通信原理教程3通信原理

1第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)基本概念調(diào)制－把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程。廣義調(diào)制－分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱(chēng)載波調(diào)制）。狹義調(diào)制－僅指帶通調(diào)制。在無(wú)線通信和其他大多數(shù)場(chǎng)合，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。調(diào)制信號(hào)－指來(lái)自信源的基帶信號(hào)載波調(diào)制－用調(diào)制信號(hào)去控制載波的參數(shù)的過(guò)程。載波－未受調(diào)制的周期性振蕩信號(hào)，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已調(diào)信號(hào)－載波受調(diào)制后稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)。解調(diào)（檢波）－調(diào)制的逆過(guò)程，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。

2第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制的目的

提高無(wú)線通信時(shí)的天線輻射效率。把多個(gè)基帶信號(hào)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(hào)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(jiàn)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33.1概述3.2線性調(diào)制3.3非線性調(diào)制第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)43.1概述模擬調(diào)制：用來(lái)自信源的基帶模擬信號(hào)去調(diào)制某載波。載波：確知的周期性波形－余弦波： 式中，A為振幅；

0為載波角頻率；

0為初始相位。定義：調(diào)制信號(hào)m(t)－自信源來(lái)的信號(hào)已調(diào)信號(hào)s(t)－調(diào)制后的載波稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)調(diào)制器－進(jìn)行調(diào)制的部件

第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)圖3.1.1調(diào)制器調(diào)制器已調(diào)信號(hào)s(t)調(diào)制信號(hào)m(t)5調(diào)制的目的：頻譜搬移－適應(yīng)信道傳輸、合并多路信號(hào)提高抗干擾性模擬調(diào)制的分類(lèi)：線性調(diào)制：調(diào)幅、單邊帶、雙邊帶、殘留邊帶…非線性調(diào)制（角度調(diào)制）：頻率調(diào)制、相位調(diào)制63.2線性調(diào)制

3.2.0基本概念

設(shè)載波為：c(t)=Acos

0t=Acos2f0t

調(diào)制信號(hào)為能量信號(hào)m(t)，其頻譜為M(f)

載波：c(t)

相乘結(jié)果：s

(t)

濾波輸出：s(t)

用“

”表示傅里葉變換：

式中，s

(t)調(diào)制信號(hào)m(t)Acos

0tH(f)已調(diào)信號(hào)s(t)M(f)f0S

(f)f0f-f00(a)輸入信號(hào)頻譜密度(b)輸出信號(hào)頻譜密度7

3.2.1振幅調(diào)制（AM）基本原理

設(shè):m(t)=[1+m

(t)]，|m

(t)|1，m

(t)|max=m

－調(diào)幅度， 則有調(diào)幅信號(hào)：s

(t)=[1+m

(t)]Acos

0t， 式中，[1+m

(t)]0，即s

(t)的包絡(luò)是非負(fù)的。

+1=

=m(t)101+m(t)101+m(t)8頻譜密度含離散載頻分量當(dāng)m(t)為余弦波，且m＝100％時(shí)， 兩邊帶功率之和＝載波功率之半。-fm2fmS(f)2fm-f0f0101+m(t)

m

(t)s(t)M

(f)C(f)c(t)A-Atfmf0-f0ffftt9AM信號(hào)的接收：包絡(luò)檢波原理：性能：設(shè)輸入電壓為式中， 為檢波器輸入噪聲電壓

y(t)的包絡(luò)：在大信噪比下：整流器低通濾波器圖3.2.4包絡(luò)檢波器解調(diào)調(diào)幅信號(hào)10

檢波后（已濾除直流分量）： 輸出信號(hào)噪聲功率比：

∵在檢波前的信號(hào)噪聲功率比等于

∴檢波前后信噪功率比之比為

由于m

(t)

1，顯然上式比值r0/ri小于1，即檢波后信噪比下降了。113.2.2雙邊帶（DSB）調(diào)制原理：調(diào)制信號(hào)m(t)沒(méi)有直流分量時(shí)，得到DSB信號(hào)

。頻譜：兩個(gè)邊帶包含相同的信息。圖3.2.5雙邊帶調(diào)制信號(hào)的頻譜(a)調(diào)制信號(hào)頻譜密度M(f)f0(b)已調(diào)信號(hào)頻譜密度f(wàn)00-f0fS(f)上邊帶上邊帶下邊帶12解調(diào)：需要本地載波設(shè)接收的DSB信號(hào)為

接收端的本地載波為 兩者相乘后，得到低通濾波后，得到僅當(dāng)本地載波沒(méi)有頻率和相位誤差時(shí)，輸出信號(hào)才等于m(t)/2。[和調(diào)制信號(hào)僅差一個(gè)常數(shù)因子]優(yōu)缺點(diǎn)：DSB信號(hào)可以節(jié)省發(fā)送功率，但接收電路較為復(fù)雜

圖3.2.6

雙邊帶信號(hào)解調(diào)器原理方框圖基帶信號(hào)m(t)接收信號(hào)s(t)cos

0tr

(t)

H(f)133.2.3單邊帶(SSB)調(diào)制原理：兩個(gè)邊帶包含相同的信息只需傳輸一個(gè)邊帶： 上邊帶或下邊帶要求m(t)中無(wú)太低頻率解調(diào)：需要本地載波由于若z(t)=x(t)y(t)，則有

Z(

)=X(

)

Y(

)

單邊帶信號(hào)解調(diào)時(shí)，用載波cos

0t和接收信號(hào)相乘，相當(dāng)于在頻域中載波頻譜和信號(hào)頻譜相卷積。-f0HL(f)特性上邊帶(b)上邊帶濾波器特性和信號(hào)頻譜上邊帶f00f圖3.2.7單邊帶信號(hào)的頻譜上邊帶S

(f)上邊帶下邊帶HH(f)特性HH(f)特性(a)濾波前信號(hào)頻譜(c)下邊帶濾波器特性和信號(hào)頻譜S(f)S(f)-f00f-f0f0f下邊帶f014

下圖以上邊帶為例，示出用低通濾波器濾出解調(diào)后的信號(hào)。SSB優(yōu)點(diǎn)：比DSB信號(hào)進(jìn)一步節(jié)省發(fā)送功率和占用帶寬。圖3.2.8單邊帶信號(hào)的解調(diào)S(f)(b)上邊帶信號(hào)頻譜上邊帶上邊帶f00-f0f2f0-2f0(a)載波頻譜f00-f0fC(f)(c)載波和上邊帶信號(hào)頻譜的卷積結(jié)果f00-f0f2f0-2f0M(f)HL(f)153.2.4殘留邊帶(VSB)調(diào)制VSB調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)：解調(diào)時(shí)不需要本地載波，容許調(diào)制信號(hào)含有很低頻率和直流分量。原理：VSB仍為線性調(diào)制。調(diào)制信號(hào)和載波相乘后的頻譜為設(shè)調(diào)制器的濾波器的傳輸函數(shù)為H(f)，則濾波輸出的已調(diào)信號(hào)頻譜為

s

(t)調(diào)制信號(hào)m(t)Acos

0tH(f)已調(diào)信號(hào)s(t)16現(xiàn)在，求出為了得到VSB信號(hào)，H(f)應(yīng)滿(mǎn)足的條件： 若仍用右圖解調(diào)器，則接收信號(hào)和本地載波相乘后得到的r

(t)的頻譜為： 將已調(diào)信號(hào)的頻譜代入上式，得到r

(t)的頻譜為：上式中M(f+2f0)和M(f–2f0)兩項(xiàng)可以由低通濾波器濾除，所以得到濾波輸出的解調(diào)信號(hào)的頻譜密度為：基帶信號(hào)m(t)接收信號(hào)s(t)cos

0tr

(t)

H(f)17

為了無(wú)失真地傳輸，要求上式 中 由于 所以，上式可以寫(xiě)為 上式即產(chǎn)生VSB信號(hào)的條件。18

上式要求：濾波器的截止特性對(duì)于f0具有互補(bǔ)的對(duì)稱(chēng)性：H(f+f0)-(f0+fm)0000ffff0-f0f0+fm-2f02f0-2f02f0fm-fmfmfH(f)H(f-f0)H(f+f0)+H(f–f0)19DSB、SSB和VSB信號(hào)的頻譜203.3非線性調(diào)制

3.3.1基本原理頻率的概念：嚴(yán)格地說(shuō)，只有無(wú)限長(zhǎng)的恒定振幅和恒定相位的正弦波形才具有單一頻率。載波被調(diào)制后，不再僅有單一頻率?！八矔r(shí)頻率”的概念：設(shè)一個(gè)載波可以表示為 式中，

0為載波的初始相位；

(t)=

0t+

0為載波的瞬時(shí)相位;

0=d

(t)/dt為載波的角頻率?，F(xiàn)定義瞬時(shí)頻率：

上式可以改寫(xiě)為：21角度調(diào)制的定義： 由下式可見(jiàn)，

(t)是載波的相位。若使它隨調(diào)制信號(hào)m(t)以某種方式變化，則稱(chēng)其為角度調(diào)制。相位調(diào)制的定義：若使相位

(t)隨m(t)線性變化，即令 則稱(chēng)為相位調(diào)制。這時(shí)，已調(diào)信號(hào)的表示式為 此已調(diào)載波的瞬時(shí)頻率為：上式表示，在相位調(diào)制中瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)的導(dǎo)函數(shù)線性地變化。22頻率調(diào)制的定義：若使瞬時(shí)頻率直接隨調(diào)制信號(hào)線性地變化，則稱(chēng)為頻率調(diào)制。這時(shí)，瞬時(shí)角頻率為 及瞬時(shí)相位為 這時(shí)，已調(diào)信號(hào)的表示式為： 上式表明，載波相位隨調(diào)制信號(hào)的積分線性地變化。相位調(diào)制和頻率調(diào)制的比較：在相位調(diào)制中載波相位

(t)隨調(diào)制信號(hào)m(t)線性地變化，而在頻率調(diào)制中載波相位

(t)隨調(diào)制信號(hào)m(t)的積分線性地變化。若將m(t)先積分，再對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制，即得到頻率調(diào)制信號(hào)。類(lèi)似地，若將m(t)先微分，再對(duì)載波進(jìn)行頻率調(diào)制，就得到相位調(diào)制信號(hào)。僅從已調(diào)信號(hào)波形上看無(wú)法區(qū)分二者。23角度調(diào)制的波形若m(t)作直線變化，則已調(diào)信號(hào)就是頻率調(diào)制信號(hào)。若m(t)是隨t2變化，則已調(diào)信號(hào)就是相位調(diào)制信號(hào)角度調(diào)制波形

i24 3.3.2已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬 設(shè)：調(diào)制信號(hào)m(t)是一個(gè)余弦波，

用其對(duì)載波作頻率調(diào)制，則載波的瞬時(shí)角頻率為

上式中，kf=

－為最大頻移已調(diào)信號(hào)表示式：式中，

m＝

f/fm為最大頻率偏移和基帶信號(hào)頻率之比， 稱(chēng)為調(diào)制指數(shù)mf，即有：25

是一個(gè)含有正弦函數(shù)的余弦函數(shù)，它的展開(kāi)式為：

式中，Jn(mf)為第一類(lèi)n階貝塞爾函數(shù)， 它具有如下性質(zhì)：

故上式可以改寫(xiě)為： －已調(diào)信號(hào)最終表示式x26頻譜特點(diǎn)：邊頻成對(duì)大部分功率集中 在有限帶寬內(nèi)當(dāng)調(diào)制指數(shù)mf<<1時(shí)帶寬B基本等于2

m

－稱(chēng)為窄帶調(diào)頻：

B

2

m

當(dāng)mf>1時(shí)， 帶寬B：

式中，

f

－調(diào)制頻移，

fm

－調(diào)制信號(hào)頻率。

m

kHzkHzkHzkHz作kHzkHzkHzkHz

27調(diào)制方式傳輸帶寬設(shè)備復(fù)雜程度主要應(yīng)用AM2fm簡(jiǎn)單中短波無(wú)線電廣播DSB2fm中等應(yīng)用較少SSBfm復(fù)雜短波無(wú)線電廣播、話音頻分復(fù)用、載波通信、數(shù)據(jù)傳輸VSB略大于fm

近似SSB復(fù)雜電視廣播、數(shù)據(jù)傳輸FM中等超短波小功率電臺(tái)（窄帶FM）；調(diào)頻立體聲廣播等高質(zhì)量通信（寬帶FM）第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)3.4小結(jié)--各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較28第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能WBFM抗噪聲性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪聲性能次之，AM抗噪聲性能最差。右圖畫(huà)出了各種模擬調(diào)制 系統(tǒng)的性能曲線,圖中的圓 點(diǎn)表示門(mén)限點(diǎn)。門(mén)限點(diǎn)以下，曲線迅速下跌；門(mén)限點(diǎn)以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而F