模拟调制
概念
用调制信号取控制载波信号的参数的过程.
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
s m ( t ) = A m ( t ) cos ω c t
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)]
S m ( ω ) = 2 A [ M ( ω − ω c ) + M ( ω + ω 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)
s A M ( t ) = ( A 0 + m ( t ) ) cos ( ω c t )
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
m a x { ∣ m ( t ) ∣ } ≤ 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)]
S A M ( ω ) = π A 0 [ δ ( ω − ω c ) + δ ( ω + ω c ) ] + 2 1 [ M ( ω − ω c ) + M ( ω + ω c ) ]
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
B A M = 2 f 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
P A M = 2 A 0 2 + 2 m 2 ( t ) ˉ = 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}}
η A M = P A M P s
当调制信号为单音正弦信号(A m cos ω m t A_m\cos\omega_mt A m cos ω m t )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}
η A M = 2 A 0 2 + A m 2 A m 2
当且仅当A 0 = A m 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
s D S B ( t ) = m ( t ) cos ω 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)]
S D S B ( ω ) = 2 1 [ M ( ω − ω c ) + M ( ω + ω 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).
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.
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 2 ω c 处频谱密度恒定.
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
s ( t ) = s V S B ( t ) ⋅ 2 cos ω c t
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) H ( ω ) ,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)]
S m ( ω ) = H ( ω ) [ S V S B ( ω + ω c ) + S V S B ( ω − ω 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
R ( t ) = s m ( t ) ⋅ 2 cos ω 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)]
R ( ω ) = S V S B ( ω ) [ H ( ω + ω c ) + H ( ω − ω 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
H ( ω + ω c ) + H ( ω − ω c ) = C o n s t a n t
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)
s ( t ) = A c m ( t ) cos ( 2 π f c t + ϕ c )
假设恢复载波的初相位ϕ \phi ϕ ,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LPFy o ( t ) = A c 2 m ( t ) cos ( ϕ c − ϕ )
y_o(t)=\frac{A_c}{2}m(t)\cos(\phi_c-\phi)
y o ( t ) = 2 A c m ( t ) cos ( ϕ c − ϕ )
因此不难看出,当接受信号相位ϕ c \phi_c ϕ c 与恢复载波相位ϕ \phi ϕ 的相位差Δ ϕ \Delta \phi Δ ϕ
Δ ϕ = π 2 \Delta \phi= \frac{\pi}{2} Δ ϕ = 2 π 时,$\cos(\phi_c-\phi) =0 $,则输出信号的功率为0
Δ ϕ = 0 \Delta \phi= 0 Δ ϕ = 0 时,$\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))
A ( t ) cos ( ω t + ϕ ( 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
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)
y o ( t ) = g 1 + g 2 m ( 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) s m ( t ) 为已调信号,n ( t ) 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) s m ( t ) ,噪声为再带高斯白噪声n i ( t ) n_i(t) n i ( t ) .解调器输出信号为m o ( t ) m_o(t) m o ( t ) ,噪声为n o ( t ) 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)}}
N o S o = n o 2 ( t ) m 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) 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 n 0 ,则解调器的输入噪声功率N i = n 0 B
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}
G = S i / N i S o / N o
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)} 4 1 m 2 ( t )
输出噪声功率:1 4 n 0 B \frac 14 n_0B 4 1 n 0 B
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}
N o S o = n 0 B m 2 ( t )
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}
N i S i = n 0 B 2 1 m 2 ( t )
制度增益 G = 2 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 m ( t ) c o s 2 π f c t ,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)
m o ( t ) = 2 1 m ( t )
因此输出功率S o = 1 4 m ( t ) ‾ 2 S_o = \frac 14 \overline{m(t)}^2 S o = 4 1 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
n i ( t ) = n c ( t ) cos 2 π f c t − n s ( t ) sin 2 π 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
2 1 n c ( t ) + 2 1 n c ( t ) cos 2 π ⋅ 2 f c t − 2 1 n s ( t ) sin 2 π ⋅ 2 f 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) n o ( t ) = 2 1 n 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
N o = 4 1 n c ( t ) 2 = 4 1 n 0 B
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}
N o S o = n 0 B m ( t ) 2
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}
N i S i = n 0 B 2 1 m ( t ) 2
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)} 4 1 m 2 ( t )
输出噪声平均功率:1 4 n 0 B \frac 14 n_0B 4 1 n 0 B
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}
N o S o = 4 n 0 B m 2 ( t )
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}
N i S i = 4 n 0 B m 2 ( t )
因此制度增益G = 1 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)} E ( t ) = [ 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} S i = 2 A 0 2 + 2 m 2 ( t )
输入噪声平均功率:N i = n 0 B 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:
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)}
[ A 0 + m ( t ) ] ≫ 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)} S o = m 2 ( t )
输出噪声功率:N o = n 0 B N_o=n_0B N o = n 0 B
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}
N o S o = n 0 B m 2 ( t )
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)}
G A M = A 0 2 + m 2 ( t ) 2 m 2 ( t )
当A 0 = ∣ m ( t ) ∣ m a x A_0= |m(t)|_{max} A 0 = ∣ m ( t ) ∣ m a x 时,调制制度增益最大,为2 3 \frac23 3 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)}
[ A 0 + m ( t ) ] ≪ 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)
E ( t ) = R ( t ) + [ A 0 + m ( t ) ] cos θ ( 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 N o = n 0 B
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}
N o S o = n 0 B m 2 ( t )
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)}
G A M = A 0 2 + m 2 ( t ) 2 m 2 ( t )
当A 0 = ∣ m ( t ) ∣ m a x A_0= |m(t)|_{max} A 0 = ∣ m ( t ) ∣ m a x 时,调制制度增益最大,为2 3 \frac23 3 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)}
[ A 0 + m ( t ) ] ≪ 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)
E ( t ) = R ( t ) + [ A 0 + m ( t ) ] cos θ ( 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.