第四章模拟调制系统.ppt

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1、第四章 模拟调制系统 4.1 调制的概念 4.2 线性调制 4.3 线性调制系统的抗噪性能 4.4 非线性调制（角度调制 FM,PM）4.5 各种模拟调制系统的性能比较 4.6 复合调制，多级调制，频分复用 （FDM）4.1 调制的概念 一、调制的概念所谓调制，就是按调制信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。通常，调制可以分为模拟（连续）调制和数字调制两种方式。调制涉及两个输入信号和一个输出信号；在通信系统的发送端通常需要有调制过程，而在接收端则需要有调制的反过程解调过程。两个输入信号为：基带信号(调制信号)m(t)：包含信息的原始信号，具有较低的频谱分量，在许多信道中不适宜直接传输。载波信

2、号(被调制信号)c(t)：参数受调制信号控制、用来承载信息的特定信号。一个输出信号为在信道中传输的已调信号sm(t)。二、调制的作用1 进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输已调信号2 实现信道多路复用，提高系统的传输有郊性3 通过选择不同的调制方式改善系统传输的可靠性。三、调制的分类 1按照调制信号m(t)分 模拟调制：在模拟调制中，调制信号的取值 是连续的。数字调制：数字调制中，调制信号的取值为 离散的。2按照载波信号c(t)分正弦调制 C(t)=cosct 为连续正弦波。脉冲调制 C(t)为脉冲周期信号。3.结合调制信号不同情况组合出四种，

3、即（1）模拟调制 m(t)为模拟信号，AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM（2）数字调制 m(t)为数字信号，ASK、FSK、PSK等。正弦调制（1）模拟调制 m(t)为模拟信号，AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM（2）数字调制 m(t)为数字信号，ASK、FSK、PSK等。脉冲调制 4.按照 m(t)对c(t)不同参数的控制分 基本：幅度调制：正弦载波的幅度随调制信号线性变化的过程，AM、DSB、SSB、VSB、ASK、频率调制：FM、FSK相位调制：PM、PSK、DPSK 改进：QAM、MSK、GMSK脉冲模拟调制：用模拟信号m(t)改变脉冲的幅度(PAM)、宽度(PDM)、相位

4、(PPM)脉冲数字调制：PCM、M、ADPCM等本章属于正弦模拟调制（简称模拟调制），又分成线性调制（幅度调制，共四种AM、DSB、SSB、VSB）和非线性调制（角度调制FM、PM）。对于各种调制方式，分析的思路一致，基本从三个方面进行：表达式、波形、频谱、带宽、功率分配 调制和解调方法方框图 抗噪性能分析5.按照具体实现过程分 复合调制、多级调制4.2 线性调制 也称幅度调制，共四种AM、DSB、SSB、VSB，共同特点调制前后信号频谱只有位置变化，没 有形状变化。一 常规调幅（Amplitude Modulation,AM）1 表达式与波形SAM(t)=A0+m(t)cosct，要求 A+

5、m(t)0（包络检波不失真条件）s(t)ttA0m(t)sAM(t)tA02频谱与带宽 AM信号带宽B=2fmS()-cc0M(）)-mm0SAM()-cc02m3功率分配4调制实现5.解调（1）包络检波要求 A+m(t)0 SAM(t)m(t)A0cosctSAM(t)包 络 检波m(t)=A0+m(t)（2）相干解调 要求：解调用的载波要与调制用的载波同频同相。cosct LPF sAM(t)S0(t)二、抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）1表达式与波形 sDSB(t)=m(t)coscttm(t)0s(t)t0sDSB(t)t02 频谱与带宽其频谱表达式为：sDSB()=1/2M(-c

6、)+M(+c)M()-mm0S()-cc0 DSB信号带宽B=2fm-cc02m3 功率分配4.调制框图m(t)cosctSDSB(t)5.解调框图cosct LPF SDSB(t)S0(t)三、单边带（三、单边带（SSB）1产生方法1滤波法2频谱与带宽：cos0t H上/下()m(t)SSSB(t)DSB谱Ht()SSB上SSB下B=fm 波形：SSSB(t)=0mt3表达式推导：由频谱形成入手也可写成 同理 故单边带表达式 有的书上也写作 =4单边带信号功率 =m(t)Pm(t)()=(-jsgn()2*Pm(t)()对于单边带信号的滤波法产生中，有时滤波并不能一次完成，因LC网络Q值较高

7、，且体积大，工艺复杂，不易数字化，目前除了滤波法产生外，还有其它的单边带信号产生方法。5 SSB产生方法2相移法 由单边带信号的表达式，可直接画出框图-90度移相网络相当于希尔伯特变换网络，即 h(t)相当于对F()正频域相移90度负频域相移90度其中sgn 是符号函数sgn()=如cosot的谱=1 0=0 =0=-1 H,且2 1,-HM()H推导输出信号的表达式，并判断得到的信号形式。先按框图用频谱搬移法判断，再写出表达式-HHM()1-H 1-1 -1+H被滤除被滤除m(t)cos1t-j被滤除1-H 1-1 -1+H被 滤除m(t)sin1t+j-2-1 -2 -2+1 -1 -2-

8、1+H -2+1-H 1 2 1 2 2+1 2-1+H 2+1-Hc-2-1 -2 -2+1 -1 -2-1+H -2+1-HC注：此时的谱形与原同（上边带），中心频率为（2-1）注：此时谱形倒置（下边带），中心频率为（w2+w1）-2 -2+1 -1 -2+1-H 1 2 1 2 2+1-HC+Cc-c 2 2+1 2+1-H-2-1 -2 -2-1+H 直接由谱形写表达式，根据单边带信号的表示形式（即上，下边带）“”时上边带写为：m(t)cos(w2-w1)t-m(t)sin(w2-w1)t 截频为(w2-w1)“”时下边带写为：m(t)cos(w2w1)t+m(t)sin(w2w1)t

9、 截频为(w2w1)也可由框图，按信号通过系统的概念运算。（逐框，逐符号进行到最后）前面输入为单频信号时，直接推表达式也比较容易。7 单边带信号的解调 根据表达式，只能用相干解调 Sssb(t)8 应用：载波，节省频带 单边带信号虽然最节省频带，但上下边带从 0分开，若低频成分较多时。LPFcosw0t1/4m(t)9 问题：边带滤波器的实现陡,实际有过渡，过低频丰富的信号发生。上下边带不易取出，因为理想的滤波器不存在，实际的滤波器往往由一定过渡带，所以在低频成分较多的情况，往往采用残留边带调制。w0wwH下(w)H上(w)四 VSB它是介于双边带与单边带之间的一种线性调制，即克服了DSB占双

10、倍带宽的缺点，又解决了SSB实现的难题。VSB不是将一个边带完全抑制，而是部分抑制，使其仍保留一小部分，产与SSB滤波法一致 1 产生HVBS(w)cosw0tm(t)Svbs(t)Svsb(w)=1/2M(w+w0)+M(w-wo).Hvbs(w)2 频带Bfm-2fm但Hvsb()要满足互补对称特性过渡部分称滚降上下两曲边三角形面积相等H下（w）滚降可通过将Svsb(t)相干解调，搬回到原点附近使一条直线，正好使恢复的信息不失真。3 解调与SSB同也可用表达式写出互补对称条件为：对Hvsb要求：互补对称4 应用：电视图像直线实际上满足要求的H()不唯一，它可以很陡（带宽小，接近SSB），也

11、可以很平（带宽大，介于fH-2fH之间。可见VSB的带宽与滤波其的实现存在矛盾，应根据实际情况适当处理。五 线性调制的一般模型 几种线性调制都可用一般形式表示用三角展开，又可写成 h(t)cos0tm(t)Sm(t)m(t)HI()HQ()Sm(t)对DSB HI()=1 SI(t)=m(t)HQ()=0 SQ(t)=0 SSB HI()=SI(t)=m(t)HQ()=SQ(t)=六 相干解调的一般模型 LPFcos0tSm(t)七 DSB,VSB,SSB的插入载波包络检波 可在发送端插入，也可接收插入，使接收设备 简化，如广播电视中就采用。包络检波 Adcos0tSm(t)4.3 线性调制系

12、统的抗噪性能一 指标信噪比 接收端输出信噪比 输入信噪比 调制制度增益 二信噪比分析的一阶模型 可见计算分析抗噪性能需算4个信号 对应的功率 与调制方式有关（熟记各种已调信号表达 式）窄带噪声 BPF解调器Sm(t)mo(t)no(t)SoNoni(t)SiNin(t)与调制方式及解调方式有关 与解调方式有关 下面推导各种线性调制的抗噪性能，先从解调方法分两大类三线性调制相干解调的抗噪性能 n(t)四种都可相干解 1 DSB （B=2fm）BPFLPFmo(t)no(t)Sm(t)LPFG=2 DSB信号的解调使信噪比改善一倍，因为相干解调被抑制掉。2 SSB G=1 DSB的G是SSB的两倍

13、，因为SSB的被滤掉了，但它是有用信号，使减小，但它是的组成部分。分析，并不能得出DSB解调性能比SSB好，因SSB的B小一半。在n0相同时，DSB的Ni是SSB的2倍。从而DSB的n0 也是SSB 的2倍。实际最终性能不会改善。结论结论1 1：如果输入噪声功率谱密度和输入信号功率相同，二者抗噪性能相同。VSB的抗噪性能与SSB相同。3 AM 一般 由于Si定义与DSB,SSB的Si不同，不好直接比较，可将它与AM非相干比较。四 AM系统非相干解调抗噪性能 输出要求合成信号的包络no(t)BPF包 络 检波mo(t)AMn(t)Sm(t)ni(t)其中包络 其中信号和噪声存在非线性关系，分析m

14、0(t)和n0(t)有困难，这里讨论两种特殊情况：1 大信噪比情况 当 A G 结论结论2 2：在大信噪比时，AM系统采用包络解检的抗噪性能与相干解调（同步检测）时抗噪性能相同。包络实现简单，但相干解调不需要受大信噪比条件限制 2 小信噪比情况 输出无单独的信号项，m(t)被噪声调制（淹没）。S0/N0急剧下降，出现门限效应。结论结论3 3：在小信噪比条件下，AM系统包络检波器会把有用信号扰乱称噪声，这种现象称门限效应即输入信噪比到一定程度，输出信噪比出现急剧恶化的现象。出现门限效应的Si/Ni称门限，门限效应是包络非线性（非相干解调）特有的同步解调器无门限效应。故AM包络多用，当要保证质量，

15、需工作在大信噪比，即加大发信功率。五 线性调制系统的比较：从有效性看，SSB最好，可靠性不比DSB差，应用多，载波AM系统包络检波实现简单，广播中常用，但有门限效应VSB适用于低频丰富的信号传播，如图像，数据DSB 有效性，可靠性，解调实现都无优势，模拟中少用。但特点在数字调制时多用，或低带宽多路数传。六 DSB,SSB,VSB信号的插入大载波法解调（包络检波）包络检波mo(t)DSB SSB USBAdcosot4.4 非线性调制（角度调制 FM,PM）频谱除了位置移动，还有频谱结构的变化，都是靠角度随m(t)变化一、角度调制的一般表达式 瞬时相位 瞬时相偏 对 瞬时（角）频率 最大频偏 瞬

16、时频偏 二二 FM与与PM1 FM瞬时频偏随调制信号（基带信号）成比例变化2 PM瞬时相偏随调制信号（基带信号）成比例变化 3 二者关系 m(t)m(t)直接调相与间接调频范围小-，+一个调角波 PMFMd/dt间 接 调相FMPMdt间接调频 不能确定FM,PM,只有m(t)给定时，才可 调相 4（最大频偏,f）与调制指数mf为了以后分析讨论的简单方便，通常取m(t)为单一频率余弦波（单音调制）调频 对FM:二者都有 规律，调频指数的实质 即最大相偏 、最终是影响带宽，输出信噪比的主要因素。尤其是 影响带宽。对PM:对于FM:与 无关 与 有关故实际FM比PM 应用更广，后面常以FM分析为主

17、，PM分析与FM类似。PM:三三 NBFMNBFM与与WBFM:(WBFM:(窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频)1 NBFM:为NBFMNBFM 与AM类似，但结构变化非线性cosm tm m2 WBFM:不能再用近似：频谱以 为中心，左右各有几条谱线，每条谱 线频率间隔 所以 时，小到忽略不计 所以 若 则 故FM频道间 隔200KHZ。AM 四 FM实现1 直接调频 LC,改变C 用m(t)控制，频率稳定度低。2 2 窄带调频倍频（间接调频-先积分调相，范围小）Acos0t m(t)-900倍频dtAsin0tNBFM来 自 高稳晶振WBFM五 FM解调 1 鉴频法：对表达式求导：AM

18、-FM 波再通过包络检波可检出m(t)。限幅BPF微分包络检波低通 鉴频器（FD）m0(t)=KFM(t)微分包络检波2 NBFM的相干解调六六 FMFM系统抗噪性能分析系统抗噪性能分析Sfm(t)N(t)要求 ，求 需求 ，它们跟解调方法有关限幅带通鉴频器LPF m0(t)n0(t)鉴频的结果是取混合信号（SFM(t)+ni(t)）的相位求导，从中找出信号项和噪声项。书上用了矢量合成法来求混合信号的相位。书上4.315大信噪比结果，为混合信号的相位，信号在频偏中体现4.316小信噪比结果.1 大信噪比条件：由4.315得 噪声部分 4.315的分母忽略 信号部分 混合输出 偏与信号成比例 需

19、求 功率 Ns(t)所以 d/dtns(t)求LPF后 对单音调制-B/2 B/2fP0()若mf=5，则G=450结论：结论：大信噪比条件下，加大调频指数mf，FM系统抗噪性能会迅速改善，但这是靠牺牲带宽换取的。B A0=Am 将它与AM比较：mf=5 BAM=2fm BFM=12fm mf远大于1时，BFM2 mf fm=mf BAM mf 改善与带宽平方成正比 若mf=5，则FM抗噪性能比AM改善75倍。2 小信噪比：V(t)A 取4.3-16结果 FM系统抗噪性能例题：例1若接收机输出信噪比s0/n0=50dB,信道中高斯白噪声的单边功率谱 ，单音正弦调制信号频率为fm10KHZ,FM

20、系统频偏 ，求si/ni 和调频信号幅度A.解：=50dB例2若使FM的S0/N0高于AM30dB,求mf 解：无单独信号项，信号被噪声淹没，输出信噪比急剧恶化，出现门限效应。即Si/Ni10 dB 时出现门限效应，使FM系统抗噪性能急剧恶化。甚至比AM性能还要差。结论结论2 2：小信噪比时，FM系统会出现门限效应，它是由鉴频器的非线性解调作用引起的，门限值以上良好，故实际中应设法改善门限值，使系统在门限上。3 改变门限效应措施 采用锁相环路鉴频，使B减小，噪声功率小，使Si/Ni大，不致于降到门限值4 改变输出信噪比措施加重技术（实际也是改善了门限即So/No变好。）实际上为了减少噪声，输出

21、端进行去加重网络这使信号产生H(f)失真，如果在发端先对信号予以加重，可保证信号无失真。fH(f)RC网络 CR网 音频传输和录放音系统中的杜比（Dolby）系统就是加重技术的应用。注：注：NBFM相干解调抗噪性能分析：预加重FM鉴频去加重FMmo(t)Hd(f)RC网BPF限幅-sin0tLPFd/dtm0(t)n0(t)n(t)ni(t)Si=(1/2)A Ni=n0BNBFM=2n0fm SNBFM(t)=Acos0tAKFm(t)dtsin0t比AM系统抗噪性能好，比DSB也好，因为幅度不变，限幅可去部分噪声，且无门限效应。作业413 ，416七 FM技术的应用1 FM广播一般取 f=

22、75KHz fm=15KHz B=2(mf+1)fm=2(5+1)*15=180KHz 每频道200KHzAM广播 fm=4KHz B=8KHz 每频道10kHz间隔 2 广播电视伴音传送f=25KHz fm=15KHz B=80KHzFM=1.6 B=2(1.67+1)*1580KHzB=80KHz.3 卫星广播电视：4 通信卫星中的频分多址：先频分复用，再调频，然后频分多址。为了实现多个地面站之间的通信，必须采用 多址技术 同步卫星位于赤道上空约35，800KM高度。上行频率为6GHz，下行为4GHz，总带宽 500MHz.由12个36MHz的转发器构成，每个转发器有自己的发送器，接收器和

23、发送频段，接收频段。一个转发器的典型频谱如下，含有7个FDM信号，分别由A,B,C,D,D,F,G地面站提供，每个FDM信号又由若干SSB4KHz话路构成。4.5 各种模拟调制系统的性能比较有效性，带宽SSB最好可靠性，信噪比FM系统最好表达式，调制，解调方法，AM 的条件，两种存在门限效应的解调方法。特点注意，如表达式条件，解调结果特点。应用 （插表）4.6 复合调制，多级调制，频分复用（FDM）1 复合调制：对同以载波进行两种或更多钟调制。如先调频再调幅，FM-AM,这里的调制信号可以不止一个。2 多级调制将同一基带信号实施两次或更多次的调制过程。如 SSB/SSB,SSB/FM FDM微

24、波，FDM卫星，FM/FM,后面还有PCM/PSK等。本章需掌握内容：调制的概念，各种模拟调制的概念，性能指标，具体实现及应用。其中表达式（已调波）带宽，解调方法要熟记，抗噪性能掌握分析方法，尤其是线性调制部分相干解调，对于非相干掌握结论与特点即可。复用指若干彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号，按频率区分信号为FDM.复用的原因：信道提供带宽比一路宽的多，可充分利用信道带宽。例 一个频分复用系统组成：P83 各路m 都相等，但cn 不同fc(i+1)=fc(i)+(fm+fg)fm 每路信号最高频带，fg 防护频带 每路占用的带宽（频道间隔）收端用BPF区分FDM的最大优点是频带利用率高，路数多，是目前模拟通信的最主要的一种复用方式。缺点：设备生产复杂，尤其是滤波器特性和信道非线性会使邻路间产生干扰。复用标准：路数，频带与时分复用不同应用：主要用在模拟通信系统中。