電子科大李曉峰通信原理課件第3章-模擬傳輸

通信原理第3章模擬傳輸12/18/20231信源調(diào)制器發(fā)射機(jī)信道接收機(jī)解調(diào)器信宿噪聲發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備基帶信號(hào)基帶信號(hào)調(diào)制信號(hào)已調(diào)帶通信號(hào)帶通信號(hào)模擬通信系統(tǒng)——信道中傳輸模擬波形的通信系統(tǒng)。12/18/20232調(diào)制器調(diào)制信號(hào)已調(diào)信號(hào)幅度調(diào)制角度調(diào)制都是的函數(shù)被調(diào)信號(hào)12/18/20233已調(diào)帶通信號(hào):的譜:的功率譜:

的歸一化平均功率為：12/18/20234本章內(nèi)容----模擬信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)3.1幅度調(diào)制3.2模擬角度調(diào)制3.3幅度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能3.4*角度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能3.5各類通信系統(tǒng)的比較與應(yīng)用12/18/202353.1

幅度調(diào)制(AmplitudeModulation)12/18/20236已調(diào)帶通信號(hào)的頻譜是基帶信號(hào)頻譜的簡(jiǎn)單搬移幅度調(diào)制----用信號(hào)去迫使高頻載波瞬時(shí)幅度變化。模擬常規(guī)調(diào)幅〔AM〕抑制載波雙邊帶調(diào)幅〔DSB-SC〕單邊帶調(diào)幅〔SSB〕殘留邊帶調(diào)幅〔VSB〕信號(hào)12/18/20237(conventionalAM)3.1.1常規(guī)調(diào)幅AM1．表達(dá)式：

調(diào)制：復(fù)包絡(luò):12/18/20238圖〔a〕常規(guī)調(diào)幅圖〔b〕過調(diào)幅波形:12/18/20239〔常規(guī)調(diào)幅:〕一般：常規(guī)調(diào)幅:12/18/202310過調(diào)幅：載波反相點(diǎn)12/18/202311定義調(diào)幅指數(shù)：：常規(guī)調(diào)幅其中：臨界調(diào)制

：過調(diào)制波形如圖（b）所示。調(diào)幅指數(shù)影響功率分配modulationindex12/18/2023122.頻域分析

頻譜：

頻譜圖：UppersidebandLowersideband12/18/202313常規(guī)AM信號(hào)的波形及頻譜12/18/2023143.功率與效率

歸一化功率：12/18/202315調(diào)制效率：12/18/202316例：對(duì)于調(diào)福指數(shù)為100％的AM信號(hào)1.周期方波調(diào)制信號(hào)：2.單頻正弦波調(diào)制信號(hào)：12/18/2023174.接收

常規(guī)調(diào)幅常用的二極管包絡(luò)檢波器解調(diào)：非相干解調(diào)：接收機(jī)不需要產(chǎn)生與接收信號(hào)中的載波同頻同相的本地載波的接收方式。12/18/202318總結(jié)：AM信號(hào)的特點(diǎn):包絡(luò)檢波器用于檢測(cè)AM〔常規(guī)調(diào)幅〕信號(hào)〔接收機(jī)簡(jiǎn)單〕，這是離散載波項(xiàng)的功績(jī)。

AM信號(hào)的功率效率很低，因?yàn)殡x散載波項(xiàng)浪費(fèi)功率。

AM信號(hào)的帶寬是信息信號(hào)m(t)帶寬的2倍.上下兩個(gè)邊帶完全對(duì)稱，帶寬浪費(fèi)一半。乘積檢波器用于檢測(cè)AM〔常規(guī)調(diào)幅、過調(diào)幅〕信號(hào)，接收機(jī)復(fù)雜，這是調(diào)幅只用常規(guī)調(diào)幅的原因。12/18/202319例AM信號(hào)的功率聯(lián)邦通信委員會(huì)〔FCC〕用平均載波功率對(duì)AM播送頻段發(fā)射機(jī)評(píng)級(jí);這種評(píng)級(jí)系統(tǒng)在AM音頻應(yīng)用中很普通.假設(shè)一個(gè)5,000-WAM發(fā)射機(jī)與一個(gè)50-負(fù)載相連.如果發(fā)射機(jī)被一個(gè)1000hz的測(cè)試音100%調(diào)制.我們計(jì)算一些參數(shù)未調(diào)制時(shí)載波功率為(設(shè)載波為電壓信號(hào))：平均載波功率12/18/202320調(diào)制信號(hào):已調(diào)信號(hào):AM信號(hào)的歸一化平均功率:12/18/202321在50-負(fù)載上AM信號(hào)的實(shí)際功率:在50-負(fù)載上AM信號(hào)的峰值電壓:調(diào)制效率:作業(yè)：2、312/18/2023223.1.2抑制載波雙邊帶調(diào)幅Double-SidebandSuppressedCarrier

(DSB-SC)1.DSB-SC信號(hào)

12/18/202323載波反相點(diǎn)波形：12/18/2023242.頻域分析

頻譜：UppersidebandLowersideband12/18/2023253.功率與效率調(diào)制效率:歸一化功率:12/18/2023264.發(fā)射和接收發(fā)射〔調(diào)制〕：接收〔解調(diào)〕：相干解調(diào)〔接收機(jī)本地載波與接收載波同頻同相〕LPF12/18/202327LPFAfterLPF:相干解調(diào)原理：乘積檢波器12/18/202328Discuss:同步檢波相干解調(diào)乘積檢波12/18/202329接收機(jī)產(chǎn)生本地相干載波的方法：1.發(fā)送端發(fā)射小功率離散載波〔導(dǎo)頻單音信號(hào)〕2.接收端用鎖相環(huán)提取同頻同相載波注意：常規(guī)AM也可以用相干解調(diào)獲取基帶信息信號(hào)12/18/202330總結(jié)：DSB信號(hào)的特點(diǎn):

乘積檢波器用于檢測(cè)DSB信號(hào)，乘積檢波器較包絡(luò)檢波器昂貴。

DSB信號(hào)的功率效率高。

DSB信號(hào)的帶寬是信息信號(hào)m(t)帶寬的2倍.上下兩個(gè)邊帶完全對(duì)稱，帶寬浪費(fèi)一半。12/18/202331singlesidebandsignal(SSB)3.1.3單邊帶調(diào)幅〔SSB〕1.SSB信號(hào)

只取DSB-SC信號(hào)中的上邊帶或下邊帶分量。上邊帶信號(hào)：，頻譜：

下邊帶信號(hào)：

，頻譜：12/18/202332頻譜：

12/18/20233311/2時(shí)域表達(dá)式:

截取基帶信號(hào)的負(fù)頻率局部或正頻率局部再直接用DSB-SC調(diào)幅可產(chǎn)生單邊帶信號(hào)。如下：設(shè)的希爾伯特變換為，解析信號(hào)為。那么:由圖示可以看出：m+(t)是sUSB(t)的復(fù)包絡(luò)12/18/202334因?yàn)槭堑膹?fù)包絡(luò)12/18/202335單邊帶信號(hào)表達(dá)式：SSB信號(hào)的復(fù)包絡(luò):

2.單邊帶信號(hào)的產(chǎn)生：(2)相移法

(1)濾波法

(3)維佛法12/18/202336(1)濾波法

保存上邊帶的邊帶濾波器：保存下邊帶的邊帶濾波器：1112/18/202337(2)相移法

12/18/2023383.單邊帶信號(hào)的接收

SSB信號(hào)既有AM又有PM對(duì)于AM分量〔實(shí)包絡(luò)〕對(duì)于PM分量12/18/202339上邊帶信號(hào)的波形及頻譜變換12/18/202340相干解調(diào)接收：乘積檢波器:LPF：以基帶信號(hào)的最高頻率為截止頻率的低通濾波器。

12/18/2023414.功率歸一化平均功率調(diào)制效率:12/18/202342例：SSB-AM發(fā)射機(jī)被一正弦信號(hào)調(diào)制,其中。(a)計(jì)算。(b)確定下邊帶SSB信號(hào)的表達(dá)式。(c)確定SSB信號(hào)的歸一化平均功率。(d)確定SSB信號(hào)的峰值。(e)確定SSB信號(hào)的均方根〔rms〕值。解:12/18/20234312/18/202344總結(jié)：SSB信號(hào)的特點(diǎn):

乘積檢波器用于檢測(cè)SSB信號(hào)。而且SSB信號(hào)的產(chǎn)生比AM、DSB復(fù)雜。

SSB信號(hào)的功率效率高。

SSB信號(hào)的帶寬等于信息信號(hào)m(t)的帶寬。只有AM、DSB帶寬的一半。作業(yè)：4、1112/18/202345

3.1.4殘留邊帶調(diào)幅(VSB)1.用濾波法產(chǎn)生VSB信號(hào)令12/18/20234612/18/202347DSB、SSB和VSB信號(hào)的頻譜

M(f)SDSB(f)SSSB(f)SVSB(f)ffff0000fc-fcfc-fcfc-fc都是基帶信號(hào)頻譜的簡(jiǎn)單平移

12/18/202348殘留下邊帶調(diào)制的波形及頻譜變換12/18/2023492.接收機(jī)LPF12/18/202350選擇適宜的LPF的截止頻率可濾除第二項(xiàng)。AfterLPF:12/18/202351為了恢復(fù)無失真調(diào)制信號(hào)M(f),HV(f)必須滿足下面條件:互補(bǔ)對(duì)稱性12/18/20235212/18/2023533.2模擬角度調(diào)制

12/18/202354角調(diào)制的根本概念角調(diào)信號(hào)表達(dá)式：隨變化。

1.相位調(diào)制與頻率調(diào)制的概念

(PMandFM)〔1〕相位和頻率瞬時(shí)相位:對(duì)的瞬時(shí)相位偏移:：載波頻率

非線性調(diào)制，已調(diào)帶通信號(hào)的譜不再是基帶信號(hào)譜的簡(jiǎn)單搬移12/18/202355瞬時(shí)頻率:瞬時(shí)頻率偏移:instantaneous12/18/202356(2)相位調(diào)制〔PM〕相位偏移正比于調(diào)制信號(hào)其中:相偏常數(shù)PM信號(hào)表達(dá)式:(調(diào)相器的靈敏度)其含義是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起PM信號(hào)的相位偏移量12/18/202357〔3〕調(diào)頻(FM)其中:頻偏常數(shù)〔調(diào)頻器靈敏度〕頻率偏移正比于調(diào)制信號(hào)。調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式： 其含義是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起FM信號(hào)的頻率偏移量相位偏移正比于調(diào)制信號(hào)的積分。12/18/202358例3.1圖示方波與鋸齒波信號(hào)的調(diào)相與調(diào)頻信號(hào)波形。

解：

12/18/202359用FM器產(chǎn)生PM信號(hào)2.FM、PM之間的轉(zhuǎn)換對(duì)是FM對(duì)是PM12/18/202360用PM器產(chǎn)生FM信號(hào)對(duì)是FM對(duì)是PM12/18/2023613.最大頻偏、相偏與調(diào)制指數(shù)

(1)最大相偏〔峰值相偏〕：調(diào)角信號(hào)瞬時(shí)相位偏移的最大值。PM信號(hào)：FM信號(hào)：12/18/202362(2)最大頻偏〔峰值頻偏〕已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)頻率偏移的最大值。PM信號(hào)：FM信號(hào)：12/18/202363例3.2假設(shè)消息信號(hào)：可對(duì)調(diào)頻，又可調(diào)相。確定調(diào)頻信號(hào)和調(diào)相信號(hào)的表達(dá)式。解：PM調(diào)制：FM調(diào)制：?jiǎn)晤l信號(hào)12/18/202364所以調(diào)頻信號(hào)和調(diào)相信號(hào)的表達(dá)式：令與12/18/202365于是有，定義調(diào)制指數(shù)：1.調(diào)相指數(shù)：2.調(diào)頻指數(shù)：B表示基帶信號(hào)m(t)的帶寬，等于它的最高頻率fm。PM信號(hào)的最大相偏FM信號(hào)的最大相偏βPM,βFM

都是最大相偏這一結(jié)論只對(duì)單頻調(diào)制信號(hào)成立。12/18/202366例3.3調(diào)角波：〔1〕求與〔2〕假設(shè)是調(diào)相波，，求與〔3〕假設(shè)是調(diào)頻波，，求與12/18/202367解：〔1〕此角調(diào)波的相位偏移為12/18/202368〔2〕假設(shè)為PM波，那么,所以而且，12/18/202369(3)假設(shè)為FM波，那么,易見，12/18/2023704.*窄帶角度調(diào)制角調(diào)信號(hào)：假設(shè)：，那么稱為窄帶角調(diào)制此時(shí)：角調(diào)信號(hào)可作如下近似：恒包絡(luò)包絡(luò)有微小起伏12/18/2023713.2.2角度調(diào)制信號(hào)的頻譜特性

1.根本結(jié)論角調(diào)信號(hào):復(fù)包絡(luò):非的線性函數(shù)是的線性函數(shù)不再是基帶信號(hào)譜的簡(jiǎn)單搬移12/18/202372角調(diào)信號(hào)帶寬估計(jì)，卡森規(guī)那么：：已調(diào)信號(hào)帶寬，：基帶信號(hào)帶寬，

定義頻偏比:時(shí)，常用公式。

角調(diào)信號(hào)的全部功率的98％在卡森帶寬內(nèi)12/18/202373對(duì)于單頻正弦信號(hào)，〔1〕PM信號(hào)的帶寬：〔2〕FM信號(hào)的帶寬：

幅度調(diào)制的信號(hào)帶寬由調(diào)制信號(hào)的帶寬決定。角度調(diào)制的帶寬和調(diào)制信號(hào)帶寬、幅度有關(guān)，和調(diào)制器的參數(shù)有關(guān)。傳輸同一基帶信號(hào)，角度調(diào)制的已調(diào)信號(hào)帶寬可寬可窄。FM信號(hào)的帶寬較易控制

12/18/202374例3.4單頻調(diào)頻波的振幅為10V，瞬時(shí)頻率為

求：〔1〕信號(hào)表達(dá)式與；〔2〕假設(shè)頻率fm提高到，求。解：〔1〕基帶信號(hào)帶寬：

12/18/202375

12/18/202376〔2〕假設(shè)〔不變〕〔變?yōu)橐话搿场沧兓淮蟆?2/18/202377例3.5給定調(diào)相信號(hào)

求：〔1〕信號(hào)帶寬；〔2〕假設(shè)頻率fm提高到，求。解：基帶信號(hào)帶寬：〔1〕，于是，〔2〕，于是，帶寬成倍增長(zhǎng)12/18/202378作業(yè)：17、19、2112/18/2023792.*正弦信號(hào)角度調(diào)制的譜分析設(shè)角調(diào)制信號(hào)的頻譜：時(shí)域表達(dá)式：n

-----第n個(gè)頻率分量β-----調(diào)頻〔調(diào)相〕指數(shù)12/18/202380---第一類n階貝賽爾函數(shù)12/18/202381參見表圖3.2.4貝塞爾函數(shù)曲線12/18/202382正頻：

PM、FM信號(hào)的譜:

=2.40;

=5.52;…n為－n次下邊頻。n為＋n次上邊頻。12/18/202383正頻：12/18/202384n為＋n次上邊頻。n為－

n次上邊頻。12/18/202385

角調(diào)信號(hào)的功率：角調(diào)信號(hào):未調(diào)時(shí)：已調(diào)時(shí)：即MF、MP不改變總功率對(duì)于單頻調(diào)制，可以證明12/18/202386角調(diào)信號(hào)的離散載波功率：角調(diào)信號(hào)的各次邊頻功率：不同時(shí)，載波功率和各邊頻功率的分配關(guān)系也發(fā)生變化。已調(diào)后：，載波功率，轉(zhuǎn)變?yōu)楦鬟咁l功率，而總功率不變。12/18/202387〔1〕：窄帶角調(diào)制；變大時(shí)為寬帶角調(diào)制；〔〕圖中的是以Carson公式估算的結(jié)果，準(zhǔn)確地反映了信號(hào)的帶寬，對(duì)應(yīng)的功率包括約98%的功率；〔3〕載波的強(qiáng)度由決定，選擇適宜的，可使載波功率減小或?yàn)榱恪！?〕為單一頻率，由它產(chǎn)生的FM或PM信號(hào)包含無窮多個(gè)邊頻分量，產(chǎn)生了新的頻率分量，該調(diào)制為非線性調(diào)制。總結(jié):12/18/202388未調(diào)時(shí)，調(diào)制后，3.2.3調(diào)角信號(hào)的產(chǎn)生1.直接調(diào)頻法

用調(diào)制信號(hào)直接改變載波振蕩器頻率的方法。原理框圖：倍頻器VCO12/18/2023892.*間接調(diào)頻法〔阿姆斯特朗法〕原理圖：產(chǎn)生NBFM信號(hào)產(chǎn)生WBFM信號(hào)12/18/202390倍頻后：上述信號(hào)通過帶通濾波器,獲得k倍頻輸出:限幅后：12/18/2023913.2.4調(diào)角信號(hào)的接收FM的非相干接收機(jī)框圖：

低通濾波器限幅及BPF微分器包絡(luò)檢波器sFM(t)sd(t)so(t)鑒頻器解調(diào)不必產(chǎn)生同步的本地參考載波，是非相干方法。（K為常數(shù)）12/18/202392PM信號(hào)的接收：在FM接收機(jī)后增加一個(gè)積分器，便可接收PM信號(hào)。經(jīng)包絡(luò)檢波、隔直與低通濾波和積分器后得到，〔K為常數(shù)〕低通濾波器限幅及BPF微分器包絡(luò)檢波器鑒頻器積分器sPM(t)sd(t)so(t)12/18/2023933.3幅度調(diào)制系統(tǒng)的

抗噪聲性能

12/18/2023943.3.1模擬傳輸中的噪聲問題1.基帶傳輸系統(tǒng)：

直接傳輸模擬消息信號(hào)的系統(tǒng)。LPFB帶寬為BAWGN信道接收機(jī)LPF平滑濾波r(t)ro(t)12/18/2023952.頻帶傳輸系統(tǒng)PS---接收信號(hào)功率解調(diào)器輸入信噪比：解調(diào)器輸出信噪比：BPFBW=BTBW=B信道解調(diào)調(diào)制BW=BT12/18/202396解調(diào)增益：反映某種解調(diào)器對(duì)信噪比的改善能力。為比較各種頻帶傳輸系統(tǒng)的總體性能，通常與基帶傳輸系統(tǒng)作比較。假定：（1）實(shí)際系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)接收到的信號(hào)功率相同；（2）實(shí)際系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)的噪聲功率譜密度相同。基帶系統(tǒng)12/18/202397基帶信噪比與解調(diào)器輸入信噪比〔注意到〕之間的關(guān)系：12/18/202398系統(tǒng)增益：反映某一調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)相對(duì)于基帶傳輸系統(tǒng)的總體增益，定義為比照：了解不同頻帶傳輸系統(tǒng)的解調(diào)器對(duì)信噪比的改善；比照：了解不同頻帶傳輸系統(tǒng)之間在信噪比上的整體優(yōu)劣。即比較不同頻帶傳輸系統(tǒng)抗噪性能的優(yōu)劣12/18/2023993.3.2常規(guī)AM系統(tǒng)〔非相干解調(diào)〕BPFBT=2B包絡(luò)檢波器12/18/2023100于是，輸入信噪比：輸出信噪比：〔如15dB以上〕出現(xiàn)門限效應(yīng)的輸入信噪比稱為門限值，約為0dB(1)輸入信噪比:(2)輸入信噪比，則很小，通信無法正常進(jìn)行。表現(xiàn)為一個(gè)“門限效應(yīng)”。12/18/2023101解調(diào)增益：對(duì)調(diào)制達(dá)100%的正弦消息信號(hào)，，對(duì)調(diào)制達(dá)100%的正弦消息信號(hào)，AM系統(tǒng)的抗噪聲能力較差。

系統(tǒng)增益：12/18/20231023.3.3DSB-SC與AM〔相干解調(diào)〕系統(tǒng)BPFBW=2BLPFBW=B乘積檢波器12/18/202310312/18/2023104DSB：，AM：，輸入信噪比分別為，輸入信噪比:12/18/2023105接收信號(hào)：輸出信噪比:輸出信號(hào)分量：12/18/2023106低通隔直流后:輸出噪聲分量：12/18/2023107LPF后:輸出信噪比為，12/18/2023108結(jié)論：

12/18/20231093.3.4*SSB系統(tǒng)BPFBW=BLPFBW=B乘積檢波器12/18/2023110輸入信噪比:，12/18/2023111接收信號(hào)：輸出信噪比:輸出信號(hào)分量：AfterLPF:12/18/2023112輸出噪聲分量：AfterLPF:12/18/2023113輸出信噪比為，，SSB系統(tǒng)總體增益與DSC-SC系統(tǒng)是一樣的，雖然其解調(diào)增益只是DSC-SC的一半。SSB信號(hào)占用的帶寬要窄一半，信道的利用更為充分。12/18/2023114總結(jié)12/18/2023115作業(yè)：13、15、2612/18/20231163.5各類通信系統(tǒng)的

比較與應(yīng)用12/18/2023117有效性是指在給定的信道中單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少。可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度。3.5.1各類通信系統(tǒng)的比較比較前提：各個(gè)系統(tǒng)具有相同的基帶信號(hào)帶寬

B各個(gè)系統(tǒng)的信道噪聲具有相同的

PSD(N0)各個(gè)系統(tǒng)具有相同的接收信號(hào)功率PS.12/18/202311812/18/2023119增加能提高抗噪聲性能，但不能無限增加，因?yàn)樵黾?，信?hào)帶寬也增加，收端BPF輸出的噪聲也增加，調(diào)頻解調(diào)器輸出S