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1、2019/7/9,1/129,通信原理,第3章 模拟传输,2/129,2019/7/9,信源,调制器,发射机,信道,接收机,解调器,信宿,噪声,发送设备,接收设备,基带信号,基带信号,调制信号,已调带通信号,带通信号,模拟通信系统信道中传输模拟波形的通信系统。,3/129,2019/7/9,调制器,调制信号,已调信号,幅度调制,角度调制,都是 的函数,被调信号,4/129,2019/7/9,已调带通信号:,的谱:,的功率谱:,的归一化平均功率为:,5/129,2019/7/9,本章内容-模拟信号的调制、解调 3.1 幅度调制 3.2 模拟角度调制 3.3 幅度调制系统的抗噪声性能 3.4 *角
2、度调制系统的抗噪声性能 3.5 各类通信系统的比较与应用,6/129,2019/7/9,3.1 幅度调制,(Amplitude Modulation),7/129,2019/7/9,已调带通信号的频谱是基带信号频谱的简单搬移,幅度调制-用信号去迫使高频载波瞬时幅度变化。,模拟常规调幅(AM),抑制载波双边带调幅(DSB-SC),单边带调幅(SSB),残留边带调幅(VSB)信号,8/129,2019/7/9,(conventional AM),3.1.1 常规调幅AM,1表达式:,调制:,复包络:,9/129,2019/7/9,图(a)常规调幅,图(b)过调幅,波形:,10/129,2019/7
3、/9,(常规调幅: ),一般:,常规调幅:,11/129,2019/7/9,过调幅:,载波反相点,12/129,2019/7/9,定义调幅指数:,调幅指数影响功率分配,modulation index,13/129,2019/7/9,2. 频域分析,频谱:,频谱图:,14/129,2019/7/9,常规AM信号的波形及频谱,15/129,2019/7/9,3. 功率与效率,归一化功率:,16/129,2019/7/9,调制效率:,17/129,2019/7/9,例:对于调福指数为100的AM信号,1. 周期方波调制信号:,2. 单频正弦波调制信号:,18/129,2019/7/9,4. 接收,
4、常规调幅常用的二极管包络检波器解调:,非相干解调:接收机不需要产生与接收信号中的载波同频同相的本地载波的接收方式。,19/129,2019/7/9,总结:AM 信号的特点:,包络检波器 用于检测 AM(常规调幅) 信号(接收机简单),这是离散载波项的功劳。,AM信号的功率效率 很低,因为离散载波项浪费功率。,AM 信号的带宽是 信息信号 m(t)带宽的2倍. 上下两个边带完全对称,带宽浪费一半。,乘积检波器 用于检测 AM(常规调幅、过调幅) 信号,接收机复杂,这是调幅只用常规调幅的原因。,20/129,2019/7/9,例 AM 信号的功率 联邦通信委员会(FCC)用平均载波功率对AM 广播
5、频段发射机评级; 这种评级系统在 AM 音频应用中很普通 . 假设一个 5,000-W AM 发射机 与一个 50- 负载相连. 如果发射机被一个1000hz的测试音 100% 调制. 我们计算一些参数,未调制时载波 功率为(设载波为电压信号):,平均载波功率,21/129,2019/7/9,调制信号:,已调信号:,AM 信号的归一化平均功率:,22/129,2019/7/9,在 50- 负载上 AM 信号的实际功率:,在 50- 负载上 AM 信号的峰值电压:,调制效率:,作业:2、3,23/129,2019/7/9,3.1.2 抑制载波双边带调幅,Double-Sideband Suppr
6、essed Carrier (DSB-SC),1. DSB-SC信号,24/129,2019/7/9,载波反相点,波形:,25/129,2019/7/9,2. 频域分析,频谱:,Upper sideband,Lower sideband,26/129,2019/7/9,3. 功率与效率,调制效率:,归一化功率:,27/129,2019/7/9,4. 发射和接收,发射(调制):,接收(解调):相干解调(接收机本地载波与接收载波同频同相),LPF,28/129,2019/7/9,After LPF:,相干解调原理:,乘积检波器,29/129,2019/7/9,Discuss:,同步检波,乘积检波,
7、30/129,2019/7/9,接收机产生本地相干载波的方法:,1. 发送端发射小功率离散载波(导频单音信号),2. 接收端用锁相环提取同频同相载波,注意:常规AM也可以用相干解调获取基带信息信号,31/129,2019/7/9,总结:DSB 信号的特点:,乘积检波器用于检测 DSB信号,乘积检波器较包络检波器昂贵 。,DSB信号的功率效率 高。,DSB信号的带宽是 信息信号 m(t)带宽的2倍. 上下两个边带完全对称,带宽浪费一半。,32/129,2019/7/9,single sideband signal (SSB),3.1.3 单边带调幅(SSB),1. SSB信号,只取DSB-SC信
8、号中的上边带或下边带分量。,上边带信号:,,频谱:,下边带信号:,,频谱:,33/129,2019/7/9,频谱:,34/129,2019/7/9,1,1/2,时域表达式:,截取基带信号的负频率部分或正频率部分再直接用DSB-SC调幅可产生单边带信号。如下:,设 的希尔伯特变换为 ,解析信号为 。,则:,由图示可以看出:m+(t) 是sUSB(t)的复包络,35/129,2019/7/9,因为 是 的复包络,36/129,2019/7/9,单边带信号表达式:,SSB 信号的复包络:,2. 单边带信号的产生:,(2) 相移法,(1) 滤波法,(3) 维佛法,37/129,2019/7/9,(1)
9、 滤波法,保留上边带的边带滤波器:,保留下边带的边带滤波器:,38/129,2019/7/9,(2) 相移法,39/129,2019/7/9,3. 单边带信号的接收,SSB信号既有AM又有PM,对于AM分量(实包络),对于PM分量,40/129,2019/7/9,上边带信号的波形及频谱变换,41/129,2019/7/9,相干解调接收:,乘积检波器:,:以基带信号 的最高频率为截止频率的低通滤波器。,42/129,2019/7/9,4. 功率,归一化平均功率,调制效率:,43/129,2019/7/9,例: SSB-AM 发射机被一正弦信号 调制, 其中 。 (a) 计算 。 (b) 确定下边
10、带 SSB 信号的表达式。 (c)确定SSB 信号的归一化平均功率。 (d) 确定SSB 信号的峰值。 (e)确定SSB 信号的均方根( rms)值。,解:,44/129,2019/7/9,45/129,2019/7/9,总结:SSB 信号的特点:,乘积检波器用于检测 SSB信号。而且SSB信号的产生比AM、DSB复杂。,SSB信号的功率效率 高。,SSB信号的带宽等于信息信号 m(t)的带宽。只有 AM、DSB带宽的一半。,作业:4、11,46/129,2019/7/9,3.1.4 残留边带调幅 (VSB),1. 用滤波法产生 VSB 信号,令,47/129,2019/7/9,48/129,
11、2019/7/9,DSB、SSB和VSB信号的频谱,都是基带信号频谱的简单平移,49/129,2019/7/9,残留下边带调制的波形及频谱变换,50/129,2019/7/9,2. 接收机,LPF,51/129,2019/7/9,选择合适的LPF的截止频率可滤除第二项。,After LPF:,52/129,2019/7/9,为了恢复无失真调制信号 M( f ) , HV( f ) 必须满足下面条件:,互补对称性,53/129,2019/7/9,54/129,2019/7/9,3.2 模拟角度调制,55/129,2019/7/9,3.2.1角调制的基本概念,角调信号表达式:,随 变化。,1. 相
12、位调制与频率调制的概念,(PM and FM),(1)相位 和 频率,瞬时相位:,对 的瞬时相位偏移 :,:载波频率,非线性调制,已调带通信号的谱不再是基带信号谱的简单搬移,56/129,2019/7/9,瞬时频率:,瞬时频率偏移:,instantaneous,57/129,2019/7/9,(2) 相位调制(PM),相位偏移正比于调制信号,其中: 相偏常数,PM 信号 表达式:,(调相器的灵敏度),其含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量,58/129,2019/7/9,(3)调频 (FM),其中: 频偏常数(调频器灵敏度),频率偏移正比于调制信号 。,调频信号表达式:,其含义是单位
13、调制信号幅度引起FM信号的频率偏移量,相位偏移正比于调制信号 的积分。,59/129,2019/7/9,例3.1 图示方波与锯齿波信号的调相与调频信号波形。,解:,60/129,2019/7/9,用 FM 器产生PM信号,2. FM 、 PM 之间的转换,对 是FM,对 是PM,61/129,2019/7/9,用 PM 器产生FM信号,对 是FM,对 是PM,62/129,2019/7/9,3. 最大频偏、相偏与调制指数,(1) 最大相偏(峰值相偏),:调角信号瞬时相位偏移的最大值。,PM信号:,FM信号:,63/129,2019/7/9,(2) 最大频偏(峰值频偏),已调信号的瞬时频率偏移的
14、最大值。,PM信号:,FM信号:,64/129,2019/7/9,例3.2 若消息信号:,可对 调频,又可调相。确定调频信号和调相信号的表达式。,解:PM调制:,FM调制:,单频信号,65/129,2019/7/9,所以调频信号和调相信号的表达式:,令,与,66/129,2019/7/9,于是有,,定义调制指数:,1. 调相指数:,2. 调频指数:,B表示基带信号m(t)的带宽,等于它的最高频率fm。,PM信号的最大相偏,FM信号的最大相偏,PM ,FM 都是最大相偏这一结论只对单频调制信号成立。,67/129,2019/7/9,例3.3 已知调角波:,(1)求 与,(2)若 是调相波, ,求
15、 与,(3)若 是调频波, ,求 与,68/129,2019/7/9,解:(1)此角调波的相位偏移为,69/129,2019/7/9,(2)若为PM波,则,所以,而且,,70/129,2019/7/9,(3) 若为FM波,则,易见,,71/129,2019/7/9,4. *窄带角度调制,角调信号:,若: ,则称为窄带角调制,此时:,角调信号可作如下近似:,恒包络,包络有微小起伏,72/129,2019/7/9,3.2.2 角度调制信号的频谱特性,1. 基本结论,角调信号:,复包络:,非 的线性函数,是 的线性函数,不再是基带信号谱的简单搬移,73/129,2019/7/9,角调信号带宽估计,卡
16、森规则:,:已调信号带宽,,:基带信号带宽,,定义频偏比 :,角调信号的全部功率的98在卡森带宽内,74/129,2019/7/9,对于单频正弦信号,,(1)PM信号的带宽:,(2)FM信号的带宽:,幅度调制的信号带宽由调制信号的带宽决定。角度调制的带宽和调制信号带宽、幅度有关,和调制器的参数有关。传输同一基带信号,角度调制的已调信号带宽可宽可窄。FM信号的带宽较易控制,75/129,2019/7/9,例3.4 单频调频波的振幅为10V,瞬时频率为,求:(1)信号表达式与 ; (2)若频率 fm 提高到 ,求 。,解:(1) 基带信号带宽:,76/129,2019/7/9,77/129,201
17、9/7/9,(2)若,(不变),(变为一半),(变化不大),78/129,2019/7/9,例3.5 给定调相信号,求:(1)信号带宽 ; (2)若频率 fm 提高到 ,求 。,解:基带信号带宽:,(1),,于是,,(2),,于是,,带宽成倍增长,79/129,2019/7/9,作业:17、19、21,80/129,2019/7/9,2. *正弦信号角度调制的谱分析,设,角调制信号的频谱:,时域表达式:,n - 第n个频率分量, - 调频(调相)指数,81/129,2019/7/9,- 第一类 n 阶 贝赛尔函数,82/129,2019/7/9,参见表3.2.1,图3.2.4 贝塞尔函数曲线,
18、83/129,2019/7/9,正频:,PM 、 FM信号的谱:,84/129,2019/7/9,正频:,85/129,2019/7/9,86/129,2019/7/9,角调信号的功率:,角调信号:,未调时:,已调时:,即 MF、MP不改变总功率,对于单频调制,可以证明,87/129,2019/7/9,角调信号的离散载波功率:,角调信号的各次边频功率:,不同时,载波功率和各边频功率的分配关系也发生变化。,已调后: ,载波功率 ,转变为各边频功率,而总功率不变。,88/129,2019/7/9,(1) :窄带角调制; 变大时为宽带角调制; ()图中的 是以Carson公式估算的结果,准确地反映了
19、信号的带宽, 对应的功率包括约98%的功率; (3)载波的强度由 决定,选择合适的 ,可使载波功率减小或为零。 (4) 为单一频率,由它产生的FM或PM信号包含无穷多个边频分量,产生了新的频率分量,该调制为非线性调制。,总结:,89/129,2019/7/9,未调时,,调制后,,3.2.3 调角信号的产生,1. 直接调频法,用调制信号直接改变载波振荡器频率的方法。原理框图:,倍频器,VCO,90/129,2019/7/9,2. *间接调频法(阿姆斯特朗法),原理图:,产生NBFM信号,产生WBFM信号,91/129,2019/7/9,倍频后:,上述信号通过带通滤波器, 获得k倍频输出:,限幅后
20、:,92/129,2019/7/9,3.2.4 调角信号的接收,FM的非相干接收机框图:,低通滤波器,限幅及BPF,微分器,包络检波器,sFM( t ),sd( t ),so( t ),鉴频器,解调不必产生同步的本地参考载波,是非相干方法。,(K为常数),93/129,2019/7/9,PM信号的接收:,在FM接收机后增加一个积分器,便可接收PM信号。,经包络检波、隔直与低通滤波和积分器后得到,,(K为常数),低通滤波器,限幅及BPF,微分器,包络检波器,鉴频器,积分器,sPM( t ),sd( t ),so( t ),94/129,2019/7/9,3.3 幅度调制系统的 抗噪声性能,95/
21、129,2019/7/9,3.3.1 模拟传输中的噪声问题,1. 基带传输系统:,直接传输模拟消息信号的系统。,LPF B,带宽为 B,AWGN信道,接收机,LPF,平滑滤波,r(t),ro(t),96/129,2019/7/9,2. 频带传输系统,PS - 接收信号功率,解调器输入信噪比:,解调器输出信噪比:,BPF BW=BT,BW =B,信道,解调,调制,BW =BT,97/129,2019/7/9,98/129,2019/7/9,基带信噪比与解调器输入信噪比(注意到 )之间的关系:,99/129,2019/7/9,系统增益:反映某一调制解调系统相对于基带传输系统的总体增益,定义为,对比
22、 :了解不同频带传输系统的解调器对信噪比的改善; 对比 :了解不同频带传输系统之间在信噪比上的整体优劣。即比较不同频带传输系统抗噪性能的优劣,100/129,2019/7/9,3.3.2 常规AM系统(非相干解调),101/129,2019/7/9,于是,,输入信噪比:,输出信噪比:,(如15dB以上),出现门限效应的输入信噪比称为门限值,约为0dB,(1)输入信噪比 :,(2)输入信噪比 ,则 很小,通信无法正常进行。表现为一个“门限效应”。,102/129,2019/7/9,解调增益:,对调制达100%的正弦消息信号,,,,对调制达100%的正弦消息信号,,AM系统的抗噪声能力较差。,系统
23、增益:,103/129,2019/7/9,3.3.3 DSB-SC与AM(相干解调)系统,BPF BW=2B,LPF BW=B,乘积检波器,104/129,2019/7/9,105/129,2019/7/9,输入信噪比分别为,,输入信噪比:,106/129,2019/7/9,接收信号 :,输出信噪比:,输出信号分量 :,107/129,2019/7/9,低通隔直流后:,输出噪声分量 :,108/129,2019/7/9,LPF后:,输出信噪比为,,109/129,2019/7/9,结论:,110/129,2019/7/9,3.3.4 *SSB系统,111/129,2019/7/9,输入信噪比:
24、,,,112/129,2019/7/9,接收信号 :,输出信噪比:,输出信号分量 :,After LPF:,113/129,2019/7/9,输出噪声分量 :,After LPF:,114/129,2019/7/9,输出信噪比为,,,,SSB系统总体增益与DSC-SC系统是一样的,虽然其解调增益只是DSC-SC的一半。SSB信号占用的带宽要窄一半,信道的利用更为充分。,115/129,2019/7/9,总结,116/129,2019/7/9,作业:13、15 、26,117/129,2019/7/9,3.5 各类通信系统的 比较与应用,118/129,2019/7/9,有效性是指在给定的信道中
25、单位时间内传输的信息 内容的多少。 可靠性是指接收信息的准确程度。,3.5.1 各类通信系统的比较,比较前提:,各个系统具有相同的基带信号带宽 B 各个系统的信道噪声具有相同的 PSD(N0) 各个系统具有相同的接收信号功率 PS .,119/129,2019/7/9,120/129,2019/7/9,增加能提高抗噪声性能,但 不能无限增加,因为 增加,信号带宽也增加,收端BPF输出的噪声也增加,调频解调器输出SNR会急剧下降,即角调系统也存在门限效应。,121/129,2019/7/9,122/129,2019/7/9,123/129,2019/7/9,124/129,2019/7/9,12
26、5/129,2019/7/9,126/129,2019/7/9,3.5.2 频分多路复用,多路复用:将多路彼此不相关的消息信号合并为一个复合的群信号,共同在一条信道上进行通信。,分为:频分多路复用(FDM) 时分多路复用(TDM) 码分多路复用(CDM),FDM 是在一个宽带信道上同时传输多路信息的技术。,127/129,2019/7/9,FDM的实现:,(1) 发端,调制器1,调制器2,调制器n,FDM群路信号,BPF,BPF,BPF,128/129,2019/7/9,(2) 收端,调制可采用任何类型的调制:(AM、DSB、SSB、PM、FM),129/129,2019/7/9,(3) 技术
27、难点,发射机和接收机中的 BPF 难以实现.,主要问题还有设备复杂和存在串扰。,130/129,2019/7/9,调制的目的是:(1)将调制信号(基带信号)转换成适合于信道传输的已调信号(频带信号); (2)实现信道的多路复用,提高信道利用率; (3)减小干扰,提高系统抗干扰能力; (4)实现传输带宽与信噪比之间的互换。 调制方式很多,根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制;根据载波的选择可分为以正弦波作为载波的连续波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制。,131/129,2019/7/9,掌握 AM、DSB-SC、SSB调制原理和解调方法,会计算各种已调信号的调制效率、平均功率、频谱、带宽;了解AM信号的波形特点。 掌握瞬时相位、瞬时频率、瞬时相位偏移、瞬时频率偏移的等概念,掌握调频、调相的概念,深刻理解频偏比与调频指数、调相指数之间的关系。会估算FM、PM信号的带宽。了解单频调制角调信号的频谱结构,了解FM、PM的调制方法和解调方法,了解FM、PM两种调制之间的关系。, 会分析相干解调的各种调幅系统的抗噪声性能 会计算各种调制系统的输出信噪比,本章教学要求:,
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