通信原理第7講-模擬調(diào)制系統(tǒng)(1)-電07概要

1、通信原理 （第七講）10/11/20221第一頁，共四十二頁。第五章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.0 一些基本概念5.1 幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能5.3 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理5.4 調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能5.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較5.6 頻分復(fù)用5.7 廣播與電視5.7 小結(jié)10/11/20222第二頁，共四十二頁。5.0 一些基本概念調(diào)制 把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義調(diào)制 分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。 狹義調(diào)制 僅指帶通調(diào)制。在無線通信和其他大多數(shù)場合，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。調(diào)制信號 指來自信源的基帶信號，可以是模擬的或數(shù)字的。

2、載波調(diào)制 用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)的過程，使載波的一個或某幾個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。載波 未受調(diào)制的周期性振蕩信號，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已調(diào)信號 載波受調(diào)制后稱為已調(diào)信號。10/11/20223第三頁，共四十二頁。5.0 一些基本概念 調(diào)制的目的 提高無線通信時的天線輻射效率。 把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻處，以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率。 擴(kuò)展信號帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。 調(diào)制方式 模擬調(diào)制 數(shù)字調(diào)制 常見的模擬調(diào)制 幅度調(diào)制：調(diào)幅、雙邊帶、單邊帶和殘留邊帶 角度調(diào)制：頻率調(diào)制、相位調(diào)制10/11/20224第

3、四頁，共四十二頁。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理設(shè)：正弦型載波為：c(t)=Acos(ct+0) 式中：A 載波幅度； c 載波角頻率； 0 載波初始相位（以后假定0=0）。 m(t) 基帶調(diào)制信號。 幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。但應(yīng)注意，這里的“線性”并不意味著已調(diào)信號與調(diào)制信號之間符合線性變換關(guān)系。事實(shí)上，任何調(diào)制過程都是一種非線性的變換過程。 10/11/20225第五頁，共四十二頁。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅（AM）二、雙邊帶調(diào)制（DSB）三、單邊帶調(diào)制（SSB）四、殘留邊帶調(diào)制（VSB）五、線性調(diào)制的一般模型六、相干解調(diào)七、包絡(luò)檢波10/11/20226第

4、六頁，共四十二頁。標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅常規(guī)雙邊帶調(diào)幅時域表示式：sAM(t)=A0+m(t)cos(ct)= A0cos(ct)+m(t)cos(ct)式中：m(t) 調(diào)制信號，均值為0；A0 常數(shù)，表示疊加的直流分量。頻譜：若m(t)為確知信號，則AM信號的頻譜為： 若m(t)為隨機(jī)信號，則已調(diào)信號的頻域表示式必須用功率譜描述。 *5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅（AM）10/11/20227第七頁，共四十二頁。調(diào)制器模型：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅（AM）10/11/20228第八頁，共四十二頁。波形圖：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅（AM）10/11

5、/20229第九頁，共四十二頁。由波形可以看出： 當(dāng)滿足條件：|m(t)|maxA0時，其包絡(luò)與調(diào)制信號波形相同，因此用包絡(luò)檢波法很容易恢復(fù)出原始調(diào)制信號。 否則，出現(xiàn)“過調(diào)幅”現(xiàn)象。這時用包絡(luò)檢波將發(fā)生失真。但是，可以采用其它的解調(diào)方法，如同步檢波。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅（AM）10/11/202210第十頁，共四十二頁。第五章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 載頻分量載頻分量上邊帶上邊帶下邊帶下邊帶頻譜圖：10/11/202211第十一頁，共四十二頁。由頻譜可以看出，AM信號的頻譜由：載頻分量、上邊帶、下邊帶三部分組成。上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像

6、。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅（AM）10/11/202212第十二頁，共四十二頁。AM信號的特性：帶寬：它是帶有載波分量的雙邊帶信號，帶寬是基帶信號帶寬 fH 的兩倍：功率：設(shè) m(t) 為確知信號5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅（AM）10/11/202213第十三頁，共四十二頁。AM信號的特性：調(diào)制效率：AM信號的總功率包括載波功率和邊帶功率兩部分。只有邊帶功率才與調(diào)制信號有關(guān)，載波分量并不攜帶信息。有用功率（用于傳輸有用信息的邊帶功率）占信號總功率的比例稱為調(diào)制效率：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅（AM）10/11/202214第十四頁，

7、共四十二頁。AM信號的特性：調(diào)制效率： 當(dāng) m(t)=Amcosmt 時， ，代入上式，得到： 當(dāng)|m(t)|max=A0 時（100調(diào)制），調(diào)制效率最高，這時：max=1/35.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅（AM）10/11/202215第十五頁，共四十二頁。時域表示式：無直流分量A0：頻譜：無載頻分量：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理二、雙邊帶調(diào)制（DSB）10/11/202216第十六頁，共四十二頁。調(diào)制效率：100優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省了載波功率缺點(diǎn)：不能用包絡(luò)檢波，需用相干檢波，較復(fù)雜。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理二、雙邊帶調(diào)制（DSB）10/11/202217第十

8、七頁，共四十二頁。原理：雙邊帶信號兩個邊帶中的任意一個都包含了調(diào)制信號頻譜M()的所有頻譜成分，因此僅傳輸其中一個邊帶即可。這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，這種方式稱為單邊帶調(diào)制。產(chǎn)生SSB信號的方法有兩種：濾波法和相移法。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202218第十八頁，共四十二頁。濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的原理方框圖用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶：H()為單邊帶濾波器的傳輸函數(shù)，若它具有如下理想高通特性： 則可濾除下邊帶。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202219第十九頁，共四十二頁

9、。濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的原理方框圖用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶： 若具有如下理想低通特性： ，則可濾除上邊帶。SSB信號的頻譜：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202220第二十頁，共四十二頁。濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的原理方框圖5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202221第二十一頁，共四十二頁。濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的技術(shù)難點(diǎn)： 濾波特性很難做到具有陡峭的截止特性。 例如：若經(jīng)過濾波后的話音信號的最低頻率為300Hz，則上下邊帶之間的頻率間隔為600Hz，即允許過渡帶為60

10、0Hz。在600Hz過渡帶和不太高的載頻情況下，濾波器不難實(shí)現(xiàn)；但當(dāng)載頻較高時，采用一級調(diào)制直接濾波的方法已不可能實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202222第二十二頁，共四十二頁。濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的技術(shù)難點(diǎn)： 可以采用多級（一般采用兩級）DSB調(diào)制及邊帶濾波的方法，即先在較低的載頻上進(jìn)行DSB調(diào)制，目的是增大過渡帶的歸一化值，以利于濾波器的制作。再在要求的載頻上進(jìn)行第二次調(diào)制。 當(dāng)調(diào)制信號中含有直流及低頻分量時濾波法就不適用了。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202223第二

11、十三頁，共四十二頁。相移法和SSB信號的時域表示：若 m(t) 是確定信號，其傅氏頻譜為 M(f)，上邊帶濾波器的傳遞函數(shù)為：此HUSB(f)也可表示為：HUSB(f)=u(ffc)+ u(ffc)，式中u()表示單位階躍函數(shù)。 為得到單邊帶調(diào)幅信號的時域表示式，先寫出單邊帶調(diào)幅信號的頻域表示式，再從它的傅氏反變換得到時域表示式。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202224第二十四頁，共四十二頁。相移法和SSB信號的時域表示：上邊帶信號的頻域表示式為： 對上式進(jìn)行傅氏反變換，并利用傅氏變換的調(diào)制定理，得到：利用下列傅氏變換關(guān)系式：5.1 幅度調(diào)制 (線

12、性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）SDSB(t)10/11/202225第二十五頁，共四十二頁。相移法和SSB信號的時域表示：得到：在上式中使用了下列恒等式：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202226第二十六頁，共四十二頁。相移法和SSB信號的時域表示：式中的 是 m(t) 的希爾伯特變換。將 m(t) 輸入希爾伯特濾波器，其輸出是 ，如下圖所示：希爾伯特濾波器是沖激響應(yīng)為 的線型濾波器，其相應(yīng)的頻率響應(yīng)為： 5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202227第二十七頁，共四十二頁。希爾伯特變換：若信號存在傅

13、里葉變換對 ，則其希爾伯特變換的頻譜等于該信號頻譜F()的負(fù)頻域全部頻率成分相移+/2，而正頻域相移/2完成這種變換的傳遞函數(shù)稱為希氏濾波器傳遞函數(shù)，即有：Hh()=jsgn() 5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202228第二十八頁，共四十二頁。 利用歐拉公式得到單邊帶的上邊帶調(diào)幅信號表示式：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202229第二十九頁，共四十二頁。 單邊帶的下邊帶調(diào)幅信號表示式： 由于： 得到： 單邊帶調(diào)幅信號的時域表示式為：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11

14、/202230第三十頁，共四十二頁。移相法SSB調(diào)制器方框圖：優(yōu)點(diǎn)：不需要濾波器具有陡峭的截止特性。缺點(diǎn)：寬帶相移網(wǎng)絡(luò)難用硬件實(shí)現(xiàn)。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）希爾伯特濾波器實(shí)質(zhì)上是一個寬帶相移網(wǎng)絡(luò)10/11/202231第三十一頁，共四十二頁。SSB信號的解調(diào)：SSB信號的解調(diào)和DSB一樣，不能采用簡單的包絡(luò)檢波，因?yàn)镾SB信號也是抑制載波的已調(diào)信號，它的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號的變化，所以仍需采用相干解調(diào)。SSB信號的性能：SSB信號的實(shí)現(xiàn)比AM、DSB要復(fù)雜，但SSB調(diào)制方式在傳輸信息時，不僅可節(jié)省發(fā)射功率，而且它所占用的頻帶寬度比AM、DSB減少了一半

15、。它目前已成為短波通信中一種重要的調(diào)制方式。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制（SSB）10/11/202232第三十二頁，共四十二頁。原理： 殘留邊帶調(diào)制是介于SSB與DSB之間的一種折中方式，它既克服了DSB信號占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了SSB信號實(shí)現(xiàn)中的困難。在這種調(diào)制方式中，不像SSB那樣完全抑制DSB信號的一個邊帶，而是逐漸切割，使其殘留一小部分，如下圖所示：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理四、殘留邊帶調(diào)制（VSB）10/11/202233第三十三頁，共四十二頁。原理：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理四、殘留邊帶調(diào)制（VSB）10/11/202234第三

16、十四頁，共四十二頁。調(diào)制方法：用濾波法實(shí)現(xiàn)殘留邊帶調(diào)制的原理框圖與濾波法SBB調(diào)制器相同。 不過，這時圖中濾波器的特性應(yīng)按殘留邊帶調(diào)制的要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比單邊帶濾波器容易制作。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理四、殘留邊帶調(diào)制（VSB）10/11/202235第三十五頁，共四十二頁。對殘留邊帶濾波器特性的要求：(1) 殘留邊帶信號的頻譜為（由濾波法可知）： 為了確定上式中殘留邊帶濾波器傳輸特性 H() 應(yīng)滿足的條件，來分析一下接收端是如何從該信號中恢復(fù)原基帶信號的。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理四、殘留邊帶調(diào)制（VSB）10/11/202236第

17、三十六頁，共四十二頁。對殘留邊帶濾波器特性的要求：(2) VSB信號解調(diào)器方框圖：因?yàn)椋焊鶕?jù)頻域卷積定理可知，乘積sp(t)對應(yīng)的頻譜為：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理四、殘留邊帶調(diào)制（VSB）10/11/202237第三十七頁，共四十二頁。對殘留邊帶濾波器特性的要求：(2) VSB信號解調(diào)器方框圖：將：代入： ，得到：式中：M( +2c) 及 M(2c) 是搬移到 +2c 和 2c 處的頻譜，它們可以由解調(diào)器中的低通濾波器濾除。于是，低通濾波器的輸出頻譜為：5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理四、殘留邊帶調(diào)制（VSB）10/11/202238第三十八頁，共四十二頁。對殘留邊帶濾波器

18、特性的要求：(2) VSB信號解調(diào)器方框圖： 顯然，為了保證相干解調(diào)的輸出無失真地恢復(fù)調(diào)制信號 m(t)，上式中的傳遞函數(shù)必須滿足：式中：H 調(diào)制信號的截止角頻率。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理四、殘留邊帶調(diào)制（VSB）10/11/202239第三十九頁，共四十二頁。對殘留邊帶濾波器特性的要求：(3) 上述條件的含義： 殘留邊帶濾波器的特性 H() 在 c 處必須具有互補(bǔ)對稱（奇對稱）特性, 相干解調(diào)時才能無失真地從殘留邊帶信號中恢復(fù)所需的調(diào)制信號。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理四、殘留邊帶調(diào)制（VSB）10/11/202240第四十頁，共四十二頁。對殘留邊帶濾波器特性的要求：(4) 殘