SnS-第5章抽樣、調(diào)制與解調(diào)(2)_2

1、信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)多媒體教學(xué)課件多媒體教學(xué)課件(第第5章章 Part 2)信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)2第第5章抽樣、調(diào)制與解調(diào)章抽樣、調(diào)制與解調(diào) 5.0 引言引言5.1 抽樣定理抽樣定理5.2 內(nèi)插公式內(nèi)插公式5.3 模擬調(diào)制模擬調(diào)制5.4 模擬信號的解調(diào)模擬信號的解調(diào)5.5 頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)35.3 模擬調(diào)制模擬調(diào)制調(diào)制的概念在各種工程系統(tǒng)中起著調(diào)制的概念在各種工程系統(tǒng)中起著重要的作用，尤其在通信系統(tǒng)中調(diào)重要的作用，尤其在通信系統(tǒng)中調(diào)制是核心。本節(jié)著重分析調(diào)制信號制是核心。本節(jié)著重分析調(diào)制信號的的頻譜頻譜。調(diào)制的實(shí)質(zhì)就是把各種信號的

2、頻譜調(diào)制的實(shí)質(zhì)就是把各種信號的頻譜進(jìn)行搬移，使它們互不重疊地占據(jù)進(jìn)行搬移，使它們互不重疊地占據(jù)不同的頻率范圍，即將信號分別托不同的頻率范圍，即將信號分別托附于不同頻率的載波上。附于不同頻率的載波上。信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)45.3.1 調(diào)制的分類調(diào)制的分類所謂所謂“調(diào)制調(diào)制”，就是由攜帶信息且需要傳送，就是由攜帶信息且需要傳送的調(diào)制信號的調(diào)制信號g(t)(有時(shí)又稱為有時(shí)又稱為基帶信號基帶信號)去控制去控制不含信息的高頻不含信息的高頻載波信號載波信號c(t)的某一個(gè)或某的某一個(gè)或某幾個(gè)參數(shù)，使這些參數(shù)按照信號幾個(gè)參數(shù)，使這些參數(shù)按照信號g(t)的規(guī)律的規(guī)律而變化，從而形成具有高頻頻譜的窄

3、帶信號而變化，從而形成具有高頻頻譜的窄帶信號s(t)，s(t)稱為已調(diào)制信號。稱為已調(diào)制信號。簡單地說，調(diào)制就是通過某一種方式將低頻簡單地說，調(diào)制就是通過某一種方式將低頻信號的頻譜搬移到高頻信號的頻譜上去。信號的頻譜搬移到高頻信號的頻譜上去。信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)55.3.1 調(diào)制的分類調(diào)制的分類根據(jù)調(diào)制信號根據(jù)調(diào)制信號g(t)的不同，可以將調(diào)制分為：的不同，可以將調(diào)制分為：模擬調(diào)制模擬調(diào)制和和數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制是指調(diào)制信號模擬調(diào)制是指調(diào)制信號g(t)為模擬信號的一種為模擬信號的一種調(diào)制方式，數(shù)字調(diào)制是指調(diào)制信號調(diào)制方式，數(shù)字調(diào)制是指調(diào)制信號g(t)為數(shù)字為數(shù)字信號的一種調(diào)制

4、方式。信號的一種調(diào)制方式。模擬調(diào)制也可以稱為連續(xù)時(shí)間信號的調(diào)制，按模擬調(diào)制也可以稱為連續(xù)時(shí)間信號的調(diào)制，按照調(diào)制器類型的不同模擬調(diào)制可以分為：照調(diào)制器類型的不同模擬調(diào)制可以分為： 幅度調(diào)制幅度調(diào)制、頻率調(diào)制頻率調(diào)制和和相位調(diào)制相位調(diào)制三種類型。三種類型。信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)6模擬調(diào)制的三種類型模擬調(diào)制的三種類型 幅度調(diào)制幅度調(diào)制：調(diào)制信號：調(diào)制信號g(t)改變載波信號改變載波信號c(t)的幅度參數(shù)。例的幅度參數(shù)。例如常規(guī)的調(diào)幅如常規(guī)的調(diào)幅(AM)、抑制載波調(diào)幅、抑制載波調(diào)幅(SC-AM)及脈沖調(diào)幅及脈沖調(diào)幅(PAM)。 頻率調(diào)制頻率調(diào)制：調(diào)制信號：調(diào)制信號g(t)改變載波信號改變載

5、波信號c(t)的頻率參數(shù)。例如的頻率參數(shù)。例如調(diào)頻調(diào)頻(FM)。 相位調(diào)制相位調(diào)制：調(diào)制信號：調(diào)制信號g(t)改變載波信號改變載波信號c(t)的相位參數(shù)。例如的相位參數(shù)。例如調(diào)相調(diào)相(PM)。 模擬信號的幅度調(diào)制是通信系統(tǒng)中一種常用的調(diào)制方式，模擬信號的幅度調(diào)制是通信系統(tǒng)中一種常用的調(diào)制方式，第一類幅度調(diào)制是載波信號是正弦波的幅度調(diào)制，按照調(diào)第一類幅度調(diào)制是載波信號是正弦波的幅度調(diào)制，按照調(diào)制后的信號頻譜是否包含載波信號分為含載波信號的調(diào)幅制后的信號頻譜是否包含載波信號分為含載波信號的調(diào)幅(常規(guī)的常規(guī)的AM調(diào)幅調(diào)幅)、抑制載波的調(diào)幅、抑制載波的調(diào)幅(SC-AM)、單邊帶調(diào)制、單邊帶調(diào)制(SSB

6、)、殘留邊帶調(diào)制、殘留邊帶調(diào)制(VSB)等，另一類重要的幅度調(diào)制是等，另一類重要的幅度調(diào)制是脈沖幅度調(diào)制脈沖幅度調(diào)制(PAM)，其載波信號一般為周期矩形脈沖。，其載波信號一般為周期矩形脈沖。信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)75.3.2 正弦振幅調(diào)制正弦振幅調(diào)制正弦振幅調(diào)制通常有兩種形式正弦振幅調(diào)制通常有兩種形式 g(t)c(t)s(t)()(cctjetc)cos()(ccttcc稱為載波稱為載波頻率頻率 取初相位取初相位 c=0 ，正弦正弦函數(shù)載波信號的頻譜為函數(shù)載波信號的頻譜為 )()()(ccjC)()(21)()(*)(21)(ccccjGjGjGjS調(diào)制后的輸出信號調(diào)制后的輸出信號s

7、(t)頻譜為頻譜為 信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)85.3.2 正弦振幅調(diào)制正弦振幅調(diào)制【例例5-2】 求三角脈沖調(diào)幅信號求三角脈沖調(diào)幅信號的傅里葉變換，其中的傅里葉變換，其中02。)cos(2221)(0ttututEtf解：例解：例3-6已求得三角脈沖信號的傅里葉變換：已求得三角脈沖信號的傅里葉變換：4)(4)(4)()(*4221)(0202002SaSaESaEjF224ESa信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)9抑制載波的幅度調(diào)制抑制載波的幅度調(diào)制(SC-AM)1OG(j)m-mOC(j)c-c不含直流分量的調(diào)不含直流分量的調(diào)制信號制信號g(t) 的頻譜的頻譜下邊帶，上邊帶下邊帶，上邊

8、帶信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)10含載波的幅度調(diào)制含載波的幅度調(diào)制(AM)含載波的幅度調(diào)制也稱為常規(guī)調(diào)幅、含載波的幅度調(diào)制也稱為常規(guī)調(diào)幅、AM調(diào)幅調(diào)幅 g(t)=A0+f(t) )cos()()cos()(cc0ttftAtsmax0)(tfA )()(21)()()(0ccccjFjFAjS信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)11tOf(t)tOsAM(t)A0A0+f(t)tOA0tO)cos(tc1OF(j)m-m信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)125.3.3 脈沖幅度調(diào)制脈沖幅度調(diào)制(PAM)載波信號是周期矩形脈沖的幅度調(diào)制稱為脈沖幅度調(diào)載波信號是周期矩形脈沖的幅度調(diào)制稱為脈沖幅度調(diào)制

9、制(Pulse Amplitude Modulation, PAM)， ntjnenSaTEtc02)(00nnnSaETjC00022)(0000000001()( )( )( )()*()2121()()()()222()2nnnS jFT s tFT g tc tG jC jnnG jE SanE SaG jnTTnESaG jnT 信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)135.3.3 脈沖幅度調(diào)制脈沖幅度調(diào)制(PAM)tOg(t).OG(j)m-mtOc(t).T0A030-20.OC(j)-40tOs(t).030-20.OS(j)-40mT0信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)145.4 模

10、擬信號的解調(diào)模擬信號的解調(diào)調(diào)制信號調(diào)制信號g(t)經(jīng)幅度調(diào)制產(chǎn)生的已調(diào)信號經(jīng)幅度調(diào)制產(chǎn)生的已調(diào)信號通過信道傳輸后，在接收端可以得到已調(diào)通過信道傳輸后，在接收端可以得到已調(diào)信號信號s(t)，從已調(diào)信號中恢復(fù)調(diào)制信號，從已調(diào)信號中恢復(fù)調(diào)制信號g(t)的過程稱為解調(diào)。的過程稱為解調(diào)。實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法主要有同步解調(diào)和非同步實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法主要有同步解調(diào)和非同步解調(diào)兩種。解調(diào)兩種。信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)155.4.1 同步解調(diào)同步解調(diào)同步解調(diào)也稱為相干解調(diào)，其實(shí)現(xiàn)的原理框圖同步解調(diào)也稱為相干解調(diào)，其實(shí)現(xiàn)的原理框圖:g(t)s(t)s0(t)H(j)ttcccos)(本地載波信號本地載波信號cos(

11、 ct)，要求與調(diào)制端的載，要求與調(diào)制端的載波信號同步，即同頻同相波信號同步，即同頻同相 H(j )是幅度為是幅度為2，截止頻率為，截止頻率為 m低通濾波器低通濾波器信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)16理想濾波器理想濾波器理想低通濾波器是物理不可實(shí)現(xiàn)的，但有關(guān)理想濾波理想低通濾波器是物理不可實(shí)現(xiàn)的，但有關(guān)理想濾波器的研究并不因其無法實(shí)現(xiàn)而失去價(jià)值，實(shí)際濾波器器的研究并不因其無法實(shí)現(xiàn)而失去價(jià)值，實(shí)際濾波器的分析與設(shè)計(jì)往往需要理想濾波器的理論指導(dǎo)。的分析與設(shè)計(jì)往往需要理想濾波器的理論指導(dǎo)。【例例5-6】 設(shè)一個(gè)物理可實(shí)現(xiàn)的低通濾波器如圖設(shè)一個(gè)物理可實(shí)現(xiàn)的低通濾波器如圖5-17所示，元件參數(shù)滿足所示

12、，元件參數(shù)滿足 。 求該濾波器的求該濾波器的H(j )，并畫出其幅度譜和相位譜，并畫出其幅度譜和相位譜， 求該濾波器的沖激響應(yīng)求該濾波器的沖激響應(yīng)h(t)。 CLR v2(t)LRCv1(t) 圖圖5-17 物理可實(shí)現(xiàn)的低通濾波器物理可實(shí)現(xiàn)的低通濾波器信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)17)(1)()(1)()()()()(jICjjVdiCtvjILjjVtidtdLtvCCFTtCCLLFTLL221111/()11/1/VjRj CH jVjLCj L Rj LRj CLCc1()21()()1jccH jH jej 信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)182211)(ccjH( )arcta

13、n/1cc O|H(j)|c-c1Oc-c/2()-222322332)(cccjjH)(23sin32)(2tutethctch(t)tOcc3.信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)19【例例5-8】 一個(gè)理想低通濾波器一個(gè)理想低通濾波器H(j )的幅頻和相頻特性的幅頻和相頻特性如圖如圖5-15所示，利用所示，利用SC-AM調(diào)制來獲得一個(gè)如圖調(diào)制來獲得一個(gè)如圖5-19的理想帶通濾波器，并求出理想帶通濾波器的沖激響的理想帶通濾波器，并求出理想帶通濾波器的沖激響應(yīng)應(yīng)hd(t)。O1|Hd(j)|00-c-0-c-0+c0+cd()O0-t0(-0)-0-t0(+0)圖圖5-19 理想帶通濾波器的特性

14、理想帶通濾波器的特性O(shè)1|H(j)|c-c()Oc-c0t圖圖5-15 理想低通濾波器的特性理想低通濾波器的特性信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)20解：圖解：圖5-19理想帶通濾波器的頻譜是把圖理想帶通濾波器的頻譜是把圖5-15理想低通濾波器的頻譜搬移到處，只是幅度與原理想低通濾波器的頻譜搬移到處，只是幅度與原來的一樣。來的一樣。 因此理想帶通濾波器的沖激響應(yīng)因此理想帶通濾波器的沖激響應(yīng)hd(t)可以理解可以理解為理想低通濾波器的沖激響應(yīng)為理想低通濾波器的沖激響應(yīng)h(t)與與2cos( 0t)相相乘所得的信號，即：乘所得的信號，即：)cos()(2)cos(2)()(000tttSatthth

15、ccd理想帶通濾波器的沖激響應(yīng)理想帶通濾波器的沖激響應(yīng)hd(t)是一個(gè)以等效低通是一個(gè)以等效低通濾波器的沖激響應(yīng)為包絡(luò)的正弦調(diào)幅信號。濾波器的沖激響應(yīng)為包絡(luò)的正弦調(diào)幅信號。 信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)21正弦振幅調(diào)制的同步解調(diào)正弦振幅調(diào)制的同步解調(diào)s(t)cos(ct)s0(t)H(j)M2-My(t)O01()()()2()()()()1222(2)()()(2)44111(2)()(2)424ccccccccccccccSjSjSjG jG jG jG jG jG jG jG jG jG jG j)(212cos)(21)(0tgttgtsc信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)221G(

16、j)m-mO1c-cC(j)O0.5c-cS(j)c-mc+m-c-m-c+mOcS0(j)0.5c-mc+mm-m-c-c-m-c+mO信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)23 m M 0, 已調(diào)制信號的包已調(diào)制信號的包絡(luò)就是絡(luò)就是A+g(t)。可以恢復(fù)出?？梢曰謴?fù)出g(t)。技術(shù)簡單，價(jià)格低，常用于民用通訊設(shè)備技術(shù)簡單，價(jià)格低，常用于民用通訊設(shè)備信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)29t0costtgA0cos)(ttg0cos)()(tgA5.4.2 非同步解調(diào)非同步解調(diào)不需本地載波信號的發(fā)射不需本地載波信號的發(fā)射(續(xù)續(xù))(tgA信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)305.4.3 脈幅調(diào)制的解調(diào)脈幅

17、調(diào)制的解調(diào)脈幅調(diào)制信號的頻譜被搬移了無數(shù)次，搬移后脈幅調(diào)制信號的頻譜被搬移了無數(shù)次，搬移后的頻譜位置在的頻譜位置在 處，并保留了在低頻處，并保留了在低頻處的原調(diào)制信號頻譜，因此可以通過一個(gè)截止處的原調(diào)制信號頻譜，因此可以通過一個(gè)截止頻率大于頻率大于 m而小于而小于 0- m的低通濾波器，恢復(fù)的低通濾波器，恢復(fù)出調(diào)制信號出調(diào)制信號g(t)。在脈沖幅度調(diào)制時(shí)，如果調(diào)制信號的在脈沖幅度調(diào)制時(shí)，如果調(diào)制信號的g(t)幅度幅度恒大于零，調(diào)制后的信號包絡(luò)與調(diào)制信號恒大于零，調(diào)制后的信號包絡(luò)與調(diào)制信號g(t)也呈線性關(guān)系，因此也可以采用包絡(luò)檢波器來也呈線性關(guān)系，因此也可以采用包絡(luò)檢波器來恢復(fù)原來的調(diào)制信號恢

18、復(fù)原來的調(diào)制信號g(t)。00/2Tnn信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)315.5 頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用在一個(gè)信道上要同時(shí)傳送多路信號，即采在一個(gè)信道上要同時(shí)傳送多路信號，即采用復(fù)用的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多路信號在一條信道用復(fù)用的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多路信號在一條信道上同時(shí)傳輸信息。上同時(shí)傳輸信息。常用的復(fù)用技術(shù)一般是頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)常用的復(fù)用技術(shù)一般是頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用及波分復(fù)用。用、碼分復(fù)用及波分復(fù)用。 信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)325.5.1 頻分復(fù)用頻分復(fù)用所謂頻分復(fù)用所謂頻分復(fù)用(Frequency Division Multiplex, FDM)就是以頻段分割的方法在一

19、個(gè)信道內(nèi)實(shí)就是以頻段分割的方法在一個(gè)信道內(nèi)實(shí)現(xiàn)多路通信的傳輸體制現(xiàn)多路通信的傳輸體制。 s(t)sa(t)sb(t)sc(t)ga(t)gb(t)gc(t)tacostbcostccos圖圖5-27 利用正弦幅度調(diào)制的頻分復(fù)用利用正弦幅度調(diào)制的頻分復(fù)用信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)33Ga(j)OGb(j)OGc(j)OSa(j)Oa-aSb(j)Ob-bSc(j)Oc-cS(j)Ocba-b-c-a圖圖5-28 頻分復(fù)用系統(tǒng)的相關(guān)頻譜頻分復(fù)用系統(tǒng)的相關(guān)頻譜 信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)34頻分復(fù)用解調(diào)頻分復(fù)用解調(diào) s(t)ga(t)gb(t)gc(t)tacostbcostccos帶通

20、1帶通2帶通3低通1低通2低通3sa(t)sb(t)sc(t)mamaS(j)Ocba-b-c-a信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)355.5.2 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplex, TDM)是把一個(gè)傳是把一個(gè)傳輸通道進(jìn)行時(shí)間分割以傳送若干話路的信息，把輸通道進(jìn)行時(shí)間分割以傳送若干話路的信息，把N個(gè)個(gè)話路設(shè)備接到一條公共的通道上，按一定的次序輪流話路設(shè)備接到一條公共的通道上，按一定的次序輪流的給各個(gè)設(shè)備分配一段使用通道的時(shí)間。的給各個(gè)設(shè)備分配一段使用通道的時(shí)間。g(t)f1(t)f2(t)f3(t)f4(t)信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)36f1

21、(t)f2(t)f3(t)f4(t)p1(t)p2(t)p3(t)p4(t)s1(t)s2(t)s3(t)s4(t)s(t)圖圖5-33 時(shí)分多路復(fù)用原理框圖時(shí)分多路復(fù)用原理框圖5.5.2 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)37OT02T03T04T05T06T0tp(t)OT02T03T04T05T06T0tp1(t)O T0/42T03T04T05T06T0tp2(t)T0OT02T03T04T05T06T0tp3(t)T0/2OT02T03T04T05T06T0tp4(t)3T0/4圖圖5-34 時(shí)分多路復(fù)用周期脈沖信號時(shí)分多路復(fù)用周期脈沖信號pi(t)時(shí)序圖時(shí)序圖信號與系

22、統(tǒng) 第5章(Part2)385.5.3 TDM與與FDM的比較的比較FDM是用頻率來區(qū)分同一信道上同時(shí)傳輸?shù)男盘枺怯妙l率來區(qū)分同一信道上同時(shí)傳輸?shù)男盘?，各信號在頻域上是分開的，而在時(shí)域上是混疊在一起各信號在頻域上是分開的，而在時(shí)域上是混疊在一起的；的；TDM是在時(shí)間上區(qū)分同一信道上傳輸?shù)男盘?，各信是在時(shí)間上區(qū)分同一信道上傳輸?shù)男盘枺餍盘栐跁r(shí)域上是分開的，而在頻域上是混疊在一起的。號在時(shí)域上是分開的，而在頻域上是混疊在一起的。 Ot保護(hù)頻帶信號1信號2信號3OtTa保護(hù)時(shí)間信號1信號1信號2信號3信號2信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)395.6 小結(jié)小結(jié)5.6.1 抽樣定理抽樣定理對于頻率有

23、限信號或時(shí)域有限信號對于頻率有限信號或時(shí)域有限信號f(t)，分別存在時(shí)域，分別存在時(shí)域抽樣定理或頻域抽樣定理。通常把時(shí)域抽樣定理所確定抽樣定理或頻域抽樣定理。通常把時(shí)域抽樣定理所確定的最低抽樣頻率的最低抽樣頻率fs稱為奈奎斯特稱為奈奎斯特(Nyquist)頻率，相對應(yīng)頻率，相對應(yīng)的最大允許抽樣時(shí)間間隔的最大允許抽樣時(shí)間間隔 稱為奈奎斯特間隔。稱為奈奎斯特間隔。在滿足時(shí)域抽樣定理的條件下，將理想抽樣信號在滿足時(shí)域抽樣定理的條件下，將理想抽樣信號fs(t)輸輸入具有合適帶寬和增益的理想低通濾波器入具有合適帶寬和增益的理想低通濾波器(5-9)后，濾波后，濾波器的輸出信號將完全恢復(fù)原始信號，式器的輸出

24、信號將完全恢復(fù)原始信號，式(5-10)稱為抽樣稱為抽樣信號恢復(fù)原信號的內(nèi)插公式。信號恢復(fù)原信號的內(nèi)插公式。根據(jù)時(shí)域和頻域?qū)ΨQ性，頻域抽樣的內(nèi)插公式為根據(jù)時(shí)域和頻域?qū)ΨQ性，頻域抽樣的內(nèi)插公式為(5-13).sfT1s信號與系統(tǒng) 第5章(Part2)405.6.2 模擬正弦振幅調(diào)制與解調(diào)模擬正弦振幅調(diào)制與解調(diào) 正弦振幅調(diào)制的概念在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中占有重要的地位。正弦振幅調(diào)制的概念在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中占有重要的地位。用攜帶信息的低頻調(diào)制信號用攜帶信息的低頻調(diào)制信號g(t)去調(diào)制高頻正弦載波信號去調(diào)制高頻正弦載波信號c(t)后就得到正弦振幅調(diào)制信號后就得到正弦振幅調(diào)制信號s(t)。如果記信號。如果記信號g(t)、s(t)的頻譜分別為的頻譜分別為G(j)、S(j)，則將調(diào)制信號，則將調(diào)制信號g(t)的頻譜的頻譜G(j)幅度衰減一半后再分別向左、向右移動(dòng)到以幅度衰減一半后再分別向左、向右移