通信原理第5章(樊昌信第七版)分析課件

1、 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 通信原理（第7版）第5章樊昌信 曹麗娜 編著調(diào)制簡(jiǎn)介定義 目的 分類線性調(diào)制（幅度調(diào)制）原理 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能比較 頻分復(fù)用（FDM） 本章內(nèi)容: 第第5章章 模擬調(diào)制模擬調(diào)制 調(diào)制目的各種調(diào)制解調(diào)原理抗噪性能特點(diǎn)應(yīng)用FDM調(diào)制簡(jiǎn)介n 調(diào)制定義調(diào)制定義調(diào)制：把 消息信號(hào) 搭載到 載波 的某個(gè)參數(shù)上。 比喻貨物運(yùn)輸： 將 貨物 裝載到 飛機(jī)/輪船 的某個(gè)倉位上。載波：一種高頻周期振蕩信號(hào)，如正弦波。 受調(diào)載波稱為已調(diào)信號(hào)，含有消息信號(hào)特征。解調(diào)：調(diào)制的逆過程，從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)消息信號(hào)。 何謂調(diào)制？進(jìn)行頻譜搬移

2、頻譜搬移，匹配信道特性匹配信道特性，減小天線尺寸減小天線尺寸；實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用多路復(fù)用，提高信道利用率提高信道利用率；改善系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能（有效性、可靠性）；實(shí)現(xiàn)頻率分配頻率分配 看來，調(diào)制在通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用！對(duì)呀，不同的調(diào)制方式，具有不同的特點(diǎn)和性能!n 調(diào)制目的調(diào)制目的為什么要進(jìn)行調(diào)制？消息信號(hào)基帶信號(hào) 正弦波脈沖序列受調(diào)載波含有m(t) 信息 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) 載波載波 已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)n 調(diào)制分類調(diào)制分類( )m t( )mst運(yùn)載工具多種形式同義詞先認(rèn)識(shí)一下調(diào)制過程 所涉及的 三種信號(hào)信源信源調(diào)制器調(diào)制器發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)信道信道接收機(jī)接收機(jī)解調(diào)器解調(diào)器信宿信宿 m t m t噪聲

3、噪聲發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備接收設(shè)備 mst mr tstn t n t基帶信號(hào)基帶信號(hào)基帶信號(hào)基帶信號(hào)調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)已調(diào)帶通信號(hào)已調(diào)帶通信號(hào)帶通信號(hào)帶通信號(hào)模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)信道中傳輸模擬波形的通信系統(tǒng)信道中傳輸模擬波形的通信系統(tǒng) 7模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制連續(xù)波調(diào)制脈沖調(diào)制幅度調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制按調(diào)制信號(hào)m(t)的類型分按載波信號(hào)c(t)的類型分線性調(diào)制非線性調(diào)制按正弦載波的受調(diào)參量分 按已調(diào)信號(hào) 的頻譜結(jié)構(gòu)分調(diào)制方式分類：調(diào)制方式分類：都有哪些調(diào)制方式？n 幅度調(diào)制幅度調(diào)制（線 性）： AM、DSB SSB、VSB n 角度調(diào)制角度調(diào)制（非線性）：FM、PM ( )cos()cc tA

4、t本章研究的模擬調(diào)制模擬調(diào)制方式： 是以正弦信號(hào) 作為載波的 2022-3-239 調(diào)制系統(tǒng)中討論的主要問題和主要參數(shù)主要問題：主要問題：工作原理（包括調(diào)制系統(tǒng)的物理過程，工作原理（包括調(diào)制系統(tǒng)的物理過程， 調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)三者的關(guān)系）調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)三者的關(guān)系） 已調(diào)信號(hào)的帶寬已調(diào)信號(hào)的帶寬 功率關(guān)系功率關(guān)系 噪聲對(duì)調(diào)制系統(tǒng)性能的影響噪聲對(duì)調(diào)制系統(tǒng)性能的影響主要參數(shù)：主要參數(shù)：發(fā)送功率發(fā)送功率 傳輸帶寬傳輸帶寬 抗噪聲性能抗噪聲性能 設(shè)備的復(fù)雜性設(shè)備的復(fù)雜性n 一般模型一般模型5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )(

5、)()( )2mccSMMH邊帶濾波器邊帶濾波器( )( )h tH5.1.1 常規(guī)調(diào)幅(AM) 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和nAM表達(dá)式表達(dá)式nAM調(diào)制器調(diào)制器條件條件：邊帶項(xiàng)載波項(xiàng)nAM波形和頻譜波形和頻譜13nAM信號(hào)的信號(hào)的特點(diǎn)特點(diǎn)l 時(shí)，AM波的包絡(luò)正比于調(diào)制信號(hào)m(t)， 故可采用包絡(luò)檢波。 lAM的頻譜由載頻分量、上邊帶和下邊帶組成。lAM傳輸帶寬是調(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍： lAM的優(yōu)勢(shì)在于接收機(jī)簡(jiǎn)單，廣泛用于中短調(diào)幅廣播。AM2HBf 0maxm tAlAM信號(hào)功率：nAM信號(hào)的缺信號(hào)的缺點(diǎn)點(diǎn)20A

6、M2( )22scAtPmPP0max( )m tA220( )m tAAM50%故邊帶功率邊帶功率 0AMccoscoscttm ttsA載波功率載波功率2sAM22AM0( )( )Pm tPAm tAM功率利用率低！功率利用率低！l調(diào)制效率(功率利用率)： -不含有用信息 ，卻“浪費(fèi)”大部分的發(fā)射功率。 -包含有用信息m(t)， 滿調(diào)幅時(shí)，邊帶功率最大。 定義調(diào)幅系數(shù) m（用百分比表示時(shí)，又稱調(diào)幅度） 反映基帶信號(hào)改變載波幅度的程度： max0( )mm tAm1 過調(diào)幅載波邊帶 當(dāng)然， AM正是利用這種“浪費(fèi)”去換取解調(diào)的“便宜”，即包絡(luò)檢波。2sAM22AM0( )( )Pm tPA

7、m tmax0( )mm tA22220AM2222200/22/2mmmmAAAmAAAAm( )cosmmm tAt設(shè)（單音正弦），22( )/2mm tA則當(dāng)m=1(滿調(diào)幅)時(shí)，AM調(diào)制效率的最大值僅為1/3， 可見，AM的功率利用率很低。高調(diào)幅度的重要性！高調(diào)幅度的重要性！ 0AMcc0cocoscosscstAm ttmAttt 0cAMccc12AMMS 0max0m tm tA和條件：如何提高調(diào)制效率？抑制載波！ QA5.1.2 雙邊帶調(diào)制雙邊帶調(diào)制(DSB-SC) cDSBcosm tstt cDSBc12MMS 0m t 條件：nDSB表達(dá)式表達(dá)式nDSB調(diào)制器調(diào)制器doub

8、le-sideband suppressed carriernDSB波形和頻譜波形和頻譜nDSB信號(hào)的信號(hào)的特點(diǎn)特點(diǎn)l包絡(luò)不再與m(t)成正比；當(dāng)m(t)改變符號(hào)時(shí)載波相位反轉(zhuǎn)，故不能采用包絡(luò)檢波，需相干解調(diào)。 l無載頻分量，只有 上、下 邊帶。l帶寬與AM的相同： l調(diào)制效率100，即功率利用率高。l主要用作SSB、VSB的技術(shù)基礎(chǔ)，調(diào)頻立體聲中的差信號(hào)調(diào)制等。DSBAM2HBBf 能否只傳輸 一個(gè)邊帶？ QA5.1.3 單單邊帶調(diào)制邊帶調(diào)制(SSB)nSSB信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生(1) 濾波法濾波法 技術(shù)難點(diǎn)之一技術(shù)難點(diǎn)之一原理原理： 先形成DSB信號(hào)，邊帶濾波即得上或下邊帶信號(hào)。要求：要求

9、： 濾波器HSSB() 在載頻處具有陡峭的截止特性。邊帶濾波特性邊帶濾波特性 HSSB() 11cossscoinsin22mccmmmtAtAtt cosmmm tAt設(shè) coscosDSBmmcstAtt LSB1cos2mcmstAt 11cossin22ccttm tm t1cosc21os2mcmmcmAtAt（2）相移法 coscc tt載波USB + - - 10sgn10，傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)：( )( )sgn( )hMHjM m t 是 m(t)的希爾伯特變換 含義含義：幅度不變，相移/2 Hh() 對(duì) m(t) 的所有 頻率分量精確相移 /2 技術(shù)難點(diǎn)之二技術(shù)難點(diǎn)之二 SSB

10、11cossin22ccStm ttm tt下邊帶上邊帶 要求要求：nSSB信號(hào)的信號(hào)的特點(diǎn)特點(diǎn)l優(yōu)點(diǎn)之一是頻帶利用率高頻帶利用率高。傳輸帶寬為AM/DSB的一半： l因此，在頻譜擁擠的通信場(chǎng)合獲得了廣泛應(yīng)用，尤其在短波通信短波通信和多路載波電話多路載波電話中占有重要的地位。l優(yōu)點(diǎn)之二是低功耗低功耗特性，因?yàn)椴恍鑲魉洼d波和另一個(gè)邊不需傳送載波和另一個(gè)邊帶而節(jié)省了功率帶而節(jié)省了功率。這一點(diǎn)對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)尤為重要。l缺點(diǎn)是設(shè)備較復(fù)雜，存在技術(shù)難點(diǎn)缺點(diǎn)是設(shè)備較復(fù)雜，存在技術(shù)難點(diǎn)。也。也需相干解調(diào)。需相干解調(diào)。SSBAM/2HBBf5.1.4 殘留殘留邊帶調(diào)制邊帶調(diào)制(VSB)介于介于SSB與與DS

11、B之間的折中方案。之間的折中方案。nVSB信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生應(yīng)該具有怎樣的濾波特性 ？nVSB信號(hào)的解調(diào)信號(hào)的解調(diào) VSBDSB12ccSSMMHH應(yīng)該具有怎樣的濾波特性？ 29 VSB2cospcststt VSBVSBpccSSS相乘相乘： VSB12ccSMHM 1( )22122cccpcSMMHHMMLPF解調(diào)輸出：解調(diào)輸出： d12ccHSMH若要無失真恢復(fù) m(t)， VSB濾波器的傳輸函數(shù)必須滿足：在在載頻載頻處處 具有具有互補(bǔ)對(duì)稱互補(bǔ)對(duì)稱 特性特性()()ccHHH常數(shù)，含義含義： d12ccHSMH()()ccHHH常數(shù)，n殘留邊帶濾波器的幾何解釋：殘留邊帶濾波器的幾何解

12、釋：nVSB信號(hào)的信號(hào)的特點(diǎn)特點(diǎn)l 僅比SSB所需帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡(jiǎn)單。l 應(yīng)用：商業(yè)電視廣播中的電視信號(hào)傳輸電視信號(hào)傳輸?shù)?。VSB2HHfBfn濾波法濾波法( ) ( )cos( )mcstm tth t1( )()()( )2mccSMMH5.1.5 線性線性調(diào)制調(diào)制(幅度調(diào)制)的的一般模型一般模型n相移法相移法( )( )h tH在接收端，如何從在接收端，如何從已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)m(t)呢呢？ QA解調(diào)的任務(wù)!5.1.6 相干解調(diào)相干解調(diào)與包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波n相干解調(diào)相干解調(diào) 適用適用：AM、DSB、SSB、VSB特點(diǎn)特點(diǎn)：無門限效應(yīng)：無門限效

13、應(yīng)要求要求：載波同步：載波同步36n包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波 適用適用：AM 信號(hào)優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)：簡(jiǎn)單、無需載波同步 要求要求：|m(t)|max小于等于小于等于A0 37n插入載波包絡(luò)檢波法插入載波包絡(luò)檢波法 適用適用： DSB、SSB或VSB等抑制載波的已調(diào)信號(hào)原理原理：將這些信號(hào)插入恢復(fù)載波，使之成為或近似 為AM信號(hào)，然后用包絡(luò)檢波器恢復(fù)出m(t)要求要求：Ad 很大，載波同步方法方法：發(fā)端/收端插入載波 38n分析模型分析模型5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào) B 和 f0 取決于已調(diào)信號(hào)的頻譜DSB信號(hào)：信號(hào)：B=2fH f0=fcSSB信號(hào)信號(hào)：B= fH f0=fcf

14、H /2BPF5.2.1 模型模型與指標(biāo)指標(biāo)39窄帶高斯噪聲輸出噪聲輸出信號(hào)i0222ics( )( )( )n tn tn tNn B高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)BPF解調(diào)器相干解調(diào)包絡(luò)檢波ic0s0( )( )cos( )sinn tn ttn tt40n分析模型分析模型解調(diào)器ooii/SNGSN2oo2oo( )( )Sm tNn t2ii2ii( )( )SstNntn性能指標(biāo)性能指標(biāo)制度增益：輸出信噪比：BPF 相干相干低通低通)(tmStc cos( )om t同步同步解調(diào)器框圖解調(diào)器框圖415.2.2 DSB-相干解調(diào)相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)器( )cos( )mc

15、m tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni DSB21cos1 cos22利用（）42DSB2Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH 2i12Smt 2o14Sm ti0Nn Boi14NNoioi2SSNN即020cocs( )ostc ttsin22sincos利用c000s2i0( ) cosco( )sin)co(ssn

16、ttn tttn tt 相干解調(diào)將相干解調(diào)將 ni(t)中的中的正交分量正交分量抑制掉，抑制掉，從而使信噪比改善從而使信噪比改善1倍倍。ooDSBii/2/SNGSNoioi2SSNN即sin22sincos利用原因原因正交分量正交分量5.2.2 DSB -相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)器( )cos( )mcm tstt22c2i( )( )c1( )2osmstm ttSm to1( )2( )m tm to2o2( )1( )4tm tSmSi So No Ni 11cosis n22ccmm tttm tst 2o116Smto1( )4( )m tm t2i1( )4Sm t5.2

17、.3 SSB 45SSB1Gi0Nn Bo1( )( )2cn tn t222ocioi11( )(4414)=( )n tn tNn tNic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttB=2fH oioiSSNN即i0Nn BB=fH SSBDSBoN 2o116Smt2i1( )4Sm ti0Nn Boi14NNi14N 相干解調(diào)抑制正交分量相干解調(diào)抑制正交分量 （無論信號(hào)還是噪聲） 11cosis n22ccmm tttm tstic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn ttooSSBii/1/SNGSNoioiSSNN即原因原因正交分量正交分量SSB

18、1GoioiSSNN即DSB2Goioi2SSNN即ooooDSBSSBSSNN 能否說：DSB系統(tǒng)的抗噪聲性能 優(yōu)于 SSB 系統(tǒng)呢？ 在相同的Si，n0， fH條件下： B=2fH B=fH i0Nn Bi0Nn B DSB和SSB的抗噪聲性能相同。 QASSB和和DSB抗噪聲性能討論抗噪聲性能討論 為什么雙邊帶調(diào)制相干解調(diào)的信噪比增益比單邊帶調(diào)制的高？為什么雙邊帶調(diào)制相干解調(diào)的信噪比增益比單邊帶調(diào)制的高？ 雙邊帶信號(hào)雙邊帶信號(hào)DSB調(diào)制器的信噪比改善了一倍，原因是相干解調(diào)調(diào)制器的信噪比改善了一倍，原因是相干解調(diào)把噪聲中的把噪聲中的正交分量抑制掉正交分量抑制掉，從而使噪聲功率減半的緣故，從

19、而使噪聲功率減半的緣故 。 GSSB=1,，GDSB=2是否說明雙邊帶調(diào)制的抗噪聲性能比單邊帶是否說明雙邊帶調(diào)制的抗噪聲性能比單邊帶調(diào)制的更好？調(diào)制的更好？ 否否。因?yàn)殡p邊帶已調(diào)信號(hào)的平均功率是。因?yàn)殡p邊帶已調(diào)信號(hào)的平均功率是單邊帶的單邊帶的2倍倍，實(shí)際，實(shí)際上，雙邊帶和單邊的上，雙邊帶和單邊的抗噪性能是相同的抗噪性能是相同的。但雙邊帶信號(hào)所需的傳。但雙邊帶信號(hào)所需的傳輸帶寬是單邊帶的倍。輸帶寬是單邊帶的倍。5.2.1 相干解調(diào)的抗噪聲性能相干解調(diào)的抗噪聲性能 DSB 和和 SSB 兩系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)功率均為兩系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)功率均為 Si 且調(diào)制信號(hào)的帶寬且調(diào)制信號(hào)的帶寬為為B，輸出信噪比是否相同？

20、，輸出信噪比是否相同？【例例】對(duì)對(duì)DSB和和SSB分別進(jìn)行相干解調(diào)，接收信號(hào)功率分別進(jìn)行相干解調(diào)，接收信號(hào)功率為為2 mW，噪聲噪聲雙邊雙邊功率譜密度為功率譜密度為210-9W/Hz，調(diào)制信調(diào)制信號(hào)最高頻率為號(hào)最高頻率為4kHz。 (1)比較解調(diào)器輸入信噪比比較解調(diào)器輸入信噪比 (2)比較解調(diào)器輸出信噪比比較解調(diào)器輸出信噪比9022 10/248iZSSBZDSBZnSmWW HBkHBkH 相干解調(diào)的抗噪聲性能相干解調(diào)的抗噪聲性能lSSB： l DSB：3932 1010001252 2 104 108iiioSSBSSNn B 1125125oiSSBoiSSGNN3932 1010006

21、2.52 2 102 4 1016iiioDSBSSNn B 2 62.5125oiDSBoiSSGNN相干解調(diào)的抗噪聲性能相干解調(diào)的抗噪聲性能l輸入信噪比的比較輸入信噪比的比較:l輸出信噪比的比較輸出信噪比的比較: : 1:25 .62:125: DSBiiSSBiiNSNS1:1125:125: DSBOOSSBOONSNS2oo220/2( )10dB/( )AMiiSNm tGSNAm t oo/23dB/DSBiiSNGSN信噪比增益比較信噪比增益比較oo/10/SSBiiSNGdBSN 合成包絡(luò)5.2.4 AM 包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能 22022itSmAAM0( )( )coscstAm ttic0s0( )( ) cos( )sinn tn ttn tt0iNn B icc0cscossinmAm tn tstn tn ttt cosctttE53（1）大大信噪比時(shí)信噪比時(shí) 220cs( )( )( )Am tn ttn tE隔掉220cs( )( )( )Am tn tn t 0cAmnE ttt