通元第二章

nullnull第3章 模拟调制系统 3.1 概述 3.2 线性调制 3.3 非线性调制 3.4 小结模拟通信的一般模型*3.1 概述模拟通信的一般模型　问题： 什么是调制？ 为什么要对信号进行调制？null大量的传输信号是频带信号，比如长途与无线通信中的传输信号。基带信号或低通信号频带信号或带通信号主要能量或功率集中在零频率附近；主要能量或功率集中在频率fc附近, fc>>0null归一化功率：null 调制：就是用待传送的基带信号去控制某个高频信号的幅度、频率、相位等参量变化的过程，即用一个信号去装载(携带/运输)另一信号。 这里的控制信号称为调制信号（modulating signal），被控制信号称为载波（是个确知信号），输出信号又称为已调信号(modulated signal)。null调制的目的： 将基带信号变换成适合在信道中传输 的已调信号，便于信号的发送和接收 实现信道的多路复用 扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗 衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之 间的互换。 null 以无线电广播的中波波段为例：可用波段范围为530KHz~1600KHz，而语音信号的频率范围为300～3400Hz。530KHz1600KHz这样中波波段中就可以均匀分布多个电台!!! 上述即为频分复用，它是通过采用不同载波频率的调制完成的。只传输一路信号。浪费！！null调制的分类 按调制信号的特征不同：模拟调制和数字调制按调制信号控制载波信号参数的不同 幅度调制—用调制信号改变载波的幅度；AM、DSB、SSB、VSB 频率调制—用调制信号改变载波的频率；FM 相位调制—用调制信号改变载波的相位；PM 连续波调制—载波为连续波，如余弦波 脉冲调制—载波为脉冲，如周期性矩形脉冲序列按载波信号不同 null按调制器的频谱特性对调制信号的影响分： 线性调制—已调信号的频谱是调制信号的频谱 沿频率轴平移的结果；AM、DSB、SSB、VSB 非线性调制—增加了新的频率成分；PM、FM这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。3.2 线性调制3.2 线性调制线性（幅度）调制是用调制信号去控制载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化。即:在高频载波瞬时幅度的变化中包含有信息一般模型可等效为：m(t)数学表达式加滤波器的目的：为了得到不同的调制信号。null常规调幅（Amplitude Modulation AM） 在AM调制中，调制信号含直流分量，它可表示为直流分量A0与交流分量m(t)之和，即 根据定义，常规调幅波的时域表示式为null 由波形可以看出，当满足条件： |m(t)|  A0 |m’(t)|  1 1+ m’(t)>0 时，其包络与调制信号波形相同，因此用包 络检波法很容易恢复出原始调制信号。+1=×=null产生过调幅的波形如果|m (t)| >1 1+m(t)中有小于0的成分，会有什么结果？这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波。 因此，振幅调制必须满足 |m(t)|  1，此时可用包络检波，反之产生过调幅现象.null实际系统中，m通常取30%~60%之间调幅度（调幅指数）：|m(t)|的最大值称为调幅度m。null*所对应的频域表示式为频域分析 滤波器特性H(w)使SAM(w) 的频谱密度无失真地全部通过。null频谱图 由频谱可以看出 AM信号的频谱由 载频分量 上边带 下边带 三部分组成。 上边带的频谱结构 与原调制信号的频 谱结构相同，下边 带是上边带的镜像。 正半轴上信号能量或功率所占的频率范围null功率与调制效率AM信号的功率null调制效率：含信息的边带功率与总功率之比载波功率 边带功率 只有边带功率才与调制信号有关。null例题若m’(t)为幅度为Am的单频余弦信号，AM调制，调幅度为1，求此时的调制效率。 若m’(t)为幅度为Am的方波信号， AM调制，调幅度为1 ，求此时的调制效率。结论： 调制效率不仅与调幅指数有关，还与基 带信号波形有关。null*AM信号的解调（接收）：相干解调 和非相干解调（包络检波法）常用的晶体二极管包络检波器：null相干解调：要求本地载波和发送载波必须相干或同步（即同频同相），相干解调也叫做同步解调null输入信号 与本地载波 相乘 低通滤波器滤除2ω0频率分量   相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位的条件得不到满足，则会破坏原始信号的恢复。 nullAM调制方式在传输信息的过程中： 优点是解调电路简单，可采用包络检波法。 缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪费掉。如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式 抑制载波的双边带调幅（DSB-SC） null3.2.2 双边带(DSB)调制在振幅调制(AM)中，若m(t)没有直流分量，即可输出DSB信号。null由DSB的时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调（同步检波）。 由频谱图可知，DSB信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍。 DSB 信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此只需要传输其中一个边带即可。nullDSB信号的功率和调制效率 功率： DSB信号的功率只有携带信息的边带功率，是调制信号功率的一半 ，即 调制效率：100％null优点：节省了载波功率，调制效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现 。 缺点：频谱中包含两个含有相同的信息边带。不能用包络检波，需用相干解调。接收机需要有专门的载波同步电路，较复杂。coswctnull经低通滤波器滤除高频分量，得到 解调时所使用的载波与调制载波同频同相，因此称为相干载波，相应的解调方式称为相干解调。null例 设本地载波信号与发送载波的频率误差和相位误差分别为和，试分析对解调结果的影响null 为了讨论方便，分别设以下两种特殊情况。 （1）设△＝0，△≠0时，解调输出为 （2）设 △ ≠0，△ ＝0 时，解调输出为 null结果说明： （1）只有相位误差时，输出幅度减小，不产生失真。 （2）只有频率误差时，m(t)随着cos(Δωt) 线性变化，出现失真。产生时变衰减，当传输语音时，表现为语音强度随t作缓慢的周期性变化。为了得到满意的结果，一般令|Δf|<20Hz。 。 所以，尽可能地使收发载波信号同频同相。null前情回顾结论：已调信号的振幅包络直接反映了消息信号的变化规律常规调幅波的时域表示式为结论：已调信号的振幅包络直接反映了消息信号的变化规律常规调幅（Amplitude Modulation AM）null所对应的频域表示式为频域分析 null功率与调制效率功率null物理意义：已调信号总功率中用于传输信息的信号所占的功率的比例调制效率(Modulation efficiency)*null若m’(t)为幅度为Am的单频余弦信号，AM调制，调幅度为1，求此时的调制效率。若m(t)为幅度为Am的单频余弦信号，AM调制，调幅度为1，求此时的调制效率。nullAM调制方式在传输信息的过程中： 优点是解调电路简单，可采用包络检波法。 缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但 却占据了大部分功率，白白浪费掉。如果抑制 载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式， 即抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）。 nullnull在振幅调制(AM)中，若m(t)没有直流分量，即可输出DSB信号。由DSB的时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调（同步检波）。null相干解调：要求本地载波和发送载波必须相干或同步（即同频同相），相干解调也叫做同步解调。接收机需要有专门的载波恢复电路，较复杂。null 由频谱图可知，DSB信号节省了载波分量，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍。 DSB信号的功率只有 携带信息的边带功率，是调制信号功率的一半，调制效率：100％null 双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M()的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。3.2.3 单边带调制(SSB)产生SSB信号的方法有两种： 滤波法和相移法。 3.2.3 单边带调制(SSB)SSB的滤波法模型null滤波器特性nullSSB信号的带宽和基带信号带宽一样： SSB信号的功率： 调制效率： 100％ 它们都携带了调制信号的全部信息。null 滤波特性很难做到具有陡峭的截止特性。 实际的滤波器从通带到阻带总有一个过渡带Δf ，因此要求双边带的上、下边带之间有一定的频率间隔ΔB，只有Δf ≤ΔB时，滤波方可实现。null 单边带滤波器的归一化过渡带：（反映滤波器衰减特性的陡峭程度） fc越高，Δf 也越高，ΔB加宽，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制null 可以采用多级（一般采用两级）DSB调制及多级单边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行DSB调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。null按图3-13，设调制信号的最低频率为fL，第一级调制后上、下边带的间隔B1=2fL，第一级滤波后得到上边带信号。通常fc1>>fL；这样第二级调制后上、下边带的间隔为 此时的频率间隔取决于载频fc1 ；通常fc2是指定的，合理地选择fc1 、1及2便可 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 出合适的单边带信号调制器。null例：用单边带方式传输模拟电话信号。设载频为12MHz，电话信号的频带为300Hz～3400Hz；滤波器归一化值为10-3 。试设计滤波器的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。解：滤波器不可实现，需采用多级调制单级滤波法：上下边带间隔：取 ，过渡带相对于载频的归一化值：null二级滤波法： 取二级滤波器的归一化值两级滤波器均可实现。null滤波法的基本要求： 调制信号的低频分量不能太低。如果调制信号的低频分量接近零频呢？null 设单频调制信号为 载波为 则DSB信号的时域表示式为 若保留上边带，则有 若保留下边带，则有用相移法形成单边带信号null将上两式合并： 式中，“－”表示上边带信号，“+”表示下边带 信号。 希尔伯特变换：上式中Amsinmt可以看作 是Amcosmt 相移-/2的结果。把这一相移 程称为希尔伯特变换，记为“ ^ ”，则有 这样，上式可以改写为 null Hilbert滤波器实质上是一个宽带相移网络，幅度不变，所有频率分量均相移/2。null单边带信号只能用相干解调 相干解调的框图如图所示，解调器由乘法器和低通滤波器组成。 单边带信号相干解调的基本模型null单边带信号的时域表达式为 乘上相干载波后得 经低通滤波器后的解调输出为null从频域来看解调过程。 若 z(t) =x(t) y(t)，则有 Z()=X()Y()/2π 单边带信号解调时， 用载波cos0t 和接收信号 相乘，相当于 在频域中载波频谱和信号 频谱相卷积。null不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fm=BDSB/2。  SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。 对滤波器特性要求严格, 由于理想滤波器不可能实现，所以要求调制信号的低频分量不能太低SSB信号的特点：null3.2.4 残留边带调制（VSB） 残留边带（VSB）调制是介于单边带调制与双边带调 制之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带 宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。 在残留边带调制中，除了传送一个边带外，还保留了 另外一个边带的一部分。对于具有低频及直流分量的调 制信号，用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带无 限陡的理想滤波器，在残留边带调制中已不再需要，这 就避免了实现上的困难。null调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法SBB调制器相同。 不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。null对残留边带滤波器特性的要求 由滤波法可知，残留边带信号的频谱为 为了确定上式中残留边带滤波器传输特性H()应满足的条件，我们来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信号的。 nullVSB信号解调器方框图 图中 因为 根据频域卷积定理可知，乘积sp(t)对应的频 谱为null将 代入 得到 式中M( + 2c)及M( - 2c)是搬移到+ 2c和 -2c处的频谱，它们可以由解调器中的低通 滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为null 显然，为了保证相干解调的输出无失真 地恢复调制信号m(t)，上式中的传递函数 必须满足： 式中，H － 调制信号的截止角频率。 上述条件的含义是：残留边带滤波器的特 性H()在c处必须具有互补对称（奇对 称）特性, 相干解调时才能无失真地从残 留边带信号中恢复所需的调制信号。 null残留边带滤波器特性的两种形式 残留“部分上边带”的滤波器特性：下图(a) 残留“部分下边带”的滤波器特性 ：下图(b)null 以残留上边带的滤波器为例，它是一个低通滤波器。这个滤波器将使上边带小部分残留，而使下边带通过。将HVSB() 进行 ±0 的频移，分别得到HVSB( +0) 和HVSB( −0)。将两者相加，其结果在 H 范围内应为常数。图 3– 20 残留边带调制的工作原理图 3– 20 残留边带调制的工作原理只要残留边带滤波器的特性在±0 处具有互补对称（奇对称）特性，那么，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号。null优点：带宽几乎与单边带系统相同。对于低频分量很丰富的信号，采用残留边带调幅是一种好的办法。残留边带滤波器比要求具有陡峭截止特性的单边带滤波器简单得多。它综合了单边带和双边带的优点，克服了它们的缺点。 DSB、 SSB和VSB信号的频谱DSB、 SSB和VSB信号的频谱nullAM DSB SSB VSB