通信原理第3章(2015年上課版)

第3章模擬傳輸本章的主要內(nèi)容一、調(diào)制的目的、定義和分類二、幅度調(diào)制（AM、DSB、SSB、VSB）時(shí)域和頻域表示、帶寬調(diào)制與解調(diào)方法抗噪聲性能四、頻分復(fù)用三、角度調(diào)制（FM、PM）基本概念單頻調(diào)制時(shí)：調(diào)頻和調(diào)相信號(hào)的時(shí)域表示寬帶調(diào)頻信號(hào)的帶寬抗噪性能引言一、調(diào)制定義：按照基帶信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)的過程。二、調(diào)制分類：正弦波調(diào)制模擬調(diào)制：調(diào)制信號(hào)取值連續(xù)；數(shù)字調(diào)制：調(diào)制信號(hào)取值離散。第3章第5章三、模擬調(diào)制2、載波信號(hào)：連續(xù)正弦波3、頻帶信號(hào)：1、基帶信號(hào)：模擬信號(hào)幅度調(diào)制角度調(diào)制模擬調(diào)制4、分類：幅度調(diào)制（線性調(diào)制）：已調(diào)信號(hào)頻譜是基帶信號(hào)頻譜的平移及線性變換；角度調(diào)制（非線性調(diào)制）：已調(diào)信號(hào)不再保持基帶頻譜的結(jié)構(gòu)，其頻譜會(huì)產(chǎn)生無限的頻譜分量。AMDSBSSBVSBFMPM

幅度調(diào)制稱為線性調(diào)制，是因?yàn)檫@種頻譜搬移是線性的。但應(yīng)該注意的是，這種“線性”并不是指已調(diào)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)之間是線性關(guān)系，事實(shí)上，任何調(diào)制過程都是一種非線性的變換過程。四、調(diào)制的作用3.1幅度調(diào)制的原理

一、AM調(diào)制(AM，AmplitudeModulation)問題：為什么要限定m(t)的大??？通過包絡(luò)直接反映消息信號(hào)的變化規(guī)律是AM的核心。稱為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅，或者常規(guī)調(diào)幅。時(shí)域圖和頻譜圖在波形上，頻帶信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)變化而變化，所以解調(diào)既可以采用相干解調(diào)，也可以采用包絡(luò)解調(diào)；在頻譜結(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)的簡單搬移。（屬于線性調(diào)制）調(diào)制指數(shù)（調(diào)幅指數(shù)）AM信號(hào)的帶寬AM信號(hào)的功率調(diào)制效率(2)基帶信號(hào)為隨機(jī)信號(hào)時(shí)已調(diào)信號(hào)的頻譜特性（了解）

在一般情況下，基帶信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，如語音信號(hào)。此時(shí)，已調(diào)信號(hào)的頻譜特性用功率譜密度來表示。AM已調(diào)信號(hào)是一個(gè)循環(huán)平穩(wěn)隨機(jī)過程，其功率譜密度為其自相關(guān)函數(shù)時(shí)間平均值的傅里葉變換。分析可知，在調(diào)制信號(hào)為確知信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)兩種情況下，分別求出的已調(diào)信號(hào)功率表達(dá)式是相似的。例題AM信號(hào)的解調(diào)總結(jié)1、時(shí)域表達(dá)式2、帶寬3、平均功率4、調(diào)制效率5、調(diào)幅系數(shù)6、解調(diào)方式二、雙邊帶（DSB，DoubleSideband）幅度調(diào)制信號(hào)AM信號(hào)：含載頻分量和邊帶分量。調(diào)制信號(hào)的信息包含在AM信號(hào)的包絡(luò)中。DSB信號(hào)：沒有載頻分量，只有邊帶分量。調(diào)制信號(hào)的信息包含在DSB信號(hào)的包絡(luò)和相位中。DSB信號(hào)的時(shí)域波形：已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)隨|m(t)|而變化。DSB信號(hào)的波形和頻譜圖時(shí)域表達(dá)式、頻域表示式？是否可以采用包絡(luò)解調(diào)？

載波提取電路：1）加導(dǎo)頻

2）鎖相環(huán)技術(shù)結(jié)論三、單邊帶（SSB，SingleSideband）幅度調(diào)制信號(hào)DSB信號(hào)：包含兩個(gè)邊帶，即上、下邊帶。由于這兩個(gè)邊帶包含相同的信息，從傳輸?shù)慕嵌葋砜?，傳輸一個(gè)邊帶即可。SSB信號(hào)：只產(chǎn)生一個(gè)邊帶（上邊帶或下邊帶）。1）濾波法：對(duì)DSB信號(hào)通過合適的帶通濾波器來得到上邊帶(USB)或下邊帶(LSB)信號(hào)。1、SSB信號(hào)的產(chǎn)生問題：功率為多少？2）用相移法形成SSB信號(hào)說明：多級(jí)調(diào)制、多級(jí)濾波生成SSB信號(hào)2、SSB信號(hào)的帶寬、功率和調(diào)制效率四、殘留邊帶（VSB，VestigialSideband）幅度調(diào)制信號(hào)

從“接收端恢復(fù)調(diào)制信號(hào)”入手，來確定殘留邊帶濾波器的傳輸特性?接收端LPF輸出端：接收端LPF輸入端：殘留邊帶濾波器輸出端：

式中,B是基帶信號(hào)的截止頻率。殘留邊帶濾波器的傳輸特性應(yīng)該滿足總結(jié)：時(shí)域表達(dá)式調(diào)幅信號(hào)AMDSBSSB功率設(shè)基帶信號(hào)的平均功率為解調(diào)方式調(diào)幅信號(hào)AMDSBSSB功率VSB頻譜圖時(shí)域波形其它

1+m(t)相干解調(diào)、非相干解調(diào)相干解調(diào)相干解調(diào)相干解調(diào)調(diào)制效率<11113.2幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能1、相干解調(diào)：已調(diào)信號(hào)與本地載波相乘，并通過LPF提取出基帶信號(hào)分量。要求本地載波與發(fā)送載波必須同步或相干（同頻同相）。LPF一、解調(diào)兩種方式：相干解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)

相干解調(diào)適用于所有線性調(diào)制系統(tǒng)，而包絡(luò)解調(diào)一般只適合于AM信號(hào)。LPF暫時(shí)不考慮噪聲輸入信號(hào)與輸出信號(hào)LPF輸入信號(hào)功率與輸出信號(hào)功率2、包絡(luò)解調(diào)（非相干解調(diào)）包絡(luò)解調(diào)器的輸出與輸入信號(hào)的包絡(luò)呈線性關(guān)系。

非相干解調(diào)不需要本地載波，它是利用已調(diào)信號(hào)中的包絡(luò)信息來恢復(fù)基帶信號(hào)。暫時(shí)不考慮噪聲AM信號(hào)：幾乎所有的AM接收機(jī)都采用包絡(luò)解調(diào)。LPF整流器包絡(luò)檢波器1）分析模型二、幅度調(diào)制的抗噪聲性能BPFBPF的中心頻率和帶寬分別與已調(diào)信號(hào)的中心頻率和帶寬相同。

噪聲噪聲功率：抗噪性能的評(píng)估指標(biāo)2）相干解調(diào)器（同步檢測(cè)）的抗噪性能分析信號(hào)功率噪聲功率相干解調(diào)時(shí)的抗噪性能分析設(shè)基帶信號(hào)的平均功率為解調(diào)器的輸入信噪比解調(diào)器的輸出信噪比調(diào)制制度增益（信噪比增益）討論：1）DSB的解調(diào)增益為2。這就是說，DSB信號(hào)的解調(diào)器使得信噪比改善了1倍，這是因?yàn)椴捎猛浇庹{(diào)，使輸入噪聲中的一個(gè)正交分量被消除的緣故。2）SSB的解調(diào)增益為1。這是因?yàn)樾盘?hào)和噪聲具有相似的表達(dá)形式（包含同相分量和正交分量），所以采用同步解調(diào)，信號(hào)和噪聲的正交分量都被抑制。3）如果接收信號(hào)功率相同，噪聲功率譜密度也相同，則雙邊帶和單邊帶在解調(diào)器輸出端的信噪比相同。這就是說，從抗噪聲的觀點(diǎn)看，DSB和SSB是相同的。例題：

設(shè)信道的雙邊噪聲功率譜密度在信道中傳輸抑制載波的雙邊帶信號(hào)，設(shè)調(diào)制信號(hào)的頻帶限制在5kHz，而載波頻率是100kHz，發(fā)送端的已調(diào)信號(hào)的功率為20kW，信道衰減為30分貝。若接收機(jī)的輸入信號(hào)在加至解調(diào)器之前，先經(jīng)過一個(gè)理想的BPF，試問：（1）理想BPF的傳輸特性？（2）解調(diào)器輸入端的信噪比？（3）解調(diào)器輸出端的信噪比？解：討論：如果把題目已知條件從“DSB”改為“SSB”，其他條件不變，容易得到輸出信噪比相同的結(jié)論。例題3）包絡(luò)解調(diào)器的抗噪性能分析

所以，對(duì)于AM信號(hào)系統(tǒng)，大信噪比時(shí)，采用包絡(luò)檢波和相干解調(diào)的性能幾乎一樣。分析包絡(luò)解調(diào)器的輸出(2)小信噪比情形

有用信號(hào)被包絡(luò)檢波器擾成噪聲，這種現(xiàn)象稱為“門限效應(yīng)”。所謂“門限效應(yīng)”就是當(dāng)包絡(luò)檢波器的輸入信噪比降到一個(gè)特定的數(shù)值時(shí)，檢波器的輸出信噪比急劇惡化的一種現(xiàn)象。該特定的輸入信噪比稱為“門限”。這種門限效應(yīng)是由包絡(luò)檢波器的非線性解調(diào)所引起的。1、在大信噪比時(shí)，對(duì)于AM信號(hào)系統(tǒng)，采用包絡(luò)檢波和同步解調(diào)的性能幾乎一樣。但是隨著信噪比的減小，包絡(luò)檢波器將在一個(gè)特定的輸入信噪比上出現(xiàn)門限效應(yīng)，一旦出現(xiàn)，解調(diào)器的輸出信噪比將急劇變壞。討論：2、同步檢測(cè)的方法解調(diào)各種線性調(diào)制信號(hào)時(shí)，由于解調(diào)過程可視為信號(hào)與噪聲分別的解調(diào)，故解調(diào)器的輸出端總是單獨(dú)存在有用信號(hào)，因而，同步解調(diào)不存在門限效應(yīng)。它的調(diào)制制度增益不受信號(hào)和噪聲相對(duì)幅度條件的影響。例題：設(shè)信道的雙邊噪聲功率譜密度在該信號(hào)中傳輸AM信號(hào)，并設(shè)調(diào)制信號(hào)的頻帶限制在5kHz，而載波頻率是100kHz，已調(diào)信號(hào)的邊帶功率為10W，載波功率為40W。若接收機(jī)的輸入信號(hào)，先經(jīng)過一個(gè)理想的BPF，再加至包絡(luò)解調(diào)器。試問：（1）理想BPF的傳輸特性？（2）調(diào)制制度增益？（3）解調(diào)器輸入端的信噪比？（4）解調(diào)器輸出端的信噪比？基帶傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)增益為了衡量各種頻帶傳輸系統(tǒng)的總體性能，將“虛擬基帶系統(tǒng)”作為參照系統(tǒng)的比較基礎(chǔ)。3.3角度調(diào)制的原理角度調(diào)制：正弦載波的振幅保持不變，而瞬時(shí)頻率偏移或瞬時(shí)相位偏移隨著基帶信號(hào)呈線性變化。其中，1、相位調(diào)制（PM）2、頻率調(diào)制（FM）2、調(diào)制指數(shù)例題：（單音調(diào)制）解：問題：最大相移和最大頻移分別為多少？解：調(diào)相指數(shù):調(diào)頻指數(shù):上面的結(jié)論只適用于單音調(diào)制時(shí)。單頻調(diào)制時(shí)的調(diào)制指數(shù)3、FM與PM的關(guān)系1）對(duì)于正弦波角度調(diào)制，無法從已調(diào)波形來區(qū)分它是FM還是PM。只有與調(diào)制信號(hào)比較才能區(qū)分。2）如果將調(diào)制信號(hào)先積分，再使它對(duì)載波進(jìn)行PM，即得FM。

如果將調(diào)制信號(hào)先微分，再使它對(duì)載波進(jìn)行FM，即得PM。FM積分PMPM微分FM例題4、單音角度調(diào)制信號(hào)的頻率特性信號(hào)的平均功率單音調(diào)制調(diào)制信號(hào)的頻譜單音角度調(diào)制信號(hào)的帶寬單音調(diào)制時(shí)的帶寬一般的角度調(diào)制信號(hào)的帶寬FM的功率分配5、窄帶角度調(diào)制6、FM調(diào)制器VCO的輸出頻率正比于輸入電壓。間接調(diào)頻（了解）鑒頻器：輸出與輸入信號(hào)的瞬時(shí)頻率偏移成正比。無噪分析：鑒頻器輸出：鑒頻器可由“微分器”和“包絡(luò)檢波器”構(gòu)成。7、FM的解調(diào)器3.4角度調(diào)制的抗噪性能分析分析模型（以FM為例）1）帶通濾波器：2）鑒頻器：FM的解調(diào)器。輸出與輸入信號(hào)的瞬時(shí)頻率偏移成正比。3）低通濾波器:帶寬與基帶信號(hào)相同。2、抗噪聲性能分析

計(jì)算信噪比時(shí)，由于非相干解調(diào)不是線性疊加的處理過程，因而不能分別計(jì)算其信號(hào)與噪聲功率。調(diào)頻信號(hào)的抗噪聲性能分析結(jié)果FM的系統(tǒng)增益為多少？分析：如何得到FM解調(diào)器輸出端的信號(hào)和噪聲？1）輸入端的“信號(hào)+噪聲”思路：分析“信號(hào)+噪聲”的合成相位，計(jì)算瞬時(shí)頻率偏移。所以，信號(hào)噪聲思路：先討論yn(t)；然后討論通過微分器后的功率譜密度；再討論通過LPF后的功率譜密度；最后求出噪聲功率例題FM的門限效應(yīng)（低信噪比時(shí)）采用預(yù)加重/去加重改善輸出信噪比措施：HP(ω)FM解調(diào)Hd(ω)預(yù)加重：人為加重輸入信號(hào)的高頻分量去加重：3.5各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較假設(shè)所有系統(tǒng)的接收機(jī)輸入端具有相等的信號(hào)功率，且加性噪聲都是具有均值為零、雙邊帶功率譜密度為的高斯白噪聲，基帶信號(hào)為正弦信號(hào)，在所有系統(tǒng)中滿足同時(shí)，所有的調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)都是具有理想的特性。顯然，在上述的比較條件下，表征系統(tǒng)性能分別如下：傳輸帶寬和抗噪聲性能3.6頻分復(fù)用（FDM）了解為了提高通信系統(tǒng)信道的利用率，幾個(gè)用戶使用同一個(gè)信道和其它用戶通信。引入多路復(fù)用的概念。多路復(fù)用：在同一個(gè)信道上同時(shí)傳輸多路信號(hào)而互不干擾的一種技術(shù)。最常用的多路復(fù)用方式是頻分復(fù)用（FDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）和碼分復(fù)用（CDM）。按頻段區(qū)分信號(hào)的方法叫頻分復(fù)用；按時(shí)隙區(qū)分信號(hào)的方法叫時(shí)分復(fù)用；按相互正交的碼字區(qū)分信號(hào)的方法叫碼分復(fù)用。傳統(tǒng)的模擬通信中都采用頻分復(fù)用；隨著數(shù)字通信的發(fā)展，時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用通信系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。一、FDM基本概念

一般的通信系統(tǒng)的信道所能提供的帶寬往往要比傳送一路信號(hào)所需的帶寬寬得多。因此，如果一條信道只傳輸一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的。為了充分利用信道的帶寬，提出了信道的頻分復(fù)用。頻分復(fù)用：在發(fā)送端利用不同頻率的載波將多路信號(hào)的頻譜調(diào)制到不同的頻段，以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。頻分復(fù)用的多路信號(hào)在頻率上不會(huì)重疊，合并在一起通過一條信道傳輸，到達(dá)接收端后可以通過中心頻率不同的帶通濾波器彼此分離開來。

LPFSBF1相加器BPF1LPFBPF2LPFBPF3LPFLPFSBF2LPFSBF3信道二、頻分復(fù)用

假設(shè)復(fù)用的n路信號(hào)均為話音信號(hào)（300—3400Hz），采用單邊帶調(diào)制。為了各路信號(hào)頻譜不重疊，要求載頻間隔滿足三、n路頻分復(fù)用信號(hào)的帶寬SSB調(diào)制：為了各路信號(hào)頻譜不重疊，要求載頻間隔頻分復(fù)用信號(hào)原則上可以直接在信道中傳輸，但在某些應(yīng)用中，還需要對(duì)合并后的復(fù)用信號(hào)再進(jìn)行一次調(diào)制。第一次對(duì)多路信號(hào)調(diào)制所用的載波稱為副載波，第二次調(diào)制所用的載波稱為主載波。原則上，兩次調(diào)制可以是任意方式的調(diào)制方式。如果第一次調(diào)制采用單邊帶調(diào)制，第二次調(diào)制采用調(diào)頻方式，一般記為SSB/FM。例題FDM的特點(diǎn)頻分復(fù)用系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是信道復(fù)用路數(shù)多、分路方便。因此它曾經(jīng)在多路模擬電話通信系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用，國際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)此制定了一系列建議。頻分復(fù)用主要缺點(diǎn)是設(shè)備龐大