第3章模拟传输方案

2014/10/211/129通信原理第3章模拟传输2/1292014/10/21本章讲授传统的模拟通信理论与调制/解调技术。同学们作为初学者注意体会实际环境与工程背景，理解理论与技术思想。主要内容有掌握常规幅度调制（AM）、抑制载波双边带调制（DSBSC）及单边带调制（SSB）的信号特点、频带与带宽、解调方法、基本参数；AM、DSB和SSB系统的噪声性能指标及其相干解调系统的分析方法。模拟角度调制中调相（PM）和调频（FM）的基本概念、信号特征、带宽计算、调制指数；频分复用（FDM）技术。3/1292014/10/21理解非相干解调的门限效应；典型系统的性能与应用特点、系统对比、典型系统（如立体声FM）、PM和FM的频谱特性（正弦调制下）、PM和FM的接收方法与噪性能指标。了解残留边带调制（VSB），AM非相干解调的性能分析方法、PM与FM性能分析方法、预加重/去加重问题；典型应用系统。4/1292014/10/21信源调制器发射机信道接收机解调器信宿噪声发送设备接收设备基带信号基带信号调制信号已调带通信号带通信号模拟通信系统信道中传输模拟波形的通信系统。5/1292014/10/21调制器调制信号已调信号幅度调制角度调制都是的函数未调载波6/1292014/10/21P调制的目的（1）将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）；（2）实现信道的多路复用，提高信道利用率；（4）实现传输带宽与信噪比之间的互换。7/1292014/10/21本章内容模拟信号的调制、解调31幅度调制32模拟角度调制33幅度调制系统的抗噪声性能34角度调制系统的抗噪声性能35各类通信系统的比较与应用8/1292014/10/2131幅度调制AMPLITUDEMODULATION9/1292014/10/21已调带通信号的频谱是基带信号频谱的简单搬移幅度调制用信息信号去迫使高频载波瞬时幅度变化。模拟常规调幅（AM）抑制载波双边带调幅（DSBSC）单边带调幅（SSB）残留边带调幅（VSB）信号10/1292014/10/21CONVENTIONALAM311常规调幅AM1表达式调制复包络11/1292014/10/21（常规调幅）本质波形12/1292014/10/21过调幅载波反相点13/1292014/10/21定义调幅指数常规调幅其中临界调制过调制波形如图（B）所示。调幅指数影响功率分配MODULATIONINDEX14/1292014/10/212频域分析频谱频谱图UPPERSIDEBANDLOWERSIDEBAND15/1292014/10/213功率与效率归一化功率离散载波功率边带功率（上下两个边带）一般16/1292014/10/21调制效率17/1292014/10/21例对于调福指数为100的AM信号1周期方波调制信号2单频正弦波调制信号18/1292014/10/214接收常规调幅常用二极管包络检波器解调非相干解调接收机不需要产生与接收信号中的载波同频同相的本地载波的接收方式。接收机简单，成本低廉。19/1292014/10/21总结AM信号的特点L包络检波器用于检测AM（常规调幅）信号（接收机简单），这是离散载波项的功劳。LAM信号的功率效率很低，因为离散载波项浪费功率。LAM信号的带宽是信息信号MT带宽的2倍上下两个边带完全对称，带宽浪费一半。L乘积检波器用于检测AM（常规调幅、过调幅）信号，接收机复杂，这是调幅只用常规调幅的原因。20/1292014/10/21非常简单实用但效率很低AM要点21/1292014/10/21例31中波AM广播系统的频率范围5401600KHZ，其中每个电台可占用10KHZ带宽，调制方式为常规AM，试估算音频信号带宽。解由题意，已调信号带宽为故音频信号带宽大致为作业2、322/1292014/10/21312抑制载波双边带调幅DOUBLESIDEBANDSUPPRESSEDCARRIERDSBSC1DSBSC信号23/1292014/10/21载波反相点波形24/1292014/10/212频域分析频谱UPPERSIDEBANDLOWERSIDEBAND25/1292014/10/213功率与效率调制效率归一化功率26/1292014/10/214发射和接收发射（调制）接收（解调）相干解调（接收机本地载波与接收载波同频同相）LPF27/1292014/10/21LPFAFTERLPF相干解调原理乘积检波器28/1292014/10/21DISCUSS同步检波相干解调乘积检波29/1292014/10/21接收机产生本地相干载波的方法1发送端发射小功率离散载波（导频单音信号）2接收机将接收的DSB信号作非线性变换，再用锁相环提取同频同相载波注意常规AM也可以用相干解调获取基带信息信号30/1292014/10/21总结DSB信号的特点L乘积检波器用于检测DSB信号，乘积检波器较包络检波器昂贵。LDSB信号的功率效率高。LDSB信号的带宽是信息信号MT带宽的2倍上下两个边带完全对称，带宽浪费一半。31/1292014/10/21SINGLESIDEBANDSIGNALSSB313单边带调幅（SSB）1SSB信号及滤波法只取DSBSC信号中的上边带或下边带分量。上边带信号，频谱下边带信号，频谱1SSB信号滤波法产生32/1292014/10/21保留上边带的边带滤波器保留下边带的边带滤波器1133/1292014/10/2134/1292014/10/21单边带信号的多级滤波法形成H1FH2FH3F35/1292014/10/21单边带信号的多级滤波法形成36/1292014/10/21（2）单边带信号表达式SSB信号的复包络37/1292014/10/212SSB信号接收乘积检波器（相干接收机）LPF以基带信号的最高频率为截止频率的低通滤波器。38/1292014/10/213SSB相移法产生39/1292014/10/214功率归一化平均功率调制效率40/1292014/10/21例SSBAM发射机被一正弦信号调制,其中。A计算。B确定下边带SSB信号的表达式。C确定SSB信号的归一化平均功率。D确定SSB信号的峰值。E确定SSB信号的均方根（RMS）值。解41/1292014/10/2142/1292014/10/21总结SSB信号的特点L乘积检波器用于检测SSB信号。而且SSB信号的产生也比AM、DSB复杂。LSSB信号的功率效率高。LSSB信号的带宽等于信息信号MT的带宽。只有AM、DSB带宽的一半。作业4、12旧书作业4、1143/1292014/10/21314残留边带调幅VSB1用滤波法产生VSB信号令VESTIGIALSIDEBAND44/1292014/10/21边带滤波器容易实现，VSB系统成本低廉45/1292014/10/21DSB、SSB和VSB信号的频谱MFSDSBFSSSBFSVSBFFFFF0000FCFCFCFCFCFC都是基带信号频谱的简单平移B46/1292014/10/21为了恢复调制信号MF,HVF必须满足互补对称性47/1292014/10/2132模拟角度调制PHASEMODULATIONFREQUENCYMODULATIONPMANDFM48/1292014/10/21321角调制的基本概念角调信号表达式随变化。1相位调制与频率调制的概念PMANDFM（1）相位和频率瞬时相位对的瞬时相位偏移载波频率非线性调制，已调带通信号的谱不再是基带信号谱的简单搬移49/1292014/10/21瞬时频率瞬时频率偏移INSTANTANEOUS50/1292014/10/212相位调制（PM）相位偏移正比于调制信号其中相偏常数PM信号表达式调相器的灵敏度其含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量51/1292014/10/21（3）调频FM其中频偏常数（调频器灵敏度）频率偏移正比于调制信号。调频信号表达式其含义是单位调制信号幅度引起FM信号的频率偏移量相位偏移正比于调制信号的积分。52/1292014/10/21例32图示方波与锯齿波信号的调相与调频信号波形。解恒包络53/1292014/10/212FM、PM之间的转换PMFMB直接调相和间接调相FMPMA直接调频和间接调频54/1292014/10/213最大频偏、最大相偏与调制指数1最大相偏（峰值相偏）调角信号瞬时相位偏移的最大值。2最大频偏（峰值频偏）角调信号的瞬时频率偏移的最大值。55/1292014/10/21例33若消息信号为它既可对调频，又可调相。试确定调频信号和调相信号的表达式。单频信号56/1292014/10/21解PM调制调相信号的表达式57/1292014/10/21FM调制所以调频信号和调相信号的表达式58/1292014/10/21所以调频信号和调相信号的表达式对于单频正弦调制信号，其调频、调相的最大相偏称为其调制指数1调相指数2调频指数PM信号的最大相偏FM信号的最大相偏B为调制信号带宽59/1292014/10/21322角度调制信号的频谱特性1基本结论角调信号复包络非的线性函数是的线性函数不再是基带信号谱的简单搬移60/1292014/10/21角调信号带宽估计，卡森规则已调信号带宽，基带信号带宽，定义频偏比时，常用公式。角调信号的全部功率的98在卡森带宽内61/1292014/10/21对于单频正弦信号，（1）PM信号的带宽与基带信号的关系（2）FM信号的带宽与基带信号的关系幅度调制的信号带宽由调制信号的带宽决定。角度调制的带宽和调制信号带宽、幅度有关，和调制器的参数有关。传输同一基带信号，角度调制的已调信号带宽可宽可窄。FM信号的带宽较易控制讨论62/1292014/10/21例34实际FM广播系统的频率范围为88108MHZ，电台频率间隔为200KHZ。音频信号的最高频率设定为15KHZ，调制方式为FM，最大频偏为75KHZ。试计算传输带宽与系统的调制指数。解63/1292014/10/21例35已知某单频调频波的振幅为10V，瞬时频率为试求（1）信号表达式与；（2）若频率FM提高到，求。解（1）基带信号带宽64/1292014/10/2165/1292014/10/21（2）若（不变）（变为一半）（变化不大）66/1292014/10/21例36给定某调相信号求（1）信号带宽；（2）若频率FM提高到，求。解基带信号带宽（1），于是，（2），于是，带宽成倍增长旧书作业17、19、21作业18、20、2267/1292014/10/212正弦信号角度调制的谱分析设68/1292014/10/21角调制信号的频谱正频部分N第N个频率分量第一类N阶贝赛尔函数N为N次下边频。N为N次上边频。L24055269/1292014/10/21图324贝塞尔函数曲线70/1292014/10/21正频71/1292014/10/2172/1292014/10/21U角调信号的功率角调信号MF、MP不改变总功率（1）窄带角调制；变大时为宽带角调制；（）图中的是以CARSON公式估算的结果，准确地反映了信号的带宽，对应的功率包括约98的功率；（3）载波的强度由决定，选择合适的，可使载波功率减小或为零。（4）为单一频率，由它产生的FM或PM信号包含无穷多个边频分量，产生了新的频率分量，该调制为非线性调制。总结73/1292014/10/21323窄带角度调制角调信号若，则称为窄带角调制此时角调信号可作如下近似恒包络包络有微小起伏74/1292014/10/21未调时，调制后，324调角信号的产生1直接调频法用调制信号直接改变载波振荡器频率的方法。原理框图倍频器VCO75/1292014/10/21325调角信号的接收FM的非相干接收机框图低通滤波器限幅及BPF微分器包络检波器SFMTSDTSOT鉴频器解调不必产生同步的本地参考载波，是非相干方法。（K为常数）接收机简单，成本低廉。76/1292014/10/2133幅度调制系统的抗噪声性能结合各种抗噪声性能分析，同学们注意体会运用数学知识定量分析通信过程，改进与优化系统的思想。77/1292014/10/21331模拟传输中的噪声问题1基带传输系统直接传输模拟消息信号的系统。LPFB带宽为BAWGN信道接收机LPF平滑滤波RTROTPM接收信号功率78/1292014/10/21白噪声通过理想低通系统后输出噪声功率白噪声通过理想带通系统后输出噪声功率79/1292014/10/212频带传输系统PS接收信号功率解调器输入信噪比解调器输出信噪比BPFBWBTBWB信道解调调制BWBT80/1292014/10/21为比较各种频带传输系统的总体性能，通常与基带传输系统作比较。假定（1）实际系统与虚拟系统接收到的信号功率相同；（2）实际系统与虚拟系统的噪声功率谱密度相同。（3）各个系统具有相同的基带信号带宽B解调增益反映某种解调器对信噪比的改善能力。基带系统81/1292014/10/21基带系统信噪比与解调器输入信噪比（注意到）之间的关系基带系统信噪比82/1292014/10/21系统增益反映某一调制解调系统相对于基带传输系统的总体增益，定义为对比了解不同频带传输系统的解调器对信噪比的改善；对比了解不同频带传输系统之间在信噪比上的整体优劣。即比较不同频带传输系统抗噪性能的优劣83/1292014/10/21332常规AM系统（非相干解调）BPFBT2B包络检波器84/1292014/10/2185/1292014/10/21于是，输入信噪比输出信噪比（如15DB以上）出现门限效应的输入信噪比称为门限值，约为0DB1输入信噪比2输入信噪比，则很小，通信无法正常进行。表现为一个“门限效应”。86/1292014/10/21输出信噪比的推导包络检波器输出输入大信噪比时87/1292014/10/21隔直流后输入小信噪比时信号被噪声淹没，通信无法进行88/1292014/10/21解调增益对调制度达100的正弦消息信号，对调制度达100的正弦消息信号，AM系统的抗噪声能力较差。系统增益89/1292014/10/21333DSBSC与AM（相干解调）系统BPFBW2BLPFBWB乘积检波器90/1292014/10/2191/1292014/10/21DSB，AM，输入信噪比分别为，P输入信噪比92/1292014/10/21接收信号P输出信噪比输出信号分量93/1292014/10/21低通隔直流后输出噪声分量94/1292014/10/21LPF后输出信噪比为，95/1292014/10/21结论96/1292014/10/21334SSB系统BPFBWBLPFBWB乘积检波器97/1292014/10/21P输入信噪比，98/1292014/10/21接收信号P输出信噪比解调后99/1292014/10/21输出信噪比为，SSB系统总体增益与DSCSC系统是一样的，虽然其解调增益只是DSCSC的一半。SSB信号占用的带宽要窄一半，信道的利用更为充分。100/1292014/10/21BPFBWBTLPFBWB乘积检波器总结对于几种调幅信号101/1292014/10/21对于几种调幅信号的相干解调，当本地载波为1解调器输出信号分量都为2解调器输入输出噪声功率都是3当本地载波为，K值影响输出信号功率和噪声功率，但不影响输出信噪比，也不影响解调增益和系统增益。102/1292014/10/21Q总结103/1292014/10/21试求（1）接收机的输入信号功率；（2）接收机的输出信号功率（3）若叠加于DSB信号的白噪声具有双边功率谱密度为，设解调器的输出端接有截止频率为的理想低通滤波器，那么输出信噪比是多少。习题313对某一信号用DSB进行传输，设加至发射机的调制信号MT之功率谱密度为104/1292014/10/21相干解调之后，接收机的输出信号，因此输出信号功率设DSB已调信号，则接收机的输入信号功率解105/1292014/10/21解调器的输出信噪功率比106/1292014/10/21例考虑如下图所示接收机，设BPFBWBLPFBWB乘积检波器求107/1292014/10/21解由题，旧书作业13、15、26作业14、16、27108/1292014/10/2134角度调制系统的抗噪声性能109/1292014/10/21341FM与PM系统的抗噪声性能角度调制系统用非相干解调，因而存在门限效应。其正常工作所需的输入信噪比常常在10DB以上大信噪比。此时其中，是的导函数的峰值。110/1292014/10/21考虑单频正弦波，其（1）FM信号，则（2）PM信号，则且，值越大，FM与PM抗干扰性能越好，但值增加会导致门限电平提高，故值增加有上限。111/1292014/10/21DSBSSBAMFMS/NIDBS/NODB图各种模拟调制系统的性能曲线112/1292014/10/21例37标准FM广播与模拟TV伴音系统是两个典型的调频系统。两系统中，基带信号带宽同为15KHZ，最大频偏分别为75KHZ与25KHZ。试分别计算它们的调制指数与抗噪性能。解（1）标准FM广播系统考虑的正弦调制（2）模拟TV伴音系统考虑的正弦调制113/1292014/10/2135各类通信系统的比较与应用114/1292014/10/21有效性是指在给定的信道中单位时间内传输的信息内容的多少。可靠性是指接收信息的准确程度。351各类通信系统的比较比较前提各个系统具有相同的基带信号带宽B各个系统的信道噪声具有相同的PSDN0各个系统具有相同的接收信号功率PR。115/1292014/10/21BPFBWBTBWB信道解调调制BWBTLPFB带宽为BAWGN信道接收机PR接收信号功率116/1292014/10/21调制带宽实现线性调制非线性调制VSBSSBDSBAM111中等最复杂复杂最简单FMPM复杂简单表351模拟调制系统的带宽与噪声性能注表中AM信号的是幅度要保证不发生过调制。117/1292014/10/21基带S/NBASEBANDDBS/NODBFM1FM2FM5FM10图341FM系统相对于基带系统的输出信噪比（以正弦调制为例）DSB、SSB118/1292014/10/21结论（1）带宽上（2）抗噪声性能注意1AM、FM系统有效性和可靠性之间的互换；2AM、VSB、FM三个系统实现容易，成本低廉，因而在广播系统中得到广泛应用。119/1292014/10/21调制技术分为线性调制满足以下线性关系的调制，非线性调制不满足线性关系的调制。幅度调制均为线性调制；角度调制为非线性调制。120/1292014/10/21解基带信号带宽，有以及，121/1292014/10/21对于AM系统，故对于FM系统，可见，两系统输入信噪比都大于10，都工作在门限以上发送功率122/1292014/10/21故又123/1292014/10/21V目的充分地利用信道资源V复用方法FDM频分复用FREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGTDM时分复用TIMEDIVISIONMULTIPLEXINGCDM码分复用CODEDIVISIONMULTIPLEXING352频分多路复用多路复用将多路彼此不相关的消息信号合并为一个复合的群信号，共同在一条信道上进行通信。FDM是在一个宽带信道上同时传输多路信息的技术。124/1292014/10/21FDM的实现1发端调制器1调制器2调制器NFDM群路信号