信號的發(fā)射與接收

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信號的發(fā)射與接收

（以模擬信號為例）通信系統(tǒng)的組成框圖23引言基帶信號：頻譜限于f=0（直流）附近的低通型信號為基帶信號。模擬基帶信號：模擬的基帶信號頻帶信號：頻譜限于某一頻率附近的信號。在頻帶信道中傳輸信號，需要通過正弦型載波調(diào)制將模擬基帶信號變換為頻帶信號，該頻帶信號是在中心頻率fc附近。載波幅度載波頻率載波初始相位4模擬基帶信號m(t)對載波c(t)進行調(diào)制：用m(t)的變化規(guī)律去控制載波c(t)的幅度，或者頻率，或者相位。載波幅度載波頻率載波初始相位幅度調(diào)制（AM）頻率調(diào)制（FM）相位調(diào)制（PM）調(diào)制信號5調(diào)制的實質(zhì)是頻譜搬移，其作用和目的是：1、將調(diào)制信號（基帶信號）轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號（頻帶信號）；2、實現(xiàn)信道的多路復用，提高信道利用率；3、通過不同的調(diào)制方式兼顧通信的有效性和可靠性，實現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。6幅度調(diào)制（線性調(diào)制）幅度調(diào)制中，正弦載波的幅度是隨模擬信號m(t)的變化規(guī)律成正比變化。對應(yīng)有四種幅度調(diào)制方法：（1）雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SC）（4）殘留邊帶調(diào)制（VSB）（2）具有離散大載波的雙邊帶調(diào)幅（AM）（3）單邊帶調(diào)幅（SSB）7幅度調(diào)制的一般原理h(t)不同，對應(yīng)不同的幅度調(diào)制方式8雙邊帶抑制載波調(diào)幅(DSB-SC)1、雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號的產(chǎn)生帶通濾波器帶通濾波器確保已調(diào)信號完全通過910附1傅立葉變換11能量譜密度（f(t):實能量信號；傅立葉變換存在）附2能量譜密度與功率譜密度雙邊能量譜密度單邊能量譜密度：能量守恒12f(t)的功率雙邊功率譜密度：單邊功率譜密度132、雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號的頻譜特性為簡便起見，只考慮m(t)是確定信號的情況確定信號的頻譜：付氏頻譜隨機信號的頻譜：功率譜1415經(jīng)幅度調(diào)制后，基帶信號的頻譜被搬移到載頻處。若模擬基帶信號的帶寬為W，則已調(diào)信號的帶寬為2W。結(jié)論：傳輸此已調(diào)信號s(t)的信道帶寬為2W。16無論S(f)的上邊帶或下邊帶均與M(f)的所有頻率分量相對應(yīng)說明1：上、下邊帶攜帶相同的消息，所以稱此調(diào)幅信號為雙邊帶信號。說明2：該調(diào)幅信號的頻譜中不包含離散的載頻分量，所以稱其為雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號。上邊帶上邊帶下邊帶下邊帶17模擬基帶信號M(t)的功率譜密度DSB-SBAM信號的功率譜：調(diào)幅信號的功率譜是模擬基帶信號功率譜線性搬移的結(jié)果——線性調(diào)制18DSB－SC的相干解調(diào)框圖19雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號的相干解調(diào)LPF的輸出！yo(t)相干解調(diào)：利用恢復載波20載波提取發(fā)端加一離散載頻分量（導頻）收端用平方環(huán)法或COSTAS環(huán)法從接收信號中提取載波加導頻的缺點：在發(fā)端要分配一部分功率給導頻。21具有離散大載波的雙邊帶調(diào)幅(AM)調(diào)制指數(shù)調(diào)幅系數(shù)雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號頻譜＋離散大載波分量m(t)的歸一化表示式2223AM波信號功率＝攜帶消息的已調(diào)信號功率＋載波功率調(diào)制效率：攜帶消息的已調(diào)信號功率與已調(diào)信號總功率之比24簡單、經(jīng)濟1、包絡(luò)檢波：半波整流、低通濾波器、隔直流2、相干解調(diào)！AM信號的解調(diào)：25需采用相干解調(diào)(同步檢波)，不能采用簡單的包絡(luò)檢波。在調(diào)制信號m(t)的過零點處，載波相位有180°的突變。DSB信號功率利用率高，但它的頻帶寬度仍是調(diào)制信號帶寬的兩倍，與AM信號帶寬相同。DSB信號的特點（與AM信號相比）：26單邊帶調(diào)幅(SSB)單邊帶信號的產(chǎn)生方法：濾波法和相移法。1、用濾波法形成單邊帶信號27圖4–5形成SSB信號的濾波特性

28圖4-6SSB信號的頻譜

29濾波法的技術(shù)難點：單邊帶濾波器要求在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制無用的一個邊帶。在工程中往往采用多級調(diào)制濾波的方法。30上、下邊帶信號的時域表達式312、用相移法產(chǎn)生單邊帶信號32單邊帶信號的解調(diào)方法1、相干解調(diào):相位差要盡量小!發(fā)端加導頻分量332、非相干解調(diào):借用AM的非相干解調(diào)思路發(fā)端增加離散大載波,包絡(luò)檢波3435殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)殘留邊帶調(diào)制是界于SSB與DSB之間的一種調(diào)制方式，它既克服了DSB信號占用頻帶寬的缺點，又解決了SSB信號實現(xiàn)上的難題。在VSB中，不是完全抑制一個邊帶，而是逐漸切割，使其殘留一小部分，如圖所示：36DSB、SSB和VSB信號的頻譜下邊帶殘留37VSBAM信號的調(diào)制與解調(diào)框圖38常數(shù)39(a)殘留部分上邊帶的濾波器特性(b)殘留部分下邊帶的濾波器特性4041VSB的解調(diào)方式1、相干解調(diào)2、具有離散大載波的VSBAM信號的包絡(luò)檢波42BVSB=BSSB;實現(xiàn)容易；只要HVSB(ω)在±ωc處具有互補對稱（奇對稱）特性，那么，采用相干解調(diào)法解調(diào)殘留邊帶信號就能夠準確地恢復所需的基帶信號。VSB信號的特點：43角度調(diào)制幅度調(diào)制屬于線性調(diào)制，它是通過改變載波的幅度，以實現(xiàn)調(diào)制信號頻譜的平移及線性變換的。因此，我們不僅可以把調(diào)制信號的信息寄托在載波的幅度變化中，還可以寄托在載波的頻率或相位變化中。一個正弦載波有幅度、頻率和相位三個參量載波的頻率或相位按調(diào)制信號的規(guī)律變化而振幅保持恒定的調(diào)制方式，稱為頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。頻率或相位的變化都可以看成是載波角度的變化，故調(diào)頻和調(diào)相又統(tǒng)稱為角度調(diào)制。44角度調(diào)制與線性調(diào)制不同，已調(diào)信號頻譜不再是原調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，又稱為非線性調(diào)制。由于頻率和相位之間存在微分與積分的關(guān)系，故調(diào)頻與調(diào)相之間存在密切的關(guān)系，即調(diào)頻必調(diào)相，調(diào)相必調(diào)頻。角度調(diào)制的另一特點是它占有較寬的信道帶寬，角調(diào)信號的帶寬是基帶信號的許多倍。但是該系統(tǒng)的可靠性好（信噪比高）——應(yīng)用廣泛。45調(diào)頻及調(diào)相信號角度調(diào)制信號：1、調(diào)頻及調(diào)相信號的表示式信號瞬時相位:信號瞬時頻率：46帶通型的角度調(diào)制信號：信號瞬時相位信號瞬時頻率：m(t)：模擬基帶信號調(diào)相系統(tǒng)：調(diào)頻系統(tǒng)：相移與基帶信號成正比頻移與基帶信號成正比Kp：相位偏移常數(shù)，Kf：頻率偏移常數(shù)47如果將調(diào)制信號先微分，而后進行調(diào)頻，則得到的是調(diào)相波，這種方式叫間接調(diào)相；如果將調(diào)制信號先積分，而后進行調(diào)相，則得到的是調(diào)頻波，這種方式叫間接調(diào)頻。48由于實際相位調(diào)制器的調(diào)制范圍不大，所以直接調(diào)相和間接調(diào)頻僅適用于相位偏移和頻率偏移不大的窄帶調(diào)制情況，而直接調(diào)頻和間接調(diào)相常用于寬帶調(diào)制情況。從以上分析可見，調(diào)頻與調(diào)相并無本質(zhì)區(qū)別，兩者之間可相互轉(zhuǎn)換。492、窄帶角度調(diào)制的定義：與AM系統(tǒng)類似：已調(diào)信號帶寬是基帶信號帶寬的兩倍，實際上其抗噪聲性能也與AM一致。實際很少用，一般是做為產(chǎn)生寬帶角度調(diào)制的中間級。50角度調(diào)制信號的頻譜特性角度調(diào)制系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，即使是簡單的模擬基帶信號的角度調(diào)制，數(shù)學上也很難求出它的精確頻譜特性。以單頻信號為例，利用近似分析進行頻譜分析，然后將其結(jié)果推廣于更復雜的基帶信號。1、正弦基帶信號的角度調(diào)制可能是調(diào)制指數(shù),也可能是周期函數(shù)付氏級數(shù)展開51第一類n階貝塞爾函數(shù)52角調(diào)信號的頻譜包含無窮多個分量。角調(diào)信號的頻譜寬度為無限寬！53n為偶數(shù)時n為奇數(shù)時54理論上調(diào)頻波的頻帶寬度為無限寬。實際上邊頻幅度Jn(β)隨著n的增大而逐漸減小，因此只要取適當?shù)膎值使邊頻分量小到可以忽略的程度，調(diào)頻信號可近似認為具有“有限頻譜”。角調(diào)信號的有效帶寬至少含有98％的總信號功率?；鶐盘枺阂颜{(diào)信號的有效帶寬的近似計算公式為：55角度調(diào)制器與解調(diào)器以調(diào)頻信號為例1、直接調(diào)頻法：用調(diào)制信號(電壓)直接控制振蕩器的頻率，使其頻率按調(diào)制信號(電壓)的規(guī)律線性變化。產(chǎn)生調(diào)頻信號的方法有直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法。輸入電壓為0時，振蕩器產(chǎn)生頻率為的正弦波VCO可以滿足寬帶調(diào)頻的大頻偏要求，但VCO中心頻率穩(wěn)定度不高。56(PLL------Phaselockedloop)鎖相環(huán)：確保VCO中心頻率的穩(wěn)定性及準確度與晶振一致。572、間接調(diào)頻58先產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號(NBFM)，然后利用倍頻器把NBFM變換成寬帶調(diào)頻信號(WBFM)。59以典型的調(diào)頻廣播的調(diào)頻發(fā)射機為例。在這種發(fā)射機中首先以f1=200kHz為載頻，用最高頻率fm=15kHz的調(diào)制信號產(chǎn)生頻偏Δf1=25Hz的窄帶調(diào)頻信號。而調(diào)頻廣播的最終頻偏Δf=75kHz,載頻fc在88-108MHz頻段內(nèi)，因此需要經(jīng)過的n=Δf/Δf1=75×103/25=3000的倍頻，但倍頻后新的載波頻率(nf1)高達600MHz，不符合fc的要求。因此需要混頻器來解決這個問題。60Armstrong間接法61間接法的優(yōu)點是頻率穩(wěn)定度好。缺點是需要多次倍頻和混頻，因此電路較復雜。62調(diào)頻解調(diào)器1)普通鑒頻器由于調(diào)頻信號的瞬時頻率正比于調(diào)制信號的幅度，因而調(diào)頻信號的解調(diào)器必須能產(chǎn)生正比于輸入頻率的輸出電壓。63微分器輸出：64(2)調(diào)頻負反饋解調(diào)方案引入負反饋：加到鑒頻器輸入端的調(diào)頻信號的調(diào)制指數(shù)很小，從而可以選用帶寬較小的BPF可以抑制鑒頻前的加性噪聲！65(3)利用鎖相環(huán)作調(diào)頻解調(diào)器鑒相器：乘法器＋LPF調(diào)頻負反饋及鎖相環(huán)解調(diào)的主要優(yōu)點是可以擴展門限。66模擬通信系統(tǒng)的評估：有效性：用有效傳輸頻帶來度量，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度?？煽啃裕喊l(fā)與收信號的差異程度——通常用整個通信系統(tǒng)的輸出信噪比來表示（信號傳輸時疊加上的加性噪聲，信道傳輸特性不理想導致的乘性干擾） 67評價一個模擬通信系統(tǒng)質(zhì)量的好壞，最終是要看解調(diào)器的輸出信噪比(SNR)。解調(diào)器輸出信號平均功率解調(diào)器輸出噪聲平均功率解調(diào)器輸入信號平均功率解調(diào)器輸入噪聲平均功率調(diào)制制度增益68調(diào)制方式信號帶寬制度增益設(shè)備復雜度主要應(yīng)用DSB2中等較少應(yīng)用SSB1復雜短波無線電廣播，話音頻分多路VSB略大于近似SSB近似SSB復雜商用電視廣播AM<1簡單中短波無線電廣播FM中等超短波小功率電臺(窄帶FM)，微波中繼，調(diào)頻立體聲廣播(寬帶FM)總結(jié)：各種模擬調(diào)制方式的性能69AM調(diào)制的優(yōu)點是接收設(shè)備簡單；缺點是功率利用率低，抗干擾能力差，在傳輸中如果載波受到信道的選擇性衰落，則在包檢時會出現(xiàn)過調(diào)失真，信號頻帶較寬，頻帶利用率不高。因此AM制式用于通信質(zhì)量要求不高的場合，目前主要用在中波和短波的調(diào)幅廣播中。DSB調(diào)制的優(yōu)點是功率利用率高，但帶寬與AM相同，接收要求同步解調(diào)，設(shè)備較復雜。只用于點對點的專用通信，運用不太廣泛?？偨Y(jié)：特點與應(yīng)用70SSB調(diào)制的優(yōu)點是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和抗選擇性衰落能力均優(yōu)于AM,而帶寬只有AM的一半；缺點是發(fā)送和接收設(shè)備都復雜。鑒于這些特點，SSB制式普遍用在頻帶比較擁擠的場合，如短波波段的無線電廣播和頻分多路復用系統(tǒng)中。VSB調(diào)制的訣竅在于部分抑制了發(fā)送邊帶，同時又利用平緩滾降濾波器補償了被抑制部分。VSB的性能與SSB相當。VSB解調(diào)原則上也需同步解調(diào)，但在某些VSB系統(tǒng)中，附加一個足夠大的載波，就可用包絡(luò)檢波法解調(diào)合成信號(VSB+C)，這種(VSB+C)方式綜合了AM、SSB和DSB三者的優(yōu)點。所有這些特點，使VSB對商用電視廣播系統(tǒng)特別具有吸引力。71FM波的