通信原理-模拟线性调制系统

第5章模拟线性调制系统2020年4月21日2调制的研究对象问题：为什么要对信号进行调制？什么是调制？信源信源编码信道编码调制发射传输媒质接收解调信道译码信源解码信宿2020年4月21日3调制的目的将消息变换为便于传输的形式。也就是说，变换为某种形式使信道容量达到最大，而且传输更可靠和有效。提高性能，特别是提高抗干扰性。有效的利用频带。2020年4月21日4调制的概念调制：就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。其中包括调制映射，傅立叶变换(OFDM)，频率搬移等等。数学分析：wSy(w)频率搬移wSy(w)wctwtxtytwjtwtxtywwδwSwSccccxycos)()(]sin[cos)()()()()(2020年4月21日5调制分类调制信号：载波信号：调幅：主要内容：原理，频域分析和性能分析数字调制数字信号模拟调制模拟信号)(tf)(cos)(ccθtwAtc幅度调制频率调制相位调制线性调制非线性调制)(cos)()(ccθtwtftc2020年4月21日6内容模拟线性调制1.常规调幅(AM)2.抑制载波双边带调幅(DSB-SC)3.单边带调制(SSB)4.残留边带调制(VSB)线性调制和解调的一般模型线性调制系统的抗噪声性能（＃）1.通信系统抗噪声性能的分析模型2.线性调制相干解调的抗噪声性能2020年4月21日75.1常规调幅(AM)AM调制时域表达式调制)(cos)]([)(0ccAMθtwtfAtS直流调制信号零均值随机确知)(tf)cos(twc)(tSAM0A2020年4月21日8常规调幅解调解调---包络检波无失真恢复条件过调幅)(tSAMLPFAtf)(0)(0tfAfcwwmax0|()|ftA2020年4月21日9调幅指数调制信号调幅信号调幅指数)(cos)(mmmθtAtf)(cos)](cos1[)(00ccmmmAMθtwθtAAAtS10AMmAMβAAβ无失真包络检波条件：2020年4月21日10确知信号调幅的频域分析傅立叶变换频域表达式)]()([cos)()(ccFouriercFourierwwδwwδπtwwFtf)(21)()(21)()](*)([21)(00ccccAMwwFwwδAπwwFwwδAπwCwFwS直流分量信号分量2020年4月21日11随机信号调幅的频域分析分析方法：功率谱密度函数功率谱的自相关函数随机信号傅立叶变换自相关)()(tftf)]()([41)]()([2)(20cfcfccAM2020年4月21日12常规调幅信号的功率分配功率组成调制效率：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：2)(2220tfAPPPfcAM2220ffAMAMcfPPftηPPPAft2020年4月21日13当f(t)=Amcosmt时，代入上式，得到当|f(t)|max=A0时（100％调制），调制效率最高，这时max＝1/322()/2mftA222222002mAMmftAAAAft2020年4月21日14常规调幅小结优点：结构简单，实现容易，适用于广播通信。缺点：功率效率非常低，最大为1/3频谱效率也不高，为信号最高频率的2倍。2020年4月21日155.2改进一：抑制载波的双边带调幅信号表达式调制：解调---相干解调)(cos)()(ccDSBθtwtftS)(tf)cos(twc)(tSDSB)(tSDSB)(tkfLPF载波恢复)cos(twc2020年4月21日16DSB的频域分析频域分析确知信号：随机信号：频谱：功率效率：)](21)(21)(ccDSBwwFwwFwS)]()([41)(cfcfDSB1DSBη2020年4月21日17调制效率：100％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。2020年4月21日185.3改进二：单边带调幅原理：频域表示表示式：滤波器：)(tf)cos(twc)(tSDSB)(wHSSB)(tSSSBwSDSB(w)-wcwc)()()(wHwSwSSSBDSBSSBccLSBccUSBSSB||1||0)(||0||1)()(下边带上边带2020年4月21日19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。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。2020年4月21日20滤波法—多级调制2020年4月21日21相移法分析频域表示：频域因果，时域解析时域表示式wS(w)wS(w)wS(w)0)(0)()()()()(wwjFwwjFwGwjGwFw为阶跃函数)()()(2)(wUwUwFw])(1[)())(()(1dttfjtfwFt2020年4月21日22希尔伯特滤波器希尔伯特变换希尔伯特滤波器---宽带相移网络dttftf)(1)(ˆwHh(w)wh(w)o222020年4月21日23单边带信号时域表达式时域关系：滤波器：时域表达式：)()()(thtStSSSBDSBSSBttwthttwtthcLSBcUSBsin1)(sin1)()(twtftwtftStwtftwtftSccUSBccLSBsin)(ˆ21cos)(21)(sin)(ˆ21cos)(21)(2020年4月21日24单边带信号的相移法产生相移法产生优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。问题：载波准确相移90°所有频率成分相移90°宽带相移网络难用硬件实现。)(tf)cos(twctwtfcsin)(ˆ21)(tSSSB2/)(wHhtwtfccos)(212020年4月21日25单边带信号的解调相干解调)(tSSSB)(tkfLPF载波恢复)cos(twc2020年4月21日26SSB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。2020年4月21日275.4改进三：残留边带调幅原理：频域表示)(tf)cos(twc)(tSDSB)(wHVSB)(tSVSB)]()([)(21)(ccSSBVSBwwFwwFwHwSwSDSB(w)-wcwc2020年4月21日28残留边带滤波器特性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2020年4月21日29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()VSBDSBSSH1[())]()2ccMMH1[(2))]()2pccSMMH1[()(2)]()2ccMMH1()()()()2dccSMHH2020年4月21日30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()在c处必须具有互补对称（奇对称）特性,相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信号。()()ccHHH常数，2020年4月21日31残留边带滤波器特性采用相干解调，解调不失真条件：要求滤波器特性满足互补对称性。.)()(constwwHwwHcVSBcVSBwwc2020年4月21日32残留边带滤波器特性的两种形式残留“部分上边带”的滤波器特性：下图(a)残留“部分下边带”的滤波器特性：下图(b)c10.5Hc10.5(a)(b)02020年4月21日335.5调幅信号产生的一般模型原理框图频域表达式)(tf)cos(twc)(tSDSB)(wH)(tS)]()([)(21)(ccwwFwwFwHwS2020年4月21日34调幅信号的正交产生时域表达式正交法产生twtfthtwtfthdtwtfhthtwtftScQcIccsin)]()([cos)]()([)(cos)()()(]cos)([)(展开twththtwththcQcIsin)()(cos)()(同相分量正交分量)(tf)cos(twc)(tSI)(wHI)(tS)(wHQ)(tSQ2/2020年4月21日35调幅信号的产生双边带调制单边带调制残留边带调制0)(1)(wHwHQI)()()(2121wHwHwHhQI)(~)()(2121wHwHwHQQI2020年4月21日36调幅相干解调适用于：AM，DSB，SSB，VSB数学分析输入信号：滤波前滤波后)(tSLPF载波恢复)cos(twc)(tSp)(tSdtwtStwtStScQcIsin)(cos)()(twtStwtStStwtStScQcIIcp2sin)(2cos)()(cos)()(212121)()()(21tftStSId2020年4月21日37包络检波适用条件：AM信号，且要求|m(t)|maxA0，包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如，RCAM信号0AmtDcHfRCf/12020年4月21日38插入载波包络检波适用于DSB，SSB，VSB)(tS包络检波载波恢复)cos(twAcd)(tSa)(tSd2020年4月21日395.6线性调制系统的抗噪声性能系统模型噪声分类()mSt解调器BPF)(tn)(tSi)(tni)(tno)(tSo起伏干扰脉冲干扰加性乘性噪声2020年4月21日40噪声模型平稳窄带高斯噪声分布白噪声：功率谱为均匀高斯分布高斯：概率密度分布为时间无关平稳：概率密度函数与时间平均各态历经：统计平均＝声各态历经平稳高斯白噪AWGN))(cos()(sin)(cos)()(ttwtVtwtntwtntnooQoIi瑞利分布均匀分布wS(w)woBnNtntntnoiQIi噪声输入功率：方差相同，均为解调器)(),(),(2020年4月21日41性能评估指标通信系统的质量指标率数字：误码率或误符号噪比模拟：接收端的输出信准确程度可靠信数字：信息传输速率模拟：有效传输频带频谱效率有效性质量指标2020年4月21日42模拟调制系统的性能评估指标解调器输出信噪比定义输出信噪比反映了解调器的抗噪声性能。显然，输出信噪比越大越好。制度增益定义：用G便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能。G也反映了这种调制制度的优劣。式中输入信噪比Si/Ni的定义是：2oo2oo()()SmtNnt解调器输出有用信号的平均功率解调器输出噪声的平均功率iiNSNSG//0022()()imiiSstNnt解调器输