通信原理(樊昌信第七版)第五章ppt课件

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1、 课 件 课 件 模拟调制系统通信原理（第7版）第5章樊昌信 曹丽娜 编著 模拟调制系统 通信原理（第7版）第5章樊昌信 曹丽娜调制简介定义 目的 分类线性调制（幅度调制）原理 线性调制系统的抗噪声性能 非线性调制（角度调制）原理 各种模拟调制系统的性能比较 频分复用（FDM）本章内容: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调制简介定义 目的 分类 本章内容:第5章 调制简介调制简介n 调制定义调制定义调制：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

2、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？调制简介 调制定义调制：把 消息信号 搭载到 载波 的某个进行频谱搬移频谱搬移，匹配信道特性匹配信道特性，减小天线尺寸减小天线尺寸；实现多路复用多路复用，提高信道利用率提高信道利用率；改善系统性能系统性能（有效性、可靠性）；实现频率分配频率分配 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!n 调制目的调制目的为什么要进行调制？进行频谱搬移，匹配信道特性，减小天线尺寸；看来，调制在通信系消息信号基带信号 正弦波脉冲序列受调载波含有m(t)信息 调制信号调制信号 载波载波 已调信已调信

3、号号n 调制分类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 三种信号消息信号基带信号 正弦波受调载波 调制信号 模拟调制数字调制连续波调制脉冲调制幅度调制频率调制相位调制按调制信号m(t)的类型分按载波信号c(t)的类型分线性调制非线性调制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：调制方式分类：都有哪些调制方式？7模拟调制连续波调制幅度调制按调制信号m(t)的类型分按载波信n 幅度调制幅度调制（线 性）：AM、DSB SSB、VSB n 角度调制角度调制（非线性）：FM、PM 本章研究的模拟调制模拟调制方式：是以正弦信号 作为载波的 幅度调制（线 性）：AM

4、、DSB本章研究的模拟调制一般模型5.1幅度调制(线性调制)的原理边带滤波器边带滤波器 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)nAM表达式表达式nAM调制器调制器条件条件：边带项载波项5.1.1 常规调幅(AM)AM表达式AM调制器条件：nAM波形和频谱波形和频谱AM波形和频谱nAM信号的信号的特点特点l 时，AM波的包络正比于调制信号m(t)，故可采用包络检波。lAM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。lAM传输带宽是调制信号带宽的两倍：lAM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。12AM信号的特点 时，AM信号功率：nAM信号的缺信号的缺点

5、点边带功率边带功率载波功率载波功率AM功率利用率低！功率利用率低！l调制效率(功率利用率)：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 -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 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。-不含有用信息，却“浪费”大部分的发射功率通信原理(樊昌信第七版)第五章ppt课件当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！高调幅度的重

6、要性！当m=1(满调幅)时，AM调制效率的最大值仅为1/3，高调幅条件：如何提高调制效率？抑制载波！QA条件：如何提高调制效率？抑制载波！QA5.1.2 双边带调制双边带调制(DSB-SC)条件：nDSB表达式表达式nDSB调制器调制器double-sideband suppressed carrier5.1.2 双边带调制(DSB-SC)条件：DSB表达nDSB波形和频谱波形和频谱DSB波形和频谱nDSB信号的信号的特点特点l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。l无载频分量，只有 上、下 边带。l带宽与AM的相同：l调制效率100，即功

7、率利用率高。l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？QADSB信号的特点包络不再与m(t)成正比；当m(t)改变符号5.1.3 单单边带调制边带调制(SSB)nSSB信号的产生信号的产生(1)滤波法滤波法技术难点之一技术难点之一原理原理：先形成DSB信号，边带滤波即得上或下边带信号。要求：要求：滤波器HSSB()在载频处具有陡峭的截止特性。5.1.3 单边带调制(SSB)SSB信号的产生(1)边带滤波特性边带滤波特性 HSSB()边带滤波特性 HSSB()（2）相移法 USB+-（2）相移法 USB+-传递函数传递函数：是m(t)的希尔伯特变换含义

8、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 技术难点之二技术难点之二下边带上边带要求要求：传递函数：是 m(t)的希尔伯特变换 含义：幅度不变，相移nSSB信号的信号的特点特点l优点之一是频带利用率高频带利用率高。传输带宽为AM/DSB的一半：l因此，在频谱拥挤的通信场合获得了广泛应用，尤其在短短波通信波通信和多路载波电话多路载波电话中占有重要的地位。l优点之二是低功耗低功耗特性，因为不需传送载波和另一个边带不需传送载波和另一个边带而节省了功率而节省了功率。这一点对于移动通信系统尤为重要。l缺点是设备较复杂，存在技术难点缺点是设备较复杂，存在技术难点。也。也需相

9、干解调。需相干解调。SSB信号的特点优点之一是频带利用率高。传输带宽为AM/DS5.1.4 残留残留边带调制边带调制(VSB)介于介于SSB与与DSB之间的折中方案。之间的折中方案。5.1.4 残留边带调制(VSB)介于SSB与DSnVSB信号的产生信号的产生应该具有怎样的滤波特性？nVSB信号的解调信号的解调应该具有怎样的滤波特性？VSB信号的产生应该具有怎样VSB信号的解调应该具有怎样相乘相乘：LPF解调输出：解调输出：28相乘：LPF解调输出：28若要无失真恢复 m(t)，VSB滤波器的传输函数必须满足：在在载频载频处处 具有具有互补对称互补对称 特性特性含义含义：若要无失真恢复 m(t

10、)，VSB滤波器的传输函数必须满足：n残留边带滤波器的几何解释：残留边带滤波器的几何解释：残留边带滤波器的几何解释：nVSB信号的信号的特点特点l 仅比SSB所需带宽有很小的增加，却换来了电路的简单。l 应用：商业电视广播中的电视信号传输电视信号传输等。VSB信号的特点 仅比SSB所需带宽有很小的增加，却换来了电滤波法5.1.5 线性线性调制调制(幅度调制)的的一般模型一般模型n相移法相移法滤波法5.1.5 线性调制(幅度调制)的一般模型相移法在接收端，如何从在接收端，如何从已调信号已调信号中恢复出中恢复出调制信号调制信号m(t)呢呢？QA解调的任务!在接收端，如何从已调信号中恢复出 QA解调

11、的任务!5.1.6 相干解调相干解调与包络检波包络检波n相干解调相干解调 适用适用：AM、DSB、SSB、VSB特点特点：无门限效应：无门限效应要求要求：载波同步：载波同步5.1.6 相干解调与包络检波相干解调 适用：AM、Dn包络检波包络检波 适用适用：AM 信号优势优势：简单、无需载波同步 要求要求：|m(t)|max小于等于小于等于A0 35包络检波 适用：AM 信号35n插入载波包络检波法插入载波包络检波法 适用适用：DSB、SSB或VSB等抑制载波的已调信号原理原理：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)要求要求：Ad 很大，载波同步方法方

12、法：发端/收端插入载波 36插入载波包络检波法 适用：DSB、SSB或VSB等抑制载波n分析模型分析模型5.2线性调制系统的抗噪声性能高斯白噪声已调信号已调信号 B 和 f0 取决于已调信号的频谱DSB信号：信号：B=2fH f0=fcSSB信号信号：B=fH f0=fcfH/2BPF5.2.1 模型模型与指标指标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n分析模型分析模型解调器n性能指标性能指标制度增益：输出信噪比：BPF39分析模型解

13、调器性能指标制度增益：输出信噪比：BPF395.2.2 DSB-相干解调相干解调系统的抗噪声性能相干解调器Si So No Ni DSB405.2.2 DSB-相干解调系统的抗噪声性能相干解调器B=2fH 41B=2fH 41 相干解调将相干解调将 ni(t)中的中的正交分量正交分量抑制掉，抑制掉，从而使信噪比改善从而使信噪比改善1倍倍。原因原因正交分量正交分量 相干解调将 ni(t)原因正交分量5.2.2 DSB-相干解调系统的抗噪声性能相干解调器Si So No Ni 5.2.3 SSB 5.2.2 DSB-相干解调系统的抗噪声性能相干解调B=2fH B=fH SSBDSB44B=2fH

14、B=fH SSBDSB44 相干解调抑制正交分量相干解调抑制正交分量 （无论信号还是噪声）原因原因正交分量正交分量 相干解调抑制正交分量 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 能否说：DSB系统的抗噪声性能 优于 SSB 系统呢？合成包络5.2.4 AM 包络检波包络检波系统的抗噪声性能合成包络5.2.4 AM 包络检波系统的抗噪声性能（1）大大信噪比时信噪比时隔掉检波输出检波输出：48（1）大信噪比时隔掉检波输出：48 讨论讨论：l由于|m(t)|max小于等于 A0，所以GAM 1，

15、即l100%调制，且 m(t)为单频正弦时：l相干解调的GAM 如同上式，但不受信噪比条件的限制。49 讨论：由于|m(t)|max小于等于 A0，所以GAM 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门限效应。（2）小小信噪比时信噪比时 可见：可见：50 小信噪比时，信号被扰乱成噪声，导致输出（2）小信噪比时 可原因原因：包络检波器 的非线性解调作用。u大大信噪比时信噪比时：u小小信噪比时信噪比时：门限效应门限效应AM-包络检波包络检波系统的抗噪声性能：系统的抗噪声性能：归纳归纳原因：包络检波器大信噪比时：小信噪比时：门限效应AM-包络检BPF解调器相干解调相干解调包络检

16、波包络检波B=2fH f0=fcB=fH f0=fcfH/2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能：DSBSSBVSBAM抑制正交分量相干解调相干解调小结小结BPF解调器相干解调B=2fH f0=fcB=f5.3 非线性调制非线性调制(角度调制)原理原理n概述概述l角度调制：FM和PM的总称。l载波的幅度恒定，而频率或相位受调制。l属于非非线性调制。l抗噪声性能优于幅度调制优势。535.3 非线性调制(角度调制)原理概述角度调制：FM和5.3.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念 n1 角角调信号一般表达式调信号一般表达式载波的恒定振幅载波的恒定振幅 Omegact+Phi(t

17、)已调信号的瞬时相位已调信号的瞬时相位 相对于相对于Omegact的的瞬时相位偏移瞬时相位偏移Omegac+dPhi(t)/dt 已调信号的瞬时角频已调信号的瞬时角频率率 相对于相对于Omegac的的瞬时角频偏瞬时角频偏545.3.1 角度调制的基本概念 1 角调信号一般表达式Kf=rad/(sV)Kp调相灵敏度(rad/V）PM：FM：角调信号：55Kf=rad/(sV)Kp调相灵敏度(rad/V）PM：n2 PM与与 FM的关系的关系l PM 是 相位偏移 随 m(t)作 线性 变化；l 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

18、是FM信号?56 2 PM与 FM的关系 PM 是 相位偏移 随 m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 宽带宽带 调频调频 57则为窄带调频（NBFM）；否则宽带调频（WBFM）若最大瞬时最大相位偏移最大相位偏移n1 单音调频单音调频 FM 调频指数调频指数最大角频偏 单音调频信号单音调频信号：，则 设58最大相位偏移1 单音调频 FM 调频指数最大角频偏 n2 FM信号的频谱与带宽信号的频谱与带宽第一类 n 阶贝塞尔函数 是调频指数 mf 的函数傅里叶变换傅里叶变换级数展开级数展开592 FM信号的频谱与带宽第一类 n 阶贝塞尔函数傅里叶变换

19、讨论讨论l 载频分量 和无数多对边频 (分布在 两侧)；l 边频幅度 AJn(mf)随着 n 的增大而逐渐减小；l 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：讨论 载频分量 和无数多对边频 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mf 5，FM信号的频带宽度为：推广推广：调制信号的最高频率例如例如：对于多音或任意带限调制信号时的FM信号：n3 FM信号的功率分配信号的功率分配载波功率 调制后总的

20、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。=13 FM信号的功率分配载波功率 调制后总的功率不变n4 FM的特点的特点 优势优势 应用应用应用：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。l包络恒定；l频偏随调制信号m(t)作线性变化；l相偏随消息信号m(t)的积分作线性变化；l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。4 FM的特点 优势 应用应用：要求高质量或信道噪声大5.3.4 调频调频信号的产生与解调信号的产生与解调n1

21、调频调频信号的产生信号的产生 1)直接法直接法原理原理：调制电压控制振荡器的频率：优点优点：电路简单、可获得较大的频偏；缺点缺点：频率稳定度不高，可采用PLL调频器进行改进。Voltage-controlled oscillator 5.3.4 调频信号的产生与解调1 调频信号的产生 2)间接法间接法原理原理：积分 调相(NBFM)n次倍频 WBFM优点优点：频率稳定度好；缺点缺点：需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。652)间接法原理：积分 调相(NBFM)n次倍频 n2 调频调频信号的解调信号的解调 1)非相干解调非相干解调2)相干解调相干解调适用：NBFM和WBFM思路：完成频率电压的转

22、换，即：鉴频器鉴频器一种振幅鉴频器仅适用NBFM662 调频信号的解调 1)非相干解调2)相干解调适用：NB微分器：把幅度恒定的调频波 调幅调频波：包络检波器包络检波器：检出包络并滤去直流，原理原理：幅/频都随m(t)变化经LPF即得解调输出：微分器：把幅度恒定的调频波 调幅调频波：5.4 调频调频系统的抗噪声性能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n大信噪比时：可见可见：FM系统可通过增加传输带宽带宽来改善抗噪声性能;注意注意:以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。n小信噪比时：门限效应门限效应mf 685.4 调频系统的抗噪声性能模型和方法与线性调制系统相似所有

23、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 各种模拟模拟调制系统调制系统的比较比较69所有系统在“同等条件”下进行比较：5.5 各种模拟调制系21简单简单中等中等中等中等复杂复杂复杂复杂21简单中等中等复杂复杂n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

24、复杂，SSB最复杂。性能比较：1）抗噪声性能：FM最好，DSB/SSB、n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

25、率低，存在门限效应。特点与应用 1）AM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率5.6 频分复用频分复用(FDM)l复用：在一条信道中同时传输多路信号l目的：充分利用信道的频带或时间资源l分类：FDM、TDM、SDM、CDMl频分：按频率划分信道的复用方式l方法：调制 合成 传输 分路 解调l原理：图示 5.6 频分复用(FDM)复用：在一条信道中同时传输多nFDM系统原理框图：FDM系统原理框图：n典型例子-多路载波电话系统（目前，TDM替代）替代）层次结构层次结构：基群频谱结构示意图：基群频谱结构示意图：12 路 一个基群 5 个基群 一个超群（60路电话）10个超群 一个主群（600路电话）多个主群 一个巨群（每路4kHz）典型例子-多路载波电话系统（目前，TDM替配套辅导教材：曹丽娜 樊昌信 编著 国防工业出版社 整理知识 归纳结论梳理关系 引导主线剖析难点 解惑疑点强化重点 点击考点 76配套辅导教材：谢谢！谢谢！