华北电力大学通信系统原理第4章

通信系统原理第4章模拟调制第4章模拟调制调制的概念、作用、分类线性调制系统-AM、DSB、SSB、VSB的概念、特点、系统构成、性能分析、应用非线性调制-FM、PM的概念、特点，重点是FM系统构成及性能分析、应用各种模拟调制的性能比较频分复用复合调制及多级调制§4.1调制的概念调制就是按调制信号(也称基带信号)的变化规律去改变载波某些参数的过程。调制涉及两个输入信号和一个输出信号。*两个输入信号为：调制信号m(t)：包含信息的原始电信号，一般具有较低的频谱分量，不宜直接传输。载波信号c(t)：用来承载信息，一般为高频。*一个输出信号为：在信道中传输，称已调信号sm(t)。一、调制的概念•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。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第4章模拟调制二、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。第4章模拟调制AM中波段535-1601kHz,中央台频率639kHz,学校开通英语广播频率：一校区FM87.2MHz；二校区FM72.5MHz第4章模拟调制调制的作用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。第4章模拟调制调制的作用3.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。第4章模拟调制三、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。第4章模拟调制调制的分类2．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)(tmH第4章模拟调制调制的分类3.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、DPSK第4章模拟调制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抗噪性能应用第4章模拟调制4.2线性调制特点：调制前后只有频谱位置变化，没有形状变化。一、调幅（AmplitudeModulation,AM）1.表达式与波形其中m(t)的平均值为0，A0+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第4章模拟调制AM信号的另一种表达SAM(t)=[A0+m(t)]cosωct=A0[1+amn(t)]cosωct其中，a=max[m(t)]/A0,mn(t)=m(t)/max[m(t)],a称作调幅系数或调制指数例.SAM(t)=[6+3cosωmt)]cosωct，求调幅系数a。解：变换原式SAM(t)=6[1+0.5cosωmt)]cosωct，故a=0.5第4章模拟调制调幅信号波形思考：（1）m(t)波形变化；（2）发生过调；第4章模拟调制调幅信号波形SAM(t)t[SAM(t)]min[SAM(t)]maxm(t)t1m(t)+A00A0m(t)tAm这里m(t)为单频正弦信号第4章模拟调制发生过调时的AM信号波形A0+m(t)0时，发生过调A00tSAM(t)m(t）第4章模拟调制2．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为基带信号带宽第4章模拟调制fPPtmA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效率第4章模拟调制4．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)≥0第4章模拟调制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？第4章模拟调制发生过调时，包络检波的信号产生失真t0mo(t)0tSAM(t)A0m(t）第4章模拟调制（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？第4章模拟调制两种解调方法对比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。第4章模拟调制6.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。第4章模拟调制二、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信号的波形第4章模拟调制当m(t)变为数字序列时对应的DSB信号第4章模拟调制2.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=2fm第4章模拟调制3.功率分配2)()(22tmtSPDSBDSB第4章模拟调制4.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？第4章模拟调制三、单边带调制(SSB)产生SSB信号最直观的方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。边带滤波其可以设计成理想低通特性H下(ω)或理想高通特性H上(ω)，就可分别取出下边带信号频谱S下(ω)或上边带信号频谱S上(ω)。DSB信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。1.用滤波法形成单边带信号cosωctH上/下(ω)m(t)SSSB(t)第4章模拟调制形成SSB信号的滤波特性H上()10－cc0－cc1(a)(b)H下()第4章模拟调制推导SSB信号的表示式，由滤波法形成单边带信号入手2.单边带信号的表达式cosωctH上/下(ω)m(t)SSSB(t)边带滤波器的输入为双边信号即:sDSB(t)=m(t)cosωctSDSB(ω)=1/2［M(ω+ωc)+M(ω-ωc)］输出单边带信号由边带滤波器的传输特性决定第4章模拟调制关键：下边带滤波器传输特性的表达式0－cc1H下()1/2-1/201sgn()-1)]sgn()[sgn(21)(ccH下其中sgn()为符号函数，它具有如下特性sgn()=0,101,第4章模拟调制)]sgn()()sgn()([41)]()([41)()()(SccccccDSBSBMMMMHSS下)]sgn()()sgn()([41sin)(ˆ21)]()([41cos)(21ccccccccMMttmMMttmttmttmtsccsin)(ˆ21cos)(21SSB）（下第4章模拟调制tjt2jt21lim]jt1jt1[21lim]d)(21d)(21[lim)](sgn[f2200tjtj01eueeue)]()([lim)sgn(:0ueue简单证明)sgn(1)sgn(jttj即)()sgn()(ˆ)(1ˆMjMtmttm）（其中这里引入了希尔伯特变换)]sgn()()sgn()([41sin)(ˆ21cccccMMttm此时易证第4章模拟调制希尔伯特变换等效为一个理想移相器，在正频域相移-90°，而在负频域相移90°。h(t)1tH()-jsgn()m(t))t(mˆ-90o第4章模拟调制H[m(t)]=H(cosct)=sinctH(sinct)=-cosct（2）常用希尔波特变换对)t(mˆ第4章模拟调制Hilterb变换的用途：•在SSB中，用来实现相位选择，以产生单边带信号；•信号和它的希尔波特变换具有相同的能量谱密度或相同的功率谱密度。•信号和它的希尔波特变换的能量(或功率)相同。•信号和它的希尔波特变换具有相同的自相关函数。•信号和它的希尔波特变换互为正交。Hilbert变换的性质第4章模拟调制同理()1()HH下上ttmttmtsccsin)(ˆ21cos)(21SSB）（上)]sgn()()sgn()([41)]()([41)]sgn()()sgn()([41)]()([41)]()([[21SSBccccccccccccccDSBMMMMMMMMMMHss）（）（）（上上推导上边带信号第4章模拟调制ttmttmtsccSSBsin)(ˆ21cos)(21）（ttmttmtsccSSBsin)(ˆcos)(）（故单边带表达式有的书上也写作第4章模拟调制SSB信号波形c(t)Atm(t)MtSsSB上(t)tSSSB下(t)t当m(t)为单频正弦信号时第4章模拟调制SSB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c第4章模拟调制用滤波法形成SSB信号的技术难点是，由于一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，这就要求单边带滤波器在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。为此，在工程中往往采用多级调制滤波的方法。对于单边带信号的滤波法产生中，有时滤波网络工艺复杂。目前除了滤波法产生外，还有其它的单边带信号产生方法。滤波法形成SSB信号存在的问题第4章模拟调制2.相移法产生SSB信号框图m(t)。90。90tcosc+-tsincSSSB下(t)SSSB上(t)第4章模拟调制ˆ()mt相移法形成S