通信原理課件第3章-模擬傳輸資料

1、通信原理課件第3章-模擬傳輸 a tta m ttm調(diào)制器調(diào)制器 m tcoscAt調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)幅度調(diào)制幅度調(diào)制角度調(diào)制角度調(diào)制都是 的函數(shù) ,csg txtxta tt m t被調(diào)信號(hào)被調(diào)信號(hào)2( )( )cos2( )( )cos2( )sin2Re ( )ccccscjf ts ta tf ttx tf tx tf tg t e已調(diào)帶通信號(hào)已調(diào)帶通信號(hào):( )Re ( ) cjts tg t e 的譜的譜:( ) s t 1/2ccS fG ffGff 1/4 sgcgcPfPffPff : G fF g t其中 PSDgPfg t是的( )( )g ts t其中：為

2、的復(fù)包絡(luò) 的功率譜的功率譜:( )s t2221( )21( )( )2Ps tttag 的歸一化平均功率為：的歸一化平均功率為：( )s t3.1 幅度調(diào)制(Amplitude Modulation)已調(diào)帶通信號(hào)的頻譜是基帶信號(hào)頻譜的簡(jiǎn)單搬移已調(diào)帶通信號(hào)的頻譜是基帶信號(hào)頻譜的簡(jiǎn)單搬移幅度調(diào)制幅度調(diào)制-用信號(hào)去迫使高頻載波瞬時(shí)幅度變化。用信號(hào)去迫使高頻載波瞬時(shí)幅度變化。模擬常規(guī)調(diào)幅模擬常規(guī)調(diào)幅（AM）抑制載波雙邊帶調(diào)幅（抑制載波雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）單邊帶調(diào)幅（單邊帶調(diào)幅（SSB）殘留邊帶調(diào)幅（殘留邊帶調(diào)幅（VSB）信號(hào)）信號(hào) (conventional AM)3.1.1 常規(guī)調(diào)幅常規(guī)調(diào)幅

3、AM 1表達(dá)式：表達(dá)式： 0( )1( ) cos2AMstAm tf t調(diào)制：調(diào)制： 1g tAm t復(fù)包絡(luò)復(fù)包絡(luò):00( )cos2( )cos2AMstAf tAm tf t0cos2Af t圖（圖（a）常規(guī)調(diào)幅）常規(guī)調(diào)幅圖（圖（b）過(guò)調(diào)幅）過(guò)調(diào)幅波形波形: 1Amt 1Amt( )m t0cos2f t0cos2f t（常規(guī)調(diào)幅（常規(guī)調(diào)幅: ） maxAcA 1cAm t AMsttt 1m tt0 m tt00costA一般：一般： 0m t常規(guī)調(diào)幅常規(guī)調(diào)幅: max1m t min1m t m tt11 tscAt過(guò)調(diào)幅：過(guò)調(diào)幅： max1m t min1m t or載波反相點(diǎn)載波

4、反相點(diǎn)2. 頻域分析頻域分析 頻譜：頻譜： 00002( )2AMAffffASfMffMff頻譜圖：頻譜圖： fMfBB02AMBB fSfcfcfUpper sidebandLower sideband000( )1( ) cos2( )coo 2css2AMAstAm tf tAmffttt常規(guī)常規(guī)AM信號(hào)的波形及頻譜信號(hào)的波形及頻譜3. 功率與效率功率與效率 歸一化功率：歸一化功率： 22222222211122112222AMAMcmPstatAm tAm tmtAAmtPP( )( )1( )a tg tAm t00cos2( )( )cos2AMAf tstAm tf t2221

5、1( )22ccAMPAAmt 離散載波功率邊帶功率(上、下兩個(gè)邊帶)調(diào)制效率：調(diào)制效率：AM22222221( )211( )1( )( )22AMA mtAAmtmmtt邊帶功率總功率1AM maxAMm t例例單頻正弦波調(diào)制信號(hào)：?jiǎn)晤l正弦波調(diào)制信號(hào)：22011( )sin2mTmmmttdtT22( )1/ 233%1 1/ 21( )AMmtmtsinmt4. 接收接收 常規(guī)調(diào)幅常用的二極管常規(guī)調(diào)幅常用的二極管包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器解調(diào)：解調(diào)： ( )1( )outvtAm t非相干解調(diào)：接收機(jī)不需要產(chǎn)非相干解調(diào)：接收機(jī)不需要產(chǎn)生與接收信號(hào)中的載波同頻同生與接收信號(hào)中的載波同頻同相的本地

6、載波的接收方式。相的本地載波的接收方式。 總結(jié)：總結(jié)：AM 信號(hào)的特點(diǎn)信號(hào)的特點(diǎn):l AM信號(hào)的信號(hào)的功率效率功率效率 很低，因?yàn)殡x散載波項(xiàng)浪費(fèi)功率。很低，因?yàn)殡x散載波項(xiàng)浪費(fèi)功率。l AM 信號(hào)的信號(hào)的帶寬帶寬是是 信息信號(hào)信息信號(hào) m(t)帶寬的帶寬的2倍倍. 上下兩個(gè)上下兩個(gè)邊帶完全對(duì)稱(chēng)，帶寬浪費(fèi)一半。邊帶完全對(duì)稱(chēng)，帶寬浪費(fèi)一半。3.2.2 抑制載波雙邊帶調(diào)幅 Double-Sideband Suppressed Carrier (DSB-SC)1. DSB-SC信號(hào)信號(hào) ( )( )cos2DSBccstA m tf t( )( )cg tA m t tscosccAt tmttt載波反

7、相點(diǎn)載波反相點(diǎn)波形：波形：2. 頻域分析頻域分析 頻譜：頻譜：( )2cDSBccASfMffMff fMfBB0 DSBSf2DSBBB( )( )cG fA M ffcfcfUpper sidebandLower sideband3. 功率與效率功率與效率 22222211222cDSBDSBcA mtPstatA mt調(diào)制效率調(diào)制效率: 歸一化功率歸一化功率: 1DSB( )( )cg tA m t4. 發(fā)射和接收發(fā)射和接收發(fā)射（調(diào)制）：發(fā)射（調(diào)制）： tmtAcccos cosDSBccstA m tt接收（解調(diào)）：相干解調(diào)（接收機(jī)本地載波與接收載波同接收（解調(diào)）：相干解調(diào)（接收機(jī)本地

8、載波與接收載波同頻同相）頻同相）cos()cctLPF tr1 tm cos()incccrtA m tt cosincccrtA m tt trin00costLPF tr1 tm 1000000coscoscoscos2ccccccccr tA m tttAm tttttAfter LPF: 00cos2cos2cccccAm tm tttAm tt 相干解調(diào)原理：相干解調(diào)原理：乘積檢波器乘積檢波器Discuss: 10 ,20 ,00 ,cos22,cccm tAm tm t若則失真若但則當(dāng)反相當(dāng) cos2ccAm tm tt 同頻 和 同相相干解調(diào)相干解調(diào)總結(jié)：總結(jié)：DSB 信號(hào)的特點(diǎn)

9、信號(hào)的特點(diǎn):l 乘積檢波器乘積檢波器用于檢測(cè)用于檢測(cè) DSB信號(hào)，信號(hào)，乘積檢波器較包絡(luò)乘積檢波器較包絡(luò)檢波器昂貴檢波器昂貴 。l DSB信號(hào)的信號(hào)的功率效率功率效率 高。高。l DSB信號(hào)的信號(hào)的帶寬帶寬是是 信息信號(hào)信息信號(hào) m(t)帶寬的帶寬的2倍倍. 上下兩上下兩個(gè)邊帶完全對(duì)稱(chēng)，帶寬浪費(fèi)一半。個(gè)邊帶完全對(duì)稱(chēng)，帶寬浪費(fèi)一半。single sideband signal (SSB)3.2.3 單邊帶調(diào)幅（單邊帶調(diào)幅（SSB） 1. SSB信號(hào)信號(hào) 只取只取DSB-SC信號(hào)中的上邊帶或下邊帶分量。信號(hào)中的上邊帶或下邊帶分量。 上邊帶信號(hào)上邊帶信號(hào)：( )USBst，頻譜：，頻譜：( )USB

10、Sf 下邊帶信號(hào)下邊帶信號(hào)：( )LSBst ，頻譜：，頻譜：( )LSBSf頻譜：頻譜： 濾波法產(chǎn)生濾波法產(chǎn)生SSB信號(hào)信號(hào) 保留上邊帶的邊帶濾波器：保留上邊帶的邊帶濾波器： 1,0,cSSBUSBcffHfHfff保留下邊帶的邊帶濾波器：保留下邊帶的邊帶濾波器： 1,0,cSSBLSBcffHfHfffcf0cf USBHf1cf0cf LSBHf1cf0cf DSBSf 解調(diào)方法解調(diào)方法由于由于 若若z(t) = x(t) y(t) ，則有則有Z( ) = X( ) Y( ) 單邊帶信號(hào)解調(diào)時(shí)，單邊帶信號(hào)解調(diào)時(shí)，用載波用載波coscos 0 0t t 和接收和接收信號(hào)相乘，相當(dāng)于在信號(hào)相

11、乘，相當(dāng)于在頻域中載波頻譜和信頻域中載波頻譜和信號(hào)頻譜相卷積。號(hào)頻譜相卷積。 S(f)(b) 上邊帶信號(hào)頻譜上邊帶信號(hào)頻譜上邊帶上邊帶上邊帶上邊帶f00-f0f2f0-2f0(a) 載波頻譜載波頻譜f00-f0fC(f)(c) 載波和上邊帶信號(hào)頻譜的卷積結(jié)果載波和上邊帶信號(hào)頻譜的卷積結(jié)果f00-f0f2f0-2f0M(f)HL(f)總結(jié)：總結(jié)：SSB 信號(hào)的特點(diǎn)信號(hào)的特點(diǎn):lSSB信號(hào)的產(chǎn)生比信號(hào)的產(chǎn)生比AM、DSB復(fù)雜。復(fù)雜。l SSB信號(hào)的信號(hào)的帶寬帶寬等于信息信號(hào)等于信息信號(hào) m(t)的帶寬。只有的帶寬。只有 AM、DSB帶寬的一半。帶寬的一半。3.2.4 殘留邊殘留邊帶帶(VSB)調(diào)制

12、調(diào)制原理：VSB仍為線(xiàn)性調(diào)制。 調(diào)制信號(hào)和載波相乘后的頻譜為 設(shè)調(diào)制器的濾波器的傳輸函數(shù)為H( f )，則濾波輸出的已調(diào)信號(hào)頻譜為00()()()2ASfMffMff已調(diào)已調(diào)信號(hào)信號(hào)s(t)s(t)()()(2)(00fHffMffMAfS現(xiàn)在，求出為了得到VSB信號(hào)， H( f )應(yīng)滿(mǎn)足的條件： 若仍用右圖解調(diào)器， 則接收信號(hào)和本地載波相乘后得到的r (t)的頻譜為： 將已調(diào)信號(hào)的頻譜代入上式，得到r (t)的頻譜為： 上式中M(f + 2f0)和M(f 2f0)兩項(xiàng)可以由低通濾波器濾除，所以得到濾波輸出的解調(diào)信號(hào)的頻譜密度為：)()(2100ffSffS)()()(2)(00fHffMff

13、MAfS)()()2()()()2(40000ffHfMffMffHfMffMA)()()(400ffHffHfMA基帶基帶信號(hào)信號(hào)m(t)m(t)接收接收信號(hào)信號(hào)s(t)s(t)coscos 0 0t tr r (t)(t) H(f)H(f) 為了恢復(fù)無(wú)失真調(diào)制信號(hào)為了恢復(fù)無(wú)失真調(diào)制信號(hào) M( f ) , , HV( f ) 必須滿(mǎn)足必須滿(mǎn)足下面條件下面條件:()(),VcVcHffHffCfB互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)性 tKmtsBffKMfSoutout,C 常數(shù) fHVfcfcff2cfcf2cfcf fMfBB02cVcMffHff2cVcMffHff3.2 模擬角度調(diào)制 3.3.1 基本原理基本原

14、理頻率的概念：嚴(yán)格地說(shuō)，只有無(wú)限長(zhǎng)的恒定振幅和恒定相位的正弦波形才具有單一頻率。載波被調(diào)制后，不再僅有單一頻率。“瞬時(shí)頻率”的概念：設(shè)一個(gè)載波可以表示為式中，0為載波的初始相位； (t) = 0t + 0 為載波的瞬時(shí)相位 ; 0 = d(t)/dt 為載波的角頻率。 現(xiàn)定義瞬時(shí)頻率： 上式可以改寫(xiě)為：)cos()(cos)(00tAtAtc( )( )idttdt0)()(dttti角度調(diào)制的定義：角度調(diào)制的定義：由下式可見(jiàn)， (t)是載波的相位。若使它隨調(diào)制信號(hào)m(t)以某種方式變化，則稱(chēng)其為角度調(diào)制。n相位調(diào)制的定義：若使相位(t)隨m(t)線(xiàn)性變化，即令 則稱(chēng)為相位調(diào)制。這時(shí)，已調(diào)信號(hào)

15、的表示式為 此已調(diào)載波的瞬時(shí)頻率為： 上式表示，在相位調(diào)制中瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)的導(dǎo)函數(shù)線(xiàn)性地變化。 )cos()(cos)(00tAtAtc00( )( )pttk m t00( )cos( )pps tAtk m t)(t)0tmdtdkpi（n頻率調(diào)制的定義：若使瞬時(shí)頻率直接隨調(diào)制信號(hào)線(xiàn)性地變化，則稱(chēng)為頻率調(diào)制。這時(shí)，瞬時(shí)角頻率為 及瞬時(shí)相位為這時(shí)，已調(diào)信號(hào)的表示式為：上式表明，載波相位隨調(diào)制信號(hào)的積分線(xiàn)性地變化 。)()(0tmktfi000)()()(dttmktdtttfi)(cos)(00dttmktAtsffn相位調(diào)制和頻率調(diào)制的比較：相位調(diào)制和頻率調(diào)制的比較：在相位調(diào)制中載波相

16、位 (t)隨調(diào)制信號(hào)m (t)線(xiàn)性地變化，而在頻率調(diào)制中載波相位 (t)隨調(diào)制信號(hào)m (t)的積分線(xiàn)性地變化。 若將m (t)先積分，再對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制，即得到頻率調(diào)制信號(hào)。類(lèi)似地，若將m (t)先微分，再對(duì)載波進(jìn)行頻率調(diào)制，就得到相位調(diào)制信號(hào)。僅從已調(diào)信號(hào)波形上看無(wú)法區(qū)分二者。 n角度調(diào)制的波形角度調(diào)制的波形若m(t)作直線(xiàn)變化，則已調(diào)信號(hào)就是頻率調(diào)制信號(hào)。若m(t)是隨 t 2變化，則已調(diào)信號(hào)就是相位調(diào)制信號(hào) 角度調(diào)制波形角度調(diào)制波形 i3.3.2 已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬設(shè)：調(diào)制信號(hào)m(t)是一個(gè)余弦波， 用其對(duì)載波作頻率調(diào)制，則載波的瞬時(shí)角頻率為 上式中，kf = 為

17、最大頻移n已調(diào)信號(hào)表示式： 式中， mf / fm為最大頻率偏移和基帶信號(hào)頻率之比，稱(chēng)為調(diào)制指數(shù)mf ，即有：ttmmcos)(tktmktmfficos)()(00sin)/(coscoscos)(00ttAtdtktAtsmmmffmfmmfkffm是一個(gè)含有是一個(gè)含有正弦函數(shù)正弦函數(shù)的余弦函數(shù)，它的展開(kāi)式為：的余弦函數(shù)，它的展開(kāi)式為：式中，式中，Jn(mf)為第為第一類(lèi)一類(lèi)n階貝塞爾函數(shù)，階貝塞爾函數(shù)，它具有如下性質(zhì)：它具有如下性質(zhì)：故上式可以改寫(xiě)為：故上式可以改寫(xiě)為： 已調(diào)信號(hào)最終表示式已調(diào)信號(hào)最終表示式sin)/(coscoscos)(00ttAtdtktAtsmmmff)3cos(

18、)3)cos()2cos()2)cos()cos()cos(cos)()(00300200100ttmJttmJttmJtmJAtsmmfmmfmmfff為奇數(shù)時(shí)當(dāng)為偶數(shù)時(shí)當(dāng)nmJmJnmJmJfnfnfnfn)()()()(nmfnftnmJAts)cos()()(0 xn頻譜特點(diǎn)：頻譜特點(diǎn)：邊頻成對(duì)大部分功率集中在有限帶寬內(nèi)當(dāng)調(diào)制指數(shù)mf 1 時(shí)，帶寬B： 式中，f 調(diào)制頻移，fm 調(diào)制信號(hào)頻率。mkHzkHzkHzkHz作kHzkHzkHzkHz)( 2mB)(2mff 應(yīng)用拓展應(yīng)用拓展 多路復(fù)用多路復(fù)用：將多路彼此不相關(guān)的消息信號(hào)合并為一個(gè)復(fù)：將多路彼此不相關(guān)的消息信號(hào)合并為一個(gè)復(fù)合的群信號(hào)，共同在一條信道上進(jìn)行通信。合的群信號(hào)，共同在一條信道上進(jìn)行通信。 分為：頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用（FDM） 時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用（TDM） 碼分多路復(fù)用碼分多路復(fù)用（CDM） FDM FDM 是在一個(gè)寬帶信道上同時(shí)傳輸多路信息的技術(shù)。是在一個(gè)寬帶信道上同時(shí)傳輸多路信息的技術(shù)。2chchn1chf1cfcNf2cf FDM的實(shí)現(xiàn)：的實(shí)現(xiàn)：(1) (1) 發(fā)端發(fā)端1cf1cf tm1 nmt tm2調(diào)制器1cnf2cf調(diào)制器2調(diào)制器n