第四章-模擬調制技術分解

第四章模擬調制系統(tǒng) 通信原理 通信原理 概述 通信原理 調制的定義 調制 將基帶信號的頻帶搬移至適合信道傳輸的頻譜位置的過程 解調 是調制的反變換 是將調制的信號還原成基帶信號的過程 通常未調制的信號 基帶信號 稱為調制信號 而調制后的信號稱為已調信號 完成頻帶搬移的則為載波信號 調制是通過調制信號 基帶信號 控制載波的某個 或某些 參數來實現的 通信原理 4 1概述 通信原理 調制的分類 調制 正弦波調制 脈沖調制 模擬調制 數字調制 通信原理 調制的分類 按基帶信號對載波的控制參量 幅度 頻率或相位 分類 分為調幅 調頻 調相 按已調信號的頻譜結構分類 線性調制 已調信號的頻譜結構與基帶信號的頻譜結構相同 非線性調制 已調信號的頻譜結構與基帶信號的頻譜結構不同 通信原理 主要內容 通信原理 4 1幅度調制 幅度調制 正弦載波幅度隨調制信號變化的調制方式 調制信號 已調信號 載波信號 頻譜特性 令 是基帶信號頻譜在頻域內的簡單搬移 通信原理 幅度調制的一般模型 幅度調制的一般模型由一個相乘器和一個沖激響應為h t 的帶通濾波器組成 選擇不同的h t 可以得到各種線性調制信號 通信原理 4 1幅度調制 通信原理 常規(guī)雙邊帶調幅 AM 調制 調制模型 設調制信號 通信原理 常規(guī)雙邊帶調幅 AM 調制各點波形 通信原理 常規(guī)雙邊帶調幅 AM 調制各點波形 屬于頻帶信號 通信原理 調制的逆過程叫做解調 AM信號的解調方法有兩種 相干解調和非相干解調 1 相干解調用一個低通濾波器 就無失真的恢復出原始的調制信號 常規(guī)雙邊帶調幅 解調 通信原理 2 非相干解調 包絡檢波法 通信原理 通信原理 常規(guī)雙邊帶調幅 AM特點 常規(guī)雙邊帶調幅信號中的載波不攜帶任何信息 而且占據了信號一半以上的功率 非常浪費 其調制效率也很低 帶寬為為了提高效率 將功率充分地應用到有用的邊帶去 可把載波抑制掉 即可得到抑制載波的雙邊帶調幅 通信原理 4 1幅度調制 通信原理 調制原理 抑制載波的雙邊帶調幅 調制 通信原理 乘法器輸出為 經低通濾波器濾除高次項 得 抑制載波的雙邊帶調幅 解調 解調原理 相干解調 通信原理 通信原理 抑制載波的雙邊帶調制 特點 1 抑制載波的雙邊帶調幅節(jié)省了載波功率 2 頻帶寬度仍為調制信號的兩倍 與常規(guī)雙邊帶調幅時相同 3 上 下兩個邊帶是完全對稱的 用一個邊帶就可以傳輸全部信息 通信原理 4 1幅度調制 通信原理 單邊帶調制 濾波法 為了取出雙邊帶調制信號的一個邊帶 最直接的方法是用濾波器取出一個邊帶 HSSB 通信原理 希爾波特 Hilbert 變換 單邊帶調制 相移法 通信原理 希爾波特濾波器 希爾波特 Hilbert 變換 希爾波特 Hilbert 反變換 通信原理 希爾波特濾波器沖激響應及傳遞函數 F T 希爾伯特濾波器實際上是一個寬帶移相網絡 表示把輸入信號的所有頻率分量移相90度 幅度不變 通信原理 單邊帶調制 相移法 上邊帶 下邊帶 通信原理 單邊帶調制 解調 單邊帶信號包絡不能反映調制信號的波形 解調不能采用簡單的包絡檢波單邊帶信號采用相干解調 同相載波 解調后的基帶信號 通信原理 4 1幅度調制 通信原理 殘留邊帶調制 殘留邊帶調制是介于單邊帶調制與抑制載波雙邊帶調制之間的一種調制方式克服了雙邊帶調制信號占用頻帶寬的缺點解決了單邊帶信號實現上的難題 產生殘留邊帶信號的關鍵是形成濾波器 可將理想高通濾波器或理想低通濾波器特性按照殘余對稱原理進行修改 即進行滾降 上邊帶傳遞函數 下邊帶傳遞函數 通信原理 殘留邊帶調制 結論 只要殘留邊帶濾波器的截止待性在載頻處有互補對稱特性 采用同步解調法解調殘留邊帶信號就能夠準確地恢復所需的基帶信號 上邊帶傳遞函數 下邊帶傳遞函數 通信原理 殘留邊帶調制 適用于低頻成分豐富的原始信息信號 二者疊加 恢復原頻譜 通信原理 殘留邊帶調制 通信原理 小結 各種線性調制方法的比較 通信原理 通信原理 主要內容 通信原理 4 2線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能 通信系統(tǒng)抗噪聲性能分析模型線性調制相干解調的抗噪聲性能常規(guī)調幅包絡檢波的抗噪聲性能 通信原理 通信系統(tǒng)抗噪聲性能分析模型 信道 帶通濾波器 BPF 解調器 通信原理 線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能 通信系統(tǒng)抗噪聲性能分析模型線性調制相干解調的抗噪聲性能常規(guī)調幅包絡檢波的抗噪聲性能 通信原理 線性調制相干解調的抗噪聲性能 DSB調制系統(tǒng)的性能SSB調制系統(tǒng)的性能VSB調制系統(tǒng)的性能 通信原理 DSB相干解調的信噪比增益 帶通濾波器 BPF 低通濾波器 LPF 解調器 信道 通信原理 1 解調器輸入信號平均功率 DSB相干解調的抗噪聲性能 通信原理 2 解調器輸入噪聲平均功率 DSB相干解調的抗噪聲性能 通信原理 3 輸出信號的功率 解調器輸入信號 相干載波 相乘 經過低通濾波輸出 解調器輸出端有用信號功率 DSB相干解調的抗噪聲性能 通信原理 DSB相干解調的抗噪聲性能 通信原理 DSB相干解調的抗噪聲性能 通信原理 線性調制相干解調的抗噪聲性能 DSB調制系統(tǒng)的性能SSB調制系統(tǒng)的性能VSB調制系統(tǒng)的性能 通信原理 線性調制相干解調的抗噪聲性能 通信原理 SSB調制系統(tǒng)的性能 相干載波 相乘 解調器輸入信號 經過低通濾波輸出 解調器輸出信號功率 1 輸入信號的解調 2 輸入噪聲的解調 3 解調器輸入信號平均功率 輸入信噪比 調制制度增益 通信原理 SSB調制系統(tǒng)的性能 DSB解調器的調制制度增益是SSB的二倍 但不能因此就說 雙邊帶系統(tǒng)的抗噪性能優(yōu)于單邊帶系統(tǒng) 信號所需帶寬為SSB的二倍 因而在輸入噪聲功率譜密度相同的情況下 DSB解調器的輸入噪聲功率將是SSB的二倍 通信原理 線性調制相干解調的抗噪聲性能 DSB調制系統(tǒng)的性能SSB調制系統(tǒng)的性能VSB調制系統(tǒng)的性能 通信原理 VSB調制系統(tǒng)的性能 VSB調制系統(tǒng)所采用的殘留邊帶濾波器的頻率特性形狀可能不同 難以確定抗噪性能的一般計算公式 在殘留邊帶濾波器滾降范圍不大的情況下 可將VSB信號近似看成SSB信號 在這種情況下 VSB調制系統(tǒng)的抗噪性能與SSB系統(tǒng)相同 通信原理 線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能 通信系統(tǒng)抗噪聲性能分析模型線性調制相干解調的抗噪聲性能常規(guī)調幅包絡檢波的抗噪聲性能 通信原理 常規(guī)調幅包絡檢波的抗噪聲性能 解調器輸入信號 解調器輸入噪聲 解調器輸入信號功率 解調器輸入噪聲功率 輸入信噪比 通信原理 常規(guī)調幅包絡檢波的抗噪聲性能 分析大信噪比情況小信噪比情況 信號加噪聲的合成波形 合成包絡 合成相位 通信原理 大信噪比情況 輸入信號幅度遠大于噪聲幅度 當 信號功率 噪聲功率 輸出信噪比 合成包絡 通信原理 大信噪比情況 輸入信號幅度遠大于噪聲幅度 輸出信噪比 調制制度增益 合成包絡 輸入信噪比 通信原理 常規(guī)調幅包絡檢波的抗噪聲性能 分析大信噪比情況小信噪比情況 通信原理 小信噪比情況 噪聲幅度遠大于輸入信號幅度 合成包絡 通信原理 分析結論 小信噪比時調制信號無法與噪聲分開 包絡中不存在單獨的信號項m t 只有m t cos t cos t 是一個隨機噪聲 m t cos t 也只能看作是噪聲 輸出信噪比不是按比例地隨著輸入信噪比下降 而是急劇惡化 這種現象稱為門限效應 開始出現門限效應的輸入信噪比稱為門限值 同步解調器不存在門限效應 結論 大信噪比情況下 AM信號包絡檢波器的性能幾乎與同步檢測器相同 隨著信噪比的減小 包絡檢波器將在一個特定輸入信噪比值上出現門限效應 一旦出現了門限效應 解調器的輸出信噪比將急劇變壞 通信原理 主要內容 通信原理 4 3非線性調制技術 非線性調制信號的頻譜與基帶信號的頻譜結構不呈線性關系 它們之間是非線性變換過程 變換要產生一些新的頻率成分 非線性調制是通過基帶信號控制載波的頻率或相位來完成的 所以載波的振幅保持不變 而載波的頻率或相位則隨基帶信號變化 因頻率或相位的變化都可以看成是載波角度的變化 所以這種調制又稱角度調制 角度調制可分為相位調制和頻率調制 通信原理 4 3非線性調制技術 通信原理 角度調制的基本概念 角度調制的一般表達式相位調制頻率調制 通信原理 角度調制的一般表達式 信號瞬時頻率 信號瞬時相位 通信原理 角度調制的一般表達式 角調制 設 瞬時頻率偏移 瞬時相位偏移 瞬時相位 瞬時頻率 通信原理 角度調制的基本概念 角度調制的一般表達式相位調制頻率調制 通信原理 相位調制 相位調制是瞬時相位偏移隨調制信號m t 線性變化的調制方式 瞬時相位偏移 瞬時相位 初相 相移常數 令 通信原理 角度調制的基本概念 角度調制的一般表達式相位調制頻率調制 通信原理 頻率調制 頻率調制是瞬時頻率偏移隨調制信號m t 線性變化的調制方式 瞬時角頻率偏移 瞬時角頻率 頻偏常數 通信原理 頻率調制實現框圖 調相波 調頻波 通信原理 頻率調制實現框圖 實際相位調制器的調節(jié)范圍不可能超出 直接調相和間接調頻適用于相位偏移和頻率偏移不大的窄帶調制情形直接調頻和間接調相適用于寬帶調制情形調頻與調相并無本質區(qū)別 兩者之間可以互換 通信原理 調頻與調相的比較 1 頻率與相位的變化方式 通信原理 通信原理 4 3非線性調制技術 通信原理 窄帶調頻與寬帶調頻 根據調制后載波瞬時相位偏移的大小 可將頻率調制分為寬帶調頻 WBFM 與窄帶調頻 NBFM 調頻所引起的最大瞬時相位偏移遠小于30 時 稱為窄帶調頻 否則 稱為寬帶調頻 窄帶調頻 NBFM 寬帶調頻 WBFM 通信原理 窄帶調頻 NBFM 假設 調頻信號表達式 窄帶調頻 頻域表達式 通信原理 窄帶調頻 NBFM 與AM信號頻譜比較 帶寬相同 分析差別 通信原理 單頻調制時NBFM與AM的差別 單頻調制信號 載波信號 NBFM信號 AM信號 比較 通信原理 單頻調制時NBFM與AM的差別 NBFM與AM的時間表示式和頻譜式非常相似都是線性調制差別單頻調幅頻譜中各分量的幅度都是正值 頻譜中的邊帶分量幅度為Am 2 當Am為l時 邊帶的最大幅度為1 2 是載波幅度的一半 窄帶調頻時 頻譜中的下邊帶分量幅度為負值 其邊帶分量的幅度比載波分量幅度小很多 頻譜圖 通信原理 頻譜圖 頻譜圖 通信原理 窄帶調頻與寬帶調頻 窄帶調頻 NBFM 寬帶調頻 WBFM 通信原理 寬帶調頻 WBFM 單頻調制時寬帶調頻信號的頻域表達單頻調制時的頻帶寬度任意限帶信號調制時寬帶調頻信號的帶寬 寬帶調頻 通信原理 單頻調制時寬帶調頻信號的頻域表達 單頻調制信號 單音調頻信號 展開 通信原理 單頻調制時寬帶調頻信號的頻域表達 展開為以貝塞爾函數為系數的三角級數 以貝塞爾函數特性化簡 頻譜特性 含有無窮多個頻譜分量 通信原理 調頻波的頻譜 通信原理 寬帶調頻 WBFM 單頻調制時寬帶調頻信號的頻域表達單頻調制時的頻帶寬度任意限帶信號調制時寬帶調頻信號的帶寬 通信原理 單頻調制時的頻帶寬度 調頻信號的頻譜包含無窮多個頻率分量 理論帶寬為無限寬 實際上各次邊頻幅度隨著n的增大而減小 因此只要取適當的n值 使邊頻分量小到可以忽略的程度 調頻信號可以近似認為具有有限頻譜 帶寬公式 調制信號頻率 最大頻偏 卡森公式 通信原理 卡森公式 邊頻分量只取到 mf 1 次 計算表明大于 mf 1 次的邊頻分量 其幅度小于未調載波幅度的15 卡森公式是忽略了邊頻幅度小于未調載波幅度15 的邊頻后得到的 大于 mf 2 次的邊頻分量其幅度小于未調載波幅度10 當 NBFM的帶寬 當 大指數WBFM的帶寬 通信原理 寬帶調頻 WBFM 單頻調制時寬帶調頻信號的頻域表達單頻調制時的頻帶寬度任意限帶信號調制時寬帶調頻信號的帶寬 通信原理 任意限帶信號調制時寬帶調頻信號的帶寬 對于多音或其它任意信號調制的調頻波的頻譜分析極其復雜 經驗表明 對卡森公式做適當修改 即可得到任意限帶信號調制時調頻信號帶寬的估算公式 頻偏比 當 通信原理 調頻和調相是相對于調制信號而言的 從波形上看 調頻波和調相波非常相似 都是等幅的疏密相間的正弦波 如果預先不知道調制信號m t 的具體形式 則難以判斷已調信號是調相信號還是調頻信號 調頻與調相的比較 通信原理 4 3非線性調制技術 通信原理 調頻信號的產生與解調 調頻信號的產生調頻信號的解調 通信原理 調頻信號的產生 產生調頻信號的方法通常有兩種 直接法和間接法直接法間接法 通信原理 直接法 直接法利用調制信號直接控制振蕩器的頻率 使其按調制信號的規(guī)律線性變化 振蕩頻率由外部電壓控制的振蕩器叫做壓控振蕩器 VCO 它產生的輸出頻率正比于所加的控制電壓 壓控振蕩器中心頻率 通信原理 調頻信號的產生 直接法間接法 通信原理 間接法 間接調頻法是先對調制信號積分 再對載波進行相位調制 從而產生調頻信號 只能獲得窄帶調頻信號 為了獲得寬帶調頻信號 可利用倍頻器再把NBFM信號變換成WBFM信號 間接調頻 通信原理 間接法 NBFM信號 輸入信號 倍頻后輸出信號 濾出上式的直流分量后 可得到新的調頻信號 通信原理 調頻信號的產生與解調 調頻信號的產生調頻信號的解調 通信原理 調頻信號的解調 非相干解調相干解調 通信原理 非相干解調 輸入調頻信號 解調器輸出 理想鑒頻特性 鑒頻器 通信原理 非相干解調 微分器輸出 包絡檢波器輸出 鑒頻器靈敏度 上述方法又稱為包絡檢測 非相干解調 缺點包絡檢波器對于由信道噪聲和其它原因引起的幅度起伏也有反應 因此 使用中常在微分器之前加一個限幅器和帶通濾波器 通信原理 調頻信號的解調 非相干解調相干解調 通信原理 相干解調 窄帶調頻信號 相干載波 低通濾波器濾除高頻分量 乘法器輸出 微分后輸出 通信原理 主要內容 通信原理 調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能 輸入信噪比輸出信噪比及調制制度增益 通信原理 輸入信噪比 輸入調頻信號 信號功率 噪聲功率 輸入信噪比 通信原理 非線性調制系統(tǒng)的抗噪聲性能 輸入信噪比輸出信噪比及調制制度增益 分析大信噪比情況小信噪比情況 通信原理 大信噪比情況 解調器輸出信噪比 單頻調制情況分析 通信原理 單頻調制情況分析 大信噪比寬帶調頻解調器的制度增益很高 調制信號 調頻信號 解調器輸出信噪比 制度增益 寬帶調頻信號帶寬 通信原理 通信原理 輸出信噪比及調制制度增益 分析大信噪比情況小信噪比情況 通信原理 小信噪比情況與門限效應 在相同輸入信噪比情況下 FM輸出信噪比優(yōu)于AM輸出信噪比 當輸入信噪比降到某一門限時 FM開始出現門限效應 若繼續(xù)降低輸入信噪比 則FM解調器的輸出信噪比將急劇變壞 甚至比DSB的性能還要差 解調器性能曲線 通信原理 主要內容 通信原理 4 5各種模擬調制系統(tǒng)的比較 通信原理 各種模擬調制方式的性能 通信原理 各種模擬調制方式的性能 門限電平以下 曲線將迅速跌落 在門限值以上 DSB SSB的信噪比比AM優(yōu)越4 7dB以上 而FM的信噪比比AM優(yōu)越22dB 當輸入信噪比較高時 采用FM方式可以得到更大好處 通信原理 4 5各種模擬調制系統(tǒng)的比較 通信原理 特點與應用 AM調制的優(yōu)點是接收設備簡單 缺點是是功率利用率低 抗干擾能力差 通信質量要求不高的場合 目前主要用在中波和短波的調幅廣播中 DSB調制的優(yōu)點是功率利用率高 但帶寬與AM相同 接收要求同步解調 設備較復雜 只用于點對點的專用通信SSB調制的優(yōu)點是功率利用率和頻帶利同率都比較高 抗干擾能力和抗選擇性衰落能力均優(yōu)于AM 但帶寬只有AM的一半 缺點是發(fā)送和接收設備都復雜 鑒于這些特點 SSB制式普遍用在頻帶比較擁擠的場合 如短波波段的無線電廣播和頻分多路復用系統(tǒng)中 通信原理 特點與應用 VSB的性能與SSB相當 VSB C 方式綜合了AM SSB和DSB三者的優(yōu)點 VSB對商用電視廣播系統(tǒng)特別具有吸引力 FM波的幅度恒定不變 這使它對非線性器件不甚敏感 給FM帶來了抗快衰落能力 寬