AMiiSNm tGSNAm t oo/23dB/DSBiiSNGSN信噪比增益比較信噪比增益比較oo/10/SSBiiSNGdBSN 合成包絡5.2.4 AM 包絡檢波包絡檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能 22022itSmAAM0( )( )coscstAm ttic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn tt0iNn B icc0cscossinmAm tn tstn tn ttt cosctttE53（1）大大信噪比時信噪比時 220cs( )( )( )Am tn ttn tE隔掉220cs( )( )( )Am tn tn t 0cAmnE ttt