模拟调制.pptx

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,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,*,1,模拟调制,第,1,页,/,共,83,页,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,第,2,页,/,共,83,页,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？,第,3,页,/,共,83,页,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？,第,4,页,/,共,83,页,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,第,5,页,/,共,83,页,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,可从不同角度分类：,都有哪些,调制方式？,第,6,页,/,共,83,页,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,第,7,页,/,共,83,页,一般模型,幅度调制（线性调制）的原理,边带滤波器,第,8,页,/,共,83,页,5.1.,1,常规,调幅,（,AM,）,AM,表达式,AM,调制器,条件：,边带项,载波项,第,9,页,/,共,83,页,AM,波形和频谱,第,10,页,/,共,83,页,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。,第,11,页,/,共,83,页,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）：,第,12,页,/,共,83,页,-,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：,m1,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。,第,13,页,/,共,83,页,第,14,页,/,共,83,页,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！,第,15,页,/,共,83,页,条件：,如何提高调制效率？,抑制载波！,Q,A,第,16,页,/,共,83,页,5.1.,2,双边带调制,（,DSB-SC,）,条件：,DSB,表达式,DSB,调制器,double-sideband suppressed carrier,第,17,页,/,共,83,页,DSB,波形和频谱,第,18,页,/,共,83,页,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,？,Q,A,第,19,页,/,共,83,页,5.1.,3,单,边带调制,（,S,SB,）,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。,第,20,页,/,共,83,页,边带滤波特性,H,SSB,(,),第,21,页,/,共,83,页,（,2,）,相移法,USB,+,-,-,第,22,页,/,共,83,页,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,：,第,23,页,/,共,83,页,24,第,24,页,/,共,83,页,SSB,信号的,特点,优点之一是频带利用率高。其传输带宽仅为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 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。,第,25,页,/,共,83,页,5.1.,4,残留,边带调制,（,V,SB,）,介于,SSB,与,DSB,之间的折中方案。,第,26,页,/,共,83,页,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,？,第,27,页,/,共,83,页,相乘,：,LPF,解调输出：,第,28,页,/,共,83,页,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：,第,29,页,/,共,83,页,残留边带滤波器的几何解释：,第,30,页,/,共,83,页,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。,第,31,页,/,共,83,页,滤波法,5.1.,5,线性,调制,（幅度调制）,的,一般模型,相移法,第,32,页,/,共,83,页,在,接收,端,，,如何从,已调信号,中恢复出,调制信号,m(t),呢,？,Q,A,解调的任务,!,第,33,页,/,共,83,页,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,第,34,页,/,共,83,页,包络检波,适用,：,AM,信号,优势,：,简单、无需载波同步,要求,：,|,m,(,t,)|,max,A,0,第,35,页,/,共,83,页,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,第,36,页,/,共,83,页,分析模型,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,第,37,页,/,共,83,页,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,第,38,页,/,共,83,页,分析模型,解调器,性能指标,调制制度增益（信噪比增益）：,输出信噪比：,BPF,第,39,页,/,共,83,页,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,第,40,页,/,共,83,页,B,=,2,f,H,第,41,页,/,共,83,页,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,第,42,页,/,共,83,页,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,第,43,页,/,共,83,页,B,=,2,f,H,B,=f,H,SSB,DSB,第,44,页,/,共,83,页,相干解调抑制正交分量,（无论信号还是噪声）,原因,正交分量,第,45,页,/,共,83,页,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。,Q,A,第,46,页,/,共,83,页,合成包络,5.2.,4,AM,包络检波,系统的抗噪声性能,第,47,页,/,共,83,页,（,1,）,大,信噪比时,隔掉,检波输出,：,第,48,页,/,共,83,页,讨论,：,由于,|,m,(,t,)|,max,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。,第,49,页,/,共,83,页,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：,第,50,页,/,共,83,页,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,第,51,页,/,共,83,页,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,第,52,页,/,共,83,页,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,。,第,53,页,/,共,83,页,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,c,t,+,(,t,),已,调信号的瞬时相位,相对于,c,t,的,瞬时相位偏移,c,+,d,(,t,),/d,t,已,调信号的瞬时,角频率,相对于,c,的,瞬时角频偏,第,54,页,/,共,83,页,在接收端，如何从已调信号中恢复出,在电视广播等系统中得到了广泛应用。,B 和 f0 取决于已调信号的频谱,线性调制系统的抗噪声性能,包络不再与m(t)成正比；,VSB较复杂，SSB最复杂。,适用：NBFM和WBFM,原理：将这些信号插入恢复载波，使之成为或近似,包络不再与m(t)成正比；,缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。,经LPF即得解调输出：,调制效率100，即功率利用率高。,对于多音或任意带限调制信号时的FM信号：,相干解调抑制正交分量（无论信号还是噪声）,这一点对于移动通信系统尤为重要。,常用于频分多路复用系统中。,信道噪声均值为0，单边功率谱密度为 n0,K,f,=rad/(sV),K,p,=rad/V,PM,：,FM,：,角调信号,：,第,55,页,/,共,83,页,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,?,第,56,页,/,共,83,页,57,第,57,页,/,共,83,页,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,第,58,页,/,共,83,页,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,第,59,页,/,共,83,页,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,第,60,页,/,共,83,页,讨论,载频分量,c,和无数多对边频,c,n,m,（分布在,c,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：,第,61,页,/,共,83,页,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,：,第,62,页,/,共,83,页,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,第,63,页,/,共,83,页,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 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。,第,64,页,/,共,83,页,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。,第,65,页,/,共,83,页,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。,第,66,页,/,共,83,页,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,第,67,页,/,共,83,页,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,：,第,68,页,/,共,83,页,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,第,69,页,/,共,83,页,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,第,70,页,/,共,83,页,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,第,71,页,/,共,83,页,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。,第,72,页,/,共,83,页,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。,第,73,页,/,共,83,页,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,第,74,页,/,共,83,页,FDM,系统原理框图：,第,75,页,/,共,83,页,2 DSB-相干解调系统的抗噪声性能,2 DSB-相干解调系统的抗噪声性能,3 单边带调制（SSB）,看来，调制在通信系统中起着至关重要的作用！,在相同的Si，n0，fH条件下：,常用于频分多路复用系统中。,载频分量c和无数多对边频cnm（分布在c两侧）；,窄带调频(NBFM),12 路 一个基群,5 个基群 一个超群（60路 ）,典型例子,-多路载波 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 ）,10个超群 一个主群（600路 ）,多个主群 一个巨群,（每路,4kHz,）,第,76,页,/,共,83,页,DSB,波形和频谱,第,77,页,/,共,83,页,5.1.,4,残留,边带调制,（,V,SB,）,介于,SSB,与,DSB,之间的折中方案。,第,78,页,/,共,83,页,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,第,79,页,/,共,83,页,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,第,80,页,/,共,83,页,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,第,81,页,/,共,83,页,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,：,第,82,页,/,共,83,页,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,：,第,83,页,/,共,83,页,