通信原理课件：模拟调制-调幅系统

33
在 f (t ) Wm和n0相同的情况下，SSB,VSB的 输入端信噪比为双边带时的4倍
______ 2
(3)为了计算输出信号功率和噪声，认为解调过程是线性的,满足叠加定理
求噪声输出功率
p0 ( )
1 [ P ( c ) P ( c ) ] 1 1 4
P39
34
(4)
14
2、滤波法形成单边带信号(从频域概念出发) 滤波法的概念:在双边带调制后接上一个边带滤波器,让有用边带 通过而抑制掉无用边带.滤波器可用带通,高通(产生USB)或低通滤波 器(产生LSB). 滤波法实现SSB的数学模型如图.
f(t)
θ(ω)
cos(ω0t)
φSSB(t)
增益为2
缺点：要求在ω0处有锐截止特性,特别是信号含有丰富低频分量时，载 频高于1兆赫较难实现.解决办法是采用多级频率搬移,即在低载频上形成 单边带信号,然后通过变频将频谱搬移到更高的载频.
13
4.3单边带调幅（SSB)
单边带调幅(SSB)
1、单边带信号的频谱 图
ë在AM或DSB中,ω0处出现了两个与F(ω)形状完全相同的频谱,但任 何物理可实现信号其频谱都是ω的偶函数,因此不可能做到只传送其 中一个频谱.
ë以ω0为中心的频谱分成USB和LSB两部分后,我们可以只传送USB或 LSB,它们均为ω的偶函数,且包含了F(ω)的全部信息. 由频谱图可知,SSB带宽比AM或DSB减小了一倍.提高了信道的利用率 而不发送载波只发送一个边带,可以更节省功率
1、波形及其频谱
设调制信号 f ( t ), 载波为 C ( t ) A0 cos( w 0 t 0 ) 则已调信号可表示为：
AM ( t ) [ A0 f ( t )] cos( w 0 t 0 )
[e j ( w0t 0 ) e j ( w0t 0 ) ] [ A0 f ( t )] 2
(1) 大信噪比时
2 2 A0 f (t ) nC (t ) nS (t )
（*）
2 2 2nC (t ) nC (t ) nS (t ) 1/ 2 A(t ) [ A0 f (t )]{1 } 2 A0 f (t ) [ A0 f (t )]
A0 f (t ) nC (t )
本章主要介绍连续波(CW)模拟调制系统，其中包括： 调幅(线性)：调制信号(基带信号)频谱的线性搬移过 程。 AM,DSB,SSB,VSB 调角(非线性)：调制信号频谱与已调信号频谱间无线性对 应关系。 FM、PM
4
4.1标准幅度(AM)
标准调幅 用信号f(t)去控制载波C(t)的振幅，使已调信号包络按照f(t) 的规律线性变化的过程
2
引言

定义：用调制信号(基带信号)的变化规律去控制载波的 某个参数，使这个参数按照信号的规律变化。 调制过程对通信系统至关重要，主要目的主要有: 提高频率以便辐射; 实现信道复用；
AM，FM，PM ASK，FSK，PSK，QAM
PAM，PDM，PPM
PCM/DPCM/ADPCM
3
连续波已调信号
i (t ) ni (t ) [ A0 f (t ) nc (t )] cos(w0t 0 ) ns (t ) sin(w0 0 ) A(t ) cos[w0t 0 (t )]
A(t ) {[ A0 f (t ) nc (t )]2 ns2 (t )}1/ 2
39
输出信号功率 输出噪声功率
S0 f (t )
_______ 2 C
________ 2
No n (t ) n (t ) Ni
1、频谱
18
2、虑波法产生VSB信号
残留边带滤波器:频率特性在|ω0|附近具有滚降特性,且要求这段具有互补 对称性,如图,这将意味着将|HV(ω)|分别移动-ω0和+ω0后所得HV(ωω0) 相加后在零频附近恒为常数.
在|ω|<Wm范围内有: HV(ω-ω0)+ HV(ω+ω0)=const=2
26
3、残留边带信号的解调
输入信号为VSB,在频域分析比较方便。假设本地载波完全相干，由乘法 器输出信号 V p (t ) VSB (t ) cos(w0t ) 的傅氏变换为
V p ( w)
V p ( w)
1 F ( w)[ H v ( w w0 ) H v ( w w0 )] 4 1 [ H v ( w w0 ) F ( w 2 w0 ) H v ( w w0 ) F ( w 2 w0 )] 4 经过LPF后， V ( w) 1 F ( w)[ H ( w w ) H ( w w )]
2
1 f (t ) m 2 2 A ( m )2 A0 A 1 ( m )2 A0 Pf
___ 2
A2
P57
9
例：单频调制AM的效率
在各种调制信号中，调制效率最高的是100%调制时的方波，为 50％，标准调幅最大缺点，效率低
10
4.2抑制载波双边带调制(DSB)
1、波形及其频谱
+
H h ( )
sin(ω0t+θ0)
所有频率分量均相移π /2 是难点所在
^
- π /2
φSSB(t)
-
- USB +LSB
17
f (t )
相移法产生SSB
f (t ) sin(ω0t+θ0)
^
4.4残留边带调制
残留边带调幅(VSB)
f(t)的频谱有丰富的低频成份时,不宜采用SSB.在VSB中,不是对一个边带 完全抑制,而是使它逐渐截止.截止特性使传输边带在载频附近被抑制的 部分被不需要边带的残留部分精确补偿。
宽带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为 窄带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为
ni (t ) nc (t ) cos(w0t 0 ) ns (t ) sin(w0t 0 )
32
(1)首先计算解调器输入信号功率
输入信号平均功率可由信号的 均方值求得：
(2)输入噪声功率
解调几种主要方法: 相干解调:AM,DSB,SSB以及VSB都适用. 非相干解调:标准调幅信号AM以及具有大载波的DSB、SSB、 VSB信号适用.
21
调幅信号的相干解调
相干解调数学模型如下图
ψ(t)
Vp(t)
vd(t) LPF
cos(ω0t+ψ)
条件:为不失真恢复信号,本地载波和发送载波必须相位相干或同步, 即要求本地载波和接收信号载波必须保持同频同相.也叫零拍检测
11
$f(t)改变符号的时刻,载波相位出现倒相点,包络不再与f(t)的形 状相同，而按|f(t)|的规律变化,信息包含在振幅和相位两者之中. $DSB和AM频谱的区别仅在于前者频谱中不含载波分量.
$带宽与AM一样2WM
12
2、DSB产生
DSB的实现:在标准调幅波中令A0=0 ，实际常采用简单稳 定,平衡性好，可很好抑制载波信号的平衡调制器. DSB解调:必须用相干解调.区别于AM,不可用包络检波器进行 非相干解调，倒相点的存在使得已调波的包络不再与f(t)形 状相同.
37
4.8AM系统包洛检波器的噪声性能分析
输入信号为 输入信号功率 输入噪声功率 输入信噪比
38
与相干解调 相同
ni(t)
窄带白高斯噪声，均值为零，双边功率谱密度为
ni (t ) nc (t ) cos(w0t 0 ) ns (t ) sin(w0t 0 )
包络检波器输入信号之和
5
讨论：
1、频率成分包含载波和上下边 带分量，若设调制信号f(t)的消 息带宽为Wm,则调制后带宽： BAM=2Wm 2、不失真调幅的条件： 第一,Wm等于f(t)中的最高频谱 分量,必须满足 ω0>>Wm; 第二,|f(t)|max<＝A0 以保证调制 后载波相位不会改变,否则会出 现过调制，包络失真 3、调制指数:又叫调制度， βAM= |f(t)|max / A0，避免过调 失真， βAM<=1
22
1、AM和DSB信号的相干检测
讨论：
23
理想低通滤波器传输特 性,它要求:截止频率等 于或大于最高调制频率 Wm,但远小于载频ω0
令:Ao=0时，上述分析为 DSB的结果
24
2、SSB信号的相干检测
设
0 w t
25
同步时 Vd (t ) 1 f (t )
2
6
例：单频调制AM
7
2、调幅波的产生
f(t)
+
x
cos(ω0t+θ0)
AM (t )
A0
AM数学模型 实际调幅器可用二极管、晶体管等任何非线性器件都可以充当乘法 器作用,而其上加一定的直流偏置便可实现加法器功能
8
3、AM的功率分布和效率
例：试用峰—峰值为2Am且不含 直流分量的方波对振幅为A0 的载波进行标准调幅。试求 已调波的功率和效率。
滤波器互补对称特性
27
4.6调幅系统的非相干解调
28
1、AM信号的非相干解调 包络检波器
29
整流检波：
输出为
仅将已调信号整流，整流相当于将 已调信号和频率为 w0 的方波相乘。 包络检波是一个非线性系统，整流 检波器是线性时变参量系统
条件 才可使用整流检波。这时调幅信号的 零交点周期性的位于载波的半周期点 上，整流才等 cos(wmt ) cos(w0t ) 2 2
16


单边带信号的一般表达式
^ j ^ [ F ( w w0 ) F ( w w0 )] 2
实际上是一个宽带相移 f(t) 网络，表示把f(t)幅度不变， 所有频率分量均相移-π /2
f(t)cos(ω0t+θ0) cos(ω0t+θ0)
第四章 模拟调制系统
1
● —— 主要内容
引言 §4.1 标准调幅（AM） §4.2 抑制载波双边带调幅（DSB） §4.3 单边带调幅（SSB） §4.4 残留边带调幅（VSB） §4.5 调幅信号的相干解调 §4.6 调幅信号的非相干解调 §4.7 各种调幅信号相干解调的噪声性能 §4.8 AM系统包检波器的噪声性能 §4.9 各种调幅系统的比较 §4.10 小结
19
VSB的频谱表达式
优点: (1)在节省带宽方面几乎与单边带系统相同，并有 双边带所具有的良好低频基带特性 (2)VSB滤波器比SSB 锐截止特性滤波器易于制作
对于电视信号以及要求有良好相位特性的信号或低频分量的传输很重要的 信号，采用VSB 是一种标准的方法。
20
4.5调幅信号的相干解调
解调:也是一个频谱搬移过程，在接收端恢复信号的时候, 从已调信号的频谱中,将位于载频的信号频谱从载频位置 再搬回低频.
f(t) cos (ω1)
θ1(ω)
cos(ω2)
θ2(ω)
15
3、相移法产生单边带信号
滤波法实现单边带缺点：是当 f(t)有丰富的低频成份时上下边带 很难分离,对滤波器要求较高. 以单频调制为例 通过边带滤波器后
USB (t ) cos(w0 wm )t
LSB (t ) cos(w0 wm )t
35
(5)
但是实际上在各种调制方法中，已调波的功率是不相同的， 合理的方法是假设相同输入信号功率 S i
结论：在输入信号功率和Wm、
n0都相同的情况下，DSB,SSB 和VSB系统的噪声性能相同， AM差3dB以上
36
信噪比增益：输出信噪比和输入信噪比的比值
—
注意：信噪比增益的改善只适用于同类调制系统，不同的解调器 对输入信噪比的改善，而不能作为不同调制系统的抗噪声性能分析。 在给定输入信号功率下，DSB和SSB输出端的信噪比是相同的，从信 噪比改善观点看，DSB,SSB性能是相同的。
30
2、具有大载波的SSB信号的非相干解调
A(t ) = {[ A0 + f (t )] + f (t )}1/ 2
^
2
^ 2
包络检波输出
j = arctg[
- f (t ) ] A0 + f (t )
31
4.7各种调幅信号相干解调的噪声性能分析
BPF带宽是已调信号带宽，滤除信号带外噪声
n(t) ni(t)
d
1 代入上式得： 将 VSB ( w) HV ( w)[ F ( w w0 ) F ( w w0 )] 2
1 [VSB ( w w0 ) VSB ( w w0 )] 2
4
v
0
v
0
在|ω |<Wm范围内有: HV(ω -ω 0)+ HV(ω +ω 0)=const=2