第3章 模擬傳輸2015

通信原理第3章模擬傳輸作業(yè):2,3,4,12,13,14,16,18,20,22(新版)重點(diǎn):§3.1.1-§3.1.3;§3.2;§3.3.1-§3.3.3;§3.5.1-§3.5.2自學(xué):§3.1.4;§3.3.4;§3.5.31第2章作業(yè):認(rèn)真閱讀課本數(shù)字通信系統(tǒng)——傳輸數(shù)字消息的通信系統(tǒng)；信源消息消息符號序列檢測判決調(diào)制解調(diào)放大耦合信道信號拾取成型脈沖濾波器g(t)ABAB對于二進(jìn)制系統(tǒng)，xn∈{-1,1},g(t)為持續(xù)時(shí)間為T的矩形脈沖數(shù)字通信系統(tǒng)——傳輸數(shù)字消息的通信系統(tǒng)；信源消息消息符號序列檢測判決調(diào)制解調(diào)放大耦合信道信號拾取成型脈沖濾波器g(t)ABAB對于16進(jìn)制系統(tǒng)，xn=an+jbn,an,bn∈{±1,±3},g(t)為持續(xù)時(shí)間為的矩形脈沖,對于4進(jìn)制系統(tǒng)，an,bn∈{+1,-1},第3章模擬傳輸模擬傳輸核心內(nèi)容----模擬信號的調(diào)制、解調(diào)3.1幅度調(diào)制3.2模擬角度調(diào)制3.3幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能3.4*角度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能3.5各類通信系統(tǒng)的比較與應(yīng)用(發(fā)射器)(接收器)4調(diào)制是將基帶信號轉(zhuǎn)換為頻帶信號，而解調(diào)是將頻帶信號變換為基帶信號，其本質(zhì)是進(jìn)行頻譜的搬移3.0帶通信號與帶通系統(tǒng)g(t)g(t)數(shù)字通信系統(tǒng)——傳輸數(shù)字消息的通信系統(tǒng)；信源消息消息符號序列調(diào)制成型脈沖濾波器g(t)對于16進(jìn)制系統(tǒng)，xn=an+jbn,an,bn∈{±1,±3},g(t)為持續(xù)時(shí)間為的矩形脈沖消息符號序列串并轉(zhuǎn)換帶通信號主體上是正弦波，包絡(luò)隨緩慢波動，相位隨緩慢“抖動”。帶通信號本質(zhì)含兩個(gè)要素：復(fù)包絡(luò)與載頻6

調(diào)制(Modulation)調(diào)制實(shí)現(xiàn)的模型----通常用乘法器來實(shí)現(xiàn)m(t)調(diào)制信號(消息信號，通常是低通信號)s(t)已調(diào)信號(調(diào)制器的輸出信號是頻帶信號)載波信號(單頻正弦信號，調(diào)制器的輸入信號之一)正弦波又稱為載波，是個(gè)確知信號；消息信號又稱為調(diào)制信號(modulatingsignal)輸出信號又稱為已調(diào)制信號(modulatedsignal)7信號處理m(t)m(t)xL(t)頻譜搬移s(t)已調(diào)制信號表示的一般模型fc

---thecarrierfrequencyand

wherexL(t)---thecomlexenvelopeofs(t)經(jīng)過頻譜上搬移后獲得已調(diào)制信號為帶通信號，任何一個(gè)物理帶通信號均可以表示為：復(fù)包絡(luò)xL(t)是消息信號或調(diào)制信號的函數(shù)8注意：帶通噪聲的表達(dá)式與上式相同。9常規(guī)調(diào)幅抑制載波的雙邊調(diào)制相位調(diào)制頻率調(diào)制正交幅度調(diào)制(發(fā)射器)(接收器)結(jié)論:

調(diào)制器的主要任務(wù)有兩項(xiàng)：是的線性組合，則調(diào)制為線性調(diào)制是的非線性組合，則調(diào)制為非線性調(diào)制(1)即將攜帶信息的信號m(t)映射成基帶復(fù)包絡(luò)信號xL(t);(2)將xL(t)

的頻譜搬移中心頻率fc處3.1幅度調(diào)制幅度調(diào)制----用信號去迫使高頻載波瞬時(shí)幅度變化。模擬常規(guī)調(diào)幅（amplitudemodulation,AM）抑制載波雙邊帶調(diào)幅

(Double-sidebandsuppressedcarrier,DSB-SC）單邊帶調(diào)幅（single-sideband,SSB）殘留邊帶調(diào)幅（Vestigialsideband,VSB）即:在高頻載波瞬時(shí)幅度的變化中包含有信息111.常規(guī)調(diào)幅(AM)產(chǎn)生方案：復(fù)包絡(luò)：(1)時(shí)域信號表達(dá)式：m(t)是歸一化消息信號，即max|m(t)|<=1xL(t)sAM(t)通過信號的包絡(luò)來直接反映消息信號的變化規(guī)律的一種線性調(diào)制技術(shù)12Why？(2)波形xL(t)sAM(t)結(jié)論：已調(diào)信號的振幅包絡(luò)直接反映了消息信號的變化規(guī)律當(dāng)max|m(t)|>1,產(chǎn)生過調(diào)制結(jié)論：已調(diào)信號的振幅包絡(luò)不再直接反映消息信號的變化規(guī)律13(3)調(diào)幅指數(shù)：：正常情況；：臨界調(diào)制；：過調(diào)制14(4)頻域分析頻譜：

頻譜圖：基帶信號AM信號15(5)功率物理意義：調(diào)制信號總功率中用于傳輸信息的信號所占的功率的比例思考：不發(fā)生過調(diào)制的情況下，m(t)為直流時(shí)和幅度為1的正弦信號時(shí)，AM信號的最大調(diào)制效率為多少？(6)調(diào)制效率(Modulationefficiency)16常用的晶體二極管包絡(luò)檢波器：輸出電壓波形：非相干解調(diào)：接收機(jī)不需要產(chǎn)生與接收信號中的載波完全同頻同相的本地載波的接收方式

(7).接收17a.線性調(diào)制(Linearmodulation)b.雙邊帶信號(Doublesidebandmodulation)theuppersideband(USB)thelowersideband(LSB)c.d.可以使用包絡(luò)檢波來解調(diào)SummaryforAM18e.Modulationefficiencyisverylow.(1)DSB-SC信號波形：復(fù)包絡(luò)：2.抑制載波雙邊帶調(diào)幅為改善常規(guī)AM調(diào)制調(diào)制效率低的局限，來對AM進(jìn)行改進(jìn)19UpsidebandLowsideband(2)頻域分析頻譜：

20反相點(diǎn)(3)功率與效率調(diào)制效率相干解調(diào)原理圖：(4).接收相干解調(diào)：接收端需產(chǎn)生本地載波的解調(diào)方法。即為了獲得該信號，接收機(jī)需要有專門的載波同步電路

思考題：常規(guī)振幅調(diào)制可以使用相干解調(diào)嗎？21SummaryforDSB-SCModulationefficiencybeing100%；需使用相干解調(diào)(Coherentdemodulation)ThebandwidthbeingthesameasAM,2Bbaseband;頻譜包含兩個(gè)邊帶，但不含載頻223.單邊帶調(diào)幅為進(jìn)一步提高DSB-SC的頻譜效率，對DSB-SC進(jìn)行改進(jìn)只取DSB-SC信號中的上邊帶或下邊帶分量。上邊帶信號：下邊帶信號：(1)概述23保留下邊帶的邊帶濾波器：(2)基本的產(chǎn)生方法：濾波法保留上邊帶的邊帶濾波器：USBLSB24(3)相移法:Hilbert變換的應(yīng)用所以的時(shí)域形式：根據(jù)Hilbert變換可知：25時(shí)域統(tǒng)一式：復(fù)包絡(luò)統(tǒng)一式：實(shí)現(xiàn)框圖26III：Weaver’smethodReadingbyyourself27Readingbyyourself28USB29(4).接收3031SSB信號的數(shù)字解調(diào)NCO解調(diào)輸出SSB的一種數(shù)字解調(diào)Hilbert變換4.殘留邊帶調(diào)幅：殘留邊帶濾波器的傳遞函數(shù)，在處的過渡帶形狀必須對稱互補(bǔ)。32(發(fā)射器)(接收器)33模擬通信系統(tǒng)模擬信源產(chǎn)生的連續(xù)消息符號通過換能器轉(zhuǎn)化為時(shí)間連續(xù)的信號m(t)消息信號m(t)經(jīng)過調(diào)制，轉(zhuǎn)換為適用于信道傳輸?shù)念l帶信號5.Summary(線性調(diào)制)接收端的解調(diào)是關(guān)鍵，分相干和非相干解調(diào)5.LinearmodulationSummaryAMDSBIncreasingmodulationefficiencyIncreasingspectrumefficiencySSBEasilyrealizedbyfilter將頻譜效率和工程上易于實(shí)現(xiàn)綜合考慮VSB34(a)解決問題的思路和歷程(b)時(shí)域波形3536(c)頻譜比較Example3-1iflinearmodulatedsignalisasfollowing:(1)s1(t)=cos(ω0t)cos(ωct)

(2)s2(t)=(1+0.5sin(ω0t))cos(ωct)

Whereωc=6ω0,pleasegivingtheirspectrum.SolutionmethodI:(1)thespectrumis:-7ω0-5ω05ω07ω0

37(2)thespectrumis-7ω0-5ω05ω07ω0

jωωS2(ω)38SolutionmethodII:(1)thecomplexenvelopeis:-7f0-5f05f07f0

39(2)thecomplexenvelopeis-7ω0-5ω05ω07ω0

jωωS2(ω)403.2模擬角度調(diào)制1.角度調(diào)制的概念信號的相位或頻率隨著消息信號m(t)的變化而變化的調(diào)制技術(shù)角度調(diào)制信號的相位的統(tǒng)一表達(dá)式為41how？瞬時(shí)頻率:1)相位調(diào)制（PM）

或2)頻率調(diào)制（FM）

或42相位上的變化可以等效為頻率上的變化，而頻率上的變化可以等效為相位變化從攜帶信息的角度來看，F(xiàn)M和PM它們可以相互轉(zhuǎn)換432.PM與FM的等效關(guān)系（a）用PM實(shí)現(xiàn)FM（b）用FM實(shí)現(xiàn)PM10.5例3.1

圖示方波與鋸齒波信號的調(diào)相與調(diào)頻信號。積分微分3.最大頻偏、相偏與調(diào)制指數(shù)(1)最大相偏：調(diào)角信號相位偏離零相位(未調(diào)載波相位)的最大值。FM信號：PM信號：已調(diào)信號的瞬時(shí)頻率與未調(diào)載波頻率之差的最大值。FM信號：PM信號：(2)最大頻偏45調(diào)相指數(shù)：調(diào)頻指數(shù)(3)調(diào)制指數(shù)46適用的條件：單頻正弦信號的FM或PM，不能推廣到其它情形復(fù)包絡(luò)：，所以

式中，4.角度調(diào)制信號的頻譜特性與帶寬(1)基本結(jié)論角度調(diào)制信號的譜47(2)卡森規(guī)則定義頻偏比時(shí)，常用：已調(diào)信號帶寬，：基帶信號帶寬求PM信號的帶寬

求FM信號的帶寬：example48Example3.2消息信號為正弦信號的FM和PM49Conclusion：對單頻正弦信號而言50例3.3已知調(diào)角波：

解：根據(jù)調(diào)角波可知，其相位可以表示為(1)51(2)若為PM波易見，(3)若為FM波52例3.4單頻調(diào)頻波的振幅為10V，瞬時(shí)頻率為，

53(2)若54例3.5給定調(diào)相信號，555角度調(diào)制信號的產(chǎn)生(1)直接調(diào)頻法用調(diào)制信號直接改變載波振蕩器頻率的方法。原理框圖：VCO的輸出頻率正比于控制電壓m(t)倍頻器允許按較低的調(diào)制指數(shù)產(chǎn)生FM信號根據(jù)FM和PM的相位對應(yīng)關(guān)系，對控制電壓m(t)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，輸出信號可以為PM信號(2)間接調(diào)頻法(readingbyyourself)566角度調(diào)制信號的接收FM的非相干接收機(jī)框圖：信號微分后得到包絡(luò)檢波器提取出

的包絡(luò)，再經(jīng)隔直與LPF得，（其中K為常數(shù)）由于該方法不必產(chǎn)生嚴(yán)格同步的本地參考載波，因此是非相干

對于PM信號該如何進(jìn)行解調(diào)呢？573.3幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能直接傳輸模擬消息信號的系統(tǒng)。1.模擬傳輸中的噪聲問題(1)基帶傳輸系統(tǒng)：58LPF在設(shè)計(jì)上需要滿足什么條件？2.頻帶傳輸系統(tǒng)為了能在帶通信道上進(jìn)行傳輸，需要使用各種調(diào)制技術(shù)來獲得相應(yīng)的帶通信號解調(diào)器輸入信噪比：

解調(diào)器輸出信噪比：

59BPF在設(shè)計(jì)上需要滿足什么條件？系統(tǒng)增益：反映某一調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)相對于基帶傳輸系統(tǒng)的總體增益，定義為為衡量頻帶傳輸系統(tǒng)的總體性能，通常與虛擬基帶傳輸系統(tǒng)作比較。假定：實(shí)際系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)接收到的信號功率相同；實(shí)際系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)的噪聲功率譜密度相同比較了解不同頻帶傳輸系統(tǒng)的解調(diào)器對信噪比的影響；比較了解不同頻帶傳輸系統(tǒng)之間在信噪比上的整體優(yōu)劣。解調(diào)器輸入信噪比（注意到603.非相干AM系統(tǒng)結(jié)論：61B是信息信號m(t)的帶寬對調(diào)幅指數(shù)達(dá)100%的正弦消息信號，調(diào)幅指數(shù)達(dá)100%的正弦消息信號，AM系統(tǒng)的抗噪聲能力較差。

624.DSB-SC與AM(相干解調(diào))系統(tǒng)DSB：AM：BPFBTLPFB接收的噪聲功率=，

輸入信噪比分別為63BPF的參數(shù)為多少，如中心頻率，帶寬BT？B是信息信號m(t)的帶寬接收信號因信號的不同而不同經(jīng)過LPF后，

AM：DSB：64

結(jié)論exampleFor100%sine-wavemodulationforAM655.SSBsystemBPFBTLPFB

，接收的噪聲功率：，輸入信噪比為66BPF的參數(shù)為多少，如中心頻率，帶寬BT？AfterLPFSSB系統(tǒng)總體增益與DSC-SC系統(tǒng)是一樣的，雖然其解調(diào)增益只是DSC-SC的一半。SSB信號占用的帶寬要窄一半，信道的利用更為充分

結(jié)論：676ComparisonbetweenAMDSB-SCandSSBAMDSB-SCSSB683.5各類通信系統(tǒng)的比較與應(yīng)用有效性是指在給定的信道中單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少?？煽啃允侵附邮招畔⒌臏?zhǔn)確程度。1.調(diào)制技術(shù)分類：線性調(diào)制：滿足下線性關(guān)系的調(diào)制非線性調(diào)制：不滿足線性關(guān)系的調(diào)制。幅度調(diào)制均為線性調(diào)制；角度調(diào)制為非線性調(diào)制。692.比較前提條件信道噪聲功率譜密度相同基帶信號為帶寬是

的單頻信號接收信號平均功率相等703.幾種線性調(diào)制的比較714.幾種非線性調(diào)制的比較(自學(xué))725.結(jié)論：（1）帶寬上：（2）抗噪聲性能：73多路復(fù)用：將多路彼此不相關(guān)的消息信號合并為一個(gè)復(fù)合的群信號，共同在一條信道上進(jìn)行通信。分為：6頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用（FDM）時(shí)分多路復(fù)用（TDM）碼分多路復(fù)用（CDM）746頻分多路復(fù)用(續(xù))局限：設(shè)備復(fù)雜和存在串?dāng)_75調(diào)制調(diào)制調(diào)制調(diào)制解調(diào)解調(diào)解調(diào)Example1

Evaluatethemagnitudespectrumforanamplitude-modulated(AM)signalSolution:thecomplexenvelopeitsspectrumofthecomplexenvelopetheAMsignalwaveformtheAMspectrum7677Exercise2

Givenapulse-modulatedsignaloftheforms(t)=e

atcos[(

c+

)t]u(t)where

a,

c,and

arepositiveconstantsandthecarrierfrequency

c+

,Findthecomplexenvelope.Solution:Thecomplexenvelopeis78Exercise3

AssumethattheDSB-SCsignals(t)withacarrierfrequencyof3.8MHzhasacomplexenvelopeg(t)=Acm(t).Ac=50A,andthemodulationisa1-kHzsinusoidaltesttonedescribedbym(t)=2sin(2

1,000t),appearsacrossa50-

resistiveload.Computetheactualaveragepowerdissipatedintheload.Solution:

79Exercise5808182Exercise6

Anangle-modulationsystemisindicatedinFig.whereDpisthephasesensitivityofphasemodulator,thecarrierfrequency,ifthemodulatedwaveforms1(t)isgivenby:(1)Formodulatingsignalm(t),determinewhethers1(t)isaphasemodulatingwaveorfrequencymodulatingwave;(2)Findtheexpressionofm(t);(3)Findthemaximumphasedeviationandmaximumfrequencydeviation;(4)FindthetransmissionbandwidthbyusingCarson’srule.modulator

83foramodulatingsignalm(t)

2)1)isfrequencymodulatedwave84B=2000Hz3)4)85Exercise7

已知調(diào)制信號為AM信號