大连海事大学通信原理教程第三章

大连海事大学信息科学技术学院1第3章模拟调制系统3.1概述3.2线性调制3.3非线性调制3.4本章小结大连海事大学信息科学技术学院23.1概述为什么要对信号进行调制处理？由于从消息变换过来的原始信号具有较低的频谱分量，在许多信道中都不适宜进行传输。在通信系统的发送端需要调制过程，而在接收端则需要反调制过程——解调过程。通信的目的是为了把信息向远处传递（传播）,那么在传播人声时，可以用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，声音可以传得比较远。大连海事大学信息科学技术学院3话筒扩音机扬声器如果还想将声音再传得更远一些，比如几十千米、几百千米，那该怎么办？扩音示意图大家想到用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题：(1)铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传一路声音信号，传输成本之高、线路利用率之低，人们无法接受；大连海事大学信息科学技术学院4（2）利用无线电通信时，需满足一个基本条件：欲发射信号的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。音频信号的频率范围是20Hz～20kHz，最小的波长为8433101.510()2010cmf式中，λ为波长（m）；c为电磁波传播速度（光速）（m/s）；f为音频（Hz）。大连海事大学信息科学技术学院5要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高（不包括天线底座或塔座）。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。第一个问题的解决方法是在一个物理信道中对多路信号进行频分复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplex）；第二个问题的解决方法是把欲发射的低频信号“搬”到高频载波上去（或者说把低频信号“变”成高频信号）大连海事大学信息科学技术学院6两个方法有一个共同点就是要对信号进行调制处理。对于调制，我们给出一个概括性的定义：•让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。•载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。•调制的载波分为两类：•正弦波调制：用正弦型信号作为载波•脉冲调制：用脉冲串或一组数字信号作载波•调制分为模拟调制和数字调制两种：调制信号的取值是连续还是离散大连海事大学信息科学技术学院7调制的作用：•可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，将调制信号转换成适合信道传输或便于信道多路复用的已调信号。•对系统的传输有效性和传输可靠性有很大的影响。正交振幅调制大连海事大学信息科学技术学院8最重要的模拟调制方式是用正弦波作载波的幅度调制和角度调制:•幅度调制（线性调制）：调幅（AM）双边带（DSB）残留边带（VSB）单边带（SSB）•角度调制（非线性调制）：频率调制（FM）相位调制（PM）大连海事大学信息科学技术学院93.1概述模拟调制：用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波。载波：确知的周期性波形－余弦波：式中，A为振幅；0：载波角频率；0：初始相位。定义：•调制信号m(t)－自信源来的信号•已调信号s(t)－调制后的载波称为已调信号•调制器－进行调制的部件)cos()(00tAtc图3.1.1调制器调制器已调信号s(t)调制信号m(t)大连海事大学信息科学技术学院103.2线性调制（幅度调制）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)s(t)调制信号m(t)Acos0tH(f)已调信号s(t)图3.1线性调制的原理模型大连海事大学信息科学技术学院11用“”表示傅里叶变换：)()(fMtm)(cos)(0fStAtm)]()([2)(00ffMffMAfS可见：相乘器输出信号的频谱是调制信号频谱密度平移的结果（差一个常数因子）。M(f)f0S(f)f0f-f00(a)输入信号频谱密度(b)输出信号频谱密度图3.2相乘器输入信号和输出信号的频谱密度s(t)调制信号m(t)Acos0tH(f)已调信号s(t)图3.1线性调制的原理模型大连海事大学信息科学技术学院12幅度调制信号特点：在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构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。图3.1称为调制器的一般模型，是因为在该模型中，适当选择滤波器的特性H(f)，便可以得到各种幅度调制信号。例如，调幅、双边带、单边带及残留边带信号等。s(t)调制信号m(t)Acos0tH(f)已调信号s(t)图3.1线性调制的原理模型大连海事大学信息科学技术学院133.2.1振幅调制（AM）基本原理设:m(t)=[1+m(t)]，|m(t)|1，|m(t)|max=m1－调幅度则有调幅信号：s(t)=[1+m(t)]Acos0t，式中，[1+m(t)]0，即s(t)的包络是非负的。m(t)101+m(t)101+m(t)+1==大连海事大学信息科学技术学院14AM信号的频谱密度•含离散载频分量•当m(t)为余弦波，且m为最大时，两边带功率之和＝载波功率之半。载波功率上边带功率下边带功率m(t)s(t)M(f)C(f)c(t)A-Afmf0-f02fmS(f)2fm-f0f0ffftt101+m(t)t-fm上边带下边带载波本身不含基带信号的信息--可以不传载波（DSB）大连海事大学信息科学技术学院15AM信号的接收：常用包络检波•原理：性能：设包络检波器的输入电压为式中为检波器输入窄带高斯噪声电压n(t)y(t)的包络：在大信噪比下：ttnttnAtmtysc00sin)(cos)}()]('1{[)(ttnttnsc00sin)(cos)()()}()]('1{[)(22tntnAtmtVscy)()]('1[)(tnAtmtVcy整流器低通滤波器图3.2.4包络检波器解调调幅信号大连海事大学信息科学技术学院16检波后（已滤除直流分量）：输出信号噪声功率比：∵在检波前的信号噪声功率比等于∴检波前后信噪功率比之比为由于m(t)1，上式比值r0/ri小于1，即检波后信噪比下降了。AM也可用相干解调。)()(')(tnAtmtvc)](/)('[2220tnAtmErc)(/)('121222tnAtmEri222222220)]('1[)('2)(/)('121)(/)('tmtmEtnAtmtnAtmErrcittnttnAtmtysc00sin)(cos)}()]('1{[)(大连海事大学信息科学技术学院173.2.2双边带（DSB）调制•全称双边带抑制载波调制•原理：调制信号m(t)没有直流分量时，得到DSB信号。•频谱：两个边带包含相同的信息。图3.2.5双边带调制信号的频谱(a)调制信号频谱密度M(f)f0(b)已调信号频谱密度f00-f0fS(f)上边带上边带下边带大连海事大学信息科学技术学院18•由于发送DSB时不发送载波，可以节省发送载波功率•解调时需要在接收端的电路中加入本地载波：与发送端载波同频、同相设接收的DSB信号为接收端的本地载波频率相位有一定误差，即图3.2.6双边带信号解调器原理方框图基带信号m(t)接收信号s(t)cos0tr(t)H(f)ttm0cos)(])cos[(0t大连海事大学信息科学技术学院19•两者相乘后，得到低通滤波后，得到仅当本地载波没有频率和相位误差时，输出信号才等于m(t)/2。[和调制信号仅差一个常数因子]•优缺点：DSB信号可以节省发送功率，但接收电路较为复杂。]})2cos[()){cos((21])cos[(cos)()(000tttmtttmtr)cos()(21ttm大连海事大学信息科学技术学院203.2.3单边带(SSB)调制•原理：两个边带包含相同的信息只需传输一个边带：上边带或下边带要求m(t)中无太低频率分量•解调：需要本地载波若z(t)=x(t)y(t)，则有Z()=(1/2π)X()Y()单边带信号解调时，用载波cos0t和接收信号相乘，相当于在频域中载波频谱和信号频谱相卷积。-f0HL(f)特性上边带(b)上边带滤波器特性和信号频谱上边带f00f图3.2.7单边带信号的频谱上边带S(f)上边带下边带HH(f)特性HH(f)特性(a)滤波前信号频谱(c)下边带滤波器特性和信号频谱S(f)S(f)-f00f-f0f0f下边带f0大连海事大学信息科学技术学院21下图以上边带为例，示出用低通滤波器滤出解调后的信号。图3.2.8单边带信号的解调S(f)(b)上边带信号频谱上边带上边带f00-f0f2f0-2f0(a)载波频谱f00-f0fC(f)(c)载波和上边带信号频谱的卷积结果f00-f0f2f0-2f0M(f)HL(f)SSB优点：比DSB信号进一步节省发送功率和占用带宽大连海事大学信息科学技术学院223.2.4残留边带(VSB)调制•VSB调制的优点：解调时不需要本地载波，容许调制信号含有很低频率和直流分量。•原理：VSB仍为线性调制。调制信号和载波相乘后的频谱为设调制器的滤波器的传输函数为H(f)，则滤波输出的已调信号频谱为)]()([2)(00ffMffMAfSs(t)调制信号m(t)Acos0tH(f)已调信号s(t)图3.1线性调制的原理模型)()]()([2)(00fHffMffMAfSVSB频谱介于SSB和DSB之间，且含载波分量大连海事大学信息科学技术学院23下面求出为得到VSB信号，发端H(f)应满足的条件：若仍用右图相干解调器，则接收信号和本地载波相乘后得到的r(t)的频谱为：将已调信号的频谱代入上式，得到r(t)的频谱为：上式中M(f+2f0)和M(f–2f0)两项可以由低通滤波器滤除，所以得到滤波输出的解调信号的频谱密度为：基带信号m(t)接收信号s(t)cos0tr(t)H(f))()(2100ffSffS)()]()([2)(00fHffMffMAfS)}()]()2([)()]()2({[40000ffHfMffMffHfMffMA)]()()[(400ffHffHfMA大连海事大学信息科学技术学院24为了无失真地传输，要求上式中的由于(fm为基带调制信号最高频率）所以，上式可以写为上式即产生VSB信号的条件。上式要求：滤波器的截止特性在±f0处具有互补的对称性。)]()()[(400ffHffHfMA00[()()]()HffHffC常数()0,mMfff当mffCffHffH,)]()([00大连海事大学信息科学技术学院25H(f+f0)-(f0+fm)0000ffff0-f0f0+fm-2f02f0-2f02f0fm-fmfmfH(f)H(f-f0)H(f+f0)+H(f–f0)VSB调制所需H(f)特性示意图大连海事大学信息科学技术学院263.3.1基本原理设一个载波可以表示为式中，0为载波的初始相位，为常数；(t)=0t+0为载波的瞬时相位;0=d(t)/dt为载波的角频率，为常量。瞬时频率：上式中(t)是经角度调制后的瞬时相位，可改写为：3.3非线性调制)cos()(cos)(00tAtAtcdttdti)()(0)()(dttti是时间的函数大连海事大学信息科学技术学院2