1、第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),5.1 幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理 5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 5.3 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理 5.4 調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能 5.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較 5.6 頻分復(fù)用,本章學(xué)習(xí)目標(biāo),了解 調(diào)制的定義、功能和分類； 掌握 線性調(diào)制(AM、DSB、SSB和VSB)原理(表達(dá) 式、頻譜、帶寬、產(chǎn)生與解調(diào))； 掌握 調(diào)頻和調(diào)相的基本概念； 了解 頻分復(fù)用、復(fù)合調(diào)制和多級調(diào)制的概念,重點(diǎn)：1.線性調(diào)制原理； 2.各種調(diào)制方式的性能比較。 難點(diǎn)：各種調(diào)制方式的抗噪聲性能；,第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),基帶信號 具有 較低的頻率分量 ，不宜 通過 無線

2、信道傳輸 。 因此，在通信系統(tǒng) 的 發(fā)送端 需要由 一個(gè)載波 來運(yùn)載 基帶信號 ，也就是使 載波信號 的 某一個(gè) ( 或 幾個(gè) ) 參量 隨 基帶信號 改變 ，這一過程 就稱為 調(diào)制 。 在通信系統(tǒng) 的 接收端 則需要有 解調(diào)過程 。,第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),調(diào)制的 目的 是： 1. 將 調(diào)制信號（基帶信號）轉(zhuǎn)換成 適合于 信道傳輸?shù)?已調(diào)信號（頻帶信號）； 2. 實(shí)現(xiàn) 信道的 多路復(fù)用 ， 提高 信道利用率 ；,3. 減小干擾 ，提高 系統(tǒng) 抗干擾能力 ； 4. 實(shí)現(xiàn) 傳輸帶寬 與 信噪比 之間 的 互換 。,調(diào)制的分類,載波信號不同：,調(diào)制信號不同：,模擬調(diào)制：調(diào)制信號是連續(xù)變化的模擬信號

3、數(shù)字調(diào)制：調(diào)制信號是離散的數(shù)字信號,連續(xù)波調(diào)制：載波信號是連續(xù)波形 脈沖調(diào)制：載波信號是脈沖波形,調(diào)制的分類,被調(diào)制載波參數(shù)不同：,幅度調(diào)制：載波幅度隨調(diào)制信號變化 頻率調(diào)制：載波頻率隨調(diào)制信號變化 相位調(diào)制：載波相位隨調(diào)制信號變化,頻譜的變化：,已調(diào)信號與輸入信號頻譜之間呈線性搬移 已調(diào)信號與輸入信號頻譜之間呈非線性搬移,線性調(diào)制：,非線性調(diào)制：,模擬調(diào)制,線性調(diào)制,非線性調(diào)制 (角度調(diào)制),常規(guī)調(diào)幅AM,雙邊帶DSB調(diào)幅,單邊帶SSB調(diào)幅,殘留邊帶VSB調(diào)幅,相位調(diào)制,頻率調(diào)制,本章 重點(diǎn)討論 用 取值連續(xù)的 調(diào)制信號 去控制 正弦載波參數(shù) 的 模擬調(diào)制 。 主要內(nèi)容有： 各種 已調(diào)信號

4、的 時(shí)域波形 和 頻譜結(jié)構(gòu) ， 調(diào)制 和 解調(diào) 的 原理 及 系統(tǒng)的 抗噪聲性能 。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,幅度調(diào)制 是 用 調(diào)制信號 去控制 高頻載波 的 幅度 ，使之 隨 調(diào)制信號 作線性 變化的過程 。幅度調(diào)制器 的一般模型 如圖所示 ：,圖 5-0 幅度調(diào)制器的一般模型,圖中，m(t) 是 基帶信號，h(t) 是 濾波器 的 沖激響應(yīng) ； 為載波幅度， 為載波角頻率； 為載波初始相位；為方便分析，一般假定 ， 。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,更為一般的情況是濾波器的 沖激響應(yīng) ，或者不采用濾波器。這時(shí)幅度調(diào)制信號可以表示為：,如果調(diào)制信號m(t)的頻譜為 ，則容易得到

5、已調(diào)信號 的頻譜 為：,幅度調(diào)制信號，在 波形 上，它的幅度(包絡(luò)) 隨基帶信號規(guī)律而變化；在 頻譜結(jié)構(gòu) 上，它的頻譜 完全是 基帶信號 頻譜結(jié)構(gòu) 在頻域內(nèi)的 簡單搬移 。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,由于 這種搬移 是 線性的 ，因此，幅度調(diào)制 通常又稱為 線性調(diào)制 。,這里的“線性”并不意味著已調(diào)信號和信號之間符合線性變換關(guān)系。事實(shí)上，任何調(diào)制過程都是一種非線性的變換過程。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,其中，這里假設(shè)m(t) 為確知信號；如果m(t) 為隨機(jī)信號，則已調(diào)信號的頻域須用功率譜來描述。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,圖 5-2AM 信號 的 波形 和 頻譜,5.

6、1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,通過調(diào)制信號的波形可以看出，如果 ，則AM波的包絡(luò)與調(diào)制信號 m(t)的形狀完全一樣，因此用包絡(luò)檢波的方法就很容易從已調(diào)信號中恢復(fù)出原始調(diào)制信號；,如果調(diào)制信號 ，就會(huì)出現(xiàn)“過調(diào)幅”現(xiàn)象，這時(shí)用包絡(luò)檢波將會(huì)發(fā)生失真，需要采用其他的解調(diào)方法。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,調(diào)制效率,已調(diào)信號中，有用功率（承載信息所用的功率）占信號總功率的比例稱為調(diào)制效率，用 表示。,式中， Pc 為 載波功率 ， Ps 為 邊帶功率 。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,調(diào)制效率 ：,由此可見， AM 信號的 總功率 包括 載波功率 和邊帶功率 兩部分 。載波分量 不攜帶 信息

7、 ，仍占據(jù) 大部分功率 ，因此， AM 信號的 功率利用率 比較低 。,優(yōu)點(diǎn)：可以采用包絡(luò)檢波法解調(diào)，不需本地同步載波信號，接收機(jī)成本很低。 缺點(diǎn)：AM信號的調(diào)制效率比較低,AM調(diào)制的優(yōu)缺點(diǎn),問題：能否去掉不帶信息的載波， 提高調(diào)制效率？,抑制載波雙邊帶調(diào)制,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,5.1.2 雙邊帶調(diào)制 ( DSB),在 AM 信號 中，載波分量并不攜帶信息，信息完全由邊帶傳送。如果在AM調(diào)制模型中將直流A0去掉，即可得到一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式 抑制載波雙邊帶信號（DSB-SC） ，簡稱 雙邊帶信號 ( DSB ) 。,DSB的頻譜與AM相近，只是沒有了在 處的 函數(shù)。,其 時(shí)域

8、 和 頻域 表示式 分別為,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,圖 5-3DSB 信號 的 波形 和 頻譜,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,與AM信號比較，因?yàn)椴淮嬖谳d波分量，DSB信號的調(diào)制效率是100%，即全部功率都用于信息傳輸。,由 時(shí)間波形 可知，DSB 信號的包絡(luò) 不再 與 調(diào)制信號的變化規(guī)律 一致 ，因而 不能采用 簡單的 包絡(luò)檢波 來恢復(fù) 調(diào)制信號，需采用 相干解調(diào) ( 同步檢波 ) 。,由頻譜圖可知， DSB 信號 雖然 節(jié)省了 載波功率 ,但 它的 頻帶寬度 仍是 調(diào)制信號帶寬 的 兩倍 ，上、下兩個(gè)邊帶 是 完全對稱 的，它們都攜帶了調(diào)制信號的全部信息，因此 僅傳輸 其中一

9、個(gè)邊帶 即可。這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可以節(jié)省一半傳輸頻帶，稱為單邊帶調(diào)幅（SSB）。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,單邊帶信號 的 產(chǎn)生方法 通常有 濾波法 和 相移法,1. 濾波法及SSB信號的頻域表示,產(chǎn)生SSB信號最直觀的方法 是先產(chǎn)生一個(gè)雙邊帶信號，然后讓其通過一個(gè)邊帶濾波器，濾除不要的邊帶，即可得到單邊帶信號。,技術(shù)難點(diǎn) 是：由于 調(diào)制信號 常具有 豐富的 低頻成分，使得 DSB 信號 的 上、下邊帶之間的 間隔很窄 ,這要求單邊帶濾波器在f c 附近具有 陡峭的截止特性，這就使濾波器的設(shè)計(jì)和制作很困難。,5.1.3 單邊帶調(diào)制 ( SSB ),5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,

10、5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,圖 5-5 濾波法形成上、下邊帶信號的頻譜圖,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,SSB信號的頻域表示,上邊帶（USB）濾波器,下邊帶（LSB）濾波器,SSB信號的頻域表示,濾波器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)： 實(shí)際的濾波器從通帶到阻帶總有一個(gè)過渡帶 ，這就要求上下邊帶之間有一定的頻率間隔 。只有當(dāng) 時(shí)，濾波器方可以實(shí)現(xiàn)。 定義濾波器的歸一化值： fc為載頻,歸一化值反映了濾波器衰減特性的陡峭程度。歸一化的值愈小，濾波器愈難以實(shí)現(xiàn)。一般要求不低于10-3。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,多級調(diào)制濾波,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,2. 相移法和SSB信號的時(shí)域表示,在

11、 單頻調(diào)制 情況下，可簡單推導(dǎo)出 SSB 信號 的 時(shí)域表示式 。而 任意一個(gè) 基帶波形 總可以 表示成 許多正弦信號 之和 ，所以可進(jìn)行 推廣 。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,上邊帶信號時(shí)域表達(dá)式為,下邊帶信號時(shí)域表達(dá)式為,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,把上下邊帶表達(dá)式合并起來可以寫成,符號函數(shù),5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,式中 符號函數(shù),Hilber變換的含義：對 中所有的頻率分量均相 移 ，即得到其Hilber變換 。,Hilber變換的性質(zhì),5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,運(yùn)用Hilbert變換，上面SSB信號的時(shí)域表達(dá)式可以寫成,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,相

12、移法得到SSB信號,圖 5-6 相移法SSB信號調(diào)制器,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,相移法得到SSB信號的幾何解釋,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,相移法 形成 SSB信號 的 困難 在于 Hilbert濾波器的 制作 ，要求對 m (t) 的 所有頻率分量 都必須 嚴(yán)格 相移/ 2 ，這一點(diǎn) 即使 近似達(dá)到 也是困難的。 為解決該難題，可采用 混合法 ( 也叫 維弗法 ) 。,SSB 調(diào)制方式在傳輸信號時(shí)，不但可 節(jié)省 載波 發(fā)射功率 ，而且 它 所占用的 頻帶寬度 為 BSSB = f H ，因此 目前 已成為 短波通信 中 一種重要 調(diào)制方式 。,SSB 信號的解調(diào) 和 DSB

13、一樣 不能采用 簡單的 包絡(luò)檢波 ， 仍需 采用 相干解調(diào) 。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,5.1.4 殘留邊帶調(diào)制 (VSB ),用 濾波法 實(shí)現(xiàn) 殘留邊帶調(diào)制 的 原理 與圖5-4相同 。不過濾波器 的 特性 應(yīng)按 殘留邊帶調(diào)制 的 要求 來進(jìn)行 設(shè)計(jì) ，而不再要求十分陡峭的 截止特性，因而相對容易實(shí)現(xiàn)。,殘留邊帶調(diào)制 是 介于 SSB 與 DSB 之間 的 一種 折中方式 ，它既 克服了 DSB 信號 占用頻帶寬 的 缺點(diǎn) ，又 解決了 SSB 信號 實(shí)現(xiàn)中 的 難題 。,在VSB中，不是完全 抑制 一個(gè)邊帶 ( 如同 SSB 中那樣 ) ，而是 逐漸 切割 ，使其 殘留 一小部分

14、 。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,圖 5-7DSB、 SSB 和 VSB 信號的頻譜,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,圖 5-8VSB 調(diào)制和解調(diào)器模型(a) 調(diào)制器 (b) 解調(diào)器,將 式(5.1-24) 代入上式，得到,(5.1-24),5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,選擇 合適的 低通濾波器 ,消掉 2c 處 的 頻譜，則 低通濾波器 的 輸出 為 ：,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,(a) 殘留部分上邊帶的濾波器特性; (b) 殘留部分下邊帶的濾波器特性 圖 5-9 殘留邊帶的濾波器特性,兩種形式,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,殘留邊帶濾波器的幾何解釋,以 殘留上邊帶

15、的 濾波器為例，它是一個(gè)低通濾波器。使上邊帶小部分殘留，而使下邊帶絕大部分通過 。,在 = 0 處 具有 互補(bǔ)對稱的滾降特性,殘留邊帶濾波器的特性：在c 處 具有 互補(bǔ) 對稱 ( 奇對稱 ) 特性 . 那么， 采用 相干解調(diào)法 解調(diào) 殘留邊帶信號 就能夠準(zhǔn)確地 恢復(fù)所需的 基帶信號 。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,5.1.5 線性調(diào)制的一般模型,圖 5-10 線性調(diào)制(濾波法)一般模型,濾波法一般模型,適當(dāng)選擇濾波器的特性 ，便可得到各種幅度調(diào)制信號。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,設(shè),相移法一般模型(不作要求),5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,圖 5-11 線性調(diào)制(相移法)一般

16、模型,AM,DSB,SSB,VSB,2fH,時(shí)域表達(dá)式,帶寬,2fH,fH,fH2fH,調(diào)制方式,各種線性調(diào)制方式,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,5.1.6 相干解調(diào)與包絡(luò)檢波,調(diào)是調(diào)制的逆過程，其作用是從接收到得已調(diào)信號中恢復(fù)出原基帶信號（調(diào)制信號）。解調(diào)的方法可以分為兩類：相干解調(diào)和非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,相干解調(diào)時(shí)，為了無失真地恢復(fù)原基帶信號，接收端必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波）。 相干解調(diào)器適用于所有線性調(diào)制信號的解調(diào)。,以DSB信號的解調(diào)為例,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)

17、制)原理,以SSB信號的解調(diào)為例,高頻分量,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,以AM信號的解調(diào)為例,高頻分量,直流分量 需要濾除,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,2. 包絡(luò)檢波,圖 5-13 包絡(luò)檢波器,AM信號在滿足| m(t) |max A0 的條件下，其包絡(luò)與調(diào)制信號m(t) 的形狀完全一樣。因此AM信號除了可以采用相干解調(diào)外，一般都采用簡單的 包絡(luò)檢波法 來恢復(fù)信號。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,利用包絡(luò)檢波器對AM信號解調(diào)時(shí)的各點(diǎn)波形,包絡(luò)檢波器結(jié)構(gòu)簡單，且解調(diào)出的信號是相干解調(diào)時(shí)輸出的兩倍。因此一般AM信號均采用包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行解調(diào)。,5.1 幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理,包

18、絡(luò)檢波器結(jié)構(gòu)簡單，且解調(diào)出的信號是相干解調(diào)時(shí)輸出的兩倍。因此一般AM信號均采用包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行解調(diào)。,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,前面的分析（解調(diào)）都是在沒有噪聲的條件下進(jìn)行的，而實(shí)際的系統(tǒng)都避免不了噪聲的影響。因此本節(jié)將要研究的問題是：在信道加性高斯白噪聲的背景下，各種線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能。,5.2.1 分析模型,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,帶通濾波器 的 作用 是 濾除 已調(diào)信號 頻帶以外 的噪聲 ，因此，經(jīng)過 帶通濾波器 后 到達(dá) 解調(diào)器 輸入端的 信號 仍可認(rèn)為 是 sm(t) ，噪聲為 ni(t) 。,sm(t) 為 已調(diào)信號，n(t) 為信道 加性高斯白噪聲。,解

19、調(diào)器輸出的 有用信號 為 mo(t)，噪聲為 no(t)。,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,當(dāng) 帶通濾波器 帶寬 遠(yuǎn)小于 其 中心頻率 時(shí) ( 窄帶濾波器 ) ， n i (t) 為 平穩(wěn)窄帶高斯白噪聲 。,或者,Ni 為 解調(diào)器 輸入噪聲 n i (t) 的 平均功率 。,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,這里的帶寬B應(yīng)等于已調(diào)信號的頻帶寬度，以保證已調(diào)信號無失真地進(jìn)入解調(diào)器，同時(shí)又最大限度地抑制噪聲。,若白噪聲 的 雙邊功率譜密度 為 n0 / 2 ，帶通濾波器傳輸特性 是 高度 為 1 、帶寬 為 B 的 理想矩形函數(shù) , 則,*通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有兩個(gè)：有效性和可靠性。有效性指的是系

20、統(tǒng)傳輸信號效率的高低；可靠性指的是系統(tǒng)傳輸信號抗干擾能力的強(qiáng)弱。,* 調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能主要由解調(diào)器的抗噪聲性能體現(xiàn)。具體來說是指解調(diào)后的輸出信噪比與解調(diào)前相比是改善還是惡化了。,*可靠性通常用輸出信噪比來衡量。輸出信噪比指信號的平均功率與噪聲平均功率的比值。,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,為 衡量 同類調(diào)制系統(tǒng) 不同解調(diào)器 對 輸入 信噪比的 影響 ，可用 輸出和輸入信噪比 的 比值 G 來表示，即,G 稱為 調(diào)制制度增益 。G 越大，表明 解調(diào)器 的 抗噪聲性能 越好 。,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,5.2.2 DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能,在 分析 DSB 、SSB 、VSB 系統(tǒng)

21、的 抗噪聲性能 時(shí) ，應(yīng)采用 相干解調(diào)器 ，如圖所示：,相干解調(diào) 屬 線性解調(diào) ，所以可以分別計(jì)算解調(diào)器輸出的 信號功率 和 噪聲功率 。,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,設(shè) 解調(diào)器 輸入信號 為,與 相干載波 相乘 后,經(jīng) 低通濾波器 后,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,解調(diào) DSB 時(shí) ，接收機(jī)中 的 帶通濾波器 的 中心頻率0 與 調(diào)制載頻 c 相同 ， 即 0 c,經(jīng) 低通濾波器 后,正交分量 被抑制,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,低通濾波器 的 帶寬 B2 f H ，為 雙邊帶 信號的帶寬 。,解調(diào)器 輸入信號 平均功率 為 ：,制度增益 為 ：,DSB 信號 解調(diào)器 使 信

22、噪比改善一倍，這是因?yàn)?同步解調(diào) 使 輸入噪聲的一個(gè)正交分量 ns(t) 被消除 的 緣故,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,通信原理 2008年,5.2.3 SSB 調(diào)制系統(tǒng)的性能,單邊帶信號 的 解調(diào)方法 與 雙邊帶信號 相同 ，區(qū)別 僅在于 解調(diào)器 之前的 帶通濾波器 的 帶寬 和 中心頻率 不同 。前者 帶通濾波器 的 帶寬 是 后者的 一半 .,與 相干載波 相乘 后，再經(jīng) 低通濾波 可得 ：,單邊帶 信號 表示式,單邊帶 帶通濾波器 帶寬,解調(diào)器 輸出噪聲 與 輸入噪聲 的 功率,正交分量 被抑制,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,輸入信號 平均功率,于是，單邊帶 解調(diào)器 的 輸入

23、信噪比 為,制度增益 為 ：,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,這是因?yàn)?，在 SSB 系統(tǒng)中， 信號 和 噪聲 有 相同 表示形式 ，所以，相干解調(diào)過程 中， 信號 和 噪聲 的 正交分量 均被抑制掉 ， 故 信噪比 沒有 改善 。,若在 相同 輸入 信號功率 S i ，相同 輸入 噪聲功率譜密度 n0 ，相同 基帶信號帶寬 f H 條件下，對 這兩種 調(diào)制方式 進(jìn)行比較 ，它們的 輸出信噪比 是 相等的 。 因此 兩者的 抗噪聲性能 是 相同的 ， 但 雙邊帶信號 所需的 傳輸帶寬 是 單邊帶的 兩倍 。,GDSB = 2 GSSB 。這 是否 說明 雙邊帶系統(tǒng) 的 抗噪聲性能 比 單邊帶

24、系統(tǒng) 好 呢？,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,VSB 調(diào)制系統(tǒng)的性能,VSB 調(diào)制系統(tǒng) 的 抗噪聲性能 的 分析方法 與 上面的相似 。但是，由于 采用的 殘留邊帶濾波器 的 頻率特性形狀不同 ，所以 抗噪聲性能 的 計(jì)算 是 比較復(fù)雜 的 。 但是 殘留邊帶 不是 太大 的 時(shí)候，近似認(rèn)為 與 SSB 調(diào)制系統(tǒng) 的 抗噪聲性能 相同 。,5.2.4 AM包絡(luò)檢波的性能,AM 信號 可采用 相干解調(diào) 和 包絡(luò)檢波 。相干解調(diào)時(shí)，分析方法 與 前面 雙邊帶 ( 或 單邊帶 ) 的 相同 。 實(shí)際中，AM 信號 常用 簡單的 包絡(luò)檢波法 解調(diào) .,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,圖 5-16

25、 AM 包絡(luò)檢波 的 抗噪聲性能 分析模型,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,解調(diào)器 輸入 是 信號 加 噪聲 的 混合波形 ，即,合成包絡(luò),合成相位,E (t) 是 理想包絡(luò)檢波器 的 輸出 ，有用信號 與 噪聲 無法 完全 分開 。因此，計(jì)算 輸出 信噪比 是 困難的 。 我們來 考慮 兩種 特殊情況 ：,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,4.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,大信噪比情況,合成包絡(luò),5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,式中 直流分量 A0 被 電容器 阻隔 ，有用信號 與 噪聲 獨(dú)立地 分成兩項(xiàng) ，因而 可分別 計(jì)算出 輸出 有用信號 功率 及 噪聲功率 ：,輸出信噪比,制度增

26、益,顯然 ，AM 信號 的 調(diào)制 制度增益 GAM 隨 A0 的 減小 而 增加 。,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,但對 包絡(luò)檢波器 來說，為了 不發(fā)生 過調(diào)制現(xiàn)象 ,應(yīng)有 A0 | m (t) | max ，所以 GAM 總是 小于 1 。 例如：100% 的 調(diào)制 ( 即 A0 |m(t)|max ) ，且 m (t) 又是 正弦型信號 時(shí)， 有,代入 上式 可得：,這是 AM 系統(tǒng) 的 最大信噪比增益 。這說明 解調(diào)器對 輸入信噪比 沒有 改善 ， 而是 惡化 了 。,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,可以證明，若 采用 同步檢波法 解調(diào) AM 信號 ， 則 得到的 調(diào)制 制度增益

27、GAM 與 式(5.2-38) 給出的 結(jié)果相同 。,由此可見，對于 AM 調(diào)制 系統(tǒng) ，在 大信噪比 時(shí)，采用 包絡(luò)檢波器 解調(diào) 的 性能 與 同步檢波器 時(shí) 的 性能 幾乎一樣 。 但應(yīng)該注意 ， 后者的 調(diào)制 制度增益 不受 信號 與 噪聲 相對幅度 假設(shè)條件 的 限制 。,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,小信噪比情況,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,噪聲包絡(luò) ：,噪聲相位 ：,，再利用,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,因此 ，輸出 信噪比 急劇下降 ，這種現(xiàn)象 稱為 解調(diào)器 的 門限效應(yīng) 。 開始出現(xiàn) 門限效應(yīng) 的 輸入信噪比 稱為 門限值 。 這種 門限效應(yīng) 是由 包絡(luò)檢波器

28、的 非線性 解調(diào) 作用 所引起的 。,這時(shí)，E (t) 中 沒有 單獨(dú)的信號項(xiàng) , 只有受到 調(diào)制的 項(xiàng) 。,由于 是 一個(gè) 隨機(jī)噪聲，因而 有用信號 m(t)被噪聲擾亂，致使 也 只能 看作是 噪聲 。,5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,用 相干解調(diào) 的 方法 解調(diào) 各種 線性調(diào)制信號 時(shí) ，不存在 門限效應(yīng) 。 原因是 信號 與 噪聲 可分別 進(jìn)行解調(diào) ，解調(diào)器 輸出端 總是 單獨(dú)存在 有用信號項(xiàng) 。,以上分析 可得 如下 結(jié)論：大信噪比 情況下，AM 信號 包絡(luò)檢波器 的 性能 幾乎與 相干解調(diào)法 相同； 但 隨著 信噪比 的 減小 ，包絡(luò)檢波器 將在 一個(gè) 特定 輸入 信噪比值 上 出

29、現(xiàn) 門限效應(yīng) ； 一旦 出現(xiàn) 門限效應(yīng) ，解調(diào)器 的 輸出 信噪比 將 急劇 惡化 。 ,* AM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)電路簡單，但功率利用率低，抗噪聲性能差,* SSB系統(tǒng)的功率利用率為100%，抗噪聲性能好，頻帶利用率高，所占用的頻帶只是AM和DSB的一半，但調(diào)制，解調(diào)電路復(fù)雜。,* DSB系統(tǒng)的功率利用率為100%，抗噪聲性能好，但所占用的帶寬仍和AM相同，都是2fm，且相干解調(diào)電路復(fù)雜。,總結(jié)：,* VSB系統(tǒng)的性能基本和SSB系統(tǒng)性能相近，VSB信號比較容易產(chǎn)生，占用的頻帶比SSB稍寬。,* 不能因?yàn)镈SB的G值為2，SSB為1，而說前者優(yōu)于后者。因?yàn)镾SB信號的帶寬僅為DSB的一半，所以DS

30、B的輸入噪聲功率Ni是SSB的兩倍。就信噪比而言，DSB、SSB具有相同的性能.,例1：對抑制載波的雙邊帶信號進(jìn)行相干解調(diào)，設(shè)接收信號的功率為2mW，載波為100KHz，并設(shè)調(diào)制信號m(t)的頻帶限制在4kHz，信道具有均勻的噪聲的雙邊功率譜密度P(f)= （1）求該理想帶通濾波器的傳輸特性H(W) （2）求解調(diào)器輸入端的信噪功率比 （3）求解調(diào)器輸出端的信噪功率比,解： （1）帶通濾波器的寬度等于已調(diào)信號的寬度，即 KHZ ，其中心頻率為100kHz，故有：,例2：發(fā)射功率為0.1W，信道噪聲的單邊帶功率譜密度n0=10-8，調(diào)制信號帶寬為5kHz。分別對DSB和SSB計(jì)算S0、N0和S0/

31、N0,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,相位 與 頻率,其中， 稱為 瞬時(shí)相位； 稱為 初始相位， 即當(dāng) 時(shí)的瞬時(shí)相位值。,頻率 是 瞬時(shí)相位 對時(shí)間的 導(dǎo)數(shù)，反映了瞬時(shí)相位的變化速度；因此有 。,當(dāng)瞬時(shí)相位為時(shí)間的一次函數(shù)時(shí)，其導(dǎo)數(shù)為一個(gè)常數(shù)，也就是說頻率是一個(gè)和時(shí)間 t 無關(guān)的常數(shù)。瞬時(shí)相位以恒定的速率隨時(shí)間變化。例如上面的函數(shù)。,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,幅度調(diào)制 屬于 線性調(diào)制 ，它是 通過 改變 載波的幅度 ，以 實(shí)現(xiàn) 調(diào)制信號頻譜 的 平移 及 線性變換 的 .,使 高頻載波 的 頻率 或 相位 按 調(diào)制信號 的 規(guī)律 變化 而 振幅 保持 恒定 的 調(diào)制方式 ，稱為

32、頻率調(diào)制 ( FM ) 和 相位調(diào)制 ( PM ) ， 分別簡稱為 調(diào)頻 和 調(diào)相 。,因?yàn)?頻率 或 相位 的變化都表現(xiàn)為 載波瞬時(shí)相位 的 變化 ，故 調(diào)頻 和 調(diào)相 又統(tǒng)稱為 角度調(diào)制 。,角度調(diào)制 與 線性調(diào)制 不同 ，已調(diào)信號頻譜 不再是 原調(diào)制信號頻譜 的 線性搬移 ，而是 頻譜的 非線性變換 ，會(huì)產(chǎn)生 與頻譜搬移不同的 新的頻率成分 ，故又稱為 非線性調(diào)制 。,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,5.3.1 角度調(diào)制的基本概念,1. FM和PM信號的一般表達(dá)式,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,所謂 相位調(diào)制 ，是指 瞬時(shí)相位偏移 隨 調(diào)制信號 m(t) 作 線性變化，即,調(diào)相

33、信號,所謂 頻率調(diào)制，是指 瞬時(shí)頻率偏移 隨 調(diào)制信號 m(t) 作 線性變化 ，即,調(diào)相靈敏度rad/V,調(diào)頻靈敏度 rad/(s.V),5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,瞬時(shí)相偏 與 瞬時(shí)頻偏,假設(shè)調(diào)制信號和載波分別為,在沒有進(jìn)行調(diào)制之前，載波信號的瞬時(shí)相位以固定的速率隨時(shí)間增長，而頻率則為一個(gè)常數(shù)。,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,相位調(diào)制PM,經(jīng)過調(diào)制之后，瞬時(shí)相位變?yōu)椋?5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,由于頻率是瞬時(shí)相位的導(dǎo)數(shù)，而相位調(diào)制導(dǎo)致載波瞬時(shí)相位的變化速率 隨 調(diào)制信號的規(guī)律 變化，所以也必將導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。,由此可見，調(diào)相的同時(shí)頻率也被“調(diào)制”了，對于PM信號來

34、說，其頻率的變化規(guī)律與調(diào)制信號的導(dǎo)數(shù)一致。因此，調(diào)相和調(diào)頻實(shí)際上是同時(shí)存在的。,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,可見，F(xiàn)M 和 PM 非常相似 ，其區(qū)別僅在于 PM是相位偏移隨調(diào)制信號m(t)線性變化，F(xiàn)M 是相位偏移隨m(t)的積分呈線性變化。如果預(yù)先不知道調(diào)制信號m(t) 的 具體形式 ，則 無法判斷 已調(diào)信號 是 調(diào)相信號 還是 調(diào)頻信號 。,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,2. 單音調(diào)制FM與PM,設(shè)調(diào)制信號為 單一頻率 的正弦波,當(dāng)它對載波進(jìn)行 相位調(diào)制 時(shí),式中， 稱為 調(diào)相指數(shù)，表示 最大的 相位偏移。,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,如果進(jìn)行 頻率調(diào)制，則,5.3

35、非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,3. FM與PM之間的關(guān)系,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,5.3.2 窄帶調(diào)頻,如果 FM 信號的 最大瞬時(shí)相位偏移 滿足以下條件,此時(shí) FM 信號的 頻譜寬度 比較窄，稱為 窄帶調(diào)頻（NBFM）。反之，當(dāng)不滿足上述條件時(shí)，F(xiàn)M 信號 的頻譜寬度 比較寬，稱為 寬帶調(diào)頻（WBFM）。,由于 FM 信號 的頻譜相對于 線性調(diào)制 來說比較復(fù)雜，因此下面 分別討論 窄帶調(diào)頻 和 寬帶調(diào)頻 情況下的 FM信號 的 帶寬問題。,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,窄帶調(diào)頻時(shí)FM信號的帶寬,當(dāng) 滿足窄帶調(diào)頻的條件時(shí),5.3 非線性調(diào)制(

36、角度調(diào)制)原理,對上面窄帶調(diào)頻信號的時(shí)域表達(dá)式作傅里葉變換,與AM信號的頻譜比較,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,當(dāng)調(diào)制信號為單音信號時(shí)，即,可以分別得到 NBFM 和 AM 信號的時(shí)域表達(dá)式為,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,圖5-20 AM與NBFM的矢量表示,在 AM 中，兩個(gè)邊頻的矢量與載波相同，所以載波只有幅度的變化，無相位變化；而在 NBFM 中，由于下邊頻為負(fù)，兩個(gè)邊頻的合成矢量與載波則是正交相加，所以NBFM不僅有相位的變化 ，幅度也有很小的變化。,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,相關(guān)總結(jié),NBFM 與 AM 都含有一個(gè)載波和位于 處得兩個(gè) 邊帶，所以它們的帶寬相同

37、，都是調(diào)制信號最高頻 率的兩倍。,NBFM 屬于非線性調(diào)制，它的兩個(gè)邊帶不是基帶信 號頻譜的 簡單搬移，而是分別乘了 因式 和 。,NBFM 的 一個(gè)邊帶 和 AM 反相。,NBFM 的 抗干擾能力 比 AM系統(tǒng) 要好得多。,5.3 非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理,5.3.3 寬帶調(diào)頻,當(dāng)不滿足窄帶調(diào)頻條件時(shí)，F(xiàn)M信號的時(shí)域表達(dá)式不能化簡，則其頻譜的分析將非常困難。為使問題簡化，只研究單音調(diào)制的情況，然后把分析的結(jié)論推廣到多音調(diào)制的情況。,第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),5.3.3 寬帶調(diào)頻 調(diào)頻信號表達(dá)式 設(shè)：單音調(diào)制信號為 則單音調(diào)制FM信號的時(shí)域表達(dá)式為 將上式利用三角公式展開，有 將上式中的兩個(gè)因子

38、分別展成傅里葉級數(shù)， 式中 Jn (mf) 第一類n階貝塞爾函數(shù),第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),Jn (mf)曲線,第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),將 代入 并利用三角公式 及貝塞爾函數(shù)的性質(zhì) 則得到FM信號的級數(shù)展開式如下：,第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),調(diào)頻信號的頻域表達(dá)式 對上式進(jìn)行傅里葉變換，即得FM信號的頻域表達(dá)式,+,-,=,第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),討論：由上式可見 調(diào)頻信號的頻譜由載波分量c和無數(shù)邊頻(c nm)組成。 當(dāng)n = 0時(shí)是載波分量c ，其幅度為AJ0 (mf) 當(dāng)n 0時(shí)是對稱分布在載頻兩側(cè)的邊頻分量(c nm) ，其幅度為AJn (mf)，相鄰邊頻之間的間隔為m；且當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，上下邊頻極性

39、相反； 當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)極性相同。 由此可見，F(xiàn)M信號的頻譜不再是調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是一種非線性過程。,調(diào)頻信號的帶寬,理論上調(diào)頻信號的頻帶寬度為無限寬!,邊頻幅度隨n增大而減小，所以認(rèn)為頻譜有限。通常信號頻帶寬度應(yīng)包括幅度大于未調(diào)載波10%以上的邊頻分量。,有效帶寬:,5.4 調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,調(diào)頻系統(tǒng) 抗噪聲性能 的 分析方法 和 分析模型 與線性調(diào)制系統(tǒng) 相似 ，在 大信噪比 條件下 ，可證明 解調(diào)器 的 輸出信噪比 ：,調(diào)頻系統(tǒng) 的 制度增益,上式表明 , 大信噪比 時(shí) 寬帶調(diào)頻系統(tǒng) 的 制度增益 是 很高的 。也就是說，加大 調(diào)制指數(shù) ，可使 調(diào)頻系統(tǒng)的 抗噪聲性能 迅速改善

40、 。,已調(diào)波 振幅,調(diào)制信號 帶寬,第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),結(jié)論：在大信噪比情況下，調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能將比調(diào)幅系統(tǒng)優(yōu)越，且其優(yōu)越程度將隨傳輸帶寬的增加而提高。 但是，F(xiàn)M系統(tǒng)以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無止境的。隨著傳輸帶寬的增加，輸入噪聲功率增大，在輸入信號功率不變的條件下，輸入信噪比下降，當(dāng)輸入信噪比降到一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)門限效應(yīng)，輸出信噪比將急劇惡化。,第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng),5.4.3 小信噪比時(shí)的門限效應(yīng) 當(dāng)(Si /Ni)低于一定數(shù)值時(shí)，解調(diào)器的輸出信噪比(So /No)急劇惡化，這種現(xiàn)象稱為調(diào)頻信號解調(diào)的門限效應(yīng)。 門限值 出現(xiàn)門限效應(yīng)時(shí)所對應(yīng)的輸入信噪比值稱為門限值，記為(Si /Ni) b。,5.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較,5.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較,1. 抗噪聲性能,WBFM 抗噪聲性能 最好，DSB 、SSB 、VSB 抗噪聲性能 次之 ，AM 抗噪聲性能 最差 。,2. 頻帶利用率,SSB 的 帶寬 最窄 ，其 頻帶利用率最高 。