通信原理(3)——调制
Ⅰ. 绪论
调制:把消息信号寄托到载波的某个参数上,形成已调信号。
解调:调制的逆过程,从已调信号中恢复消息信号。
一、调制的目的
- 无线通信中,匹配信道特性,提高发射信号的频率,减小天线尺寸;
- 频谱搬移,一条信道中同时传输多路信号,多路复用,提高信道利用率;
- 扩展信号带宽,提高系统抗干扰能力;
- 实现带宽与信噪比的互换(有效性和可靠性);
- 利用电话线将PC机接入Internet,需要翻译模/数信号。
二、调制的分类
1. 涉及的信号:
- 消息信号,又称调制信号、基带信号;
- 载波:运载工具,常用的是正弦波、脉冲序列;
- 已调信号:受调载波,载有消息信号的信息,具有多种形式。
2. 可以从不同角度分类:
- 按调制信号的类型:模拟调制/数字调制
- 按已调信号的频谱结构:线性调制/非线性调制
- 按正弦载波的受调参量:幅度调制/频率调制/相位调制
- 按载波信号的类型:连续波调制/脉冲调制
Ⅱ. 幅度调制
一、一般模型
1. 理论基础:傅里叶变换
2. 一般模型
幅度调制:消息信号控制正弦载波的幅度。
方法:用消息信号通过相乘器乘上载波信号,再通过带通滤波器(时域卷积滤波器特性)。
举例:AM、DSB、SSB、VSB。
二、常规双边带调幅AM
t 域:已调信号的波形,调制/解调方法
f 域:已调信号的频谱,带宽B
- AM信号的包络正比于消息信号的规律,因此可以采用简单的**包络检波方法(非相干解调)**解调;
- 频谱由载波、上边带USB、下边带LSB组成。带宽BAM=2fH;
- 幅度调制又称为线性调制;
- 应用:中短波调幅广播。
- 缺点:功率利用率低,最多达到50%
三、抑制载波双边带DSB
- 频谱由上边带USB、下边带LSB组成,没有了载波分量。带宽BDSB=BAM=2fH;
- 调制效率可达100%。
- 采用相干解调:
- 方法:用消息信号通过想乘器乘上相干载波信号,再通过低通滤波器(时域卷积滤波器特性)。
- 要求:载波同步(相干载波和载波信号同频同相)
四、单边带调制SSB
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只传输一个边带,频带利用率高。带宽BSSB=BAM/2=fH;
在频谱拥挤的通信场合,如短波通信、多路载波电话系统。
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低功耗特性。使用于移动通信系统。
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缺点:设备复杂,存在技术难点,需要相干解调。
五、残留边带调制VSB
- 残留边带滤波器特性:在载频处具有互补对称特性;
- 介于单边带与双边带之间的方案。
Ⅲ. 角度调制
正弦载波有三个参量:幅度、频率、相位。都可以携带消息信号。
其中,频率(FM)和相位(PM)都称为角度调制。
频率调制(FM)
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幅度恒定,对瞬时相位对t求微分,得到瞬时角频率。
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调频的频谱由载频分量wc两侧的无数多对边频wc±nwm组成,其幅度取决于mf;
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理论上,调频的带宽无穷大;
实际中,用卡森公式计算FM带宽:BFM=2(mf+1)fm。fm为调制信号的最高频率
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FM调制为非线性调制。FM解调也称鉴频 ,采用微分电路+包络检波实现。
FM的特点和应用
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特点:幅度不变,包络恒定。
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优势:抗噪能力强;
代价:占用较大信道带宽,频谱利用率低;
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应用:高质量或信道噪声大的场合。如卫星通信、移动通信、微波通信等。
Ⅳ. 抗噪声性能
性能指标:输出信噪比、制度增益
输入信噪比:Ni=n0B。n0是噪声的单边功率谱密度,B=2fH是带宽,是基带带宽的2倍。
AM DSB SSB VSB(幅度调制)
- 相干解调器:线性解调,信号和噪声可以分开处理。
- 双边带和单边带调制的抗噪声性能相同。
- 小信噪比时,信号被干扰为噪声,产生门限效应。原因是包络检波的非线性解调作用。
- 信噪比固定。
FM(角度调制)
FM系统可以通过增加传输带宽来改善抗噪声性能(信噪比)。
总结
- 频谱利用率 SSB>VSB>DSB/AM>FM
- 抗噪声性能:FM>DSB/SSB>VSB>AM
- 设备复杂度:AM最简,DSB/FM次之,SSB最复杂