通信原理第5章(樊昌信第七版).ppt

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第5章模拟调制,调制目的各种调制解调原理抗噪性能特点应用FDM,调制简介,调制定义,调制：

把消息信号搭载到载波的某个参数上。

比喻货物运输：

将货物装载到飞机/轮船的某个仓位上。

载波：

一种高频周期振荡信号，如正弦波。

受调载波称为已调信号，含有消息信号特征。

解调：

调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。

何谓调制？

进行频谱搬移，匹配信道特性，减小天线尺寸；实现多路复用，提高信道利用率；改善系统性能（有效性、可靠性）；实现频率分配,看来，调制在通信系统中起着至关重要的作用！

对呀，不同的调制方式，具有不同的特点和性能!

调制目的,为什么要进行调制？

消息信号基带信号,正弦波脉冲序列,受调载波含有m（t）信息,调制信号载波已调信号,调制分类,运载工具,多种形式,同义词,先认识一下调制过程所涉及的三种信号,7,按正弦载波的受调参量分,按已调信号的频谱结构分,调制方式分类：

都有哪些调制方式？

幅度调制（线性）：

AM、DSBSSB、VSB角度调制（非线性）：

FM、PM,本章研究的模拟调制方式：

是以正弦信号作为载波的,一般模型,5.1幅度调制（线性调制）的原理,边带滤波器,5.1.1常规调幅（AM）,AM表达式,AM调制器,条件：

边带项,载波项,AM波形和频谱,12,AM信号的特点,时，AM波的包络正比于调制信号m（t），故可采用包络检波。

AM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。

AM传输带宽是调制信号带宽的两倍：

AM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。

AM信号功率：

AM信号的缺点,边带功率,载波功率,AM功率利用率低！

调制效率（功率利用率）：

-不含有用信息，却“浪费”大部分的发射功率。

-包含有用信息m（t），满调幅时，边带功率最大。

定义调幅系数m（用百分比表示时，又称调幅度）反映基带信号改变载波幅度的程度：

m1正常调幅,m=1临界状态，满调幅（100）,m1过调幅,载波,边带,当然，AM正是利用这种“浪费”去换取解调的“便宜”，即包检。

当m=1（满调幅）时，AM调制效率的最大值仅为1/3，可见，AM的功率利用率很低。

高调幅度的重要性！

条件：

如何提高调制效率？

抑制载波！

QA,5.1.2双边带调制（DSB-SC）,条件：

DSB表达式,DSB调制器,double-sidebandsuppressedcarrier,DSB波形和频谱,DSB信号的特点,包络不再与m（t）成正比；当m（t）改变符号时载波相位反转，故不能采用包络检波，需相干解调。

无载频分量，只有上、下边带。

带宽与AM的相同：

调制效率100，即功率利用率高。

主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。

能否只传输一个边带？

QA,5.1.3单边带调制（SSB）,SSB信号的产生,

（1）滤波法,技术难点之一,原理：

先形成DSB信号，边带滤波即得上或下边带信号。

要求：

滤波器HSSB（）在载频处具有陡峭的截止特性。

边带滤波特性HSSB（）,

（2）相移法,USB,+,-,-,传递函数：

是m（t）的希尔伯特变换,含义：

幅度不变，相移/2,Hh（）对m（t）的所有频率分量精确相移/2,技术难点之二,下边带上边带,要求：

SSB信号的特点,优点之一是频带利用率高。

传输带宽为AM/DSB的一半：

因此，在频谱拥挤的通信场合获得了广泛应用，尤其在短波通信和多路载波电话中占有重要的地位。

优点之二是低功耗特性，因为不需传送载波和另一个边带而节省了功率。

这一点对于移动通信系统尤为重要。

缺点是设备较复杂，存在技术难点。

也需相干解调。

5.1.4残留边带调制（VSB）,介于SSB与DSB之间的折中方案。

VSB信号的产生,应该具有怎样的滤波特性？

VSB信号的解调,应该具有怎样的滤波特性？

28,相乘：

LPF解调输出：

若要无失真恢复m（t），VSB滤波器的传输函数必须满足：

在载频处具有互补对称特性,含义：

残留边带滤波器的几何解释：

VSB信号的特点,仅比SSB所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。

应用：

商业电视广播中的电视信号传输等。

滤波法,5.1.5线性调制（幅度调制）的一般模型,相移法,在接收端，如何从已调信号中恢复出调制信号m（t）呢？

QA,解调的任务!

5.1.6相干解调与包络检波,相干解调,适用：

AM、DSB、SSB、VSB特点：

无门限效应要求：

载波同步,35,包络检波,适用：

AM信号优势：

简单、无需载波同步要求：

|m（t）|max小于等于A0,36,插入载波包络检波法,适用：

DSB、SSB或VSB等抑制载波的已调信号原理：

将这些信号插入恢复载波，使之成为或近似为AM信号，然后用包络检波器恢复出m（t）要求：

Ad很大，载波同步方法：

发端/收端插入载波,37,分析模型,5.2线性调制系统的抗噪声性能,高斯白噪声,已调信号,B和f0取决于已调信号的频谱,DSB信号：

B=2fHf0=fc,SSB信号：

B=fHf0=fcfH/2,BPF,5.2.1模型与指标,38,窄带高斯噪声,输出噪声,输出信号,高斯白噪声,已调信号,BPF,解调器,相干解调包络检波,39,分析模型,解调器,性能指标,制度增益：

输出信噪比：

BPF,40,5.2.2DSB-相干解调系统的抗噪声性能,相干解调器,Si,So,No,Ni,DSB,41,B=2fH,相干解调将ni（t）中的正交分量抑制掉，从而使信噪比改善1倍。

原因,正交分量,5.2.2DSB-相干解调系统的抗噪声性能,相干解调器,Si,So,No,Ni,5.2.3SSB,44,B=2fH,B=fH,SSB,DSB,相干解调抑制正交分量（无论信号还是噪声）,原因,正交分量,能否说：

DSB系统的抗噪声性能优于SSB系统呢？

在相同的Si，n0，fH条件下：

B=2fH,B=fH,DSB和SSB的抗噪声性能相同。

QA,合成包络,5.2.4AM包络检波系统的抗噪声性能,48,

（1）大信噪比时,隔掉,检波输出：

49,讨论：

由于|m（t）|max小于等于A0，所以GAM1，即100%调制，且m（t）为单频正弦时：

相干解调的GAM如同上式，但不受信噪比条件的限制。

50,小信噪比时，信号被扰乱成噪声，导致输出信噪比急剧恶化门限效应。

（2）小信噪比时,可见：

原因：

包络检波器的非线性解调作用。

大信噪比时：

小信噪比时：

门限效应,AM-包络检波系统的抗噪声性能：

归纳,BPF,解调器,相干解调包络检波,B=2fHf0=fc,B=fHf0=fcfH/2,线性调制系统的抗噪声性能：

DSBSSBVSBAM,抑制正交分量,相干解调,小结,53,5.3非线性调制（角度调制）原理,概述,角度调制：

FM和PM的总称。

载波的幅度恒定，而频率或相位受调制。

属于非线性调制。

抗噪声性能优于幅度调制优势。

54,5.3.1角度调制的基本概念,1角调信号一般表达式,载波的恒定振幅,Omegact+Phi（t）已调信号的瞬时相位,相对于Omegact的瞬时相位偏移,Omegac+dPhi（t）/dt已调信号的瞬时角频率,相对于Omegac的瞬时角频偏,55,Kf=rad/（sV）,Kp调相灵敏度（rad/V）,PM：

FM：

角调信号：

56,2PM与FM的关系,PM是相位偏移随m（t）作线性变化；FM是相位偏移随m（t）的积分作线性变化。

若预先不知m（t）形式，能否判断已调信号是PM还是FM信号?

57,则为窄带调频（NBFM）；否则宽带调频（WBFM）,若最大瞬时相位偏移满足：

5.3.3宽带调频,58,最大相位偏移,1单音调频FM,调频指数,最大角频偏,单音调频信号：

，则,设,59,2FM信号的频谱与带宽,第一类n阶贝塞尔函数是调频指数mf的函数,傅里叶变换,级数展开,讨论,载频分量和无数多对边频（分布在两侧）；边频幅度AJn（mf）随着n的增大而逐渐减小；,工程上，保留上、下边频分量共有2n=2（mf+1）个；相邻边频之间的频率间隔为fm，所以FM带宽近似为：

窄带调频（NBFM）,宽带调频（WBFM）,FM频谱和传输带宽：

对于多音或任意带限调制信号时的FM信号：

FM广播的最大频偏f=75kHz，最高调制频率fm=15kHz，故调频指数mf5，FM信号的频带宽度为：

推广：

调制信号的最高频率,例如：

3FM信号的功率分配,载波功率,调制后总的功率不变，只是重新分配，而功率分配的比例与调频指数mf有关。

=1,4FM的特点优势应用,应用：

要求高质量或信道噪声大的场合，例如：

调频广播，电视伴音、卫星通信、移动通信、微波通信和蜂窝电话等系统中。

包络恒定；频偏随调制信号m（t）作线性变化；相偏随消息信号m（t）的积分作线性变化；带宽与m（t）的带宽和mf有关，比AM带宽大（mf+1）倍。

优势：

抗噪声能力强；代价：

占用较大的信道带宽，因而频谱利用率较低。

5.3.4调频信号的产生与解调,1调频信号的产生,1）直接法,原理：

调制电压控制振荡器的频率：

优点：

电路简单、可获得较大的频偏；缺点：

频率稳定度不高，可采用PLL调频器进行改进。

Voltage-controlledoscillator,65,2）间接法,原理：

积分调相（NBFM）n次倍频WBFM,优点：

频率稳定度好；缺点：

需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。

66,2调频信号的解调,1）非相干解调,2）相干解调,适用：

NBFM和WBFM,思路：

完成频率电压的转换，即：

鉴频器,一种振幅鉴频器,仅适用NBFM,微分器：

把幅度恒定的调频波调幅调频波：

包络检波器：

检出包络并滤去直流，,原理：

幅/频都随m（t）变化,经LPF即得解调输出：

68,5.4调频系统的抗噪声性能,模型和方法与线性调制系统相似。

解-鉴频器：

单音调制时,大信噪比时：

可见：

FM系统可通过增加传输带宽来改善抗噪声性能;注意:

以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。

小信噪比时：

门限效应,mf,69,所有系统在“同等条件”下进行比较：

解调器输入信号功率为Si信道噪声均值为0，单边功率谱密度为n0基带信号带宽为fm其中AM的调幅度为100%，正弦型调制信号,5.5各种模拟调制系统的比较,2,1,简单,中等,中等,复杂,复杂,性能比较：

1）抗噪声性能：

FM最好，DSB/SSB、VSB次之，AM最差；2）频谱利用率：

SSB最高，VSB较高，DSB/AM次之，FM最差；3）功率利用率：

FM最高，DSB/SSB、VSB次之，AM最差；4）设备复杂度：

AM最简，DSB/FM次之，VSB较复杂，SSB最复杂。

特点与应用,1）AM：

优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。

主要用在中波和短波调幅广播。

2）DSB：

优点是功率利用率高，带宽与AM相同。

主要用于调频立体声中的差信号调制，彩色TV中的色差信号调制。

3）SSB：

优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是收发设备都复杂。

常用于频分多路复用系统中。

4）VSB：

抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。

在电视广播等系统中得到了广泛应用。

5）FM：

抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。

缺点是频带利用率低，存在门限效应。

5.6频分复用（FDM）,复用：

在一条信道中同时传输多路信号目的：

充分利用信道的频带或时间资源分类：

FDM、TDM、SDM、CDM频分：

按频率划分信道的复用方式方法：

调制合成传输分路解调原理：

图示,FDM系统原理框图：

典型例子,-多路载波电话系统（目前，T