现代通信原理、技术与仿真第4章 信道与线性调制.ppt
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1、,第4章 信道与线性调制,4.1 信道 4.2 线性调制 4.3 幅度调制系统的一般模型 4.4 幅度调制信号解调的一般模型 4.5 幅度调制系统的抗噪声性能 本章仿真实验举例 习题,4.1 信 道 4.1.1 信道的基本概念 信道(Channel):传送信息的线路(或通路)。信道可分为有线信道和无线信道。有线信道主要有同轴电缆、双绞线、光纤等;无线信道有无线长波、超短波及微波视距传播、短波电离层反射、超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射、超短波超视距绕射以及光波视距传播等。,带宽(Bandwidth):信号或信道占据的频率范围。 信道容量(Channel Capaci
2、ty):信道的最大数据率。 通信系统的三个要素包括信源、信宿和信道。 任何一个通信系统都可以抽象为图4.1所示的模型。,图4.1 通信系统模型,图4.1中,编码器用于将数据变换成适合传输的信号(便于识别、纠错);调制器用于将信号变换成适合传输的波形(频 率、幅度、相位);解码器用于将传输信号再变换成原始数据;解调器用于将接收波形变换成数字信号序列。 通信系统的任务是将信息通过通信系统传输,把携带信息的数据用物理信号形式通过信道(介质)传送到目的地。其信息变换关系为:信息数据信号在介质上传输信号数据信息。,数字信道和模拟信道:数字信道是以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道;模拟信道是以连续模
3、拟信号形式传输数据的信道。 基带传输与频带传输:基带传输指不调制,编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送, 如以太网;频带传输指调制成模拟信号后再传送,接收方需要解调,如通过电话模拟信道传输。,广义信道:按照其功能可以划分为调制信道和编码信道。所谓调制信道,是指从调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看,调制器输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质,不论其过程如何,只不过是对已调制信号进行某种变换。所谓编码信道,是指编码器输出端到译码器输入端的部分。从编译码的角度来看,编码器的输出是某一数字序列,而译码器的输入同样也是某一数字序列,它们可能是不同的数字序列。因此,从编码器输
4、出端到译码器输入端,可以用一个对数字序列进行变换的方框图来概括。图4.2为调制信道与编码信道的示意图。,图4.2 广义信道,4.1.2 信道容量 信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量。信道容量的单位是比特/秒(b/s或bps),即信道的最大传信速率。 Nyquist(奈奎斯特)公式: C=2B lbM (4.1) 式中:C为传输率,单位为b/s或bps;B为带宽,单位为Hz; M为信号电平级数。,Nyquist公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加, 为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据,适用于理想低通数字信道。 Shannon(香农)公式: (4.2),式中: C为传输率
5、,单位为b/s; B为带宽,单位为Hz; 信噪比 (单位为dB)的定义为 即 (4.3),Shannon公式适用于高斯噪声干扰信道。Shannon公式说明无论采样频率多高,信号编码分多少级,信道能达到的最高传输速率,原因在于噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。 模拟信道的信道容量可以根据式(4.2)的香农(Shannon)公式计算。 数字信道是一种离散信道,它只能传送离散取值的数字信号。典型的数字信道是平稳、对称、无记忆的离散信道。这种信道可以是二进制的,也可以是多进制的。图4.3给出了平稳、对称、无记忆的二进制信道的数学模型。图中,Pe表示错误传输的概率,即误码率;Q表示正确传输的概率。,
6、图4.3 对称、平稳、无记忆二进制信道模型,【例4.1】 若信道带宽为3000 Hz,信道中只存在加性白噪声,信号噪声功率比为20 dB,求信道容量。 解: 当信号噪声功率比为20 dB时,信号功率为噪声功率的100倍,即 ,则该信道容量为,【例4.2】 设数字信道的带宽为3000 Hz,采用四进制传输,计算无噪声时该数字信道的通信容量。 解: 由奈奎斯特(Nyquist)公式(4.1)得: C=23000lb4=12 000 b/s,4.1.3 信道特性 1. 明线及其特性 明线导线通常采用铜线、铝线或钢线(铁线),线径为 3 mm左右。对铜、铝线来说,长距传输的最高允许频率为150 kHz
7、左右。明线信道易受天气变化和外界电磁干扰,通 信质量不够稳定,而且信道容量较小,不能传输视频信号 和高速数字信号。,2. 电缆及其特性 电缆主要有对称电缆、同轴电缆和双绞线等。 对称电缆芯线大都为软铜线,线径为0.41.4 mm。长途对称电缆采用四线制双缆传输,最高传输频率为252 kHz,可复用60个话路,有时传输频率可达552 kHz,可复用132个话路。市话中电缆上可传输脉码调制(PCM)数字电话,总码速率为2.048 Mb/s。,同轴电缆根据尺寸不同分为中同轴(2.69.5 mm)、小同轴(1.22.4 mm)及微同轴(0.72.9 mm);按照阻抗分为50 同轴电缆(或基带同轴电缆)
8、和75 同轴电缆(或宽带同轴电缆)。基带同轴电缆用于数字传输(局域网LAN);宽带同轴电缆同时传输不同频率的多路模拟信号,用于模拟传输。同轴电缆由于传输频率增高,外导体的屏蔽作用增强,所受外界干扰和同轴管线间串音都将减小,因而适用于高频传输。,根据性能不同,非UTP可以分为3类、4类、5类、超5类、6类和7类六种;STP只分为3类和5类两种。目前,布线中最常用的是5类和超5类双绞线。 表4.1列出了各类UTP的主要参数和用途。,双绞线成本低,密度高,节省空间,安装容易(综合布线系统),平衡传输(高速率),抗干扰性一般,连接距离较短,主要应用于计算机网络,是计算机网络布线中的主要连接介质,几乎所
9、有的计算机网络中都在使用双绞线。双绞线中导线的颜色分别为白绿、绿、白橙、橙、白蓝、蓝、白棕、棕。在双绞 线电缆内,除了有导线对外,一般还有一根尼龙绳(抗拉纤维),用于增加双绞线电缆的抗拉强度。图4.4是双绞线和同轴电缆的结构图。图4.5是一根常用双绞线的实物组成图。,图4.4 双绞线和同轴电缆的结构图,图4.5 UTP双绞线的实物图,3. 光缆及其特性 光缆信道由光纤组成。当纤芯直径小于5 m时,光在光波导中只有一种传输模式,这样的光纤称为单模光纤;当纤芯直径较粗时,光在光波导中可能有许多沿不同途径同时传播的模式,这种光纤称为多模光纤。多模光纤与单模光纤的工作原理如图4.6所示。,图4.6 多
10、模光纤与单模光纤的工作原理,在实际应用中多使用光缆,而不是光纤,因为光纤只能单向传输信号,所以在通信网络中连接两个设备时至少需要两根光纤,一根用于发送数据,另一根用于接收数据。在通信布线中直接使用的是光缆。一根光缆由多根光纤组成,外面再加上保护层。高密度多芯光缆的结构如图4.7所示。,图4.7 高密度多芯光缆的结构,4. 微波信道及其特性 微波中继通信是利用电磁波在对流层的视距范围内传输的一种通信方式,其频率范围为320 GHz。由于受地形和天线高度的限制,两站间的通信距离一般为3050 km,因此长距离传输时,必须建立多个中继站。 图4.8所示为地面微波接力通信原理。,图4.8 地面微波接力
11、通信原理,5. 卫星通信及其特性 卫星通信实际上也是微波通信的一种方式,只不过它是依靠卫星来转发信号的。目前用得较多的是C波段和KU波段; C波段用4/6 GHz频段,上行5.9256.425 GHz,下行3.7 4.2 GHz;KU波段用12/14 GHz频段, 上行1414.5 GHz, 下行11.712.2 GHz。一般将500 MHz的带宽划分为36 MHz 带宽的转发器频带,一颗卫星上可有12个或更多个转发器。 通过同步卫星转发信号,可使两个地球站之间的直接通信距 离达13 000 km,而且不论距离远近,其信道质量是一样的。卫星通信原理如图4.9所示。,图4.9 卫星通信原理,卫星
12、通信适用于远距离通信,尤其当通信距离超过某一范围时,每话路的成本可低于地面微波通信,而且一般其质量和可靠性都优于地面微波通信。卫星通信适应于地面站相对固定的环境,使用3个地球同步卫星就可以覆盖全球,如图4.10所示。,图4.10 地球同步卫星通信原理,电信领域使用的信道电磁波的频谱如图4.11所示。各种信道的性能和特性比较如表4.2所示。,图4.11 各种信道电磁波的频谱,4.1.4 编码与调制 不同类型信号在不同类型信道上传输有4种组合,每一种相应地需要进行不同的编码处理。数据的编码与调制关系如图4.12所示。,图4.12 调制和编码,由图4.12可见,模拟数据或数字数据要在模拟信道上传输必
13、须经过调制,模拟数据或数字数据要在数字信道上传输必须经过编码。这样模拟数据和数字数据在两种信道上的数字传输和模拟传输的信号变换就有四种组合,如图4.13所示。一般无线广播通信系统采用模拟调制(调幅AM和调频FM);模拟数据或模拟信号的数字化一般采用模拟数据编码(如PAM、PCM);数字数据的编码与调制主要用于数据通信中,如计算机网络中的基带信号编码(不归零码NRZ、曼彻斯特编码)、频带传输的Modem调制(如ASK、FSK、PSK、QAM等)。本章主要讲述模拟调制中的线性调制。,图4.13 调制和编码原理,调制与编码的广义定义为:编码指用数字信号承载数字数据或模拟数据;调制指用模拟信号承载数字
14、数据或模拟数据。编码与调制的工作原理如图4.14所示。 图中,P为调制参数。,图4.14 编码和调制的工作原理,4.2 线 性 调 制 4.2.1 标准振幅调制 幅度调制是指高频正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。标准振幅调制(AM,Amplitude Modulation)是最基本的幅度调制方式。,1 AM信号的时域及频域表示 设f(t)为一无直流分量的基带信号,其频谱为F()。 高频正弦载波信号为 C(t)=A cos(0t+0) (4.4) 式中: A为载波振幅;0为载波角频率; 0为载波的初始相位。为简单起见,设0=0。根据傅立叶变换可知:,则标准振幅调制信号的时间波形可表示为
15、(4.5) 式中, A0为外加的直流分量,且要求A0|f(t)|max或A0+f(t)0,否则将出现过调制现象。过调制时AM信号的包络不能反映f(t)的变化规律,会出现严重的失真。,定义 (0m1)为调幅指数。当出现过调制时, m值大于1,这种情况是不允许出现的,否则无法正确解调出原调制信号。 产生标准振幅调制信号的模型如图4.15所示。 典型的标准振幅调制信号波形如图4.16所示,图(a)是调制信号波形,图(b)是已调信号波形。,图4.15 标准振幅调制信号的产生模型,图4.16 标准振幅调制信号波形,由傅立叶变换的性质可以得到,式(4.5)中sAM(t)信号的频谱SAM()为 (4.6)
16、由式(4.6)可知,标准振幅调制信号的频谱SAM()中包括有位于=0和=0处的载波频率,以及位于它们两旁的边频分量F(0)(正频域)及F(+0)(负频域)。调制前后的频谱如图4.17所示。,图4.17 标准振幅调制信号的频谱,由图4.17(b)可看出,标准振幅调制信号的频谱SAM()是调制信号频谱F()的线性搬移,在这里调制的作用是将基带信号频谱F()搬移到载波频率0(和0)的位置上,因而AM是一种线性调制方式。图4.1(a)中F()的正频谱部分经搬移后称为上边带(USB,Upper SideBand),负频谱部分经搬移后称为下边带(LSB,Lower SideBand)。显然,当f(t)为实
17、信号时,上下边带是完全对称的。,另外,由图4.17(b)还可看出,若调制信号的频谱F()的最高角频率为m,则已调信号的频谱SAM()的带宽扩展为了2m,因而标准振幅调制信号的带宽为 B=2fm (4.7) 式中, fm=m/2为F()的最高频率。,2. AM信号的解调 AM信号的解调可采用同步解调和包络解调两种方式。 同步解调也称为相干解调。同步解调器由乘法器和低通滤波器组成,解调模型如图4.18所示。在这种解调方式中,接收端必须提供一个与发送端载波信号具有相同频率和相同相位的本地载波振荡信号,该信号称为相干载波。相干载波由载波同步电路提取,其实现过程比较复杂(详细过程见第11章内容)。,图4
18、.18 AM信号的同步解调模型,图4.18中, cos0t为接收端产生的相干载波,它与发送端的载波信号是同频、同相的。 由图4.18可以得到:,分析上式可知,该信号由两部分组成: 和 。其中,第一部分为基带信号,能顺利通过低通滤波器,去除其中的直流分量A0后(通过隔直电路)即为需要的调制信号f(t);第二部分是载波频率为20的标准振幅调制信号,通过低通滤波器后将被滤除。 上述解调过程也可以利用卷积图解的方法来说明,如图4.19所示。,图4.19 AM信号的同步解调过程,其中,图(a)为AM信号的频谱;图(b)为cos0t的频谱; 图(c)为图(a)与图(b)卷积的结果,即信号sP(t)的频谱S
19、P(); 图(d)为SP()经过理想低通滤波器及隔直电路后的输出 F();图(e)为对应的基带信号波形 f(t)。,AM信号的解调还可以采用非相干解调方法,即包络解调。包络解调可由包络检波器来完成,其电路结构及其输入、输出波形如图4.20所示。由图4.20可见,包络检波器是利用电容的充、放电原理来实现解调过程的,因此包络检波器的输出会出现频率为0的波纹,需用低通滤波器加以平滑。包络检波器的最大优点是电路简单,同时不需要提取相干载波,因而,它是AM调制方式中最常用的解调方法。不过在抗噪声能力上,AM信号采用包络解调法不如相干解调法(当满足大信噪比条件时,包络解调法具有和相干解调法相近的抗噪性能)
20、,这点将在4.5节中证明。,图4.20 包络检波电路与波形,3. AM信号的功率分布和调制效率 在上述讨论中,假设调制信号f(t)是一确定信号,但在实际通信系统中,调制信号f(t)通常是随机信号(如话音信号),因而已调信号也是随机的。这时讨论AM信号的功率及调制效率就必须应用自相关函数和功率谱密度函数来描述。 在通信系统中遇到的调制信号通常被认为是满足各态历经性的平稳随机过程。由第3章的随机过程分析可知,对于平稳随机过程,其自相关函数与功率谱密度函数之间是一对傅立叶变换。因此,可以首先求出已调信号的自相关函数,然后得到其功率谱密度函数。,假设f(t)是一均值为零且满足各态历经性的平稳随机过程的
21、一个样本函数,用它作为调制信号得到AM信号,则AM信号的自相关函数BAM()为 (4.8) 将式(4.5)代入式(4.8),得 (4.9),利用三角函数关系式: 考虑到 及 可得: (4.10) 式中, 为调制信号f(t)的自相关函数。,AM信号的功率谱密度函数为 由式(4.10)及傅立叶变换的性质可得: (4.11) 式中, 为调制信号f(t)的功率谱密度函数。,式(4.11)中的第一项是由载波产生的,该项不含有信息;第二项是由调制信号f(t)的功率谱决定的,该项包含有信息。 AM信号的平均功率PAM为 (4.12),将式(4.11)代入式(4.12)得: (4.13) 式中, 为载波功率;
22、 (4.14) 为由调制信号f(t)引起的边带功率。,由于调制信号f(t)的平均功率Pf为 (4.15) 考虑式(4.15),重写式(4.14)有: (4.16) 式(4.16)表明,AM信号中的两个边带功率之和等于调制信号f(t)的功率的一半。,为了表征AM信号的功率利用程度,将AM信号的边带功率PfB与平均功率PAM之比定义为AM信号的调制效率,即 (4.17),可见,由于A0的存在,AM信号的调制效率是不高的。为了保证不产生过调制现象, |f(t)|的最大值不能超过A0的值,因此AM信号的调制效率最高为50%,它发生在调制信号f(t)是幅度为A0的方波时。如果调制信号是单频余弦波,其幅度
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