線性調製

模擬調製

概念

用調製信號取控制載波信號的參數的過程.

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-jFVPzWN8-1578228355589)(Q:\WorkSpace\course\communication_principle\picture\analog_modulation\調製模型.png)]

其中m(t)爲調製信號,根據調製信號的不同,可分爲模擬調製和數字調製.

c(t)爲載波信號,通常有連續載波和脈衝載波兩種.連續載波又有調幅,調頻,調相三種調製方式.

sm(t)爲已調信號.根據調製前後,調製信號的頻譜是否發生線性變化,可分爲線性調製和非線性調製.

幅度調製系統

基本原理

由調製信號控制載波信號的幅度.使載波信號的幅度按調製信號的規律發生變化,所以幅度調製的已調信號一般可以寫爲
sm(t)=Am(t)cosωct s_m(t)=Am(t)\cos\omega_ct
而對於頻域上來說,調製信號的頻譜
Sm(ω)=A2[M(ωωc)+M(ω+ωc)] S_m(\omega)=\frac A2[M(\omega-\omega_c)+M(\omega+\omega_c)]
這樣就將難以傳輸的低頻分量搬移到可以遠距離傳輸的高頻處,從而使信號變爲適合於在信道中傳輸的信號.

在調製前後,基帶信號的頻譜只發生了線性變化,因此幅度調製也可以稱爲線性調製.

AM

標準調幅.將基帶信號變爲直流信號後進行幅度調製.

疊加直流分量後與載波函數相乘,所得已調信號時域表達爲
sAM(t)=(A0+m(t))cos(ωct) s_{AM}(t)=(A_0+m(t))\cos(\omega_c t)
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-UILwzjgH-1578228355591)(Q:\WorkSpace\course\communication_principle\picture\analog_modulation\AM_time.jpg)]

由於在疊加直流分量後,m(t)應爲直流信號,所以要求
max{m(t)}A0 max\left\{ |m(t)| \right\} \leq A_0
調製後頻域變爲
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)]
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-IJkRdKHc-1578228355593)(Q:\WorkSpace\course\communication_principle\picture\analog_modulation\AM_frequence.png)]

關於調製信號的描述

根據圖像不難看出,已調信號的帶寬BAM爲調製信號帶寬fH的兩倍
BAM=2fH B_{AM}=2f_H
已調信號的平均功率
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爲載波功率,Ps爲邊帶功率.

調製效率
ηAM=PsPAM \eta_{AM}=\frac {P_s}{P_{AM}}
當調製信號爲單音正弦信號(AmcosωmtA_m\cos\omega_mt)時
ηAM=Am22A02+Am2 \eta_{AM}=\frac{A^2_m}{2A^2_0+A^2_m}
當且僅當A0=AmA_0=A_m,即滿調幅的情況下有最大值,爲33.3%

這樣調製後,效率有限,而且由於已調信號的帶寬增加,也導致傳輸頻率上的浪費.

但在解調僅需要包絡檢波即可恢復信號,解調實現非常簡單.

//鏈接包絡檢波

DSB

雙邊帶調製1.與AM相比,不再疊加直流分量,此時已調信號的時域表達
sDSB(t)=m(t)cosωct s_{DSB}(t)=m(t)\cos \omega_c t
頻域表達
SDSB(ω)=12[M(ωωc)+M(ω+ωc)] S_{DSB}(\omega)=\frac 12[M(\omega-\omega_c)+M(\omega+\omega_c)]

較AM相比,DSB由於不再疊加直流分量,使調製效率大大增加.

但相對的在解調時不能使用包絡檢波,同時調製後頻帶拓寬仍致使帶寬資源浪費.

SSB

單邊帶調製.由於帶限信號的頻譜是對稱的,因此在理論上,僅發送半個頻譜信息就可以復原基帶信號.

這樣又進一步節約帶寬資源,但相應的在製作上要複雜許多.

濾波法

在DSB的基礎上通過濾波器,保留上邊帶(USB)或下邊帶(LSB).

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-QPhxwlBY-1578228355597)(/SSB.jpg)]

實際中濾波器並不具備理想濾波器這樣陡峭的邊界,濾波器截至特性越好就越貴.

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-p8VvaaCl-1578228355602)(/SSB_filter.jpg)]

相移法

VSB

殘留邊帶調製.在適當增加帶寬的條件下,優化對SSB中濾波器的要求.

VSB中不再要求嚴格的截至特性,而是需要具有互補對稱性,即相隔2ωc2\omega_c處頻譜密度恆定.

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-x1k1aqEQ-1578228355606)(/Spectrum-of-VSB-signal.png)]

證明如下:

根據VSB調製過程可知,未經LPF信號s(t)
s(t)=sVSB(t)2cosωct s(t)=s_{VSB}(t)\cdot 2\cos \omega_ct
經Fourier變換有
KaTeX parse error: No such environment: align at position 8: \begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲ S(\omega)&=\fr…
設LPF頻率響應爲H(ω)H(\omega),經濾波器後
Sm(ω)=H(ω)[SVSB(ω+ωc)+SVSB(ωωc)] S_m(\omega)=H(\omega)[S_{VSB}(\omega+\omega_c)+S_{VSB}(\omega-\omega_c)]
在接受端解調
R(t)=sm(t)2cosωct R(t)=s_m(t) \cdot 2\cos \omega_c t
經Fourier變換有
KaTeX parse error: No such environment: align at position 8: \begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲ R(\omega)&=\fr…
再經低通濾波器後
R(ω)=SVSB(ω)[H(ω+ωc)+H(ωωc)] R(\omega)=S_{VSB}(\omega)[H(\omega+\omega_c)+H(\omega-\omega_c)]
因爲接收端與發送端信號一致,因此
H(ω+ωc)+H(ωωc)=Constant H(\omega+\omega_c)+H(\omega-\omega_c) = Constant

解調

相干解調\同步檢波

適用於所有線性調製.

相干解調時,爲了無失真還原基帶信號,接受端必須提供一個與接受的已調信號嚴格同步的本地載波,它與已調信號相乘後,經過LPF取出低頻分量,即可還原基帶信號

恢復載波相位對解調影響:

不考慮信道乘性噪聲干擾,則對於接受端信號爲
s(t)=Acm(t)cos(2πfct+ϕc) s(t)= A_c m(t) \cos(2\pi f_c t +\phi_c)
假設恢復載波的初相位ϕ\phi,則與恢復載波相乘後
KaTeX parse error: No such environment: align at position 8: \begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲ r(t)\cos(2\pi …
再經過LPF
yo(t)=Ac2m(t)cos(ϕcϕ) y_o(t)=\frac{A_c}{2}m(t)\cos(\phi_c-\phi)
因此不難看出,當接受信號相位ϕc\phi_c與恢復載波相位ϕ\phi的相位差Δϕ\Delta \phi

  1. Δϕ=π2\Delta \phi= \frac{\pi}{2}時,$\cos(\phi_c-\phi) =0 $,則輸出信號的功率爲0
  2. Δϕ=0\Delta \phi= 0時,$\cos(\phi_c-\phi) =1 $,輸出原基帶信號

包絡檢波

包絡:我們可以將任一平穩窄帶高斯隨機過程X(t)表示爲標準正態振盪的形式
A(t)cos(ωt+ϕ(t)) A(t)\cos(\omega t + \phi(t))
包絡即隨機過程的振幅隨着時間變化的曲線。

首先通過整流器,被整流信號通過LPF即可恢復原基帶信號

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-y7ABJYWW-1578228355608)(/../Coherent_Demdulation/envelope_demodulation.jpg)]

在理想狀態下,包絡檢波器的輸出爲
yo(t)=g1+g2m(t) y_o(t)=g_1+g_2m(t)
利用電容隔出直流,僅輸出基帶信號.

線性系統的抗噪聲性能

sm(t)s_m(t)爲已調信號,n(t)n(t)爲加性高斯白噪聲.經過BPF後信號爲sm(t)s_m(t),噪聲爲再帶高斯白噪聲ni(t)n_i(t).解調器輸出信號爲mo(t)m_o(t),噪聲爲no(t)n_o(t).

Ps:BPF的作用爲濾除帶外噪聲

主要指標

輸出信噪比

解調器輸出有用信號的平均功率與輸出噪聲平均功率之比
SoNo=mo2(t)no2(t) \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m_o^2(t)}}{\overline{n_o^2(t)}}
在已調信號平均功率相同,且信道噪聲功率譜密度相同的情況下,輸出信噪比越高,表示抗噪聲性能越好.

對於不同形式的sm(t)s_m(t)信號,加性噪聲基本一致,若BPF帶寬爲B,噪聲單邊功率譜密度爲n0n_0,則解調器的輸入噪聲功率
Ni=n0B N_i= n_0 B

信噪比增益

輸出信噪比與輸入信噪比的比值
G=So/NoSi/Ni G=\frac{S_o / N_o}{S_i / N_i}
用於比較同類調製系統採用不同解調器的性能

DSB調製系統性能

輸出信號平均功率:14m2(t)\frac 14 \overline{m^2(t)}
輸出噪聲功率:14n0B\frac 14 n_0B
輸出信噪比:
SoNo=m2(t)n0B \frac {S_o}{N_o}=\frac{\overline{m^2(t)}}{n_0B}
輸入信噪比:
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

具體計算流程:

設調製信號爲m(t)cos2πfctm(t)cos 2\pi f_ct,在相干解調中可知,輸出信號表達式爲
mo(t)=12m(t) m_o (t) =\frac 12 m(t)
因此輸出功率So=14m(t)2S_o = \frac 14 \overline{m(t)}^2

再考慮噪聲通過相干解調後的情況:
將窄帶噪聲以正交分量表示
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
與恢復載波相乘後得
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
經過LPF濾除高頻分量輸出噪聲爲no(t)=12nc(t)n_o(t)=\frac 12n_c(t).由於窄帶噪聲與其同相分量方差相同,所以輸出噪聲功率爲
No=14nc(t)2=14n0B N_o=\frac 14 \overline{n_c(t)}^2=\frac 14n_0B
綜上輸出信噪比
SoNo=m(t)2n0B \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m(t)}^2}{n_0B}
在接收端也不難得出接受端信噪比
SiNi=12m(t)2n0B \frac {S_i}{N_i}=\frac {\frac 12 \overline{m(t)}^2}{n_0B}
所以調製增益G=2

SSB調製系統性能

輸出信號平均功率:14m2(t)\frac 14 \overline{m^2(t)}
輸出噪聲平均功率:14n0B\frac 14 n_0B
輸出信噪比:
SoNo=m2(t)4n0B \frac{S_o}{N_o}=\frac{\overline{m^2(t)}}{4n_0B}
輸入信噪比:
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

具體計算流程:

不能單單從制度增益比較兩種調製方式,考慮到二者帶寬,輸入信號功率不同,這樣的比較是不合理的.

若在相同條件下比較.二者抗噪能力基本近似

AM調製系統性能

已知輸入信號
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)}
輸入信號平均功率:Si=A022+m2(t)2S_i = \frac{A_0^2}{2} + \frac{\overline{m^2(t)}}{2}
輸入噪聲平均功率:Ni=n0BN_i = n_0 B

對於輸出的包絡信號,現考慮輸入信噪比的兩種情況:

  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)}

    計算:

    此時輸出信號功率:So=m2(t)S_o=\overline{m^2(t)}

    輸出噪聲功率:No=n0BN_o=n_0B

    輸出信噪比
    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}時,調製制度增益最大,爲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)}
    此時的包絡表達式中不再含有單獨的信號項
    E(t)=R(t)+[A0+m(t)]cosθ(t) E(t)=R(t)+[A_0+m(t)]\cos \theta(t)
    因此信號被嚴重干擾,無法解調

輸出噪聲功率:No=n0BN_o=n_0B

輸出信噪比
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}時,調製制度增益最大,爲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)}
    此時的包絡表達式中不再含有單獨的信號項
    E(t)=R(t)+[A0+m(t)]cosθ(t) E(t)=R(t)+[A_0+m(t)]\cos \theta(t)
    因此信號被嚴重干擾,無法解調

    當輸入信噪比小於一定程度時,輸出信噪比急劇下降,這一現象被稱爲門限效應,開始出現門限效應的輸入信噪比值稱爲門限值.


  1. SSB全拼double side band ↩︎

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章