第三章 模擬調(diào)制系統(tǒng)_第1頁
第三章 模擬調(diào)制系統(tǒng)_第2頁
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文檔簡介

3.1調(diào)制的概念頻譜搬移到適合在信道傳輸?shù)念l率范圍;而在收端,再將它們搬回到原來的頻率范2.調(diào)制:所謂調(diào)制是使信號f(t)控制載波的某一個(或N個)參數(shù),使這個參1.正弦波調(diào)制:用正弦高頻信號作為載波(1)模擬(連續(xù))調(diào)制AMFM都可能攜帶同樣的消息。因此,連續(xù)波調(diào)制可分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。本章主要討3.2幅度調(diào)制一、標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅(AM)1.定義:是指用信號f(t)去控制載波C(t)的振幅,使已調(diào)波的包絡(luò)按照f(t)的規(guī)律線性變化。2.解析分析:調(diào)制信號:f(t)=A.cos(wmt+0m)其中A?-未調(diào)載波的振幅;設(shè)調(diào)制信號初始相位θ.=0其中稱為調(diào)幅度系數(shù)在0—1之間變化。m越大,說明調(diào)制越深。由上式可以看出:單一頻率已調(diào)波包括三個頻率分量:載波,上邊頻和下邊頻。(2)f(t)是包括一定帶寬的多頻信號設(shè)f(t)為調(diào)制信號,載波為C(t)=A?cos@ot+θ?)AM的波形和頻譜的對應(yīng)關(guān)系為調(diào)制信號載波信號已調(diào)波信號3.圖解分析f(t)→F@)→C(@0)=πA?(8(@0-00)e(設(shè)θ?=0)0w2W0W00t結(jié)論:(1)調(diào)制過程使基帶信號的頻譜搬移到±wo處;(2)AM的頻譜中含有載頻和上、下兩個邊帶;(3)已調(diào)波帶寬為原基帶信號帶寬的兩倍,即WM=2Wm。的兩個邊帶。這就是抑制載波雙邊帶調(diào)幅十其對應(yīng)頻譜為2.0000結(jié)論:(1)載波被抑制;(2)波形有反向點;(3)頻譜中只有上、下邊帶,Wos=2W.;0WW抑制載波并僅發(fā)送一個邊帶,故又節(jié)省功率。2.SSB的產(chǎn)生(1)濾波法f(t)(2)相移法產(chǎn)生SSB由于f(t)四、殘留邊帶調(diào)幅(VSB)1.數(shù)學(xué)模型采用帶寬介于單邊帶調(diào)制與雙邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)制方式,這就是殘留邊帶調(diào)制(VSB)。它除傳送一個邊帶外,還保留另一邊帶的一部份。數(shù)學(xué)模型如圖所示。f(t)2.殘留邊帶器特性(3)在邊帶范圍內(nèi)其它處是平坦的。如圖所示。ow①對于調(diào)幅信號的解調(diào),總的來說有三種方式:相干解調(diào)、非相干解調(diào)和載波插(1)解析分析乘法器輸出P(t)=f(t)cos(Oot+O。)cos(Wot+φ)通過LPF后討論:相干當(dāng)θ=φ=常數(shù)時,若θ≠φ信號失真(2)圖解分析00wMAM、SSB和VSB均可采用相干解調(diào)方法,其原理完全同DSB。二、非相干解調(diào)就是在接收端解調(diào)信號時不需要本地載波,而是利用已調(diào)信號中的包絡(luò)信息來恢復(fù)原始信號。非相干解調(diào)一般只適用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅(AM)系統(tǒng)。AM信號非相干解調(diào)方法通常有三種,一是平方律檢波,二是整流檢波,三是包絡(luò)檢波。三、載波插入法解調(diào)當(dāng)已調(diào)信號中不含有載波分量時,不能采用包絡(luò)檢波法解調(diào)。因為已調(diào)信號的包絡(luò)不完全載有原調(diào)制信號的信息。但是我們可以在接收端插入一個載波,這時就可以采用包絡(luò)檢波法解調(diào)了,這種解調(diào)方法被稱為載波插入法。插入載波的相位與頻率也必須準(zhǔn)確地和接收信號的載波相同。3.4調(diào)幅系統(tǒng)的抗噪聲性能一、通信系統(tǒng)中有噪聲解調(diào)器的數(shù)學(xué)模型對模擬通信系統(tǒng)來說,解調(diào)器的抗噪聲性能主要是用“信噪比”來衡量,信噪比指的是信號和噪聲的平均功率之比,用S/N表示。其數(shù)學(xué)模型為圖。S(t)為解調(diào)器輸入端的已調(diào)信號,n(t)為加性高斯白噪聲。帶通濾波器:濾出有用信號,濾除帶外噪聲。Si、S?分別表示解調(diào)器輸入端和輸出端的有用信號功率,Ni和N?分別表示解調(diào)器輸入端和輸出端的噪聲功率。解調(diào)器的輸入信噪比Si/N,輸出信噪比S?/No。通常采用信噪比增益來度量各種解調(diào)器的抗噪聲性能。信噪比增益定義為信噪比增益越高,則解調(diào)器的抗噪聲性能愈好。二、相干解調(diào)的抗噪聲性能經(jīng)推導(dǎo),各調(diào)幅系統(tǒng)的信噪比增益分別為討論:(1)AM信號經(jīng)相干解調(diào)后,即使在最好的情況下,也不能改善其輸入信噪比,而信噪比一般都會惡化。(2)DSB可以改善其輸入信噪比3dB,即信噪比改善了兩倍。(3)SSB和VSB即不改善也不惡化其輸入信噪比。(4)信噪比增益只適用于同一系統(tǒng)不同解調(diào)。注意:是否說明DSB的抗噪聲性能優(yōu)于SSB呢?不是的,因為信噪比增益僅僅適用于同類調(diào)制系統(tǒng)作為衡量不同解調(diào)器的抗噪聲性能,而不能用在不同調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能比較上,DSB的信噪比增益比SSB高一倍,是因為SSB所需帶寬僅為DSB的一半,因此在噪聲功率譜相同的情況下DSB的輸入噪聲功率是SSB的兩倍。盡管DSB的信噪比增益為2,但一開始其輸入噪聲就已高出SSB的2倍,所以解調(diào)器對信噪比的改善被更大的輸入噪聲所低消。因此,對給定的輸入信號功率,DSB和SSB輸出端的信噪比是相同的,SSB和DSB解調(diào)器的性能是相同的。三、非相干解調(diào)的噪聲性能AM采用包絡(luò)檢波器解調(diào)的噪聲性能。(1)大信噪比情況下(即小噪聲)信噪比增益為此結(jié)果與相干解調(diào)時得到的信噪比公式相同,由此說明:AM在大輸入信噪比時,包絡(luò)檢波器性能與相干解調(diào)性能相同。(2)小信噪比情況(大噪聲)在小信噪比的情況,信號完全被包絡(luò)檢波器破壞。所以不能通過包絡(luò)檢波器恢復(fù)信號。我們把在小信噪比時非相干解調(diào)器不能提取信號的現(xiàn)象稱為門限效應(yīng)。例題:某接收機(jī)的輸出噪聲功率為10-9W,輸出信噪比為20dB,由發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間總傳輸損耗為100dB。(1)試求用DSB調(diào)制時發(fā)射功率應(yīng)為多少?(2)若改用SSB調(diào)制,問發(fā)射功率應(yīng)為多少?—→解:(1)DSB:∵S?/N?=20dB100(倍)已知: (2)SSB:∵S?/N?=20dB100(倍)又3.5角度調(diào)制系統(tǒng)角度調(diào)制是頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)的統(tǒng)稱。一、角度調(diào)制的基本概念1.定義:用正弦波作載波時,載波的振幅不變,而載波的相角(頻率、相位)受調(diào)制信號的控制而變化。未調(diào)制的正弦載波可表示為S(t)=Acosθ(t)w(t)稱為瞬時頻率,2.相位調(diào)制PM(1)定義:若正弦載波的瞬時相角θ(t)與調(diào)制信號f(t)是線性函數(shù)關(guān)系,就稱K。稱為比例常數(shù),它表示調(diào)相器靈敏度,單位是弧度/伏。(2)瞬時相角瞬時相位偏移,即PM的瞬時頻率與調(diào)制信號f(t)的微分呈線性關(guān)系。(4)PM波的表達(dá)式對于單音頻信號進(jìn)行調(diào)制時f(t)=AmcOsOmt3.頻率調(diào)制FM(1)定義:若正弦載波的瞬時頻率o(t)與信號f(t)呈線性關(guān)系,則稱之為FM。即@o是固有角頻率,K,是比例常數(shù),它表示調(diào)頻器靈敏度,單位是弧度/秒·伏。(2)瞬時相角FM波的瞬時相角與f(t)的積分呈線性關(guān)系。(3)FM波的表達(dá)式當(dāng)單音頻調(diào)制時,調(diào)制信號為f(t)=AmcosOmt,,可得到FM的最大頻偏△o=AmKf1.定義:如果調(diào)頻波的最大相位偏移滿足如下條件設(shè)θ?=0,并將其按三角函數(shù)展開,則有相同點:兩者頻譜相類似,都包含有載波和上、下兩個邊帶,且已調(diào)信號的帶寬都為調(diào)制信號的兩倍。1.NBFM信號的邊帶分量與頻率有關(guān)。2.兩個邊帶的相位不一樣。負(fù)頻域的邊帶分量相位翻轉(zhuǎn)180°。3.NBFM解調(diào)窄帶調(diào)頻波和調(diào)幅信號一樣,可以采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方法來恢復(fù)原調(diào)制信號。而窄帶調(diào)頻多采用相干解調(diào)。三、寬帶調(diào)頻(WBFM)2.WBFM的頻譜寬帶調(diào)頻的頻譜是由載頻分量和無窮多個邊頻分量組成。這些邊頻分量對稱地分布在載頻的兩側(cè),相鄰頻率之間的間隔為@m。對稱的邊頻分量幅度相等,但n為偶數(shù)時的上、下邊頻幅度的符號相同,而n為奇數(shù)時,其上、下邊頻幅度的符號相反。03.單頻調(diào)制時的頻帶寬度以單音頻調(diào)制時,F(xiàn)M信號的帶寬為WFM≈2nom=2(βFM+1)Wm=2人們通常習(xí)慣用頻率來表示帶寬號的帶寬也可寫為這個關(guān)系稱為卡森公式。四、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)(一)調(diào)頻信號的產(chǎn)生產(chǎn)生調(diào)頻的方法有兩種:一種為直接調(diào)頻法;另一種為倍頻法。1.直接調(diào)頻法:用調(diào)制信號直接改變決定載波頻率的電抗元件的參數(shù),使輸出信號Sm(t)的瞬時頻率隨調(diào)制信號線性變化。目前人們多采用壓控振蕩器(VCO)作為產(chǎn)生調(diào)頻信號的調(diào)制器,如圖所示。直接調(diào)頻法的優(yōu)點是可以得到很大的頻偏。主要缺點是載波頻率會發(fā)生漂移,因而需要附加穩(wěn)頻電路。2.倍頻法:是由窄帶調(diào)頻通過倍頻產(chǎn)生寬帶調(diào)頻信號的方法。它是由倍頻器和混頻器適當(dāng)配合組成的。(二)調(diào)頻信號的解調(diào)窄帶調(diào)頻信號的解調(diào)可以采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)。寬帶調(diào)頻信號的解調(diào)主1.NBFM的抗噪聲性能dP2.寬帶調(diào)頻的抗噪聲性能寬帶調(diào)頻一般是用非相干解調(diào),通常采用的是鑒頻器。含有噪聲的非相干解調(diào)fafa(t)結(jié)論:(1)G與最大頻偏△w的三次方成正比。通過增加頻偏可以提高噪比,從而使寬帶調(diào)頻的抗噪聲性能優(yōu)于調(diào)幅系統(tǒng)。由于Wn≈2△w,因此△w的增下降。當(dāng)解調(diào)器的輸入信噪比下降至某一數(shù)值時,輸出信噪比將急劇下降。這種情況下,增加頻偏不僅不會有好處,反而帶來壞處。這種現(xiàn)象稱為“門限效應(yīng)”。這個數(shù)值(Si/N)th稱為寬帶調(diào)頻系統(tǒng)的門限值。理論和實踐給出了這個門限值通常為(2)當(dāng)解調(diào)器輸入信噪比(Si/N)M大于(S?/N)th時,稱之為大信噪比的條件。這時輸出信噪比(S?/N?)與輸入信噪比呈線性關(guān)系,且βm越大,性能越好。(3)但當(dāng)輸入信噪比低于門限值時,稱為小信噪比條件。(S?/N?)pm將隨(Si/N?)的下降而急劇下降。且βm越大,其輸出信噪比有可能越小。同時還發(fā)現(xiàn)βm越大,出現(xiàn)門限效應(yīng)的輸入信噪比門限值越高。六、調(diào)頻中的預(yù)加重和去加重我們知道,調(diào)頻解調(diào)器輸出的噪聲功率譜Sna(o)為拋物線形狀,它與w2成正比。但是解調(diào)器輸出的信號并不存在這種關(guān)系。實際中的許多信號,例如語音、音樂等,大部分能量集中在低頻范圍內(nèi)。對于信號f(t)頻譜中的高頻端,由于輸出噪聲功率的加重,從而使輸出信噪比降低,即在信號功率密度最小的頻率范圍噪聲功率譜卻最大,這對解調(diào)器輸出信噪比顯然是不利的。為了解決這一問題,在解調(diào)器后面加一特性為1/w2的所謂去加重網(wǎng)絡(luò),來抵銷拋物線的影響,使解調(diào)后的噪聲功率具有平坦特性。然而去加重的加入將會引起解調(diào)信號的頻率失真,為了校正這個失真,在發(fā)送端調(diào)制器前首先插入一個與校正加重網(wǎng)絡(luò)特性相反的預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)。如圖所示為采用預(yù)加重和去加重措施的FM系統(tǒng)。信道增益K圖中Hp(o)表示預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù);Ha(@)表示去加重網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)。圖中K為系統(tǒng)增益。Hp(o)與H?(o)滿足如下關(guān)系性如圖(c)、(d)所示。在調(diào)頻廣播中通常取f?=2.5KHz(RC=75μs)。輸入輸入因此,一個信道只傳送一路信號有時是非常浪費的。為所謂頻率復(fù)用是指多路信號在頻率位置上分開,但同時在一個信道內(nèi)傳輸。因此,頻率復(fù)用信號在頻譜上不會重疊,但在時間上是重疊的。頻分復(fù)用的理論基礎(chǔ)W02由圖可見,發(fā)送端需送的n路信號首先通過低通濾波器,用來限制調(diào)制信號的最高頻率到f,例如音頻信號限制在3.4KHz左右。然后各路信號通過各自的調(diào)制器,它們的電路可以是相同的,但所用的載波頻率不同。調(diào)制方式可以是任意的連續(xù)波調(diào)制。為了節(jié)省邊帶,最常用的是單邊帶調(diào)制。已調(diào)信號分別通過限定自身頻率范圍的帶通濾波器。最后各路信號合并為一個總的復(fù)用信號f(t)。其頻譜結(jié)構(gòu)(以SSB為例)如圖所示。為了防止鄰路信號之間相互干擾,相鄰信道之間需加防護(hù)頻帶fg,因此,總的復(fù)用信號的帶寬為B=Nfm+(N-1)fg在接收端,可利用相應(yīng)的帶通濾波器來分離出各路信號,并通過各自的解調(diào)器頻分復(fù)用系統(tǒng)的最大優(yōu)點是信道利用率高,容許復(fù)用的路數(shù)多,同時分路也很在復(fù)用系統(tǒng)中采用兩種或兩種以上的調(diào)制方式稱該系統(tǒng)為復(fù)合調(diào)制系統(tǒng)。復(fù)合調(diào)制通常分為兩類,一類用于頻分復(fù)用,屬于連續(xù)波一連續(xù)波復(fù)合調(diào)制系統(tǒng),例如fW[例3.6-1]10路話音信號采用SSB/FM復(fù)合調(diào)制,話音信號的最高頻率為4KHz,防護(hù)頻帶為0.5KHz,調(diào)頻指數(shù)βm=5,其復(fù)合調(diào)制的總帶寬是多少?BFM=2β+1)BssB=2×6×44.5=3-1已知調(diào)制信號f(t)=A.sinwmt,載波C(t)=A?cosw?t(1)試寫出標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波AM的表達(dá)式。(2)畫出時域波形(設(shè)β=0.5)及頻譜圖。s@)s@)0@3-3設(shè)調(diào)制信號f(t)為f(t)=Amcos(2000t),載波頻率為10KHz。試畫出相應(yīng)的DSBSpsg(t)=f(t)cos2π×10?t=3-4試畫出雙音調(diào)制時雙邊帶(DSB)信號的波形和頻譜。其中調(diào)制信號為圖為調(diào)制信號f(t)=f?(1)+f?(t)=A[cosont+cos2wmt]t3-5已知調(diào)幅波的表達(dá)式為S(t)=0.125cos(2π×10?t)+4cos(2π×1.1×10?t)+0.12試求其中(1)載頻是什么?(2)調(diào)幅指數(shù)為多少?(3)調(diào)制頻率是多少?解:S(t)=0.125cos(2π×10?t)+4co∴(1)載頻為1.1×10?H?(2)(3)調(diào)制頻率為10H?調(diào)制指數(shù)3-10.試給出題3-10圖所示三級產(chǎn)生上邊帶信號的頻譜搬移過程,其中,fo?=100MHz,調(diào)制信號為話音頻譜300~3000Hz。題3-10圖3-11某接收機(jī)的輸出噪聲功率為10-9W,輸出信噪比為20dB,由發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間總傳輸損耗為100dB。(1)試求用DSB調(diào)制時發(fā)射功率應(yīng)為多少?(2)若改用SSB調(diào)制,問發(fā)射功率應(yīng)為多少?—→解:(1)DSB:∵S?/N?=20dB100(倍)1010(倍)(1)SSB:∵S?/N?=20dB100(倍)(倍)3-13已知調(diào)制信號f(t)=cos(10π×10-3t)伏,對載波C(t)=10cos(20π×10°t)伏進(jìn)行∵信道衰減為1Db/km×100=100dB→10103-15已知一角調(diào)信號為S(t)=Acos[w?t+100coswmt]解:(1)由調(diào)相波表達(dá)式知(2)由表達(dá)式知:其瞬時相位為3-16已知載頻為1MHz,幅度為3V,用單正弦信號來調(diào)頻,調(diào)制信號頻率為2KHz,產(chǎn)生的最大頻偏為4KHz,試寫出該調(diào)頻波的時域表達(dá)式。3-18100MHz的載波,

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