通信原理模擬調(diào)制系統(tǒng)課件

通信原理

夏舸xiaboat@電子與電氣工程學(xué)院CollegeofElectronics&ElectricalEngineering,8/11/20231通信原理

夏舸電子與電氣工程學(xué)院Coll第五章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.0一些基本概念5.1幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能5.3非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能5.5各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較5.6頻分復(fù)用5.7廣播與電視5.7小結(jié)8/11/20232第五章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.0一些基本概念8/1/202325.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理一、調(diào)幅（AM）二、雙邊帶調(diào)制（DSB）三、單邊帶調(diào)制（SSB）四、殘留邊帶調(diào)制（VSB）五、線性調(diào)制的一般模型六、相干解調(diào)七、包絡(luò)檢波8/11/202335.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理一、調(diào)幅（AM）8/15.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型（《現(xiàn)代通信原理》，曹志剛，清華大學(xué)出版社，P.45）(1)濾波法模型由前幾節(jié)敘述可知，線性調(diào)制的一般模型如下圖所示：輸出信號(hào)時(shí)域表示式為：它的頻域表達(dá)一般形式為：式中：，M(ω)為m(t)的頻譜函數(shù)。8/11/202345.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型

(2)移相法模型若傳遞函數(shù)H(ω)的應(yīng)沖激響應(yīng)為h(t)，則其時(shí)域表達(dá)的一般形式為：利用三角公式可將上式展開為：設(shè)：，則上式可改寫為：8/11/202355.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型

(2)移相法模型令：，則：同相分量：是載波為cosωct的雙邊帶調(diào)制信號(hào)，與圖中載波同相，故稱為同相分量。正交分量：是以sinωct為載波的雙邊帶調(diào)制信號(hào)，由于它與cosωct正交，因而稱為正交分量，sQ(t)是m(t)通過(guò)正交濾波器HQ(ω)后的產(chǎn)物。同相分量幅度正交分量幅度8/11/202365.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型

(2)移相法模型在分成同相分量與正交分量情況下，線性調(diào)制信號(hào)的頻域表達(dá)式為：8/11/202375.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型

(2)移相法模型由以上推導(dǎo)可以得到線性調(diào)制系統(tǒng)相移法實(shí)現(xiàn)的一般模型，如下圖所示，這個(gè)模型適用于所有線性調(diào)制。8/11/202385.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型

(2)移相法模型①雙邊帶調(diào)制，即：由：得：只有同相分量而無(wú)正交分量。

8/11/202395.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型

(2)移相法模型②單邊帶調(diào)制，即：此時(shí)有：負(fù)號(hào)表示上邊帶調(diào)制，正號(hào)表示下邊帶調(diào)制。8/11/2023105.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型

(2)移相法模型③殘留邊帶調(diào)制，即：此時(shí)有：負(fù)號(hào)表示殘留上邊帶調(diào)制，正號(hào)表示殘留下邊帶調(diào)制。8/11/2023115.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型線性調(diào)制系統(tǒng)中的信號(hào)（《信息傳輸基礎(chǔ)》，歐陽(yáng)長(zhǎng)月，北航出版社）

不論哪一種線性調(diào)制，其已調(diào)信號(hào)的同相分量sI(t)均正比于調(diào)制信號(hào)m(t)。8/11/2023125.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理五、線性調(diào)制的一般模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)(1)相干解調(diào)器的一般模型：8/11/2023135.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)(2)相干解調(diào)器原理為了無(wú)失真地恢復(fù)原基帶信號(hào)，接收端必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波），它與接收的已調(diào)信號(hào)相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調(diào)制信號(hào)。8/11/2023145.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)(3)相干解調(diào)器性能分析已調(diào)信號(hào)的一般表達(dá)式為：與同頻同相的相干載波c(t)相乘后，得：經(jīng)低通濾波器后，得到：因?yàn)閟I(t)是m(t)通過(guò)一個(gè)全通濾波器HI(

)后的結(jié)果，故上式中的sd(t)就是解調(diào)輸出，即：8/11/2023155.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)(3)相干解調(diào)器性能分析①標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號(hào)經(jīng)低通濾波和隔直流后有：8/11/2023165.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)(3)相干解調(diào)器性能分析②雙邊帶信號(hào)經(jīng)低通濾波后有：8/11/2023175.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)(3)相干解調(diào)器性能分析③單邊帶信號(hào)經(jīng)低通濾波后有：8/11/2023185.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)(3)相干解調(diào)器性能分析④殘留邊帶信號(hào)經(jīng)低通濾波后有：8/11/2023195.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)結(jié)論：(1)相干解調(diào)器適用于所有線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，即對(duì)于AM、DSB、SSB和VSB都是適用的。只是AM信號(hào)的解調(diào)結(jié)果中含有直流成分A0，這時(shí)在解調(diào)后加上一個(gè)簡(jiǎn)單隔直流電容即可。8/11/2023205.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)結(jié)論：(2)實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的關(guān)鍵是接收端要提供一個(gè)與載波信號(hào)嚴(yán)格同步的相干載波。否則，相干解調(diào)后將會(huì)使原始基帶信號(hào)減弱，甚至帶來(lái)嚴(yán)重失真，這在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)尤為嚴(yán)重。

相干載波的獲取方法及載波相位差對(duì)解調(diào)性能帶來(lái)的影響將在第13章中進(jìn)行討論。8/11/2023215.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理六、相干解調(diào)8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理七、包絡(luò)檢波(1)適用條件：AM信號(hào)，且要求|m(t)|max

A0，(2)包絡(luò)檢波器結(jié)構(gòu)：通常由半波或全波整流器和低通濾波器組成。例如：8/11/2023225.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理七、包絡(luò)檢波8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理七、包絡(luò)檢波(3)性能分析：設(shè)輸入信號(hào)是：選擇RC滿足如下關(guān)系：

fH——調(diào)制信號(hào)的最高頻率在大信號(hào)檢波時(shí)（一般大于0.5V），二極管處于受控的開關(guān)狀態(tài)，檢波器的輸出為： 隔去直流后即可得到原信號(hào)m(t)。8/11/2023235.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理七、包絡(luò)檢波8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理七、包絡(luò)檢波(4)對(duì)抑制載波雙邊帶調(diào)制、單邊帶調(diào)制和殘留邊帶調(diào)制不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波方法解調(diào)，但若插入很強(qiáng)的載波則仍可用包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行解調(diào)。參看曹志剛《現(xiàn)代通信原理》，P.488/11/2023245.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理七、包絡(luò)檢波參看曹志剛5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理七、包絡(luò)檢波加入載波后的信號(hào)：瞬時(shí)幅度：瞬時(shí)相位：如果插入載波的幅度Ad很大，則：上式中Ad為直流分量，因此包絡(luò)檢波后輸出時(shí)信號(hào)：8/11/2023255.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理七、包絡(luò)檢波8/1/25.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理七、包絡(luò)檢波結(jié)論：插入強(qiáng)載波分量后線性調(diào)制信號(hào)可以用包絡(luò)檢波的方法近似地恢復(fù)原始調(diào)制信號(hào)，這種方法對(duì)于雙邊帶信號(hào)、單邊帶信號(hào)和殘留邊帶信號(hào)都適用。載波分量可以在接收端插入，也可以在發(fā)送端插入。在廣播電視中為了使接收設(shè)備簡(jiǎn)化，采用了在發(fā)送時(shí)插入載波的方法。8/11/2023265.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理七、包絡(luò)檢波8/1/25.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能一、分析模型二、DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能三、SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能四、AM包絡(luò)檢波的性能8/11/2023275.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能一、分析模型8/1/20235.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能sm(t)—已調(diào)信號(hào)n(t)—信道加性高斯白噪聲ni(t)—帶通濾波后的噪聲m0(t)—輸出有用信號(hào)n0(t)—輸出噪聲一、分析模型8/11/2023285.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能一、分析模型8/1/2025.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(1)噪聲分析ni(t)為平穩(wěn)窄帶高斯噪聲，它的表示式為：或：由于：式中：Ni—解調(diào)器輸入噪聲的平均功率設(shè)白噪聲的單邊功率譜密度為n0，帶通濾波器是高度為1、帶寬為B的理想矩形函數(shù)，則解調(diào)器的輸入噪聲功率為：一、分析模型均值為08/11/2023295.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(1)噪聲分析一、分析模5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(2)解調(diào)器輸出信噪比定義：輸出信噪比反映了解調(diào)器的抗噪聲性能。輸出信噪比越大越好。(3)制度增益定義：用G便于比較同類調(diào)制系統(tǒng)采用不同解調(diào)器時(shí)的性能。G也反映了這種調(diào)制制度的優(yōu)劣。式中輸入信噪比Si/Ni的定義是：一、分析模型8/11/2023305.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(2)解調(diào)器輸出信噪比定5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(1)DSB相干解調(diào)抗噪聲性能分析模型：由于是線性系統(tǒng)，所以可分別計(jì)算解調(diào)器輸出的信號(hào)功率和噪聲功率。二、DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能8/11/2023315.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(1)DSB相干解調(diào)抗噪5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(2)輸出信號(hào)功率計(jì)算：設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)為：與相干載波cos

ct相乘后，得：經(jīng)低通濾波器后，輸出信號(hào)為：解調(diào)器輸出端的有用信號(hào)功率為：二、DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能8/11/2023325.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(2)輸出信號(hào)功率計(jì)算：5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(3)輸出噪聲功率計(jì)算：解調(diào)器輸入端的窄帶噪聲可表示為：它與相干載波相乘后，得：經(jīng)低通濾波器后，解調(diào)器最終的輸出噪聲為：故輸出噪聲功率為：或?qū)懗桑?/p>

二、DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能8/11/2023335.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(3)輸出噪聲功率計(jì)算：5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(4)輸入信號(hào)功率計(jì)算： 解調(diào)器輸入信號(hào)平均功率為：(5)信噪比計(jì)算：輸入信噪比：輸出信噪比：二、DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能8/11/2023345.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(4)輸入信號(hào)功率計(jì)算：5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(6)制度增益：

結(jié)論：DSB調(diào)制系統(tǒng)的制度增益為2。也就是說(shuō)，DSB信號(hào)的解調(diào)器使信噪比改善一倍。這是因?yàn)椴捎孟喔山庹{(diào)，使輸入噪聲中的正交分量被消除的緣故。二、DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能8/11/2023355.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(6)制度增益：二、DS5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(1)輸出噪聲功率：B=fH為SSB信號(hào)的帶通濾波器的帶寬。(2)輸出信號(hào)功率：SSB信號(hào)：與相干載波相乘后，再經(jīng)低通濾波可得解調(diào)器輸出信號(hào)：因此，輸出信號(hào)平均功率：三、SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能8/11/2023365.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(1)輸出噪聲功率：三、5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(3)輸入信號(hào)平均功率為：

因與m(t)的幅度相同，所以具有相同的平均功率，故上式變?yōu)椋喝?、SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能8/11/2023375.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(3)輸入信號(hào)平均功率為5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(4)信噪比：?jiǎn)芜厧Ы庹{(diào)器的輸入信噪比為：?jiǎn)芜厧Ы庹{(diào)器的輸出信噪比為：(5)制度增益：三、SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能8/11/2023385.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(4)信噪比：三、SSB5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能結(jié)論：(1)因?yàn)樵赟SB系統(tǒng)中，信號(hào)和噪聲有相同表示形式，所以相干解調(diào)過(guò)程中，信號(hào)和噪聲中的正交分量均被抑制掉，故信噪比沒(méi)有改善。(2)上述表明，GDSB=2GSSB，這能否說(shuō)明DSB系統(tǒng)的抗噪聲性能比SSB系統(tǒng)好呢？回答是否定的。原因：三、SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能8/11/2023395.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能結(jié)論：三、SSB調(diào)制系統(tǒng)的5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(1)包絡(luò)檢波器分析模型：檢波輸出電壓正比于輸入信號(hào)的包絡(luò)變化。四、AM包絡(luò)檢波的性能8/11/2023405.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(1)包絡(luò)檢波器分析模型5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(2)輸入信噪比計(jì)算：設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)為：解調(diào)器輸入噪聲為：解調(diào)器輸入信號(hào)功率：解調(diào)器輸入噪聲功率：輸入信噪比為：四、AM包絡(luò)檢波的性能8/11/2023415.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(2)輸入信噪比計(jì)算：四5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(3)包絡(luò)計(jì)算：由于解調(diào)器輸入是信號(hào)加噪聲的混合波形，即：

式中：

上式中E(t)便是所求的合成包絡(luò)。當(dāng)包絡(luò)檢波器的傳輸系數(shù)為1時(shí)，則檢波器的輸出就是E(t)。四、AM包絡(luò)檢波的性能8/11/2023425.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(3)包絡(luò)計(jì)算：四、AM有用信號(hào)與噪聲獨(dú)立地分成兩項(xiàng)，因而可分別計(jì)算它們的功率。5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(4)輸出信噪比計(jì)算：①大信噪比情況：輸入信號(hào)幅度遠(yuǎn)大于噪聲幅度，即：因而式：可以簡(jiǎn)化為：四、AM包絡(luò)檢波的性能8/11/202343有用信號(hào)與噪聲獨(dú)立地分成兩項(xiàng)，因而可分別計(jì)算它們的功率。5.5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(4)輸出信噪比計(jì)算：①大信噪比情況：輸出信號(hào)功率為：輸出噪聲功率為：故輸出信噪比為：制度增益為：四、AM包絡(luò)檢波的性能8/11/2023445.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(4)輸出信噪比計(jì)算：四5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(4)輸出信噪比計(jì)算：①大信噪比情況：討論：Ⅰ.AM信號(hào)的調(diào)制制度增益GAM隨A0的減小而增加。Ⅱ.GAM總是小于1，這說(shuō)明包絡(luò)檢波器對(duì)輸入信噪比沒(méi)有改善，而是惡化了。Ⅲ.例如：對(duì)于100%的調(diào)制，且m(t)是單頻正弦信號(hào)，這時(shí)AM的最大信噪比增益為：四、AM包絡(luò)檢波的性能8/11/2023455.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(4)輸出信噪比計(jì)算：四5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能(4)輸出信噪比計(jì)算：①大信噪比情況：討論：Ⅳ.可以證明，采用同步檢測(cè)法解調(diào)AM信號(hào)時(shí)，得到的調(diào)制制度增益與上式給出的結(jié)果相同。Ⅴ.由此可見，對(duì)于AM調(diào)制系統(tǒng)，在大信噪比時(shí)，采用包絡(luò)檢波器解調(diào)時(shí)的性能與同步檢測(cè)器時(shí)的性能幾乎一樣。四、AM包絡(luò)檢波的性能8