通信原理第4章(1)

1、4.1 幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理 4.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 4.3 非線性調(diào)制（角調(diào)制）的原理非線性調(diào)制（角調(diào)制）的原理 4.4 調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能 4.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能比較各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能比較 第第 4 章章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 式中，式中，c為為載波角頻率載波角頻率。 4.1幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理 幅度調(diào)制是用幅度調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)去去控制控制高頻高頻載波載波的的振幅振幅，使載波按，使載波按調(diào)制調(diào)制 信號(hào)信號(hào)的規(guī)律而的規(guī)律而變化變化的過(guò)程。的過(guò)程。 幅

2、度調(diào)制器幅度調(diào)制器的一般模型如下圖：的一般模型如下圖： 設(shè)設(shè)調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)m(t)的頻譜為的頻譜為M()，沖激響應(yīng)為，沖激響應(yīng)為h(t)的濾波器特性的濾波器特性 為為H(), 則有：則有： ( ) ( )cos* ( ) mc stm tth t 1 ( )()()( ) 2 mcc sMMH 時(shí)域時(shí)域波形上，它的波形上，它的幅度幅度隨隨基帶信號(hào)基帶信號(hào)規(guī)律而規(guī)律而變化變化； 頻譜頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)在頻域內(nèi)的簡(jiǎn) 單單搬移搬移。 由于這由于這種搬移是種搬移是線性線性的，因此的，因此幅度調(diào)制幅度調(diào)制通常又稱(chēng)為通常又稱(chēng)為線性

3、線性調(diào)制。調(diào)制。 適當(dāng)選擇適當(dāng)選擇不同不同的的濾波器濾波器，便可以得到，便可以得到各種各種幅度調(diào)制信號(hào)。例如，幅度調(diào)制信號(hào)。例如， 調(diào)幅調(diào)幅、雙邊帶雙邊帶、單邊帶單邊帶及及殘留邊殘留邊帶帶信號(hào)等。信號(hào)等。 注意注意： m(t)可以是可以是確知信號(hào)確知信號(hào)，也可以是，也可以是隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)信號(hào)(此時(shí)，已調(diào)此時(shí)，已調(diào) 信號(hào)的頻域表示必須用信號(hào)的頻域表示必須用功率譜功率譜描述描述)。 4.1.1調(diào)幅調(diào)幅(AM) 假設(shè)假設(shè)h(t)=(t)，即濾波器（，即濾波器（H()=1）為全通網(wǎng)絡(luò)，調(diào)制信號(hào)）為全通網(wǎng)絡(luò)，調(diào)制信號(hào) m(t)疊疊加加直流直流A0后與后與載波載波相相乘乘，如下圖：，如下圖： m(t) A0

4、cos ct sAM(t) 就可形成就可形成調(diào)幅調(diào)幅(AM)信號(hào)，其信號(hào)，其時(shí)域時(shí)域和和頻域頻域表示式分別為：表示式分別為： 00 ( )( )coscos( )cos AMccc stAm ttAtm tt 0 1 ( ) ()()()() 2 AMcccc sA m(t) O t A0 m(t) O t O O t t cos c(t) sAM(t) 1 M() A0 H H c c A0 SAM() 0 2 1 0 圖圖 4 - 3AM信號(hào)的波形和頻譜信號(hào)的波形和頻譜 00 ( )( )coscos( )cos AMccc stAm ttAtm tt 0 1 ( ) ()()()() 2

5、 AMcccc sA AM信號(hào)的頻譜信號(hào)的頻譜SAM()由載頻分量和由載頻分量和上上、下下兩個(gè)邊帶組成，因兩個(gè)邊帶組成，因 此，此，AM信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)，它的，它的帶寬帶寬是是基帶基帶信號(hào)帶寬信號(hào)帶寬 fH的的兩倍兩倍，即，即BAM=2fH。 當(dāng)滿(mǎn)足條件當(dāng)滿(mǎn)足條件|m(t)|maxA0 時(shí)時(shí)AM信號(hào)的信號(hào)的包絡(luò)包絡(luò)與與調(diào)制調(diào)制信號(hào)成信號(hào)成正比正比， 所以用所以用包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波的方法很容易恢復(fù)出原始的調(diào)制信號(hào)，否則，將會(huì)的方法很容易恢復(fù)出原始的調(diào)制信號(hào)，否則，將會(huì) 出現(xiàn)過(guò)調(diào)幅現(xiàn)象而產(chǎn)生出現(xiàn)過(guò)調(diào)幅現(xiàn)象而產(chǎn)生包絡(luò)失真包絡(luò)失真。這時(shí)不能用包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)，這時(shí)不

6、能用包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)， 為保證無(wú)失真解調(diào)，可以采用為保證無(wú)失真解調(diào)，可以采用同步檢波器同步檢波器。 AM信號(hào)在信號(hào)在1電阻上的電阻上的平均功率平均功率應(yīng)等于應(yīng)等于sAM(t)的的均方值均方值。當(dāng)。當(dāng)m(t) 為為確知信號(hào)確知信號(hào)時(shí)，時(shí)，sAM(t)的的均方值均方值即為其即為其平方的時(shí)間平均平方的時(shí)間平均， 即即 2 ( ) AMAM PSt 22 0 ( ) cos c Am tt 22222 00 cos( )cos2( )cos ccc Atm ttA m tt 通常假設(shè)調(diào)制信號(hào)通常假設(shè)調(diào)制信號(hào)沒(méi)有直流分量沒(méi)有直流分量， 即即 。 因此有：因此有：( )0m t 22 0 ( ) 22

7、cs Am t PP 22222 00 cos( )cos2( )cos AMccc PAtm ttA m tt 式中，式中， PC= /2為為載波功率載波功率，PS= /2為為邊帶功率邊帶功率。 2 0 A 2 ( )m t 由此可見(jiàn)，由此可見(jiàn)，AM信號(hào)的總功率包括信號(hào)的總功率包括載波功率載波功率和和邊帶功率邊帶功率兩部分。兩部分。 顯然只有顯然只有邊帶功率邊帶功率才與才與調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)有關(guān)。但載波分量往往仍占據(jù)大部有關(guān)。但載波分量往往仍占據(jù)大部 分功率。因此，從功率上分功率。因此，從功率上講，講，AM信號(hào)的信號(hào)的功率利用率功率利用率比較比較低低。 4.1.2抑制載波雙邊帶調(diào)制（抑制載波雙

8、邊帶調(diào)制（DSB-SC） 載波分量載波分量并并不不攜帶攜帶信息信息， 可以將載波可以將載波抑制抑制，將直流，將直流A0去去掉掉， 輸輸 出出抑制載波抑制載波的雙邊帶信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)的雙邊帶信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)雙邊帶信號(hào)雙邊帶信號(hào)（DSB）：）： ( )( )cos DSBc stm tt 1 ( )()() 2 DSBcc s 其波形和頻譜如下圖其波形和頻譜如下圖 ： cos 0t O t t O m(t) sDSB(t) O t O c c M() O H H SDSB() O c c 載波反相點(diǎn) 2 H 顯然顯然DSB信號(hào)的信號(hào)的包絡(luò)不包絡(luò)不再與再與調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律的變化規(guī)律一致一致，因而，因而

9、不不 能能采用簡(jiǎn)單的采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波來(lái)恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，來(lái)恢復(fù)調(diào)制信號(hào)， 需采用需采用相干解調(diào)相干解調(diào)(同步檢同步檢 波波)。 另外，在調(diào)制信號(hào)另外，在調(diào)制信號(hào)m(t)的的過(guò)零點(diǎn)過(guò)零點(diǎn)處，處，高頻載波相位高頻載波相位有有180的的 突變突變。 DSB信號(hào)雖然功率利用率提高了，但它的頻帶寬度仍是調(diào)制信號(hào)雖然功率利用率提高了，但它的頻帶寬度仍是調(diào)制 信號(hào)帶寬的兩倍，由于信號(hào)帶寬的兩倍，由于DSB信號(hào)的上、下兩個(gè)邊帶是信號(hào)的上、下兩個(gè)邊帶是完全對(duì)稱(chēng)完全對(duì)稱(chēng)的，的， 它們都攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此僅傳輸其中一個(gè)邊帶即可，它們都攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此僅傳輸其中一個(gè)邊帶即可， 這就是這

10、就是單邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制能解決的問(wèn)題。能解決的問(wèn)題。 4.1.3單邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制(SSB) DSB兩個(gè)邊帶兩個(gè)邊帶包含的信息包含的信息相同相同，因而，傳輸，因而，傳輸一個(gè)一個(gè)邊帶就邊帶就夠夠了。了。 這種只傳輸這種只傳輸一個(gè)邊帶一個(gè)邊帶的通信方式稱(chēng)為的通信方式稱(chēng)為單邊帶通信單邊帶通信。單邊帶信號(hào)的產(chǎn)。單邊帶信號(hào)的產(chǎn) 生方法通常有生方法通常有濾波法濾波法和和相移法相移法。 1. 用濾波法形成單邊帶信號(hào)：用濾波法形成單邊帶信號(hào)： 保留保留所需要的所需要的一個(gè)邊帶一個(gè)邊帶，濾除濾除不要的不要的另一個(gè)另一個(gè)邊帶。邊帶。 可以由理想可以由理想低通低通特性特性HLSB()或理想或理想高通高通特性特性H

11、USB()實(shí)現(xiàn)，分實(shí)現(xiàn)，分 別取出別取出下邊帶下邊帶信號(hào)頻譜信號(hào)頻譜SLSB()或或上邊帶上邊帶信號(hào)頻譜信號(hào)頻譜SUSB()： 用用濾波法濾波法形成形成SSB信號(hào)的信號(hào)的技術(shù)難點(diǎn)技術(shù)難點(diǎn)是，由于是，由于調(diào)制信號(hào)低頻調(diào)制信號(hào)低頻，經(jīng)，經(jīng) 調(diào)制信號(hào)的調(diào)制信號(hào)的上、下邊帶間隔窄上、下邊帶間隔窄，要求濾波器具有，要求濾波器具有陡峭的截止特性陡峭的截止特性， 才能有效地抑制無(wú)用的一個(gè)邊帶。使濾波器的才能有效地抑制無(wú)用的一個(gè)邊帶。使濾波器的設(shè)計(jì)和制作很困難設(shè)計(jì)和制作很困難， 因此實(shí)際中采用因此實(shí)際中采用多級(jí)調(diào)制濾波多級(jí)調(diào)制濾波的方法。的方法。 2. 用相移法形成單邊帶信號(hào)用相移法形成單邊帶信號(hào) 設(shè)單頻調(diào)制

12、信號(hào)為設(shè)單頻調(diào)制信號(hào)為m(t)=Amcosmt，載波為，載波為c(t)=cosct， 兩者兩者相相 乘乘得得DSB信號(hào)的時(shí)域表示式為：信號(hào)的時(shí)域表示式為： ( )coscos DSBmnc stAtt 1 cos( 1 cos() 22 ) mcmmcm AtAt 保留保留上邊帶上邊帶， 則有：則有： 1 ( )cos() 2 USBmCm stAt 11 coscossinsin 22 c mmmmc AttAtt 保留保留下邊帶下邊帶， 則有：則有： 1 ( )cos() 2 LSBmCm stAt 11 coscossinsin 22 c mmmmc AttAtt 把上、下邊帶合并起來(lái)可

13、以寫(xiě)成：把上、下邊帶合并起來(lái)可以寫(xiě)成： 11 ( )coscossinsin 22 ssBmmcmmc stAttAtt 式中，式中，“-”表示表示上邊帶上邊帶信號(hào)，信號(hào)，“+”表示表示下邊帶下邊帶信號(hào)。信號(hào)。 Am sinmt 可以看成是可以看成是Am cosmt相移相移 ， 而而幅度幅度大小保持大小保持不不 變變。我們把這一過(guò)程稱(chēng)為。我們把這一過(guò)程稱(chēng)為希爾伯特變換希爾伯特變換，記為，記為“”， 則有：則有： 2 cossin mmmm AtAt 并且有：并且有： 11 ( )( )cos( )sin 22 SSBcc stm ttm tt 式中，式中， 是是m(t)的的希爾伯特變換希爾伯特

14、變換。若。若M()為為m(t)的的傅氏變換傅氏變換， 則則 的的傅氏傅氏變換變換 為：為： ( )m t ( )m t ()m ( )( )sgn MMj 式中符號(hào)函數(shù)為：式中符號(hào)函數(shù)為： 因此，讓因此，讓m(t)通過(guò)一個(gè)通過(guò)一個(gè)傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 的濾波器即可得到的濾波器即可得到 ，因此，因此， 即是即是希爾伯特濾波器希爾伯特濾波器的的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)： 1, sgn 0, ( )m t sgnj sgnj ( ) ( )sgn ( ) h M Hj M 可畫(huà)出可畫(huà)出單邊帶調(diào)制相移法單邊帶調(diào)制相移法的的模型模型，如圖：，如圖： 相移法形成相移法形成SSB信號(hào)的信號(hào)的困難困難在于要求對(duì)調(diào)制信

15、號(hào)在于要求對(duì)調(diào)制信號(hào)m(t)的所有頻率的所有頻率 分量分量嚴(yán)格相移嚴(yán)格相移/2，這一點(diǎn)比較困難的。為解決這個(gè)難題，可以采，這一點(diǎn)比較困難的。為解決這個(gè)難題，可以采 用混合法用混合法（也叫（也叫維弗法維弗法）。）。 綜上所述：綜上所述： SSB調(diào)制方式在傳輸信號(hào)時(shí)，不但可調(diào)制方式在傳輸信號(hào)時(shí)，不但可節(jié)省節(jié)省載波載波發(fā)射發(fā)射 功率功率，而且它所占用的，而且它所占用的頻帶寬度頻帶寬度為為BSSB=fH，只有，只有AM、 DSB的的一半一半， 因此，它目前已成為因此，它目前已成為短波通信短波通信中的一種中的一種重要調(diào)制方式重要調(diào)制方式。 SSB信號(hào)的解調(diào)和信號(hào)的解調(diào)和DSB一樣一樣不能不能采用簡(jiǎn)單的采

16、用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波，因?yàn)?，因?yàn)镾SB 信號(hào)也是信號(hào)也是抑制載波抑制載波的已調(diào)信號(hào)，它的的已調(diào)信號(hào)，它的包絡(luò)不包絡(luò)不能直接能直接反映調(diào)制反映調(diào)制信號(hào)的信號(hào)的 變化變化， 所以仍需采用所以仍需采用相干解調(diào)相干解調(diào)。 4.1.4殘留邊帶調(diào)制殘留邊帶調(diào)制(VSB) 殘留邊帶調(diào)制殘留邊帶調(diào)制是介于是介于SSB與與DSB之間的一種調(diào)制方式，之間的一種調(diào)制方式， 它它不不是是 完全抑制完全抑制一個(gè)邊帶（如同一個(gè)邊帶（如同SSB中那樣），而是逐漸切割，使其中那樣），而是逐漸切割，使其殘留殘留 一小部分一小部分，如圖：，如圖： M() 2B2BO DSB() c c O (a) (b) SSB() O c

17、 c c c VSB( ) O (c) (d) 假設(shè)假設(shè)HVSB()是所需的是所需的殘留邊帶濾波器殘留邊帶濾波器的的傳輸特性傳輸特性。則其。則其調(diào)制調(diào)制原原 理框圖如下：理框圖如下： 因此，殘留邊帶信號(hào)的因此，殘留邊帶信號(hào)的頻譜頻譜為：為： 1 ( )()()( ) 2 VSBccVSB SMMH 為了為了確定確定上式中殘留邊帶濾波器傳輸特性上式中殘留邊帶濾波器傳輸特性HVSB()應(yīng)滿(mǎn)足的條應(yīng)滿(mǎn)足的條 件件，我們，我們來(lái)分析一下接收端是如何來(lái)分析一下接收端是如何從從該該信號(hào)中恢復(fù)信號(hào)中恢復(fù)原原基帶信號(hào)基帶信號(hào)的的。 1 (2)( )() 2 1 (2)( )() 2 cVSBc ccVSB M

18、MH MMH 很顯然很顯然VSB信號(hào)也采用的是信號(hào)也采用的是相干解調(diào)相干解調(diào)方式。圖中，殘留邊帶信方式。圖中，殘留邊帶信 號(hào)號(hào)sVSB(t)與與相干載波相干載波2cosct的的乘積乘積為：為： 2sVSB(t) cosct，其頻譜為，其頻譜為 其其解調(diào)解調(diào)原理框圖如下：原理框圖如下： 2( )cos( )()() VSBcVSBcVSBc sttSS 1 ( )()()( ) 2 VSBccVSB SMMH 1 ()()() 2 1 ()()() 2 cccccVSB ccccSBcV MMH MMH 用低通濾用低通濾 波器濾除波器濾除 處的處的 成分成分 2 c 1 ( )( )()() 2

19、 oVSBcVSBc MMHH 為了保證相干解調(diào)的輸出為了保證相干解調(diào)的輸出無(wú)失真無(wú)失真地地重現(xiàn)調(diào)制信號(hào)重現(xiàn)調(diào)制信號(hào) ， 則必須要求：則必須要求： 上式就是確定殘留邊帶濾波器傳輸特性上式就是確定殘留邊帶濾波器傳輸特性HVSB()所所必須遵循必須遵循的的條條 件件。滿(mǎn)足上式的。滿(mǎn)足上式的HVSB()的可能形式的可能形式有有兩種兩種，下圖所示的，下圖所示的低通低通與與高高 通通濾波器形式濾波器形式： ( )( )m tM HVSB(+c)+HVSB(-c)=常數(shù)常數(shù) 1 ( )( )()() 2 oVSBcVSBc MMHH 我們以我們以殘留上邊帶殘留上邊帶的的低通低通濾波器為例：濾波器為例： 將

20、將HVSB()進(jìn)行進(jìn)行c的的頻移頻移，分別得到，分別得到HVSB(-c)和和HVSB (+c)，再再將兩者將兩者相加相加，如圖：，如圖： 如果要求其結(jié)果為如果要求其結(jié)果為常數(shù)常數(shù)，那么，必須使，那么，必須使HVSB(-c)和和HVSB(+c) 在在 =0處具有處具有互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)的滾降特性互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)的滾降特性。 或者說(shuō)：只要?dú)埩暨厧V波器的特性或者說(shuō)：只要?dú)埩暨厧V波器的特性HVSB()在在c處具有處具有互補(bǔ)互補(bǔ) 對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)（奇對(duì)稱(chēng)奇對(duì)稱(chēng)）特性，那么，采用相干解調(diào)法解調(diào)殘留邊帶信號(hào)就）特性，那么，采用相干解調(diào)法解調(diào)殘留邊帶信號(hào)就 能夠能夠準(zhǔn)確準(zhǔn)確地地恢復(fù)恢復(fù)所需的所需的基帶信號(hào)基帶信號(hào)。 用用低通低通濾

21、波器濾波器濾除濾除 的成分。則輸出有：的成分。則輸出有： 4.1.5相干解調(diào)與包絡(luò)檢波相干解調(diào)與包絡(luò)檢波 1. 相干解調(diào)相干解調(diào) 相干解調(diào)器相干解調(diào)器的一般模型如下圖所示，它由的一般模型如下圖所示，它由乘法器乘法器和和低通濾波器低通濾波器組組 成?？捎糜诔伞？捎糜贏M、DSB、SSB、VSB信號(hào)的解調(diào)。信號(hào)的解調(diào)。 先以先以雙邊帶雙邊帶信號(hào)為例：信號(hào)為例： 與與同頻同相同頻同相相干載波相干載波相乘后得：相乘后得： ( )( )cos DSBc stm tt 2 1 ( ) cos( )cos( )(1 cos2) 2 DSBccc sttm ttm tt 2 c 1 ( )( ) 2 o m tm t 再以再以單邊帶單邊帶信號(hào)為例：信號(hào)為例： 與