通信原理_第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)課件

1、Communication Theory第三章第三章 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 幅度調(diào)制的原理及抗噪聲性能幅度調(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)制原理非線性調(diào)制原理 調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能 采用加重采用加重/去加重技術(shù)改善信噪比去加重技術(shù)改善信噪比Communication Theory3.1 3.1 幅度調(diào)制的原理幅度調(diào)制的原理 設(shè)正弦型載波為：設(shè)正弦型載波為： 式中：載波角頻率為式中：載波角頻率為 ；載波的初相位為；載波的初相位為 ；載波振幅為；載波振幅為 A 幅度調(diào)制信號的一般表達(dá)式為幅度調(diào)制信號的一般表達(dá)式為

2、0( )cos()cs tAtc0 0cosmcstAm tt ()2mmccASF stMMT 幅度調(diào)制：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)頻譜為對應(yīng)頻譜為Communication TheoryT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(gè)相乘器和一個(gè)沖激響應(yīng)為由一個(gè)相乘器和一個(gè)沖激響應(yīng)為h(t)h(t)的帶通濾波器組成。的帶通濾波器組成。Communication Theory 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：w常規(guī)調(diào)幅AM： 為全通網(wǎng)絡(luò)

3、， 有直流成分。w抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB： 為全通網(wǎng)絡(luò)， 無直流成分。w單邊帶調(diào)制SSB： 是截止頻率為 的高通或低通濾波器。1.殘留邊帶調(diào)制VSB： 是特定的互補(bǔ)特性濾波器。 H tm H tm Hc H幅度調(diào)制的分類Communication Theory一一. .抑制載波雙邊帶調(diào)制（抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SCDSB-SC）原理）原理要求：信號中不含有直流分量，且 是理想帶通濾波器。 th cosmcstm tt ccmMMS)(21 已調(diào)信號頻譜為：其時(shí)域表達(dá)式為：不含有直流分量c HCommunication Theory DSBDSB信號的時(shí)域波形及頻譜信號的時(shí)域波形及頻譜

4、Communication Theory二二. . 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AMAM） 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(shí)域表達(dá)式為： tm m t ttmtAttmAtwtmtSccccmcoscoscoscos maxtmA ccccmMMAS21 頻域表達(dá)式為：Communication Theory 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AMAM）信號的波形圖信號的波形圖Communication Theory 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AMAM）信號的頻譜圖信號的頻譜圖Communication Theory三三. . 單邊帶調(diào)制（單邊帶調(diào)制（SSBS

5、SB） 要 求：帶通濾波器只允許一個(gè)邊帶通過。 利用下圖中的濾波法可以形成單邊帶信號。Communication Theory產(chǎn)生上邊帶信號時(shí)產(chǎn)生下邊帶信號時(shí)CCUSBSSBHH,01)()(CClSBSSBHH,01)()()()()(SSBDSBSSBHSS單邊帶信號的頻譜為 USBH LSBHCommunication Theory SSBSSB信號頻譜圖信號頻譜圖Communication Theory單邊帶調(diào)制（單邊帶調(diào)制（SSBSSB）信號的時(shí)域表達(dá)式）信號的時(shí)域表達(dá)式ttmttmtSccLSBsin)(21cos)(21)(ttmttmtSccUSBsin)(21cos)(21)

6、(采用上邊帶調(diào)制時(shí)單邊帶信號時(shí)域表達(dá)式為采用下邊帶調(diào)制時(shí)的單邊帶信號時(shí)域表達(dá)式為推導(dǎo)過程推導(dǎo)過程Communication Theory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(diǎn)，又邊帶調(diào)制信號占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了單邊帶信號要求濾波器截止特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。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(dá)式殘留邊帶在頻域的表達(dá)式 ()()CCHH常數(shù) HMMSccm21要 求：HCommunicatio

7、n Theory 只要?dú)埩暨厧V波器的截止特性在載頻處具有互補(bǔ)對稱互補(bǔ)對稱特性特性，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Communication Theory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；)(tSm)(tn)(tni)(0tm)(0tn3.2 幅度調(diào)制抗噪聲性能分析 通信系統(tǒng)

8、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；Communication Theory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。ttnttntncsccisin)(cos)()()(tni)(tnc)(tns222( )( )( )iscintntntN)(tni0nBnNi0B1. 噪聲表達(dá)式Communication TheoryT 解

9、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T調(diào)制制度增益G。T一般來講，調(diào)制制度增益越高，解調(diào)器抗噪聲性能越好。 tm20 tn20)()(22tntmNSooOOiNSiNoSoG 2. 調(diào)制制度增益 Communication Theory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(dú)分析。 設(shè)輸入信號為 則其平均功率為 設(shè)相干載波為 ，則 ttmtScmcos 22221( )cos2imcSStmttmttccos 2c11cos( )cos222cm ttm tm tt 12omtm t 低通后解調(diào)器輸出信號為 輸出端

10、信號功率為 22o1( )4oSmtm tCommunication Theory2( )cos( )cos( )sincos( )cos( )sincos111 ( )( )cos2( )sin2222icccsccccscccccscn ttn ttn tttn ttn tttn tn ttn tt)(21)(tntnco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2211( )( )44oociNntntNCommunication Theory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?yàn)樵谙喔山庹{(diào)中輸出噪聲的一個(gè)

11、正交分量 被消去的緣故。21( )2ioim tSn BN21( )414OOimtSNN2iNSiNoSoG)(tnsCommunication Theory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222( )( )( )884im tmtm tS 1( )4omtm t11( )( )cos( )sin22mccStm ttm tt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2211( )( )416oSm tm t 輸出信號功率為 輸出噪聲為)(21)(tntnco2211( )( )44oociNntntN 輸出噪聲功率為Communicati

12、on Theory 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。221( )( )24iioom tSm tNn Bn B2201( )( )16144OOom tSm tNn Bn B1iNSiNoSoGttmcsin)(Communication Theory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 ttmAtScmcosmax)(tmA 2222211( )cos( )22imcSS

13、tAm ttAm tBntnNoii)(2 ( )cos( )cos( )sin ( ) cos( )sin ( )cos( )micccscccsccStn tAm ttn ttn ttAm tn ttn ttE ttt 22( )( )( )csE tAm tn tnt)()()()(tntmAtnarctgtcsCommunication Theory 大信噪比滿足以下條件 再利用近似公式 ，當(dāng) 時(shí)。 ( )iAm tn t ( )cAm tn t )(tntmAs 1212222222( )2( )( )( )( )2( )( )( ) ( )1( )( )2( ) ( )1( )(

14、)( )ccsccsccE tAm tAm tn tntntn tntntAm tAm tAm tn tAm tAm tn tAm t21)1 (21xx1x1. 大信噪比情況包絡(luò)檢測器輸出有用信號為 ，輸出噪聲為 。)(tm)(tncCommunication Theory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?yàn)?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(shí)，即 ，有 ，此時(shí) 。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 。20( )Sm t220( )( )csoNntntn

15、BBntmNSoOO)(2)()(2222tmAtmGiNSiNoSomax)(tmA ( )m t tAtmmmcos2)(22Atm32GCommunication Theory門限效應(yīng)：當(dāng)解調(diào)器的輸入信噪比降低到一個(gè)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”。 ( )iAm tn t ( )cAm tn t )(tntmAs2222222222( )( )( )2( )( )2( )( ) ( )( )1( )( )( ) ( )( )( )( )( )cscccscsccscsE tntntAm tn tn t Am tntntntntn tnt

16、ntAm tntnt2. 小信噪比情況上式中不存在單獨(dú)的調(diào)制信號，即信號與噪聲無法獨(dú)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)”。Communication Theory 3.3 頻分多路復(fù)用 多路復(fù)用多路復(fù)用是指將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號合并為一個(gè)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(shí)分復(fù)用（TDM）和碼分復(fù)用（CDMA）。 頻分復(fù)用頻分復(fù)用，即按頻率分割的復(fù)用方式。 優(yōu)點(diǎn)：信道復(fù)用率高，容許復(fù)用路數(shù)多，分路方便； 缺點(diǎn)：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)

17、留有一定空隙的保護(hù)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(hù)頻帶 gSBBBBSBgBCommunication Theory頻分多路原理方框圖Communication Theory實(shí)例1載波電話系統(tǒng)在一對傳輸線上同時(shí)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。Communication Theory形成基群信號的頻譜搬移特性 Communication Theory實(shí)例2廣播電視T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

18、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(bǔ)特性是在接收端形成的，電視接收機(jī)中放的理想頻率響應(yīng)為一斜切特性。Communication Theory彩色電視中彩色信號由紅、藍(lán)、綠三原色構(gòu)成。在傳送彩色信號時(shí)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(lán)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(jìn)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(gè)載波分別進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)制。彩色電視信號

19、頻譜Communication Theory 實(shí)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Communication Theory 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015kHz的（L+R）信號）；左、右聲道的差（L-R）信號用DSB方式移至2353kHz的范圍內(nèi)，所用調(diào)制載頻為38kHz；19KHz處發(fā)送的是一個(gè)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(gè)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)Commun

20、ication Theory 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(yuǎn)。Communication Theory 左、右聲道分別用相移15度的載波進(jìn)行DSB調(diào)制。每個(gè)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(jìn)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Communication Theory 是載波的振幅，

21、 為載波角頻率， 和 均為常數(shù)； 是信號的瞬時(shí)相位； 為瞬時(shí)相位偏移； 為信號的瞬時(shí)頻率； 為瞬時(shí)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。 cos ( )cos( )mcstAtAttAcAc ttc t dtttdc/ dttd/角度調(diào)制信號的一般表達(dá)式為Communication Theory 瞬時(shí)相位偏移可表達(dá)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(shí)相角為 瞬時(shí)頻率為相位調(diào)制：當(dāng)幅度和角頻

22、率保持不變，而瞬時(shí)相位偏移是調(diào)制信號的 線性函數(shù)。( )( )ptK m tpK cos( )mcpstAtK m t)()(tmKttPcdttdmKdttdtPc)()()(1. 相位調(diào)制的一般原理Communication Theory頻率調(diào)制：載波的瞬時(shí)角頻率是調(diào)制信號的線性函數(shù)。瞬時(shí)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(shí)角頻率為瞬時(shí)相角為調(diào)頻信號表達(dá)式為)()()(tmKdttdtFFK)()(tmKtFcdttmKtdtttFc)()()( dttmKtAtSFcm)(cos2. 頻率調(diào)制的一般原理 Communication Theory設(shè)調(diào)

23、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。tAtmmmcos)(tmtAtAKtAtSmpcmmpcpmcoscoscoscospmppmmKA coscoscossinFmcFmmcfmStAtK AtdtAtmtfmmmmmFfffAKmmaxmaxFmK Amaxf3. 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。Communication Theory3.5 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

24、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。nFM信號的非相干解調(diào)分析模型Communication Theory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(shí)相位， 為噪聲的瞬時(shí)幅度， 為噪聲的瞬時(shí)相位 )(costtAtScm ( )tFtKmd202iiSANn B ( )( )( )cos( )sin cos( )( )cos( )mimccscccStn tStn ttn ttAttV ttt t( )V t tCommunication Theory 以上三個(gè)分量分別稱為信號矢量，噪聲矢量和合成矢

25、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。1122cos( )cos( )cos( )cos( )cos( )cosccAttaV tttaB tta t設(shè) ( )( )cos( )micStn tB tttCommunication Theory由圖（a）可知因此可得由圖（b）可得由以上分析可得)cos()sin()(12211221aaaOBBCtg)cos()sin(12211221aaaarctg)cos()sin(21122112aaaarctg)()(cos)()()(sin)()()(tttVAtttVarctgtttc)()(cos)()()(sin)()

26、(ttAtVttAarctgtttc圖a情況下：圖b情況下：Communication Theory大信噪比情況下， ，由圖a可得可見，與信號有關(guān)的項(xiàng)是 ，第三項(xiàng)取決于噪聲。解調(diào)器輸出應(yīng)與輸入的瞬時(shí)頻偏成正比，設(shè)比例常數(shù)為1，可得解調(diào)器輸出為( )AV t)()(sin)()()(ttAtVtttc t dttttVdAdttdfdttdtVc)(sin2121210 tmKtmF201. 大信噪比條件下抗噪性能又因?yàn)?tFtKm t d所以得具體分析過程Communication Theory tnAdttdnAtdtttVdAtnss2121sin210 223000222243smntn

27、NntfAA 3022220083mFfntmKANS解調(diào)器輸出噪聲輸出噪聲功率為輸出信噪比為)(tm ttmmcos為單頻正弦信號時(shí)mfmmfnAmfnAffNS02202002232223輸出信噪比為22020020322322fmfimiSAmNn fBGmSAfNn B調(diào)制制度增益為Communication Theory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)(tm2/2ABnANSAm02002mfB2mAmfnANS02004200003fAMFMmNSNS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)

28、的帶寬換取的比較后得Communication Theory小信噪比情況下，即 ，可得解調(diào)器輸出端不存在單獨(dú)的有用信號項(xiàng)，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)。( )V tA)()(sin)()()(tttVAtttc2. 小信噪比條件下跳頻調(diào)制的抗噪性能分析Communication Theory3.6 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(qiáng)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(gè)帶有預(yù)加重和去加