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容一、調制的目的、定義和分類二、幅度調制（AM、DSB、SSB、VSB）時域和頻域表示、帶寬調制與解調方法抗噪聲性能四、頻分復用三、角度調制（FM、PM）基本概念單頻調制時：調頻和調相信號的時域表示寬帶調頻信號的帶寬抗噪性能引言一、調制定義：按照基帶信號（調制信號）的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)的過程。二、調制分類：正弦波調制模擬調制：調制信號取值連續(xù)；數(shù)字調制：調制信號取值離散。第3章第5章三、模擬調制2、載波信號：連續(xù)正弦波3、頻帶信號：1、基帶信號：模擬信號幅度調制角度調制模擬調制4、分類：幅度調制（線性調制）：已調信號頻譜是基帶信號頻譜的平移及線性變換；角度調制（非線性調制）：已調信號不再保持基帶頻譜的結構，其頻譜會產生無限的頻譜分量。AMDSBSSBVSBFMPM

幅度調制稱為線性調制，是因為這種頻譜搬移是線性的。但應該注意的是，這種“線性”并不是指已調信號與調制信號之間是線性關系，事實上，任何調制過程都是一種非線性的變換過程。四、調制的作用3.1幅度調制的原理

一、AM調制(AM，AmplitudeModulation)問題：為什么要限定m(t)的大??？通過包絡直接反映消息信號的變化規(guī)律是AM的核心。稱為標準調幅，或者常規(guī)調幅。時域圖和頻譜圖在波形上，頻帶信號的幅度隨基帶信號變化而變化，所以解調既可以采用相干解調，也可以采用包絡解調；在頻譜結構上，它的頻譜完全是基帶信號頻譜結構在頻域內的簡單搬移。（屬于線性調制）調制指數(shù)（調幅指數(shù)）AM信號的帶寬AM信號的功率調制效率(2)基帶信號為隨機信號時已調信號的頻譜特性（了解）

在一般情況下，基帶信號是隨機信號，如語音信號。此時，已調信號的頻譜特性用功率譜密度來表示。AM已調信號是一個循環(huán)平穩(wěn)隨機過程，其功率譜密度為其自相關函數(shù)時間平均值的傅里葉變換。分析可知，在調制信號為確知信號和隨機信號兩種情況下，分別求出的已調信號功率表達式是相似的。例題AM信號的解調總結1、時域表達式2、帶寬3、平均功率4、調制效率5、調幅系數(shù)6、解調方式二、雙邊帶（DSB，DoubleSideband）幅度調制信號AM信號：含載頻分量和邊帶分量。調制信號的信息包含在AM信號的包絡中。DSB信號：沒有載頻分量，只有邊帶分量。調制信號的信息包含在DSB信號的包絡和相位中。DSB信號的時域波形：已調信號的包絡隨|m(t)|而變化。DSB信號的波形和頻譜圖時域表達式、頻域表示式？是否可以采用包絡解調？

載波提取電路：1）加導頻

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

從“接收端恢復調制信號”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是基帶信號的截止頻率。殘留邊帶濾波器的傳輸特性應該滿足總結：時域表達式調幅信號AMDSBSSB功率設基帶信號的平均功率為解調方式調幅信號AMDSBSSB功率VSB頻譜圖時域波形其它

1+m(t)相干解調、非相干解調相干解調相干解調相干解調調制效率<11113.2幅度調制系統(tǒng)的抗噪聲性能1、相干解調：已調信號與本地載波相乘，并通過LPF提取出基帶信號分量。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、解調兩種方式：相干解調和包絡解調

相干解調適用于所有線性調制系統(tǒng)，而包絡解調一般只適合于AM信號。LPF暫時不考慮噪聲輸入信號與輸出信號LPF輸入信號功率與輸出信號功率2、包絡解調（非相干解調）包絡解調器的輸出與輸入信號的包絡呈線性關系。

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

噪聲噪聲功率：抗噪性能的評估指標2）相干解調器（同步檢測）的抗噪性能分析信號功率噪聲功率相干解調時的抗噪性能分析設基帶信號的平均功率為解調器的輸入信噪比解調器的輸出信噪比調制制度增益（信噪比增益）討論：1）DSB的解調增益為2。這就是說，DSB信號的解調器使得信噪比改善了1倍，這是因為采用同步解調，使輸入噪聲中的一個正交分量被消除的緣故。2）SSB的解調增益為1。這是因為信號和噪聲具有相似的表達形式（包含同相分量和正交分量），所以采用同步解調，信號和噪聲的正交分量都被抑制。3）如果接收信號功率相同，噪聲功率譜密度也相同，則雙邊帶和單邊帶在解調器輸出端的信噪比相同。這就是說，從抗噪聲的觀點看，DSB和SSB是相同的。例題：

設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，設調制信號的頻帶限制在5kHz，而載波頻率是100kHz，發(fā)送端的已調信號的功率為20kW，信道衰減為30分貝。若接收機的輸入信號在加至解調器之前，先經過一個理想的BPF，試問：（1）理想BPF的傳輸特性？（2）解調器輸入端的信噪比？（3）解調器輸出端的信噪比？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論。例題3）包絡解調器的抗噪性能分析

所以，對于AM信號系統(tǒng)，大信噪比時，采用包絡檢波和相干解調的性能幾乎一樣。分析包絡解調器的輸出(2)小信噪比情形

有用信號被包絡檢波器擾成噪聲，這種現(xiàn)象稱為“門限效應”。所謂“門限效應”就是當包絡檢波器的輸入信噪比降到一個特定的數(shù)值時，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”。這種門限效應是由包絡檢波器的非線性解調所引起的。1、在大信噪比時，對于AM信號系統(tǒng)，采用包絡檢波和同步解調的性能幾乎一樣。但是隨著信噪比的減小，包絡檢波器將在一個特定的輸入信噪比上出現(xiàn)門限效應，一旦出現(xiàn)，解調器的輸出信噪比將急劇變壞。討論：2、同步檢測的方法解調各種線性調制信號時，由于解調過程可視為信號與噪聲分別的解調，故解調器的輸出端總是單獨存在有用信號，因而，同步解調不存在門限效應。它的調制制度增益不受信號和噪聲相對幅度條件的影響。例題：設信道的雙邊噪聲功率譜密度在該信號中傳輸AM信號，并設調制信號的頻帶限制在5kHz，而載波頻率是100kHz，已調信號的邊帶功率為10W，載波功率為40W。若接收機的輸入信號，先經過一個理想的BPF，再加至包絡解調器。試問：（1）理想BPF的傳輸特性？（2）調制制度增益？（3）解調器輸入端的信噪比？（4）解調器輸出端的信噪比？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。3.3角度調制的原理角度調制：正弦載波的振幅保持不變，而瞬時頻率偏移或瞬時相位偏移隨著基帶信號呈線性變化。其中，1、相位調制（PM）2、頻率調制（FM）2、調制指數(shù)例題：（單音調制）解：問題：最大相移和最大頻移分別為多少？解：調相指數(shù):調頻指數(shù):上面的結論只適用于單音調制時。單頻調制時的調制指數(shù)3、FM與PM的關系1）對于正弦波角度調制，無法從已調波形來區(qū)分它是FM還是PM。只有與調制信號比較才能區(qū)分。2）如果將調制信號先積分，再使它對載波進行PM，即得FM。

如果將調制信號先微分，再使它對載波進行FM，即得PM。FM積分PMPM微分FM例題4、單音角度調制信號的頻率特性信號的平均功率單音調制調制信號的頻譜單音角度調制信號的帶寬單音調制時的帶寬一般的角度調制信號的帶寬FM的功率分配5、窄帶角度調制6、FM調制器VCO的輸出頻率正比于輸入電壓。間接調頻（了解）鑒頻器：輸出與輸入信號的瞬時頻率偏移成正比。無噪分析：鑒頻器輸出：鑒頻器可由“微分器”和“包絡檢波器”構成。7、FM的解調器3.4角度調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的解調器。輸出與輸入信號的瞬時頻率偏移成正比。3）低通濾波器:帶寬與基帶信號相同。2、抗噪聲性能分析

計算信噪比時，由于非相干解調不是線性疊加的處理過程，因而不能分別計算其信號與噪聲功率。調頻信號的抗噪聲性能分析結果FM的系統(tǒng)增益為多少？分析：如何得到FM解調器輸出端的信號和噪聲？1）輸入端的“信號+噪聲”思路：分析“信號+噪聲”的合成相位，計算瞬時頻率偏移。所以，信號噪聲思路：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（低信噪比時）采用預加重/去加重改善輸出信噪比措施：HP(ω)FM解調Hd(ω)預加重：人為加重輸入信號的高頻分量去加重：3.5各種模擬調制系統(tǒng)的比較假設所有系統(tǒng)的接收機輸入端具有相等的信號功率，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，基帶信號為正弦信號，在所有系統(tǒng)中滿足同時，所有的調制與解調系統(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頻分復用（FDM）了解為了提高通信系統(tǒng)信道的利用率，幾個用戶使用同一個信道和其它用戶通信。引入多路復用的概念。多路復用：在同一個信道上同時傳輸多路信號而互不干擾的一種技術。最常用的多路復用方式是頻分復用（FDM）、時分復用（TDM）和碼分復用（CDM）。按頻段區(qū)分信號的方法叫頻分復用；按時隙區(qū)分信號的方法叫時分復用；按相互正交的碼字區(qū)分信號的方法叫碼分復用。傳統(tǒng)的模擬通信中都采用頻分復用；隨著數(shù)字通信的發(fā)展，時分復用和碼分復用通信系統(tǒng)的應用越來越廣泛。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所需的帶寬寬得多。因此，如果一條信道只傳輸一路信號是非常浪費的。為了充分利用信道的帶寬，提出了信道的頻分復用。頻分復用：在發(fā)送端利用不同頻率的載波將多路信號的頻譜調制到不同的頻段，以實現(xiàn)多路復用。頻分復用的多路信號在頻率上不會重疊，合并在一起通過一條信道傳輸，到達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、頻分復用

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