第3章 模拟传输.ppt

1、通信原理,第3章 模拟传输,作业:2,3,4,11,12,13,15,17,19,21 重点:3.1.1-3.1.3; 3.2; 3.3.1-3.3.3; 3.5.1-3.5.2 自学:3.1.4; 3.3.4; 3.5.3,1,第3章 模拟传输,模拟传输核心内容-模拟信号的调制、解调,3.1 幅度调制,3.2 模拟角度调制,3.3 幅度调制系统的抗噪声性能,3.4 *角度调制系统的抗噪声性能,3.5 各类通信系统的比较与应用,2,1.调制(Modulation),正弦波又称为载波，是个确知信号；,消息信号又称为调制信号(modulating signal),输出信号又称为已调制信号(modu

2、lated signal),3,2.调制信号表示的一般模型,fc - the carrier frequency and,经过频谱上搬移后获得调制信号为带通信号，任何一个物理带通信号均可以表示为：,复包络xL(t)是消息信号或调制信号的函数,4,5,3.1 幅度调制,幅度调制-用信号去迫使高频载波瞬时幅度变化。,模拟常规调幅（amplitude modulation, AM）,抑制载波双边带调幅 (Double-sideband suppressed carrier,DSB-SC）,单边带调幅（single-sideband,SSB）,残留边带调幅（Vestigial sideband,VSB

3、）,即:在高频载波瞬时幅度的变化中包含有信息,6,1.常规调幅(AM),产生方案：,复包络：,(1)时域信号表达式：,m(t)是归一化消息信号，即max| m(t) |=1,通过信号的包络来直接反映消息信号的变化规律的一种线性调制技术,7,(2)波形,结论：已调信号的振幅包络直接反映了消息信号的变化规律,当max| m(t) |1,产生过调制,结论：已调信号的振幅包络不再直接反映消息信号的变化规律,8,(3)调幅指数：,：正常情况；,：临界调制；,：过调制,9,注意用上式计算AM调幅指数的时域信号表达式：,(4)频域分析 频谱：,频谱图：,基带信号,AM信号,10,(5)功率与效率,物理意义：

4、调制信号总功率中用于传输信息的信号所占的功率的比例,思考：不发生过调制的情况下，m(t)为直流时和幅度为1的正弦信号时，AM信号的最大调制效率为多少？,11,常用的晶体二极管包络检波器：,输出电压波形：,非相干解调：接收机不需要产生与接收信号中的载波完全同频同相的本地载波的接收方式,(7).接收,12,a. 线性调制(Linear modulation),b. 双边带信号(Double sideband modulation) the upper sideband (USB) the lower sideband (LSB),c.,d. 可以使用包络检波来解调,Summary for AM,1

5、3,e. Modulation efficiency is very low.,(1) DSB-SC信号,波形：,复包络：,2.抑制载波双边带调幅,为改善常规AM调制调制效率低的局限，来对AM进行改进,14,Up sideband,Low sideband,(2)频域分析 频谱：,15,(3)功率与效率,调制效率,相干解调原理图：,(4).接收,相干解调：接收端需产生本地载波的解调方法。即,为了获得该信号，接收机需要有专门的载波同步电路,思考题：常规振幅调制可以使用想干解调吗？,16,Summary for DSB-SC,Modulation efficiency being 100%； 需使

6、用相干解调(Coherent demodulation) The bandwidth being the same as AM, 2Bbaseband; 频谱包含两个边带，但不含载频,17,3. 单边带调幅,为进一步提高DSB-SC的频谱效率，对DSB-SC进行改进,只取DSB-SC信号中的上边带或下边带分量。,上边带信号：,下边带信号：,(1)概述,18,保留下边带的边带滤波器：,(2)基本的产生方法：滤波法,19,(3)相移法:Hilbert变换的应用,所以,的时域形式：,根据Hilbert变换可知：,20,时域统一式：,复包络统一式：,实现框图,21,III：Weavers method

7、,Reading by yourself,22,Reading by yourself,23,USB,24,(4).接收,25,4. 残留边带调幅,26,5.Summary,AM,DSB,SSB,VSB,27,28,Example 3-1 if linear modulated signal is as following: (1) s1(t)=cos(0t)cos (ct) (2) s2(t)=(1+0.5sin (0t) cos (ct) Where c=60, please giving their spectrum.,Solution method I : (1) the spectr

8、um is:,29,(2) the spectrum is,30,Solution method II : (1) the complex envelope is:,31,(2) the complex envelope is,32,3.2 模拟角度调,1. 角度调制的概念,信号的相位或频率随着信息信号的变化而变化的调制技术,角度调制信号的相位的统一表达式为,33,瞬时频率:,1) 相位调制（PM）,或,2) 频率调制（FM）,或,34,相位上的变化可以等效为频率上的变化，而频率上的变换可以等效为相位变化,从携带信息的角度来看，FM和PM它们可以相互转换,35,2. PM与FM的等效关系,（a

9、）用PM实现FM,（b）用FM实现PM,例3.1 图示方波与锯齿波信号的调相与调频信号。,积分,微分,3. 最大频偏、相偏与调制指数 (1)最大相偏,：调角信号相位偏离零相位(未调载波相位)的最大值。,FM信号：,PM信号：,已调信号的瞬时频率与未调载波频率之差的最大值。,FM信号：,PM信号：,(2)最大频偏,37,调相指数：,调频指数,(3)调制指数,38,适用的条件：单频正弦信号的FM或PM，不能推广到其它情形,Example 3.2 消息信号为正弦信号的FM和PM,39,Conclusion：对单频正弦信号而言,40,例3.3 已知调角波：,解：根据调角波可知，其相位可以表示为,(1)

10、,41,(2)若为PM波,易见，,(3) 若为FM波,42,式中，,4.角度调制信号的频谱特性与带宽,(1)基本结论,角度调制信号的谱,43,(2)卡森规则,定义频偏比,时，常用,求PM信号的带宽,求FM信号的带宽：,example,44,例3.4 单频调频波的振幅为10V，瞬时频率为,，,45,(2)若,46,例3.6 给定调相信号,，,47,5 角度调制信号的产生,(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：,VCO的输出频率正比于控制电压m(t),倍频器允许按较低的调制指数产生FM信号,根据FM和PM的相位对应关系，对控制电压m(t)进行适当的处理后，输出信号可以

11、为PM信号,(2)间接调频法(reading by yourself),48,6 角度调制信号的接收,FM的非相干接收机框图：,信号微分后得到,（其中K为常数）由于该方法不必产生严格同步的本地参考载波，因此是非相干,对于PM信号该如何进行解调呢？,49,3.3 幅度调制系统的抗噪声性能,直接传输模拟消息信号的系统。,1. 模拟传输中的噪声问题,(1) 基带传输系统：,50,LPF在设计上需要满足什么条件？,2.频带传输系统,为了能在带通信道上进行传输，需要使用各种调制技术来获得相应的带通信号,解调器输入信噪比：,解调器输出信噪比：,51,BPF在设计上需要满足什么条件？,系统增益：反映某一调制

12、解调系统相对于基带传输系统的总体增益，定义为,为衡量频带传输系统的总体性能，通常与虚拟基带传输系统作比较。假定： 实际系统与虚拟系统接收到的信号功率 相同；,实际系统与虚拟系统的噪声功率谱密度 相同,比较 了解不同频带传输系统的解调器对信噪比的影响；,比较 了解不同频带传输系统之间在信噪比上的整体优劣。,解调器输入信噪比（注意到,52,3.非相干AM系统,结论：,53,对调制达100%的正弦消息信号，,调制达100%的正弦消息信号，,AM系统的抗噪声能力较差。,54,4. DSB-SC与AM（相干解调）系统,DSB：,AM：,接收的噪声功率=,，,输入信噪比分别为,55,接收信号,AM：,DS

13、B：,56,结论,example For 100% sine-wave modulation for AM,57,5. SSB system,，,58,After LPF,SSB系统总体增益与DSC-SC系统是一样的，虽然其解调增益只是DSC-SC的一半。SSB信号占用的带宽要窄一半，信道的利用更为充分,结论：,59,6 Comparison between AM DSB-SC and SSB,AM,DSB-SC,SSB,60,3.5 各类通信系统的比较与应用,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。,1.调制技术分类： 线性调制：满足下线性关系

14、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。,61,2. 比较前提条件,62,3.几种线性调制的比较,63,4.几种非线性调制的比较(自学),64,5. 结论： （1）带宽上：,（2）抗噪声性能：,65,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。 分为：,6 频分多路复用,频分多路复用（FDM） 时分多路复用（TDM） 码分多路复用（CDM）,66,6 频分多路复用,局限：设备复杂和存在串扰,67,调制,调制,调制,调制,解调,解调,解调,Example 1 Evaluate the magnitude s

15、pectrum for an amplitude-modulated (AM) signal Solution: the complex envelope,its spectrum of the complex envelope,the AM signal waveform,the AM spectrum,68,69,Exercise 2 Given a pulse-modulated signal of the form s(t)=eat cos(c+)tu(t) where a, c, and are positive constants and the carrier frequency

16、c+, Find the complex envelope.,Solution:,The complex envelope is,70,Exercise 3 Assume that the DSB-SC signal s(t) with a carrier frequency of 3.8 MHz has a complex envelope g(t)=Acm(t). Ac=50A, and the modulation is a 1-kHz sinusoidal test tone described by m(t)=2 sin(21,000t), appears across a 50-

17、resistive load. Compute the actual average power dissipated in the load.,Solution:,71,Exercise 5 A phasing-type SSB-AM detector is shown in Fig. P5-18. This circuit is attached to the IF out-put of a conventional superheterodyne receiver to provide SSB reception. (a) Determine whether the detector i

18、s sensitive to LSSB or USSB signals. How would the detector be changed to receive SSB signals with the opposite type of sidebands? (b) Assume that the signal at point A is a USSB signal with fc= 455 kHz. Find the mathematical expressions for the signals at points B through I. (c) Repeat part (b) for

19、 the case of an LSSB-AM signal at point A.,72,73,74,75,Exercise 6 An angle-modulation system is indicated in Fig.,where Dp is the phase sensitivity of phase modulator, the carrier frequency , if the modulated waveform s1(t) is given by: (1)For modulating signal m(t), determine whether s1(t) is a pha

20、se modulating wave or frequency modulating wave; (2)Find the expression of m(t); (3)Find the maximum phase deviation and maximum frequency deviation; (4)Find the transmission bandwidth by using Carsons rule.,76,for a modulating signal m(t),2),77,B=2000Hz,3),4),78,Exercise 7 已知调制信号为,AM信号,载波信号为 。,请分别写出AM、DSB、USB和LSB、PM(相偏指数为5)和FM(频偏指数为2)的信号表达式。,Solutin:,DSB信号,SSB信号,79,Exercise 9 对DSB信号进行相干解调，设接收到的信号功率为10dBm，载波频率为100kHz，如果调制信号的带宽为4