第二章-模拟调制系统.pptx

通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院第2章 模拟调制系统通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院本章学习要求：了解：调制的功能与分类掌握：常规双边带调制(AM)信号的时域表示 掌握：AM信号的频域表示、功率和效率 掌握：AM的调制与解调 了解：抑制载波双边带调制信号 了解：单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）了解：非线性调制系统了解：窄带频率调制NBFM 宽带调频WBFM 了解：窄带调相NBPM 宽带调相WBPM 了解：模拟调制系统的抗噪声性能 了解：线性调制系统的抗噪声性能了解：非线性调制系统的抗噪声性能通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院2.1 调制的功能及分类信道的概念：所有信号传输媒介的总称，用来将信号从发送设备传到接收设备。信道的分类：p无线信道 电磁波（含光波）p有线信道 电线、光纤地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km无线信道 信道的概念信道的概念通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院明线对称电缆：由许多对双绞线组成导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质同轴电缆信道有多种多样，每种信道都只能传输某一类信号，怎么样让我们想传输的信号能够在信道中高效、可靠的传输？通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院调制的概念所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。具体的说，就是按照调制信号（基带信号）的变化规律去改变高频载波某些参数的过程。实质上是将调制信号的频谱从某个频率位置搬移到另一频率位置上。调制信号：指来自信源的基带信号。载波：未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已调信号：载波受调制后称为已调信号。解调（检波）：调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院2.1.1 调制的功能 把基带信号调制到较高的频率(一般调制到几百kHz到几百MHz甚至更高的频率)，使天线容易辐射；便于频率分配：为使无线电台发出的信号互不干扰，每个发射台都被分配给不同的频率；有 利 于 实 现 信 道 多 路 复 用，提 高 系 统 的 传 输 有 效 性、Internet技术的广泛应用；可以减小噪声和干扰的影响，提高系统的传输可靠性。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院2.1.2 调制的分类（1）根据调制信号分类 模拟调制：调制信号是模拟信号的调制；数字调制：调制信号是数字信号的调制。（2）根据载波分类 连续载波调制：以正弦信号作载波的调制；脉冲载波调制：以脉冲序列作载波的调制。载波信号是时间间隔均匀的矩形脉冲。（3）根据调制器的功能分类 幅度调制一一调制信号改变载波信号的振幅参数，即利用的幅度变化来传送的信息。如调幅(AM)、脉冲振幅调制(PAM)和振幅键控(ASK)等。频率调制一一调制信号改变载波信号的频率参数，即利用的频率变化来传送的信息。如调频(FM)、脉冲频率调制(PFM)和频率键控(FSK)等。相位调制一一调制信号改变载波信号的相位参数，即利用的相位变化来传送的信息。如调相(PM)、脉冲位置调制(PPM)、相位键控(PSK)等。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院（4）根据调制前后信号的频谱结构关系分类 线性调制一一输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性关系，如(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)等。非线性调制一一输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间没有线性对应关系，即已调信号的频谱中含有与调制信号频谱无线性对应关系的频谱成分，如FM、FSK等。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院模拟通信系统模型 通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院2.2 2.2 线性调制系统线性调制系统 常规双边带调制系统(AM)(1)常规双边带调制(AM)信号的时域表示 设调制信号为f(t)，其平均值f(t)=0。f(t)叠加直流A0后对载波的幅度进行调制，就形成常规调幅信号。时间波形表达式时间波形表达式为：为：sAM(t)=AC A+f(t)cos(ct+c)其中其中 c为载波信号的角频率为载波信号的角频率 c为载波信号的起始相位为载波信号的起始相位通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院一、常规调幅一、常规调幅(AM)波形波形通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院一、常规调幅一、常规调幅调制波包络无失真条件调制波包络无失真条件A|f(t)|max时，SAM(t)的最小振幅总大于0，保证调幅波的包络与调制信号变化规律一致A|f(t)|max时，会出现过调幅现象，若用包络检波进行解调，其结果就会失真通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院一、常规调幅（一、常规调幅（AM）调幅系数或调制度调幅系数或调制度 ma=ma11为过调幅为过调幅|f(t)|maxA通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院 令载波初相为0时，已调信号为：频域特性分析若有：则已调信号的频谱为：载波幅度，已调信号的组成部分通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院 已调信号的频谱图：1.形状相同，位置搬移；2.AM信号含载波分量；3.AM 信号是双边带信号，带宽 BAM=2W=2fH4.下边带是上边带的镜像下边带上边带上边带载频分量载频分量通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院（2）常规双边带调制信号的频域表示 常规双边带调制信号的频谱就是将调制信号的频谱减小一半后分别搬移到以为中心处，且在处还各有一个强度为的冲击分量，如图所示。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院 调幅信号的平均功率为：功率特性分析常规调幅信号的功率由载波功率Pc和边带功率Pf组成；边带功率与调制信号有关，是有用功率：载波功率？因为通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院 调制效率：边带功率与总功率之比，即：当 时，有：此时：若 ，调制效率最大值为1/3。常规调幅调制效率低，载波分量不携带信息却占用大部分功率！改进方案-抑制载波双边带调制通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院 复习：AM调制时间波形表达式时间波形表达式为：为：sAM(t)=AC A+f(t)cos(ct+c)频域表达及频谱频域表达及频谱为：为：AM调制信号的带宽调制信号的带宽为：为：BAM=(fc+fm)-(fc+fm)=2fm通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院复习：AM调制AM调制信号的功率调制信号的功率为：为：ma=ma1为过调幅|f(t)|maxA调幅系数或调制度为调幅系数或调制度为AM调制信号的调制效率调制信号的调制效率为：为：若 ，调制效率最大值为1/3通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院2.2.2抑制载波双边带调幅（DSB）常规双边带调制的最大缺点就是调制效率低，其功率中的大部分都消耗在本身并不携带有用信息的直流分量上，如果将这个直流成分完全取消，则效率可以提高到100%，这种调制方式就是抑制载波双边带调制，简称DSB。直接用f(t)调制载波的幅度 DSB信号的表达式信号的表达式双边带信号的时间波形表达式：sDSB(t)=f(t)cos c t相应的已调信号的频谱表达式：SDSB()=F(+c)+F(-c)/2通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院 抑制载波双边带调幅波形 抑制载波双边带调幅频谱反相点观察并分析：v包络v频谱组成v带宽v调制效率通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院l解调-AM（非相干和相干解调两种方法）（1）直接采用包络检波法-用非线性器件和滤波器分离提取出调制信号的包络，获得所需的信息，也称之为信号的非相干检波，其原理框图如图（a）所示。（2）相干解调-通过相乘器将收到的信号与接收机产生的、与调制信号中的载波同频同相的本地载波信号相乘，然后再经过低通滤波，即可恢复出原来的调制信号，如图（b）所示。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院l解调-AM（非相干和相干解调两种方法）（1）非相干解调（解调器可以是包络检波器）常规调幅信号（AM）一般采用非相干解调包络检波原理如下：其中RC的取值范围为：检波器的输出为：通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院l解调非相干解调（解调器可以是包络检波器）常规调幅信号（AM）一般采用非相干解调包络检波原理如下：其中RC的取值范围为：检波器的输出为：通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院l解调-DSB（仅能通过相干解调）相干解调：解调时所使用的载波与调制载波同频同相。相干解调的关键：必须产生一个同频同相的载波 表达式如下：经低通后，得到：从而恢复了原有的调制信号。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院DSB与AM信号的比较DSB的调制效率：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。双边带的上、下两个边带有什么关系？一个边带携带了调制信号的全部信息。进一步改进：单边带调制进一步节省载波功率和带宽随着性能的改善，技随着性能的改善，技术复杂度也越来越高，术复杂度也越来越高，实际应用时往往需要实际应用时往往需要折衷取舍。折衷取舍。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院（3）单边带调幅（SSB）用用滤波法滤波法形成单边带信号形成单边带信号 图中图中HSSB()为单边带滤波器的传递函数为单边带滤波器的传递函数仅利用一个边带传输信息的调制方式就是单边带调制，简称SSB通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院l 用滤波法形成单边带信号上边带和下边带滤波器的传递函数分别为：单边带信号的频谱:FSSB()=FDSB()HSSB()通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院l 用滤波法形成单边带信号（选学）只有当f B时，滤波器方可实现f 滤波器从通带到阻带的过滤带 B双边带的上、下边带之间的一定的 频率间隔通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院归一化值：反映滤波器衰减特性的陡峭程度其中：f 滤波器过滤带，fc 单边带信号的载频滤波器归一化值：一般要求：10-3否则，滤波就难以实现。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院 多级滤波法原理如下图所示(仅了解)其中：，通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院l 用相移法形成单边带信号由双边带信号的时域表达式得：l 单频调制信号为 f(t)=Am cos m tl 载波为 c(t)=cos ct l 双边带信号的时域表达式为 上边带下边带通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院l 用相移法形成单边带信号保留上边带的单边带调制信号：保留下边带的单边带调制信号：同相分量同相分量正交分量正交分量通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院 相移法形成单边带信号原理如下图所示。SSB信号第一项为同相分量，第二项为正交分量。若调制信号为非周期信号，则通过希尔伯特变换实现SSB信号的产生。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院l 单边带信号的解调（相干解调）解调器由乘法器和低通滤波器组成，要求接收端的本地载波与发送端载波完全同步通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院 单边带信号的解调（相干解调）单边带信号的解调（相干解调）由于输入信号为：所以 经低通后输出为：通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院单边带调制分析单边带调制分析性能分析SSB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。单边带调制节省带宽和功率，实现困难双边带调制容易实现，占用2倍带宽折衷方案：在实现难度和占用带宽中折衷 通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院（4）残留边带调制（）残留边带调制（VSB)残留边带调制残留边带调制：对单边带和双边带调制进行折衷，即保留了一个边带的绝大部分和另一个边带的一小部分。优点优点：避免实现上的困难代价代价：输出带宽介于SSB和 DSB信号的带宽之间。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院（4）残留边带调制（）残留边带调制（VSB)残留边带信号的产生残留边带信号的产生（采用滤波法）时域表达式时域表达式：sVSB(t)=sDSB(t)*hVSB(t)频域表达式频域表达式：通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院（4）残留边带调制（）残留边带调制（VSB)（选讲选讲）残留边带信号的解调（相干解调）残留边带信号的解调（相干解调）其输出为：=为了相干解调时无失真的得到调制信号，残留边带滤波器的传递函数在载频分割处必须具备互补对称特性通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院 相干解调输出信号的频谱为：经低通后输出整理合并，得通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院总总 结结通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院总结：各种线性调制的比较总结：各种线性调制的比较AM调制调制优点优点：解调简单，采用包络检波器缺点缺点：调制效率较低，传输带宽较宽应用应用：广泛用于公共无线电广播DSB调制调制优点：优点：功率利用率高缺点：缺点：带宽仍较宽，设备较复杂，接收要求同步解调应用：应用：常用于点对点专用通信，运用不广泛通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院总结：各种线性调制的比较总结：各种线性调制的比较SSB调制调制优点优点：功率和频带利用率都较高缺点缺点：设备复杂，接收要求有同频同相的相干载波应用应用：广泛用于短波远距离通信、大容量有线载波通信通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院总结：各种线性调制的比较总结：各种线性调制的比较VSB调制调制优点：优点：基本性能接近SSB，边带滤波器较SSB边带滤波器容易实现。缺点：缺点：解调要求有同频同相的相干载波应用：应用：广播电视的视频调制改进：改进：若发送时同时发送载频，接收可采用包络检波，简化接收机的电路。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院23 非线性调制系统非线性调制系统231 一般概念 1、调制利用高频载波的三个参数（幅度、频率、相位）之一携带调制信号的信息。2、线性调制使载波的幅度随调制信号发生线性变化。3、非线性调制载波的瞬时频率或相位随调制信号线性变化，即控制载波的瞬时频率或相位变化，其变化 的周期由的频率决定，而幅度则保持不变的调制。根据控制的是载波的角频率还是相位：频率调制(Frequency Modulation)简称调频，记为FM；相位调制（Phase Modulation），简称调相，记为PM。2008.8copyright 南航信息科学与技术学院48非线性调制m(f)sm(f)频谱之间没有线性对应关系通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院PM与与 FM的关系的关系 1.PM的相位偏移随调制信号m(t)线性变化，FM的相位偏移随m(t)的积分呈线性变化。2.如果不知道调制信号m(t)，则无法从已调信号判断是调相信号还是调频信号。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院232 频率调制频率调制(FM)1、依据瞬时相位偏移是否远小于0.5或 ,可划分为:窄带调频（NBFM）宽带调频（WBFM）依据的数学表示式为：或0.5，调频为窄带调频；否则为宽带调频。2.3.2.1 2.3.2.1 窄带频率调制窄带频率调制NBFMNBFM1、时域表达式为：2、窄带调频信号的频谱为：xcvxcvxc通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院a）、（b）、（c）分别为调制信号、常规双边带调制信号 和窄带调频信号 的频谱。单频调制时的常规调幅和窄带调频信号频谱 通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院2.3.2.2 宽带调频宽带调频WBFM1、单频信号调制下的宽带调频信号其中 称为第一类n阶贝塞尔函数。2、单频调制时宽带调频信号的频谱为：3、由于调频信号只改变载波的频率疏密程度，而不改变其幅度，故调频前后信号的总功率不变，只是由调频前的信号功率全部分在载波上改为调频后分配在载频和各次边频分量上。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院4、产生调频信号(1)(1)直接调频法直接调频法用调制信号直接控制高频振荡器的元件参数用调制信号直接控制高频振荡器的元件参数(一般都是电感或一般都是电感或者电容者电容)，使其振荡频率随着而变化。，使其振荡频率随着而变化。最常用的变容二极管调频电路，就是利用变容二极管的容量随最常用的变容二极管调频电路，就是利用变容二极管的容量随外加电压变化而改变的特性来改变输出振荡频率的。外加电压变化而改变的特性来改变输出振荡频率的。(2)(2)间接调频法间接调频法间接调频则是通过调相电路来产生调频信号的。间接调频则是通过调相电路来产生调频信号的。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院2008.8copyright 南航信息科学与技术学院78FM与与PM之间的联系之间的联系 （a）直接调频 （b）间接调频 (c)直接调相 (d)间接调相适用于宽带调制 适用于宽带调制 适用于窄带调制 实际相位调制器的调制范围有限 通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院(1)最简单的非相干解调就是鉴频(2)相干解调方式 5、调频信号的解调可以采用相干解调和非相干解调 通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院233 相位调制相位调制(PM)调相有宽带调相和窄带调相之分。它的划分依据是：当时，为窄带调相.2331 窄带调相NBPM1、窄带调相的表达式为：2、窄带调相的频谱为：通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院2 23 33 32 2 宽带调相宽带调相WBPMWBPM1、单频调相信号的另一种表示形式为：2、单频调制时宽带调相信号的频谱为：通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院各种系统比较各种系统比较 调频系统的性能优于调相系统。故一般模拟调制中都采用调频而非调相，只是把调相电路作为产生调频信号的一种方法。调频制主要用于调频广播、电视、通信及遥控遥测等设备中。相位调制主要用于数字通信系统和产生间接调频。和调幅制相比，角度调制的主要优点是抗干扰性能强，传输的带 宽越大，抗干扰的性能就越强。缺点是占用频带宽（指宽带FM），设备比AM系统复杂。通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院832.4.1 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能2.4.1 分析模型噪声分析：噪声功率：通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院842.4.1 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能设白噪声单边功率谱密度为n0，带通滤波器是高度为1，带宽为B的理想矩形函数，则解调器输入噪声功率为 。输出信噪比输入信噪比通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院852.4.1 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能输出信号功率输出噪声功率 输出信噪比 制度增益通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院862.4.2调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能分析模型输入调频信号输入信号功率输入噪声功率输入信噪比通信原理通信原理电子信息与自动化学院电子信息与自动化学院作业：P50，题2.49 题2.53，题2.54，题2.55谢谢！