第五章模拟调制系统

作者: d24b5d9a8312 | 来源:发表于2019-08-20 16:56 被阅读0次

调制简介—定义目的
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）

调制定义

把信号形式转换成适合在信道中传输的一种过程。

载波调制

用调制信号控制载波参数，是载波的某一个或者某几个参数按照调制的规律变化。

调制作用目的

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。

幅度调制（线性调制）原理

幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。

载波

幅度调制信号
$s_m(t)=Am(t)cos\omega_ct$
设调制信号m(t)的频谱 $M(\omega)$
$S_m(\omega)=\frac{A}{2}[M(\omega+\omega_c)+M(\omega-\omega_c)]$
由上述公式可见，在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信号的规律而呈正比的变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号的频谱在频域内的简单搬移。

5.1.1调幅

标准调幅是双边带调制 AM Amplitude Modulation
调制信号 $m(t)$ 的平均值为0，将其叠加一个直流偏量 $A_0$ 后与载波相乘得到调幅信号。
$S_AM(t)=[A_0+m(t)]cos\omega_ct$

AM信号的特点

1、 $|m(t)|_max \leq A_0$ 时，AM波的包络正比于调制信号m(t)，故可采用包络检波;否则出现“过调幅”现象，包络检波失真，相干解调。
2、AM的频谱由载频分量、上边带和下边带组成。
3、AM传输带宽是调制信号带宽的两倍，即 $B_AM=2f_H$
4、AM的优势在于接收机简单，广泛用于中短调幅广播。

AM信号的缺点

AM信号功率 $P_{AM}=\frac{A^2_0}{2}+\frac{ \overline{m^2(t)} }{2}=P_c+P_s$
$P_c$ 为载波功率， $P_s$ 为边带功率

调制效率：有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率比例（较低）
$\eta_{AM}= \frac {P_s}{P_{AM}}=\frac{\overline{m^2(t)}}{A_0^2+\overline{m^2(t)}}$

5.1.2双边带调制（DSB-SC）

抑制载波双边带信号将AM调制模型 $A_0$ 去掉，时域表达式 $s_{DSB}(t)=m(t)cos\omega_ct$
DSB频谱与AM相近，只是没有在 $±\omega$ 处的载波分量
$S_{DSB}(\omega)=\frac {1}{2}[M(\omega+\omega_c)+M(\omega-\omega_c)]$

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，故不能采用包络检波，需相干解调。
无载频分量，只有上、下边带。
带宽与AM的相同： $B_{DSB}=B_{AM}=2f_H$
调制效率100%，即功率利用率高。
主要用作SSB、VSB的技术基础，调频立体声中的差信号调制等。

5.1.3单边带调制SSB

双边带信号一个边带滤除：滤波法、相移法。

滤波法

原理：先行成DSB信号，边带滤波形成上边带和下边带信号。要求滤波器在载频处有陡峭截止特性。

相移法

SSB信号的特点

频带利用率高，其传输带宽仅为AM的一半，低功耗，不需要载波和另一个边带。设备复杂存在技术难点，需要相干解调。

5.1.4残留边带调制VSB

介于SSB与DSB折中方式，即克服了DSB信号的占用频带的缺点，又解决了SSB信号实现的困难。
残留边带滤波器的特性 $H(\omega)$ 在 $±\omega$ 处必须具有互补对称特性，相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复调制信号。

VSB所需带宽仅比SSB增加一点，却换来了电路简单。

相干解调与包络检波

相干解调

接收端必须提供一个与接收的已调信号载波严格同步（同频同相）的本地载波，它与接收到的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即原始调制信号。

包络检测

$|m(t)|_{max}\leq A_0$

插入载波包络检波法

插入很强载波，使之称为AM信号，则可用包络检波器恢复信号。

5.2线性调制系统的抗噪声性能

制度增益：输出信噪比和输入信噪比的比值

5.2.2DSB调制系统性能

DSB相干解调抗噪声性能分析模型

$G_{DSB}=2$
DSB信号使信噪比改善一倍。相干解调使输入噪声中的一个正交分量 $n_s(t)$ 被消除。

5.2.3SSB调制系统的性能

$G_{SSB}=1$
相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制，故信噪比没有改善。

5.2.4AM保罗检波的性能

大信噪比情况输入信号幅度远大于噪声幅度

$G_{AM}=\frac{2}{3}$

小信噪比情况

输出信噪比低于门限值时，信号被扰乱成噪声，导致输出信噪比急剧恶化--门限效应。有包络检波器的非线性解调作用引起。

5.3角度调制原理

FM频率调制 PM相位调制

5.3.1角度调制的基本概念

一般表达式
$s_m(t)=Acos[\omega_c t + \phi(t)]$

载波恒定振幅 $A$
信号瞬时相位 $\theta(t)=\omega_c t + \phi(t)$
相对于载波相位 $\omega_c t$ 的瞬时相位偏移 $\phi(t)$
信号瞬时角频率 $\omega_c(t)=d[\omega_c t + \phi(t)]/dt$
相对于载频 $\omega_c$ 的瞬时频偏 $d\phi(t)/dt$

PM指瞬时相位偏移随调制信号m(t)作线性变化，即
$\phi(t)=K_pm(t)$ $K_p$ 为相位灵敏度 $rad/V$
$s_{PM}(t)=Acos[\omega_c(t)+K_pm(t)]$

FM指瞬时频率偏移随调制信号m(t)成比例变化，即
$d\phi(t)/dt=K_fm(t)$ $K_f$ 为调频灵敏度 $rad/(s\cdot V)$
此时相位偏移 $\phi(t)=K_f\int m(t)dt$
$s_{FM}(t)=Acos[\omega_c(t)+K_f\int m(t)dt]$

单音调制FM与PM

设调制信号为单一频率正弦波
$m(t)=A_mcos\omega_mt=A_mcos2\pi f_mt$
$s_{PM}(t)=Acos[\omega_c(t)+K_pA_mcos\omega_mt]$
调相指数(最大相位偏移) $m_p=K_pA_m$

$s_{FM}(t)=Acos[\omega_c(t)+K_f A_m\int cos\omega_mtdt]=Acos[\omega_ct+m_fsin\omega_mt]$
调频指数(最大相位偏移) $m_f=\frac{K_fA_m}{\omega_m}=\frac{\Delta\omega}{\omega_m}=\frac{\Delta f}{f_m}$
最大角频偏 $\Delta\omega=K_fA_m$
最大频偏 $\Delta f=m_f\cdot f_m$

不知m(t)形式，不能判断已调信号时PM还是FM

窄带调频、宽带调频

调频信号带宽

调频信号将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。

5.3.4调频信号的产生与解调

直接调频

VCO压控振荡器振荡频率正比与控制电压。
锁相环PLL:晶振 PD相位检测器 LF环路滤波器 VCO

间接调频

积分 ⤑ 调相(NBFM) ⤑ n次倍频 ⤑ WBFM

非相干解调

鉴频器：频率-电压转换鉴频灵敏度 $K_d (V/(rad/s))$

微分器：把调频波变成幅度和频率都随调制信号变化的调幅调频波。
包络检波器：检测幅度变化、滤去直流。
限幅器：消除噪声和其他原因引起的调频波幅度起伏。
带通滤波器BPF：让调频信号顺利通过，滤除带外噪声和高次谐波分量。

相干解调

与线性调制中相干解调一样，要求本地载波与调制载波同步。

5.4调频系统的抗噪声性能

大信噪比的解调增益

$G_{FM}=3m_f^2(m_f+1)$
加大调制指数，改善抗噪声性能，以带宽换取信噪比。

小信噪比

门限效应

降低门限值
预加重：人为地提升调制信号的高频分量，以抵消去加重的影响。
去加重：将调制频率高频端的噪声衰减，时总的噪声功率减少。

5.5 各种模拟调制系统的比较

5.6 频分复用 ( FDM )

复用是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术，其目的是为了充分利用信道的频带或时间资源。
频分复用是一种按频率划分信道的复用方式

第五章 模拟调制系统

调制定义

载波调制

调制作用目的

幅度调制（线性调制）原理

5.1.1调幅

AM信号的特点

AM信号的缺点

5.1.2双边带调制（DSB-SC）

DSB信号的特点

5.1.3单边带调制SSB

滤波法

相移法

SSB信号的特点

5.1.4残留边带调制VSB

相干解调与包络检波

相干解调

包络检测

插入载波包络检波法

5.2线性调制系统的抗噪声性能

5.2.2DSB调制系统性能

5.2.3SSB调制系统的性能

5.2.4AM保罗检波的性能

大信噪比情况 输入信号幅度远大于噪声幅度

小信噪比情况

5.3角度调制原理

5.3.1角度调制的基本概念

单音调制FM与PM

调频信号带宽

5.3.4调频信号的产生与解调

直接调频

间接调频

非相干解调

相干解调

5.4调频系统的抗噪声性能

大信噪比的解调增益

小信噪比

门限效应

5.5 各种模拟调制系统的比较

5.6 频分复用 ( FDM )

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