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专业课强化精讲课程第 4 讲模拟调制系统(一)1调制的定义:是按原始电信号的变化规律去改变高频载波某些参量的过程。 调制的方式 :模拟调制和数字调制 调制信号形式;载波的选择: 正弦波和脉冲调制 高频载波形式。调制的作用:调制的分类(模拟): AM 、 DSB-SC、 SSB 、 VSB 、FM和PM。模拟调制系统考试大纲:幅度调制的原理及抗噪性能;角度调制的基本概念。 25.1 幅度调制的原理 5.1.1 幅度调制的一般模型 幅度调制定义:用调制信号去控制高频正弦载波的幅度,使 其按调制信号的规律变化的过程。模型:表达式:m(t)-调制信号(一般为基带信号);sm(t)-已调信号; h(t)-滤波器的冲激响应。 3模型:表达式:讨论: 在波形上,它的幅度随基带信号规律而变化;在频谱上,它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单 搬移。由于这种搬移是线性的,因此幅度调制通常又称为线 性调制; 适当选择H( )、m(t),便可得到各种幅度调制信号,例如 :常规双边带调幅(AM)、抑制载波双边带调幅(DSB-SC )、单边带调制(SSB)和残留边带调制(VSB)信号等。45.1.2 常规双边带调幅(AM) 1. AM信号的表达式、频谱及带宽 条件(在一般模型的基础上) : 滤波器为全通网络:H( )=K(=1); 调制信号:m(t)外加直流分量A0,且(1)模型(2)表达式5(3)波形及频谱6(4)讨论AM信号是带有载波的双边带信号,它的带宽为基带信号带宽 的两倍,即 上边带、下边带。都含有原调制信号的完整信息 。包络检波不发生失真条件过调制。72.AM信号的功率分配及调制效率 已调信号功率为:功率分配:注:Pc载波功率;Ps边带功率; 基带信号功率。调制效率:显然,AM信号的调制效率总是小于1。8例5.1 设m(t)为正弦信号,进行100的常规双边带调幅,求 此时的调制效率。 解: 依题意无妨设 而100调制就是 的调制,即 因此 由此可见,正弦波做100AM调制时,调制效率仅为33.3%!93.AM信号的解调 调制的逆过程叫做解调。AM信号的解调方法有两种:相 干解调和包络检波解调。用一个低通滤波器,就无失真的恢复出原始的调制信号: (1)相干解调 原理:乘法器移频。 关键:与调制器同频同相 位的载波。 问:同频不同相?同相解调结果:1/2幅度。10(2)包络检波法 原理:AM信号波形的包络与输入 基带信号成正比,故可以用包络检 波的方法恢复原始调制信号。包络检波器:一般由半波/全波整流器和LPF组成。电路由二极管D、电阻R和电容C组成。包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近,即:11(3)讨论 包络检波法属于非相干解调法,其特点是:解调效率高, 解调器输出近似为相干解调的2倍;解调电路简单,特别是 接收端不需要与发送端同频同相位的载波信号,大大降低实 现难度。故几乎所有的调幅(AM)式接收机都采用包络检波法。采用AM传输信息好处:解调电路简单,可采用包络检波法。缺点:调制效率低,载波分量不携带信息,但却占据了 大部分功率。改进措施:如果抑制载波分量的传送,则可演变出另一 种调制方式,即抑制载波的双边带调幅(DSB-SC)。 125.1.3 抑制载波的双边带调幅(DSB-SC) 1. DSB信号的表达式、频谱及带宽 条件(在一般模型的基础上): 滤波器为全通网络:H( )=K(=1); 调制信号:无直流分量,依然(2)表达式(1)模型13(3)波形及频谱讨论:DSB信号不能进行包络检波,只能相干解调;除不含载频分量离散谱外,DSB信号频谱同于AM(由上下对 称的两个边带组成)DSB信号是不带载波的双边带信号;它的带宽为基带信号带宽的两倍:142. DSB信号的功率分配及调制效率 由于不再包含载波成分,因此,DSB信号的功率就等于 边带功率,是调制信号功率的一半,即显然,DSB信号的调制效率为100%。 153.DSB信号的解调 DSB信号只能采用相干解调。 乘法器输出为:经低通滤波器滤除高次项,得 即无失真地恢复出原始电信号。 DSB调制的好处:节省了载波发射功率,调制效率高;调制 电路简单,仅用一个乘法器就可实现。缺点:占用频带宽度比较宽,为基带信号的2倍。改进招数?165.1.4 单边带调制(SSB) 考察:由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的,皆携 带了调制信号的全部信息,因此,从信息传输的角度来考虑 ,仅传输其中一个边带就够了。1. SSB信号的产生 产生SSB信号的方法很多,最基本的:滤波法和相移法。 (1)滤波法据一般模型而建条件: 滤波器为: 调制信号:调制信号基带信号,且 关键/注:模型17模型频谱频域 表达式18(2)用相移法形成SSB信号据时域表达式而建可以证明, SSB信号的时域表示式为:式中:“”对应上边带信号,“+”对应下边带信号; 是 的希尔伯特变换。模型 为希尔伯特滤波 器,它实质上是一个宽 带相移网络,对 m(t)中的所有频率分量 均相移。 192. SSB信号带宽、功率和调制效率3. SSB信号的解调 SSB信号的解调也不能采用包络检波,只能采用相干解调,SSB信号不含载波成分,单边带幅度调制的效率也为100%。 20乘法器输出为:经低通滤波后的解调输出为SSB信号的解调原理:是DSB时的二分之一。 心得:相干解调解出同相分量的一半,抑制正交分量。21回顾/小结:AM调制: 可采用包检,结构简单,但调制效率低,最大 33;DSB调制:调制效率高,但信号占用频带宽;SSB调制:调制效率高,信号占用频带低,同于基带信号。5.1.5 残留边带调制(VSB) 特点:残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的 一种调制方式,它既克服了DSB信号占用频带宽的问题,又解决了单边带滤波器不易实现的难题。原理:在残留边带调制中,除了传送一个边带外,还保留了 另外一个边带的一部分。 22231. 残留边带信号的产生模型频谱频域表达式关键:残留边带滤波器(待证)时域表达式? 24满足互补对称特性的滚降形状可以有无穷多种,用的最多的 是直线滚降和余弦滚降。几何含义:HVSB()在载频附近必须具有互补对称性。 HVSB()可以看作是对截止频 率为c的理想滤波器的进行“平 滑”“滚降”的结果。 由于“滚降”,滤波器截止频率 特性的“陡度”变缓,实现难度降 低,但滤波器的带宽变宽。 252. 残留边带信号的解调只能采用相干解调。乘法器输出:而:代入上式得:经LPF:所以:同于DSB调制系统。 26VSB与SSB调制:VSB带宽:介于BDSB、BSSB之间,但趋于BSSB;由于VSB基本性能接近SSB,而VSB调制中的边带滤波器比 SSB中的边带滤波器容易实现,所以VSB调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。275.2 线性调制系统的抗操声性能 前面的分析都是在没有噪声的条件下进行的。实际上, 任何通信系统都避免不了噪声的影响。从第2章的有关信道和噪声的内容可知,通信系统是把信道加性噪声中的起伏噪声作为研究对象的。而起伏噪声 又可视为高斯白噪声。因此,本节将要研究信道存在加性高斯白噪声时各种线 性系统的抗噪声性能可靠性研究。285.2.1 通信系统抗噪性能分析模型 由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响,因而调制 系统的抗噪声性能可用解调器的抗噪声性能来衡量。 分析解调器抗噪性能的一般模型:为传输过程中叠加的高斯白噪声:0、2、n0/2;为窄带高斯噪声,可以表示为:29窄带高斯噪声ni(t)功率Ni:30输出信噪比输入信噪比 信噪比增益(调制制度增益)作为不同调制方式下解调器抗噪性能的度量。它可以定义为:315.2.2 线性调制相干解调的抗噪声性能特点:相干解调属于线性解调,故在解调过程中,输入 信号及噪声可分开单独解调。 适用:所有线性调制(DSB、SSB、VSB、AM)信号的 解调 。相干解调时接收系统模型:解调器为同步解调器,由相乘 器和LPF构成。321. DSB调制系统的性能 (1)求So输出信号的功率解调器输入信号乘法器输出经LPF输出信号输出信号功率可直接写出33(2)求NO输出噪声的功率解调器噪声输入乘法器输出经LPF输出噪声输出噪声功率可直接写出34(3)求Si输入信号功率解调器输入信号平均功率: 结论:解调器的输入和输出信噪比: 调制制度增益:352.SSB调制系统的性能 (2)求No输出噪声的功率结论同于DSB可直接写出但:?(1)求So输出信号的功率36(3)求Si输入信号的功率结论:解调器的输入和输出信噪比: 调制制度增益:37DSB解调器的调制制度增益是SSB的二倍。因此就说:双边带 系统的抗噪性能优于单边带系统? 比较前提:解调器的输入噪声功率谱密度n0/2相同;输入信号的功率Si也相等。具体分析如下:在相同的噪声背景和相同的输入信号功率条件下,DSB和SSB在解调 器输出端的信噪比是相等的。这就是说,从抗噪声的观点,SSB制式 和DSB制式是相同的。 但:B 383.VSB调制系统的性能 VSB调制系统抗噪性能的分析方法与上面类似相干解调。但问题:采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同, 难以确定抗噪性能的一般计算公式。不过,在残留边带滤波器滚降范围不大的情况下,可将VSB 信号近似看成SSB信号,即 在这种情况下,VSB调制系统的抗噪性能与SSB系统相同。39解调器输入信号为:输入噪声为:注:包络检波属于非线性解调,信号与噪声无法分开处理。5.2.3 常规调幅包络检波的抗噪声性能 AM信号可采用相干解调或包络检波。实际中,常用简单 的包络检波法解调。 1. 模型:一般模型中的解调器具体为包络检波器。402.输入信号功率Si、噪声功率Ni和输入信噪比Si/ Ni 413. 输出信号功率So、噪声功率No、输出信噪比So/ No 、GAM 非线性解调,信号与噪声无法分开处理。解调器输入的信号加噪声的合成波形是 :其中合成包络:理想包络检波器的输出就是A(t)。检波器输出中有用信号与噪声无法完全分开,因此,计算输 出信噪比是件困难的事。为简化起见,考虑两种特殊情况: 大信噪比情况 小信噪比情况 42(1)大信噪比情况大信噪比(输入信号幅度远大于噪声幅度),即 :即:此时43输出信号功率、噪声功率和信噪比:调制制度增益:对于100调制(即 ),且又是单音频正弦信号 输入时:44小信噪比(噪声幅度远大于输入信号幅度),即:(2)小信噪比情况此时即:45结论: 在大信噪比情况下,AM信号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同;但随着信噪比的减小,包络检波器将在 一个特定输入信噪比值上出现门限效应。同步解调器不存在门限效应。 讨论:调制信号m(t)无法与噪声分开,包络中不存在单独的信号 项m(t) 。有用信号m(t)被噪声所扰乱,m(t)cos(t) 只能看作是噪声。这种情况下,输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降,而是急剧恶化。通常把这种现象称为门限效应。开始出现 门限效应的输入信噪比称为门限值。46
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