通信原理概論-模擬調(diào)制系統(tǒng)

通信原理概論-----模擬調(diào)制系統(tǒng)第一頁，共43頁。目標(biāo)要求一、基本要求1.掌握模擬調(diào)制、載波、調(diào)制信號、已調(diào)信號、調(diào)制器的定義；2.掌握調(diào)制的目的及模擬調(diào)制的分類；3.掌握線性調(diào)制器的原理模型，會分析AM、DSB、SSB、VSB調(diào)制與解調(diào)特性；4.掌握非線性調(diào)制器的原理，及非線性已調(diào)信號的頻譜和帶寬特性。2第二頁，共43頁。目標(biāo)要求二、重點和難點1.重點是：掌握線性調(diào)制與解調(diào)的原理模型，及其數(shù)學(xué)分析、波形分析、頻譜分析，理解各種調(diào)制方式的特點。

2.難點是：非線性調(diào)制頻譜和帶寬特性的分析和理解。

3第三頁，共43頁。主要內(nèi)容

3.1概述3.2線性調(diào)制3.3非線性調(diào)制小結(jié)

思考題、習(xí)題4第四頁，共43頁。一、模擬調(diào)制的定義：

1.定義

用來自信源的基帶模擬信號去調(diào)制某個載波。載波是一個確知的周期性波形。

余弦波載波的表達(dá)式：式中，A為振幅；

0為載波角頻率；

0為初始相位。3.1概述5第五頁，共43頁。2.組成調(diào)制信號m(t)－自信源來的基帶信號已調(diào)信號s(t)－調(diào)制后的載波稱為已調(diào)信號調(diào)制器－進(jìn)行調(diào)制的部件3.1概述調(diào)制器已調(diào)信號s(t)調(diào)制信號m(t)6第六頁，共43頁。二、調(diào)制的目的：1.頻譜搬移：容易輻射實現(xiàn)頻率分配多路復(fù)用2.提高抗干擾性3.還與傳輸效率有關(guān)3.1概述7第七頁，共43頁。三、模擬調(diào)制的分類：1.線性調(diào)制：已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)和調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，其頻譜是調(diào)制信號頻譜沿頻率軸平移的結(jié)果。包括：調(diào)幅、單邊帶、雙邊帶、殘留邊帶…2.非線性調(diào)制（角度調(diào)制）：已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)和調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)有很大的不同，除了頻譜搬移外，還增加了許多新的頻率成分。包括：頻率調(diào)制、相位調(diào)制3.1概述返回8第八頁，共43頁。一、基本概念設(shè)載波為：c(t)=Acos0t=Acos2f0t 調(diào)制信號為能量信號m(t)，則線性調(diào)制器的原理模型如圖所示。

3.2線性調(diào)制s(t)調(diào)制信號m(t)Acos0tH(f)已調(diào)信號s(t)s(t)調(diào)制信號m(t)Acos0tH(f)已調(diào)信號s(t)9第九頁，共43頁。3.2線性調(diào)制-基本概念

相乘結(jié)果：s(t)=m(t)Acos2f0t

用“”表示傅里葉變換：又

所以，s(t)調(diào)制信號m(t)Acos0tH(f)已調(diào)信號s(t)10第十頁，共43頁。3.2線性調(diào)制-基本概念相乘器輸入信號m(t)和輸出信號s’(t)的頻譜密度圖0M(f)輸入信號頻譜密度0S’(f)f0-f0輸出信號的頻譜密度11第十一頁，共43頁。二、振幅調(diào)制（AM）1.基本原理

設(shè):

m(t)=[1+m(t)]，|m(t)|1，m(t)|max=m－調(diào)幅度，

則有調(diào)幅信號：

s(t)=[1+m(t)]Acos0t， 式中，

[1+m(t)]0，即s(t)的包絡(luò)是非負(fù)的。

+1=

=m(t)101+m(t)101+m(t)3.2線性調(diào)制12第十二頁，共43頁。2.頻譜密度

含離散載頻分量;當(dāng)m(t)為余弦波，且m＝100％時， 兩邊帶功率之和＝載波功率之半。3.2線性調(diào)制-振幅調(diào)制（AM）0M’(f)輸入信號頻譜密度0S’(f)f0-f0輸出信號的頻譜密度13第十三頁，共43頁。3.2線性調(diào)制-振幅調(diào)制（AM）-fmm(t)A-A2fmS(f)2fm-f0f0fC(f)f0-f0ft101+m(t)c(t)ts(t)tM(f)fmf-fm調(diào)幅信號的波形與頻譜分析14第十四頁，共43頁。3.AM信號的接收：包絡(luò)檢波（1）原理：整流器低通濾波器

包絡(luò)檢波器解調(diào)調(diào)幅信號3.2線性調(diào)制-振幅調(diào)制（AM）15第十五頁，共43頁。（2）性能：設(shè)輸入電壓為：式中，為檢波器輸入噪聲電壓

y(t)的包絡(luò)：在大信噪比下檢波后（已濾除直流分量）：3.2線性調(diào)制-振幅調(diào)制（AM）16第十六頁，共43頁。輸出信號噪聲功率比： ∵在檢波前的信號噪聲功率比等于 ∴檢波前后信噪功率比之比為

由于m(t)1，顯然上式比值r0/ri小于1，即檢波后信噪比下降了。

3.2線性調(diào)制-振幅調(diào)制（AM）17第十七頁，共43頁。三、雙邊帶(DSB)調(diào)制1.原理：調(diào)制信號m(t)沒有直流分量時，得到DSB信號。2.頻譜：兩個邊帶包含相同的信息。3.2線性調(diào)制f雙邊帶調(diào)制信號的頻譜0M(f)0S’(f)f0-f

0上邊帶下邊帶18第十八頁，共43頁。3.解調(diào)：需要本地載波設(shè)接收的DSB信號為 接收端的本地載波為

兩者相乘后，得到

3.2線性調(diào)制-雙邊帶(DSB)調(diào)制r(t)接收信號s(t)cos0tH(f)基帶信號s(t)雙邊帶信號解調(diào)器原理方框圖19第十九頁，共43頁。3.2線性調(diào)制-雙邊帶(DSB)調(diào)制低通濾波后，得到僅當(dāng)本地載波沒有頻率和相位誤差時，輸出信號才等于m(t)/2。[和調(diào)制信號僅差一個常數(shù)因子]4.DSB的優(yōu)缺點：DSB信號可以節(jié)省發(fā)送功率，但接收電路較為復(fù)雜。20第二十頁，共43頁。四、單邊帶(SSB)調(diào)制1.原理：兩個邊帶包含相同的信息只需傳輸一個邊帶：上邊帶或下邊帶要求m(t)中無太低頻率-f0HL(f)特性上邊帶(b)上邊帶濾波器特性和信號頻譜f00f單邊帶信號的頻譜上邊帶S(f)上邊帶下邊帶HH(f)特性HH(f)特性(a)濾波前信號頻譜(c)下邊帶濾波器特性和信號頻譜S(f)S(f)-f00f-f0f0f下邊帶f03.2線性調(diào)制上邊帶21第二十一頁，共43頁。2.解調(diào)：需要本地載波由于若z(t)=x(t)y(t)，則有Z()=X()

Y()

單邊帶信號解調(diào)時，用載波cos0t和接收信號相乘，相當(dāng)于在頻域中載波頻譜和信號頻譜相卷積。

下圖以上邊帶為例，示出用低通濾波器濾出解調(diào)后的信號。3.SSB優(yōu)點：

比DSB信號進(jìn)一步節(jié)省發(fā)送功率和占用帶寬。3.2線性調(diào)制-單邊帶(SSB)調(diào)制22第二十二頁，共43頁。3.2線性調(diào)制-單邊帶(SSB)調(diào)制圖單邊帶信號的解調(diào)(a)載波頻譜f00-f0fC(f)(c)載波和上邊帶信號頻譜的卷積結(jié)果f00-f0f2f0-2f0M(f)HL(f)S(f)(b)上邊帶信號頻譜上邊帶上邊帶f00-f0f2f0-2f023第二十三頁，共43頁。五、殘留邊帶(VSB)調(diào)制1.特點：適合包含直流分量和很低頻率分量的基帶信號。2.原理：VSB仍為線性調(diào)制

3.2線性調(diào)制r(t)接收信號s(t)cos0tH(f)基帶信號s(t)解調(diào)s(t)調(diào)制信號m(t)Acos0tH(f)已調(diào)信號s(t)調(diào)制24第二十四頁，共43頁。數(shù)學(xué)推導(dǎo)：調(diào)制信號和載波相乘后的頻譜為設(shè)調(diào)制器的濾波器的傳輸函數(shù)為H(f)，則濾波輸出的已調(diào)信號頻譜為若仍用上圖的解調(diào)器，則接收信號和本地載波相乘后得到的r(t)的頻譜為：將已調(diào)信號的頻譜代入上式，得到r

(t)的頻譜為：3.2線性調(diào)制-殘留邊帶(VSB)調(diào)制25第二十五頁，共43頁。

上式中M(f+2f0)和M(f–2f0)兩項可以由低通濾波器濾除，所以得到濾波輸出的解調(diào)信號的頻譜密度為：

為了無失真地傳輸，要求上式中

由于

所以，上式可以寫為

上式即產(chǎn)生VSB信號的條件。3.2線性調(diào)制-殘留邊帶(VSB)調(diào)制26第二十六頁，共43頁。上式要求：濾波器的截止特性對于f0具有互補的對稱性H(f+f0)-(f0+fm)0000ffff0-f0f0+fm-2f02f0-2f02f0fm-fmfmfH(f)H(f-f0)H(f+f0)+H(f–f0)3.2線性調(diào)制-殘留邊帶(VSB)調(diào)制返回27第二十七頁，共43頁。一、基本原理

1.頻率的概念：嚴(yán)格地說，只有無限長的恒定振幅、恒定頻率和恒定相位的正弦（余弦）波形才具有單一頻率。載波被調(diào)制后，不再僅有單一頻率。2.“瞬時頻率”的概念：設(shè)一個載波可以表示為式中，0為載波的初始相位；

(t)=0t+0

為載波的瞬時相位;

0=d(t)/dt為載波的角頻率?，F(xiàn)定義瞬時頻率：上式可以改寫為：3.3非線性調(diào)制28第二十八頁，共43頁。3.角度調(diào)制的定義：

(t)是載波的相位。若使它隨調(diào)制信號m(t)以某種方式變化，則稱其為角度調(diào)制。（1）相位調(diào)制的定義：若使相位(t)隨m(t)線性變化，即令

則稱為相位調(diào)制。這時，已調(diào)信號的表示式為

此已調(diào)載波的瞬時頻率為：

即，在相位調(diào)制中瞬時頻率隨調(diào)制信號的導(dǎo)函數(shù)線性地變化。

3.3非線性調(diào)制-基本原理29第二十九頁，共43頁。(2)頻率調(diào)制的定義：若使瞬時頻率直接隨調(diào)制信號線性地變化，則稱為頻率調(diào)制。瞬時角頻率為

瞬時相位為

這時，已調(diào)信號的表示式為：

上式表明，載波相位隨調(diào)制信號的積分線性地變化。3.3非線性調(diào)制-基本原理30第三十頁，共43頁。(3)相位調(diào)制和頻率調(diào)制的比較：在相位調(diào)制中載波相位(t)隨調(diào)制信號m(t)線性地變化，而在頻率調(diào)制中載波相位(t)隨調(diào)制信號m(t)的積分線性地變化。若將m(t)先積分，再對載波進(jìn)行相位調(diào)制，即得到頻率調(diào)制信號。類似地，若將m(t)先微分，再對載波進(jìn)行頻率調(diào)制，就得到相位調(diào)制信號。僅從已調(diào)信號波形上看無法區(qū)分二者。二者的區(qū)別僅在于已調(diào)信號和調(diào)制信號的關(guān)系不同。3.3非線性調(diào)制-基本原理31第三十一頁，共43頁。(4)角度調(diào)制的波形上圖表示瞬時頻率和時間的關(guān)系：

在0到20間做線性變化下圖表示已調(diào)信號波形若m(t)作直線變化，則已調(diào)信號就是頻率調(diào)制信號若m(t)是隨t2變化，則已調(diào)信號就是相位調(diào)制信號

角度調(diào)制波形i3.3非線性調(diào)制-基本原理32第三十二頁，共43頁。二、已調(diào)信號的頻譜和帶寬

1.頻譜

設(shè)：調(diào)制信號m(t)是一個余弦波

用其對載波作頻率調(diào)制，則載波的瞬時角頻率為

上式中，kf=－為最大頻移已調(diào)信號表示式：

3.3非線性調(diào)制33第三十三頁，共43頁。3.3非線性調(diào)制-已調(diào)信號的頻譜和帶寬

式中

m＝f/fm為最大頻率偏移和基帶信號頻率之比，稱為調(diào)制指數(shù)mf，即有：

上式是一個含有正弦函數(shù)的余弦函數(shù)，它的展開式為：34第三十四頁，共43頁。

式中，Jn(mf)為第一類n階貝塞爾函數(shù)， 它具有如下性質(zhì)：

故上式可以改寫為：－已調(diào)信號最終表示式3.3非線性調(diào)制-已調(diào)信號的頻譜和帶寬35第三十五頁，共43頁。x3.3非線性調(diào)制-已調(diào)信號的頻譜和帶寬貝塞爾函數(shù)曲線36第三十六頁，共43頁。2.