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文檔簡介
1、通信原理夏 舸 電子與電氣工程學(xué)院College of Electronics & Electrical Engineering,10/15/20221通信原理夏 舸 電子與電氣工程學(xué)院Coll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)用和調(diào)頻立體聲5.7 小結(jié)10/15/20222第五章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.0 一些基本概念10/11/2025.0 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
2、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。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。10/15/202235.0 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?.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
3、系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力,還可實現(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10/15/202245.0 一些基本概念 調(diào)制的目的10/11/202245.1 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)。則根據(jù)調(diào)制定義,幅度調(diào)制信號(已調(diào)信號)一般可表示成 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。
4、事實上,任何調(diào)制過程都是一種非線性的變換過程。 10/15/202255.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理設(shè):正弦型載波為:c(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10/15/202265.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅(AM)10/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)10/15/20227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(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)co
5、s(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)10/15/20228標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅常規(guī)雙邊帶調(diào)幅5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原波形圖:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅(AM)10/15/20229波形圖:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)幅(AM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
6、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)10/15/202210由波形可以看出:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)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:10/15/202211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。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理
7、一、調(diào)幅(AM)10/15/202212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)10/15/202213AM信號的特性:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)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
8、)10/15/202214AM信號的特性:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)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)10/15/202215AM信號的特性:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理一、調(diào)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)10/15/202216時域表示式:無直流分量A0:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 調(diào)制效率:100優(yōu)點
9、:節(jié)省了載波功率缺點: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)10/15/202217調(diào)制效率:1005.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理二、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)10/15/202218原理:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制(濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法
10、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)10/15/202219濾波法及SSB信號的頻域表示5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 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)10/15/202220濾波法及SSB信號的頻域表示5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的原理方框圖5.
11、1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制(SSB)10/15/202221濾波法及SSB信號的頻域表示5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的技術(shù)難點: 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600Hz。在600Hz過渡帶和不太高的載頻情況下,濾波器不難實現(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)10/15/202222濾波法及SSB信號的頻域表示5.1 幅度調(diào)制 (
12、線性調(diào)制) 濾波法及SSB信號的頻域表示濾波法的技術(shù)難點: *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)10/15/202223濾波法及SSB信號的頻域表示5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 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(
13、ffc),式中u()表示單位階躍函數(shù)。 基本思路: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)10/15/202224相移法和SSB信號的時域表示:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制)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 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制(SSB)SDSB(t)10/15/202225相移法和SSB信號的時域表示:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制)相移法
14、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)10/15/202226相移法和SSB信號的時域表示:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制)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)10/15/202227相移法和SSB信號的時域表示:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制)希爾伯特變換:若信號存在傅里葉變換對 ,則其希爾伯特變換的頻譜
15、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)10/15/202228希爾伯特變換:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊 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)10/15/202229 利用歐拉公式得到單邊帶的上邊帶調(diào)幅信號表示式:5. 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
16、邊帶調(diào)制(SSB)10/15/202230 單邊帶的下邊帶調(diào)幅信號表示式: 5.1 幅移相法SSB調(diào)制器方框圖:優(yōu)點:不需要濾波器具有陡峭的截止特性。缺點:寬帶相移網(wǎng)絡(luò)難用硬件實現(xiàn)。5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理三、單邊帶調(diào)制(SSB)希爾伯特濾波器實質(zhì)上是一個寬帶相移網(wǎng)絡(luò)10/15/202231移相法SSB調(diào)制器方框圖:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的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,因為SSB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信號的實現(xiàn)比AM、DSB要復(fù)雜,但SSB調(diào)
17、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。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)10/15/202232SSB信號的解調(diào):SSB信號的解調(diào)和DSB一樣,不能采用簡單原理: 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,又解決了SSB信號實現(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)10/15/202233
18、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)10/15/202234原理:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 的原理四、殘留邊帶調(diào)制調(diào)制方法:用濾波法實現(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,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)10/15/202235調(diào)制方法:用濾波法實現(xiàn)殘留邊帶調(diào)制的原理框圖與濾波法SBB調(diào)對殘留邊帶濾波器特性的要求:(1) 殘留邊帶信
19、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)10/15/202236對殘留邊帶濾波器特性的要求:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 對殘留邊帶濾波器特性的要求:(2) VSB信號解調(diào)器方框圖:因為:根據(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)10/15/202237對殘留邊帶濾波器特性的要求:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 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)10/15/202238對殘留邊帶濾波器特性的要求:5.1 幅度調(diào)制 (線性調(diào)制) 對殘留邊帶濾波器特性的要求:(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)
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