北邮信号课件第四章.ppt

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1、1,今天的内容,角度调制 幅度调制的抗噪声性能,2,4.3 角度调制,前面讨论了模拟调制中的幅度调制方式，幅度调制也成为线性调制。 下面我们将讨论调频和调相调制方式。调频调相均属于非线性调制，统称为角度调制。由于它们都是非线性的，分析时较为困难，在许多情况下是近似分析。,3,4.3 角度调制,角度调制的特点是它占有较宽的信道带宽。加调信号的带宽经常是基带信号带宽的许多倍。其是以牺牲一定的带宽来换取高的抗噪能力。 由于该系统的可靠性好，因而在高逼真度音乐广播系统及发射功率有限的点对点通信系统中广泛应用调频制式。,4,4.3.1角调制的基本概念,相位调制：瞬时相位偏移随调制信号m(t)而线性变化,

2、频率调制：瞬时频率偏移随调制信号m(t)而线性变化,相位偏移常数,频率偏移常数,5,4.3.1角调制的基本概念,如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号,实际相位调制器的调制范围有限,适用于窄带调制,适用于宽带调制,适用于宽带调制,6,4.3.1 调频与调相信号,在调相系统中，最大相位偏移为,在调频系统中，最大频率偏移为,7,4.3.1 调制指数,调相系统的调制指数,调频系统的调制指数,W是模拟基带信号的带宽,8,4.3.1 窄带角度调制,定义：在角度调制系统中，,若,称此角度调制为窄带角度调制。,利用近似公式可得到,频谱与AM信号相类似 抗噪声性能也

3、与AM类似 实际很少使用，用于产生宽带角度调制信号的中间级。,9,4.3.2 角度调制信号的频谱特性,非线性调制，并非频谱的简单搬移 很难求出精确频谱特性 在非常简单的基带信号情况下，利用近似分析进行频谱研究，然后推广到更复杂的基带信号。,10,4.3.2 正弦信号的角度调制,正弦信号的调频和调相，其表示式为,周期函数,第一类n阶贝塞尔函数,11,4.3.2 正弦信号的角度调制,当调制信号是频率为fm的正弦信号时,其角调信号含有以fc+nfm(n=0, 1, 2, )的频率分量,因而已调信号的带宽应是无穷的.对应于大的n值得fc+nfm分量的幅度是很小的,可忽略,因此包含98%或99%的已调信

4、号总功率的带宽是个有限值.定义为有效带宽.,12,4.3.2 正弦信号的角度调制,贝塞尔函数的级数展开：,值很小时：,第一项，n=1，即第一旁瓣，为主要分量,13,4.3.2 卡松公式,对于基带信号是任意的周期信号或对于一般的非周期信号或对于一般的非周期基带信号的角度调制,其频谱分析复杂.然而,计算角调信号的有效带宽存在一近似关系式,称为卡送公式.,由于宽带调频的值约在5以上,所以宽带调频信号的带宽比调幅信号的带宽宽的多.,14,4.3.3 角度调制器与解调器,产生调频信号有直接调频法和间接调频法 下面分别介绍,15,4.3.3 直接调频,直接调频是利用压控震荡器（VCO）。 定义：当输入电压

5、为零时，振荡器产生一频率为f0的正弦波；当输入基带信号的电压变化时，该振荡频率作相应变化。,m(t),VCO,16,4.3.3 直接调频,VCO可满足宽带调频的大频偏要求,但很难保证中心频率的稳定性,晶振,分频,分频,低通,VCO,输出宽带调频信号,17,4.3.3 间接调频,间接产生调频或调相信号的方法之一是首先产生窄带角调信号，然后将它变换成宽带角调信号。 框图如下,窄带调频器,倍频,本振,带 通 滤波器,频率,频率,输入,输出,18,4.3.3 间接调频,若窄带角调信号,则倍频器输出为,它是宽带角调信号,上图中应用的是下变频，本振频率为 ，下变频后 的宽带角调信号,19,4.3.3 间接

6、调频,产生窄带角调信号的方法： 框图如下,20,4.3.3解调：非相干解调：鉴频器,普通鉴频器,解调方法之一是先将调频信号变为调幅调频 信号，使该调幅调频信号的幅度比例于调频 信号的瞬时频率，然后再利用一调幅解调器 取其包络，恢复出原消息信号,包 络 检波器,FM信号,AM信号,FM至AM 变 换 器,输出,21,削去调频波在传输过程中引起的幅度变化部分，变成固定幅度,4.3.3解调：非相干解调：鉴频器,m0(t)Kfm(t),将幅度恒定的调频波变成调幅调频波,从幅度变化中检出调制信号,缺点：对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应,22,4.3.3解调：非相干解调：鉴频器,调频信号：,

7、微分以后：,此信号的包络正比于m(t),23,4.3.3解调：非相干解调：锁相环,输入调频信号：,压控振荡器的瞬时频率：,VCO的输出：,24,4.3.3解调：非相干解调：锁相环,鉴相器由乘法器和低通构成，其输出：,锁相环锁定时，e(t)为一个很小的值,25,4.4 线性调制系统的抗噪声性能,分析模型 DSB-SC的性能 SSB-SC的性能 AM的性能,26,分析模型,AWGN,平稳窄带高斯噪声,同相分量,正交分量,平均功率为N i,若白噪声的双边功率谱密度为n0/2,带宽B应等于已调信号的频带宽度， 当然也是窄带噪声ni(t)的带宽,27,窄带白高斯噪声,窄带白高斯噪声n(t)的均值为零,双

8、边功率谱密度为,窄带噪声表示式之一为,的同相分量及正交分量,功率谱密度如下,28,指标,评价指标：解调器的输出信噪比 物理含义：衡量一个模拟通信系统质量的好坏,与调制方式有关,与解调方式有关,不同类调制方式,同类调制方式,制度增益,不同解调方式,G越大，表明解调器的抗噪声性能越好,越大，表明解调器的抗噪声性能越好,29,4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 输入信号,在接收机中，解调的输入信号为,相干解调中，将r(t)与本振相乘，可得,30,4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 输出信号,低通滤波器抑制二倍频分量，仅通过低通分量,设,则,故解调的输出基带信号与噪声分量式相加的,下面分别求出

9、解调的输入信噪比与输出信噪比,31,4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 输出噪声的功率,(1) 解调输出信号的平均功率,其中 是随机过程的平均功率,(2)解调输出噪声的平均功率,其中 为带通白高斯噪声的平均功率，其值为,32,4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 输出信噪比,(3)解调输出信噪比,33,4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 输入信号的特性,解调器输入信号：,(4)输入信号平均功率,(5)输入噪声平均功率,(6)输入信噪比,34,4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 制度增益,由公式可知DSB-SC AM的解调输出信噪比是解调输入信噪比的2倍,即,制度增益：,35,4.

10、4.2单边带调幅系统的抗噪声性能,36,4.4.2单边带调幅系统的抗噪声性能 输入信号&输出信号,在接收机中，解调的输入信号为,相干解调中，将r(t)与理想恢复的载波相乘, 低通滤波器抑制二倍频分量，仅通过低通分量,解调的输出基带信号与噪声分量式相加的,37,4.4.2 单边带调幅系统的抗噪声性能 输出信号的指标,(1) 解调输出信号的平均功率,(2)解调输出噪声的平均功率,其中,(3)解调输出信噪比,38,4.4.2 单边带调幅系统的抗噪声性能 输入信号的指标,输入信号：,(4)解调输入信号平均功率,(5)解调输入噪声平均功率,(6)解调输入信噪比,39,4.4.2 单边带调幅系统的抗噪声性

11、能 性能,由公式可知：SSB-SC AM的解调输出信噪比解调输入信噪比,即,制度增益：,40,比较：,当DSB-SC 与 SSB-SC 1、解调器输入的信号功率相等 2、输入噪声双边功率谱密度相同 则：两者的输出信噪比是相同的,41,4.4.3 AM抗噪声性能 相干解调,在接收机中，解调的输入信号为,相干解调中，将r(t)与理想恢复相乘,低通滤波器抑制二倍频分量，仅通过低通分量,经过隔直电容的得到输出,42,4.4.3 AM抗噪声性能 相干解调,(1) 解调输入信号的平均功率,(2)解调输出信噪比,43,4.4.3 AM抗噪声性能 相干解调,由于,所以AM解调的输出,从上述分析看出，AM信号总

12、发射功率中的 大部分功率被分配给离散的离散的载波分量， 其调制效率相当低，这就是该调制方式的缺点,信噪比经常是小于DSB-SC AM的输出信噪比,44,4.4.3 AM抗噪声性能 包络检波:大信噪比情况,r(t)的包络为,假设r(t)中的信号分量强的多,因而包络近似为,包络检波器输出在滤除直流分量后，得到,大信噪比情况下，包络检波于相干解调性能相同,45,4.4.3 AM抗噪声性能 包络检波:小信噪比情况,其中：,利用了：x很小时,46,4.4.3 AM抗噪声性能 包络检波:小信噪比情况,在解调输入信噪比很低时，包络检波信号和噪声不再是相加的，而是信号分量乘以噪声，这样就不能从中区分出信号来，

13、此时系统工作与门限以下，解调输出信噪比急剧下降。,47,4.5 角度调制系统的抗噪声性能,调频、调相系统的抗噪声性能 角度调制的门限效应 预加重和去加重,48,4.5 角度调制系统的抗噪性能 解调器的输入信号,对于一般角调信号的接收解调框图为,带通滤波器的输出为：,其中：,解调器输出,49,4.5 角度调制系统的抗噪性能解调器输入信号的幅度相角表达,50,4.5 角度调制系统的抗噪性能 输入信号幅度相角表达,近似：,51,4.5 角度调制系统的抗噪性能 解调器输出信号,解调输出,PM,FM,相位,相位的导数,52,4.5 角度调制系统的抗噪特性 解调器输出的噪声部分,在解调输入信噪比高时，可证

14、明上式可简化为,调相时解调输出噪声为,调频时解调输出噪声为,为与噪声有关的项：,53,4.5 角度调制系统的抗噪特性 输出噪声的特性,功率谱密度：,功率谱密度：,54,4.5 角度调制系统的抗噪特性 微分器的传递函数,微分器可以看成一个线性系统 其传递函数：,的功率谱密度为：,55,4.5 角度调制系统的抗噪特性 输出噪声的功率谱和输出功率,PM,FM,PM,FM,PM,FM,功率谱密度：,功率：,56,4.5 角度调制系统的抗噪特性输出信噪比,由输出信号功率,可知,PM,FM,PM,FM,PM,FM,57,4.5 角度调制系统的抗噪特性 输出信噪比的几种表达,接收信号功率,则：,PM,FM,

15、58,4.5 角度调制系统的抗噪特性 输出信噪比的几种表达,卡松公式,则：,PM,FM,令：,59,4.5 角度调制系统的抗噪特性 总结,1、前面的近似分析的前提为输入信噪比高，此条件成立，则输出信噪比与平方成正比。即增加带宽可以增加信噪比。 2、 增加，则输入噪声增大，近似分析不成立。在一个门限值附近，输出信噪比急剧下降。 3、调幅，调角增加发射功率都能提高解调输出信噪比，但是机理不同。 4、调频系统，输出噪声功率谱为抛物线。实际系统采用预加重和去加重技术。,60,4.5.2 角度调制的门限效应,定义：当 下降到一定程度时， FM的 急剧下降， 这种现象叫门限效应。,门限值的,和,之间的近似

16、关系为：,非相干解调都有这种特点，不过AM包络 检波的门限效应表现得不及FM显著,61,4.5.2 角度调制的门限效应,(2)当信噪比降低时，这个假设逐步变得不能成立, 此时的实际情形是，随着 的下降，输出 噪声及失真以更快的速度恶化。,(1)非相干解调信噪比时所做的假设(大信噪比)如果始终 成立，则 一定随着 的下降而线性下降。,62,4.5.3 去加重与预加重滤波,产生原因:FM输出的噪声功率谱呈抛物线状,如果FM系统的输入信号具有均匀的功率谱密度，则输出信号在各个频率成分处的信噪比不均衡，加重技术就是为了解决这一问题。,具有去加重与预加重滤波的调频系统框图,预加重 滤 波,调频器,带通

17、滤波,鉴频器,去加重 滤 波,加性噪声,63,4.5.3 去加重与预加重滤波,如上图所示，发送端使用“预加重滤波”提升信号在高频部分的功率，使之能和FM鉴频器输出的噪声功率谱密度相匹配，接收端再用“去加重滤波”还原到原来的频谱。,64,各种模拟调制系统的比较,结论：当输入信噪比较高时，采用FM方式可以得到更大好处。,出现门限效应时的曲线拐点,门限电平以下，曲线将迅速跌落,比AM优越4.7dB以上,比AM优越22dB,65,各种调制方式的性能比较,66,4.6 频分复用（FDM）技术 I,定义：若干相互独立的携带消息的信号合成为一复合信号在一公共信道上传输称为复用。 信号复用的方式有很多种： 频

18、分复用:众多信号在频率上分开的技术 时分复用:众多信号在时间上分开的技术 一典型的FDM系统中:在发射机中的低通滤波器带宽限于基带信号的带宽WHz,每个基带调制各自的载频,因此要求有k个调制器,将k个调制器的输出信号相加成一合成信号在信道中传输.在接收机中,通过并行的带通滤波支路,将各路信号分离出来,其中每个带通滤波器调谐到其中的载频之一,其带宽足以通过所希望接收的信号,每个带通滤波的输出信号被解调,并通过低通滤波,输出消息信号.,67,4.6 频分复用（FDM）技术 II,SSB,将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区，每个小区能顺利通过一路信号,防护频带,滤波器截止特性问题 收发载波同步

19、问题,优点：可以在给定的信道内同时传输许多路信号，提高信号传输的有效性,缺点：因滤波器特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰,68,4.6 频分复用（FDM）技术 III,低通,低通,低通,低通,低通,低通,调制器,调制器,调制器,频率合成器,调制器,调制器,调制器,低通,低通,低通,信 道,频率合成器,中心频率,中心频率,中心频率,69,4.7 超外差接收机 I,目前，无论是无线广播系统或是无线通信系统中的接收机均采用超外差接收机。 超外差接收机是由接收天线，射频放大，混频，本地振荡器，中频振荡器，中频放大器，解调器，功放，终端传感器组成,音频放大,射频 放大器,混频器,中频滤波 及中

20、频放大,包络检波,扬声器,AGC,70,4.7 超外差接收机 II,令本振,则：混频器输出信号频率：,镜像频率：,镜像信号通过混频器输出信号频率：,此输出为干扰，需要设计射频滤波器，抑止镜像信号,71,4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 I,热噪声原理：自由电子的热运动，高斯白噪声 物理电阻的热噪声模型：噪声电压源与理想电阻串连,物理电阻R的双边功率谱密度：,室温，频率10的12次方情况：,此时：,72,4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 II,通常，令：,网络阻抗匹配时，负载获得最大噪声功率，称为可获噪声功率，此时负载电阻上的噪声功率密度谱为:,则有：,73,4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 III,等效噪声带宽：,双端口网络，也可定义等效带宽,74,4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 IV,线性双端口网络的可获功率增益：,理想线性 双端口网络,75,4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 V,线性双端口网络的噪声系数：,非理想双端口网络输出噪声：,输入噪声，通过网络：,网络本身产生的噪声：,76,4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 VI,等效噪声温度 网络的等效噪声温度Te：把网络产生的噪声看成是输入的电 阻升温Te度 网络输出的噪声功率谱密度,77,Homework,角度调制 4.8 4.9 幅度调制的性能 4.11 4.12,