模擬線性調(diào)制

模擬線性調(diào)制第1頁/共97頁2單元學習提綱

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)制和解調(diào)的一般模型

相干解調(diào)的抗噪聲性能

門限效應第2頁/共97頁新課導入——調(diào)制與解調(diào)的概念綿陽北京江油廣元上飛機的過程即為調(diào)制下飛機的過程即為解調(diào)第3頁/共97頁調(diào)制簡介

調(diào)制定義何謂調(diào)制？第4頁/共97頁進行頻譜搬移，匹配信道特性，減小天線尺寸；實現(xiàn)多路復用，提高信道利用率；改善系統(tǒng)性能（有效性、可靠性）；實現(xiàn)頻率分配

調(diào)制目的為什么要進行調(diào)制？第5頁/共97頁

調(diào)制信號

載波已調(diào)信號運載工具多種形式同義詞認識一下調(diào)制過程所涉及的三種信號

調(diào)制分類第6頁/共97頁---可從不同角度分類：都有哪些調(diào)制方式？第7頁/共97頁8模擬通信系統(tǒng)模型

第8頁/共97頁9設f(t)為調(diào)制信號，c(t)為載波信號，s(t)為已調(diào)信號第9頁/共97頁

常規(guī)雙邊帶幅1、信號的表達和產(chǎn)生：

10適用包絡檢波的條件！A0與f(t)的關系直流分量，調(diào)制信號的組成部分第10頁/共97頁

若11上式中，，稱為調(diào)幅指數(shù)，用百分比表示時，稱為調(diào)制度。（30%-60%）調(diào)制度小于1等于1大于1

正常調(diào)幅滿調(diào)幅過調(diào)幅若調(diào)制信號為一般信號，則取調(diào)幅指數(shù)為：第11頁/共97頁第12頁/共97頁

當載波初相為0時，已調(diào)信號為：13頻域特性分析若有：則已調(diào)信號的頻譜為：第13頁/共97頁

已調(diào)信號的頻譜圖：141、形狀相同，位置搬移；2、SAM含載波分量；3、SAM是雙邊帶信號，帶寬BAM=2W=2fH4、下邊帶是上邊帶的鏡像下邊帶上邊帶上邊帶載頻分量載頻分量第14頁/共97頁AM信號的特點時，AM波的包絡正比于調(diào)制信號m(t)，故可采用包絡檢波。

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)勢在于接收機簡單，廣泛用于中短調(diào)幅廣播。第15頁/共97頁

調(diào)幅信號的平均功率為：16功率特性分析常規(guī)調(diào)幅信號的功率由載波功率Pc和邊帶功率Pf組成；邊帶功率與調(diào)制信號有關，是有用功率：載波功率？？因為第16頁/共97頁

調(diào)制效率：邊帶功率與總功率之比，即：17當時，有：此時：若，調(diào)制效率最大值為1/3。常規(guī)調(diào)幅調(diào)制效率低下，載波分量不攜帶信息卻占用大部分功率！

改進方案----抑制載波雙邊帶調(diào)制第17頁/共97頁條件：如何提高調(diào)制效率？——抑制載波！

QA第18頁/共97頁抑制載波雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）條件：DSB表達式DSB調(diào)制器Double-SidebandSuppressedCarrier第19頁/共97頁DSB波形和頻譜第20頁/共97頁DSB信號的特點包絡不再與f(t)成正比；當f(t)改變符號時載波相位反轉，故不能采用包絡檢波，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的技術基礎，調(diào)頻立體聲中的差信號調(diào)制等。

能否只傳輸一個邊帶？

QA課件制作：曹麗娜

西安電子科技大學通信工程學院

第21頁/共97頁AM和DSB調(diào)制與解調(diào)的一般模型非相干解調(diào)—包絡檢波第22頁/共97頁AM和DSB調(diào)制與解調(diào)的一般模型第23頁/共97頁24例：若非線性器件的輸入-輸出特性為:y=a1x+a2x2解：由圖x1=f(t)+cosωct;x2=-f(t)+cosωcty1=a1[f(t)+cosωct]+a2[f(t)+cosωct]2y2=a1[-f(t)+cosωct]+a2[-f(t)+cosωct]2∴y=y1-y2=2a1f(t)+4a2f(t)cosωct第24頁/共97頁25

環(huán)行調(diào)制器也可以完成乘法運算，實現(xiàn)抑制載波的雙邊帶調(diào)幅。第25頁/共97頁26第26頁/共97頁

DSB相干解調(diào)模型如右圖所示。關鍵是必須有一個同頻同相的載波。表達式如下：

經(jīng)低通后，得到：從而恢復了原有的調(diào)制信號。

27第27頁/共97頁DSB-SC與AM信號的比較DSB-SC的調(diào)制效率：100％優(yōu)點：節(jié)省了載波功率。缺點：不能用包絡檢波，需用相干檢波，較復雜。雙邊帶的上、下兩個邊帶有什么關系？一個邊帶攜帶了調(diào)制信號的全部信息。進一步改進：單邊帶調(diào)制進一步節(jié)省載波功率和帶寬28隨著性能的改善，技術復雜度也越來越高，實際應用時往往需要折衷取舍。第28頁/共97頁3.2

單邊帶調(diào)制（SSB）SSB信號的產(chǎn)生（1）濾波法技術難點之一第29頁/共97頁30第30頁/共97頁邊帶濾波特性HSSB()第31頁/共97頁2023/4/1532

實際電路中，理想的濾波特性不易實現(xiàn)，所有的濾波器都不可能是真正的矩形，其上升沿和下降沿都有一定的過渡帶。通常，濾波器的中心頻率越高，過渡帶就會越寬，實現(xiàn)矩形濾波就越困難。即實現(xiàn)濾波器的難易與過渡帶與載頻的歸一化值有關。

在高頻情況下，要實現(xiàn)窄帶濾波，通常只有采用多級調(diào)制的方式。第32頁/共97頁33

例3-2某單邊帶調(diào)制信號要求載頻為10MHZ，調(diào)制信號頻帶為300-3400HZ，試用兩級調(diào)制實現(xiàn)。解：如果采用一級實現(xiàn)。必須要求在10MHZ中心頻率情況下，過渡帶的帶寬要小于60OHZ，即過渡帶相對于載頻的歸一化值要小于6*10-5，這是不可能實現(xiàn)的。故采用二級調(diào)制，如圖所示。第33頁/共97頁2023/4/1534

以上是多級調(diào)制頻譜圖，每級過渡帶相對于載頻的歸一化值只要求小于6*10-3，這是可以實現(xiàn)的。第34頁/共97頁2023/4/1535

要把一個低通信號調(diào)制成單邊帶，如視頻信號等，由于信號頻譜中有直流成分（零頻），通過平衡調(diào)制后產(chǎn)生的雙邊帶已調(diào)信號中，上邊帶與下邊帶完全連在一起，不能通過濾波器選出單邊帶信號。故引出相移法。第35頁/共97頁（2）相移法USB

+

-

-

第36頁/共97頁

相移法形成單邊帶信號原理如下圖所示。

SSB信號第一項為同相分量，第二項為正交分量。若調(diào)制信號為非周期信號，則通過希爾伯特變換實現(xiàn)SSB信號的產(chǎn)生。37第37頁/共97頁希爾伯特變換的意義?

數(shù)學意義：完成一種運算

物理意義：完成對信號的改變幅度特性：全通網(wǎng)絡相角特性：寬帶相移網(wǎng)絡38第38頁/共97頁

希爾伯特變換關系：時域關系為：由于其傳遞函數(shù)為：

頻域表達式為：39

物理意義:f(t)信號通過傳遞函數(shù)為-jsgn的濾波器可以得到其希爾伯特變換式。第39頁/共97頁

由于所以而和分別對應有：和將上述二表達式帶入卷積表達式，經(jīng)推導可得上下邊帶的SSB分別為：40第40頁/共97頁

上下邊帶之和為：移相法產(chǎn)生SSB信號原理如下圖。41移相法：優(yōu)點：不需要濾波器具有陡峭的截止特性。缺點：寬帶相移網(wǎng)絡難用硬件實現(xiàn)第41頁/共97頁42第42頁/共97頁

SSB信號的解調(diào)不能用包絡解調(diào)。相干解調(diào)原理如右下圖所示。由于輸入信號為：所以

經(jīng)低通后輸出為：43第43頁/共97頁SSB信號的特點性能分析SSB信號的實現(xiàn)比AM、DSB要復雜，但SSB調(diào)制方式在傳輸信息時，不僅可節(jié)省發(fā)射功率，而且它所占用的頻帶寬度比AM、DSB減少了一半。它目前已成為短波通信中一種重要的調(diào)制方式。相移法和時域表達式相對應時域表達式的意義給出了基帶信號和已調(diào)信號之間的定量關系，是定量計算的基礎能說明已調(diào)信號的類型：幅度調(diào)制、組成分量系數(shù)的影響44單邊帶調(diào)制節(jié)省帶寬和功率，實現(xiàn)困難雙邊帶調(diào)制容易實現(xiàn)，占用2倍帶寬折衷方案：在實現(xiàn)難度和占用帶寬中折衷

第44頁/共97頁

3.3殘留邊帶調(diào)制（VSB）——介于SSB與DSB之間的折中方案。第45頁/共97頁VSB信號的產(chǎn)生應該具有怎樣的濾波特性？VSB信號的解調(diào)應該具有怎樣的濾波特性？

第46頁/共97頁

相干解調(diào)輸出信號的頻譜為：47

經(jīng)低通后輸出整理合并，得第47頁/共97頁若要無失真恢復f(t)，

VSB濾波器的傳輸函數(shù)必須滿足：含義：第48頁/共97頁殘留邊帶濾波器的幾何解釋：第49頁/共97頁VSB信號的特點僅比SSB所需帶寬有很小的增加，卻換來了電路的簡單。應用：商業(yè)電視廣播中的電視信號傳輸?shù)取５?0頁/共97頁濾波法3.4線性調(diào)制（幅度調(diào)制）的一般模型相移法第51頁/共97頁——解調(diào)的任務!f(t)第52頁/共97頁相干解調(diào)與包絡檢波相干解調(diào)第53頁/共97頁包絡檢波第54頁/共97頁第55頁/共97頁2023/4/15563.6線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能先明確幾個概念1、噪聲分為兩種：加性干擾：外界造成的突發(fā)性脈沖干擾、內(nèi)部有源器件造成的起伏干擾。乘性干擾：內(nèi)部非線性器件產(chǎn)生的交調(diào)、互調(diào)。這里主要考慮對已調(diào)信號有持續(xù)影響的起伏干擾，據(jù)產(chǎn)生機理和實驗測量表明，起伏干擾是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)高斯白噪聲。第56頁/共97頁57“各態(tài)歷經(jīng)”—統(tǒng)計平均值等于時間平均值?！捌椒€(wěn)”--------概率密度函數(shù)與時間無關。“高斯”--------概率密度函數(shù)為高斯分布。“白”----------功率譜密度函數(shù)為均勻分布。以下是噪聲分布模型：噪聲只對接收系統(tǒng)產(chǎn)生影響，下面主要討論接收系統(tǒng)的抗干擾性。第57頁/共97頁58

在接收機的設設計中，為了提高信噪比，通常在低噪聲放大器（高放）后加一級窄帶帶通濾波器。其傳遞函數(shù)如下圖。第58頁/共97頁2023/4/1559

由隨機過程理論可知，平穩(wěn)高斯白噪聲通過窄帶濾波后（帶通濾波器帶寬中心頻率）后，可以表示如下：第59頁/共97頁2023/4/1560

在分析系統(tǒng)的抗噪性能之前先明確幾個概念：（1）噪聲的同相分量、正交分量功率與噪聲功率相等。（2）對于AM、DSB，n(t)經(jīng)過BPF后，得：

第60頁/共97頁2023/4/1561對于ASM、DSB信號，B=2fm

對于SSB信號，B=fm

第61頁/共97頁分析模型高斯白噪聲已調(diào)信號BPF第62頁/共97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)包絡檢波第63頁/共97頁分析模型解調(diào)器性能指標信噪比增益：輸出信噪比：BPF第64頁/共97頁用dB值表示信噪比:10lg(S/N)為什么用dB值表示信噪比？dB：單位，無量綱聲音功率倍數(shù)：增強10倍；增強100倍；增強1000倍人耳的感覺：增加1倍；增加2倍；增加3倍人耳的感覺與聲音功率倍數(shù)的對數(shù)成正比，使用dB值符合人體感官規(guī)律。65第65頁/共97頁線性調(diào)制相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)器Si

So

No

Ni

DSB第66頁/共97頁B=2fH

第67頁/共97頁原因正交分量第68頁/共97頁SSB相干解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)器SiSo

No

Ni第69頁/共97頁B=2fH

B=fH

SSBDSB第70頁/共97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71頁/共97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72頁/共97頁合成包絡AM–包絡檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能第73頁/共97頁（1）大信噪比時隔掉檢波輸出：第74頁/共97頁

討論：由于|f(t)|max

A0

，所以GAM<1，即100%調(diào)制，且f(t)為單頻正弦時：相干解調(diào)的GAM如同上式，但不受信噪比條件的限制。第75頁/共97頁（2）小信噪比時

可見：第76頁/共97頁大信噪比時：小信噪比時：門限效應AM-包絡檢波系統(tǒng)的抗噪聲性能：歸納門限效應輸出信噪比不是按比例地隨著輸入信噪比下降，而是急劇惡化，通常把這種現(xiàn)象稱為解調(diào)器的門限效應。開始出現(xiàn)門限效應的輸入信噪比稱為門限值。第77頁/共97頁1．雙邊帶調(diào)幅(1)常規(guī)調(diào)幅信號時域表達式，時域波形，調(diào)幅指數(shù)頻域表達式，頻譜圖，信號的帶寬常規(guī)調(diào)幅信號的功率，調(diào)制效率(2)抑制載波雙邊帶調(diào)幅時域表達式，時域波形頻域表達式，頻譜圖，信號的帶寬第78頁/共97頁(3)常規(guī)調(diào)幅信號和雙邊帶信號的調(diào)制與解調(diào)常規(guī)調(diào)幅信號和雙邊帶信號的調(diào)制雙邊帶信號的相干解調(diào)常規(guī)調(diào)幅信號的包絡檢波2．單邊帶調(diào)制·用濾波法形成單邊帶信號，頻域表達式及帶寬·用相移法形成單邊帶信號，時域表達式·單邊帶信號的相干解調(diào)第79頁/共97頁3．殘留邊帶調(diào)制用濾波法形成殘留邊帶信號，頻域表達式及帶寬殘留邊帶信號的相干解調(diào)殘留邊帶濾波器的特性第80頁/共97頁二、線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能通信系統(tǒng)的抗噪聲性能分析模型抗噪聲性能的指標：輸出信噪比、信噪比增益

相干解調(diào)雙邊帶調(diào)制相干解調(diào)的抗噪聲性能單邊帶調(diào)制相干解調(diào)的抗噪聲性能常規(guī)調(diào)幅包絡檢波的抗噪聲性能第81頁/共97頁難點分析調(diào)制信號、載波和已調(diào)信號調(diào)制信號即基帶信號，指來自信源的消息信號。載波指未受調(diào)制的周期性振蕩信號，如正（余）弦波或周期性脈沖信號。已調(diào)信號是載波經(jīng)過調(diào)制后的信號，通常以調(diào)制方式作為已調(diào)信號的名稱，例如幅度調(diào)制信號、頻率調(diào)制信號等。相干載波和相干解調(diào)一般來說相干載波要從接收信號中提取。有些發(fā)射機在發(fā)送已調(diào)信號的同時發(fā)送導頻信號作為解調(diào)載波使用。第82頁/共97頁解調(diào)方法和門限效應相干解調(diào)沒有門限效應。相干解調(diào)器由相乘器和低通濾波器組成，在解調(diào)過程中信號和噪聲可以分開處理，所以沒有門限效應。非相干解調(diào)指包絡檢波。包絡檢波器由整流器和低通濾波器組成，在解調(diào)過程中信號和噪聲無法分開處理。當輸入信噪比低于一定數(shù)值時，解調(diào)器的輸出信噪比急劇惡化，這種現(xiàn)象稱為門限效應。第83頁/共97頁易混淆的概念：單邊帶/雙邊帶信號單邊/雙邊帶寬單邊/雙邊功率譜密度基帶信號的帶寬W與已調(diào)信號的帶寬B第84頁/共97頁85§3.6頻分多路復用及線性調(diào)制應用

多路復用：把多個彼此不相關的信號合并為一個復合的群信號，可在一條信道上同時進行通信的方法。頻分多路復用:(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)第85頁/共97頁頻分多路復用的原理方框圖如圖6-2所示第86頁/共97頁2023/4/1587FDM最典型的例子是在一條物理