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.

线性调制

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
sm(t)=Am(t)cosωct s_m(t)=Am(t)\cos\omega_ct
而对于频域上来说,调制信号的频谱
Sm(ω)=A2[M(ωωc)+M(ω+ωc)] 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.

线性调制

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
sAM(t)=(A0+m(t))cos(ωct) s_{AM}(t)=(A_0+m(t))\cos(\omega_c t)
线性调制

由于在叠加直流分量后,m(t)应为直流信号,所以要求
max{m(t)}A0 max\left\{ |m(t)| \right\} \leq A_0
调制后频域变为
SAM(ω)=πA0[δ(ωωc)+δ(ω+ωc)]+12[M(ωωc)+M(ω+ωc)] S_{AM}(\omega)=\pi A_0[\delta(\omega-\omega_c)+\delta(\omega+\omega_c)]+\frac12 [M(\omega-\omega_c)+M(\omega+\omega_c)]
线性调制

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
BAM=2fH B_{AM}=2f_H
已调信号的平均功率
PAM=A022+m2(t)ˉ2=Pc+Ps 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
ηAM=PsPAM \eta_{AM}=\frac {P_s}{P_{AM}}
当调制信号为单音正弦信号(AmcosωmtA_m\cos\omega_mt)时
ηAM=Am22A02+Am2 \eta_{AM}=\frac{A^2_m}{2A^2_0+A^2_m}
当且仅当A0=AmA_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
sDSB(t)=m(t)cosωct s_{DSB}(t)=m(t)\cos \omega_c t
频域表达
SDSB(ω)=12[M(ωωc)+M(ω+ωc)] S_{DSB}(\omega)=\frac 12[M(\omega-\omega_c)+M(\omega+\omega_c)]
线性调制

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).

线性调制

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.

线性调制

相移法

线性调制

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.

线性调制

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2ωc2\omega_c处频谱密度恒定.

线性调制

证明如下:

根据VSB调制过程可知,未经LPF信号s(t)
s(t)=sVSB(t)2cosωct s(t)=s_{VSB}(t)\cdot 2\cos \omega_ct
经Fourier变换有
KaTeX parse error: No such environment: align at position 8: \begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲ S(\omega)&=\fr…
设LPF频率响应为H(ω)H(\omega),经滤波器后
Sm(ω)=H(ω)[SVSB(ω+ωc)+SVSB(ωωc)] S_m(\omega)=H(\omega)[S_{VSB}(\omega+\omega_c)+S_{VSB}(\omega-\omega_c)]
在接受端解调
R(t)=sm(t)2cosωct 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)=SVSB(ω)[H(ω+ωc)+H(ωωc)] 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+ωc)+H(ωωc)=Constant 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.

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)=Acm(t)cos(2πfct+ϕc) 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
yo(t)=Ac2m(t)cos(ϕcϕ) 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ϕc\phi_c与恢复载波相位ϕ\phi的相位差Δϕ\Delta \phi

  1. Δϕ=π2\Delta \phi= \frac{\pi}{2}时,$\cos(\phi_c-\phi) =0 $,则输出信号的功率为0
  2. Δϕ=0\Delta \phi= 0时,$\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(ωt+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

线性调制

在理想状态下,包络检波器的输出为
yo(t)=g1+g2m(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

线性调制

sm(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sm(t)s_m(t),噪声为再带高斯白噪声ni(t)n_i(t).解调器输出信号为mo(t)m_o(t),噪声为no(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
SoNo=mo2(t)no2(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sm(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n0n_0,则解调器的输入噪声功率
Ni=n0B 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=So/NoSi/Ni 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:14m2(t)\frac 14 \overline{m^2(t)}
输出噪声功率:14n0B\frac 14 n_0B
输出信噪比:
SoNo=m2(t)n0B \frac {S_o}{N_o}=\frac{\overline{m^2(t)}}{n_0B}
输入信噪比:
SiNi=12m2(t)n0B \frac{S_i}{N_i}=\frac{\frac 12 \overline{m^2(t)}}{n_0B}
制度增益 G=2G=2

具体计算流程:

设调制信号为m(t)cos2πfctm(t)cos 2\pi f_ct,在相干解调中可知,输出信号表达式为
mo(t)=12m(t) m_o (t) =\frac 12 m(t)
因此输出功率So=14m(t)2S_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
ni(t)=nc(t)cos2πfctns(t)sin2πfct 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
12nc(t)+12nc(t)cos2π2fct12ns(t)sin2π2fct \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no(t)=12nc(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
No=14nc(t)2=14n0B N_o=\frac 14 \overline{n_c(t)}^2=\frac 14n_0B
综上输出信噪比
SoNo=m(t)2n0B \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
SiNi=12m(t)2n0B \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:14m2(t)\frac 14 \overline{m^2(t)}
输出噪声平均功率:14n0B\frac 14 n_0B
输出信噪比:
SoNo=m2(t)4n0B \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m^2(t)}}{4n_0B}
输入信噪比:
SiNi=m2(t)4n0B \frac{S_i}{N_i}=\frac{\overline{m^2(t)}}{4n_0B}
因此制度增益G=1G=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)=[A0+m(t)+nc(t)]2+ns2(t)E(t) = \sqrt{[A_0+m(t)+n_c(t)]^2+n_s^2(t)}
输入信号平均功率:Si=A022+m2(t)2S_i = \frac{A_0^2}{2} + \frac{\overline{m^2(t)}}{2}
输入噪声平均功率:Ni=n0BN_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
    [A0+m(t)]nc2(t)+ns2(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:So=m2(t)S_o=\overline{m^2(t)}

    输出噪声功率:No=n0BN_o=n_0B

    输出信噪比
    SoNo=m2(t)n0B \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m^2(t)}}{n_0B}
    制度增益
    GAM=2m2(t)A02+m2(t) G_{AM}=\frac{2\overline{m^2(t)}}{A_0^2+m^2(t)}
    A0=m(t)maxA_0= |m(t)|_{max}时,调制制度增益最大,为23\frac23

  2. 小信噪比
    [A0+m(t)]nc2(t)+ns2(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)+[A0+m(t)]cosθ(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:No=n0BN_o=n_0B

输出信噪比
SoNo=m2(t)n0B \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m^2(t)}}{n_0B}
制度增益
GAM=2m2(t)A02+m2(t) G_{AM}=\frac{2\overline{m^2(t)}}{A_0^2+m^2(t)}
A0=m(t)maxA_0= |m(t)|_{max}时,调制制度增益最大,为23\frac23

  1. 小信噪比
    [A0+m(t)]nc2(t)+ns2(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)+[A0+m(t)]cosθ(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 ↩︎