通信原理及應(yīng)用課件

1、第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)3.1 概述3.2 幅度調(diào)制（線性調(diào)制）3.3 幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能3.4角度調(diào)制原理及抗噪聲性能 2022/9/3013.1 概述問題： 為什么要對信號(hào)進(jìn)行調(diào)制？什么是調(diào)制？2022/9/3021.調(diào)制-目的實(shí)現(xiàn)有效的輻射：L=/4實(shí)現(xiàn)頻率分配：電視圖像和伴音實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用：閉路電視系統(tǒng)；提高系統(tǒng)的抗噪性能。 2022/9/303 調(diào)制調(diào)制的定義：是按原始電信號(hào)m(t)的變化規(guī)律去改變載波某些參量的過程。 2022/9/3042. 調(diào)制的分類 (1)正弦調(diào)制 C(t)=cosct 模擬調(diào)制: m(t)為模擬信號(hào)，AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM數(shù)字調(diào)制 :m(t)為

2、數(shù)字信號(hào)，ASK、FSK、PSK等。2022/9/305 調(diào)制的分類 (2)脈沖調(diào)制 C(t)為脈沖周期信號(hào)增量調(diào)制(DM): m(t)為模擬信號(hào)，據(jù)兩相鄰采樣信號(hào)之差來進(jìn)行一位編碼. 脈沖數(shù)字調(diào)制: m(t)為數(shù)字信號(hào)，常用多進(jìn)制脈位調(diào)制PPM.2022/9/3073. 模擬調(diào)制(1) 信號(hào)描述調(diào)制信號(hào)：模擬信號(hào)m(t)載波信號(hào)：正弦波c(t)=Acos(ct+0)其中A, c, 0為常數(shù).已調(diào)信號(hào)：Sm(t)= A(t)cos(ct+(t)其中A(t)為瞬時(shí)幅度, (t)為瞬時(shí)相位. 2022/9/3083.2 幅度調(diào)制（線性調(diào)制）1. 一般描述幅度調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的振幅，使

3、其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化的過程。時(shí)域 頻域 2022/9/30101. 一般描述在波形上，它的幅度隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)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。適當(dāng)選擇濾波器的特性H()，便可以得到各種幅度調(diào)制信號(hào)。例如，調(diào)幅、雙邊帶、單邊帶及殘留邊帶信號(hào)等。2022/9/30112. 常規(guī)調(diào)幅 (AM)-信號(hào)假設(shè)h(t)=(t)，即濾波器（H()=1）為全通網(wǎng)絡(luò)，調(diào)制信號(hào)m(t)疊加直流A0后與載波相乘時(shí)域頻域2022/9/30122. 常規(guī)調(diào)幅-解調(diào)解調(diào)-包絡(luò)檢波無失真恢復(fù)條件2022/9/3

4、0142. 常規(guī)調(diào)幅-調(diào)幅指數(shù)調(diào)制信號(hào)調(diào)幅信號(hào)調(diào)幅指數(shù)2022/9/30152.常規(guī)調(diào)幅-隨機(jī)信號(hào)的頻域分析分析方法：功率譜密度函數(shù)2022/9/30172. 常規(guī)調(diào)幅-信號(hào)的功率分配功率組成調(diào)制效率：最大：1/32022/9/30182. 常規(guī)調(diào)幅-小結(jié)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，適用于廣播通信。缺點(diǎn)：功率效率非常低，最大為1/3頻譜效率也不高，頻帶寬度為信號(hào)最高頻率的2倍。2022/9/3019 3.抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB）調(diào)制模型：信號(hào)表達(dá)式頻譜S()=0.5F(+c) +F(-c)2022/9/30203.DSB-波形 2022/9/30213. DSB-解調(diào)由時(shí)間波形可知，DSB

5、信號(hào)的包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡單的包絡(luò)檢波來恢復(fù)調(diào)制信號(hào)， 需采用相干解調(diào)(同步檢波)。2022/9/30223. DSB-頻域分析頻域分析確知信號(hào)：隨機(jī)信號(hào)：頻譜：平均功率：2022/9/30243. DSB- 小結(jié)DSB信號(hào)雖然節(jié)省了載波功率，功率利用率提高了，但它的頻帶寬度仍是調(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍，與AM信號(hào)帶寬相同。在調(diào)制信號(hào)m(t)的過零點(diǎn)處，高頻載波相位有180的突變.由于DSB信號(hào)的上、下兩個(gè)邊帶是完全對稱的， 它們都攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此僅傳輸其中一個(gè)邊帶即可，這就是單邊帶調(diào)制能解決的問題。2022/9/30254.SSB-濾波法模型：頻域表示表示

6、式：濾波器：2022/9/30274.SSB -多級(jí)調(diào)制2022/9/30284.SSB-相移法頻域表示：頻域因果，時(shí)域解析時(shí)域表示式2022/9/30294.SSB-Hilbert濾波器Hilbert變換Hilbert濾波器-寬帶相移網(wǎng)絡(luò)2022/9/30304.SSB-信號(hào)表達(dá)式時(shí)域關(guān)系：濾波器：時(shí)域表達(dá)式：2022/9/30314.SSB-相移法產(chǎn)生信號(hào)框圖問題：載波準(zhǔn)確相移90所有頻率成分相移902022/9/3032 4. SSB-信號(hào)的解調(diào) 乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波后的解調(diào)輸出為2022/9/30334.SSB - 小結(jié) SSB信號(hào)的功率和帶寬SSB調(diào)制方式在傳輸信號(hào)時(shí)，不但可節(jié)省

7、載波發(fā)射功率，而且它所占用的頻帶寬度為BSSB=fH，只有AM、 DSB的一半，因此，它目前已成為短波通信中的一種重要調(diào)制方式。 SSB信號(hào)的解調(diào)和DSB一樣不能采用簡單的包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)。2022/9/3034 原理：殘留邊帶調(diào)制是介于單邊帶調(diào)制與雙邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)制方式，它既克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬的問題，又解決了單邊帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)的難題。 在殘留邊帶調(diào)制中，除了傳送一個(gè)邊帶外，還保留了另外一個(gè)邊帶的一部分?？梢宰C明，VSB信號(hào)的時(shí)域表示式為： 5. 殘留邊帶調(diào)制（VSB）2022/9/3035 工作原理 調(diào)制 解調(diào)調(diào)制：解調(diào)：2022/9/30365. VSB- 特性殘留

8、部分可以是上邊帶，也可以是下邊帶。直線滾降用于電視信號(hào)傳輸，余弦滾降用于數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。采用相干解調(diào)，解調(diào)不失真條件： 要求濾波器特性滿足互補(bǔ)對稱性。2022/9/3037 發(fā)送功率PVSB和頻帶寬度BVSB PSSB PVSBPDSB BSSB BVSBBDSB BVSB=(12)fm2022/9/30383.3 幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能 本節(jié)將要研究的問題是，信道存在加性高斯白噪聲時(shí)各種線性系統(tǒng)的抗噪性能。2022/9/3039功率譜密度： 單位是W/Hz輸入信噪比定義為 輸出信噪比定義為 信噪比增益2022/9/30403.3.1 相干解調(diào)系統(tǒng)性能分析 sm(t) 包括sAM(t)、 sDS

9、B(t)、 sSSB(t)和sVSB(t) 本地載波域接收到信號(hào)的載波完全同步。2022/9/30411、DSB調(diào)制系統(tǒng)性能輸入信噪比 信號(hào)功率： 噪聲功率： 輸入信噪比：輸出信噪比 信號(hào)功率：2022/9/3042 噪聲功率： 輸出信噪比：調(diào)制制度增益：2022/9/30432、AM系統(tǒng)的性能輸入信噪比 信號(hào)功率： 噪聲功率： 輸入信噪比：輸出信噪比 信號(hào)功率： 噪聲功率：2022/9/3044 輸出信噪比：調(diào)制制度增益： 對于100調(diào)制（即 ），且又是單音頻正弦信號(hào)時(shí)：2022/9/30453、SSB調(diào)制系統(tǒng)性能輸入信噪比 信號(hào)功率： 噪聲功率： 輸入信噪比：輸出信噪比 信號(hào)功率：2022

10、/9/3046 噪聲功率： 輸出信噪比：調(diào)制制度增益： DSB解調(diào)器的調(diào)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)。2022/9/30474、VSB系統(tǒng)的性能輸入信噪比 信號(hào)功率： 噪聲功率： 輸入信噪比：輸出信噪比 信號(hào)功率： 噪聲功率：2022/9/3048 輸出信噪比：調(diào)制制度增益：3.3.2 非相干解調(diào)系統(tǒng)性能分析 輸入信噪比 2022/9/3049輸出信噪比 解調(diào)器輸入的信號(hào)加噪聲合成波形是：其中合成包絡(luò)：大輸入信噪比情況 輸出信號(hào)功率、噪聲功率和信噪比：2022/9/3050調(diào)制制度增益： 結(jié)論：在大信噪比情況下，AM信號(hào)包絡(luò)檢波器的性能幾乎與同步

11、檢測器相同。小輸入信噪比情況 此時(shí)噪聲幅度遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)幅度，即 隨著信噪比的減小，包絡(luò)檢波器將在一個(gè)特定輸入信噪比值上出現(xiàn)門限效應(yīng)。一旦出現(xiàn)門限效應(yīng)，解調(diào)器的輸出信噪比將急劇變壞。2022/9/3051思考題為什么雙邊帶調(diào)制相干解調(diào)的信噪比增益比單邊帶調(diào)制的高？雙邊帶調(diào)制相干解調(diào)的信噪比增益比單邊帶調(diào)制的高是否說明雙邊帶調(diào)制的抗噪聲性能比單邊帶調(diào)制的更好？2022/9/30523.4角度調(diào)制原理及抗噪聲性能 與線性調(diào)制不同，已調(diào)信號(hào)頻譜不再是原調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會(huì)產(chǎn)生與頻譜搬移前不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。 角調(diào)制就是非線性調(diào)制，它通常可分為頻率調(diào)制（

12、FM）和相位調(diào)制（PM）。2022/9/30533.4.1 角度調(diào)制的基本概念 1、角度調(diào)制的一般表示式 ：瞬時(shí)相位； ：瞬時(shí)相位偏移； ：瞬時(shí)頻率； ：瞬時(shí)頻偏。 2、調(diào)相波的概念：是指瞬時(shí)相位偏移與調(diào)制信號(hào)成比例關(guān)系，即2022/9/3054調(diào)相波可表示為： 最大相位偏移： 最大頻率偏移：3、調(diào)頻波的概念：是指瞬時(shí)頻率偏移與調(diào)制信號(hào)成比例關(guān)系，即則可得調(diào)頻信號(hào)為2022/9/3055 最大相位偏移： 最大頻率偏移： 可見，F(xiàn)M和PM非常相似，如果預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)的具體形式，則無法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)頻信號(hào)還是調(diào)相信號(hào)。 從以上分析可見，調(diào)頻與調(diào)相并無本質(zhì)區(qū)別，兩者之間可以互換。 4、窄帶角度

13、調(diào)制：窄帶調(diào)頻與寬帶調(diào)頻。 2022/9/3056窄帶調(diào)頻（NBFM） 窄帶調(diào)相（NBPM）2022/9/30575、窄帶調(diào)頻的頻譜和帶寬 經(jīng)推導(dǎo)可得NBFM信號(hào)的頻域表達(dá)式將上式與AM信號(hào)的頻譜比較很相似進(jìn)行比較，它們的帶寬相同，即2022/9/30586、寬帶調(diào)頻（WBFM）的頻譜和帶寬 為使問題簡化，我們先研究單音調(diào)制的情況，然后把分析的結(jié)果推廣到多音情況。 單頻調(diào)制時(shí)的頻譜和帶寬 設(shè)單頻調(diào)制信號(hào)為則單音調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為： 調(diào)頻指數(shù)為：2022/9/3059 傅氏變換即為頻譜： 從上式可以看到調(diào)頻信號(hào)的頻譜中含有無窮多個(gè)頻率分量。如圖3.4.2 ,一個(gè)廣泛用來計(jì)算調(diào)頻波頻帶寬度的公

14、式為： 周期信號(hào)調(diào)制時(shí)的頻譜和帶寬頻偏比 ；最大頻率偏移7、調(diào)頻信號(hào)的平均功率：2022/9/30603.4.2 調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生 1、調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)的關(guān)系 如果將調(diào)制信號(hào)先積分，再進(jìn)行調(diào)相，則可得到間接調(diào)頻信號(hào)。 如果將調(diào)制信號(hào)先微分，再進(jìn)行調(diào)頻，則可得到間接調(diào)相信號(hào)；2022/9/30612、調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生 直接法 利用調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性變化。 間接法 經(jīng)N次倍頻后可以使調(diào)頻信號(hào)的載頻和調(diào)制指數(shù)增為N倍。2022/9/3062 NBFM的產(chǎn)生3.4.3 調(diào)頻信號(hào)的解調(diào) 解調(diào)器是具有頻率-電壓轉(zhuǎn)換作用的鑒頻器。鑒頻器包括幅度鑒頻器、相位鑒頻器、比例鑒頻器

15、等等。2022/9/30631、幅度鑒頻器 理想鑒頻器可看成是微分器與包絡(luò)檢波器的級(jí)聯(lián)。則微分器輸出包絡(luò)檢波器輸出：2022/9/30642、反饋解調(diào)器 調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)器：從減小解調(diào)器輸入端的噪聲功率入手，減小帶通濾波器帶寬。2022/9/3065 3.鎖相環(huán)解調(diào)器：4.相干解調(diào) 2022/9/3066設(shè)窄帶調(diào)頻信號(hào)為 ：相干載波： 則乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得 再經(jīng)微分，得輸出信號(hào) 2022/9/30673.4.4 調(diào)頻系統(tǒng)的性能分析1. 分析模型 調(diào)頻系統(tǒng)抗噪性能分析與解調(diào)方法有關(guān)，這里只討論非相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪性能。2022/9/30682. 非相干解調(diào)系統(tǒng)性能分析 （1）輸入信噪比 輸入信號(hào)功率 ： 輸入噪聲功率： 輸入信噪比：（2）輸出信噪比 輸出信號(hào)功率 ： 輸出噪聲功率 ：2022/9/3069鑒頻器輸出的噪聲為 經(jīng)推導(dǎo)可以得到： 2022/9/3070 下面考慮單頻調(diào)制時(shí)的情況，設(shè)調(diào)制信號(hào)為： ，則這時(shí)的調(diào)頻信號(hào)為：式中解調(diào)器輸出信噪比：解調(diào)器制度增益：寬帶調(diào)頻時(shí)，信號(hào)帶寬為：2022/9/3071（3）信噪比增益（4）結(jié)論歸納 調(diào)頻信號(hào)的功率等于未調(diào)制時(shí)的載波； FM解調(diào)是一個(gè)非線性過程； 解調(diào)器輸入和輸出噪聲功率譜密度的關(guān)系見圖3.5.3； 信噪比的改善，依