通信原理-模拟信号调制系统

1通信原理第5章模拟调制系统2第5章模拟调制系统基本概念调制信号－指来自信源要被传输的基带消息信号。载波－未受调制的承载消息的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波广义调制－把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。狭义调制(载波调制)－用调制信号去控制载波的参数的过程。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。已调信号－载波受调制后称为已调信号。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第5章模拟调制系统调制的目的提高无线通信时的天线辐射效率。把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。调制方式模拟调制:调制信号是模拟信号的调制。数字调制:调制信号是数字信号的调制。常见的模拟调制幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带角度调制：频率调制、相位调制4第5章模拟调制系统5.1幅度调制（线性调制）的原理一般原理表示式：设：正弦型载波为：式中，A—载波幅度；c—载波角频率；0—载波初始相位（以后假定0＝0）。则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成式中，m(t)—基带调制信号。0()coscctAt()()cosmcstAmtt5第5章模拟调制系统频谱设调制信号m(t)的频谱为M()，则已调信号的频谱为由以上表示式可见：在时域波形上，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。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。但应注意，这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。()()cos()())2mcmccAstAmttSMM6第5章模拟调制系统5.1.1调幅（AM）时域表示式式中m(t)－调制信号，均值为0；A0－常数，表示叠加的直流分量。频谱：若m(t)为确知信号，则AM信号的频谱为调制器模型00()[()]coscos()cosAMcccstAmttAtmtt01()[()()][()()]2AMccccSAMMmtmstcosct0A7第5章模拟调制系统波形图由波形可以看出，当满足条件：|m(t)|A0时，其已调波的包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原始调制信号。否则，出现“过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波。ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc000()[()]coscos()cosAMcccstAmttAtmtt8第5章模拟调制系统频谱图由频谱可以看出，AM信号的频谱由1、载频分量2、上边带三部分组成3、下边带上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。载频分量载频分量ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc0上边带上边带下边带下边带01()[()()][()()]2AMccccSAMM0()cos()cosAMccstAtmtt9第5章模拟调制系统AM信号的特性带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽fH的两倍：功率：当m(t)为确知信号时，若则式中Pc=A02/2－载波功率，－边带功率。HAMfB222202222200()[()]cos[cos()cos2()cosAMAMccccPstAmttAtmttAmtt0)(tmScAMPPtmAP2)(22202/)(2tmPs10第5章模拟调制系统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：例题：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22202222220mtSAMmtAAMmtPPAmt22()/2mmtA222222222000222mmAMmmAmtAAAAAmtA11第5章模拟调制系统5.1.2双边带调制（DSB）时域表示式：无直流分量A0频谱：无载频分量，有上下边带，带宽为：曲线：ttmtscDSBcos)()()]()([21)(ccDSBMMS2DSBHBf12第5章模拟调制系统调制效率：100％带宽为：优点：节省了载波功率缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。5.1.3单边带调制（SSB）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。2DSBAMHBBf13第5章模拟调制系统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14第5章模拟调制系统SSB信号的频谱上边带频谱图:()()SSBDSBSSHDSBScc0USBHcc0USBScc015第5章模拟调制系统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例如，若经过滤波后的话音信号的最低频率为300Hz，则上下边带之间的频率间隔为600Hz，即允许过渡带为600Hz。在600Hz过渡带和不太高的载频情况下，滤波器不难实现；但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。可以采用多级（一般采用两级）DSB调制及边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行DSB调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。16第5章模拟调制系统相移法和SSB信号的时域表示SSB信号的时域表示式设单频调制信号为载波为则DSB信号的时域表示式为若保留上边带，则有若保留下边带，则有tAtmmmcos)(ttcccos)(tAtAttAtsmcmmcmcmmDSB)cos(21)cos(21coscos)(1()cos()2USBmCmstAt11coscossinsin22mmcmmcAtAt1()cos()2LSBmCmstAt11coscossinsin22mmcmmcAttAtt两式仅正负号不同17第5章模拟调制系统将上两式合并：式中，“－”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。希尔伯特变换：上式中Amsinmt可以看作是Amcosmt相移/2的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为“^”，则有这样，上式可以改写为ttAttAtscmmcmmSSBsinsin21coscos21)(tAtAmmmmsinsoˆc11()coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAtt18第5章模拟调制系统把上式推广到一般情况，则得到式中，若M()是m(t)的傅里叶变换，则式中上式中的[-jsgn]可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即11()coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAttttmttmtsccSSBsin)(ˆ21cos)(21)(的希尔伯特变换是)()(ˆtmtm为的傅里叶变换)(ˆ)(ˆMtmsgn)()(ˆjMM1,0sgn1,0sgn)(/)(ˆ)(jMMHh19第5章模拟调制系统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。20SSB已调波：11ˆ()()cos()sin22()(),()()()()()()()cos2[()()]()sin211ˆ()cos()sin22()()[()()]44SSBccccccccccccccstmttmttmtMmtMjSgnMMMmttjMMmttmttmttMMjMM21sgn)()(ˆjMM22第5章模拟调制系统SSB信号的解调SSB信号的解调和DSB一样，不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。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。23第5章模拟调制系统5.1.4残留边带（VSB）调制原理：残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现中的困难。在这种调制方式中，不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留—小部分，如下图所示：Mcfcf0DSBSSBVSB24第5章模拟调制系统调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法SSB调制器相同。不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。mtDSBstct载波HSSBst25第5章模拟调制系统对残留边带滤波器特性的要求由滤波法可知，残留边带信号的频谱为为了确定上式中残留边带滤波器传输特性H()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。()VSBDSBSSH1[())]()2ccMMH26第5章模拟调制系统VSB信号解调器方框图图中因为根据频域卷积定理可知，乘积sp(t)对应的频谱为VSB2()cospcststtLPFVSBstpstdst2coscctt()VSBVSBstScccosct()()pVSBcVSBcSSS27第5章模拟调制系统将代入得到式中M(+2c)及M(-2c)是搬移到+2c和-2c处的频谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为()()pVSBcVSBcSSS()VSBDSBSSH1[())]()2ccMMH1[(2))]()2pccSMMH1[()(2)]()2ccMMH1()()()()2dccSMHH28第5章模拟调制系统显然，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号m(t)，上式中的传递函数必须满足：式中，H－调制信号的截止角频率。上述条件的含义是：残留边带滤波器的特性H(