第五章模拟调制系统.pdf
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1、第五章模拟调制系统 知识结构-调制的基本概念和作用、分类 -幅度调制的主要类型,及各自的调制解调方法、波形、 频谱、带宽、及抗噪声性能 -角度调制的主要类型,及各自的调制解调方法、功率、 带宽、及抗噪声性能 教学目的-了解模拟调制及其解调的原理和系统的抗噪声性能 -掌握各种已调信号的时域波形和频谱结构,系统的抗噪 声性能 -了解一些常用的调制解调芯片 教学重点-信噪比增益 -已调信号表达式的写法及分析、波形画法及分析 -卡森公式 教学难点-信噪比增益 -角度调制中最大频偏的概念和计算 教学方法及课时-多媒体授课( 6 学时) (3 个单元) 作业-5-4, 5-7,5-9,5-16,5-18
2、备注(在上课之前最好让学生复习一下 “高频电路”中相关内容) AM 和 DSB 在高频电路中如果已经讲的比较细,此处可略 讲。 单元七( 2 学时) 5.1 引言(调制的作用和分类) 知识要点:调制的过程、作用、分类 我们在第一章已经学过了模拟通信系统和数字频带通信系统的模型。从模型 图中可以看出,它们都需要进行“调制”。 那么什么是调制?为什么要进行调制? 调制有哪些分类呢?我们下面逐一介绍。 5.1.1 调制的概念(过程) 所谓调制,就是在发送端将要传送的信号附加在高频振荡信号上,也就是使 高频振荡信号的某一个或几个参数随基带信号的变化而变化。其中要发送的基带 信号又称“调制信号”;高频振
3、荡信号又称“被调制信号”。 5.1.2 调制的作用 调制的主要作用有三个: 1、将基带信号转化成利于在信道中传输的信号; 2、改善信号传输的性能(如FM 具有较好的信噪比性能) 3、可实现信道复用,提高频带利用率。 5.1.3 调制的分类 分 2 大类:正弦波调制、脉冲调制 正弦波调制又可分为模拟调制和数字调制。其中模拟调制又分调幅和调角2 类,这是我们本章的主要内容。 5.2 幅度调制与解调 知识要点: AM DSB SSB VSB 的原理及波形频谱的画法带宽计算 5.2.1 幅度调制的一般模型 幅度调制是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。幅度调制器的一般
4、模型如图5-1 所示。 图 5-1 幅度调制器的一般模型 图中,为调制信号,为已调信号,为滤波器的冲激响应,则已调 信号的时域和频域一般表达式分别为 (式 5-1) (式 5-2) 式中,为调制信号的频谱,为载波角频率。 由以上表达式可见, 对于幅度调制信号, 在波形上, 它的幅度随基带信号规 律而变化;在频谱结构上,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,相应地,幅度调制 系统也称为线性调制系统。 在图 5-1 的一般模型中,适当选择滤波器的特性,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(D
5、SB-SC)、 单边带调制( SSB)和残留边带调制( VSB)信号等。 5.2.2 常规双边带调幅( AM ) 1. AM 信号的表达式、频谱及带宽 在图 5-1 中,若假设滤波器为全通网络(1),调制信号叠加直流 后再与载波相乘,则输出的信号就是常规双边带调幅(AM )信号。 AM 调制 器模型如图 5-2 所示。 图 5-2 AM 调制器模型 AM 信号的时域和频域表示式分别为: (式 5-3) (式 5-4) 式中,为外加的直流分量;可以是确知信号也可以是随机信号,但通 常认为其平均值为0,即。 AM 信号的典型波形和频谱分别如图5-3(a)、( b)所示,图中假定调制 信号的上限频率
6、为。显然,调制信号的带宽为。 图 5-3 AM 信号的波形和频谱 由图 3-3(a)可见, AM 信号波形的包络与输入基带信号成正比,故用 包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。但为了保证包络检波时不发生失真, 必须满足,否则将出现过调幅现象而带来失真。 AM 信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成(通常称频谱中 画斜线的部分为上边带, 不画斜线的部分为下边带) 。上边带的频谱与原调制信 号的频谱结构相同,下边带是上边带的镜像。显然,无论是上边带还是下边带, 都含有原调制信号的完整信息。故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 (式 5-5) 式中,为调制信号
7、的带宽,为调制信号的最高频率。 2. AM 信号的解调 调制过程的逆过程叫做解调。AM信号的解调是把接收到的已调信号 还原为调制信号。 AM 信号的解调方法有两种:相干解调和包络检波解调。 (1)相干解调 由 AM 信号的频谱可知,如果将已调信号的频谱搬回到原点位置,即可得 到原始的调制信号频谱, 从而恢复出原始信号。 解调中的频谱搬移同样可用调制 时的相乘运算来实现。相干解调的原理框图如图5-4 所示。 图 5-4 调幅相干解调原理图 将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波,得 由上式可知, 只要用一个低通滤波器, 就可以将第 1 项与第 2 项分离,无失 真的恢复出原始的调制信号 (式
8、5-6) 相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同 相位的条件得不到满足,则会破坏原始信号的恢复。 (2)包络检波法 由的波形可见, 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或全波整流器和 低通滤波器组成,如图5-5 所示。 图 5-5 包络检波器一般模型 图 5-6 为串联型包络检波器的具体电路及其输出波形,电路由二极管D、电 阻 R 和电容 C 组成。当 RC 满足条件 时,包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近,即 (式 5-7) 包络检波器输出的信号中,通常含有频率为的波纹,可由 LPF 滤除。
9、图 5-6 串联型包络检波器电路及其输出波形 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 )式接收机都采用这种电 路。 采用常规双边带幅度调制传输信息的好处是解调电路简单,可采用包络检波 法。缺点是调制效率低,载波分量不携带信息,但却占据了大部分功率,白白浪 费掉。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)。 5.2.3 抑制载波的双边带调幅(DSB-SC ) 1. DSB信号的表达式、频
10、谱及带宽 在幅度调制的一般模型中,若假设滤波器为全通网络(1),调制信 号中无直流分量,则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号,或 称抑制载波双边带( DSB-SC)调制信号,简称双边带(DSB)信号。 DSB 调制器模型如图 5-7 所示。可见 DSB 信号实质上就是基带信号与载波 直接相乘,其时域和频域表示式分别为 图 5-7 DSB-SC 调制模型 (式 5-8a) (式 5-8b) DSB 信号的包络不再与成正比,故不能进行包络检波, 需采用相干解调; 除不再含有载频分量离散谱外,DSB 信号的频谱与 AM 信号的完全相同,仍由 上下对称的两个边带组成。故DSB 信号是不带载波
11、的双边带信号,它的带宽与 AM 信号相同,也为基带信号带宽的两倍,即 (式 5-9) 2. DSB信号的解调 DSB 信号只能采用相干解调,其模型与AM 信号相干解调时完全相同,如 图 5-4 所示。此时,乘法器输出 经低通滤波器滤除高次项,得 (式 5-10) 即无失真地恢复出原始电信号。 抑制载波的双边带幅度调制的好处是,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。 缺点是占用频带宽度比较宽,为基带 信号的 2 倍。 5.2.4 单边带调幅( SSB ) 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
12、,仅传输其中一个边带就够了。这就又演 变出另一种新的调制方式单边带调制( SSB)。 1. SSB信号的产生 产生 SSB 信号的方法很多,其中最基本的方法有滤波法和相移法。 用滤波法实现单边带调制的原理图如图5-9 所示, 图中的为单边带滤 波器。产生 SSB 信号最直观方法的是, 将设计成具有理想高通特性 或理想低通特性的单边带滤波器,从而只让所需的一个边带通过,而滤除 另一个边带。 产生上边带信号时即为,产生下边带信号时即 为。 图 5-9 SSB 信号的滤波法产生 显然, SSB信号的频谱可表示为 (式 5-11) 用滤波法形成SSB 信号,原理框图简洁、直观,但存在的一个重要问题是
13、单边带滤波器不易制作。 这是因为, 理想特性的滤波器是不可能做到的,实际滤 波器从通带到阻带总有一个过渡带。 滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归 一化值有关,过渡带的归一化值愈小,分割上、下边带就愈难实现。而一般调制 信号都具有丰富的低频成分,经过调制后得到的DSB 信号的上、下边带之间的 间隔很窄,要想通过一个边带而滤除另一个,要求单边带滤波器在附近具有陡 峭的截止特性 即很小的过渡带, 这就使得滤波器的设计与制作很困难,有时 甚至难以实现。 为此,实际中往往采用多级调制的办法,目的在于降低每一级的 过渡带归一化值,减小实现难度。这种方法的具体实现以及“相移法”在“高频 电子”中均已详细
14、介绍,我们就不重复讲了。 2. SSB信号的带宽、功率和调制效率 从 SSB信号调制原理图中可以清楚地看出,SSB 信号的频谱是 DSB 信号频 谱的一个边带,其带宽为DSB 信号的一半,与基带信号带宽相同,即 (式 5-12) 式中,为调制信号带宽,为调制信号的最高频率。 由于仅包含一个边带,因此SSB 信号的功率为 DSB 信号的一半,即 (式 5-13) 显然,因 SSB 信号不含有载波成分,单边带幅度调制的效率也为100%。 3. SSB信号的解调 从 SSB信号调制原理图中不难看出, SSB 信号的包络不再与调制信号成 正比,因此 SSB 信号的解调也不能采用简单的包络检波,需采用相
15、干解调,如 图 5-13 所示 图 5-13 SSB 信号的相干解调 此时,乘法器输出 经低通滤波后的解调输出为 (式 5-14) 因而可恢复调制信号。 综上所述,单边带幅度调制的好处是,节省了载波发射功率,调制效率高; 频带宽度只有双边带的一半, 频带利用率提高一倍。 缺点是单边带滤波器实现难 度大。 5.2.5 残留边带调幅( VSB ) 1. 残留边带信号的产生 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。 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。 对于具有低频及
16、直流分量的调制信号,用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡 带无限陡的理想滤波器, 在残留边带调制中已不再需要,这就避免了实现上的困 难。 用滤波法实现残留边带调制的原理图如图5-14 所示。 图 5-14 VSB 信号的滤波法产生 图中的为残留边带滤波器,其特性应按残留边带调制的要求来进行 设计。稍后将会证明, 为了保证相干解调时无失真地得到调制信号,残留边带滤 波器的传输函数必须满足 (式 5-15) 它的几何含义是,残留边带滤波器的传输函数在载频附近必须具有 互补对称性。图5-15 示出的是满足该条件的典型实例:残留部分上边带时滤波 器的传递函数如图5-15 (a) 所示,残留部分下边带时
17、滤波器的传递函数如图5-15 (b)所示。 图 5-15 残留边带滤波器特性 由滤波法可知, VSB 信号的频谱为 (式 5-16) 2. 残留边带信号的解调 残留边带信号显然也不能简单地采用包络检波,而必须采用图5-16 所示的 相干解调。 图 5-16 VSB 信号的相干解调 乘法器输出 相应的频域表达式为 将式( 5-16)代入上式,得 经 LPF 滤除上式第二项,得解调器输出 由上式可知,为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号,必须要 求在内, 而这正是残留边带滤波器传输 函数要求满足的互补对称条件(式5-15)。若设 k=1,则 由于 VSB 基本性能接近 SSB,而 VSB 调
18、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。 单元八( 2 学时) 5.3 线性调制系统的抗操声性能 知识要点:系统输入信噪比系统输出信噪比信噪比增益线性调制相干解调 模型 DSB调制系统性能SSB调制系统性能AM 调制系统性能 5.3.1 通信系统抗噪声性能分析模型 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模型如图5-17 所示。 图 5-17 分析解调器抗噪声性能的模型 图中,为已调信号;为传输过程中叠加的高斯白噪声。带通滤波器 的作用是滤除已调信号频带
19、以外的噪声。因此,经过带通滤波器后, 到达解调器 输入端的信号仍为,而噪声变为窄带高斯噪声。解调器可以是相干解调 器或包络检波器,其输出的有用信号为,噪声为。 上面,之所以称为窄带高斯噪声,是因为它是由平稳高斯白噪声通过带 通滤波器而得到的, 而在通信系统中, 带通滤波器的带宽一般远小于其中心频率 ,为窄带滤波器,为窄带高斯噪声。可表示为 (式 5-17) 其中,窄带高斯噪声的同相分量和正交分量都是高斯变量,它 们的均值和方差(平均功率)都与的相同,即 (式 5-18) (式 5-19) 为解调器的输入噪声功率。若高斯白噪声的双边功率谱密度为,带通 滤波器的传输特性是高度为1、单边带宽为理想矩
20、形函数 (如图 5-18),则有 图 5-18 带通滤波器传输特性(理想情况) (式 5-20) 为了使已调信号无失真地进入解调器, 同时又最大限度地抑制噪声, 带宽 应 等于已调信号的带宽。 在模拟通信系统中, 常用解调器输出信噪比来衡量通信质量的好坏。输出信 噪比定义为 (式 5-21) 只要解调器输出端有用信号能与噪声分开,则输出信噪比就能确定。 输出信 噪比与调制方式有关, 也与解调方式有关。 因此在已调信号平均功率相同,而且 信道噪声功率谱密度也相同的条件下,输出信噪比反映了系统的抗噪声性能。 人们还常用信噪比增益作为不同调制方式下解调器抗噪性能的度量。信噪 比增益定义为 (式 5-
21、22) 信噪比增益也称为调制制度增益。其中,为输入信噪比,定义为 (式 5-23) 显然,信噪比增益越高,则解调器的抗噪声性能越好。 下面我们在给定的及的情况下, 推导出各种解调器的输入和输出信噪 比,并在此基础上对各种调制系统的抗噪声性能做出评价。 5.3.2 线性调制相干解调的抗噪声性能 线性调制相干解调时接收系统的一般模型如图5-19 所示。此时,图 3-19 中 的解调器为同步解调器,由相乘器和LPF 构成。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。 相干解调适用于所有线性调制(DSB、SSB、VSB、AM )信号的解调。 图 5-19 线性调制相干解调的抗
22、噪性能分析模型 1. DSB调制系统的性能 (1)求输入信号的解调 对于 DSB 系统,解调器输入信号为 与相干载波相乘后,得 经低通滤波器后,输出信号为 (式 5-24) 因此,解调器输出端的有用信号功率为 (式 5-25) (2)求输入噪声的解调 解调 DSB 信号的同时,窄带高斯噪声也受到解调。此时,接收机中的 带通滤波器的中心频率与调制载波相同。因此,解调器输入端的噪声可 表示为 它与相干载波相乘后,得 经低通滤波器后,解调器最终的输出噪声为 (式 5-26) 故输出噪声功率为 (式 5-27) 根据式( 5-19)和式( 5-20),则有 (式 5-28) 这里,为 DSB 信号带宽
23、。 (3)求 解调器输入信号平均功率为: (式 5-29) 综上所述,由式( 5-29)及式( 5-20),可得解调器的输入信噪比为 (式 5-30) 又根据式( 5-25)及式( 5-28),可得解调器的输出信噪比为 (式 5-31) 因而调制制度增益为 (式 5-32) 由此可见, DSB 调制系统的制度增益为2。这说明, DSB 信号的解调器使 信噪比改善了一倍。 这是因为采用同步解调, 把噪声中的正交分量抑制掉了, 从而使噪声功率减半。 2. SSB调制系统的性能 (1)求输入信号的解调 对于 SSB 系统,解调器输入信号 与相干载波相乘,并经低通滤波器滤除高频成分后,得解调器输出信
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