通信系統(tǒng)原理第4章

1、通信系統(tǒng)原理 第第4章章 模擬調制模擬調制第第4章章 模擬調制模擬調制n調制的概念、作用、分類調制的概念、作用、分類n線性調制系統(tǒng)線性調制系統(tǒng)-AM、DSB、SSB、VSB的概念、的概念、特點、系統(tǒng)構成、性能分析、應用特點、系統(tǒng)構成、性能分析、應用n非線性調制非線性調制-FM、PM的概念、特點，重點是的概念、特點，重點是FM系統(tǒng)構成及性能分析、應用系統(tǒng)構成及性能分析、應用n各種模擬調制的性能比較各種模擬調制的性能比較n頻分復用頻分復用n復合調制及多級調制復合調制及多級調制一、調制的概念在通信系統(tǒng)的發(fā)送端通常需要有調制過程，而在接收端則需要有調制的反過程解調過程。l 需要進行調制和解調的通信系統(tǒng)

2、為頻帶傳輸系統(tǒng)，不需要進行調制和解調的通信系統(tǒng)為基帶傳輸系統(tǒng)。信息源信源編碼器信道編碼器數字調制器信道數字解調器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源數字頻帶傳輸系統(tǒng)模型第第4章章 模擬調制模擬調制二、調制的作用1 . 進行頻率變換，把調制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調制信號轉換成適合信道傳輸的已調信號。 每種信道都有特定的工作頻率，多數為高頻，即使是適合低頻信號傳輸的某些有線信道如電話線、電纜，在直流和很低頻率處衰減非常劇烈，因此需要按信道允許工作頻率對調制信號進行頻率搬移，實現匹配。第第4章章 模擬調制模擬調制AM中波段535-1601kHz,中央臺頻率639kHz,學校開通英語廣播頻

3、率：本校區(qū)FM87.2MHz；榆中校區(qū)FM 72.5MHz第第4章章 模擬調制模擬調制調制的作用 在信道內同時傳送多路信號稱為復用，各路信號頻率范圍相同，會重疊，只有通過調制才有可能區(qū)分開不同路信號。復用方式包括：n 頻分復用（FDM）n 時分復用（TDM）n 碼分復用（CDM）n 波分復用（WDM）2. 實現信道多路復用，提高系統(tǒng)的傳輸有效性。各種復用都要通過調制實現。第第4章章 模擬調制模擬調制調制的作用3 . 提高抗干擾能力-通過采用不同的調制方式兼顧通信的有效性與可靠性。FM抗噪性能優(yōu)于AM，但犧牲了帶寬;2PSK抗噪性能優(yōu)于2ASK。第第4章章 模擬調制模擬調制 三、調制的分類 1按

4、照調制信號m(t)分:模擬調制：m(t)為模擬信號，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM數字調制：m(t)為數字信號，如ASK、FSK、PSK等。第第4章章 模擬調制模擬調制調制的分類2按照載波信號c(t)分 連續(xù)波調制：C(t)=cosct 為連續(xù)正（余)弦波, AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM、ASK、FSK、PSK等。 脈沖波調制：C(t)為周期性脈沖信號，PAM、 PCM等 脈沖形成電路 )(tm)(tT)(sM)(H)(HM)(tmH第第4章章 模擬調制模擬調制調制的分類3.按照 m(t)對c(t)不同參數的控制分：n幅度調制：載波的幅度隨調制信號線性變化的過程， AM

5、、ASKn頻率調制：FM、FSKn相位調制：PM、PSK、DPSK 第第4章章 模擬調制模擬調制n本章屬于正弦波模擬調制n線性調制（幅度調制，AM、DSB、SSB、VSB）n非線性調制（角度調制FM、PM） 對于各種調制方式，分析的思路一致，基本從以下幾個方面進行： 表達式、波形、頻譜、帶寬、功率分配表達式、波形、頻譜、帶寬、功率分配 調制和解調方法方框圖調制和解調方法方框圖 抗噪性能抗噪性能 應用應用第第4章章 模擬調制模擬調制4.2 線性調制特點：調制前后只有頻譜位置變化，沒有形狀變化。一、 調幅（Amplitude Modulation, AM）1. 表達式與波形 其中m(t)的平均值為

6、0 ，A0+m(t)0（包絡檢波不失真條件，也稱不過調條件）或寫為SAM(t)=A0+m(t)cosct，0max( )Am t第第4章章 模擬調制模擬調制AM信號的另一種表達SAM(t)=A0+m(t)cosct =A0 1+amn(t)cosct其中，a=maxm(t)/A0, mn(t)=m(t)/maxm(t),a稱作調幅系數或調制指數例. SAM(t)=6+3cosmt)cosct，求調幅系數a。解：變換原式SAM(t)=61+0.5cosmt)cosct，故a=0.5第第4章章 模擬調制模擬調制調幅信號波形調幅信號波形思考：（1）m(t)波形變化；（2）發(fā)生過調；第第4章章 模擬調

7、制模擬調制調幅信號波形調幅信號波形 SAM(t) t SAM (t)min SAM (t)max m(t) t 1 m(t)+A00 A0 m(t) t Am 這里m(t)為單頻正弦信號第第4章章 模擬調制模擬調制發(fā)生過調時的AM信號波形A0+m(t)1，低通濾波器的截止頻率為1sin2t sin1t 理想低通相乘器相乘器相乘器理想低通相乘器m(t)sSSB(t)-/2-/2cos1t cos2t +取上邊帶-取下邊帶第第4章章 模擬調制模擬調制 綜上所述： SSB調制方式在傳輸信號時，不但可節(jié)省發(fā)射功率，而且它所占用的頻帶寬度為BSSB=fm，只有AM、 DSB的一半，因此，它目前已成為模擬

8、通信中的一種重要調制方式。 SSB信號的解調和DSB一樣不能采用簡單的包絡檢波，因為SSB信號也是抑制載波的已調信號，它的包絡不能直接反映調制信號的變化， 所以仍需采用相干解調。說 明第第4章章 模擬調制模擬調制5 .單邊帶信號的解調相干解調 cosct LPF SSSB(t)m0(t)BPF6. 應用： 載波通信，節(jié)省頻帶7. 問題： 邊帶濾波器陡, 實現困難,在低頻成分較多的情況，往往采用殘留邊帶調制。 第第4章章 模擬調制模擬調制 它是介于雙邊帶與單邊帶之間的一種線性調制，即克服了DSB占雙倍帶寬的缺點，又解決了SSB實現的難題。VSB不是將一個邊帶完全抑制，而是逐漸切割、部分抑制，使其

9、仍保留一小部分。 四、 VSB（殘留邊帶調制）第第4章章 模擬調制模擬調制比較DSB、 SSB和VSB信號的頻譜M() 2fm2fmO(a)SDSB()ccO(b)SSSB()Occ(c)ccSVSB()O(d)第第4章章 模擬調制模擬調制1.VSB產生方法濾波法HVBS()cos ctm(t)SVSB(t)第第4章章 模擬調制模擬調制VSB頻譜形成帶寬Bfm2fmM() 2fm2fmO(a)SDSB()ccO(b)ccSVSB()OccSVSB()O第第4章章 模擬調制模擬調制 現在我們來確定殘留邊帶濾波器的特性。假設HVSB()是所需的殘留邊帶濾波器的傳輸特性。殘留邊帶信號的頻譜為 SVS

10、B()= 為了確定上式中殘留邊帶濾波器傳輸特性HVSB()應滿足的條件，我們來分析一下接收端是如何從該信號中恢復原基帶信號的。 顯然也不能簡單地采用包絡檢波， 采用相干解調器解調VSB信號。圖中，殘留邊帶信號sVSB(t)與相干載波cosct的乘積為 )()()(21VSBccHMM第第4章章 模擬調制模擬調制 sVSB(t) cosct 1/2SVSB(+c)+SVSB(-c)代入SVSB()式，選擇合適的低通濾波器的截止頻率，消掉2c處的頻譜，則低通濾波器的輸出頻譜 Mo() =1/4 M(-c)H(-c) +H(+c) 為了保證相干解調的輸出無失真地重現調制信號M()，必須要求 HVSB

11、(+c)+HVSB(-c)=常數，|m 式中，m是調制信號的最高頻率。 上式就是確定殘留邊帶濾波器傳輸特性HVSB()所必須遵循的條件。滿足上式的HVSB()的可能形式有兩種： 第第4章章 模擬調制模擬調制殘留邊帶濾波器特性(a) 殘留部分上邊帶的濾波器特性;b） 殘留部分下邊帶的濾波器特性 HVSB()10.50cccc00.51HVSB()(a)(b)低通濾波器形式和高通濾波器形式。 第第4章章 模擬調制模擬調制cOcHVSB()HVSB(c)cOcHVSB(c)HVSB(c) HVSB(c)OOcc(a)(b)(c)(d)HVSB()要滿足互補對稱特性過渡部分稱滾降這個濾波器將使上邊帶小

12、部分殘留，而使下邊帶絕大部分通過。將HVSB()進行c的頻移，分別得到HVSB(-c)和HVSB(+c)，將兩者相加，其結果在|m范圍內應為常數，為 了 滿 足 這 一 要 求 ， 必 須 使HVSB(-c)和HVSB(+c)在=0處具有互補對稱的滾降特性。第第4章章 模擬調制模擬調制HVSB()10.50cccc00.51HVSB()(a)(b)顯然， 滿足這種要求的滾降特性曲線并不是惟一的,而是有無窮多個。由此我們得到如下重要概念：只要殘留邊帶濾波器的特性HVSB()在c處具有互補對稱（奇對稱）特性，那么，采用相干解調法解調殘留邊帶信號就能夠準確地恢復所需的基帶信號。 第第4章章 模擬調制

13、模擬調制 五、 線性調制的一般模型 h(t)cosctm(t)Sm(t) 幾種線性調制都可用一般形式表示,只是不同調制類型，h(t)的選擇不同。第第4章章 模擬調制模擬調制4.3 非線性調制 與線性調制相比，頻譜除了位置移動，還有頻譜結構的變化，FM與PM都是角度隨m(t)變化。為常數其中AttAtscm),(cos)(一 、角度調制的一般表達式為瞬時相偏為瞬時相位，)()()(ttttc角）頻偏為瞬時角）頻率，為瞬時()()()()(dttdtdttddtttdcctdt)()()f)(21)(tdttdtdttd（或（第第4章章 模擬調制模擬調制1. FM瞬時頻偏隨調制信號（基帶信號）成比

14、例變化2. PM瞬時相偏隨調制信號（基帶信號）成比例變化 ( )tmKdttdF）（)()(tmKtptFcFMdmKtAts)(cos)()(cos)(tmKtAtsPcPM二 、FM與PMKF為頻偏常數KP為相移常數第第4章章 模擬調制模擬調制3. 二者關系 SPMt)FM 微 分間接調相 m(t) m(t) SFM(t) PM 積 分間接調頻SPMt)PM直接調相 m(t) SFMt)FM直接調頻 m(t) 第第4章章 模擬調制模擬調制假設調制信號為單頻余弦tAtmmmcos)(調頻 調相 第第4章章 模擬調制模擬調制例1.一個調角波 判斷是FM還是PM？ 3( )cos210mm tA

15、ttAtmm3102sin)(調頻 ()63( )10cos 21010cos210mSttt調相思 考答案：不能確定FM,PM,只有在m(t)給定時，才可確定第第4章章 模擬調制模擬調制4. 最大頻偏（ ,f）與最大相偏（調制指數）mfn為了簡單，討論m(t)為單一頻率余弦情況（單音調制）tAtmmmcos)(對對FM: )sincos(coscos)(tmtAdAKtAtsmfctmmFcFM對對PM:)coscos(coscos)(tmtAtAKtAtsmfcmmPcPMmPfAKmmmFfAKmmFAKmmPAK第第4章章 模擬調制模擬調制調頻指數即最大相偏mf是影響帶寬和輸出信噪比的

16、主要因素。mfmmmfffm最大頻偏 與最大相偏mf關系FM、PM二者都有：實際中FM比PM 應用更廣，后面以FM分析為主。第第4章章 模擬調制模擬調制三、三、 NBFMNBFM與與WBFM:(WBFM:(窄帶調頻與寬帶調頻窄帶調頻與寬帶調頻) )為NBFM 6)(maxdmKtF不滿足此條件，為WBFM 第第4章章 模擬調制模擬調制 1. 窄帶調頻（窄帶調頻（NBFM） )(KFdmt)(KFdmt)(KFdmt有近似式 cos sin 1)(KFdmt)(KFdmtdmt)(KF調頻波的一般表示式為 sFM(t)=A cosct+ = A cosct cos - A sin ctsinsN

17、BFM(t) A cosct-tdmActsin)(KF第第4章章 模擬調制模擬調制NBFM信號的頻譜對NBFM表達式求付氏變換SNBFM()=A(+c)+(-c)+)()(2KFccccMMAsNBFM(t) A cosct-tdmkActfsin)( m(t) M() cosct (+c)+(-c) sinct j(+c)-(-c)()(21)(sincccccMMdttmt第第4章章 模擬調制模擬調制SAM()=A0(+c)+(-c)+ M(+c)+M(-c)可以看出兩種調制的相似性和不同處。兩者都含有一個載波和位于c處的兩個邊帶，所以它們的帶寬相同， 都是調制信號最高頻率的兩倍。不同的

18、是，NBFM的兩個邊頻分別乘了因式1/(-c)和1/(+c)，由于因式是頻率的函數，所以這種加權是頻率加權，加權的結果引起調制信號頻譜的失真。另外，有一邊頻和AM反相。 21與AM信號的頻譜比較第第4章章 模擬調制模擬調制單音調制的AM與NBFM頻譜sAM()OmmF()OcmccmcmccmsNBFM()OcmccmcmccmBNBFM=2fm第第4章章 模擬調制模擬調制AM與NBFM的矢量表示m窄帶調頻m下邊頻上邊頻載波調幅載波上邊頻下邊頻mm只有幅度的變化有角度的變化第第4章章 模擬調制模擬調制窄帶調頻信號的產生積分器90移相m(t)調制信號Acosct載波sNBFM(t)第第4章章 模

19、擬調制模擬調制 由于NBFM信號最大相位偏移較小，占據的帶寬較窄， 使得調制制度的抗干擾性能強的優(yōu)點不能充分發(fā)揮，因此目前僅用于抗干擾性能要求不高的短距離通信中。在長距離高質量的通信系統(tǒng)中，如微波或衛(wèi)星通信、調頻立體聲廣播、超短波電臺等多采用寬帶調頻。 第第4章章 模擬調制模擬調制 當不滿足式窄帶條件時，調頻信號的時域表達式不能簡化，因而給寬帶調頻的頻譜分析帶來了困難。為使問題簡化，我們只研究單音調制的情況，然后把分析的結論推廣到多音情況。 設單音調制信號 m(t)=Amcosmt=Amcos2fmt2. 寬帶調頻（寬帶調頻（WBFM）第第4章章 模擬調制模擬調制代入得單音寬帶調頻的時域表達式

20、 sFM(t)=Acosct+mfsinmt 利用三角公式展開,有sFM(t)=Acosctcos(mfsinmt)-Asinctsin(mfsinmt)將上式中的兩個因子分別展成級數形式 tmtkAdkmfmmfmtmfsinsincos(t)=Am調頻信號的瞬時相偏第第4章章 模擬調制模擬調制 cos(mfsinmt)=J0(mf)+ 2J2n(mf) cos2nmt sin(mf sinmt)=2 J2n-1(mf)sin(2n-1)mt 1n1ncosAcosB= cos(A-B)+ cos(A+B)sinAsinB= cos(A-B)- cos(A+B)21212121三角公式得調頻

21、信號展開式 sFM(t)=A Jn(mf)cos(c+nm)tn第第4章章 模擬調制模擬調制Bessel函數性質n為奇數時 J-n(mf)=-Jn(mf) n為偶數時 J-n(mf)=Jn(mf) Jn(mf)為第一類n階貝塞爾（Bessel）函數，它是mf的函數,Jn(mf)隨mf變化的關系曲線， 詳細數據可參看Bessel函數表。1.00.80.60.40.20 0.2 0.4Jn(mf )mf1234567891011J0J1J2J3J4J5第第4章章 模擬調制模擬調制SFM()=A Jn(mf)(-c-nm)+(+c+nm)n 可見， 調頻波的頻譜包含無窮多個分量。當n=0時就是載波分

22、量c，其幅度為J0(mf)； 當n0 時在載頻兩側對稱地分布上下邊頻分量cnm， 譜線之間的間隔為m，幅度為Jn(mf)，且當n為奇數時，上下邊頻極性相反； 當n為偶數時極性相同。 mf=5單音寬帶調頻波的頻譜如圖: FM頻譜-6-5-4-3-2-101 23456-J2(mf )J1(mf )-J3(mf )J0(mf )J1(mf )J3(mf )-f fcfmJ2(mf )第第4章章 模擬調制模擬調制 由于調頻波的頻譜包含無窮多個頻率分量，因此，理論上調頻波的頻帶寬度為無限寬。 然而實際上邊頻幅度Jn(mf)隨著n的增大而逐漸減小，因此只要取適當的n值使邊頻分量小到可以忽略的程度，調頻信

23、號可近似認為具有有限頻譜。 根據經驗認為：當mf1 以后，取邊頻數n=mf+1 即可。因為nmf+1 以上的邊頻幅度Jn(mf)均小于 0.1，相應產生的功率均在總功率的 2% 以下，可以忽略不計。根據這個原則，調頻波的帶寬為 BFM=2(mf+1)fm=2(f+fm)帶寬調頻信號的帶寬取決于最大頻偏和調制信號的頻率，該式稱為卡森公式練習：計算mf=5，fm=15kHz時的FM信號帶寬第第4章章 模擬調制模擬調制 若mfV（t)t () t (sinA) t (V) t (tc可近似)t () t (cos) t (VA)t () t (sin) t (Varctan) t (tc( )( )

24、tmKdttdtmFM2121)(0( )tmKSF22M2041( )( )( )tttVdtdAtnsin21)(0( )tnAs21第第4章章 模擬調制模擬調制計算輸出噪聲功率n利用傅立葉變換的性質及信號通過系統(tǒng)的概念 d/dtns(t)( )( )( )sssnnnPPjP22( )2,0BfnfPsn( )2,4022BfnffPsn( )02202224410nAfnfAfPn( )2300320AfndffPNmffnmm第第4章章 模擬調制模擬調制n單音調制時上式變?yōu)? )3022220083mFfntmKANS G=3mf2 (mf+1)iffNmmNSi200S) 1(3當

25、mf很大時，G=3mf2 (mf+1)3m3f第第4章章 模擬調制模擬調制小信噪比條件下V（t) A)t () t (Acos) t (V)t () t (sinarctan) t (t)(cosaa)sin(aarctanc21122112A 無單獨信號項，信號被噪聲擾亂，FM系統(tǒng)鑒頻也存在門限效應。門限效應一般發(fā)生在10dB左右。第第4章章 模擬調制模擬調制FM系統(tǒng)的門限效應n當輸入信噪比降到一定程度時FM鑒頻法就會出現門限效應，輸出信噪比將急劇惡化。 NiSi=10dBNiSiNoSo第第4章章 模擬調制模擬調制思考：n模擬調制中可能存在門限效應的調制類型有哪種？它們出現門限效應的條件是

26、什么？第第4章章 模擬調制模擬調制加重技術-改善輸出信噪比m(t)預加重FM信道FD去加重no(t)HL1(f)fHffHL2(f)fHfHL1(f)HL2(f)fH0 HL2(f)對no(t)中的高頻噪聲衰減大，從而使no(t)的高頻噪聲功率譜密度小、No減小。 可改善dB6NSo）（第第4章章 模擬調制模擬調制1.AM ( )2ooomtSNn B( )( )12222tmAtmGo2.DSB ( )2ooomtSNn BG=23.SSB ( )24ooomtSNn BG=123(1) BffGmm與 立方成正比4.FM六、各種模擬調制系統(tǒng)的抗噪性能BntmNsii02)(21BntmBn

27、tmNsii02024)()(41BntmANsii02202)(第第4章章 模擬調制模擬調制各種模擬調制系統(tǒng)的抗噪性能曲線7060504030201001020304050AMDSBSSBFM mf 3FM mf 6 / dBSin0 fm/ dBSoNo第第4章章 模擬調制模擬調制（1）DSB的G是SSB的兩倍，但是如果輸入噪聲功率譜密度和輸入信號功 率Si相同時，二者抗噪性能相同。（2）大信噪比條件下，AM系統(tǒng)包絡檢波器與相干解調抗噪性能相同；小信噪比條件下，AM系統(tǒng)出現門限效應即輸入信噪比到一 定程度，輸出信噪比急劇惡化的現象，相干解調器無門限效應。（3）FM系統(tǒng)抗噪性能最好，但抗噪性

28、能的改善是靠犧牲帶寬換取的；FM鑒頻法解調在小信噪比時也存在門限效應。說明：第第4章章 模擬調制模擬調制七、 模擬調制系統(tǒng)的性能比較n有效性，帶寬SSB最好，FM最差n可靠性，信噪比FM系統(tǒng)最好, DSB、SSB次之，AM最差n設備復雜程度， AM最簡單，FM中等，SSB較大。第第4章章 模擬調制模擬調制八、各種模擬調制的應用n從有效性看，SSB最好，可靠性不比DSB差，應用多，載波通信中常用；nAM系統(tǒng)包絡檢波實現簡單，廣播中常用；nVSB適用于低頻豐富的信號傳播，如電視信號的圖像傳輸；nDSB 有效性，可靠性，解調實現都無優(yōu)勢，模擬中少用，但在數字調制時多用；nFM系統(tǒng)可靠性最好，廣泛應用

29、于長距離高質量的通信系統(tǒng)中，如空間和衛(wèi)星通信、調頻立體聲廣播、 超短波電臺等。第第4章章 模擬調制模擬調制4.5 頻分復用及其應用實例 一、一、 頻分復用原理頻分復用原理 所謂頻分復用(Frequencydivision Multiplexing-FDM)是指按照頻率的不同來復用多路信號的方法。在頻分復用中， 信道的帶寬被分成若干個相互不重疊的頻段，每路信號占用其中一個頻段，因而在接收端可以采用適當的帶通濾波器將多路信號分開，從而恢復出所需要的信號。 這里給出的是傳統(tǒng)頻分復用的概念，數字調制技術中有正交頻分復用（OFDM)。第第4章章 模擬調制模擬調制頻分復用系統(tǒng)組成原理圖 各路基帶信號先通過LPF限制帶寬，然后，各路信號分別對各自的載波進行調制、合成后送入信道傳輸。在接收端，分別采用不同中心頻率的帶通濾波器分離出各路已調信號，解調后恢復出基帶信號。 第第4章章 模擬調制模擬調制 頻分復用是利用各路信號在頻率域不相互重疊來區(qū)分的。 若相鄰信號之間產生相互干擾，將會使輸出信號產生失真。 為了防止相鄰信號之間產生相互干擾，應合理選擇載波頻率fc1, fc2, , fcn，并使各路已調信號頻譜之間留有一定的保護間隔。復用信號的頻譜結構示意圖如圖。 復用信號的頻譜結構示意圖O c1 c2 c3 cn第第4章章 模擬調制模擬調制 多路載