模拟通信系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 模拟通信系统,信源输出的基带信号：,模拟信号（低通）,信道是带通型的,高频正弦波：,起着运载基带信号的作用，故称为载波。,载波有幅度 、频率 和相位 三个参量，调,制就是基带信号去控制高频载波的某一参量，使高频载,波的某一参量随基带信号的变化而变化。,用基带信号控制载波的幅度，使幅度随基带信号的变,化而变化，称为幅度调制。,用基带信号控制载波的频率，使频率随基带信号的变,化而变化，称为频率调制。,用基带信号控制载波的相位，使相位随基带信号的变,化而变化，称为相位调制。,调制的目的：,1,、为了信号与信道匹配；,调制的本质就是把信号的频谱搬移到信道的通频带,内，使信号的特性与信道匹配。,2,、为了频分复用；,3,、为了频率分配；使通信、电视、广播互不干扰。,4,、可减小干扰。,基带信号也称为调制信号，调制后所得的某参数,随基带信号变化的高频信号称为已调信号。,第一节 幅度调制,基带信号：,高频载波信号：,幅度调制就是用基带信号 去控制高频载波,的振幅，使 的振幅随基带信号的变化而变化。,（载波的幅度随调制信号作线性变化）,已调信号的时域表达式可以表示为：,设,为已调信号的频域表达式。,时域表达式,若设 ，且 ，幅度调制的数学模型为：,乘法器,输出的时域表达式为：,输出的频域表达式为：,这为调制器的一般模型，根据滤波器的不同特性,和调制信号的不同频谱成分，可分为四种调制：,（,1,）完全调幅（,AM,）：滤波器为全通网络，调制,信号 有直流成分。,（,2,）抑制载波双边带（,DSB,）：滤波器为全通网络，,调制信号 无直流成分。,（,3,）单边带调制（,SSB,）：滤波器为截止频率为 的,高通或低通滤波器。,（,4,）残留边带调制（,VSB,）：滤波器为互补特性的,滤波器。,一、双边带调制信号（,DSB/SC,）：,乘法器,时域表达式：,频域表达式：,是频谱在频率轴上的简单搬移，不改变其频谱结构，,已调信号的带宽为调制信号带宽的两倍。,二、完全调幅信号（,AM,）,乘法器,时域表达式：,频域表达式：,为载波项、为双边带信号项,三、单边带（,SSB/SC,）信号：,乘法器,只传送调幅的一个边带的通信方式就称为单边带通信。,单边带按所选取边带的不同，可分为上边带调制和,下边带调制，单边带数学模型可为：,乘法器,下边带时域表达式为：,上边带的时域表达式为：,是 的希尔伯特变换：,仍为基带信号,对于单频信号，可将基带信号移相 ，也是一,样的结果。,由于,和 的希尔伯特变换是正交的。,对于幅度调制，由于它的频谱完全是基带信号频谱,结构在频域内的简单搬移，这种搬移是线性的，并不改,变信号的频谱结构，所以，幅度调制也称为线性调制。,关于解调，先看一例题。,例,4.1 P86,，,4-6,某调制系统如图所示，为了在输,出端同时得到 及 。试确定接收端的 及 。,A,点的信号为：,是两个互相正交的双边带信号，采用相干解调，所以：,看上支路：,低通滤波器滤出高频部分，故上支路的输出为：,同理：,低通滤波器滤出高频部分，故上支路的输出为：,例,4.2,将双边带抑制载波信号,(DSB/SC),经平方律检,波器，然后用中心频率为 的带通滤波器滤波。试证明,滤波器输出信号的包络近似正比于消息信号的能量。,提示：,经过带通滤波器后，第一项低频被滤出，所以：,其包络为 ，近似正比于消息信号的能量。,第二节 线性调制系统的抗噪声性能,已调信号通过信道后到达接收端，在信道中受到噪声,干扰，主要为加性噪声，取决于起伏噪声，起伏噪声视为,高斯白噪声，考虑线性系统存在加性高斯白噪声时的抗噪,声性能。,1,、模型：,信道,带通滤波器,解调器,同时,所以,若信号是确知的或满足各态历经性，用时间平均值代替,带通滤波器的带宽为,B,，那么，解调器输入的噪声,也具有带宽,B,，噪声的平均功率为：,n,0,还是噪声的单边功率谱密度，就为解调器输入噪声,的平均功率。,输入的信噪比,如果用 表示解调器输出的有用信号，用 表,示输出的噪声信号，解调器输出信号的信噪比为：,为了描述解调器的抗噪声性能，引入调制制度增益,调制制度增益的物理含义：,表示解调器输出信噪比比,输入信噪比的改善程度,。一般,G,越大，对信噪比的改,善就越好。,2,、,DSB/SC,的抗噪声性能：,同步解调器,输入的信噪比,同步解调器,先解调有用信号，相乘器的输出为：,经低通滤波器后：,同理，窄带噪声经解调后，输出为：,输出的信噪比为：,调制制度增益为：,说明双边带信号的解调器使信噪比改善了一倍。,3,、,SSB/SC,系统的抗噪声性能：,同步解调器,输入的信噪比,解调器输出的噪声信号仍然为：,解调有用信号：,输出的信噪比为：,调制制度增益为：,单边带系统的调制制度增益是双边带调制系统的,一半，是不是双边带系统的抗噪声能力比单边带强呢？,考察相同的噪声功率谱密度，解调器输入信号的,功率也相同的情况：,对相同的信道，噪声功率谱密度相同，同样的调制,信号，单边带和双边带系统输出的信噪比也相同，两者,的抗噪声能力是一样的，但单边带只占有双边带一半的,带宽，更节约资源。,4,、,AM,系统的抗噪声性能（包络检波法）,输入,输出,大信号二极管检波器,输入信号的功率为：,载波功率,边带信号功率,噪声功率为,输入的信噪比为：,检波器输入端的信号加噪声的合成包络为：,所以，合成包络为,若包络检波器的传输系数为,1,，检波器的输出就为,，对大信噪比的情况：,为直流成分，为有用信号，为输出噪声。,解调器输出的信号功率为：,解调器输出的噪声功率为：,输出的信噪比为：,对于,100%,调制，假设 为正弦,信号,调制制度增益为：,在小信噪比情况下，包络检波器会把有用信号扰乱,成噪声，作为随机噪声处理。,例：,P88,4-13,设某信道具有均匀的双边带功率谱密度,，在该信道中传输振幅调制信,号，并设调制信号 的频率限制于 ，载频是,，边带功率是 ，载波功率 ，若接收,机的输入信号先经过一个理想的带通滤波器，然后再加,至包络检波器进行解调。求：,（,1,）解调器输入端的信噪比；,（,2,）解调器输出端的信噪比；,（,3,）调制制度增益。,已知：,提示：,（,1,）输入功率,输入噪声的功率为,输入的信噪比为：,（,2,）输出端的信噪比,调制制度增益为：,第三节 非线性调制的原理,用基带信号控制载波的频率，使频率随基带信号的变,化而变化，称为频率调制。,FM,用基带信号控制载波的相位，使相位随基带信号的变,化而变化，称为相位调制。,PM,无论是频率调制还是相位调制，都表现为载波总的,相角受到调制，故又称为,角度调制,。由于角度调制信号,的频谱结构与调制信号的频谱结构相比发生变化，并且,呈非线性变换关系，因此也称为非线性调制。,一、非线性调制的原理：,对任何一个正弦时间函数，若振幅不变，表示为：,瞬时相位,瞬时角频率,所以：,一般角度调制的时间表示式为：,瞬时相位,未被调制的载波相位,瞬时相位与载波相位的差，称为瞬时相位偏移,瞬时角频率为：,瞬时角频率偏移,调频信号：瞬时角频率偏移随调制信号 成比例变化,的调制。,调频器的灵敏度,瞬时相位偏移为：,频率调制的时域表达式为：,如果调制信号 有最大值 ，那么就存,在一个最大角频率偏移,调频信号的最高和最低角频率为,角频率随调制信号幅度的变化而变化，所以，调频,信号为疏密相间的等幅波。疏密随调制信号 的幅度,而改变，调制信号的幅度大，波形密；幅度小，波形疏。,振幅为正的最大值时最密，为负的最大值时最疏。,对调频信号还可根据最大相位偏移和最大角频率偏移,分为窄带调频和宽带调频，当最大相位偏移和最大角频率,偏移较小时，对应的时间函数表达式可以简化，所占频带,窄。,窄带调频的条件为：,可将调频信号展开，因瞬时相位偏移较小，可用,可求得窄带的频谱及带宽。,宽带调频的条件,设调制信号为单音频信号,调频信号对应的瞬时相位偏移为：,调频信号为,调频指数,调频指数与调制信号的幅度成正比，与调制信号的,频率成反比。,最大角频率偏移,对单频信号,所以单频信号的调频指数为：,宽带调频的总带宽为：,对单频信号,调相信号：瞬时相位偏移随调制信号 成比例变化的,调制。,为调相灵敏度,相位调制的时域表达式为：,瞬时角频率偏移为：,调相信号也为疏密相间的等幅波，但其疏密变化不,直接反映调制信号 的幅度，而是反映调制信号的幅,度随时间的变化率。,调频和调相均为疏密相间的等幅波，从输出波形是,不能区分的，从时域表达式看,调频,FM,调相,PM,密,疏,积分,调相器,输出的调相信号为,瞬时角频率偏移为：,瞬时角频率偏移与调制信号 成正比，调相器,输出调频信号。先积分后调相等于调频。,微分,调频器,输出的调频信号为,瞬时角频率偏移为：,瞬时相位偏移与调制信号 成正比，调频器,输出调相信号。先微分后调频等于调相。,输出结果 是调频波还是调相波，还要看输入的,调制信号，调频器可以输出调相波，调相器可以输出调,频波，说明调频波和调相波在本质上没有多大区别。,例、,2MHz,载波受,10KHz,单频正弦调频，峰值频偏为,10KHz,。求：,（,1,）调频信号的带宽；,（,2,）调制信号幅度加倍时，调频信号的带宽；,（,3,）调制信号频率加倍时，调频信号的带宽,（,4,）若峰值频偏减为,1KHz,，重复计算（,1,）（,2,）（,3,）,已知：,提示：（,1,）,（,2,）,（,3,）,（,4,）,例：已知调频信号 。调频器,的调频频偏常数 ，求,：（,1,）载频 ；（,2,）调,频指数 ；（,3,）最大频偏 ；（,4,）调制信号 。,提示：（,1,）,已知：,二、非线性调制系统的抗噪声性能：,（,1,）基本原理,信道,带通滤波器,解调器,解调器输入的信噪比为：,求解调器输出的信噪比：鉴频法解调,带通限幅器,鉴频器,解调器,带通限幅器 消除接收信号可能在幅度上的畸变。,鉴频器,又称为频率检波器，将频率变换为电压，完成,频率,电压的变换作用。基本结构为,变换器,包络检波器,鉴频器,变换器有三种基本类型：时域微分变换器、斜率,鉴频器、相位鉴频器。,时域微分变换器,包络检波器,鉴频器,时域微分变换器完成对输入信号的微分运算，使,调频波瞬时频率偏移变成调频波包络的变换，通过包,络检波器能还原基带信号。,微分后的包络为：,第一项为直流，因此，只要对微分后的信号进行,包络检波，隔去直流就能还原基带信号。,2,、调频（,FM,）的抗噪声性能：,用时域微分变换器解调，是非相干解调，同时,鉴频器为非线性部件。信号与噪声经信道后进入带通,滤波器，噪声对幅度的影响经带通限幅器可以消除，,但噪声对相位也要产生影响，信号与噪声合成后，总,的相位既与信号有关，也与噪声有关。进入鉴频器，,鉴频器为非线性部件，不满足叠加性，不能单独解调，,解调过程中信号与噪声相互作用，作近似处理,：（,鉴,频是使瞬时频率偏移变成调频波包络,，所以关心的是,瞬时相位）,解调器输入的有用信号和噪声的混合波形为：,设合成波为：,经带通限幅器后波形为：,参考基线,所以，瞬时相位为：,求得瞬时相位，原则上可以求瞬时频率偏移，瞬时,频率偏移与调制信号成正比，所以解调器的输出电压应,正比于瞬时频率偏移，在大信噪比条件下：,为载波的相位，是与有用信号有关的项，,取决于噪声的项。解调器在大信噪比,条件下输出的信号应与瞬时频率偏移成正比：,解调器输出的有用信号：,解调器输出的噪声为：,将 视作正弦窄带高斯噪声的正交分量,已知：,同时 是 通过理想微分电路的输出，所以,的功率谱密度应等于 的功率谱密度乘以理想微分电路,的功率传输函数。,的功率谱密度,由傅立叶变换的性质,理想微分电路的功率传输函数为,所以 的功率谱密度 为：,输出的功率谱密度在频带内是不均匀的，而是与,频率的平方成正比。,由于鉴频器输出的信号还经过低通滤波器，设低通,滤波器的截止频率为 ，且有 ，是带通限,幅器的带宽 ，可求得输出噪声的功率。,调制制度增益为：,考察最简单的情况，调制信号为一单频余弦波,宽带调频：,瞬时角频率偏移就为：,调频指数为：,输出的信噪比表示为：,调制制度增益为：,在大信噪比条件下，宽带调频解调器的调制制度,增益很高，既抗噪声性能很好。,（,C,）,FM,与,AM,抗噪声性能比较：,对,AM,系统，对,100%,调制，包络,检波的输出为：,若,AM,、,FM,接收端输入的幅度相同，单边功率谱密,度 相同，即,调频系统输出的信噪比比调幅,系统输出的信噪比提高了 倍。,从带宽上看，,调频系统输出的信噪比比调幅系统的好,300,倍，但,带宽是调幅系统的,11,倍，比调幅系统的带宽宽很多。所,以，调频系统和调幅系统比较，抗噪声性能得到了非常,大的改善，但使用了较大的带宽，高性能的结果是以牺,牲频带为代价换来的。,第四节 各种模拟系统的比较,调制方式,DSB,SSB,AM,FM,带宽,B,噪声,第五节 频分复用,线性调制能利用不同频率的载波，把需要传送的,低频信号搬移到信道频带内不同的频率位置上，并使,搬移后的频谱互不重叠，在接收端利用不同的中心频,率的带通滤波器，分别取出各个已调信号的频谱后再,解调，还原出各个调制信号，这就是频分复用。在实,际应用中，单边带调制（,SSB,）是频分多路复用常用,的调制方式，因为单边带信号的频带利用率高，相同,带宽的信道允许复用的路数最多。,频分复用组成框图如图,信道,频分复用的最大特点是在同一信道上同时传送多个,信号而互不干扰。所以，也可以说，,频分复用就是各路,信号分别占用不同的频带同时在信道中传送的复用方式。,各路信号在频带上是严格区分的，但在时间上是混叠的,。,对于频分复用，对各路信号只是选择不同的载频,是不够的，应考虑边带频谱的宽度，使频谱不要互相重,叠。为了防护各路信号间的干扰，还要留一定的防护频,带 ，对单边带调制，若第,i,路的载频为 ，第,i+1,路,的载频 应为：,若为双边带调制,单边带频分复用，每一路占用的带宽为,双边带频分复用，每一路占用的带宽为,对于,n,路单边带信号，中间有,n-1,个防护带，所以,n,路单边带信号的总带宽为：,对于,n,路双边带信号，中间有,n-1,个防护带，所以,n,路单边带信号的总带宽为：,复合调制：就是对同一载波进行两种或更多种的调制，,复合调制载波只有一个，基带信号可以不止一个。,多级调制：将同一基带信号实施两次或更多次的调制,基带信号只有一个，调制方式可以相同，可以不同。,