通信原理 第三章

1、通信原理通信原理主講教師：李長紅主講教師：李長紅 自動化工程學(xué)院自動化工程學(xué)院EmailEmail：TelTel：0532-859507060532-85950706辦公地點(diǎn)：行思樓辦公地點(diǎn)：行思樓309309善教者，善教者，使人繼其事。使人繼其事。Please shut off your Cellphone!32022-4-27第三章第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)42022-4-27第三章第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)v 概述概述v 線性調(diào)制線性調(diào)制振幅調(diào)制振幅調(diào)制(AM)雙邊帶雙邊帶(DSB)調(diào)制調(diào)制單邊帶單邊帶(SSB)調(diào)制調(diào)制殘留邊帶殘留邊帶(VSB)調(diào)制調(diào)制v 非線性調(diào)制非線性調(diào)制基

2、本原理基本原理已調(diào)信號頻譜和帶寬已調(diào)信號頻譜和帶寬角度調(diào)制信號的接收角度調(diào)制信號的接收52022-4-27概述概述l源：信源發(fā)出，由原始消息直接變化成的電信號；源：信源發(fā)出，由原始消息直接變化成的電信號；l頻譜：從零開始較寬的范圍，低頻能量大，甚至含直流分量；頻譜：從零開始較寬的范圍，低頻能量大，甚至含直流分量；l特點(diǎn)：不適于信道直接傳輸；特點(diǎn)：不適于信道直接傳輸；v 基帶信號：基帶信號：l目的：使原始電信號適合信道傳輸；目的：使原始電信號適合信道傳輸；l方式：按基帶信號的變化規(guī)律改變載波參數(shù)；方式：按基帶信號的變化規(guī)律改變載波參數(shù)；l作用：作用：n 頻率搬移，適于信道傳輸和復(fù)用；頻率搬移，適

3、于信道傳輸和復(fù)用；n 提高抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性和有效性；提高抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性和有效性；v 模擬調(diào)制：模擬調(diào)制：用調(diào)制信號連續(xù)變化的模擬量對連續(xù)正用調(diào)制信號連續(xù)變化的模擬量對連續(xù)正/余弦波調(diào)制。余弦波調(diào)制。l調(diào)制信號：調(diào)制信號：m(t)模擬信號；模擬信號；l載波：載波： c(t)=Acos( 0t+ 0)正弦波；正弦波；l已調(diào)信號已調(diào)信號s(t)：攜帶調(diào)制信號的信號；：攜帶調(diào)制信號的信號；62022-4-27概述概述線性調(diào)制：線性調(diào)制：AM、DSB、SSB、VSBn 頻譜結(jié)構(gòu)不變，頻譜結(jié)構(gòu)不變，只是頻譜沿著頻率軸平移；只是頻譜沿著頻率軸平移；n 已調(diào)信號幅度隨調(diào)制信號成比例變化；

4、已調(diào)信號幅度隨調(diào)制信號成比例變化； 0cosmstA ttt 已調(diào)信號：已調(diào)信號： A tt 已已調(diào)調(diào)信信號號的的瞬瞬時時幅幅度度已已調(diào)調(diào)信信號號的的瞬瞬時時相相位位 A tm t幅幅度度調(diào)調(diào)制制：隨隨成成比比例例變變化化 線性調(diào)制線性調(diào)制 tm t 相相位位調(diào)調(diào)制制： 隨隨成成比比例例變變化化 dtm tdt 頻頻率率調(diào)調(diào)制制： 隨隨成成比比例例變變化化角度調(diào)制角度調(diào)制/非線性調(diào)制非線性調(diào)制角度調(diào)制：角度調(diào)制：PM、FMn 相位或頻率變化；增加新的頻率成分，帶寬增加；相位或頻率變化；增加新的頻率成分，帶寬增加；n 幅度為常數(shù)；幅度為常數(shù)；72022-4-27第三章第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系

5、統(tǒng)v 概述概述v 線性調(diào)制線性調(diào)制振幅調(diào)制振幅調(diào)制(AM)雙邊帶雙邊帶(DSB)調(diào)制調(diào)制單邊帶單邊帶(SSB)調(diào)制調(diào)制殘留邊帶殘留邊帶(VSB)調(diào)制調(diào)制v 非線性調(diào)制非線性調(diào)制基本原理基本原理已調(diào)信號頻譜和帶寬已調(diào)信號頻譜和帶寬角度調(diào)制信號的接收角度調(diào)制信號的接收82022-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制一般模型一般模型0( )cos()c tAt調(diào)制信號調(diào)制信號( )m t( )s t( )H f已調(diào)信號已調(diào)信號( )s t( )()m tM f0( )( ) cos()s tm t At 00( )()()2AS fM ffM ff M(f)f0(a) 輸入信號頻譜密度輸入信號頻譜密度S (f)

6、f0f-f00(b) 輸出信號頻譜密度輸出信號頻譜密度m(t)和和H(f )的不同產(chǎn)的不同產(chǎn)生不同形式的調(diào)幅波。生不同形式的調(diào)幅波。00( )() ()()2Ac tC fffff 92022-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制振幅調(diào)制振幅調(diào)制(AM)( )( ) ( )( )cos01s tm t c tm tAt ( )( )1m tm t 調(diào)制信號：調(diào)制信號：( )cos0c tAt 載波：載波：已調(diào)波：已調(diào)波：cos( )cos00AtAm tt 載波分量載波分量上下帶邊分量上下帶邊分量v AM已調(diào)波的頻譜：已調(diào)波的頻譜：( )( )( )1m tfMf ( )( )( )( ) ()()()(

7、)0000A2A +2s tSfM fC fffffMffMff 102022-4-27C(f)f0-f0f BAMS (f) BAM-f0f0fc(t)A-As(t)t101+m (t)t022AMmBBf0mBfM(f)fmf-fmB0討論：討論：帶寬：帶寬：BAM=2B0=2fm頻譜：頻譜：左右搬移左右搬移f0，關(guān)于關(guān)于f0 對稱；對稱；含載頻分量；含載頻分量；頻譜：頻譜：上上/下兩個邊帶；下兩個邊帶；f0處兩個沖激；處兩個沖激；調(diào)制不失真條件：調(diào)制不失真條件： |m(t)|0;線性調(diào)制線性調(diào)制振幅調(diào)制振幅調(diào)制(AM)：AM頻譜頻譜112022-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制振幅調(diào)制振幅調(diào)制(

8、AM)：解調(diào)解調(diào)v 包絡(luò)檢波：包絡(luò)檢波：AMAM已調(diào)信號外包絡(luò)已調(diào)信號外包絡(luò)與調(diào)制信號相同；與調(diào)制信號相同；l要求：不發(fā)生過幅調(diào)制，要求：不發(fā)生過幅調(diào)制，|m(t)|1，載波分量足夠大；，載波分量足夠大；l特點(diǎn)：電路簡單，檢波效率高；特點(diǎn)：電路簡單，檢波效率高； 檢波后信噪比下降；檢波后信噪比下降；l應(yīng)用：民用調(diào)幅波解調(diào)方式；應(yīng)用：民用調(diào)幅波解調(diào)方式；v 相干解調(diào)：相干解調(diào)：無條件實現(xiàn)；無條件實現(xiàn)；0cos()At已調(diào)信號已調(diào)信號( )s tLPF解調(diào)信號解調(diào)信號( )dm t122022-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制振幅調(diào)制振幅調(diào)制(AM)：AM功率分布功率分布( )cos( )cos( )co

9、s( )cos22022222220001 2sPs tAtm tAtA mttA m tt ( )22222AAmt 直流功率直流功率交流功率交流功率( ) 0m t 交交流流分分量量：AM信號能量：信號能量：v 直流分量占很大一部分；直流分量占很大一部分；v 不攜帶信息：不攜帶信息：故：直流故：直流/載波分量可以去除掉；載波分量可以去除掉；v 降低傳輸功率，節(jié)省能量；降低傳輸功率，節(jié)省能量；v 不影響信息傳輸；不影響信息傳輸；132022-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制雙邊帶調(diào)制雙邊帶調(diào)制(DSB)：調(diào)制調(diào)制l 調(diào)制信號無直流分量：調(diào)制信號無直流分量：m( t )( )cos0c tt l 載波

10、：載波：0( )( )cos()s tm ttl 已調(diào)信號：已調(diào)信號：()()()0012S fMffMff l 已調(diào)信號頻譜密度：已調(diào)信號頻譜密度：v DSB已調(diào)信號頻譜：已調(diào)信號頻譜：v 沒有載波分量，僅含上下邊帶；沒有載波分量，僅含上下邊帶；v 上下邊帶關(guān)于上下邊帶關(guān)于f0對稱分布，攜帶信息相同；對稱分布，攜帶信息相同；v | f |f0, 下邊帶；下邊帶；| f | f0，上邊帶；，上邊帶；BDSB=2B0=2fm(a) 調(diào)制信號頻譜密度調(diào)制信號頻譜密度M(f)f0B0(b) 已調(diào)信號頻譜密度已調(diào)信號頻譜密度f00-f0fS(f)下邊帶下邊帶上邊帶上邊帶上邊帶上邊帶BDSB142022

11、-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制雙邊帶調(diào)制雙邊帶調(diào)制(DSB)：解調(diào)解調(diào)( )cos01212m tt( )( )cos( )cos200r ts ttm tt 相干解調(diào)：同步本地載波相干解調(diào)：同步本地載波v 數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：v 解調(diào)：解調(diào)：( )12LPFm t已調(diào)信號已調(diào)信號( )s tLPF解調(diào)信號解調(diào)信號( )m t ( )r t 0cos() t本地載波：同頻、同相本地載波：同頻、同相v 本地載波本地載波頻差對解頻差對解調(diào)的影響：調(diào)的影響：0000( )cos()( )( )coscos()11 ( )cos()( )cos(2)22c ttr tm tttm ttm tt 1=( )

12、 cos()2m tt152022-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制單邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制(SSB)：調(diào)制調(diào)制HL(f)特性特性(c) 低通濾波器特性和信號頻譜低通濾波器特性和信號頻譜S(f)-f0f0f下邊帶下邊帶上邊上邊帶帶S (f)上邊上邊帶帶下邊帶下邊帶(a) 濾波前信號頻譜濾波前信號頻譜-f00ff0-f0上邊上邊帶帶(b) 高通濾波器特性和信號頻譜高通濾波器特性和信號頻譜f00fHH(f)特性特性HH(f)特性特性S(f)上邊上邊帶帶濾波器要求：邊緣陡峭；濾波器要求：邊緣陡峭；m(t)要求：低頻分量少；要求：低頻分量少； 上下邊帶分開；上下邊帶分開；0SSBmBfBv DSB分析：分析：上下

13、邊帶攜帶有相同信息，上下邊帶攜帶有相同信息，濾除其中一個邊帶不影響信號；濾除其中一個邊帶不影響信號；還可減小發(fā)射功率還可減小發(fā)射功率;利用上邊帶利用上邊帶高通，高通，UPF利用下邊帶利用下邊帶低通，低通，LPF162022-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制單邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制(SSB)：解調(diào)解調(diào)v 相干解調(diào)相干解調(diào)已調(diào)信號已調(diào)信號( )s t低通濾波低通濾波( )r t0cos() t本地載波本地載波( )m t基帶信號基帶信號( )( )cos()0r ts tt 00()()()1 ()()2RfS fC fS ffS ff (a) 載波頻譜載波頻譜f00-f0fC(f)S(f)(b) 上邊帶信號

14、頻譜上邊帶信號頻譜上邊帶上邊帶上邊帶上邊帶f00-f0f2f0-2f0(c) 載波和上邊帶信號頻譜的卷積結(jié)果載波和上邊帶信號頻譜的卷積結(jié)果f00-f0f2f0-2f0M(f)HL(f)172022-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制殘留邊帶殘留邊帶(VSB)：調(diào)制調(diào)制0ffm-fmM (f )0f0-f0fSDSB (f )0f0-f0fSSSB (f )0f0-f0fSVSB (f )BDSBBSSBSSBVSBDSBBBB0( )cos()c tAt調(diào)制信號調(diào)制信號( )m t( )s t ( )VHf已調(diào)信號已調(diào)信號( )s tVSB濾波器要求：濾波器要求：互補(bǔ)對稱性互補(bǔ)對稱性BVSB182022

15、-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制殘留邊帶殘留邊帶(VSB)：解調(diào)解調(diào)0( )cos()c tAt調(diào)制信號調(diào)制信號( )m t( )s t( )VHf已調(diào)信號已調(diào)信號( )s t)()(2)(00ffMffMAfS)()()(2)(00fHffMffMAfS低通濾波低通濾波( )r t0cos() t本地載波本地載波001( )()()2RfS ffS ff000000( )()()4(2)()(2)()4AM fH ffH ffAM ff H ffM ff H ff)()()(400ffHffHfMA低通濾波后的信號頻譜：低通濾波后的信號頻譜：192022-4-27線性調(diào)制線性調(diào)制殘留邊帶殘留邊帶(

16、VSB)：解調(diào)解調(diào)00()(), mH ffH ffCff ( )()()004AM fH ffH ff低通濾波后的信號頻譜：低通濾波后的信號頻譜：VSB信號無失真信號無失真解調(diào)的條件：解調(diào)的條件：H(f + f0)0f-2f0fm-(f0+fm)0f0-f0f0+fmfH(f)0f-2f02f0fm-fmH(f + f0) + H(f f0)0f2f0H(f - f0)-fm H(f)對于對于f0具有具有互補(bǔ)對稱性?；パa(bǔ)對稱性。202022-4-27第三章第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)v 概述概述v 線性調(diào)制線性調(diào)制振幅調(diào)制振幅調(diào)制(AM)雙邊帶雙邊帶(DSB)調(diào)制調(diào)制單邊帶單邊帶(SSB)

17、調(diào)制調(diào)制殘留邊帶殘留邊帶(VSB)調(diào)制調(diào)制v 非線性調(diào)制非線性調(diào)制基本原理基本原理已調(diào)信號頻譜和帶寬已調(diào)信號頻譜和帶寬角度調(diào)制信號的接收角度調(diào)制信號的接收212022-4-27非線性調(diào)制非線性調(diào)制基本原理基本原理v角度調(diào)制：角度調(diào)制： 調(diào)制信號調(diào)制載波頻率和相位；調(diào)制信號調(diào)制載波頻率和相位； 信息附加在載波相位上；信息附加在載波相位上； 已調(diào)信號頻譜變化，與調(diào)制信號頻率成已調(diào)信號頻譜變化，與調(diào)制信號頻率成非線性關(guān)系非線性關(guān)系； t 瞬瞬時時相相位位 idttdt ( )瞬瞬時時角角頻頻率率 itt dt 0( )調(diào)制信號：調(diào)制信號：m(t)=Amcos mt載波：載波：c(t)=Acos 0t

18、 s tAt cos已調(diào)信號：已調(diào)信號：222022-4-27非線性調(diào)制非線性調(diào)制調(diào)相調(diào)相PM波波v PM波：已調(diào)正弦波波：已調(diào)正弦波瞬時相位瞬時相位與調(diào)制信號與調(diào)制信號m(t)成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。00 ( )cos( )ppPMstAtk m t 波波： 00( )pttk m t 瞬瞬時時相相位位： ( )( )co s ppmmtk m tk At 調(diào)調(diào)制制瞬瞬時時相相位位偏偏移移max ( ) pmtk A 最最大大調(diào)調(diào)制制瞬瞬時時相相位位偏偏移移00 ( )( )sinippmmmdm ttdtAkkt瞬瞬時時角角頻頻率率 kP調(diào)制常數(shù)，代表調(diào)相器靈敏度調(diào)制常數(shù)，代表調(diào)相器靈敏度

19、232022-4-27非線性調(diào)制非線性調(diào)制調(diào)頻調(diào)頻FM波波v FM波：已調(diào)正弦波波：已調(diào)正弦波瞬時角頻率瞬時角頻率與調(diào)制信號與調(diào)制信號m(t)成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。00 ( )cos( )ffFMstAtkm t dt 波波： 0( )ftk m t 瞬瞬時時頻頻率率： ( )( ) sin fmfmmk Atkm t dtt 瞬瞬時時調(diào)調(diào)制制相相位位偏偏移移max ( ) fmmk At 最最大大調(diào)調(diào)制制瞬瞬時時相相位位偏偏移移0( )( ) iftk m t 瞬瞬時時角角頻頻率率kf調(diào)制常數(shù)，代表調(diào)頻器靈敏度調(diào)制常數(shù)，代表調(diào)頻器靈敏度00( )ftkm t dt 瞬瞬時時相相位位：242

20、022-4-27非線性調(diào)制非線性調(diào)制PM與與FM比較比較00 ( )cos( )ppPMstAtk m t 波波：00 ( )cos( )ffFMstAtkm t dt 波波：00 ( )cos( )ppstAtkm t dt 令：令：m1(t)=m(t)dt 做調(diào)制信號，調(diào)相：做調(diào)制信號，調(diào)相：間接調(diào)頻間接調(diào)頻令：令：m2(t)=dm(t)/dt 做調(diào)制信號，調(diào)頻：做調(diào)制信號，調(diào)頻：00( )cos( )ffstAtk m t 間接調(diào)相間接調(diào)相252022-4-27非線性調(diào)制非線性調(diào)制PM與與FM比較比較例：如圖已調(diào)信號波形和角頻率，其中，瞬時角頻率隨時間線性變化例：如圖已調(diào)信號波形和角頻率

21、，其中，瞬時角頻率隨時間線性變化, ,試確定調(diào)制信號的形式。試確定調(diào)制信號的形式。( )it( )s t分析：分析：l若已調(diào)信號為若已調(diào)信號為FM波：波：0( )( )iftk m t( )m tat 0( )( )ipdm ttkdt2( )m tat l若已調(diào)信號為若已調(diào)信號為PM波：波：同一角度調(diào)制結(jié)果，可采用不同調(diào)制方式（同一角度調(diào)制結(jié)果，可采用不同調(diào)制方式（FM/PMFM/PM）實現(xiàn)。）實現(xiàn)。只是，選用的調(diào)制信號不同。只是，選用的調(diào)制信號不同。262022-4-27非線性調(diào)制非線性調(diào)制頻譜與帶寬頻譜與帶寬(FM)0 ( )cos( )ffFMstAtkm t dt 波波：0cossi

22、nfmmmk AAtt fmfmk Am 調(diào)制信號：調(diào)制信號：m(t)=Amcos mtmaxmaxsinfmfmtm cosfmmk At maxfmfmk Am maxmaxfmmfmf 0cossinmfAtmt 最大相位偏移最大相位偏移272022-4-27非線性調(diào)制非線性調(diào)制頻譜與帶寬頻譜與帶寬(FM) 0cossinffmstAtmt 0cosnfmnAJmtnt 2cos012fj mm nmnfJmedm 第一類第一類 n 階貝塞爾函數(shù)階貝塞爾函數(shù)()()()()nfnfnfnfJmJ mnJmJ mn 當(dāng)當(dāng) 為為偶偶數(shù)數(shù)時時當(dāng)當(dāng) 為為奇奇數(shù)數(shù)時時 00fnfmmnSAJmnn

23、 0 載頻載頻 0+n m 邊頻，成對邊頻，成對帶寬：帶寬：B2(mf+1)fm282022-4-27非線性調(diào)制非線性調(diào)制頻譜與帶寬頻譜與帶寬(FM)kHzmkHzkHzkHzkHzkHzkHzkHz 邊頻成對；邊頻成對；2mBf2(1)fmBmfmax2()mffmax2()mBff當(dāng)調(diào)制信號含有當(dāng)調(diào)制信號含有很多頻率分量時：很多頻率分量時： 當(dāng)調(diào)制指數(shù)當(dāng)調(diào)制指數(shù)mf1 時，時，稱為稱為窄帶調(diào)頻窄帶調(diào)頻。 大部分功率集中在有限大部分功率集中在有限帶寬內(nèi)；帶寬內(nèi)； 若忽略掉振幅小于未調(diào)載若忽略掉振幅小于未調(diào)載波振幅波振幅1%的邊頻分量，則：的邊頻分量，則：292022-4-27非線性調(diào)制非線性

24、調(diào)制頻譜與帶寬頻譜與帶寬(FM) fst 的的帶帶寬寬 1,fm時時 即即窄窄帶帶調(diào)調(diào)頻頻時時： fst 的的頻頻譜譜特特性性 m t 為為單單頻頻信信號號，但但已已調(diào)調(diào)信信號號卻卻有有無無限限多多頻頻率率分分量量 00,;fnJm =0=0：載載頻頻分分量量處處 ,.nfmnJm 0 0：邊邊頻頻分分量量對對稱稱分分布布在在載載頻頻兩兩側(cè)側(cè)，間間隔隔為為 1nffnJmnm 的的增增大大使使得得逐逐漸漸下下降降，的的邊邊頻頻分分量量可可忽忽略略. . 001,.fmm 時時 只只存存在在分分量量 窄帶調(diào)頻窄帶調(diào)頻1fnnm 較較大大時時，有有多多個個頻頻率率分分量量，的的邊邊頻頻分分量量可可

25、忽忽略略. . max2(1)2()fmmBmfff 2mBf 302022-4-27非線性調(diào)制非線性調(diào)制頻譜與帶寬頻譜與帶寬(PM)0 ( )cos( )ppPMstAtk m t 波波：maxmaxpmmfmf max2(1) 2(1)pmmmBmff 0coscosfmmAtk At 0coscosmpAtmt ppmmk A maxmaxcospmpmtm sinpmmmk At maxpmmpmk Am max2()mff 1,2pmmBf 窄窄帶帶調(diào)調(diào)相相時時： 最大相最大相位偏移位偏移312022-4-27非線性調(diào)制非線性調(diào)制接收接收v角調(diào)信號特點(diǎn)角調(diào)信號特點(diǎn) 振幅恒定，不含信息；振幅恒定，不含信息； 噪聲對信號角度影響??；噪聲對信號角度影響??；v解調(diào)方法：解調(diào)方法： 限幅器限幅器+鑒頻器；鑒頻器； 限幅器限幅器+鑒相器；鑒相器；322022-4-27例：例： 某調(diào)頻波某調(diào)頻波 ，求：，求： （1）已調(diào)信號平均功率；）已調(diào)信號平均功率