通信原理第5章(樊昌信第七版)PPT.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,通信原理第5章(樊昌信第七版),模拟调制系统,通信原理（第,7,版）,第,5,章,樊昌信 曹丽娜 编著,调制简介,定义 目的 分类,线性调制（幅度调制）原理,线性调制系统的抗噪声性能,非线性调制（角度调制）原理,各种模拟调制系统的性能比较,频分复用（,FDM,）,本章内容,:,第,5,章 模拟调制,调制目的,各种调制解调原理,抗噪性能,特点,应用,FDM,调制简介,调制定义,调制,：把,消息信号,搭载到,载波,的某个参数上。,比喻,货物运输：,将,货物,装载到,飞机,/,轮船,的某个仓位上。,载波,：一种高频周期振荡信号，如正弦波。,受调载波称为,已调信号,，含有消息信号特征。,解调,：调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。,何谓,调制？,进行,频谱搬移,，,匹配信道特性,，,减小天线尺寸,；,实现,多路复用,，,提高信道利用率,；,改善,系统性能,（有效性、可靠性）；,实现,频率分配,看来，调制在通信系统中起着至关重要的作用！,对呀，不同的调制方式，具有不同的特点和性能,!,调制目的,为什么要进行调制？,消息信号基带信号,正弦波,脉冲序列,受调载波,含有,m(t),信息,调制信号,载波 已调信号,调制分类,运载工具,多种形式,同义词,先认识一下调制过程 所涉及的 三种信号,模拟调制,数字调制,连续波调制,脉冲调制,幅度调制,频率调制,相位调制,按,调制信号,m,(,t,),的类型,分,按,载波信号,c,(,t,),的类型,分,线性调制,非线性调制,按,正弦载波,的受调参量,分,按,已调信号,的频谱结构,分,调制方式分类：,都有哪些,调制方式？,7,幅度调制,（线 性）,：,AM,、,DSB,SSB,、,VSB,角度调制,（非线性）,：,FM,、,PM,本章研究的,模拟调制,方式：,是以正弦信号 作为载波的,一般模型,5.1,幅度调制,(,线性调制,),的原理,边带滤波器,5.1.,1,常规,调幅,(,AM,),AM,表达式,AM,调制器,条件,：,边带项,载波项,AM,波形和频谱,AM,信号的,特点,时，,AM,波的包络正比于调制信号,m,(,t,),，,故,可采用包络检波。,AM,的频谱由,载频分量,、,上边带,和,下边带,组成。,AM,传输带宽是调制信号带宽的两倍：,AM,的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播,。,12,AM信号功率：,AM,信号的缺,点,边带功率,载波功率,AM,功率利用率低！,调制效率,(,功率利用率,),：,-,不含有用信息,，却“浪费”大部分的发射功率。,-,包含有用信息,m,(,t,),，满调幅时，边带功率最大。,定义,调幅系数,m,（用百分比表示时，又称调幅度）,反映基带信号改变载波幅度的程度：,m,1,过调幅,载波,边带,当然，,AM,正是利用这种“浪费”去换取解调的“便宜”，即包检。,当,m,=1,(,满调幅,),时，,AM,调制效率的最大值仅为,1/3,，,可见，,AM,的功率利用率很低,。,高调幅度的重要性！,条件：,如何提高调制效率？,抑制载波！,QA,5.1.,2,双边带调制,(,DSB-SC,),条件：,DSB,表达式,DSB,调制器,double-sideband suppressed carrier,DSB,波形和频谱,DSB,信号的,特点,包络,不再,与,m,(,t,),成正比；当,m,(,t,),改变符号时载波相位反转，故,不能,采用包络检波，需相干解调。,无,载频分量，只有 上、下 边带。,带宽与,AM,的相同：,调制效率,100,，即功率利用率高。,主要用作,SSB,、,VSB,的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。,能否只传输,一个边带,？,QA,5.1.,3,单,边带调制,(,SSB,),SSB,信号的产生,(,1,),滤波法,技术难点之一,原理,：,先形成,DSB,信号，边带滤波即得,上,或,下,边带信号。,要求：,滤波器,H,SSB,(,),在载频处具有陡峭的截止特性。,边带滤波特性,H,SSB,(,),（,2,）,相移法,USB,+,-,-,传递函数,：,是,m,(,t,),的,希尔伯特变换,含义,：,幅度不变，相移,/2,H,h,(),对,m,(,t,),的所有,频率分量精确相移,/2,技术难点之二,下边带,上边带,要求,：,SSB,信号的,特点,优点之一是,频带利用率高,。传输带宽为,AM/DSB,的一半：,因此，在频谱拥挤的通信场合获得了广泛应用，尤其在,短波通信,和,多路载波电话,中占有重要的地位。,优点之二是,低功耗,特性，因为,不需传送载波和另一个边带而节省了功率,。,这一点对于移动通信系统尤为重要。,缺点是设备较复杂，存在技术难点,。也,需相干解调。,5.1.,4,残留,边带调制,(,VSB,),介于,SSB,与,DSB,之间的折中方案。,VSB,信号的产生,应该具有怎样,的滤波特性,？,VSB,信号的解调,应该具有怎样,的滤波特性,？,相乘,：,LPF,解调输出：,28,若要无失真恢复,m,(,t,),，,VSB,滤波器的传输函数必须满足：,在,载频,处,具有,互补对称,特性,含义,：,残留边带滤波器的几何解释：,VSB,信号的,特点,仅,比,SSB,所需,带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。,应用：商业电视广播中的,电视信号传输,等。,滤波法,5.1.,5,线性,调制,(,幅度调制,),的,一般模型,相移法,在接收端，如何从,已调信号,中恢复出,调制信号,m,(,t,),呢,？,QA,解调的任务,!,5.1.,6,相干解调,与,包络检波,相干解调,适用,：,AM,、,DSB,、,SSB,、,VSB,特点,：无门限效应,要求,：载波同步,包络检波,适用,：,AM,信号,优势,：,简单、无需载波同步,要求,：,|,m,(,t,)|,max,小于等于,A,0,35,插入载波包络检波法,适用,：,DSB,、,SSB,或,VSB,等抑制载波的已调信号,原理,：将这些信号插入恢复载波，使之成为或近似,为,AM,信号，然后用包络检波器恢复出,m,(,t,),要求,：,A,d,很大，载波同步,方法,：发端,/,收端插入载波,36,分析模型,5.2,线性调制系统的抗噪声性能,高斯白噪声,已调信号,B,和,f,0,取决于已调信号的频谱,DSB,信号：,B=,2,f,H,f,0,=,f,c,SSB,信号,：,B=,f,H,f,0,=,f,c,f,H,/2,BPF,5.2.,1,模型,与,指标,37,窄带高斯噪声,输出噪声,输出信号,高斯白噪声,已调信号,BPF,解调器,相干解调,包络检波,38,分析模型,解调器,性能指标,制度增益：,输出信噪比：,BPF,39,5.2.,2,DSB-,相干解调,系统的抗噪声性能,相干解调器,S,i,S,o,N,o,N,i,DSB,40,B=,2,f,H,41,相干解调将,n,i,(,t,),中的,正交分量,抑制掉，,从而使信噪比改善,1,倍,。,原因,正交分量,5.2.2,DSB-,相干解调,系统的抗噪声性能,相干解调器,S,i,S,o,N,o,N,i,5.2.,3,SSB,B=,2,f,H,B=f,H,SSB,DSB,44,相干解调抑制正交分量,（无论信号还是噪声）,原因,正交分量,能否说：,DSB,系统的抗噪声性能,优于,SSB,系统呢？,在相同的,S,i,，,n,0,，,f,H,条件下,：,B,=,2,f,H,B,=f,H,DSB,和,SSB,的抗噪声性能相同,。,QA,合成包络,5.2.,4,AM,包络检波,系统的抗噪声性能,（,1,）,大,信噪比时,隔掉,检波输出,：,48,讨论,：,由于,|,m,(,t,)|,max,小于等于,A,0,，所以,G,AM,1,，即,100%,调制，且,m,(,t,),为单频正弦时：,相干解调的,G,AM,如同上式，但不受信噪比条件的限制。,49,小信噪比时，信号被扰乱成噪声，导致输出,信噪比急剧恶化,门限效应,。,（,2,）,小,信噪比时,可见：,50,原因,：,包络检波器,的非线性解调作用,。,大,信噪比时,：,小,信噪比时,：,门限效应,AM-,包络检波,系统的抗噪声性能：,归纳,BPF,解调器,相干解调,包络检波,B=,2,f,H,f,0,=,f,c,B=,f,H,f,0,=,f,c,f,H,/2,线性调制系统的抗噪声性能,：,DSB,SSB,VSB,AM,抑制正交分量,相干解调,小结,5.3,非线性调制,(,角度调制,),原理,概述,角度调制：,FM,和,PM,的总称。,载波的,幅度恒定,，而频率或相位受调制。,属于,非,线性调制,。,抗噪声性能优于幅度调制,优势,。,53,5.3.,1,角度调制的基本概念,1,角,调信号一般表达式,载波的恒定振幅,Omega,c,t,+,Phi,(,t,),已调信号的瞬时相位,相对于,Omega,c,t,的,瞬时相位偏移,Omega,c,+,d,Phi,(,t,)/d,t,已调信号的瞬时角频率,相对于,Omega,c,的,瞬时角频偏,54,K,f,=rad/(sV),K,p,调相灵敏度,(,rad/V,）,PM,：,FM,：,角调信号,：,55,2,PM,与,FM,的关系,PM,是,相位偏移,随,m,(,t,),作 线性 变化；,FM,是,相位偏移,随,m,(,t,),的,积分,作 线性 变化。,若预先不知,m,(,t,),形式，能否判断已调信号是,PM,还是,FM,信号,?,56,则为,窄带调频（,NB,FM,）,；否则,宽带调频（,WB,FM,）,若,最大,瞬时相位偏移满足：,5.3.,3,宽带,调频,57,最大相位偏移,1,单音调频,FM,调频指数,最大角频偏,单音调频信号,：,，,则,设,58,2,FM,信号的频谱与带宽,第一类,n,阶贝塞尔函数,是调频指数,m,f,的函数,傅里叶变换,级数展开,59,讨论,载频分量,和无数多对边频,(,分布在,两侧,),；,边频幅度,A,J,n,(m,f,),随着,n,的增大而逐渐减小；,工程上,，,保留上、下边频分量共有,2,n,=2(,m,f,+1),个；相邻边频之间的频率间隔为,f,m,，所以,FM,带宽近似为：,窄带调频,(NBFM),宽带调频,(WBFM),FM,频谱和传输带宽：,对于,多音,或,任意带限,调制信号时的,FM,信号：,FM,广播的最大频偏,f=,75kHz,，最高调制频率,f,m,=15kHz,，故调频指数,m,f,5,，,FM,信号的频带宽度为,：,推广,：,调制信号的最高频率,例如,：,3,FM,信号的功率分配,载波功率,调制后总的功率不变，只是重新分配，而功率分配的,比例,与调频指数,m,f,有关。,=1,4,FM,的特点 优势 应用,应用：,要求高质量或信道噪声大的场合，例如：调频广播，电视伴音、卫星通信、移动通信、微波通信和蜂窝电话等系统中。,包络恒定；,频偏,随调制信号,m,(,t,),作线性变化；,相偏,随消息信号,m,(,t,),的,积分,作线性变化；,带宽,与,m,(,t,),的带宽和,m,f,有关，比,AM,带宽大,(,m,f,+,1,),倍。,优势：,抗噪声能力强；,代价,：占用较大的信道带宽，因而频谱利用率较低。,5.3.,4,调频,信号的产生与解调,1,调频,信号的产生,1),直接法,原理,：,调制电压控制振荡器的频率：,优点,：,电路简单、可获得较大的频偏；,缺点,：,频率稳定度不高，可采用,PLL,调频器进行改进。,Voltage-controlled oscillator,2),间接法,原理,：,积分,调相,(NBFM),n,次倍频,WBFM,优点,：,频率稳定度好；,缺点,：,需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。,65,2,调频,信号的解调,1),非相干解调,2),相干解调,适用：,NBFM,和,WBFM,思路：,完成,频率,电压,的转换，即：,鉴频器,一种振幅鉴频器,仅适用,NBFM,66,微分器：把幅度恒定的调,频,波,调,幅,调,频,波：,包络检波器,：检出,包络,并滤去直流，,原理,：,幅,/,频都随,m,(,t,),变化,经,LPF,即,得解调输出：,5.4,调频,系统的,抗噪声性能,模型和方法与线性调制系统相似。,解,-,鉴频器,：,单音调制时,大信噪比时,：,可见,：,FM,系统可通过增加传输,带宽,来改善抗噪声性能,;,注意,:,以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。,小信噪比时,：,门限效应,m,f,68,所有系统在“,同等条件,”下进行比较,：,解调器输入信号功率为,S,i,信道噪声均值为,0,，,单边,功率谱密度为,n,0,基带信号带宽为,f,m,其中,AM,的调幅度为,100%,，,正弦型调制信号,5.5,各种,模拟,调制系统,的,比较,69,调制方式,信号带宽,输出信噪比,制度增益,设备,AM,DSB,SSB,VSB,FM,2,1,简单,中等,中等,复杂,复杂,性能比较,：,1,）抗噪声性能,：,FM,最好，,DSB/SSB,、,VSB,次之，,AM,最差；,2,）频谱利用率,：,SSB,最高，,VSB,较高，,DSB/AM,次之，,FM,最差；,3,）功率利用率,：,FM,最高，,DSB/SSB,、,VSB,次之，,AM,最差；,4,）设备复杂度,：,AM,最简，,DSB/FM,次之，,VSB,较复杂，,SSB,最复杂。,特点与应用,1,）,AM,：,优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。,2,）,DSB,：,优点是功率利用率高，带宽与,AM,相同。主要用于调频立体声中的差信号调制，彩色,TV,中的色差信号调制。,3,）,SSB,：,优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于,AM,，而带宽只有,AM,的一半；缺点是收发设备都复杂。常用于频分多路复用系统中。,4,）,VSB,：,抗噪声性能和频带利用率与,SSB,相当。在电视广播等系统中得到了广泛应用。,5,）,FM,：,抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。,5.6,频分复用,(,FDM,),复用：在一条信道中同时传输多路信号,目的：充分利用信道的频带或时间资源,分类：,FDM,、,TDM,、,SDM,、,CDM,频分,：按频率划分信道的复用方式,方法：,调制,合成,传输,分路,解调,原理：图示,FDM,系统原理框图：,典型例子,-,多路,载波电话系统,（,目前，,TDM,替代）,层次结构,：,基群频谱结构示意图：,12,路,一个,基群,5,个基群,一个,超群,（,60,路电话）,10,个超群,一个,主群,（,600,路电话）,多个主群,一个,巨群,（每路,4kHz,）,配套辅导教材：,曹丽娜,樊昌信,编著,国防工业出版社,整理知识 归纳结论,梳理关系 引导主线,剖析难点 解惑疑点,强化重点 点击考点,76,谢谢！,