2023/2/4通信原理課件1Chap4模擬調制系統

2023/2/4通信原理課件2本章綱要4.1引言4.2幅度調制1.常規雙邊帶調幅（AmplitudeModulation，AM）2.雙邊帶抑制載波（DoubleSideband－SuppressedCarrier，DSB－SC）3.單邊帶調幅（SingleSideband，SSB）4.殘留邊帶調幅（VestigialSideband，VSB）4.3各種幅度調制系統的噪聲性能2023/2/4通信原理課件3本章綱要4.4角度調制（AngularModulation）（非線性調制）系統4.5調頻系統的噪聲性能4.6各種模擬調制系統的性能比較4.7頻分復用（FDM）2023/2/4通信原理課件4引言4.1.1調制（Modulation）定義：使載波信號的某一個（或幾個）參量隨基帶信號改變的過程。實質：頻譜搬移。作用與信道特性匹配；實現多路復用；提高抗干擾性。2023/2/4通信原理課件5引言調制的分類按載波信號c(t)分連續波調制脈沖波調制按基帶信號m(t)分數字調制模擬調制2023/2/4通信原理課件6引言按調制器的功能分幅度調制——如模擬調幅（AM，DSB，SSB，VSB），脈沖幅度調制（PAM），幅移鍵控（ASK）；頻率調制——如FM，頻移鍵控（FSK），脈寬調制（PDM）；相位調制——如模擬調相（PM），相移鍵控（PSK），脈位調制（PPM）。2023/2/4通信原理課件7幅度調制4.2.1一般原理概念：用調制信號去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調制信號的規律變化的過程。模型2023/2/4通信原理課件8幅度調制時域和頻域表達式時域頻域2023/2/4通信原理課件9幅度原理線性調制——如各種幅度調制，幅移鍵控(ASK)；非線性調制——如FM、PM、頻移鍵控(FSK)。2023/2/4通信原理課件10AM（AmplitudeModulation）AM信號的產生2023/2/4通信原理課件11AM（AmplitudeModulation）線性調幅的條件為了解調時能使用包絡檢波法，線性調幅的條件為：A0≥|m(t)|max

，即保證AM信號的包絡總是為正的。過調現象：已調信號的包絡與調制信號之間已無線性關系變化可言，包絡與調制信號相比，出現了嚴重的失真，這種現象通常我們稱這種現象為過調。2023/2/4通信原理課件12AM（AmplitudeModulation）AM信號的頻譜特性2023/2/4通信原理課件13AM（AmplitudeModulation）特點從頻域表達式可以看出，AM信號的頻譜是DSB信號的頻譜加上載波分量。在這個頻譜搬移過程中沒有出現新的頻率分量，因此，該調制為線性調制。帶寬BAM＝2fm。2023/2/4通信原理課件14AM（AmplitudeModulation）AM已調信號的功率分配2023/2/4通信原理課件15例題4-1已知一AM信號（1）請寫出基帶信號m(t)的表達式；（2）寫出載波信號c(t)的表達式；（3）寫出s(t)的傅里葉變換S(f)表達式,并畫出其頻譜圖；（4）求邊帶功率和載波功率。2023/2/4通信原理課件16例題4-1解：信號頻率fm=100Hz信號頻率fc=1000Hz2023/2/4通信原理課件17DSB－SC4.2.3抑制載波雙邊帶調制DSB－SC(DoubleSideband-SuppressedCarrier)產生載波反向點2023/2/4通信原理課件18DSB－SCDSB信號的頻譜特性上邊帶（USB）：|f|>fc的頻率分量下邊帶（LSB）：|f|<fc的頻率分量2023/2/4通信原理課件19DSB－SC頻譜特點1、上、下邊帶均包含調制信號的全部信息，在載頻處無載波分量，這就是抑制載波的效果；2、幅度減半，帶寬加倍，BDSB＝2fm；3、線性搬移。2023/2/4通信原理課件20例題4-2設m(t)是正弦型單音頻信號，載波信號為c(t)，且，試寫出DSB-SC信號及上、下邊帶信號的時域及頻域表達式。解：該DSB信號的頻域表達式為：2023/2/4通信原理課件21例題4-2上邊帶信號的時域及頻域表達式下邊帶信號的時域及頻域表達式2023/2/4通信原理課件22SSB（SingleSideband）4.2.4單邊帶調制由于從信息傳輸的角度講，上、下兩個邊帶所包含的信息相同，因此只傳送一個邊帶即可以傳送信號的全部信息。

SSB信號的產生方法有：濾波法；相移法；混合法（由于電路較為復雜，因此用途并不廣泛）。2023/2/4通信原理課件23SSB（SingleSideband）濾波法2023/2/4通信原理課件24希爾伯特變換定義：物理可實現系統的傳遞函數其實部與虛部之間存在對應的確定關系稱為Hilbert變換。Hilbert濾波器，它實質上是一個寬帶相移網絡，對m(t)中的任意頻率分量均相移-π/2。2023/2/4通信原理課件25希爾伯特變換常用的希爾伯特變換2023/2/4通信原理課件26SSB（SingleSideband）相移法——實際上是SSB信號表達式的電路表示推導2023/2/4通信原理課件27SSB（SingleSideband）由例4-2可得2023/2/4通信原理課件28SSB（SingleSideband）2023/2/4通信原理課件29SSB（SingleSideband）SSB信號的頻率特性BSSB＝0.5BDSB＝fm；

因SSB信號不含有載波成分，單邊帶幅度調制的效率也為100%。2023/2/4通信原理課件30VSB（VestigialSideband）定義SSB問題：理想的濾波器難以實現。VSB調制：殘留邊帶調制是介于SSB與DSB-SC之間的一種調制方式，在VSB中除了傳送一個邊帶之外，還保留另外一個邊帶的一部分。信號產生2023/2/4通信原理課件31VSB（VestigialSideband）

HVSB(ω)的頻率特性須從VSB信號的解調方式入手2023/2/4通信原理課件32VSB（VestigialSideband）經過LPF后，高頻成份濾掉，這樣解調輸出為：當HVSB(ω+ωc)+HVSB(ω-ωc)=常數，|ω|≤ωH時，此時，MO(ω)=C*M(ω)

，從VSB信號中無失真地恢復了原始信號。殘留邊帶濾波器傳輸函數要求滿足的互補對稱條件。2023/2/4通信原理課件33VSB（VestigialSideband）幾何解釋2023/2/4通信原理課件34VSB（VestigialSideband）VSB的特點及應用（1）所需帶寬為ωm<ω<2ωm；（2）采用濾波法較易實現。（3）VSB調制在廣播電視、通信等系統中得到廣泛應用。2023/2/4通信原理課件35各種幅度調制系統的抗噪聲性能4.3.1分析模型概念模擬通信系統的評價標準用有效傳輸頻帶（有效性）和接收端輸出信噪比（可靠性）來衡量。調制系統的抗噪聲性能是利用解調器的抗噪聲能力來衡量。抗噪聲能力通常用“信噪比”來度量。2023/2/4通信原理課件36各種幅度調制系統的抗噪聲性能解調器模型注：帶通濾波器的作用是將混合在噪聲中的有用信號過濾出來，同時，濾除已調信號頻帶外的噪聲。解調器輸入端的噪聲帶寬與已調信號的帶寬是相同的，但是遠小于中心頻率。加性高斯白噪聲n(t)的雙邊功率譜密度為n0/2，均值為0。2023/2/4通信原理課件37各種幅度調制系統的噪聲性能分析模型解調器的輸入噪聲為窄帶高斯白噪聲解調器的輸入噪聲功率輸出信噪比2023/2/4通信原理課件38各種幅度調制系統的噪聲性能輸入信噪比信噪比增益也稱為調制制度增益G作用：用來衡量同類調制系統不同解調器對輸入信噪比的影響。2023/2/4通信原理課件39各種幅度調制系統的噪聲性能4.3.2線性系統的相干解調抗噪性能相干解調的原理原理框圖2023/2/4通信原理課件40各種幅度調制系統的噪聲性能模型分析sp(t)經過低通濾波器LPF，濾掉高頻成份，得以DSB信號為例對有用信號：2023/2/4通信原理課件41各種幅度調制系統的噪聲性能對噪聲：通過相乘器的噪聲信號經過低通濾波器LPF，濾掉高頻成份，得2023/2/4通信原理課件42DSB調制系統的抗噪性能DSB調制系統的性能分析（解調過程演示）解調器輸入信噪比已調信號的平均功率輸入噪聲平均功率輸入信噪比2023/2/4通信原理課件43DSB調制系統的抗噪性能解調器輸出端信噪比輸出信號平均功率輸出噪聲的平均功率輸出信噪比2023/2/4通信原理課件44DSB調制系統的抗噪性能解調增益G（信噪比得益）這說明，DSB信號的解調器使信噪比改善了一倍。這是因為采用同步解調，把噪聲中的正交分量ns(t)抑制掉了，從而使噪聲功率減半。2023/2/4通信原理課件45SSB調制系統的抗噪性能SSB調制系統的性能分析（演示）解調器輸入端信噪比已調信號的平均功率2023/2/4通信原理課件46SSB調制系統的抗噪性能輸入噪聲平均功率輸入信噪比注：在這里SSB信號中窄帶加性噪聲的帶寬僅是DSB系統中的一半，因此SSB解調器中的窄帶噪聲功率是DSB解調器中的一半。同樣的符號Ni在DSB系統和SSB系統的值不同！2023/2/4通信原理課件47SSB調制系統的抗噪性能解調器輸出端信噪比輸出信號平均功率輸出噪聲的平均功率輸出信噪比2023/2/4通信原理課件48SSB調制系統的抗噪性能解調增益G（信噪比得益） SSB解調器具有相同的輸入輸出信噪比。這說明，SSB信號的解調器對信噪比沒有改善。這是因為在SSB系統中，信號和噪聲具有相同的表示形式，所以相干解調過程中，信號和噪聲的正交分量均被抑制掉，故信噪比不會得到改善。

2023/2/4通信原理課件49SSB調制系統的抗噪性能注意在相同的噪聲背景和相同的輸入信號功率條件下，DSB和SSB在解調器輸出端的信噪比是相等的。從抗噪聲的觀點，SSB調制和DSB調制是相同的。但SSB調制所占有的頻帶僅為DSB的一半。2023/2/4通信原理課件50VSB調制系統的抗噪性能由于所采用的殘留邊帶濾波器的頻率特性形狀可能不同，所以難以確定抗噪性能的一般計算公式。在殘留邊帶濾波器滾降范圍不大的情況下，可將VSB信號近似看成SSB信號，即SVSB(t)≈SSSB(t)。 在這種情況下，VSB調制系統的抗噪性能與SSB系統相同。2023/2/4通信原理課件51例4-3教材P98習題4-5解：（1）為了保證信號順利通過和盡可能地濾除噪聲，帶通濾波器的寬度等于已調信號帶寬，即其中心頻率為100kHz，故有

（2）已知解調器的輸入信號功率，輸入噪聲功率為故輸入信噪比

2023/2/4通信原理課件52例4-3（3）因為DSB調制制度增益GDSB=2，故解調器的輸出信噪比：（4）根據相干解調器的輸出噪聲與輸入噪聲功率關系又因解調器中低通濾波器的截止頻率為fm=4kHz，故輸出噪聲的功率譜密度2023/2/4通信原理課件53AM調制系統的抗噪性能4.3.3AM信號包絡檢波解調的抗噪性能AM信號可用相干解調和包絡檢波兩種方法解調。包絡檢波的原理（演示）模型整流器LPFSAM(t)So(t)Mo(t)2023/2/4通信原理課件54AM調制系統的抗噪性能AM系統包絡檢波的抗噪性能解調器輸入端信噪比已調信號的平均功率輸入噪聲平均功率（與DSB相同）輸入信噪比2023/2/4通信原理課件55AM調制系統的抗噪性能解調器輸出端信噪比解調器輸入信號包絡：相位：2023/2/4通信原理課件56AM調制系統的抗噪性能情況一：大信噪比（小噪聲）情況，即這里利用了公式2023/2/4通信原理課件57AM調制系統的抗噪性能分析：輸出信號平均功率輸出噪聲的平均功率輸出信噪比解調增益2023/2/4通信原理課件58AM調制系統的抗噪性能結論：在小噪聲情況下，AM系統的相干解調與非相干解調有相同的抗噪性能。當A0=|m(t)|max時，對于單音信號的調制（簡稱單音調制）m(t)=A0cosωmt， 此時G=2/3。

2023/2/4通信原理課件59AM調制系統的抗噪性能情況二：小信噪比（大噪聲）情況，即2023/2/4通信原理課件60AM調制系統的抗噪性能分析：包絡E(t)中的m(t)，m(t)cosθ(t)是依賴于噪聲變化的隨機函數，也就是一個隨機噪聲。此時包絡檢波器把有用信號擾亂成噪聲。結論：在大噪聲情況下，AM系統包絡檢波法無法恢復原始信號m(t)。2023/2/4通信原理課件61AM調制系統的抗噪性能3.門限效應概念：當輸入信噪比小到某一個特定的數值時，就會出現輸出信噪比急劇惡化的現象，這種現象稱為門限效應，而該特定的數值稱為門限。原因：由包絡檢波器的非線性解調作用所引起的。注意：非相干解調有門限效應；相干解調無門限效應。包絡檢波是一種非線性解調方法。2023/2/4通信原理課件62例4-4教材P99習題4-11解：(1)設AM信號為，且式中，Pc為載波功率，Ps為邊帶功率。

2023/2/4通信原理課件63例4-4（2）假定，則理想包絡檢波輸出為（3）制度增益

2023/2/4通信原理課件64角度調制(AngularModulation)頻率調制（FrequencyModulation，FM）：載頻fc隨基帶信號變化。相位調制（PhaseModulation，PM）：載波的相位隨基帶信號變化。調頻和調相統稱為角度調制。角度調制屬于非線性調制，即調制后信號的頻譜不再是調制前信號頻譜的線性搬移，而產生出很多新的頻率成分。2023/2/4通信原理課件65角度調制(AngularModulation)4.4.1基本概念角調波的一般表達式：式中，A為——振幅（恒定）瞬時相位：瞬時角頻率：瞬時相位偏移：瞬時角頻率偏移：2023/2/4通信原理課件66角度調制(AngularModulation)調相瞬時相位偏移∝基帶信號幅值式中，Kp為調相靈敏度，單位為rad/V。則雖然是PM波，但其角頻率仍與m(t)有關。2023/2/4通信原理課件67角度調制(AngularModulation)式中，Kf為調頻靈敏度，單位為rad/(s.V)。則調頻瞬時角頻率偏移∝基帶信號幅值2023/2/4通信原理課件68角度調制(AngularModulation)總結FM波和PM波從波形上無法區別。區分FM波和PM波的方法是考察頻偏還是相移隨基帶信號的幅值變化。調頻與調相之間的關系2023/2/4通信原理課件69角度調制(AngularModulation)2023/2/4通信原理課件70角度調制(AngularModulation)4.4.2窄帶調頻（NBFM）定義時域表達式頻域表達式2023/2/4通信原理課件71角度調制(AngularModulation)與AM信號的頻譜比較2023/2/4通信原理課件72角度調制(AngularModulation)4.4.3寬帶調頻（WBFM）信號表達式設基帶信號為單音頻信號式中，AmKf為最大角頻偏，記為Δω。mf為調頻指數2023/2/4通信原理課件73角度調制(AngularModulation)調頻信號的級數展開式：調頻信號的級數展開式對應的付氏變換譜：調頻波的帶寬用卡森公式表示：2023/2/4通信原理課件74調頻信號的產生與解調調頻信號的產生NBFM信號的產生直接調頻：常用壓控振蕩器產生；間接調頻：用調相電路產生調頻波2023/2/4通信原理課件75調頻信號的產生與解調WBFM信號的產生先產生一個NBFM信號，再經過一個倍頻器，從而產生WBFM信號。2023/2/4通信原理課件76調頻信號的產生與解調混頻法2023/2/4通信原理課件77調頻信號的產生與解調調頻信號的解調NBFM的相干解調2023/2/4通信原理課件78調頻信號的產生與解調WBFM的非相干解調非線性調制采用非相干解調。而非相干解調采用的是鑒頻器。解調器的輸出應當為：頻率-電壓轉換特性的鑒頻器鎖相環法2023/2/4通信原理課件79調頻信號的產生與解調1）鑒頻器法微分電路將幅度衡定的調頻波變換為調幅調頻波，即幅度和頻率都隨基帶信號m(t)線性變化。其缺點之一是包絡檢波器對于由信道噪聲和其他原因引起的幅度起伏也有反應，為此，在微分器前加一個限幅器和帶通濾波器。2023/2/4通信原理課件80調頻信號的產生與解調2）鎖相環法解調鑒相器：對兩輸入信號進行相位比較；環路濾波器：平滑鑒相器輸出電壓及抑制鑒相器輸出電壓中的噪聲和高頻分量。壓控振蕩器VCO：控制輸入端的控制信號隨uo變化。2023/2/4通信原理課件81調頻系統的噪聲性能1.模型輸入信號功率：輸入噪聲功率：2023/2/4通信原理課件82調頻系統的噪聲性能2.結論（1）大信噪比情況輸出信噪比：考慮基帶信號為單頻余弦波時：解調器的制度增益為：2023/2/4通信原理課件83調頻系統的噪聲性能寬帶調頻輸出信噪比相對于調幅的改善與其傳輸帶寬的平方成正比。也就是說，對于調頻系統來說，可以通過增加傳輸帶寬來改善系統的抗噪聲性能，調頻系統可以用帶寬來換取信噪比的改善。但對于調幅系統，因為調幅系統的信號帶寬是固定的，因而不能利用帶寬換取信噪比的改善。寬帶調頻時，解調器的制度增益為：教材P97例題4-12023/2/4通信原理課件84調頻系統的噪聲性能（2）小信噪比情況沒發生門限效應時：在相同輸入信噪比情況下，FM輸出信噪比要好于AM輸出信噪比;但是，當輸入信噪比降低到某一門限時，FM就開始出現門限效應;如果輸入信噪比繼續降低，則FM解調器的輸出信噪比將急劇變壞，甚至比AM的性能還要差。用普通鑒頻器解調調頻信號時，其門限效應與輸入信噪比有關，一般發生在輸入信噪比10dB左右處。和包絡檢波器一樣，FM解調器的門限效應也是由它的非線性的解調作用所引起的。各種模擬調制系統的性能比較2023/2/4通信原理課件852023/2/4通信原理課件86各種模擬調制系統的性能比較性能比較WBFM抗噪聲性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪聲性能次之，AM抗噪聲性能最差。FM的調頻指數mf越大，抗噪聲性能越好，但占據的帶寬越寬，頻帶利用率低。SSB的帶寬最窄，其頻帶利用率高。優缺點圖4-33各種模擬調制系統的性能曲線頻分復用4.7.1頻分復用原理頻分復用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）是指把有限的頻帶資源分給多個用戶，實現多個用戶同時共享一個信道。互相不干擾，即各個用戶的信號頻譜不重疊，在接收方接收機可以通過帶通濾波器