《通信原理》第五章模拟调制系统

通信原理第五章相干解调抑制信号和噪声的正交分量、在相同输入信号功率下,DSB与SSB的输出信噪比相等、俩者的抗噪声性能相同、但SSB所需带宽仅是DSB的1/2,因此SSB得到普遍应用

第五章模拟调制系统

• 调制
  • 定义
    • 调制
      • 把信号形式转换成适合在信道中传输的一种过程
    • 解调
      • 调制的逆过程,将已调信号中的调制信号恢复出来
  • 目的
    • 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
  • 调制分类
    • 按调制信号分类
      • 模拟调制
      • 数字调制
    • 按载波分类
      • 连续波调制
      • 脉冲调制
    • 按被调参量分类
      • 幅度调制
      • 频率调制
      • 相位调制
    • 按已调信号谱结构分类
      • 线性调制
      • 非线性调制
• 5.1幅度调制(线性调制)原理
  • 常规调幅(AM)
    • 表达式
    • 条件
    • AM的波形和频谱
      • 波形
      • 频谱
    • AM信号的特点
      • AM波的包络与基带信号m(t)成正比,故可采用包络检波
      • AM频谱由频谱分量、上边带和下边带组成
      • 带宽是基带信号带宽的俩倍
      • AM信号的总功率包括载波功率和边带功率俩部分, 只有边带功率才与调制信号有关
      • 调制效率(功率利用率)
      • 调幅系数m
        • 反应基带信号改变载波幅度的程度
        • • m<1 正常调幅 m>1 过调幅 m=1 临界状态,满调幅
  • 双边带调制(DSB)
    • 在AM调制模型中, 去掉直流A
    • 表达式
    • 条件
    • DSB的波形和频谱
      • 波形
      • 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,不能采用包络检波,需相干解调
      • 不存在载频分量,调制效率100%
      • 带宽是调制信号的俩倍
      • 主要作为SSB和VSB的技术基础
  • 单边带调制(SSB)
    • 将双边带信号中的 一个边带滤掉形成
    • 滤波法
      • 原理
        • 先形成DSB信号,边带滤波得上或下边带信号
      • 要求(技术难点之一)
        • 滤波器在载频处具有陡峭得截止特性
    • 相移法
      • 表达式
      • 传递函数
      • 要求(技术难点)
        • 传递函数对m(t)的所有频率分量精确相移
    • SSB信号的特点
      • 频带利用率高,传输带宽为AM/DSB的一半
      • 低功耗,不需要传送载波和另一个边带
      • 设备复杂,需要相干解调
  • 残留边带调制(VSB)
    • 介于SSB与DSB之间
    • VSB信号的产生
      • 滤波器应在载频俩边具有互补对称(奇对称)特性
    • VSB信号的解调
    • VSB信号的特点
      • VSB既克服了DSB信号占用频带宽的缺点, 又解决了SSB信号实现上的难题
      • 调制效率100%;带宽介于SSB与DSB之间
      • 广泛用于电视广播系统中的图像信号传输
  • 线性调制的一般模型
    • 滤波法
    • 相移法
  • 相干解调与包络检波
    • 相干解调 (也称同步检波)
      • 思路
        • 将已调信号的频谱搬回原基带处
      • 适用
        • AM、DSB、SSB、VSB
      • 特点
        • 无门限效应
      • 要求
        • 载波同步
    • 包络检波
      • 思路
        • 检出信号的包络
      • 适用
        • AM信号
      • 优势
        • 简单,无需载波同步
      • 要求
    • 插入载波包络检波法
      • 原理
        • 将信号插入恢复载波,使之成为或近似 为AM信号,然后用包络检波器恢复
      • 要求
        • 插入载波振幅远大于信号振幅
        • 插入载波与调制载波同频同相
• 5.2线性调制系统的抗噪声性能
  • 分析模型
    • • 窄带高斯白噪声
    • 性能指标
      • 输入/输出信噪比
      • 制度增益
  • DSB调制系统的性能
    • 信号
      • 输入
      • 输出
    • 噪声
      • 输入
      • 输出
    • 制度增益
      • 原因
        • 采用相干解调,使输入噪声中的 一个正交分量被消除从而使信 噪比改善1倍
  • SSB调制系统的性能
    • 信号
      • 输入
      • 输出
    • 噪声
      • 输入
      • 输出
    • 制度增益
      • 原因
        • 相干解调抑制信号和噪声的正交分量
      • 特别注意
        • 在相同输入信号功率下,DSB与SSB的输出信噪比相等
        • 俩者的抗噪声性能相同
        • 但SSB所需带宽仅是DSB的1/2,因此SSB得到普遍应用
  • AM包络检波的性能
    • 输入
      • 信号
      • 噪声
    • 大信噪比时
      • 输出
      • 制度增益
        • 在大信噪比条件下,AM信号相干解调的制度增益G与包络检波性能几乎一样 但相干解调时的G不受信号与噪声相对幅度假设条件的限制
    • 小信噪比时
      • 门限效应
        • 定义
          • 输出信噪比不是按比例随着输入信噪比下降,而是急剧恶化
        • 原因
          • 包络检波器的非线性解调作用所引起的
• 5.3非线性调制(角度调制)原理
  • 角度调制的基本概念
    • 角调信号一般表达式
      • PM
      • FM
    • PM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
        • 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
      • 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
  • 窄带调频(NBFM)
    • 最大瞬时相位偏移满足
  • 宽带调频(WBFM)
    • 单音调频FM
      • 调频指数
        • 最大相位偏移
    • FM信号的频谱与带宽
      • FM频域表达式
      • FM带宽
        • 窄带调频
        • 宽带调频
    • FM信号的功率分配
      • • 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有关
    • FM的特点、优势、应用
      • 特点
        • 包络恒定
        • 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
      • 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
      • 应用
        • 要求高质量或信道噪声大的场合
          • 例如:调频广播,移动通信等
  • 调频信号的产生与解调
    • 调频信号的产生
      • 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
      • 间接法
        • 原理
        • 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
    • 调频信号的解调
      • 非相干解调
        • 鉴频器
        • 思路
          • 产生一个与输入调频信号的频率呈线性关系的输入电压
      • 相干解调
        • 仅使用NBFM
• 5.4调频系统的抗噪声性能
  • 输入信噪比
  • 大信噪比时的解调增益
    • FM系统可通过增加传输带宽来改善抗噪声性能
    • 以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的
  • 小信噪比时的门限效应
    • 当输入信噪比低于门限值时,鉴频器也会出现门限效应.
    • 门限效应是所有非相干解调器都存在的一种特性;而相干解调器不存在门限效应
  • 预加重和去加重
    • 预加重
      • 人为提升调制信号的高频分量
    • 去加重
      • 将调制信号高频端的噪声衰减,同时把调制信号高频分量的幅度恢复到它的初始值
• 5.5各种模拟调制系统的比较
  • 性能比较
  • 特点与应用
    • AM
      • 优点
        • 接收设备简单
      • 缺点
        • 功率利用率低,抗干扰能力差
      • 应用
        • 中波和短波调幅广播
    • DSB
      • 优点
        • 功率利用率高,带宽与AM相同
      • 缺点
        • 接收要求同步解调,设备较复杂
      • 应用
        • 调频立体声中的差信号调制
    • SSB
      • 优点
        • 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
        • 带宽只有AM的一半
      • 缺点
        • 收发设备都复杂
      • 应用
        • 频分多路复用系统
    • VSB
      • 优点
        • 抗噪声性能和频带利用率与SSB相当
      • 应用
        • 电视广播等系统
    • FM
      • 优点
        • 抗干扰能力强
      • 缺点
        • 频带利用率低,存在门限效应
      • 应用
        • 长距离高质量通信系统
• 5.6频分复用
  • 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
    • 频分复用(FDM)
    • 时分复用(TDM)
    • 空分复用(SDM)
    • 码分复用(CDM)
  • 频分复用
    • 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
    • 利用调制技术将各路信号调制到不同载频上,使各路信号的频谱搬移到各自的子通道内,合成后送入信道传输.在接收端,采用一系列不同中心频率的带通滤波器分离出各路已调信号,解调后恢复各路相应的基带信号