通信原理-第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)

第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)幅度調(diào)制的原理及抗噪聲性能頻分多路復(fù)用及線性調(diào)制應(yīng)用舉例非線性調(diào)制原理調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能采用加重/去加重技術(shù)改善信噪比3.1幅度調(diào)制的原理

設(shè)正弦型載波為：式中：載波角頻率為；載波的初相位為；載波振幅為

A

幅度調(diào)制信號的一般表達式為

幅度調(diào)制：用調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅，使其振幅隨調(diào)制信號作線性變化的過程。對應(yīng)頻譜為線性調(diào)制：已調(diào)信號的譜結(jié)構(gòu)是基帶調(diào)制信號頻譜結(jié)構(gòu)的簡單平移及線性變換，因此幅度調(diào)制又稱為線性調(diào)制；幅度調(diào)制的模型如下圖所示：由一個相乘器和一個沖激響應(yīng)為h(t)的帶通濾波器組成。

根據(jù)濾波器傳輸函數(shù)的不同，模擬幅度調(diào)制分為4類：常規(guī)調(diào)幅AM：為全通網(wǎng)絡(luò)，有直流成分。抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB：為全通網(wǎng)絡(luò)，無直流成分。單邊帶調(diào)制SSB：是截止頻率為的高通或低通濾波器。殘留邊帶調(diào)制VSB：是特定的互補特性濾波器。幅度調(diào)制的分類一.抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）原理要求：信號中不含有直流分量，且是理想帶通濾波器。

已調(diào)信號頻譜為：其時域表達式為：不含有直流分量

DSB信號的時域波形及頻譜

二.

常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）要求：基帶信號

由交流分量

和直流分量A構(gòu)成，

且必須滿足時域表達式為：

頻域表達式為：

常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）信號的波形圖

常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）信號的頻譜圖三.單邊帶調(diào)制（SSB）要求：帶通濾波器只允許一個邊帶通過。利用下圖中的濾波法可以形成單邊帶信號。產(chǎn)生上邊帶信號時產(chǎn)生下邊帶信號時單邊帶信號的頻譜為

SSB信號頻譜圖單邊帶調(diào)制（SSB）信號的時域表達式采用上邊帶調(diào)制時單邊帶信號時域表達式為采用下邊帶調(diào)制時的單邊帶信號時域表達式為推導(dǎo)過程推導(dǎo)過程四.殘留邊帶調(diào)制（VSB）

殘留邊帶調(diào)制是介于雙邊帶與單邊帶之間的一種線性調(diào)制，即克服了雙邊帶調(diào)制信號占用頻帶寬的缺點，又解決了單邊帶信號要求濾波器截止特性比較陡峭在生產(chǎn)技術(shù)上的難題。

殘留邊帶在頻域的表達式

要求：

只要殘留邊帶濾波器的截止特性在載頻處具有互補對稱特性，那么采用相干解調(diào)法就能準(zhǔn)確恢復(fù)原有的基帶信號。殘留邊帶濾波器的衰減特性有很大的選擇自由度，但這并不等于對濾波器的衰減特性沒有限制。濾波器的衰減特性又稱滾降特性，目前應(yīng)用最多的就是直線滾降和余弦滾降，例如，在電視信號傳輸和數(shù)據(jù)信號傳輸中就分別使用了直線滾降和余弦滾降。殘留邊帶濾波器的幾何解釋帶濾波器：過濾出混在噪聲中的有用信號，濾除已調(diào)信號頻帶以外的噪聲。：已調(diào)信號；：高斯白噪聲；3.2幅度調(diào)制抗噪聲性能分析通信系統(tǒng)的抗噪聲性能用解調(diào)器抗噪聲性能來衡量；對于模擬通信系統(tǒng)，抗噪聲性能通常用“信噪比”來度量。解調(diào)器抗噪聲性能的模型：帶通型噪聲；：輸出信號。：輸出噪聲；窄帶的高斯噪聲可表示成以下形式式中，及均具有相同的平均功率，即若解調(diào)器輸入噪聲具有帶寬高斯白噪聲單邊功率譜密度為，則輸入噪聲平均功率帶通濾波器傳遞函數(shù)帶寬應(yīng)等于已調(diào)信號的頻帶寬度。1.噪聲表達式解調(diào)器輸出信號平均功率為，噪聲平均功率為，則解調(diào)器輸出信噪比表示為調(diào)制制度增益G。一般來講，調(diào)制制度增益越高，解調(diào)器抗噪聲性能越好。2.調(diào)制制度增益一.DSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析解調(diào)方式：相干解調(diào)；輸入信號與噪聲可以分別單獨分析。設(shè)輸入信號為則其平均功率為設(shè)相干載波為，則低通后解調(diào)器輸出信號為輸出端信號功率為乘法器輸出的噪聲

經(jīng)低通濾波器后輸出噪聲為則輸出噪聲功率為解調(diào)器輸入信噪比為解調(diào)器輸出信噪比為調(diào)制增益為上式說明DSB信號的解調(diào)過程使信噪比改善一倍，這是因為在相干解調(diào)中輸出噪聲的一個正交分量被消去的緣故。解調(diào)方式：相干解調(diào)；二.SSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能分析設(shè)SSB信號為上邊帶調(diào)制：經(jīng)過解調(diào)，解調(diào)器輸出信號為解調(diào)器的輸入信號功率輸出信號功率為輸出噪聲為輸出噪聲功率為

SSB解調(diào)器輸入信噪比為

SSB解調(diào)器輸出信噪比為調(diào)制制度增益為

造成單邊帶調(diào)制制度增益為1的原因是單邊帶信號中的分量被解調(diào)器濾除了。三.AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能分析解調(diào)方式：包絡(luò)檢波法設(shè)解調(diào)器輸入信號，式中解調(diào)器輸入信號功率和噪聲功率分別為檢波器輸入端信號與噪聲混合波形，即式中大信噪比滿足以下條件

再利用近似公式，當(dāng)時。

1.大信噪比情況包絡(luò)檢測器輸出有用信號為，輸出噪聲為。信號功率及噪聲功率分別為和于是可見，AM信號的調(diào)制制度增益G與信號中的直流A有關(guān)；因為所以G總是小于1的，這說明解調(diào)器對輸入信噪比沒有改善。當(dāng)為單頻正弦信號時，即，有，此時。若采用相干檢測法去解調(diào)AM信號，其調(diào)制制度增益于包絡(luò)檢波（大信噪比條件下）相同。門限效應(yīng)：當(dāng)解調(diào)器的輸入信噪比降低到一個特定的數(shù)值后，輸出信噪比出現(xiàn)急劇惡化的一種現(xiàn)象，該特定的輸入信噪比就被稱為“門限”。2.小信噪比情況上式中不存在單獨的調(diào)制信號，即信號與噪聲無法獨立分開，包絡(luò)檢波器無法恢復(fù)出原來的基帶信號，這種現(xiàn)象通常稱為“門限效應(yīng)”?！?/p>

3.3頻分多路復(fù)用

多路復(fù)用是指將若干個彼此獨立的信號合并為一個可在同一信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號的方法。常見的信道復(fù)用方法有頻分復(fù)用（FDM）、時分復(fù)用（TDM）和碼分復(fù)用（CDMA）。

頻分復(fù)用，即按頻率分割的復(fù)用方式。

優(yōu)點：信道復(fù)用率高，容許復(fù)用路數(shù)多，分路方便；

缺點：設(shè)備復(fù)雜，且由于濾波器特性不夠理想或信道的非線性將導(dǎo)致路際干擾。在確保各路載頻間隔使信號頻譜不重疊外，還應(yīng)留有一定空隙的保護頻帶，一般要求相鄰載波間隔為，其中為已調(diào)信號帶寬，為保護頻帶頻分多路原理方框圖實例1——載波電話系統(tǒng)在一對傳輸線上同時傳輸多路模擬電話為載波電話，采用單邊帶調(diào)制頻分復(fù)用；規(guī)定每路話音信號的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為4KHz。載波電話有一套標(biāo)準(zhǔn)的等級，下表所示為該標(biāo)準(zhǔn)的主要等級。形成基群信號的頻譜搬移特性實例2——廣播電視廣播電視：由電視塔發(fā)射的電視節(jié)目。

圖像信號帶寬為0MHz-6MHz，采用VSB調(diào)制；伴音信號采用寬帶FM方式。圖象載頻與伴音載頻相距6.5MHz，總信號帶寬為8MHz；殘留邊帶信號在載頻附近的互補特性是在接收端形成的，電視接收機中放的理想頻率響應(yīng)為一斜切特性。彩色電視中彩色信號由紅、藍、綠三原色構(gòu)成。在傳送彩色信號時除了傳送三原色線性組合的亮度信號（黑白電視信號）之外，還需傳送二路色差信號R-Y和B-Y（其中R-Y代表紅色與亮度之差，B-Y代表藍色與亮度之差）。我國彩色電視使用PAL制，這兩路色差信號對4.43MHz彩色副載波進行正交的抑制載波雙邊帶調(diào)制，即兩路信號采用相同頻率而相位差90度的兩個載波分別進行抑制載波雙邊帶調(diào)制。彩色電視信號頻譜實例3——立體聲廣播

立體聲廣播信號的頻譜立體聲廣播信號的產(chǎn)生

在廣播電臺將左、右聲道信號之和（L+R）作為主信號，占用15kHz以下的正常音頻信號頻譜，以便與單聲道FM廣播接收相兼容（在普通調(diào)頻廣播中只發(fā)送0~15kHz的（L+R）信號）；左、右聲道的差（L-R）信號用DSB方式移至23~53kHz的范圍內(nèi)，所用調(diào)制載頻為38kHz；19KHz處發(fā)送的是一個單頻信號用作立體聲指示，作為在接收端提取同頻同相相干載波使用；另外還有一個輔助通信專用通道，供電臺內(nèi)部聯(lián)絡(luò)通信及廣告節(jié)目使用。立體聲廣播接收端結(jié)構(gòu)

調(diào)頻廣播占用頻段為88-108MHz，只能用于視距傳輸，在傳輸過程中由于多徑干擾及建筑物阻擋對傳輸質(zhì)量影響較大，在一些移動物體上接收立體聲調(diào)頻廣播質(zhì)量更不穩(wěn)定。為解決此類問題，近年來開始研究調(diào)幅立體聲廣播，其信噪比低于調(diào)頻立體聲廣播，但受衰落影響小，傳播距離遠。

左、右聲道分別用相移15度的載波進行DSB調(diào)制。每個聲道的已調(diào)信號均可以分解為正交分量與同相分量，再與載波分量合成矢量包絡(luò)進行常規(guī)調(diào)幅，選擇±15度相移目的是為了減少正交分量所造成的包絡(luò)畸變。調(diào)幅立體聲廣播發(fā)送端

是載波的振幅，為載波角頻率，和均為常數(shù)；是信號的瞬時相位；為瞬時相位偏移；為信號的瞬時頻率；為瞬時頻率偏移。3.4非線性調(diào)制原理非線性調(diào)制：已調(diào)信號的頻譜是原調(diào)制信號頻譜的一種非線性變換，產(chǎn)生出與線性調(diào)制頻譜搬移不同的新的頻率分量。頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）都是非線性調(diào)制。角度調(diào)制信號的一般表達式為

瞬時相位偏移可表達為：式中：稱為相移常數(shù)，代表調(diào)相器的靈敏度，單位為rad/v。相應(yīng)的已調(diào)信號為其瞬時相角為瞬時頻率為相位調(diào)制：當(dāng)幅度和角頻率保持不變，而瞬時相位偏移是調(diào)制信號的線性函數(shù)。1.相位調(diào)制的一般原理頻率調(diào)制：載波的瞬時角頻率是調(diào)制信號的線性函數(shù)。瞬時角頻率偏移為式中：為頻偏常數(shù)，代表調(diào)頻器靈敏度，單位為rad/v.s。瞬時角頻率為瞬時相角為調(diào)頻信號表達式為2.頻率調(diào)制的一般原理設(shè)調(diào)制信號為相位調(diào)制信號為式中：稱為調(diào)相指數(shù)，。頻率調(diào)制信號為式中：稱為調(diào)頻指數(shù)，為最大角頻率偏移，即為最大頻率偏移。3.頻率調(diào)制和相位調(diào)制的區(qū)別和舉例調(diào)相信號的相位偏移是隨調(diào)制信號作線性變化，而調(diào)頻信號的相位偏移是隨調(diào)制信號的積分呈線性變化。3.5調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能帶通濾波器：抑制信號帶寬外的噪聲；噪聲：加性高斯白噪聲；限幅器作用是為了消除接收信號在幅度上可能出現(xiàn)的畸變。FM信號的非相干解調(diào)分析模型調(diào)頻信號為其中解調(diào)器輸入端信噪比為在鑒頻器輸入端加入的是調(diào)頻信號與窄帶高斯噪聲的疊加，即式中：為調(diào)頻信號的瞬時相位，為噪聲的瞬時幅度，為噪聲的瞬時相位

以上三個分量分別稱為信號矢量，噪聲矢量和合成矢量，利用三角函數(shù)的矢量表示法，通過求合成矢量的方法確定的大小。設(shè)由圖（a）可知因此可得由圖（b）可得由以上分析可得圖a情況下：圖b情況下：大信噪比情況下，，由圖a可得可見，與信號有關(guān)的項是，第三項取決于噪聲。解調(diào)器輸出應(yīng)與輸入的瞬時頻偏成正比，設(shè)比例常數(shù)為1，可得解調(diào)器輸出為1.大信噪比條件下抗噪性能又因為所以得具體分析過程解調(diào)器輸出噪聲輸出噪聲功率為輸出信噪比為為單頻正弦信號時輸出信噪比為調(diào)制制度增益為設(shè)調(diào)幅信號100%調(diào)制，且為正弦信號，平均功率為，可得式中：，代入上式得大信噪比條件下頻率調(diào)制和幅度調(diào)制的性能對比分析這種高抗噪聲性能的獲取是以增加調(diào)頻系統(tǒng)的帶寬換取的比較后得小信噪比情況下，即，可得解調(diào)器輸出端不存在單獨的有用信號項，信號被噪聲擾亂，因而輸出信噪比急劇惡化，這種情況與AM調(diào)制包絡(luò)檢波相似，也稱之為門限效應(yīng)。2.小信噪比條件下跳頻調(diào)制的抗噪性能分析3.6預(yù)加重和去加重技術(shù)若傳輸?shù)幕鶐盘柎蟛糠帜芰渴窃谳^低的頻率分量中，由于鑒頻解調(diào)器的輸出噪聲功率譜密度隨頻率增加而呈拋物線型增加；結(jié)果在FM解調(diào)后，中比較弱的高頻分量被淹沒在較強的輸出噪聲中，則的高頻段信噪比很差。采用預(yù)加重/去加重技術(shù)提高高頻段信噪比，一個