通信原理第5章(樊昌信第七版)PPT課件(PPT 78頁)

1、 課 件第1頁，共78頁。 模擬調(diào)制系統(tǒng) 通信原理（第7版）第5章樊昌信 曹麗娜 編著第2頁，共78頁。調(diào)制簡介定義 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5章 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第3頁，共78頁。調(diào)制簡介 調(diào)制定義調(diào)制：把 消息信號 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，如正弦波。 受調(diào)載波稱為已調(diào)信號，含有消息信號特征。解調(diào)：調(diào)制的逆過程，從已調(diào)信號中恢復(fù)消息信

2、號。 何謂調(diào)制？第4頁，共78頁。進(jìn)行頻譜搬移，匹配信道特性，減小天線尺寸；實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，提高信道利用率；改善系統(tǒng)性能（有效性、可靠性）；實(shí)現(xiàn)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！對呀，不同的調(diào)制方式，具有不同的特點(diǎn)和性能! 調(diào)制目的為什么要進(jìn)行調(diào)制？第5頁，共78頁。消息信號基帶信號 正弦波脈沖序列受調(diào)載波含有m(t) 信息 調(diào)制信號 載波 已調(diào)信號 調(diào)制分類運(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 三種信號第6頁，共78頁。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m(t)的類型分按載波信號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)

3、參量分 按已調(diào)信號 的頻譜結(jié)構(gòu)分調(diào)制方式分類：都有哪些調(diào)制方式？7第7頁，共78頁。 幅度調(diào)制（線 性）： AM、DSB SSB、VSB 角度調(diào)制（非線性）：FM、PM 本章研究的模擬調(diào)制方式： 是以正弦信號 作為載波的 第8頁，共78頁。 一般模型5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)的原理邊帶濾波器第9頁，共78頁。5.1.1 常規(guī)調(diào)幅(AM)AM表達(dá)式AM調(diào)制器條件：邊帶項(xiàng)載波項(xiàng)第10頁，共78頁。AM波形和頻譜第11頁，共78頁。AM信號的特點(diǎn) 時(shí)，AM波的包絡(luò)正比于調(diào)制信號m(t)， 故可采用包絡(luò)檢波。 AM的頻譜由載頻分量、上邊帶和下邊帶組成。AM傳輸帶寬是調(diào)制信號帶寬的兩倍： AM的優(yōu)勢在

4、于接收機(jī)簡單，廣泛用于中短調(diào)幅廣播。12第12頁，共78頁。AM信號功率：AM信號的缺點(diǎn)邊帶功率載波功率AM功率利用率低！調(diào)制效率(功率利用率)：第13頁，共78頁。 -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） 反映基帶信號改變載波幅度的程度： m1 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”，即包檢。第14頁，共78頁。第15頁，共78頁。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！第16頁，共78頁。條件

5、：如何提高調(diào)制效率？抑制載波！ QA第17頁，共78頁。5.1.2 雙邊帶調(diào)制(DSB-SC)條件：DSB表達(dá)式DSB調(diào)制器double-sideband suppressed carrier第18頁，共78頁。DSB波形和頻譜第19頁，共78頁。DSB信號的特點(diǎn)包絡(luò)不再與m(t)成正比；當(dāng)m(t)改變符號時(shí)載波相位反轉(zhuǎn)，故不能采用包絡(luò)檢波，需相干解調(diào)。 無載頻分量，只有 上、下 邊帶。帶寬與AM的相同： 調(diào)制效率100，即功率利用率高。主要用作SSB、VSB的技術(shù)基礎(chǔ)，調(diào)頻立體聲中的差信號調(diào)制等。 能否只傳輸 一個(gè)邊帶？ QA第20頁，共78頁。5.1.3 單邊帶調(diào)制(SSB)SSB信號的產(chǎn)

6、生(1) 濾波法 技術(shù)難點(diǎn)之一原理： 先形成DSB信號，邊帶濾波即得上或下邊帶信號。要求： 濾波器HSSB() 在載頻處具有陡峭的截止特性。第21頁，共78頁。邊帶濾波特性 HSSB() 第22頁，共78頁。（2）相移法 USB + - - 第23頁，共78頁。傳遞函數(shù)： 是 m(t)的希爾伯特變換 含義：幅度不變，相移/2 Hh() 對 m(t) 的所有 頻率分量精確相移 /2 技術(shù)難點(diǎn)之二下邊帶上邊帶 要求：第24頁，共78頁。SSB信號的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)之一是頻帶利用率高。傳輸帶寬為AM/DSB的一半： 因此，在頻譜擁擠的通信場合獲得了廣泛應(yīng)用，尤其在短波通信和多路載波電話中占有重要的地位。優(yōu)點(diǎn)

7、之二是低功耗特性，因?yàn)椴恍鑲魉洼d波和另一個(gè)邊帶而節(jié)省了功率。這一點(diǎn)對于移動(dòng)通信系統(tǒng)尤為重要。缺點(diǎn)是設(shè)備較復(fù)雜，存在技術(shù)難點(diǎn)。也需相干解調(diào)。第25頁，共78頁。5.1.4 殘留邊帶調(diào)制(VSB)介于SSB與DSB之間的折中方案。第26頁，共78頁。VSB信號的產(chǎn)生應(yīng)該具有怎樣的濾波特性 ？VSB信號的解調(diào)應(yīng)該具有怎樣的濾波特性？ 第27頁，共78頁。相乘：LPF解調(diào)輸出：28第28頁，共78頁。若要無失真恢復(fù) m(t)， VSB濾波器的傳輸函數(shù)必須滿足：在載頻處 具有互補(bǔ)對稱 特性含義：第29頁，共78頁。殘留邊帶濾波器的幾何解釋：第30頁，共78頁。VSB信號的特點(diǎn) 僅比SSB所需帶寬有很小的

8、增加，卻換來了電路的簡單。 應(yīng)用：商業(yè)電視廣播中的電視信號傳輸?shù)取５?1頁，共78頁。濾波法5.1.5 線性調(diào)制(幅度調(diào)制)的一般模型相移法第32頁，共78頁。在接收端，如何從已調(diào)信號中恢復(fù)出調(diào)制信號m(t)呢？ QA解調(diào)的任務(wù)!第33頁，共78頁。5.1.6 相干解調(diào)與包絡(luò)檢波相干解調(diào) 適用：AM、DSB、SSB、VSB特點(diǎn)：無門限效應(yīng)要求：載波同步第34頁，共78頁。包絡(luò)檢波 適用：AM 信號優(yōu)勢：簡單、無需載波同步 要求：|m(t)|max小于等于A0 35第35頁，共78頁。插入載波包絡(luò)檢波法 適用： DSB、SSB或VSB等抑制載波的已調(diào)信號原理：將這些信號插入恢復(fù)載波，使之成為或近

9、似 為AM信號，然后用包絡(luò)檢波器恢復(fù)出m(t)要求：Ad 很大，載波同步方法：發(fā)端/收端插入載波 36第36頁，共78頁。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 B 和 f0 取決于已調(diào)信號的頻譜DSB信號：B=2fH f0=fcSSB信號：B= fH f0=fcfH /2BPF5.2.1 模型與指標(biāo)37第37頁，共78頁。窄帶高斯噪聲輸出噪聲輸出信號高斯白噪聲已調(diào)信號BPF解調(diào)器相干解調(diào)包絡(luò)檢波38第38頁，共78頁。分析模型解調(diào)器性能指標(biāo)制度增益：輸出信噪比：BPF39第39頁，共78頁。5.2.2 DSB-相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)器Si So No Ni DS

10、B40第40頁，共78頁。B=2fH 41第41頁，共78頁。 相干解調(diào)將 ni(t)中的正交分量抑制掉，從而使信噪比改善1倍。原因正交分量第42頁，共78頁。5.2.2 DSB -相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)器Si So No Ni 5.2.3 SSB 第43頁，共78頁。B=2fH B=fH SSBDSB44第44頁，共78頁。 相干解調(diào)抑制正交分量 （無論信號還是噪聲） 原因正交分量第45頁，共78頁。 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 DSB和SSB的抗噪聲性能相同。 QA第46頁，共78頁。合成包絡(luò)5

11、.2.4 AM 包絡(luò)檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能第47頁，共78頁。（1）大信噪比時(shí)隔掉檢波輸出：48第48頁，共78頁。 討論：由于|m(t)|max小于等于 A0 ，所以GAM 1，即100%調(diào)制，且 m(t) 為單頻正弦時(shí)：相干解調(diào)的GAM 如同上式，但不受信噪比條件的限制。49第49頁，共78頁。 小信噪比時(shí)，信號被擾亂成噪聲，導(dǎo)致輸出 信噪比急劇惡化門限效應(yīng)。 （2）小信噪比時(shí) 可見：50第50頁，共78頁。原因：包絡(luò)檢波器 的非線性解調(diào)作用。大信噪比時(shí)：小信噪比時(shí)：門限效應(yīng)AM-包絡(luò)檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能：歸納第51頁，共78頁。BPF解調(diào)器相干解調(diào)包絡(luò)檢波B=2fH f0=fcB= fH

12、f0=fcfH /2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能：DSBSSBVSBAM抑制正交分量相干解調(diào)小結(jié)第52頁，共78頁。5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理概述角度調(diào)制：FM和PM的總稱。載波的幅度恒定，而頻率或相位受調(diào)制。屬于非線性調(diào)制。抗噪聲性能優(yōu)于幅度調(diào)制優(yōu)勢。53第53頁，共78頁。5.3.1 角度調(diào)制的基本概念 1 角調(diào)信號一般表達(dá)式載波的恒定振幅 Omegact +Phi(t) 已調(diào)信號的瞬時(shí)相位 相對于Omegact的瞬時(shí)相位偏移Omegac+dPhi (t)/dt 已調(diào)信號的瞬時(shí)角頻率 相對于Omegac的瞬時(shí)角頻偏54第54頁，共78頁。Kf =rad/(sV)Kp調(diào)相靈敏度(rad

13、/V）PM：FM：角調(diào)信號：55第55頁，共78頁。 2 PM與 FM的關(guān)系 PM 是 相位偏移 隨 m(t) 作 線性 變化； FM 是 相位偏移 隨 m(t) 的積分作 線性 變化。若預(yù)先不知m(t)形式，能否判斷已調(diào)信號是PM還是FM信號?56第56頁，共78頁。則為窄帶調(diào)頻（NBFM）；否則寬帶調(diào)頻（WBFM）若最大瞬時(shí)相位偏移滿足：5.3.3 寬帶 調(diào)頻 57第57頁，共78頁。最大相位偏移1 單音調(diào)頻 FM 調(diào)頻指數(shù)最大角頻偏 單音調(diào)頻信號：， 則 設(shè)58第58頁，共78頁。2 FM信號的頻譜與帶寬第一類 n 階貝塞爾函數(shù) 是調(diào)頻指數(shù) mf 的函數(shù)傅里葉變換級數(shù)展開59第59頁，共

14、78頁。討論 載頻分量 和無數(shù)多對邊頻 (分布在兩側(cè))； 邊頻幅度 AJn(mf) 隨著 n 的增大而逐漸減??； 工程上，保留上、下邊頻分量共有 2n=2(mf+1)個(gè)；相鄰邊頻之間的頻率間隔為 fm，所以FM帶寬近似為：窄帶調(diào)頻(NBFM)寬帶調(diào)頻(WBFM) FM頻譜和傳輸帶寬：第60頁，共78頁。對于多音或任意帶限調(diào)制信號時(shí)的FM信號： FM廣播的最大頻偏f = 75kHz，最高調(diào)制頻率fm=15kHz， 故調(diào)頻指數(shù)mf 5，F(xiàn)M信號的頻帶寬度為：推廣：調(diào)制信號的最高頻率例如：第61頁，共78頁。3 FM信號的功率分配載波功率 調(diào)制后總的功率不變，只是重新分配，而功率分配的比例與調(diào)頻指數(shù)

15、mf 有關(guān)。=1第62頁，共78頁。4 FM的特點(diǎn) 優(yōu)勢 應(yīng)用應(yīng)用：要求高質(zhì)量或信道噪聲大的場合，例如：調(diào)頻廣播，電視伴音、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、微波通信和蜂窩電話等系統(tǒng)中。包絡(luò)恒定；頻偏隨調(diào)制信號m(t)作線性變化；相偏隨消息信號m(t)的積分作線性變化；帶寬與m(t)的帶寬和mf 有關(guān)，比AM帶寬大(mf+1) 倍。優(yōu)勢：抗噪聲能力強(qiáng)； 代價(jià)：占用較大的信道帶寬，因而頻譜利用率較低。第63頁，共78頁。5.3.4 調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)1 調(diào)頻信號的產(chǎn)生 1)直接法原理：調(diào)制電壓控制振蕩器的頻率：優(yōu)點(diǎn)：電路簡單、可獲得較大的頻偏；缺點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度不高，可采用PLL調(diào)頻器進(jìn)行改進(jìn)。Voltage

16、-controlled oscillator 第64頁，共78頁。2)間接法原理：積分 調(diào)相(NBFM) n次倍頻 WBFM優(yōu)點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度好；缺點(diǎn)：需要多次倍頻和混頻，因此電路較復(fù)雜。65第65頁，共78頁。2 調(diào)頻信號的解調(diào) 1)非相干解調(diào)2) 相干解調(diào)適用：NBFM和WBFM思路：完成頻率電壓的轉(zhuǎn)換，即：鑒頻器一種振幅鑒頻器僅適用NBFM66第66頁，共78頁。微分器：把幅度恒定的調(diào)頻波 調(diào)幅調(diào)頻波 ： 包絡(luò)檢波器：檢出包絡(luò)并濾去直流， 原理：幅/頻都隨m(t)變化經(jīng)LPF即得解調(diào)輸出： 第67頁，共78頁。5.4 調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能模型和方法與線性調(diào)制系統(tǒng)相似。解-鑒頻器：單音調(diào)制時(shí)

17、大信噪比時(shí)： 可見：FM系統(tǒng)可通過增加傳輸帶寬來改善抗噪聲性能;注意: 以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無止境的。小信噪比時(shí)：門限效應(yīng)mf 68第68頁，共78頁。所有系統(tǒng)在“同等條件”下進(jìn)行比較： 解調(diào)器輸入信號功率為 Si 信道噪聲均值為0，單邊功率譜密度為 n0 基帶信號帶寬為 fm 其中AM的調(diào)幅度為 100% ，正弦型調(diào)制信號5.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較69第69頁，共78頁。調(diào)制方式信號帶寬輸出信噪比制度增益設(shè)備AMDSBSSB VSBFM21簡單中等中等復(fù)雜復(fù)雜第70頁，共78頁。性能比較： 1）抗噪聲性能：FM最好，DSB/SSB、 VSB次之，AM最差；2）頻譜利用率：SSB

18、最高，VSB較高， DSB/AM次之，F(xiàn)M最差；3）功率利用率：FM最高，DSB/SSB、 VSB次之，AM最差； 4）設(shè)備復(fù)雜度：AM最簡，DSB/ FM次之， VSB較復(fù)雜， SSB最復(fù)雜。第71頁，共78頁。特點(diǎn)與應(yīng)用 1）AM：優(yōu)點(diǎn)是接收設(shè)備簡單；缺點(diǎn)是功率利用率低，抗干擾能力差。主要用在中波和短波調(diào)幅廣播。2）DSB：優(yōu)點(diǎn)是功率利用率高，帶寬與AM相同。主要用于調(diào)頻立體聲中的差信號調(diào)制，彩色TV中的色差信號調(diào)制。3）SSB：優(yōu)點(diǎn)是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和抗選擇性衰落能力均優(yōu)于AM，而帶寬只有AM的一半；缺點(diǎn)是收發(fā)設(shè)備都復(fù)雜。常用于頻分多路復(fù)用系統(tǒng)中。4）VSB：抗噪聲性能和頻帶利用率與SSB相當(dāng)。在電視廣播等系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。5）FM： 抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于長距離高質(zhì)量的通信系統(tǒng)中。缺點(diǎn)是頻帶利用率低，存在門限效應(yīng)。第72頁，共78頁。5.6 頻分復(fù)用(FDM)復(fù)用：在一條信道中同時(shí)傳輸多路信號目的：充分利用信道的頻帶或時(shí)間資源分類：FDM、TDM、SDM、CDM頻分：按頻率劃分信道的復(fù)用方式方法：調(diào)制 合成 傳輸 分路 解調(diào)原理