第03章模拟调制系统.

1第3章模拟调制系统3.1概述3.2幅度调制（线性调制）的原理3.3非线性调制（角度调制）原理2第3章模拟调制系统基本概念调制－把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义调制－分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。狭义调制－仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。调制信号－指来自信源的基带信号m(t)载波调制－用调制信号去控制载波的参数的过程。载波－未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。c(t)已调信号－载波受调制后称为已调信号。s(t)解调（检波）－调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。3需要进行调制和解调的通信系统为频带传输系统，不需要进行调制和解调的通信系统为基带传输系统。信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源数字频带传输系统模型4二、调制的作用1.进行频率变换，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信道传输的已调信号。每种信道都有特定的工作频率，多数为高频，即使是适合低频信号传输的某些有线信道如电话线、电缆，在直流和很低频率处衰减非常剧烈，因此需要按信道允许工作频率对调制信号进行频率搬移，实现匹配。5在信道内同时传送多路信号称为复用，各路信号频率范围相同，会重叠，只有通过调制才有可能区分开不同路信号。复用方式包括：频分复用（FDM）时分复用（TDM）码分复用（CDM）波分复用（WDM）2.实现信道多路复用，提高系统的传输有效性。各种复用都要通过调制实现。63.提高抗干扰能力-通过采用不同的调制方式兼顾通信的有效性与可靠性。FM抗噪性能优于AM，但牺牲了带宽;2PSK抗噪性能优于2ASK。7三、调制的分类1．按照调制信号m(t)分:模拟调制：m(t)为模拟信号，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM数字调制：m(t)为数字信号，如ASK、FSK、PSK等。82．按照载波信号c(t)分连续波调制：C(t)=cosωct为连续正（余)弦波,AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM、ASK、FSK、PSK等。脉冲波调制：C(t)为周期性脉冲信号，PAM、PCM等×脉冲形成电路)(tm)(tT)(sM)(H)(HM)(tmH93.按照m(t)对c(t)不同参数的控制分：幅度调制：载波的幅度随调制信号线性变化的过程，AM、ASK频率调制：FM、FSK相位调制：PM、PSK、DPSK10线性调制（幅度调制，AM、DSB、SSB、VSB）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，基本从以下几个方面进行：表达式、波形、频谱、带宽、功率分配调制和解调方法方框图113.2线性调制s(t)调制信号m(t)Acos0tH(f)已调信号s(t)设载波为：c(t)=Acos0t=Acos2f0t调制信号为能量信号m(t)，其频谱为M(f)载波：c(t)相乘结果：s(t)滤波输出：s(t)用“”表示傅里叶变换：()()mtMf)(cos)(0fStAtm)]()([2)(00ffMffMAfS特点：调制前后只有频谱位置变化，没有形状变化。12由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。在模型中，适当选择滤波器的特性H(f)，便可以得到各种调制种类。13一、调幅（AmplitudeModulation,AM）1.表达式与波形其中m(t)的平均值为0，直流量A0A0+m(t)≥0（包络检波不失真条件，也称不过调条件）或写为SAM(t)=[A0+m(t)]cosωct，0max()Amt14AM信号的另一种表达SAM(t)=[A0+m(t)]cosωct=A0[1+m(t)]cosωct|m(t)|1，m(t)|max=m－调幅度，SAM(t)的包络中包含一个直流分量A，在A的基础上叠加有一个交变的分量A0m(t)，其包络不小于零。15调幅信号波形思考：（1）m(t)波形变化；（2）发生过调；162．调幅信号的频谱与带宽C(ω)-cc0M(）-mm0SAM()-ωcc02mSAM(ω)=πA0［δ(ω+ωc)+δ(ω-ωc)］+1/2[M(ω+ωc)+M(ω-ωc)］AM带宽：BAM=2fmfm为基带信号带宽17fPPtmA02202)(23．调幅信号功率分配)(2tSPAMAMttmAc220cos)]([ttmAttmtAccc2022220cos)(2cos)(cos其中P0称为载波功率，Pf称为边频功率（两个边频）2/1,)()(max22020tmAtmPPPff效率18调制效率由上述可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率：当m(t)=Amcosmt时，代入上式，得到当|m(t)|max=A0时（100％调制），调制效率最高，这时max＝1/32220SAMAMmtPPAmt22()/2mmtA222222002mAMmmtAAAAmt194．调制框图m(t)A0cosωctSAM(t)包络检波BPFSAM(t)mo(t)5.解调框图（1）包络检波法只适用于A0+m(t)≥020包络检波电路及工作过程：思考：包络检波条件不能满足（即发生过调）时，会产生什么问题？21发生过调时，包络检波的信号产生失真t0mo(t)0tSAM(t)A0m(t）22（2）相干解调(同步检测）m0(t)cosctLPFsAM(t)BPF要求：解调用的载波要与调制用的载波同频同相，否则会产生失真。思考：解调载波存在偏差（频差或相差）时发生什么问题？23两种解调方法对比相对于相干解调，包络检波法实现简单，应用较多；包络检波也称非相干解调；相干解调需要产生同频同相的载波，实现较复杂；相干解调也称同步解调、同步检测。246.AM优缺点优点：实现简单，可包络检波；缺点：效率低，解决方法-引出DSB。25二、抑制载波的双边带调幅（DSB-SC，简称双边带DSB）1．表达式与波形:sDSB(t)=m(t)cosωct思考：改变调制信号m(t)再看DSB信号的波形26当m(t)变为数字序列时对应的DSB信号272.频谱与带宽:M(ω)ω-ωmωm0c(ω)ω-ωcωc0-cc02mSDSB(ω)=1/2［M(ω+ωc)+M(ω-ωc)］BDSB=2fm283.功率分配2)()(22tmtSPDSBDSB294.调制框图m(t)cosωctSDSB(t)cosωctLPFSDSB(t)S0(t)BPF5.解调框图—相干解调6.优点：效率高；缺点：带宽占用多思考：DSB包络检波结果信号的波形结果如何？30三单边带(SSB)调制1、原理：双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M()的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。31滤波法及SSB信号的频域表示滤波法的原理方框图－用边带滤波器，滤除不要的边带:图中，H()为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：则可滤除下边带。若具有如下理想低通特性：则可滤除上边带。mtDSBstct载波HSSBst1,()()0,cUSBcHH1,()()0,cLSBcHH32SSB信号的频谱上边带频谱图:()()SSBDSBSSHDSBScc0USBHcc0USBScc033滤波法的技术难点滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性34相移法和SSB信号的时域表示SSB信号的时域表示式ttmttmtsccSSBsin)(ˆ21cos)(21)(式中，“－”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。的希尔伯特变换是)()(ˆtmtmttHttHtmtmHMjMtmttmcccccos][sinsin][cos)()]([0011)sgn()()sgn()()(1)(：常见的希尔伯特变换对35式中希尔伯特变换等效为一个理想的移相器，在正频域相移-90度。上式中的[-jsgn]可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即为的傅里叶变换)(ˆ)(ˆMtmsgn)()(ˆjMM1,0sgn1,0sgn)(/)(ˆ)(jMMHh36SSB信号的频谱带宽BSSB=fmM()mmOccOSSSB()上边带频谱OccSSSB()下边带频谱SDSBcO上边带下边带下边带上边带c37移相法SSB调制器方框图优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。缺点：宽带相移网络难用硬件实现。相移法SSB信号调制器1()sin2cmtt1()cos2cmtt1()2mt1()2mtcosctSSB()St()hH()hH382.SSB信号带宽、功率和调制效率3.SSB信号的解调SSB信号的解调也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调，m21fBBDSBSSB)(41212tmPPDSBSSBBDSB=2fm2)()(22tmtSPDSBDSBcosωctLPFSSSB(t)S0(t)BPF39SSB信号的性能SSB信号的实现比AM、DSB要复杂，但SSB调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽度比AM、DSB减少了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。40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，而是逐渐切割、部分抑制，使其仍保留一小部分。四、VSB（残留边带调制）41比较DSB、SSB和VSB信号的频谱M()2fm2fmO(a)SDSB()ccO(b)SSSB()Occ(c)ccSVSB()O(d)421.VSB产生方法—滤波法HVBS(ω)cosωctm(t)SVSB(t)43VSB频谱形成带宽B＝fm2fmM()2fm2fmO(a)SDSB()ccO(b)ccSVSB()OccSVSB()O44现在我们来确定残留边带滤波器的特性。假设HVSB(ω)是所需的残留边带滤波器的传输特性。残留边带信号的频谱为SVSB(ω)=为了确定上式中残留边带滤波器传输特性HVSB(ω)应满足的条件，我们来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信号的。)()]()([21VSBccHMM(a)mt()cttc()=cos(b)stVSB()H()图VSB调制和解调器模型(a)调制器(b)解调器cosωctLPFSvSB(t)S0(t)BPF45sVSB(t)cosωct1/2[SVSB(ω+ωc)+SVSB(ω-ωc)]代入SVSB(ω)式，选择合适的低通滤波器的截止频率，消掉±2ωc处的频谱，则低通滤波器的输出频谱Mo(ω)=1/4M(ω)[HVSB(ω+ωc)+HVSB(ω-ωc)］为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号M(ω)，必须要求HVSB(ω+ωc)+HVSB(ω-ωc)=常数，|ω|≤ωm式中，ωm是调制信号的最高频率。上式就是确定残留边带滤波器传输特性HVSB(ω)所必须遵循的条件。满足上式的HVSB(ω)的可能形式有两