1、1,第3章 模拟调制系统 幅度调制（线性调制）,2,目标要求,一、 基本要求,1.掌握模拟调制、载波、调制信号、已调信号、调制器的定义；2.掌握调制的目的及模拟调制的分类；3.掌握线性调制器的原理模型，会分析AM、DSB、SSB、VSB调制与解调特性；4.掌握非线性调制器的原理，及非线性已调信号的频谱和带宽特性。,3,目标要求,二、重点和难点,1. 重点是：掌握线性调制与解调的原理模型，及其数学分析、波形分析、频谱分析，理解各种调制方式的特点。 2. 难点是：调制解调性能即抗噪声性能分析。,4,主要内容,3.1 幅度调制（线性调制）的原理 3.2 线性调制系统的抗噪声性能 3.3 非线性调制（
2、角调制）的原理 3.4 调频系统的抗噪声性能 3.5 各种模拟调制系统的性能比较,5,所谓调制，就是按调制信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。通常，调制可以分为模拟调制和数字调制两种方式。,由消息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱分量，这种信号大多不适宜直接传输。必须先经过在发送端调制才便于信道传输，而在接收端解调。,6,调制的作用：,1.将基带信号频谱搬移到载频附近，便于发送接收； 2.实现信道复用，即在一个信道中同时传输多路信息信号； 3.利用信号带宽和信噪比的互换性，提高通信系统的抗干扰性。,7,模拟调制,线性调制,非线性调制 (角度调制),常规调幅AM,双边带DSB调幅,单边带S
3、SB调幅,残留边带VSB调幅,相位调制,频率调制,8,3.1 模拟信号线性调制,线性(幅度)调制是高频正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。,所谓线性调制：波形上，幅度随基带信号呈正比例变化；频率上，简单搬移。,9,幅度调制器的一般模型,调制信号m(t)自信源来的基带信号已调信号sm(t)调制后的载波称为已调信号调制器进行调制的部件,10,在该模型中，适当选择滤波器的特性H()，便可以得到各种幅度调制信号。例如，调幅、双边带、单边带及残留边带信号等。,11,1.常规调幅AM定义：f(t)叠加直流分量A0后对载波的幅度进行调制。数学模型：,4.1.1 幅度调制,12,m(t),+1 = =,
4、13,震荡器,平衡调制器,放大器G=A0,加法器,f(t),14,sAM(t)=A0+f(t)cosct =A0cosct+f(t)cosct傅式变化过程如下：,15,-,-,-,16,调幅AM示意图(波形和频谱),17,AM的特点：（1）调制后频谱在形状上没有改变，只是位置搬移了c，载频分量A0 (-c)+ (+c) 边带分量1/2 F(-c) + F(+c),（2）频谱包含两个相对于c对称的频带。 上边带(Upper-side band, USB)下边带(Lower-side band, LSB),18,（3）AM波占用带宽是原信号带宽的2倍,即2m 。 （4）为了使调制不失真，必须满足两
5、个条件:(a) 对于所有t，必须满足 A0+f(t) 0，否则会出现包络失真。 (b) 载波频率应远大于f(t)的最高频率分量,即cm ，否则会出现频率交叠。,19,AM的性能分析： （1）平均功率调幅信号的平均功率由信号的均方值求出。,前者为载波功率，后者为边带功率,通常假设调制信号没有直流分量，即,20,（2）调制效率边带功率与总功率之比为调制效率对于单频余弦来说所以：,由此可见，AM的调制效率很低，这是因为载波分量不携带信息却占据了大部分的功率。,21,22,2. 抑制载波双边带调制（DSB-SC）定义：在AM中不附加直流分量A0就可以得到DSB,数学模型：,23, sDSB(t)=f(
6、t) cosct 由前面很容易得到：即：,24,抑制载波的双边带调幅示意图-波形和频谱,25,DSB的特点： （1）调制后频谱在形状没有改变，位置搬移了c，且频谱中只包含边带分量1/2 F(-c) + F(+c) 。 （2）DSB波占用的带宽是原始信号带宽的2倍,即2m 。 （3）由于出现了反相点， DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，所以不能采用包络检波的方式恢复原来的信号。,26,DSB的性能分析： （1）平均功率（2）调制效率由于边带功率就是信号的全部功率，则调制效率：,DSB虽然去掉了载波功率，提高了效率，但调制后的频带宽度和AM一样，比基带信号增加一倍。,27,3. 单边带
7、调制(SSB) 定义：由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的， 它们都携带了调制信号的全部信息，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种方式称为单边带调制。,28,-,-,-,(a)基带信号,(b)DSB信号,(c)SSB信号(USB),(d)SSB信号(LSB),29,单边带信号的产生： （1） 用滤波法形成单边带信号让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。,H(w)为单边带滤波器的传递函数。取上下边带的函数具有不同的形式。,30,取上边带的滤波函数,取下边带的滤波函数,31,-f0,HL(f)特性,上边带,(b) 上边带滤波器特性和信号频谱,
8、单边带信号的频谱,上边带,S(f),上边带,下边带,HH(f)特性,HH(f)特性,(a) 滤波前信号频谱,(c) 下边带滤波器特性和信号频谱,S(f),S(f),-f0,f0,上边带,32,滤波器实现的技术难点： 实际的滤波器从通带到阻带总有一个过渡带 ，这就要求上下边带之间有一定的频率间隔 。只有当 时，滤波器方可以实现。定义滤波器的归一化值： fc为载频,归一化值反映了滤波器衰减特性的陡峭程度。归一化的值愈小，滤波器愈难以实现。一般要求不低于10-3。对于含有直流或丰富低频成分的信号,33,（2） 用相移法形成单边带信号 可以从简单的单频调制出发，得到SSB信号的时域表示式， 然后再推广
9、到一般表示式。 设单频调制信号为f(t)=cosmt，载波为c(t)=cosct,34, 是f(t)的希尔伯变换，是把f(t)所有频率分量都相移 后得到的信号，称f(t)的正交信号。,35,补充参考：,以下边带信号为例：下边带信号滤波特性：,，,下边带频谱：（双边带谱与,传递函数乘积）,下边带时域表示,36,补充参考：,37,补充参考：,表明希尔伯特滤波器是一个,移相网络,38, 是f(t)的希尔伯变换，是把f(t)所有频率分量都相移 后得到的信号，称f(t)的正交信号。SSB信号可以视为两个双边带信号的合成，一个是f(t)与c(t)的乘积， 另一个是f(t)和c(t)分别经 相移 后的乘积。
10、,？,39,40,综上所述： SSB调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、 DSB的一半，因此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式。 ,SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。 ,41,4.残留边带调制(VSB)定义：残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种调制方式， 它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难题。在VSB中，不是完全抑制一个边带（如同SSB中那样），而是保留一个边带的绝大部分以及另
11、一个边带的小部分。,频域表达式：,时域表达式：,42,VSB调制数学模型,43,(a) 残留部分上边带的滤波器特性,重要概念：HVSB()在c处必须具有互补对称（奇对称）特性，这样，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号。,（b）残留部分下边带的滤波器特性,44,残留边带滤波器的几何解释,45,图 4 - 8DSB、 SSB和VSB信号的频谱,46,47,例：调制信号 ，载波为 分别写出AM、DSB、USB、LSB信号的时域表达式，划出频谱图。,解：,48,49,50,例：已知调制信号f(t)的频谱如下图，若载波为cos(wct), wc2wm 画出AM信号的频谱、DSB
12、信号的频谱、SSB上边带信号的频谱。,51,AM信号的频谱：,52,DSB信号的频谱：,53,SSB信号的上边带频谱：,54,解调：解调是调制的逆过程。通信系统的接收端从已调信号中恢复基带信号的过程就叫解调。从频域上看，解调就是将调制时搬移到载频附近的调制信号频谱搬回到原来的位置。,4.1.2 调幅信号的解调,解调的分类：相干解调：从已调波的相位信息中提取调制信号非相干解调：从已调信号的幅度信息中提取调制 信号,55,1. 相干解调 相干解调对于AM、DSB、SSB及VSB都适用，没有门限效应，但它要求发送方载波和接收方载波必须保持同频和同相。相干解调的数学模型：,56,LPF： Low-pa
13、ss Filter。低通滤波器，,-H -L 0 L H,1,(b)理想带通滤波器,57,（1）AM和DSB的相干解调 a、AM信号的解调经乘法器后：经滤波器后：,58,b、DSB信号的解调经乘法器后：经滤波器后：,59,60,2. 非相干解调 非相干解调是从已调信号的幅度变化中提取调制号。非相干解调实现起来非常简单。对具有大载波的SSB和VSB调制信号，也可以用包络检波器解调出原基带信号。,61,包络检波,62,63,*通信系统的性能指标有两个：有效性和可靠性。有效性指的是系统传输信号效率的高低；可靠性指的是系统传输信号抗干扰能力的强弱。,4.1.3 调幅系统的性能,* 调制系统的抗噪声性能
14、主要由解调器的抗噪声性能体现。具体来说是指解调后的输出信噪比与解调前相比是改善还是恶化了。,*可靠性通常用输出信噪比来衡量。输出信噪比指信号的平均功率与噪声平均功率的比值。,64,接收机分析模型：,带通滤波器滤除已调信号频带以外的噪声。,变为窄带高斯噪声。,65,66,67,68,输入解调器前的有用信号可以统一表示为：则解调器的输入为：经乘法器后：滤波后,69,（1）相干解调的噪声性能AM调制系统,AM系统的G值总是小于1，说明其抗噪性能比较差，原因是其信号中携带有载波成分,70,（1）相干解调的噪声性能DSB调制系统,71,SSB和VSB调制系统,72,* AM系统调制解调电路简单，但功率利
15、用率低，抗噪声性能差,* SSB系统的功率利用率为100%，抗噪声性能好，频带利用率高，所占用的频带只是AM和DSB的一半，但调制，解调电路复杂。,* DSB系统的功率利用率为100%，抗噪声性能好，但所占用的带宽仍和AM相同，都是2fm，且相干解调电路复杂。,总结：,73,* VSB系统的性能基本和SSB系统性能相近，VSB信号比较容易产生，占用的频带比SSB稍宽。,* 不能因为DSB的G值为2，SSB和VSB为1，而说前者优于后者。因为SSB信号的带宽仅为DSB的一半，所以DSB的输入噪声功率Ni是SSB的两倍。就信噪比而言，DSB、SSB、VSB具有相同的性能.,74,（2）非相干解调的
16、噪声性能,75,包络检波器的输入端为：其中：根据包络检波的原理，输出的波形为输入的幅度，即,76,理想包络检波器的输出就是A(t)，由A(t)的式子可知， 检波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。我们来考虑两种特殊情况。 1） 大信噪比情况此时， 输入信号幅度远大于噪声幅度， 即,77,经过隔直流A0，包络检波器的输出为 从而有：,78,由此可见，对于AM调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的性能与同步检波器时的性能几乎一样。,79, 2） 小信噪比情况小信噪比指的是噪声幅度远大于信号幅度， 即,80,表明在小信噪比的情况下，无法将噪声和有用信号分开，因
17、而不能通过包络检波器恢复出原来的信号。近似的有： 当 时，则 ，即在小信噪比情况下，AM信号通过 包络检波器后的信噪比要严重恶化。,81, 由以上分析可得如下结论：包络检波器存在一个门限值，当输入信噪比大于该值时，包络检波器能够正常工作，信号能够无失真地恢复出来;当输入信噪比小于该值时，包络检波器就不能够正常工作，无法将信号恢复;包络检波器存在“门限值”的现象叫“门限效应”; 非相干解调中存在门限效应，相干解调中不存在门限效应。,82,83,84,85,86,例1：对抑制载波的双边带信号进行相干解调，设接收信号的功率为2mW，载波为100KHz，并设调制信号m(t)的频带限制在4kHz，噪声的
18、功率谱密度P(f)=（1）求该理想带通滤波器的传输特性H(W) （2）求解调器输入端的信噪功率比 （3）求解调器输出端的信噪功率比,87,解： （1）带通滤波器的宽度等于已调信号的宽度，即 ，其中心频率为100kHz，故有：,88,89,例2：发射功率为0.1W，信道噪声的单边带功率谱密度n0=10-8，调制信号带宽为5kHz。分别对DSB和SSB计算S0、N0和S0/N0,90,例2：发射功率为0.1W，信道噪声的单边带功率谱密度n0=10-8，调制信号带宽为5kHz。分别对DSB和SSB计算S0、N0和S0/N0,91,作业,92,1 对单频调制的常规调幅信号进行包络检波。设每个边带的功率为10 mW，载波功率为100 mW，接收机带通滤波器的带宽为10 kHz，信道噪声单边功率谱密度为5109 W/Hz。(1) 求解调输出信噪比；(2) 如果改为DSB，其性能优于常规调幅多少分贝？,作 业,93,2、对双边带信号和单边带进行相干解调，接收信号功率为2 mW，噪声双边功率谱密度为 ，调制信号是最高频率为4 kHz的低通信号。(1) 比较解调器输入信噪比；(2) 比较解调器输出信噪比。,94,3、根据下图所示的调制信号波形，试画出DSB和AM信号的波形图，并比较它们分别通过包络检波器后的波形差别。,
