通信产品分析与应用 第五章

第五章模拟调制解调器5.2幅度调制器5.3幅度解调器5.4线性调制系统的抗噪声性能5.5非线性角度调制器5.6调频解调器5.7调频系统的抗噪声性能模拟调制系统的组成调制器信道解调器噪声S(t)Si(t)Si(t)’S(t)’解调器的种类：相干解调器----解调过程需要与调制同频同相的载波。非相干解调器----解调过程不需要载波。5.2幅度（线性）调制系统•什么是幅度调制？•模拟幅度调制有哪几种方式？•AM调制的特点？带宽如何？•DSB调制的特点？带宽如何？•SSB调制的特点？带宽如何？•VSB调制的特点？带宽如何？调制定理一•若信号x(t)的频谱是X(ω)，则时域中将信号x(t)与周期脉冲（频率为nωS）相乘，其频谱就等于将信号频谱X(ω)分别搬移到±nωS处。)](1)()(snsnsnXTnTttxx(t)tm-mX()t-2s-s-m0ms2s)(nsnTtts=2/Tsnssn)(调制定理二•若信号x(t)的频谱是X(ω)，则时域中将信号x(t)与正弦信号（频率为ω0）相乘，其频谱就等于将信号频谱X(ω)分别搬移到±ω0处。)]()([21cos)(000XXttx)](X)(X[2sin)(x000jtttx(t)0ωX(ω）0ωm-ωmωx(t)cosω0t→[X(ω+ω0）+X(ω-ω0)]1/20ω0+ωm-ω0ω05.2幅度（线性）调制系统——调制波控制高频载波的幅度参量，使其成线性变化关系。x(t)c(t)xi(t)图4-2-1幅度调制的数学模型h(t)H(ω）根据滤波器的种类不同幅度调制有AM（AmplitudeModulation）-常规幅度调制DSB（Doubleside-band）-双边带调制SSB（Singleside-band）-单边带调制VSB（Vestigialside-band）-残留边带调制一、常规幅度调制（AM)x(t)c(t)图4-2-2AM的数学模型A0xAM(t)调制信号：A0+x(t)（A0为直流）当c(t)=cosω0t有xAM(t)=[A0+x(t)]cosω0t=A0cosω0t+x(t)cosω0tA000A0≥|x(t)|max时域波形分析A000A0＜|x(t)|max反向点反向点tx(t)0ωX(ω）0ωm-ωmω[X(ω+ω0）+X(ω-ω0)]1/20ω0+ωm-ω0ω0ω0-ωmBAM=2fm=2Bg对于纯交流信号)]()([21cos)(000XXttx频谱特性分析tx(t)+A00ωX(ω）0ωm-ωmωXAM（ω）0ω0+ωm-ω0ω0ω0-ωmBAM=2fm=2Bg对于交流加直流信号)](X)(X[21)]()([A)(X00000AM上边带上边带下边带已调波中含有不带信息的载波分量，使调制效率下降。（调制效率η=调制波功率/已调波功率＜1）BgBAM二、双边带调制(DSB)为提高效率，通常将AM中的载波抑制后传输，这就是载波抑制式双边带调制。xDSB(t)=x(t)·c(t)=x(t)cosω0t已调波频谱：x(t)c(t)图4-2-4DSB的数学模型xDSB(t))](X)(X[21)(X00DSBDSB波形中，x(t)改变极性时载波会出现反相点。DSB波与AM波的比较：相同：都包含上、下边带分量；其带宽为2fm,是调制信号的两倍。不同：AM波中含有载频分量，而DSB波没有。DSB波上、下边带所携带的信息是相同的。只传一个边带时得到SSB，带宽减小一倍。tX(t)ωm-ωmωX(ω)0tXDSB(t)ωX(ω)0ω0-ω0(ω0+ωm)(ω0-ωm)上边带下边带反向点反向点三、单边带调制（SSB）在DSB信号中，传送其中一个边带就可使得已调波信号的频带宽度比AM波和DSB波的带宽减小一倍。HSSB(ω)x(t)c(t)xSSB(t)XDSB(ω)USBLSBLSBUSB-ωo0ωoHSSB(ω)1-ωo0ωo-ωo0ωoXSSB(ω)图4-2-6SSB信号的的产生和频谱xDSB(t)BSSB=fm=Bg滤波器是低通或高通滤波器。对于0.3~3.4KHz模拟信号要搬移到6.3~9.4KHz频段上，应采用哪种调制方法？用什么性质的滤波器？SSB的特点•调制效率与DSB一样，为100%，频带宽度等于调制信号的频带宽度。•问题：由于滤波器特性不是理想的，当调制信号的频谱具有丰富的低频分量时，上下边带很难分离。四、残留边带调制(VSB)•用残留边带滤波器HVSB(ω)取代HSSB(ω)，即得残留边带调制（VSB）。•残留边带信号的频域表示式为•XVSB(ω)=[X(ω-ω0)+X(ω+ω0)]HVSB(ω)x(t)c(t)图4-2-7VSB的数学模型HVSB(ω)xVSB(t)21残留边带滤波器HVSB(ω)的传输特性滚降低通特性—在理想低通特性的半幅度点处构成奇对称特性。与理想低通等效的滚降特性ω0+ωa2ω0TBH(ω)ω0ω0-ω0TB/2ω0XDSB(ω)ω0-ω0TB/2ωH(ω)ω0ωc已调波带宽取决于残留边带滤波器的截止频率：BVSB=Bg~2Bg=fm~2fm部分上边带信号被取出，用以补偿被滤除的部分下边带信号。)](X)(X[21)]()([A00000)](X)(X[2100]tsin)t(xˆtcos)t(x[00)](Xˆ)(Xˆ[21j)](X)(X[210000]tsin)t(x~tcos)t(x[00)](X~)(X~[21j)](X)(X[210000]tsin)t(xtcos)t(x[0S0C)](X)(X[21j)](X)(X[210S0S0C0C分类时间表示式频谱表示式带宽BAM[A0+x(t)]cosω0t2Bg=2fmDSBX(t)cosω0t2Bg=2fmSSBBg=fmVSBfmB2fm一般]tsin)t(xtcos)t(x[0S0C)](X)(X[21j)](X)(X[210S0S0C0CP60表4-1各种幅度调制的时域、频域表示式即带宽情况5.3调幅信号的解调•解调方式有哪几种？•AM可采用哪些解调方式？为什么？•DSB可采用哪些解调方式？为什么？•SSB可采用哪些解调方式？为什么？•VSB可采用哪些解调方式？为什么？5.3调幅信号的解调一、相干解调低通xi(t)c(t)xp(t)xd(t)图4-3-1相干解调器相干解调器数学模型1、AM信号的相干解调xAM(t)=[A0+x(t)]cosω0t经乘法器后再经低通滤波器得低通输出中，调制信号幅度减小了一半，另外还有直流分量。t2cos)]t(xA[21)]t(xA[21tcos)]t(xA[)t(x000020p)]t(xA[21)t(x0d2、DSB的相干解调xDSB(t)=x(t)cosω0t经乘法器经低通后解调器的输出只有调制信号，但幅度也减小了一半。t2cos)t(x21)t(x21]t2cos1)[t(x21tcos)t(x)t(x0002p)t(x21)t(xd低通xi(t)c(t)xp(t)xd(t)图4-3-1相干解调器相干解调器数学模型3、SSB相干解调乘法器后再经低通：输出与DSB相同。tsin)t(xˆtcos)t(x)t(x00SSBt2sin)t(mxˆ21]t2cos1)[t(x21tcostsin)t(mxˆtcos)t(x)t(x000002p)t(x21)t(xd4、VSB的相干解调低通H(ω)c(t)x0(t)H(ω)-ωHωH0ω图4-2-9相干解调器组成方框图xVSB(t)残留边带信号的频域表示式为XVSB(ω)=[X(ω-ω0)+X(ω+ω0)]HVSB(ω)其时域信号与载波相乘后的频域式为[XVSB(ω)﹡C(ω)]={[X(ω+2ω0)+X(ω)]HVSB(ω+ω0)+[X(ω)+X(ω-2ω0)]HVSB(ω-ω0)}经解调器中的低通滤波器，输出频谱为X0(ω)=1/4X(ω)[HVSB(ω-ω0)+HVSB(ω+ω0)]212141当HVSB(ω-ω0)+HVSB(ω+ω0)=c|ω|＜ωH可输出X(ω)H(ω)0ωω0-ω0ωH-ωH滚降特性ωH(ω-ω0）H(ω+ω0）HVSB(ω-ω0)+HVSB(ω+ω0)=c|ω|＜ωH同步误差载频同步——相干解调所需载频与调制器的载频完全一致（即同频同相）时，称为载频同步。当载频不同步时就存在同步误差。存在同步误差时，就会使解调后的信号与调制波不相同。即输出≠x(t)，接收信号失真。对DSB信号调制器载波c(t)=cosω0t接收机中的本地载波为c′(t)=cos[(ω0+Δω)t+Δθ]其中，Δω为频率误差，Δθ为相位误差。经乘法器后xp(t)=x(t)cosω0t·cos[(ω0+Δω)t+Δθ]=x(t){cos(Δωt+Δθ)+cos[(2ω0+Δω)t+Δθ]}再经低通滤波器后输出xd(t)=x(t)cos(Δωt+Δθ)增加了一个余弦因子。21二、非相干解调•相干解调要求严格的载频同步。•在一些抗噪声要求不高的系统中，可采用非相干解调。•在非相干解调中，不需要解调器提供载频。•非相干解调通常采用包络检波法。xAM(t)xd(t)xAM(t)=[A0+x(t)]cosω0t经包络检波器后输出xd(t)=∣A0+x(t)∣=A0+x(t)AM波的非相干解调只有A0≥∣x(t)∣max时，才有xd(t)=∣A0+x(t)∣=A0+x(t)此时能保证信号无失真地得到恢复。当A0＜∣x(t)∣max时，xd(t)=∣A0+x(t)∣≠A0+x(t)包络检波器电路简单，在广播接收机中广泛应用。•对于DSB信号，如果采用非相干解调，则调制波DSB非相干解调后结论：DSB非相干解调后产生了很大的失真结论•相干解调适合各种幅度调制的已调波解调。•并不是所有的已调波都能进行非相干解调的，如DSB、SSB、VSB信号只能采用相干解调。•只有AM波，且保证在A0≥|x(t)|max条件下才能采用非相干解调。5.4线性调制系统的抗噪声性能•模拟通信系统中的抗噪声性能采用什么指标？•输出信噪比如何定义的？•信噪比增益如何定义的？它的意义是什么？•AM系统的输出信噪比及信噪比增益如何？•DSB系统的输出信噪比及信噪比增益如何？•SSB系统的输出信噪比及信噪比增益如何？•哪种线性调制系统的抗噪声性能最好？5.4线性调制系统的抗噪声性能BPFxi(t)n(t)xd(t)+nd(t)图4-4-1解调器抗噪声性能的数学模型xi(t)+n(t)xi(t)+ni(t)解调器模拟调制系统抗噪声性能是用接收机解调器输出的信噪比Sd/Nd及信噪比增益G来表示。iiddNSNSG//一、相干解调的抗噪声性能BPFLPFxi(t)n(t)cosω0txd(t)+nd(t)图4-4-2有噪声相干解调器xi(t)+ni(t)已调波与噪声的混合通过带通滤波器后，输出的是已调波及带通滤波器通带范围内的噪声，而通带以外的噪声被滤除使得噪声变成了窄带高斯噪声ni(t)：ni(t)=nc(t)cosω0t-ns(t)sinω0t其中ni(t)、nc(t)和ns(t)均具有相同的平均功率，即如果输入噪声ni(t)d带宽为B，则输入噪声平均功率为n0是高斯噪声单边带功率谱密度，它在通带B内是恒定的。)t(n)t(n)t(n2s2c2iBn)t(nN02ii已调波信号为xi(t)=xc(t)cosω0t+xs(t)sinω0t带通滤波器输出高斯窄带噪声ni(t)=nc(t)cosω0t-ns(t)sinω0