通信原理-課件-第5章教案資料

1、通信原理-課件-第5章第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)常見的模擬調(diào)制u幅度調(diào)制：調(diào)幅、雙邊帶、單邊帶和殘留邊帶u角度調(diào)制：頻率調(diào)制、相位調(diào)制 本章研究的內(nèi)容u線性調(diào)制和非線性調(diào)制的原理u線性調(diào)制的抗噪聲性能分析u頻分復(fù)用 學(xué)習中注意的問題u調(diào)制與解調(diào)的方框圖u已調(diào)信號的數(shù)學(xué)表達式、波形及其頻譜u信號調(diào)制、解調(diào)前后的頻帶變化u調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理一般原理u表示式：設(shè)：正弦型載波為式中，A 載波幅度； c 載波角頻率； 0 載波初始相位（以后假定0 0）。 則根據(jù)調(diào)制定義，幅度調(diào)制信號（已調(diào)信號）一般

2、可表示成式中， m(t) 基帶調(diào)制信號。()0( )coscc tAtwj=+( )( )cosmcstAm ttw=第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)u頻譜設(shè)調(diào)制信號m(t)的頻譜為M()，則已調(diào)信號的頻譜為u由以上表示式可見，在波形上，已調(diào)信號的幅度隨基帶信號的規(guī)律而正比地變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移(精確到常數(shù)因子)。由于這種搬移是線性的，因此，幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。但應(yīng)注意，這里的“線性”并不意味著已調(diào)信號與調(diào)制信號之間符合線性變換關(guān)系。事實上，任何調(diào)制過程都是一種非線性的變換過程。 ( )()()2mccASMMwwwww=+-第第5章章

3、模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1調(diào)幅（AM）u時域表示式式中 m(t) 調(diào)制信號，均值為0； m0 常數(shù)，表示疊加的直流分量。u頻譜：若m(t)為確知信號，則AM信號的頻譜為若m(t)為隨機信號，則已調(diào)信號的頻域表示式必須用功率譜描述。u調(diào)制器模型00( )( )coscos( )cosAMcccstmm ttmtm ttwww=+=+01( ) ()()()()2AMccccSmMMwpd wwd wwwwww=+-+-第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)u波形圖和頻譜圖第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 由波形可以看出，當滿足條件：|m(t)| max m0 時，其包絡(luò)與調(diào)制信號波形相

4、同，因此用包絡(luò)檢波法很容易恢復(fù)出原始調(diào)制信號。否則，出現(xiàn)“過調(diào)幅”現(xiàn)象。這時用包絡(luò)檢波將發(fā)生失真。但是，可以采用其他的解調(diào)法，如同步檢波。 由頻譜可以看出，AM信號的頻譜由載頻分量、上邊帶、 和下邊帶三部分組成。上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號 的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)uAM信號的特性 帶寬：它是帶有載波分量的雙邊帶信號，帶寬是基帶信號帶寬 fH 的兩倍： 功率：當m(t)為確知信號時，若則式中Pc = A02/2 載波功率， 邊帶功率。2AMHBf=22202222200( )( ) coscos( )cos2( )cosAMAMccccPstA

5、m ttAtm ttA m ttwwww=+=+( )0m t =220( )22AMcSAmtPPP=+=+2( )/2sPm t=第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)制效率 由上述可見，AM信號的總功率包括載波功率和邊帶功率兩部分。只有邊帶功率才與調(diào)制信號有關(guān)，載波分量并不攜帶信息。有用功率（用于傳輸有用信息的邊帶功率）占信號總功率的比例稱為調(diào)制效率：當m(t) = Am cos mt時，代入上式，得到當|m(t)|max = A0時（100調(diào)制），調(diào)制效率最高，這時max 1/3()()2220SAMAMmtPPAmth=+22( )/2mmtA=()()222222002mAMmm

6、tAAAAmth=+第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 5.1.2 雙邊帶調(diào)制（DSB）u時域表示式：無直流量A0u頻譜：無載頻分量 u曲線：( )( )cosDSBcstm ttw=1( )()()2DSBccSMMwwwww=+-第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)u調(diào)制效率：100u優(yōu)點：節(jié)省了載波功率u缺點：不能用包絡(luò)檢波，需用相干檢波，較復(fù)雜。 5.1.3 單邊帶調(diào)制（SSB）u原理： 雙邊帶信號兩個邊帶中的任意一個都包含了調(diào)制信號頻譜M()的所有頻譜成分，因此僅傳輸其中一個邊帶即可。這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，這種方式稱為單邊帶調(diào)制。 產(chǎn)生SSB信號的方法有兩種：濾

7、波法和相移法。 第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)u濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的原理方框圖 用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶: 圖中，H()為單邊帶濾波器的傳輸函數(shù)，若它具有如下理想高通特性：則可濾除下邊帶。若具有如下理想低通特性：則可濾除上邊帶。1,( )( )0,cUSBcHHwwwwww= 1,( )( )0,cLSBcHHwwwwww= - +220( )( )( )( )csE tAm tn tn t=+22200( )( )2( )( )( )( )ccsE tAm tAm t n tn tn t=+200120000( )2( )( )2( )( ) 1( )( )( )

8、1( )cccAm tAm t n tn tAm tAm tn tAm tAm t+輊犏+犏+臌輊犏+犏+臌0( )( )cAm tn t=+12(1)1,12xxx+ +當時第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)由上式可見，有用信號與噪聲獨立地分成兩項，因而可分別計算它們的功率。輸出信號功率為輸出噪聲功率為故輸出信噪比為制度增益為2o( )Sm t=22o0( )( )ciNn tn tn B=2oo0( )Sm tNn B=2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t=+第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)討論1. AM信號的調(diào)制制度增益GAM隨A0的減小而增加。2. GA

9、M總是小于1，這說明包絡(luò)檢波器對輸入信噪比沒有改善，而是惡化了。3. 例如：對于100%的調(diào)制，且m(t)是單頻正弦信號，這時AM 的最大信噪比增益為4. 可以證明，采用同步檢測法解調(diào)AM信號時，得到的調(diào)制制度增益與上式給出的結(jié)果相同。 5. 由此可見，對于AM調(diào)制系統(tǒng)，在大信噪比時，采用包絡(luò)檢波器解調(diào)時的性能與同步檢測器時的性能幾乎一樣。2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t=+23AMG=第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 小信噪比情況此時，輸入信號幅度遠小于噪聲幅度，即包絡(luò)變成其中R(t) 和 (t) 代表噪聲的包絡(luò)及相位：220( )( )( )csAm tn

10、 tn t+ +( )( ) 1cos ( )( )Am tR t tR t輊+犏+犏臌02( )( )( ) 1cos ( )( )Am tE tR t tR t+=+12(1)1(12xxx+ ）( )( )cos ( )R tAm t t=+第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)討論1. 門限效應(yīng)是由包絡(luò)檢波器的非線性解調(diào)作用引起的。 2. 用相干解調(diào)的方法解調(diào)各種線性調(diào)制信號時不存在門限效應(yīng)。原因是信號與噪聲可分別進行解調(diào)，解調(diào)器輸出端總是單獨存在有用信號項。3. 在大信噪比情況下，AM信號包絡(luò)檢波器的性能幾乎與相干解調(diào)法相同。但當輸入信噪比低于門限值時，將會出現(xiàn)門限效應(yīng)，這時解調(diào)器的輸

11、出信噪比將急劇惡化，系統(tǒng)無法正常工作。第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 5.3 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）的原理非線性調(diào)制（角度調(diào)制）的原理 前言u頻率調(diào)制簡稱調(diào)頻(FM)，相位調(diào)制簡稱調(diào)相(PM)。u這兩種調(diào)制中，載波的幅度都保持恒定，而頻率和相位的變化都表現(xiàn)為載波瞬時相位的變化。u角度調(diào)制：頻率調(diào)制和相位調(diào)制的總稱。u已調(diào)信號頻譜不再是原調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。u與幅度調(diào)制技術(shù)相比，角度調(diào)制最突出的優(yōu)勢是其較高的抗噪聲性能。 第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 5.3.1角度調(diào)制的基本概念 uFM和PM信號的一

12、般表達式角度調(diào)制信號的一般表達式為式中，A ：載波的恒定振幅； ：信號的瞬時相位； ：瞬時相位偏移。 ：稱為瞬時角頻率 ：稱為瞬時頻率偏移。( )( )c t t t+=( )cos( )mcstA t t=+( ) t( )/( )cd t tdt t+=( )/d tdt第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)u相位調(diào)制(PM)：瞬時相位偏移隨調(diào)制信號作線性變化，即式中Kp 調(diào)相靈敏度，含義是單位調(diào)制信號幅度引起PM信號的相位偏移量，單位是rad/V。將上式代入一般表達式得到PM信號表達式( )( )p tK m t=( )cos( )PMcpstA tK m t=+( )cos( )mcst

13、A t t=+第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)u頻率調(diào)制(FM)：瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號成比例變化，即式中 Kf 調(diào)頻靈敏度，單位是rad/sV。 這時相位偏移為將其代入一般表達式得到FM信號表達式( )( )fd tK m tdt=( )( )tftKmd- =jtt( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wtt( )cos( )mcstA t t=+第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)uPM與 FM的區(qū)別 比較上兩式可見， PM是相位偏移隨調(diào)制信號m(t)線性變化，F(xiàn)M是相位偏移隨m(t)的積分呈線性變化。 如果預(yù)先不知道調(diào)制信號m(t)的具體形式，則無法判斷已調(diào)信號是調(diào)相信

14、號還是調(diào)頻信號。( )cos( )PMcpstA tK m t=+( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wtt第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)u單音調(diào)制FM與PM設(shè)調(diào)制信號為單一頻率的正弦波，即 用它對載波進行相位調(diào)制時，將上式代入 得到式中，mp = Kp Am 調(diào)相指數(shù)，表示最大的相位偏移。( )coscos2mmmmm tAtAf t=wp( )cos( )PMcpstA tK m t=+PM( )coscoscpmmstAtK At=+wwcosscpmAtm cot=+ww第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)用它對載波進行頻率調(diào)制時，將代入得到FM信號的表達式式中調(diào)頻

15、指數(shù)，表示最大的相位偏移最大角頻偏 最大頻偏。 ( )coscos2mmmmm tAtAf t=wpFM( )coscostcfmmstAtK Ad- =+ww t t( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wttcosncfmAtm sit=+wwfmfmmmK AfmfDD=wwwfmK AD=wfmfmfD=第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)uPM 信號和FM 信號波形 (a) PM 信號波形 (b) FM 信號波形 第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)uFM與PM之間的關(guān)系由于頻率和相位之間存在微分與積分的關(guān)系，所以FM與PM之間是可以相互轉(zhuǎn)換的。 比較下面兩式可見 如果將

16、調(diào)制信號先微分，而后進行調(diào)頻，則得到的是調(diào)相波，這種方式叫間接調(diào)相；同樣，如果將調(diào)制信號先積分，而后進行調(diào)相，則得到的是調(diào)頻波，這種方式叫間接調(diào)頻。 ( )cos( )PMcpstAtK m t=+( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wtt第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)方框圖 （a）直接調(diào)頻 （b）間接調(diào)頻 (c) 直接調(diào)相 (d) 間接調(diào)相第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 5.3.2 窄帶調(diào)頻（NBFM）u定義：如果FM信號的最大瞬時相位偏移滿足下式條件 則稱為窄帶調(diào)頻；反之，稱為寬帶調(diào)頻。( )0.56tfKm d- （或）第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)u時域

17、表示式將FM信號一般表示式展開得到當滿足窄帶調(diào)頻條件時，故上式可簡化為( )cos( )tFMcfstAtKmd- =+wttcoscos( )sinsin( )ttcfcfAtKmdAtKmd- - =-蝌wttwtt1( )tfKm d- cos( )1sin( )( )tfttffKmdKmdKmd- - - 蝌tttttt( )os( )sintNBFMcfcstActAKmdt- -wttw第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)u頻域表示式利用以下傅里葉變換對可得NBFM信號的頻域表達式( )( )cos ()()sin ()()ccccccm tM t tj +-+-( )( )M

18、m t dtj（設(shè)m(t)的均值為0） ()()1( )sin2cccccMMm t dttwwwwwwwww輊+-犏-犏+-臌NBFM( ) ()()ccsA=+-wpd wwd ww()()2fccccAKMM輊-+犏+-犏-+臌wwwwwwww第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)uNBFM和AM信號頻譜的比較兩者都含有一個載波和位于 處的兩個邊帶，所以它們的帶寬相同不同的是，NBFM的兩個邊頻分別乘了因式1/( - c)和1/( + c) ，由于因式是頻率的函數(shù)，所以這種加權(quán)是頻率加權(quán)，加權(quán)的結(jié)果引起調(diào)制信號頻譜的失真。另外，NBFM的一個邊帶和AM反相。1( ) ()()()()2AM

19、ccccSAMM=+-+-wpd wwd wwwwwwNBFM( ) ()()ccsA=+-wpd wwd ww()()2fccccAKMM輊-+犏+-犏-+臌wwwwwwwwcw第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)uNBFM和AM信號頻譜的比較舉例以單音調(diào)制為例。設(shè)調(diào)制信號 則NBFM信號為AM信號為按照上兩式畫出的頻譜圖和矢量圖如下：( )cosmmm tA t=( )cos( )sintNBFMcfcstAtAKmdt- -wttw1cossinsincmfmcmAtAA Ktt=-wwwwcoscos()cos()2mFccmcmmAA KAttt=+-wwwwww(cos)cosAM

20、mmcsAAtt=+wwscoscoscmmcAcotAt=+wwwcoscos()cos()2mccmcmAAttt=+-wwwww第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)p頻譜圖第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)p矢量圖 (a) AM (b) NBFM在AM中，兩個邊頻的合成矢量與載波同相，所以只有幅度的變化，無相位的變化；而在NBFM中，由于下邊頻為負，兩個邊頻的合成矢量與載波則是正交相加，所以NBFM不僅有相位的變化，幅度也有很小的變化。這正是兩者的本質(zhì)區(qū)別 。由于NBFM信號最大頻率偏移較小，占據(jù)的帶寬較窄，但是其抗干擾性能比AM系統(tǒng)要好得多，因此得到較廣泛的應(yīng)用。 調(diào)制方式傳輸帶寬設(shè)

21、備復(fù)雜程度主要應(yīng)用AM2fm簡單中短波無線電廣播DSB2fm中等應(yīng)用較少SSBfm復(fù)雜短波無線電廣播、話音頻分復(fù)用、載波通信、數(shù)據(jù)傳輸VSB略大于fm 近似SSB復(fù)雜電視廣播、數(shù)據(jù)傳輸FM中等超短波小功率電臺（窄帶FM）；調(diào)頻立體聲廣播等高質(zhì)量通信（寬帶FM）第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 5.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較oo/SNoo0AM13imSSNn f驏驏鼢瓏鼢 =瓏鼢瓏鼢瓏桫桫oo0DSBimSSNn f驏驏鼢瓏鼢 =瓏鼢瓏鼢瓏桫桫oo0SSBimSSNn f驏驏鼢瓏鼢 =瓏鼢瓏鼢瓏桫桫2(1)fmmf+2oo0FM32ifmSSmNn f驏驏鼢瓏鼢 =瓏

22、鼢瓏鼢瓏桫桫第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 抗噪聲性能u WBFM抗噪聲性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪聲性能次之，AM抗噪聲性能最差。u右圖畫出了各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能曲線,圖中的圓點表示門限點。u門限點以下，曲線迅速下跌；門限點以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf = 6）的信噪比比AM高22dB。u當輸入信噪比較高時，F(xiàn)M的調(diào)頻指數(shù)mf越大，抗噪聲性能越好。第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 頻帶利用率 SSB的帶寬最窄，其頻帶利用率最高；FM占用的帶寬隨調(diào)頻指數(shù)mf的增大而增大，其頻帶利用率最低?？梢哉f，F(xiàn)M是以犧牲有效性來換取可靠性的。因此， mf值的選擇要從通信質(zhì)量和帶寬限制兩方面考慮。對于高質(zhì)量通信（高保真音樂廣播，電視伴音、雙向式固定或移動通信、衛(wèi)星通信和蜂窩電話系統(tǒng)）采用WBFM， mf值選大些。對于一般通信，要考慮接收微弱信號，帶寬窄些，噪聲影響小，常選用mf 較小的調(diào)頻方式。第第5章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 特點與應(yīng)用uAM：優(yōu)點是接收設(shè)備簡單；缺點是功率利用率低，抗干擾