模擬調(diào)制線性調(diào)制

模擬調(diào)制線性調(diào)制第1頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1概述1、信道2、調(diào)制的作用3、調(diào)制的概念4、調(diào)制的分類第2頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月1、信道（了解）信道可分為:低通信道和帶通信道。低通信道：用于傳輸?shù)屯ǎɑ鶐?、低頻）信號，這樣的系統(tǒng)被稱為基帶傳輸系統(tǒng)。帶通信道：用于傳輸帶通（高頻）信號，這樣的系統(tǒng)被稱為頻帶傳輸系統(tǒng)。注解：基帶信號不能直接通過帶通信道傳輸，要使基帶信號通過帶通信道進行傳輸，就必須對基帶信號進行變換，變換為適合帶通信道傳輸?shù)念l帶信號的形式。第3頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月2、調(diào)制的作用（為什么需要調(diào)制？）（1）實現(xiàn)有效的輻射為了充分發(fā)揮天線的輻射能力，一般要求天線的尺寸和發(fā)送信號的波長在同一個數(shù)量級，即天線的長度應(yīng)為所傳信號波長的1/4。例如，如果把語音信號(0.3～3.4kHz)直接通過天線發(fā)射，那么天線的長度應(yīng)為第4頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）實現(xiàn)頻率分配；為使各個無線電臺發(fā)出的信號互不干擾，每個電臺都被分配給不同的頻率。這樣利用調(diào)制技術(shù)把各種基帶信號調(diào)制到不同的載頻上，以便用戶任意選擇各個電臺，收看、收聽所需節(jié)目。例如語音、音樂信號，它們的頻率都是一樣的，如果你所在的城市有二套電臺廣播信號、其它鄰近的城市也各有二套電臺廣播信號。如果都將這些頻率相同的電臺語音信號、音樂信號直接放大發(fā)射出去，那你的收音機聽誰的？怎么去選臺？第5頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）實現(xiàn)多路復(fù)用如果傳輸信道的通帶較寬，可以用一個信道同時傳輸多路基帶信號，只要把各個基帶信號的頻率分別調(diào)制到相應(yīng)的頻帶上，然后將它們合為一起送入信道傳輸即可。第6頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）提高系統(tǒng)的抗噪性能通過調(diào)制使已調(diào)信號的傳輸帶寬變寬。說明：用增加帶寬的方法換取噪聲影響的減少，這是通信系統(tǒng)設(shè)計中常采用的一種方法。第7頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月3、調(diào)制的概念調(diào)制將基帶信號變換為頻帶信號的過程。調(diào)制就是讓基帶信號去控制載波的某個（或某些）參數(shù)，使該參數(shù)按照基帶信號的規(guī)律變化。載波:正弦波或脈沖序列。正弦信號作載波的調(diào)制叫連續(xù)波（CW）調(diào)制，連續(xù)波調(diào)制已調(diào)信號：注意3個參數(shù)第8頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月4、調(diào)制的分類分類按調(diào)制信號分類按載波分類按被調(diào)參數(shù)分類按已調(diào)信號頻譜結(jié)構(gòu)分類模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制連續(xù)波調(diào)制脈沖調(diào)制幅度調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制線性調(diào)制非線性調(diào)制注：除此之外，還有其他的調(diào)制方式第9頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月知識引入學習本章需要注意的幾個方面：①基本概念，包括已調(diào)信號數(shù)學表達式（時域和頻域），波形圖、頻譜以及相互之間的關(guān)系等；②信號產(chǎn)生（調(diào)制）的原理、方框圖，信號接收（解調(diào)）的原理、方框圖；③信號的頻帶寬度（帶寬）；④調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能分析（信噪比的計算）。

討論有效性討論可靠性第10頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2線性調(diào)制（幅度調(diào)制）定義：輸出已調(diào)信號的頻譜和輸入已調(diào)信號的頻譜之間滿足線性搬移的關(guān)系。幅度調(diào)制分為：1、標準調(diào)幅(AM)2、抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB-SC)3、單邊帶調(diào)幅(SSB)4、殘留邊帶調(diào)幅(VSB)第11頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月1、標準振幅調(diào)制（AM）用信號f(t)

控制載波c(t)的振幅，使已調(diào)波的包絡(luò)按照f(t)的規(guī)律線性變化。調(diào)制信號為f(t)，載波為c(t)=A0cosω0t，已調(diào)信號：A0－未調(diào)載波振幅；ω0－載波角頻率。AM信號時域表達式第12頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月已調(diào)波頻譜

AM信號頻域表達式第13頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制前后信號頻譜形狀沒有發(fā)生變化，僅僅是信號頻譜的位置和幅度發(fā)生了變化；AM信號的頻譜由位于±w0的沖激（載波分量）和邊帶頻譜（邊帶分量）組成；調(diào)制信號帶寬為Wm，調(diào)制后的帶寬為2Wm。將頻率絕對值小于w0的信號頻譜稱為下邊帶，頻率絕對值大于w0的信號頻譜稱為上邊帶。AM信號頻譜特點第15頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月AM信號頻域波形（頻譜）假定調(diào)制信號頻譜：則AM信號頻譜：第16頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月為了保證要求假設(shè)（單頻信號）則思考：為什么？第17頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制指數(shù)定義為：通常：

第18頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月AM信號的調(diào)制數(shù)學模型從時域數(shù)學表達式可以直接建立第19頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月AM信號的產(chǎn)生（調(diào)制）和接收（解調(diào)）思考：BPF和LPF的作用？信道第20頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)學描述LPF濾波之后，可得：第21頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月非相干解調(diào)法（包絡(luò)檢波法）實現(xiàn)簡單、成本低，不需要同步載波，但系統(tǒng)存在門限效應(yīng)；LED、BPF和LPF作用。所謂門限效應(yīng)，就是當包絡(luò)檢波器的輸入信噪比降低到一個特定的數(shù)值后，檢波器的輸出信噪比出現(xiàn)急劇惡化的一種現(xiàn)象。

第22頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

說明： 包絡(luò)檢波要求AM信號不能出現(xiàn)過調(diào)，即調(diào)制指數(shù)小于1。 也就是包絡(luò)線必須對應(yīng)為基帶信號的線性關(guān)系。第23頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

信號m(t)的頻譜范圍為0到Wm，將其與一載波信號相乘實現(xiàn)頻率搬移，試求搬移后的信號帶寬為的1/100時為多少?第24頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月總平均功率由于假設(shè)f(t)不含直流分量，則：AM信號的平均功率和效率第25頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月載波功率

邊帶功率效率

定義和載波信號有關(guān)和基帶信號有關(guān)第26頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月已知f(t)為正弦信號，100%調(diào)制，則其調(diào)制效率分別為多少？第27頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月若f(t)為方波，其調(diào)制效率又為多少？第28頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論缺點：在滿調(diào)制情況下，AM調(diào)幅的信號調(diào)制效率是非常低的（1/3——1/2）優(yōu)點：接收端可以用包絡(luò)檢波法解調(diào)信號，不需要本地同步載波。尋找其它的調(diào)制手段（DSB）解決調(diào)制效率低的問題。第29頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月2、抑制載波雙邊帶（DSB）調(diào)制AM中的載波本身并不攜帶有用信息，卻占據(jù)50%以上的功率。將載波抑制掉，可提高效率（達到100%

）。稱為抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB-SC)

。數(shù)學描述：時域：頻域：第30頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月DSB信號時域波形及頻譜圖第31頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制模型第32頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月解調(diào)模型DSB信號不含有載波，只能進行相干解調(diào)，解調(diào)輸出信號： （推導(dǎo)同AM信號）第33頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月DSB信號只能采用相干解調(diào)，則乘法器輸出為：濾除高次項，得：第34頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月AM和DSB比較DSB調(diào)制效率達到了100%；二者頻譜帶寬相同，均為基帶信號帶寬的2倍（帶寬不夠節(jié)約）；頻譜中都包含了信息完全相同的上下2個邊帶，需要較高的發(fā)射功率（功率不夠節(jié)約）。第35頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)調(diào)制信號（基帶信號）：載波：請寫出DSB信號的數(shù)學表達式，并畫出其頻譜圖。第36頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月3、單邊帶調(diào)幅（SSB）由于DSB信號的上、下兩個邊帶是完全對稱的，皆攜帶了調(diào)制信號的全部信息，因此，從信息傳輸?shù)慕嵌葋砜紤]，僅傳輸其中一個邊帶就夠了。不能只傳輸其中一個頻譜，因為實際信號的頻譜都是對原點對稱的。SSB調(diào)制就是只傳送上邊帶或只傳送下邊帶,從而達到節(jié)省發(fā)射功率和系統(tǒng)頻帶的目的。第39頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)調(diào)制信號（基帶信號）：載波：所以有:單邊帶信號表達式的推導(dǎo)一般比較困難，但是當調(diào)制信號為單音時，比較便于推出：第40頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月可以證明，SSB信號的時域表示式為：“－”對應(yīng)上邊帶信號，“+”對應(yīng)下邊帶信號。f(t)的希爾伯特變換（相移器）表示將f(t)的所有頻率分量相移了-π/2后的結(jié)果。第41頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月SSB信號的功率和帶寬SSB信號的功率和第42頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月SSB信號的產(chǎn)生（一）：濾波法 邊帶濾波器原理簡單，實現(xiàn)困難，制作陡峭的邊帶濾波器，尤其是在頻率較高時更加困難，要求過渡帶寬與載波工作頻率的比值不小于0.01，即實際中多是通過多級頻譜的搬移實現(xiàn)。第43頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月多級頻譜搬移原理框圖第44頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月多級頻譜搬移示意圖第45頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月濾波法特點適用于音樂和語音信號等基帶信號（頻譜中低頻成分沒有或者很少）；例：語音信號頻譜為：300Hz~3400Hz對數(shù)字信號和圖像信號，濾波法不適合（頻譜低端接近零頻）。第46頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月SSB信號的產(chǎn)生（二）：相移法第47頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月相移法的圖形分析頻率符號函數(shù)，正頻域為1，負頻域為-1。第48頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月實際中寬帶相移網(wǎng)絡(luò)不易實現(xiàn)，通常采用近似相移來實現(xiàn)。第49頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月SSB信號的解調(diào)第50頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月乘法器輸入為：經(jīng)低通濾波后：若載波同步，解調(diào)輸出為第51頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月DSB和SSB對比DSB特點：傳送上下2個邊帶，頻帶寬，有效性差（頻帶利用率低），但容易獲取。SSB特點：只傳送上邊帶或者下邊帶，有效性好，缺點是當?shù)皖l分量比較豐富的時候上下邊帶很難分離，不宜獲取。因此需要在DSB和SSB之間采取一種折中的方法，即殘留邊帶調(diào)制（VSB調(diào)制）。第52頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

殘留邊帶調(diào)制是介于單邊帶調(diào)制與雙邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)制方式，它既克服了DSB信號占用頻帶寬的問題，又解決了單邊帶濾波器不易實現(xiàn)的難題。 不像SSB那樣讓一個邊帶完全抑制，也不像DSB那樣讓兩個邊帶完全保存，而是介于二者之間。

讓一個邊帶絕大部分順利通過，而讓另外一個邊帶殘留一小部分。4、殘留邊帶信號（VSB）第53頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月殘留邊帶信號（VSB）VSB不是對一個邊帶完全抑制，而是使它逐漸截止。截止特性使傳輸邊帶在載頻附近被衰減的部分由殘留部分精確地補償。解調(diào)時兩個頻譜搬到一起就可以不失真地恢復(fù)調(diào)制信號

f(t)。第54頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月VSB調(diào)制調(diào)制模型同SSB調(diào)制模型，不同的是濾波器的特性，VSB濾波器要求在正負載頻點的半幅度處呈現(xiàn)奇對稱特性（互補對稱特性）。將HV(ω)分別搬移-ω0和ω0，HV(ω＋ω0)和HV(ω-ω0）相加，在|ω0|<Wm范圍內(nèi)為常數(shù)。第55頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月VSB濾波器特性圖解第56頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第57頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月VSB解調(diào)（同步相干解調(diào)）數(shù)學推導(dǎo)同AM、DSB和SSB相干解調(diào)，在此不再詳述。第58頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)送功率PVSB和頻帶寬度BVSBPSSB≤PVSB≤PDSBBSSB≤BVSB≤BDSBBVSB=(1~2)fmVSB功率和帶寬第59頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月比較 所以DSB、SSB、 VSB產(chǎn)生原理相同。 只是濾波器的特性 不同。第60頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月線性調(diào)制參數(shù)比較AM帶寬BAM=2fmDSB帶寬BDSB=2fmSSB帶寬BSSB=fmVSB帶寬fm<BVSB<2fm第61頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論及應(yīng)用AM技術(shù)可以實現(xiàn)包絡(luò)檢波器進行檢波，不需要同步，實現(xiàn)最簡單。DSB、SSB、VSB？針對有效性來講，SSB最好，VSB次之，DSB和AM最差。目前，在電視廣播系統(tǒng)，圖像信號大多采用大載波殘留邊帶調(diào)制，便于在接收機中采用包絡(luò)檢波器進行解調(diào)。第62頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月對比分析AM、DSB、SSB和VSBAM：帶寬為2Wm，頻譜利用率較低，含有載波，功率利用率最差，設(shè)備復(fù)雜度最簡；DSB：帶寬為2Wm，頻譜利用率較低，不含載波，功率利用率較高，設(shè)備復(fù)雜度次之；SSB：帶寬為Wm，頻譜利用率最高，不含載波，功率利用率較高，設(shè)備復(fù)雜度較復(fù)雜；VSB：帶寬為1~2Wm，頻譜利用率較高，不含載波，功率利用率較高，設(shè)備復(fù)雜度最復(fù)雜。第63頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3線性調(diào)制的抗噪性能分析對模擬通信系統(tǒng)，衡量可靠性指標時，通常用輸出信噪比或均方誤差來衡量。輸出信噪比越大可靠性越好。本章只研究加性噪聲對通信系統(tǒng)的影響，認為調(diào)制器、解調(diào)器和濾波器等都是理想的。第64頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月信噪比增益輸入信噪比定義為

輸出信噪比定義為

為了比較各種調(diào)制系統(tǒng)的好壞，可用信噪比增益（調(diào)制制度增益）表示，定義如下。第65頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制系統(tǒng)性能分析模型BPF的作用允許信號通過，同時抑制帶外噪聲；假定BPF輸出信號與已調(diào)信號的表達式相同。相加器表示信道噪聲為加性噪聲。窄帶高斯白噪聲第66頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月高斯白噪聲

W/Hz（雙邊功率譜密度）窄帶高斯白噪聲的數(shù)學表達式：

第67頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月性能分析按照不同的解調(diào)方式來進行:相干解調(diào)非相干解調(diào)第68頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

可表示各種調(diào)幅信號：AM、DSB、SSB和VSB。3.3.1

相干解調(diào)第69頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月1、輸入信噪比（解調(diào)器輸入端信號功率與噪聲功率之比）

（1）信號功率：

DSB性能分析第70頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）噪聲功率：假定信道噪聲為高斯白噪聲，則解調(diào)器的輸入噪聲功率譜如圖：

第71頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月因此可得DSB系統(tǒng)的輸入信噪比：第72頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月2、輸出信噪比

解調(diào)器輸出信號功率：第73頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

已知：將窄帶噪聲加入到解調(diào)器（乘法器和LPF）后輸出噪聲信號為 推導(dǎo)如下：第74頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月由上可知，解調(diào)器輸出噪聲為：所以噪聲功率：

第75頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出信噪比：由：所以調(diào)制制度增益：第76頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月AM調(diào)制性能分析同理可得：所以第77頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于100％調(diào)制（即），且又是單音頻正弦信號時：第78頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月SSB、VSB調(diào)制性能分析同理可得出：所以：第79頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月幅度調(diào)制噪聲性能對比分析調(diào)制制度增益G用作評價同類調(diào)制系統(tǒng)，作為衡量不同調(diào)制器的參數(shù)，不同調(diào)制系統(tǒng)不具有可比性。

表面來看，DSB的S/N增益為SSB的2倍，會認為DSB優(yōu)于SSB，這是不正確的。SSB信號的帶寬為DSB的一半，所以DSB的Ni是SSB時的2倍。盡管DSB的S/N增加了1倍，但在解調(diào)中S/N的增加被2倍的輸入噪聲所抵消。

實際上，對給定的輸入信號功率，DSB和SSB輸出S/N是相同的。第80頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入信噪比：

3.3.2

AM系統(tǒng)非相干解調(diào)第81頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出信噪比解調(diào)器（包絡(luò)檢波）輸入的信號加噪聲合成波形是：其中合成包絡(luò)：第82頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月大輸入信噪比情況第83頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制制度增益：

結(jié)論：在大信噪比情況下，AM信號包絡(luò)檢波器的性能幾乎與相干接收法的性能相同。第84頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月小輸入信噪比情況

條件:化簡

門限效應(yīng):

隨著輸入信噪比的變小,解調(diào)器的輸出信噪比將會出現(xiàn)急劇變壞的現(xiàn)象，稱之為門限效應(yīng)。第85頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月思考相干解調(diào)是否存在門限效應(yīng)？AM信號在什么情況下才會出現(xiàn)門限效應(yīng)，為什么？第86頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論當解調(diào)器輸入信噪比低于一定的數(shù)值（臨界值）時，信號與噪聲無法分開處理，解調(diào)器的輸出信噪比會急劇惡化，這種效應(yīng)稱為門限效應(yīng)。這個臨界輸入信噪比被稱為門限值。需要指出，門限效應(yīng)是所有非相干解調(diào)器都存在的一種特性，在相關(guān)解調(diào)器中不存在這種效應(yīng)，因而小輸入信噪比下包絡(luò)檢波器的性能較相干解調(diào)器差，所以在噪聲條件惡劣的情況下應(yīng)采用相干解調(diào)。第87頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月練習1設(shè)某信道具有均勻的雙邊噪聲功率譜密度Pn(f)=0.5*10-3W/Hz，在該信道中傳輸抑制載波的雙邊帶信號，并設(shè)調(diào)制信號m(t)的頻帶限制在5kHz，而載波為100kHz，已調(diào)信號的功率為10kW.若接收機的輸入信號在加至解調(diào)器之前，先經(jīng)過一理想帶通濾波器濾波，試問：第88頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月該理想帶通濾波器應(yīng)具有怎樣的傳輸特性H(w)?解調(diào)器輸入端的信噪功率比為多少?解調(diào)器輸出端的信噪功率比為多少?求出解調(diào)器輸出端的噪聲功率譜密度，并用圖型表示出來。第89頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）為了保證信號順利通過和盡可能的濾除噪聲，帶通濾波器的寬度等于已調(diào)信號帶寬，即B=2fm=2*5=10kHz，其中中心頻率為100kHz。所以

H(w)=K，95kHz≤∣f∣≤105kHz0，其他第90頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）Si=10kWNi=2B*Pn(f)=2*10*103*0.5*10-3=10W故輸入信噪比Si/Ni=1000（3）因有GDSB=2故輸出信噪比S0/N0=2000第91頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）據(jù)雙邊帶解調(diào)器的輸出噪聲與輸出噪聲功率