线性调制

模拟调制

概念

用调制信号取控制载波信号的参数的过程.

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其中m(t)为调制信号,根据调制信号的不同,可分为模拟调制和数字调制.

c(t)为载波信号,通常有连续载波和脉冲载波两种.连续载波又有调幅,调频,调相三种调制方式.

sm(t)为已调信号.根据调制前后,调制信号的频谱是否发生线性变化,可分为线性调制和非线性调制.

幅度调制系统

基本原理

由调制信号控制载波信号的幅度.使载波信号的幅度按调制信号的规律发生变化,所以幅度调制的已调信号一般可以写为
s m ( t ) = A m ( t ) cos ω c t s_m(t)=Am(t)\cos\omega_ct
而对于频域上来说,调制信号的频谱
S m ( ω ) = A 2 [ M ( ω ω c ) + M ( ω + ω c ) ] S_m(\omega)=\frac A2[M(\omega-\omega_c)+M(\omega+\omega_c)]
这样就将难以传输的低频分量搬移到可以远距离传输的高频处,从而使信号变为适合于在信道中传输的信号.

在调制前后,基带信号的频谱只发生了线性变化,因此幅度调制也可以称为线性调制.

AM

标准调幅.将基带信号变为直流信号后进行幅度调制.

叠加直流分量后与载波函数相乘,所得已调信号时域表达为
s A M ( t ) = ( A 0 + m ( t ) ) cos ( ω c t ) s_{AM}(t)=(A_0+m(t))\cos(\omega_c t)
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由于在叠加直流分量后,m(t)应为直流信号,所以要求
m a x { m ( t ) } A 0 max\left\{ |m(t)| \right\} \leq A_0
调制后频域变为
S A M ( ω ) = π A 0 [ δ ( ω ω c ) + δ ( ω + ω c ) ] + 1 2 [ M ( ω ω c ) + M ( ω + ω c ) ] S_{AM}(\omega)=\pi A_0[\delta(\omega-\omega_c)+\delta(\omega+\omega_c)]+\frac12 [M(\omega-\omega_c)+M(\omega+\omega_c)]
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关于调制信号的描述

根据图像不难看出,已调信号的带宽BAM为调制信号带宽fH的两倍
B A M = 2 f H B_{AM}=2f_H
已调信号的平均功率
P A M = A 0 2 2 + m 2 ( t ) ˉ 2 = P c + P s P_{AM}=\frac {A_0^2}2+\frac{\bar{m^2(t)}}2 \\ =P_c+P_s
其中Pc为载波功率,Ps为边带功率.

调制效率
η A M = P s P A M \eta_{AM}=\frac {P_s}{P_{AM}}
当调制信号为单音正弦信号( A m cos ω m t A_m\cos\omega_mt )时
η A M = A m 2 2 A 0 2 + A m 2 \eta_{AM}=\frac{A^2_m}{2A^2_0+A^2_m}
当且仅当 A 0 = A m A_0=A_m ,即满调幅的情况下有最大值,为33.3%

这样调制后,效率有限,而且由于已调信号的带宽增加,也导致传输频率上的浪费.

但在解调仅需要包络检波即可恢复信号,解调实现非常简单.

//链接包络检波

DSB

双边带调制1.与AM相比,不再叠加直流分量,此时已调信号的时域表达
s D S B ( t ) = m ( t ) cos ω c t s_{DSB}(t)=m(t)\cos \omega_c t
频域表达
S D S B ( ω ) = 1 2 [ M ( ω ω c ) + M ( ω + ω c ) ] S_{DSB}(\omega)=\frac 12[M(\omega-\omega_c)+M(\omega+\omega_c)]

较AM相比,DSB由于不再叠加直流分量,使调制效率大大增加.

但相对的在解调时不能使用包络检波,同时调制后频带拓宽仍致使带宽资源浪费.

SSB

单边带调制.由于带限信号的频谱是对称的,因此在理论上,仅发送半个频谱信息就可以复原基带信号.

这样又进一步节约带宽资源,但相应的在制作上要复杂许多.

滤波法

在DSB的基础上通过滤波器,保留上边带(USB)或下边带(LSB).

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实际中滤波器并不具备理想滤波器这样陡峭的边界,滤波器截至特性越好就越贵.

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相移法

VSB

残留边带调制.在适当增加带宽的条件下,优化对SSB中滤波器的要求.

VSB中不再要求严格的截至特性,而是需要具有互补对称性,即相隔 2 ω c 2\omega_c 处频谱密度恒定.

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证明如下:

根据VSB调制过程可知,未经LPF信号s(t)
s ( t ) = s V S B ( t ) 2 cos ω c t s(t)=s_{VSB}(t)\cdot 2\cos \omega_ct
经Fourier变换有
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设LPF频率响应为 H ( ω ) H(\omega) ,经滤波器后
S m ( ω ) = H ( ω ) [ S V S B ( ω + ω c ) + S V S B ( ω ω c ) ] S_m(\omega)=H(\omega)[S_{VSB}(\omega+\omega_c)+S_{VSB}(\omega-\omega_c)]
在接受端解调
R ( t ) = s m ( t ) 2 cos ω c t R(t)=s_m(t) \cdot 2\cos \omega_c t
经Fourier变换有
KaTeX parse error: No such environment: align at position 8: \begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲ R(\omega)&=\fr…
再经低通滤波器后
R ( ω ) = S V S B ( ω ) [ H ( ω + ω c ) + H ( ω ω c ) ] R(\omega)=S_{VSB}(\omega)[H(\omega+\omega_c)+H(\omega-\omega_c)]
因为接收端与发送端信号一致,因此
H ( ω + ω c ) + H ( ω ω c ) = C o n s t a n t H(\omega+\omega_c)+H(\omega-\omega_c) = Constant

解调

相干解调\同步检波

适用于所有线性调制.

相干解调时,为了无失真还原基带信号,接受端必须提供一个与接受的已调信号严格同步的本地载波,它与已调信号相乘后,经过LPF取出低频分量,即可还原基带信号

恢复载波相位对解调影响:

不考虑信道乘性噪声干扰,则对于接受端信号为
s ( t ) = A c m ( t ) cos ( 2 π f c t + ϕ c ) s(t)= A_c m(t) \cos(2\pi f_c t +\phi_c)
假设恢复载波的初相位 ϕ \phi ,则与恢复载波相乘后
KaTeX parse error: No such environment: align at position 8: \begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲ r(t)\cos(2\pi …
再经过LPF
y o ( t ) = A c 2 m ( t ) cos ( ϕ c ϕ ) y_o(t)=\frac{A_c}{2}m(t)\cos(\phi_c-\phi)
因此不难看出,当接受信号相位 ϕ c \phi_c 与恢复载波相位 ϕ \phi 的相位差 Δ ϕ \Delta \phi

  1. Δ ϕ = π 2 \Delta \phi= \frac{\pi}{2} 时,$\cos(\phi_c-\phi) =0 $,则输出信号的功率为0
  2. Δ ϕ = 0 \Delta \phi= 0 时,$\cos(\phi_c-\phi) =1 $,输出原基带信号

包络检波

包络:我们可以将任一平稳窄带高斯随机过程X(t)表示为标准正态振荡的形式
A ( t ) cos ( ω t + ϕ ( t ) ) A(t)\cos(\omega t + \phi(t))
包络即随机过程的振幅随着时间变化的曲线。

首先通过整流器,被整流信号通过LPF即可恢复原基带信号

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在理想状态下,包络检波器的输出为
y o ( t ) = g 1 + g 2 m ( t ) y_o(t)=g_1+g_2m(t)
利用电容隔出直流,仅输出基带信号.

线性系统的抗噪声性能

s m ( t ) s_m(t) 为已调信号, n ( t ) n(t) 为加性高斯白噪声.经过BPF后信号为 s m ( t ) s_m(t) ,噪声为再带高斯白噪声 n i ( t ) n_i(t) .解调器输出信号为 m o ( t ) m_o(t) ,噪声为 n o ( t ) n_o(t) .

Ps:BPF的作用为滤除带外噪声

主要指标

输出信噪比

解调器输出有用信号的平均功率与输出噪声平均功率之比
S o N o = m o 2 ( t ) n o 2 ( t ) \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m_o^2(t)}}{\overline{n_o^2(t)}}
在已调信号平均功率相同,且信道噪声功率谱密度相同的情况下,输出信噪比越高,表示抗噪声性能越好.

对于不同形式的 s m ( t ) s_m(t) 信号,加性噪声基本一致,若BPF带宽为B,噪声单边功率谱密度为 n 0 n_0 ,则解调器的输入噪声功率
N i = n 0 B N_i= n_0 B

信噪比增益

输出信噪比与输入信噪比的比值
G = S o / N o S i / N i G=\frac{S_o / N_o}{S_i / N_i}
用于比较同类调制系统采用不同解调器的性能

DSB调制系统性能

输出信号平均功率: 1 4 m 2 ( t ) \frac 14 \overline{m^2(t)}
输出噪声功率: 1 4 n 0 B \frac 14 n_0B
输出信噪比:
S o N o = m 2 ( t ) n 0 B \frac {S_o}{N_o}=\frac{\overline{m^2(t)}}{n_0B}
输入信噪比:
S i N i = 1 2 m 2 ( t ) n 0 B \frac{S_i}{N_i}=\frac{\frac 12 \overline{m^2(t)}}{n_0B}
制度增益 G = 2 G=2

具体计算流程:

设调制信号为 m ( t ) c o s 2 π f c t m(t)cos 2\pi f_ct ,在相干解调中可知,输出信号表达式为
m o ( t ) = 1 2 m ( t ) m_o (t) =\frac 12 m(t)
因此输出功率 S o = 1 4 m ( t ) 2 S_o = \frac 14 \overline{m(t)}^2

再考虑噪声通过相干解调后的情况:
将窄带噪声以正交分量表示
n i ( t ) = n c ( t ) cos 2 π f c t n s ( t ) sin 2 π f c t n_i(t)=n_c(t)\cos 2\pi f_ct -n_s(t)\sin 2\pi f_c t
与恢复载波相乘后得
1 2 n c ( t ) + 1 2 n c ( t ) cos 2 π 2 f c t 1 2 n s ( t ) sin 2 π 2 f c t \frac 12n_c(t) + \frac 12n_c(t)\cos 2\pi\cdot2f_ct-\frac 12 n_s(t)\sin2\pi\cdot 2f_c t
经过LPF滤除高频分量输出噪声为 n o ( t ) = 1 2 n c ( t ) n_o(t)=\frac 12n_c(t) .由于窄带噪声与其同相分量方差相同,所以输出噪声功率为
N o = 1 4 n c ( t ) 2 = 1 4 n 0 B N_o=\frac 14 \overline{n_c(t)}^2=\frac 14n_0B
综上输出信噪比
S o N o = m ( t ) 2 n 0 B \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m(t)}^2}{n_0B}
在接收端也不难得出接受端信噪比
S i N i = 1 2 m ( t ) 2 n 0 B \frac {S_i}{N_i}=\frac {\frac 12 \overline{m(t)}^2}{n_0B}
所以调制增益G=2

SSB调制系统性能

输出信号平均功率: 1 4 m 2 ( t ) \frac 14 \overline{m^2(t)}
输出噪声平均功率: 1 4 n 0 B \frac 14 n_0B
输出信噪比:
S o N o = m 2 ( t ) 4 n 0 B \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m^2(t)}}{4n_0B}
输入信噪比:
S i N i = m 2 ( t ) 4 n 0 B \frac{S_i}{N_i}=\frac{\overline{m^2(t)}}{4n_0B}
因此制度增益 G = 1 G=1

具体计算流程:

不能单单从制度增益比较两种调制方式,考虑到二者带宽,输入信号功率不同,这样的比较是不合理的.

若在相同条件下比较.二者抗噪能力基本近似

AM调制系统性能

已知输入信号
KaTeX parse error: No such environment: align at position 8: \begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲ s_m(t)+n_i(t) …
其中 E ( t ) = [ A 0 + m ( t ) + n c ( t ) ] 2 + n s 2 ( t ) E(t) = \sqrt{[A_0+m(t)+n_c(t)]^2+n_s^2(t)}
输入信号平均功率: S i = A 0 2 2 + m 2 ( t ) 2 S_i = \frac{A_0^2}{2} + \frac{\overline{m^2(t)}}{2}
输入噪声平均功率: N i = n 0 B N_i = n_0 B

对于输出的包络信号,现考虑输入信噪比的两种情况:

  1. 大信噪比
    [ A 0 + m ( t ) ] n c 2 ( t ) + n s 2 ( t ) [A_0+m(t)] \gg \sqrt{n_c^2(t)+n_s^2(t)}

    计算:

    此时输出信号功率: S o = m 2 ( t ) S_o=\overline{m^2(t)}

    输出噪声功率: N o = n 0 B N_o=n_0B

    输出信噪比
    S o N o = m 2 ( t ) n 0 B \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m^2(t)}}{n_0B}
    制度增益
    G A M = 2 m 2 ( t ) A 0 2 + m 2 ( t ) G_{AM}=\frac{2\overline{m^2(t)}}{A_0^2+m^2(t)}
    A 0 = m ( t ) m a x A_0= |m(t)|_{max} 时,调制制度增益最大,为 2 3 \frac23

  2. 小信噪比
    [ A 0 + m ( t ) ] n c 2 ( t ) + n s 2 ( t ) [A_0+m(t)] \ll \sqrt{n_c^2(t)+n_s^2(t)}
    此时的包络表达式中不再含有单独的信号项
    E ( t ) = R ( t ) + [ A 0 + m ( t ) ] cos θ ( t ) E(t)=R(t)+[A_0+m(t)]\cos \theta(t)
    因此信号被严重干扰,无法解调

输出噪声功率: N o = n 0 B N_o=n_0B

输出信噪比
S o N o = m 2 ( t ) n 0 B \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m^2(t)}}{n_0B}
制度增益
G A M = 2 m 2 ( t ) A 0 2 + m 2 ( t ) G_{AM}=\frac{2\overline{m^2(t)}}{A_0^2+m^2(t)}
A 0 = m ( t ) m a x A_0= |m(t)|_{max} 时,调制制度增益最大,为 2 3 \frac23

  1. 小信噪比
    [ A 0 + m ( t ) ] n c 2 ( t ) + n s 2 ( t ) [A_0+m(t)] \ll \sqrt{n_c^2(t)+n_s^2(t)}
    此时的包络表达式中不再含有单独的信号项
    E ( t ) = R ( t ) + [ A 0 + m ( t ) ] cos θ ( t ) E(t)=R(t)+[A_0+m(t)]\cos \theta(t)
    因此信号被严重干扰,无法解调

    当输入信噪比小于一定程度时,输出信噪比急剧下降,这一现象被称为门限效应,开始出现门限效应的输入信噪比值称为门限值.


  1. SSB全拼double side band ↩︎

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