模擬調製
概念
用調製信號取控制載波信號的參數的過程.
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
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
而對於頻域上來說,調製信號的頻譜
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 ) ]
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
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 )
由於在疊加直流分量後,m(t)應爲直流信號,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
調製後頻域變爲
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 ) ]
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
B A M = 2 f H
B_{AM}=2f_H
B A M = 2 f H
已調信號的平均功率
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 爲載波功率,Ps 爲邊帶功率.
調製效率
η A M = P s P A M
\eta_{AM}=\frac {P_s}{P_{AM}}
η A M = P A M P s
當調製信號爲單音正弦信號(A m cos ω m t A_m\cos\omega_mt A m cos ω m t )時
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
當且僅當A 0 = A m A_0=A_m A 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.與AM相比,不再疊加直流分量,此時已調信號的時域表達
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
頻域表達
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 ) ]
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).
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.
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2 ω c 2\omega_c 2 ω c 處頻譜密度恆定.
證明如下:
根據VSB調製過程可知,未經LPF信號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
經Fourier變換有
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\begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲
S(\omega)&=\fr…
設LPF頻率響應爲H ( ω ) H(\omega) H ( ω ) ,經濾波器後
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 ) ]
在接受端解調
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
經Fourier變換有
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\begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲
R(\omega)&=\fr…
再經低通濾波器後
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 ) ]
因爲接收端與發送端信號一致,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 ) = 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 )
假設恢復載波的初相位ϕ \phi ϕ ,則與恢復載波相乘後
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\begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲
r(t)\cos(2\pi …
再經過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)
y o ( t ) = 2 A c m ( t ) cos ( ϕ c − ϕ )
因此不難看出,當接受信號相位ϕ c \phi_c ϕ c 與恢復載波相位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 時,$\cos(\phi_c-\phi) =0 $,則輸出信號的功率爲0
Δ ϕ = 0 \Delta \phi= 0 Δ ϕ = 0 時,$\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 ( ω t + ϕ ( t ) )
A(t)\cos(\omega t + \phi(t))
A ( t ) cos ( ω t + ϕ ( 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
在理想狀態下,包絡檢波器的輸出爲
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 )
利用電容隔出直流,僅輸出基帶信號.
線性系統的抗噪聲性能
s m ( t ) s_m(t) s m ( t ) 爲已調信號,n ( t ) n(t) n ( t ) 爲加性高斯白噪聲.經過BPF後信號爲s m ( t ) s_m(t) s m ( t ) ,噪聲爲再帶高斯白噪聲n i ( t ) n_i(t) n i ( t ) .解調器輸出信號爲m o ( t ) m_o(t) m o ( t ) ,噪聲爲n o ( t ) n_o(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
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s m ( t ) s_m(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n 0 n_0 n 0 ,則解調器的輸入噪聲功率
N i = n 0 B
N_i= n_0 B
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 = 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:1 4 m 2 ( t ) ‾ \frac 14 \overline{m^2(t)} 4 1 m 2 ( t )
輸出噪聲功率:1 4 n 0 B \frac 14 n_0B 4 1 n 0 B
輸出信噪比:
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 )
輸入信噪比:
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
具體計算流程:
設調製信號爲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 ,在相干解調中可知,輸出信號表達式爲
m o ( t ) = 1 2 m ( t )
m_o (t) =\frac 12 m(t)
m o ( t ) = 2 1 m ( t )
因此輸出功率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
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
與恢復載波相乘後得
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
經過LPF濾除高頻分量輸出噪聲爲n o ( t ) = 1 2 n c ( t ) n_o(t)=\frac 12n_c(t) n o ( t ) = 2 1 n 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
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
綜上輸出信噪比
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
在接收端也不難得出接受端信噪比
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
所以調製增益G=2
SSB調製系統性能
輸出信號平均功率:1 4 m 2 ( t ) ‾ \frac 14 \overline{m^2(t)} 4 1 m 2 ( t )
輸出噪聲平均功率:1 4 n 0 B \frac 14 n_0B 4 1 n 0 B
輸出信噪比:
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 )
輸入信噪比:
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
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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 )
輸入信號平均功率: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 )
輸入噪聲平均功率:N i = n 0 B N_i = n_0 B N 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:
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 )
計算:
此時輸出信號功率:S o = m 2 ( t ) ‾ S_o=\overline{m^2(t)} S o = m 2 ( t )
輸出噪聲功率:N o = n 0 B N_o=n_0B N o = n 0 B
輸出信噪比
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 )
當A 0 = ∣ m ( t ) ∣ m a x A_0= |m(t)|_{max} A 0 = ∣ m ( t ) ∣ m a x 時,調製制度增益最大,爲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 )
此時的包絡表達式中不再含有單獨的信號項
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 )
因此信號被嚴重干擾,無法解調
輸出噪聲功率:N o = n 0 B N_o=n_0B N o = n 0 B
輸出信噪比
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 )
當A 0 = ∣ m ( t ) ∣ m a x A_0= |m(t)|_{max} A 0 = ∣ m ( t ) ∣ m a x 時,調製制度增益最大,爲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 )
此時的包絡表達式中不再含有單獨的信號項
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.