通信原理第3章(2015年上课版)

第3章模拟传输,本章的主要内容,一、调制的目的、定义和分类,二、幅度调制（AM、DSB、SSB、VSB）时域和频域表示、带宽调制与解调方法抗噪声性能,四、频分复用,三、角度调制（FM、PM）基本概念单频调制时：调频和调相信号的时域表示宽带调频信号的带宽抗噪性能,引言,一、调制定义：按照基带信号（调制信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。,二、调制分类：,第3章,第5章,三、模拟调制,2、载波信号：连续正弦波,3、频带信号：,1、基带信号：模拟信号,4、分类：,幅度调制（线性调制）：已调信号频谱是基带信号频谱的平移及线性变换；,角度调制（非线性调制）：已调信号不再保持基带频谱的结构，其频谱会产生无限的频谱分量。,幅度调制称为线性调制，是因为这种频谱搬移是线性的。但应该注意的是，这种“线性”并不是指已调信号与调制信号之间是线性关系，事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。,四、调制的作用,3.1幅度调制的原理,一、AM调制(AM，AmplitudeModulation),问题：为什么要限定m(t)的大小？,通过包络直接反映消息信号的变化规律是AM的核心。,称为标准调幅，或者常规调幅。,时域图和频谱图,在波形上，频带信号的幅度随基带信号变化而变化，所以解调既可以采用相干解调，也可以采用包络解调；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。（属于线性调制）,调制指数（调幅指数）,AM信号的带宽,AM信号的功率,调制效率,(2)基带信号为随机信号时已调信号的频谱特性（了解）在一般情况下，基带信号是随机信号，如语音信号。此时，已调信号的频谱特性用功率谱密度来表示。AM已调信号是一个循环平稳随机过程，其功率谱密度为其自相关函数时间平均值的傅里叶变换。分析可知，在调制信号为确知信号和随机信号两种情况下，分别求出的已调信号功率表达式是相似的。,例题,AM信号的解调,总结,1、时域表达式2、带宽3、平均功率4、调制效率5、调幅系数6、解调方式,二、双边带（DSB，DoubleSideband）幅度调制信号,AM信号：,含载频分量和边带分量。,调制信号的信息包含在AM信号的包络中。,DSB信号：,没有载频分量，只有边带分量。,调制信号的信息包含在DSB信号的包络和相位中。,DSB信号的时域波形：已调信号的包络随|m(t)|而变化。,DSB信号的波形和频谱图,时域表达式、频域表示式？,是否可以采用包络解调？,载波提取电路：1）加导频2）锁相环技术,结论,三、单边带（SSB，SingleSideband）幅度调制信号,DSB信号：包含两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含相同的信息，从传输的角度来看，传输一个边带即可。SSB信号：只产生一个边带（上边带或下边带）。,1）滤波法：对DSB信号通过合适的带通滤波器来得到上边带(USB)或下边带(LSB)信号。,1、SSB信号的产生,问题：功率为多少？,2）用相移法形成SSB信号,说明：,多级调制、多级滤波生成SSB信号,2、SSB信号的带宽、功率和调制效率,四、残留边带（VSB，VestigialSideband）幅度调制信号,从“接收端恢复调制信号”入手，来确定残留边带滤波器的传输特性?,接收端LPF输出端：,接收端LPF输入端：,残留边带滤波器输出端：,总结：,解调方式,调幅信号,AM,DSB,SSB,功率,VSB,频谱图,时域波形,其它,1+m(t),相干解调、非相干解调,相干解调,相干解调,相干解调,调制效率,1,1,1,1,3.2幅度调制系统的抗噪声性能,1、相干解调：已调信号与本地载波相乘，并通过LPF提取出基带信号分量。要求本地载波与发送载波必须同步或相干（同频同相）。,一、解调两种方式：相干解调和包络解调,相干解调适用于所有线性调制系统，而包络解调一般只适合于AM信号。,暂时不考虑噪声输入信号与输出信号,输入信号功率与输出信号功率,2、包络解调（非相干解调）,包络解调器的输出与输入信号的包络呈线性关系。,非相干解调不需要本地载波，它是利用已调信号中的包络信息来恢复基带信号。,暂时不考虑噪声,AM信号：几乎所有的AM接收机都采用包络解调。,1）分析模型,二、幅度调制的抗噪声性能,BPF,BPF的中心频率和带宽分别与已调信号的中心频率和带宽相同。,噪声,噪声功率：,抗噪性能的评估指标,2）相干解调器（同步检测）的抗噪性能分析,信号功率,噪声功率,相干解调时的抗噪性能分析,解调器的输入信噪比,解调器的输出信噪比,调制制度增益（信噪比增益）,讨论：,1）DSB的解调增益为2。这就是说，DSB信号的解调器使得信噪比改善了1倍，这是因为采用同步解调，使输入噪声中的一个正交分量被消除的缘故。,2）SSB的解调增益为1。这是因为信号和噪声具有相似的表达形式（包含同相分量和正交分量），所以采用同步解调，信号和噪声的正交分量都被抑制。,3）如果接收信号功率相同，噪声功率谱密度也相同，则双边带和单边带在解调器输出端的信噪比相同。这就是说，从抗噪声的观点看，DSB和SSB是相同的。,例题：,设信道的双边噪声功率谱密度在信道中传输抑制载波的双边带信号，设调制信号的频带限制在5kHz，而载波频率是100kHz，发送端的已调信号的功率为20kW，信道衰减为30分贝。若接收机的输入信号在加至解调器之前，先经过一个理想的BPF，试问：（1）理想BPF的传输特性？（2）解调器输入端的信噪比？（3）解调器输出端的信噪比？,解：,讨论：如果把题目已知条件从“DSB”改为“SSB”，其他条件不变，容易得到输出信噪比相同的结论。,例题,3）包络解调器的抗噪性能分析,所以，对于AM信号系统，大信噪比时，采用包络检波和相干解调的性能几乎一样。,分析包络解调器的输出,(2)小信噪比情形,有用信号被包络检波器扰成噪声，这种现象称为“门限效应”。所谓“门限效应”就是当包络检波器的输入信噪比降到一个特定的数值时，检波器的输出信噪比急剧恶化的一种现象。该特定的输入信噪比称为“门限”。这种门限效应是由包络检波器的非线性解调所引起的。,1、在大信噪比时，对于AM信号系统，采用包络检波和同步解调的性能几乎一样。但是随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定的输入信噪比上出现门限效应，一旦出现，解调器的输出信噪比将急剧变坏。,讨论：,2、同步检测的方法解调各种线性调制信号时，由于解调过程可视为信号与噪声分别的解调，故解调器的输出端总是单独存在有用信号，因而，同步解调不存在门限效应。它的调制制度增益不受信号和噪声相对幅度条件的影响。,例题：,设信道的双边噪声功率谱密度在该信号中传输AM信号，并设调制信号的频带限制在5kHz，而载波频率是100kHz，已调信号的边带功率为10W，载波功率为40W。若接收机的输入信号，先经过一个理想的BPF，再加至包络解调器。试问：（1）理想BPF的传输特性？（2）调制制度增益？（3）解调器输入端的信噪比？（4）解调器输出端的信噪比？,基带传输系统,系统增益,为了衡量各种频带传输系统的总体性能，将“虚拟基带系统”作为参照系统的比较基础。,3.3角度调制的原理,角度调制：正弦载波的振幅保持不变，而瞬时频率偏移或瞬时相位偏移随着基带信号呈线性变化。,其中，,1、相位调制（PM）,2、频率调制（FM）,2、调制指数,例题：（单音调制）,解：,问题：最大相移和最大频移分别为多少？,解：,调相指数:,调频指数:,上面的结论只适用于单音调制时。,单频调制时的调制指数,3、FM与PM的关系,1）对于正弦波角度调制，无法从已调波形来区分它是FM还是PM。只有与调制信号比较才能区分。,2）如果将调制信号先积分，再使它对载波进行PM，即得FM。,如果将调制信号先微分，再使它对载波进行FM，即得PM。,例题,4、单音角度调制信号的频率特性,信号的平均功率,单音调制调制信号的频谱,单音角度调制信号的带宽,单音调制时的带宽,一般的角度调制信号的带宽,FM的功率分配,5、窄带角度调制,6、FM调制器,VCO的输出频率正比于输入电压。,间接调频（了解）,鉴频器：输出与输入信号的瞬时频率偏移成正比。,无噪分析：,鉴频器输出：,鉴频器可由“微分器”和“包络检波器”构成。,7、FM的解调器,3.4角度调制的抗噪性能分析,分析模型（以FM为例）,1）带通滤波器：,2）鉴频器：FM的解调器。输出与输入信号的瞬时频率偏移成正比。,3）低通滤波器:带宽与基带信号相同。,2、抗噪声性能分析,计算信噪比时，由于非相干解调不是线性叠加的处理过程，因而不能分别计算其信号与噪声功率。,调频信号的抗噪声性能分析结果,FM的系统增益为多少？,分析：如何得到FM解调器输出端的信号和噪声？,1）输入端的“信号+噪声”,思路：分析“信号+噪声”的合成相位，计算瞬时频率偏移。,所以，,信号,噪声,思路：先讨论yn(t)；然后讨论通过微分器后的功率谱密度；再讨论通过LPF后的功率谱密度；最后求出噪声功率,例题,FM的门限效应（低信噪比时）,采用预加重/去加重改善输出信噪比,措施：,预加重：人为加重输入信号的高频分量,去加重：,3.5各种模拟调制系统的比较,假设所有系统的接收机输入端具有相等的信号功率，且加性噪声都是具有均值为零、双边带功率谱密度为,的高斯白噪声，基带信号,为正弦信号，在所有系统中满足,同时，所有的调制与解调系统都是具有理想的特性。显然，在上述的比较条件下，表征系统性能分别如下：,传输带宽和抗噪声性能,3.6频分复用（FDM）,了解,为了提高通信系统信道的利用率，几个用户使用同一个信道和其它用户通信。引入多路复用的概念。多路复用：在同一个信道上同时传输多路信号而互不干扰的一种技术。最常用的多路复用方式是频分复用（FDM）、时分复用（TDM）和码分复用（CDM）。按频段区分信号的方法叫频分复用；按时隙区分信号的方法叫时分复用；按相互正交的码字区分信号的方法叫码分复用。传统的模拟通信中都采用频分复用；随着数字通信的发展，时分复用和码分复用通信系统的应用越来越广泛。,一、FDM基本概念,一般的通信系统的信道所能提供的带宽往往要比传送一路信号所需的带宽宽得多。因此，如果一条信道只传输一路信号是非常浪费的。为了充分利用信道的带宽，提出了信道的频分复用。,频分复用：在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段，以实现多路复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠，合并在一起通过一条信道传输，到达接收端后可以通过中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来。,二、频分复用,假设复用的n路信号均为话音信号（3003400Hz），采用单边带调制。,为了各路信号频谱不重叠，要求载频间隔满足,三、n路频分复用信号的带宽,SSB调制：,为了各路信号频谱不重叠，要求载频间隔,频分复用信号原则上可以直接在信道中传输，但在某些应用中，还需要对合并后的复用信号再进行一次调制。第一次对多路信号调制所用的载波称为副载波，第二次调制所用的载波称为主载波。原则上，两次调制可以是任意方式的调制方式。如果第一次调制采用单边带调制，第二次调制采用调频方式，一般记为SSB/FM。,例题,FDM的特点,频分复用系统的主要优点是信道复用路数多、分路方便。因此它曾经在多路模拟电话通信系统中获得广泛应用，国际电信联盟（ITU）对此制定了一系列建议。频分复用主要缺点是设备庞大复杂，成本较高，还会因为滤波器件特性不够理