通信原理-第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)

第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)幅度調(diào)制的原理及抗噪聲性能頻分多路復(fù)用及線性調(diào)制應(yīng)用舉例非線性調(diào)制原理調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能采用加重/去加重技術(shù)改善信噪比3.1幅度調(diào)制的原理

設(shè)正弦型載波為：式中：載波角頻率為；載波的初相位為；載波振幅為

A

幅度調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為

幅度調(diào)制：用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的振幅，使其振幅隨調(diào)制信號(hào)作線性變化的過程。對(duì)應(yīng)頻譜為線性調(diào)制：已調(diào)信號(hào)的譜結(jié)構(gòu)是基帶調(diào)制信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的簡單平移及線性變換，因此幅度調(diào)制又稱為線性調(diào)制；幅度調(diào)制的模型如下圖所示：由一個(gè)相乘器和一個(gè)沖激響應(yīng)為h(t)的帶通濾波器組成。

根據(jù)濾波器傳輸函數(shù)的不同，模擬幅度調(diào)制分為4類：常規(guī)調(diào)幅AM：為全通網(wǎng)絡(luò)，有直流成分。抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB：為全通網(wǎng)絡(luò)，無直流成分。單邊帶調(diào)制SSB：是截止頻率為的高通或低通濾波器。殘留邊帶調(diào)制VSB：是特定的互補(bǔ)特性濾波器。幅度調(diào)制的分類一.抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）原理要求：信號(hào)中不含有直流分量，且是理想帶通濾波器。

已調(diào)信號(hào)頻譜為：其時(shí)域表達(dá)式為：不含有直流分量

DSB信號(hào)的時(shí)域波形及頻譜

二.

常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）要求：基帶信號(hào)

由交流分量

和直流分量A構(gòu)成，

且必須滿足時(shí)域表達(dá)式為：

頻域表達(dá)式為：

常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）信號(hào)的波形圖

常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）信號(hào)的頻譜圖三.單邊帶調(diào)制（SSB）要求：帶通濾波器只允許一個(gè)邊帶通過。利用下圖中的濾波法可以形成單邊帶信號(hào)。產(chǎn)生上邊帶信號(hào)時(shí)產(chǎn)生下邊帶信號(hào)時(shí)單邊帶信號(hào)的頻譜為

SSB信號(hào)頻譜圖單邊帶調(diào)制（SSB）信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式采用上邊帶調(diào)制時(shí)單邊帶信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為采用下邊帶調(diào)制時(shí)的單邊帶信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為推導(dǎo)過程推導(dǎo)過程四.殘留邊帶調(diào)制（VSB）

殘留邊帶調(diào)制是介于雙邊帶與單邊帶之間的一種線性調(diào)制，即克服了雙邊帶調(diào)制信號(hào)占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了單邊帶信號(hào)要求濾波器截止特性比較陡峭在生產(chǎn)技術(shù)上的難題。

殘留邊帶在頻域的表達(dá)式

要求：

只要?dú)埩暨厧V波器的截止特性在載頻處具有互補(bǔ)對(duì)稱特性，那么采用相干解調(diào)法就能準(zhǔn)確恢復(fù)原有的基帶信號(hào)。殘留邊帶濾波器的衰減特性有很大的選擇自由度，但這并不等于對(duì)濾波器的衰減特性沒有限制。濾波器的衰減特性又稱滾降特性，目前應(yīng)用最多的就是直線滾降和余弦滾降，例如，在電視信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸中就分別使用了直線滾降和余弦滾降。殘留邊帶濾波器的幾何解釋帶濾波器：過濾出混在噪聲中的有用信號(hào)，濾除已調(diào)信號(hào)頻帶以外的噪聲。：已調(diào)信號(hào)；：高斯白噪聲；3.2幅度調(diào)制抗噪聲性能分析通信系統(tǒng)的抗噪聲性能用解調(diào)器抗噪聲性能來衡量；對(duì)于模擬通信系統(tǒng)，抗噪聲性能通常用“信噪比”來度量。解調(diào)器抗噪聲性能的模型：帶通型噪聲；：輸出信號(hào)。：輸出噪聲；窄帶的高斯噪聲可表示成以下形式式中，及均具有相同的平均功率，即若解調(diào)器輸入噪聲具有帶寬高斯白噪聲單邊功率譜密度為，則輸入噪聲平均功率帶通濾波器傳遞函數(shù)帶寬應(yīng)等于已調(diào)信號(hào)的頻帶寬度。1.噪聲表達(dá)式解調(diào)器輸出信號(hào)平均功率為，噪聲平均功率為，則解調(diào)器輸出信噪比表示為調(diào)制制度增益G。一般來講，調(diào)制制度增益越高，解調(diào)器抗噪聲性能越好。2.調(diào)制制度增益一.DSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析解調(diào)方式：相干解調(diào)；輸入信號(hào)與噪聲可以分別單獨(dú)分析。設(shè)輸入信號(hào)為則其平均功率為設(shè)相干載波為，則低通后解調(diào)器輸出信號(hào)為輸出端信號(hào)功率為乘法器輸出的噪聲

經(jīng)低通濾波器后輸出噪聲為則輸出噪聲功率為解調(diào)器輸入信噪比為解調(diào)器輸出信噪比為調(diào)制增益為上式說明DSB信號(hào)的解調(diào)過程使信噪比改善一倍，這是因?yàn)樵谙喔山庹{(diào)中輸出噪聲的一個(gè)正交分量被消去的緣故。解調(diào)方式：相干解調(diào)；二.SSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能分析設(shè)SSB信號(hào)為上邊帶調(diào)制：經(jīng)過解調(diào)，解調(diào)器輸出信號(hào)為解調(diào)器的輸入信號(hào)功率輸出信號(hào)功率為輸出噪聲為輸出噪聲功率為

SSB解調(diào)器輸入信噪比為

SSB解調(diào)器輸出信噪比為調(diào)制制度增益為

造成單邊帶調(diào)制制度增益為1的原因是單邊帶信號(hào)中的分量被解調(diào)器濾除了。三.AM調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能分析解調(diào)方式：包絡(luò)檢波法設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)，式中解調(diào)器輸入信號(hào)功率和噪聲功率分別為檢波器輸入端信號(hào)與噪聲混合波形，即式中大信噪比滿足以下條件

再利用近似公式，當(dāng)時(shí)。

1.大信噪比情況包絡(luò)檢測(cè)器輸出有用信號(hào)為，輸出噪聲為。信號(hào)功率及噪聲功率分別為和于是可見，AM信號(hào)的調(diào)制制度增益G與信號(hào)中的直流A有關(guān)；因?yàn)樗訥總是小于1的，這說明解調(diào)器對(duì)輸入信噪比沒有改善。當(dāng)為單頻正弦信號(hào)時(shí)，即，有，此時(shí)。若采用相干檢測(cè)法去解調(diào)AM信號(hào)，其調(diào)制制度增益于包絡(luò)檢波（大信噪比條件下）相同。門限效應(yīng)：當(dāng)解調(diào)器的輸入信噪比降低到一個(gè)特定的數(shù)值后，輸出信噪比出現(xiàn)急劇惡化的一種現(xiàn)象，該特定的輸入信噪比就被稱為“門限”。2.小信噪比情況上式中不存在單獨(dú)的調(diào)制信號(hào)，即信號(hào)與噪聲無法獨(dú)立分開，包絡(luò)檢波器無法恢復(fù)出原來的基帶信號(hào)，這種現(xiàn)象通常稱為“門限效應(yīng)”?！?/p>

3.3頻分多路復(fù)用

多路復(fù)用是指將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號(hào)合并為一個(gè)可在同一信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)的方法。常見的信道復(fù)用方法有頻分復(fù)用（FDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）和碼分復(fù)用（CDMA）。

頻分復(fù)用，即按頻率分割的復(fù)用方式。

優(yōu)點(diǎn)：信道復(fù)用率高，容許復(fù)用路數(shù)多，分路方便；

缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜，且由于濾波器特性不夠理想或信道的非線性將導(dǎo)致路際干擾。在確保各路載頻間隔使信號(hào)頻譜不重疊外，還應(yīng)留有一定空隙的保護(hù)頻帶，一般要求相鄰載波間隔為，其中為已調(diào)信號(hào)帶寬，為保護(hù)頻帶頻分多路原理方框圖實(shí)例1——載波電話系統(tǒng)在一對(duì)傳輸線上同時(shí)傳輸多路模擬電話為載波電話，采用單邊帶調(diào)制頻分復(fù)用；規(guī)定每路話音信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為4KHz。載波電話有一套標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)，下表所示為該標(biāo)準(zhǔn)的主要等級(jí)。形成基群信號(hào)的頻譜搬移特性實(shí)例2——廣播電視廣播電視：由電視塔發(fā)射的電視節(jié)目。

圖像信號(hào)帶寬為0MHz-6MHz，采用VSB調(diào)制；伴音信號(hào)采用寬帶FM方式。圖象載頻與伴音載頻相距6.5MHz，總信號(hào)帶寬為8MHz；殘留邊帶信號(hào)在載頻附近的互補(bǔ)特性是在接收端形成的，電視接收機(jī)中放的理想頻率響應(yīng)為一斜切特性。彩色電視中彩色信號(hào)由紅、藍(lán)、綠三原色構(gòu)成。在傳送彩色信號(hào)時(shí)除了傳送三原色線性組合的亮度信號(hào)（黑白電視信號(hào)）之外，還需傳送二路色差信號(hào)R-Y和B-Y（其中R-Y代表紅色與亮度之差，B-Y代表藍(lán)色與亮度之差）。我國彩色電視使用PAL制，這兩路色差信號(hào)對(duì)4.43MHz彩色副載波進(jìn)行正交的抑制載波雙邊帶調(diào)制，即兩路信號(hào)采用相同頻率而相位差90度的兩個(gè)載波分別進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)制。彩色電視信號(hào)頻譜實(shí)例3——立體聲廣播

立體聲廣播信號(hào)的頻譜立體聲廣播信號(hào)的產(chǎn)生

在廣播電臺(tái)將左、右聲道信號(hào)之和（L+R）作為主信號(hào)，占用15kHz以下的正常音頻信號(hào)頻譜，以便與單聲道FM廣播接收相兼容（在普通調(diào)頻廣播中只發(fā)送0~15kHz的（L+R）信號(hào)）；左、右聲道的差（L-R）信號(hào)用DSB方式移至23~53kHz的范圍內(nèi)，所用調(diào)制載頻為38kHz；19KHz處發(fā)送的是一個(gè)單頻信號(hào)用作立體聲指示，作為在接收端提取同頻同相相干載波使用；另外還有一個(gè)輔助通信專用通道，供電臺(tái)內(nèi)部聯(lián)絡(luò)通信及廣告節(jié)目使用。立體聲廣播接收端結(jié)構(gòu)

調(diào)頻廣播占用頻段為88-108MHz，只能用于視距傳輸，在傳輸過程中由于多徑干擾及建筑物阻擋對(duì)傳輸質(zhì)量影響較大，在一些移動(dòng)物體上接收立體聲調(diào)頻廣播質(zhì)量更不穩(wěn)定。為解決此類問題，近年來開始研究調(diào)幅立體聲廣播，其信噪比低于調(diào)頻立體聲廣播，但受衰落影響小，傳播距離遠(yuǎn)。

左、右聲道分別用相移15度的載波進(jìn)行DSB調(diào)制。每個(gè)聲道的已調(diào)信號(hào)均可以分解為正交分量與同相分量，再與載波分量合成矢量包絡(luò)進(jìn)行常規(guī)調(diào)幅，選擇±15度相移目的是為了減少正交分量所造成的包絡(luò)畸變。調(diào)幅立體聲廣播發(fā)送端

是載波的振幅，為載波角頻率，和均為常數(shù)；是信號(hào)的瞬時(shí)相位；為瞬時(shí)相位偏移；為信號(hào)的瞬時(shí)頻率；為瞬時(shí)頻率偏移。3.4非線性調(diào)制原理非線性調(diào)制：已調(diào)信號(hào)的頻譜是原調(diào)制信號(hào)頻譜的一種非線性變換，產(chǎn)生出與線性調(diào)制頻譜搬移不同的新的頻率分量。頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）都是非線性調(diào)制。角度調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為

瞬時(shí)相位偏移可表達(dá)為：式中：稱為相移常數(shù)，代表調(diào)相器的靈敏度，單位為rad/v。相應(yīng)的已調(diào)信號(hào)為其瞬時(shí)相角為瞬時(shí)頻率為相位調(diào)制：當(dāng)幅度和角頻率保持不變，而瞬時(shí)相位偏移是調(diào)制信號(hào)的線性函數(shù)。1.相位調(diào)制的一般原理頻率調(diào)制：載波的瞬時(shí)角頻率是調(diào)制信號(hào)的線性函數(shù)。瞬時(shí)角頻率偏移為式中：為頻偏常數(shù)，代表調(diào)頻器靈敏度，單位為rad/v.s。瞬時(shí)角頻率為瞬時(shí)相角為調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式為2.頻率調(diào)制的一般原理設(shè)調(diào)制信號(hào)為相位調(diào)制信號(hào)為式中：稱為調(diào)相指數(shù)，。頻率調(diào)制信號(hào)為式中：稱為調(diào)頻指數(shù)，為最大角頻率偏移，即為最大頻率偏移。3.頻率調(diào)制和相位調(diào)制的區(qū)別和舉例調(diào)相信號(hào)的相位偏移是隨調(diào)制信號(hào)作線性變化，而調(diào)頻信號(hào)的相位偏移是隨調(diào)制信號(hào)的積分呈線性變化。3.5調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能帶通濾波器：抑制信號(hào)帶寬外的噪聲；噪聲：加性高斯白噪聲；限幅器作用是為了消除接收信號(hào)在幅度上可能出現(xiàn)的畸變。FM信號(hào)的非相干解調(diào)分析模型調(diào)頻信號(hào)為其中解調(diào)器輸入端信噪比為在鑒頻器輸入端加入的是調(diào)頻信號(hào)與窄帶高斯噪聲的疊加，即式中：為調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)相位，為噪聲的瞬時(shí)幅度，為噪聲的瞬時(shí)相位

以上三個(gè)分量分別稱為信號(hào)矢量，噪聲矢量和合成矢量，利用三角函數(shù)的矢量表示法，通過求合成矢量的方法確定的大小。設(shè)由圖（a）可知因此可得由圖（b）可得由以上分析可得圖a情況下：圖b情況下：大信噪比情況下，，由圖a可得可見，與信號(hào)有關(guān)的項(xiàng)是，第三項(xiàng)取決于噪聲。解調(diào)器輸出應(yīng)與輸入的瞬時(shí)頻偏成正比，設(shè)比例常數(shù)為1，可得解調(diào)器輸出為1.大信噪比條件下抗噪性能又因?yàn)樗缘镁唧w分析過程解調(diào)器輸出噪聲輸出噪聲功率為輸出信噪比為為單頻正弦信號(hào)時(shí)輸出信噪比為調(diào)制制度增益為設(shè)調(diào)幅信號(hào)100%調(diào)制，且為正弦信號(hào)，平均功率為，可得式中：，代入上式得大信噪比條件下頻率調(diào)制和幅度調(diào)制的性能對(duì)比分析這種高抗噪聲性能的獲取是以增加調(diào)頻系統(tǒng)的帶寬換取的比較后得小信噪比情況下，即，可得解調(diào)器輸出端不存在單獨(dú)的有用信號(hào)項(xiàng)，信號(hào)被噪聲擾亂，因而輸出信噪比急劇惡化，這種情況與AM調(diào)制包絡(luò)檢波相似，也稱之為門限效應(yīng)。2.小信噪比條件下跳頻調(diào)制的抗噪性能分析3.6預(yù)加重和去加重技術(shù)若傳輸?shù)幕鶐盘?hào)大部分能量是在較低的頻率分量中，由于鑒頻解調(diào)器的輸出噪聲功率譜密度隨頻率增加而呈拋物線型增加；結(jié)果在FM解調(diào)后，中比較弱的高頻分量被淹沒在較強(qiáng)的輸出噪聲中，則的高頻段信噪比很差。采用預(yù)加重/去加重技術(shù)提高高頻段信噪比，一個(gè)