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1、线性调制系统的抗噪声性能分析与比较一、 教学目标：了解信噪比、调制制度增益等概念的含义，熟悉解调器抗噪声性能的分析模型，学会和掌握常规幅度调制系统、 抑制载波双边带调制系统、 单边带调制系统解调器输入、 输出信噪比的分析方法。二、 教学重点、难点：重点掌握常规幅度调制系统、抑制载波双边带调制系统、单边带调制系统解调器输入、输出信号功率和噪声功功率的分析计算。三、 教学过程设计： 引出前面所讲过的模拟通信系统的一般框图，指出在信道中由于噪声的加入会影响通信系统的性能，给出通信系统抗噪声性能分析的模型。 一、通信系统抗噪声性能分析模型由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能
2、可用解调器的抗噪声性能来衡量。分析解调器抗噪性能的模型如图1所示。图1 分析解调器抗噪声性能的模型图中，为已调信号；为传输过程中叠加的高斯白噪声。带通滤波器的作用是滤除已调信号频带以外的噪声。因此，经过带通滤波器后，到达解调器输入端的信号仍为，而噪声变为窄带高斯噪声。解调器可以是相干解调器或包络检波器，其输出的有用信号为，噪声为。上面，之所以称为窄带高斯噪声，是因为它是由平稳高斯白噪声通过带通滤波器而得到的，而在通信系统中，带通滤波器的带宽一般远小于其中心频率，为窄带滤波器，为窄带高斯噪声。可表示为 （式1）其中，窄带高斯噪声的同相分量和正交分量都是高斯变量，它们的均值和方差（平均功率）都与的
3、相同，即 （式2） （式3）为解调器的输入噪声功率。若高斯白噪声的双边功率谱密度为，带通滤波器的传输特性是高度为1、单边带宽为理想矩形函数(如图2)，则有图2 带通滤波器传输特性（理想情况） （式4）为了使已调信号无失真地进入解调器，同时又最大限度地抑制噪声，带宽应等于已调信号的带宽。在模拟通信系统中，常用解调器输出信噪比来衡量通信质量的好坏。输出信噪比定义为 （式5）只要解调器输出端有用信号能与噪声分开，则输出信噪比就能确定。输出信噪比与调制方式有关，也与解调方式有关。因此在已调信号平均功率相同，而且信道噪声功率谱密度也相同的条件下，输出信噪比反映了系统的抗噪声性能。人们还常用信噪比增益作为
4、不同调制方式下解调器抗噪性能的度量。信噪比增益定义为 （式6）信噪比增益也称为调制制度增益。其中，为输入信噪比，定义为 （式7）显然，信噪比增益越高，则解调器的抗噪声性能越好。下面我们在给定的及的情况下，推导出各种解调器的输入和输出信噪比，并在此基础上对各种调制系统的抗噪声性能做出评价（推导过程对不同程度的学生可根据实际情况具体对待）。指出由于所有的线性调制都可以采用相干方式进行解调，一般就以系统经相干解调后的输出信噪比来衡量其抗噪声能力。二、线性调制相干解调的抗噪声性能线性调制相干解调时接收系统的一般模型如图3所示。此时，图3中的解调器为同步解调器，由相乘器和LPF构成。相干解调属于线性解调
5、，故在解调过程中，输入信号及噪声可分开单独解调。相干解调适用于所有线性调制（DSB、SSB、VSB、AM）信号的解调。图3 线性调制相干解调的抗噪性能分析模型1. DSB调制系统的性能（1）求输入信号的解调对于DSB系统，解调器输入信号为与相干载波相乘后，得经低通滤波器后，输出信号为 （式8）因此，解调器输出端的有用信号功率为 （式9）（2）求输入噪声的解调解调DSB信号的同时，窄带高斯噪声也受到解调。此时，接收机中的带通滤波器的中心频率与调制载波相同。因此，解调器输入端的噪声可表示为它与相干载波相乘后，得经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为 （式10）故输出噪声功率为 （式11）根据式（4
6、）和式（5），则有 （式12）这里，为DSB信号带宽。（3）求解调器输入信号平均功率为： （式13）综上所述，由式（12）及式（13），可得解调器的输入信噪比为 （式14）又根据式（8）及式（11），可得解调器的输出信噪比为 （式15）因而调制制度增益为 （式16）由此可见，DSB调制系统的制度增益为2。这说明，DSB信号的解调器使信噪比改善了一倍。这是因为采用同步解调，把噪声中的正交分量抑制掉了，从而使噪声功率减半。2. SSB调制系统的性能（1）求输入信号的解调对于SSB系统，解调器输入信号与相干载波相乘，并经低通滤波器滤除高频成分后，得解调器输出信号为 （式17）因此，解调器输出信号功率
7、为 （式18）（2）求输入噪声的解调由于SSB信号的解调器与DSB信号的相同，故计算SSB信号输入及输出信噪比的方法也相同。由式（12），得 （式19）只是这里，为SSB信号带宽。（3）求解调器输入信号平均功率为因为与的所有频率分量仅相位不同，而幅度相同，所以两者具有相同的平均功率。由此，上式变成 （式20）于是，由式（20）及式（5），可得解调器的输入信噪比为 （式21）由式（16）及式（17），可得解调器的输出信噪比为 （式22）因而调制制度增益为 （式23）由此可见，SSB调制系统的制度增益为1。这说明，SSB信号的解调器对信噪比没有改善。这是因为在SSB系统中，信号和噪声具有相同的表示
8、形式，所以相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故信噪比不会得到改善。比较式（18）和式（23）可见，DSB解调器的调制制度增益是SSB的二倍。但不能因此就说，双边带系统的抗噪性能优于单边带系统。因为DSB信号所需带宽为SSB的二倍，因而在输入噪声功率谱密度相同的情况下，DSB解调器的输入噪声功率将是SSB的二倍。不难看出，如果解调器的输入噪声功率谱密度相同，输入信号的功率也相等，有即，在相同的噪声背景和相同的输入信号功率条件下，DSB和SSB在解调器输出端的信噪比是相等的。这就是说，从抗噪声的观点，SSB制式和DSB制式是相同的。但SSB制式所占有的频带仅为DSB的一半。3. VS
9、B调制系统的性能VSB 调制系统抗噪性能的分析方法与上面类似。但是，由于所采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同，所以难以确定抗噪性能的一般计算公式。不过，在残留边带滤波器滚降范围不大的情况下，可将VSB信号近似看成SSB信号，即在这种情况下，VSB调制系统的抗噪性能与SSB系统相同。三、常规调幅包络检波的抗噪声性能指出AM信号可采用相干解调或包络检波。相干解调时AM系统的性能分析方法与前面介绍的双边带的相同。实际中，AM信号常用简单的包络检波法解调，接收系统模型如图4所示。此时，图4中的解调器为包络检波器。包络检波属于非线性解调，信号与噪声无法分开处理。图4 AM包络检波的抗噪性能分析模
10、型对于AM系统，解调器输入信号为式中，为外加的直流分量；为调制信号。这里仍假设的均值为0，且。解调器的输入噪声为显然，解调器输入的信号功率和噪声功率分别为 （式24） （式25）这里，为AM信号带宽。据以上两式，得解调器输入信噪比 （式26）解调器输入是信号加噪声的合成波形，即其中合成包络 （式27）合成相位 （式28）理想包络检波器的输出就是。由上面可知，检波器输出中有用信号与噪声无法完全分开，因此，计算输出信噪比是件困难的事。为简化起见，我们考虑两种特殊情况。（1）大信噪比情况此时输入信号幅度远大于噪声幅度，即因而式（5-43）可简化为 （式29）这里利用了数学近似公式（1时）。式中，有用
11、信号与噪声清晰地分成两项，因而可分别计算出输出信号功率及噪声功率 （式30） （式31）输出信噪比 （式32）由式（28）、（32）可得调制制度增益 （式22）可以看出，AM的调制制度增益随的减小而增加。但为了不发生过调制现象，必须有，所以总是小于1。例如，对于100调制（即），且又是单音频正弦信号时，有此时这是包络检波器能够得到的最大信噪比改善值。可以证明，相干解调时常规调幅的调制制度增益与上式相同。这说明，对于AM调制系统，在大信噪比时，采用包络检波时的性能与相干解调时的性能几乎一样。但后者的调制制度增益不受信号与噪声相对幅度假设条件的限制。（2）小信噪比情况此时噪声幅度远大于输入信号幅度
12、，即这时，式（5-43）可做如下简化 （式34）其中分别表示噪声的包络及相位；。因为，再次利用数学近似式（1时），式（5-50）可进一步表示为由上式可知，小信噪比时调制信号无法与噪声分开，包络中不存在单独的信号项，只有受到调制的项。由于是一个随机噪声，因而，有用信号被噪声所扰乱，致使也只能看作是噪声。这种情况下，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化。通常把这种现象称为门限效应。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。有必要指出，用同步检测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的。因而，同步解调器不存在门限效应。由以上分析可得如下结论：在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同；但随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应。一旦出现了门限效应，解调器的输出信噪比将急剧变坏。四、课后作业或思考题：1、DSB调制系统和SSB调制系统的抗噪声性能是否相同？为什么？2、什么是门限效应?AM信号采用包络检波法解调时为什么会产生门限效应？四、本节小结：对本节内容进行小结