第四章 模擬通信系統(tǒng)

第四章模擬通信系統(tǒng)彭濤pengtao@4.1引言模擬信源的輸出M(t)模擬信源的一個(gè)確知輸出信號(hào)m(t)4.1引言用正弦型載波調(diào)制模擬基帶信號(hào)調(diào)制就是用載波c(t)承載信號(hào)m(t)，實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。方法是用m(t)控制載波參量4.1引言調(diào)制的作用實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜搬移，適應(yīng)在頻帶信道內(nèi)的傳輸當(dāng)頻帶信道帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬時(shí)，可以將多路基帶信號(hào)調(diào)制到互不重疊的頻帶上，充分利用信道帶寬，實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用（FDM）不同的調(diào)制方式具有不同的有效性和可靠性（如FM的可靠性好而有效性差，AM有效性好而可靠性差），可以根據(jù)需要選用合適的調(diào)制方法4.1引言本章內(nèi)容三種調(diào)制（AM，F(xiàn)M和PM）的信號(hào)表示，頻譜分析和解調(diào)原理三種調(diào)制在加性白高斯噪聲干擾下的解調(diào)性能多路信號(hào)的FDM簡(jiǎn)述超外差接收機(jī)通信系統(tǒng)中接收機(jī)的噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度4.2幅度調(diào)制調(diào)幅：用模擬基帶信號(hào)m(t)來(lái)控制載波的幅度參量Ac四種幅度調(diào)制的方法雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）具有離散大載波的雙邊帶調(diào)幅（AM）單邊帶調(diào)幅（SSBAM）殘留邊帶調(diào)幅（VSBAM）4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）信號(hào)的產(chǎn)生和表達(dá)式4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）信號(hào)m(t)和s(t)的波形圖（圖4.2.2）

4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）確定調(diào)制信號(hào)s(t)的頻譜4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）確定調(diào)制信號(hào)s(t)的頻譜圖4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）確定調(diào)制信號(hào)s(t)的頻譜的性質(zhì)經(jīng)調(diào)制后，調(diào)制信號(hào)的帶寬變?yōu)樵鶐盘?hào)的2倍：模擬基帶信號(hào)帶寬為W，則調(diào)制信號(hào)的帶寬為2W調(diào)制信號(hào)中不包含離散的載頻分量：因?yàn)樵M基帶信號(hào)中不含離散直流分量4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）確定調(diào)制信號(hào)s(t)的頻譜的性質(zhì)

4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）隨機(jī)調(diào)制信號(hào)S(t)4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）隨機(jī)調(diào)制信號(hào)S(t)的平均功率譜密度4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）雙邊帶抑制載波調(diào)幅的特點(diǎn)調(diào)制信號(hào)的帶寬變?yōu)樵鶐盘?hào)的2倍調(diào)制信號(hào)中不包含離散的載頻分量（抑制載波）包含上下兩個(gè)邊帶，且攜帶相同信息（雙邊帶）不論是確定信號(hào)的頻譜，還是隨機(jī)信號(hào)的功率譜，都是基帶信號(hào)頻譜/功率譜的線性搬移。因而被稱為線性調(diào)制。4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)基本思路：利用恢復(fù)的載波與信號(hào)相乘，將頻譜搬移到基帶，還原出原基帶信號(hào)4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)當(dāng)恢復(fù)載波與原載波頻率不完全一樣時(shí)，解調(diào)信號(hào)是原基帶信號(hào)與低頻正弦波的乘積若恢復(fù)載波與原載波頻率相同，而相位不同時(shí)，輸出信號(hào)達(dá)不到最大值相干解調(diào)（同步解調(diào)）：利用相干載波（頻率和相位都與原載波相同的恢復(fù)載波）進(jìn)行的解調(diào)4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）相干載波的提取導(dǎo)頻法：在發(fā)送端加上一離散的載頻分量，即導(dǎo)頻（圖4.2.7）；在接收端用窄帶濾波器提取出來(lái)作為相干載波注意：導(dǎo)頻的功率要求比調(diào)制信號(hào)的功率?。ㄟ@是與有大離散載波的調(diào)幅信號(hào)的區(qū)別所在）缺點(diǎn)：一部分發(fā)射功率消耗在導(dǎo)頻上不需導(dǎo)頻的方法：平方環(huán)法、COSTAS環(huán)法4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM出現(xiàn)：是低價(jià)調(diào)幅收音機(jī)的需要DSBSC-AM的問(wèn)題：解調(diào)需要載波提取電路，成本較高AM的優(yōu)勢(shì)：可以使用包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)，成本低；大功率離散載波造成的成本問(wèn)題由廣播電臺(tái)解決4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）具有離散大載波的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)多大的離散載波：確保使調(diào)制信號(hào)不產(chǎn)生相位突變（圖4.2.8）4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM確定信號(hào)的頻譜其頻譜是DSBSC-AM信號(hào)的頻譜加上離散大載波的頻譜4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM隨機(jī)信號(hào)4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM隨機(jī)信號(hào)的功率譜4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM隨機(jī)信號(hào)的功率譜的特點(diǎn)其功率譜是DSBSC-AM信號(hào)的功率譜加上離散大載波的功率譜AM的調(diào)制效率不超過(guò)1/24.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM信號(hào)的解調(diào)（包絡(luò)檢波）整流：只保留信號(hào)中幅度大于0的部分（圖4.2.10）低通濾波器：過(guò)濾出基帶信號(hào)隔直流電容：過(guò)濾掉直流分量包絡(luò)檢波不需載波提取電路，成本低；它屬于非相干解調(diào)4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）雙邊帶調(diào)幅的頻帶浪費(fèi)問(wèn)題上下兩個(gè)邊帶攜帶著相同的信息，造成頻率資源的浪費(fèi)解決方法：只要一個(gè)邊帶即可4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM信號(hào)的產(chǎn)生4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）確定下邊帶調(diào)幅信號(hào)的頻譜4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）確定下邊帶調(diào)幅信號(hào)的表達(dá)式4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM信號(hào)的表達(dá)式SSBAM信號(hào)的另一產(chǎn)生法（圖4.2.13）使用希爾伯特濾波器（利用上面表達(dá)式）4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM信號(hào)的另一種表達(dá)式4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM隨機(jī)信號(hào)4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM隨機(jī)信號(hào)的功率譜4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM信號(hào)的相干解調(diào)（圖4.2.15）4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）具有離散大載波的SSBAM信號(hào)的非相干解調(diào)：當(dāng)離散大載波的幅度遠(yuǎn)大于信號(hào)幅度時(shí)，可以使用包絡(luò)檢波進(jìn)行解調(diào)4.2.4殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)單邊帶調(diào)幅的問(wèn)題產(chǎn)生單邊帶調(diào)幅信號(hào)需要使用邊帶濾波器對(duì)于含有直流分量和低頻分量豐富的信號(hào)（如視頻信號(hào)），邊帶濾波器必須具有極其陡峭的截止特性，實(shí)現(xiàn)非常困難對(duì)于不含直流分量且低頻成分很少的信號(hào)（如語(yǔ)聲信號(hào)），邊帶濾波器比較容易實(shí)現(xiàn)VSBAM可以解決邊帶濾波器的問(wèn)題4.2.4殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)問(wèn)題：怎樣的帶通濾波器能使經(jīng)調(diào)制的信號(hào)在接收端能得以還原？發(fā)送端接收端m(t)=y(t)?4.2.4殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)求解H(f)4.2.4殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)可見，使得y(t)=m(t)的條件是這就是殘留邊帶調(diào)幅對(duì)發(fā)送端帶通濾波器的要求4.3角度調(diào)制角度調(diào)制：用模擬基帶信號(hào)m(t)控制載波相角的調(diào)制方式。調(diào)頻和調(diào)相都屬于角度調(diào)制角調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式4.3.1調(diào)頻及調(diào)相信號(hào)PM和FM中的相位PM和FM的關(guān)系4.3.1調(diào)頻及調(diào)相信號(hào)幾個(gè)參數(shù)的定義PM系統(tǒng)FM系統(tǒng)4.3.1調(diào)頻及調(diào)相信號(hào)窄帶角度調(diào)制窄帶角度調(diào)制信號(hào)的帶寬是基帶信號(hào)帶寬的兩倍，與AM信號(hào)相似實(shí)際中很少應(yīng)用4.3.2角度調(diào)制信號(hào)的頻譜特性角度調(diào)制信號(hào)的頻譜特性很難精確求出，下面主要考慮兩種情況基帶信號(hào)是單一的正弦信號(hào)基帶信號(hào)是一般的確定信號(hào)對(duì)于均值為零的平穩(wěn)高斯過(guò)程，其角度調(diào)制信號(hào)的功率譜分析十分復(fù)雜，不作介紹4.3.2角度調(diào)制信號(hào)的頻譜特性正弦基帶信號(hào)的角度調(diào)制有效帶寬的定義包含98%或99%的信號(hào)功率的帶寬，稱為信號(hào)的有效帶寬利用上述兩點(diǎn)即可求正弦基帶信號(hào)的角度調(diào)制信號(hào)的有效帶寬4.3.2角度調(diào)制信號(hào)的頻譜特性單一正弦信號(hào)的角度調(diào)制信號(hào)的有效帶寬計(jì)算近似公式一般的確定信號(hào)的角度調(diào)制信號(hào)的有效帶寬的計(jì)算：卡松公式4.3.2角度調(diào)制信號(hào)的頻譜特性角度調(diào)制與幅度調(diào)制的比較幅度調(diào)制是線性調(diào)制，頻譜只發(fā)生搬移；角度調(diào)制是非線性調(diào)制，頻譜與基帶信號(hào)相比發(fā)生了很大的變化幅度調(diào)制信號(hào)帶寬窄（一倍到兩倍的基帶信號(hào)帶寬），是有效性高而可靠性差的調(diào)制；而角度調(diào)制帶寬遠(yuǎn)大于基帶信號(hào)帶寬（使用大的調(diào)制指數(shù)時(shí)），是用大帶寬（低有效性）換取高可靠性的調(diào)制4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器調(diào)相信號(hào)可以由調(diào)頻器得到，下面只討論產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的方法1.直接調(diào)頻第二個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)：解決VCO中心頻率穩(wěn)定性問(wèn)題4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器2.間接調(diào)頻4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器1.普通鑒頻器解調(diào)A.用微分器實(shí)現(xiàn)從調(diào)頻信號(hào)到調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)的變換B.用調(diào)諧電路的上升頻率特性實(shí)現(xiàn)到調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)的變換（圖4.3.7）兩種方法中，包絡(luò)檢波器的輸入噪聲均為為調(diào)頻信號(hào)帶寬內(nèi)噪聲，即為寬帶噪聲4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器2.調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)當(dāng)Kv>>1時(shí)，e’(t)是窄帶調(diào)頻信號(hào)（帶寬匹配于基帶信號(hào)帶寬），這樣中頻濾波器、鑒頻器和低通濾波都可使用窄帶器件，有效的抑制了噪聲4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器3.鎖相環(huán)解調(diào)環(huán)路濾波器G(f)的帶寬與基帶信號(hào)帶寬一樣，因而鎖相環(huán)解調(diào)也可以有效抑制噪聲4.4線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能通過(guò)加性白高斯噪聲信道的解調(diào)模型4.4.1DSB-SCAM系統(tǒng)的抗噪聲性能4.4.1DSB-SCAM系統(tǒng)的抗噪聲性能4.4.2SSBAM系統(tǒng)的抗噪聲性能4.4.2SSBAM系統(tǒng)的抗噪聲性能4.4.3AM系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)性能4.4.3AM系統(tǒng)的抗噪聲