现代通信原理技术与仿真信道与线性调制PPT学习教案

1、会计学14.14.1信道信道.1信道的基本概念信道的基本概念信道信道(Channel)：传送信息的：传送信息的线路线路(或通路或通路)。信道可分为有线。信道可分为有线第1页/共225页带宽带宽(Bandwidth)：信号或：信号或信道占据的频率范围。信道占据的频率范围。信道容量信道容量(Channel Capacity)：第2页/共225页第3页/共225页图图4.1中，编码器用于将数据中，编码器用于将数据变换成适合传输的信号变换成适合传输的信号(便于识便于识别、纠错别、纠错)；调制器用于将信号；调制器用于将信号变换成适合传输的波形变换成适合传输的波形(频频率、幅度、相位率、幅

2、度、相位)；解码器用于；解码器用于将传输信号再变换成原始数据；将传输信号再变换成原始数据；息。息。第4页/共225页数字信道和模拟信数字信道和模拟信道：数字信道是以数字道：数字信道是以数字脉冲形式脉冲形式(离散信号离散信号)传传制成模拟信号后再传送，制成模拟信号后再传送，接收方需要解调，如通接收方需要解调，如通过电话模拟信道传输。过电话模拟信道传输。第5页/共225页广义信道：按照其功能可以广义信道：按照其功能可以划分为调制信道和编码信道。所划分为调制信道和编码信道。所谓调制信道，是指从调制器输出谓调制信道，是指从调制器输出端到解调器输入端的部分。从调端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度

3、来看，调制器输制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输入端的所有变换出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调制信号进行何，只不过是对已调制信号进行序列进行变换的方框图来概括。序列进行变换的方框图来概括。图图4.2为调制信道与编码信道的示为调制信道与编码信道的示意图。意图。第6页/共225页第7页/共225页.2信道容量信道容量信道容量是指信道在单位时信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量。信间内所能传送的最大信息量。信道容量的单位是比特道容量的单位是比特/秒秒(b/s或或第8页/共225页Nyquist公

4、式说明数据传输公式说明数据传输率率C随信号编码级数增加而增加随信号编码级数增加而增加, 为估算已知带宽信道的最高速率为估算已知带宽信道的最高速率lb(1)SCBN第9页/共225页式中：式中：C为传输率，单位为为传输率，单位为b/s; B为带宽，单位为为带宽，单位为Hz；信噪比信噪比 (单位为单位为dB)的定义为的定义为SNdB10lgSSNN1010dBS NSN第10页/共225页Shannon公式适用于高斯噪公式适用于高斯噪声干扰信道。声干扰信道。Shannon公式说明公式说明无论采样频率多高，信号编码分无论采样频率多高，信号编码分多少级，信道能达到的最高传输多少级，信道能达到的最高传输

5、速率，原因在于噪声的存在将使速率，原因在于噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。编码级数不可能无限增加。模拟信道的信道容量可以根模拟信道的信道容量可以根据式据式(4.2)的香农的香农(Shannon)公式计公式计图中，图中，Pe表示错误传输的概率，表示错误传输的概率，即误码率；即误码率；Q表示正确传输的概表示正确传输的概率。率。第11页/共225页第12页/共225页【例例4.14.1】若信道带宽为若信道带宽为3000 Hz，信道中只存在加性白，信道中只存在加性白噪声，信号噪声功率比为噪声，信号噪声功率比为20 dB，2010101010100dBS NSNlb(1)3000 lb(1 100

6、) 19 975b/s20kb/sSCBN第13页/共225页【例例4.24.2】设数字信道的设数字信道的带宽为带宽为3000 Hz，采用四进制传，采用四进制传第14页/共225页.3信道特性信道特性1. 1. 明线及其特性明线及其特性明线导线通常采用明线导线通常采用信道容量较小，不能传信道容量较小，不能传输视频信号输视频信号和高速数字信号。和高速数字信号。第15页/共225页2. 2. 电缆及其特性电缆及其特性电缆主要有对称电缆、同轴电缆主要有对称电缆、同轴电缆和双绞线等。电缆和双绞线等。对称电缆芯线大都为软铜线，对称电缆芯线大都为软铜线，第16页/共225页同轴电缆根据尺寸

7、不同分为同轴电缆根据尺寸不同分为中同轴中同轴(2.69.5 mm)、小同轴、小同轴(1.22.4 mm)及微同轴及微同轴(0.72.9 mm)；按照阻抗分为；按照阻抗分为50 同轴电同轴电缆缆(或基带同轴电缆或基带同轴电缆)和和75 同轴同轴第17页/共225页根据性能不同，非根据性能不同，非UTP可以可以分为分为3类、类、4类、类、5类、超类、超5类、类、6第18页/共225页第19页/共225页双绞线成本低，密度高，节双绞线成本低，密度高，节省空间，安装容易省空间，安装容易(综合布线系综合布线系统统)，平衡传输，平衡传输(高速率高速率)，抗干扰，抗干扰性一般，连接距离较短，主要应性一般，连

8、接距离较短，主要应用于计算机网络，是计算机网络用于计算机网络，是计算机网络布线中的主要连接介质，几乎所布线中的主要连接介质，几乎所有的计算机网络中都在使用双绞有的计算机网络中都在使用双绞图。图图。图4.5是一根常用双绞线的实是一根常用双绞线的实物组成图。物组成图。第20页/共225页第21页/共225页第22页/共225页3. 3. 光缆及其特性光缆及其特性光缆信道由光纤组成。当纤光缆信道由光纤组成。当纤芯直径小于芯直径小于5 m时，光在光波导时，光在光波导中只有一种传输模式，这样的光中只有一种传输模式，这样的光第23页/共225页第24页/共225页在实际应用中多使用光缆，在实际应用中多使用

9、光缆，而不是光纤，因为光纤只能单向而不是光纤，因为光纤只能单向传输信号，所以在通信网络中连传输信号，所以在通信网络中连第25页/共225页第26页/共225页4. 4. 微波信道及其特性微波信道及其特性微波中继通信是利用电磁波微波中继通信是利用电磁波在对流层的视距范围内传输的一在对流层的视距范围内传输的一种通信方式，其频率范围为种通信方式，其频率范围为320 第27页/共225页第28页/共225页5. 5. 卫星通信及其特性卫星通信及其特性卫星通信实际上也是微波通卫星通信实际上也是微波通信的一种方式，只不过它是依靠信的一种方式，只不过它是依靠卫星来转发信号的。目前用得较卫星来转发信号的。目前

10、用得较多的是多的是C波段和波段和KU波段；波段；C波段用波段用4/6 GHz频段，上行频段，上行5.9256.425 GHz，下行，下行3.74.2 GHz；KU波段用波段用12/14 GHz近，其信道质量是一样的。卫星近，其信道质量是一样的。卫星通信原理如图通信原理如图4.9所示。所示。第29页/共225页第30页/共225页卫星通信适用于远卫星通信适用于远距离通信，尤其当通信距离通信，尤其当通信同步卫星就可以覆盖全同步卫星就可以覆盖全球，如图球，如图4.10所示。所示。第31页/共225页第32页/共225页第33页/共225页第34页/共225页第35页/共225页.4编

11、码与调制编码与调制不同类型信号在不同类型信不同类型信号在不同类型信第36页/共225页第37页/共225页由图由图4.12可见，模拟数据或可见，模拟数据或数字数据要在模拟信道上传输必数字数据要在模拟信道上传输必须经过调制，模拟数据或数字数须经过调制，模拟数据或数字数据要在数字信道上传输必须经过据要在数字信道上传输必须经过编码。这样模拟数据和数字数据编码。这样模拟数据和数字数据在两种信道上的数字传输和模拟在两种信道上的数字传输和模拟传输的信号变换就有四种组合，传输的信号变换就有四种组合，如图如图4.13所示。一般无线广播通所示。一般无线广播通、FSK、PSK、QAM等等)。本章主要。本章主要讲述

12、模拟调制中的线性调制。讲述模拟调制中的线性调制。第38页/共225页第39页/共225页第40页/共225页第41页/共225页4.24.2线线 性性 调调 制制.1标准振幅调制标准振幅调制第42页/共225页1 1 AMAM信号的时域及频域表信号的时域及频域表示示设设f(t)为一无直流分量的基带为一无直流分量的基带信号，其频谱为信号，其频谱为F()。 高频正弦载波信号为高频正弦载波信号为FourierFourier000 ( )( )cos ()()f tFt 第43页/共225页则标准振幅调制信号的时间则标准振幅调制信号的时间波形可表示为波形可表示为 AM00( )cosS

13、tAf tt第44页/共225页定义定义(0m1)为调幅指数。当出现过为调幅指数。当出现过调制时，调制时，m值大于值大于1，这种情况，这种情况是不允许出现的，否则无法正确是不允许出现的，否则无法正确max0( )f tmA第45页/共225页第46页/共225页第47页/共225页由傅立叶变换的性质可以得由傅立叶变换的性质可以得到，式到，式(4.5)中中sAM(t)信号的频谱信号的频谱SAM()为为所示。所示。 AM1( )*2SFC0000012AFF 第48页/共225页第49页/共225页由图由图4.17(b)可看出，标准振可看出，标准振幅调制信号的频谱幅调制信号的频谱SAM()是调制是

14、调制信号频谱信号频谱F()的线性搬移，在这的线性搬移，在这里调制的作用是将基带信号频谱里调制的作用是将基带信号频谱F()搬移到载波频率搬移到载波频率0(和和0)第50页/共225页另外，由图另外，由图4.17(b)还可看出，还可看出，若调制信号的频谱若调制信号的频谱F()的最高角的最高角频率为频率为m，则已调信号的频谱，则已调信号的频谱SAM()的带宽扩展为了的带宽扩展为了2m，因，因第51页/共225页2. AM2. AM信号的解调信号的解调AM信号的解调可采用同步信号的解调可采用同步解调和包络解调两种方式。解调和包络解调两种方式。同步解调也称为相干解调。同步解调也称为相干解调。同步解调器由

15、乘法器和低通滤波同步解调器由乘法器和低通滤波。第52页/共225页第53页/共225页图图4.18中，中， cos0t为接收端为接收端 AM020000cos ( ) cos1 ( ) (1cos2)2pStSttAf ttAf tt第54页/共225页分析上式可知，该信号由两分析上式可知，该信号由两部分组成：部分组成：和。其中，和。其中，第一部分为基带信号，能顺利通第一部分为基带信号，能顺利通过低通滤波器，去除其中的直流过低通滤波器，去除其中的直流所示。所示。01( )2Af t001( ) cos22Af tt第55页/共225页第56页/共225页其中，图其中，图(a)为为AM信号的频信

16、号的频谱；图谱；图(b)为为cos0t的频谱；的频谱；图图(c)为图为图(a)与图与图(b)卷积的结果，卷积的结果，2121第57页/共225页AM信号的解调还可以采用信号的解调还可以采用非相干解调方法，即包络解调。非相干解调方法，即包络解调。包络解调可由包络检波器来完成，包络解调可由包络检波器来完成，其电路结构及其输入、输出波形其电路结构及其输入、输出波形如图如图4.20所示。由图所示。由图4.20可见，包可见，包络检波器是利用电容的充、放电络检波器是利用电容的充、放电原理来实现解调过程的，因此包原理来实现解调过程的，因此包络检波器的输出会出现频率为络检波器的输出会出现频率为0和相干解调法相

17、近的抗噪性能和相干解调法相近的抗噪性能)，这点将在这点将在4.5节中证明。节中证明。第58页/共225页第59页/共225页3. AM3. AM信号的功率分布和调信号的功率分布和调制效率制效率在上述讨论中，假设调制信在上述讨论中，假设调制信号号f(t)是一确定信号，但在实际通是一确定信号，但在实际通信系统中，调制信号信系统中，调制信号f(t)通常是随通常是随机信号机信号(如话音信号如话音信号)，因而已调，因而已调信号也是随机的。这时讨论信号也是随机的。这时讨论AM信号的功率及调制效率就必须应信号的功率及调制效率就必须应因此，可以首先求出已调信号的因此，可以首先求出已调信号的自相关函数，然后得到

18、其功率谱自相关函数，然后得到其功率谱密度函数。密度函数。第60页/共225页假设假设f(t)是一均值为零且满足是一均值为零且满足各态历经性的平稳随机过程的一各态历经性的平稳随机过程的一个样本函数，用它作为调制信号个样本函数，用它作为调制信号得到得到AM信号，则信号，则AM信号的自相信号的自相关函数关函数BAM()为为(4.9) AMAMAMAMAMBE St StSt StAM0000( )( )cos ()cos()BAf tt Af tt200000( )()( ) ()coscos()AA f tA f tf t f ttt第61页/共225页利用三角函数关系式利用三角函数关系式:考虑到

19、及考虑到及可得可得:0000011coscos()coscos(2)22ttt 00cos 20t 0f t 20001( )coscos22AMfABB ( )( ) ()fBf t f t第62页/共225页AM信号的功率谱密度函数信号的功率谱密度函数为为由式由式(4.10)及傅立叶变换的性及傅立叶变换的性信号信号f(t)的功率谱密度函数。的功率谱密度函数。 AMAMAM( )( )edjPBB 20AM0000( )21 4ffAPPP ffPB 第63页/共225页式式(4.11)中的第一项是由载波中的第一项是由载波产生的，该项不含有信息；第二产生的，该项不含有信息；第二项是由调制信号

20、项是由调制信号f(t)的功率谱决定的功率谱决定的，该项包含有信息。的，该项包含有信息。2AMAMAM1( )( )d2PStP第64页/共225页将式将式(4.11)代入式代入式(4.12)得得:20AM0011d224ffAPPP0fBPP2002AP 0011 d24fBffPPP第65页/共225页由于调制信号由于调制信号f(t)的平均功率的平均功率Pf为为(4.15) 21( )d2ffPftP0011 d24fBffPPP20111111dd( )222222fffPPPft第66页/共225页为了表征为了表征AM信号的功率利信号的功率利用程度，将用程度，将AM信号的边带功率信号的边

21、带功率PfB与平均功率与平均功率PAM之比定义为之比定义为2AM22AM00( )( )fBfBfBPPftPPPAft第67页/共225页可见，由于可见，由于A0的存在，的存在，AM信号的调制效率是不高的。为了信号的调制效率是不高的。为了保证不产生过调制现象，保证不产生过调制现象， |f(t)|的最大值不能超过的最大值不能超过A0的值，因此的值，因此AM信号的调制效率最高为信号的调制效率最高为50%，222( )cos()2mmmmAftAt第68页/共225页将式将式(4.18)代入式代入式(4.17)后得：后得：(4.19)22AMAM2220AM22mmAAAAM0mAAAM133%3

22、第69页/共225页可见，可见，AM信号的调制效率信号的调制效率是非常低的，大部分发射功率消是非常低的，大部分发射功率消耗在不携带信息的载波上了。但耗在不携带信息的载波上了。但由于载波的存在，使得由于载波的存在，使得AM信号信号第70页/共225页归纳以上对归纳以上对AM信号的讨论，信号的讨论，可以得出以下结论：可以得出以下结论： (1) AM信号的包络与调制信信号的包络与调制信号号f(t)成正比，因而应用包络检波成正比，因而应用包络检波器就可以解调器就可以解调f(t)信号，这样解调信号，这样解调器结构简单，实现容易，适用于器结构简单，实现容易，适用于广播通信。广播通信。抑制抑制AM信号中的载

23、波信号；二信号中的载波信号；二是减小频带，从而提高调制效率。是减小频带，从而提高调制效率。第71页/共225页.2抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制1. DSB1. DSB信号的时域表示信号的时域表示在标准振幅调制信号式在标准振幅调制信号式(4.5)中，如果使中，如果使A0=0，则可以得到抑，则可以得到抑制载波双边带调制制载波双边带调制(DSB-SC，Double SideBand Suppressed tcos0t的结果。的结果。第72页/共225页第73页/共225页当当f(t)为正时，为正时，sDSB(t)=f(t)cos0t，f(t)为负时，为负时，sDSB(t)=f

24、(t)cos0t=f(t)cos(0t), 因因第74页/共225页第75页/共225页2. DSB2. DSB信号的频域信号的频域表示表示由式由式(4.20)，利用傅，利用傅立叶变换的频移定理，立叶变换的频移定理，可以求出可以求出DSB信号的频信号的频谱密度函数谱密度函数SDSB()为为f(t)F()的最高角频率为的最高角频率为m，则则DSB信号的带宽为信号的带宽为B=2fm(4.22)式中，式中，fm=m/2是是F()的最高频率。的最高频率。DSB001( )2SFF第76页/共225页第77页/共225页3. DSB3. DSB信号的解调信号的解调利用同步解调方法可以完成利用同步解调方法

25、可以完成对对DSB信号的解调，如图信号的解调，如图4.24所示。图中设乘法器的输出所示。图中设乘法器的输出信号为信号为sP(t)，对应的频谱为，对应的频谱为SP()，t。2P001( )( )cos( )1cos22Stf ttf tt21第78页/共225页第79页/共225页相应的频域表达式为相应的频域表达式为 P0011( ) (2)(2)24SFFF21第80页/共225页归纳以上对归纳以上对DSB信号的分析，信号的分析，DSB具有如下特点：具有如下特点： (1) DSB信号的包络与调制信信号的包络与调制信号号f(t)波形不完全呈线性关系。当波形不完全呈线性关系。当f(t)为正极性时，

26、为正极性时，sDSB(t)的包络与的包络与f(t)成正比成正比; 当当f(t)为负极性时，为负极性时，sDSB(t)的包络与的包络与f(t)沿时间轴翻转沿时间轴翻转180后的波形成正比；当后的波形成正比；当f(t)过过波器进行解调。与波器进行解调。与AM信号相比，信号相比，这增加了解调的复杂性。这增加了解调的复杂性。第81页/共225页(2) DSB信号的带宽与信号的带宽与AM信信号的带宽相同，为调制信号最高号的带宽相同，为调制信号最高第82页/共225页.3单边带调制单边带调制1 1 SSBSSB调制模型及已调信调制模型及已调信第83页/共225页第84页/共225页边带滤波

27、器的作用是让有用边带滤波器的作用是让有用边带通过，而抑制无用边带。选边带通过，而抑制无用边带。选择不同传输特性的边带滤波器就择不同传输特性的边带滤波器就可以得到不同类型的单边带信号。可以得到不同类型的单边带信号。当滤波器具有理想带通当滤波器具有理想带通(或高通或高通)第85页/共225页第86页/共225页SSB信号的频域表达式为信号的频域表达式为(4.25)SSBDSBSSB( )( )( )SSH0USB0SSB0LSB01 |( )0|( )0|( )1 |HHH上边带下边带第87页/共225页2 2 SSBSSB信号的解调信号的解调和双边带信号的解调一样，和双边带信号的解调一样，单边带

28、信号的解调要采用同步解单边带信号的解调要采用同步解调方式实现，解调模型如图调方式实现，解调模型如图4.27所示。利用卷积图解法可以直观所示。利用卷积图解法可以直观地看出地看出SSB信号的同步解调过程，信号的同步解调过程，如图如图4.28所示。图中，所示。图中，sSSB(t)为下为下器滤除其他高频分量后，就能在器滤除其他高频分量后，就能在时域内复现基带信号时域内复现基带信号f(t)。第88页/共225页第89页/共225页第90页/共225页3 3 SSBSSB信号的时域波形信号的时域波形对于确定的任意基带信号对于确定的任意基带信号f(t)来说，要画出其对应的单边带信来说，要画出其对应的单边带信

29、DSB000( )coscos cos()cos()22mmmmmmStAttAAtt第91页/共225页将上式通过具有理想带通将上式通过具有理想带通(或高通或高通)特性的滤波器，滤除下特性的滤波器，滤除下边带信号，得到上边带边带信号，得到上边带SSB信号信号为为SSB0( )cos()2mmAStt第92页/共225页第93页/共225页由图由图4.29可见，单频余弦信可见，单频余弦信号调制时的单边带信号号调制时的单边带信号sSSB(t)是是一个等幅的余弦波形，其包络与一个等幅的余弦波形，其包络与第94页/共225页对式对式(4.27)作傅立叶变换，作傅立叶变换，得到对应的频谱得到对应的频谱

30、SSSB()为为SSB00( )2mmmAS 第95页/共225页第96页/共225页归纳以上分析可得，归纳以上分析可得，SSB调调制方式的主要特点如下：制方式的主要特点如下： (1) 由由SSB信号的频谱图信号的频谱图(见图见图4.25)可见，可见，SSB信号的带宽为信号的带宽为B=fm中获得了广泛的应用。中获得了广泛的应用。2mmf第97页/共225页(2) 从单频余弦调制信号产从单频余弦调制信号产生的单边带信号的波形中可以看生的单边带信号的波形中可以看出，出，SSB信号的包络与基带信号信号的包络与基带信号f(t)不成线性关系，因此单边带信不成线性关系，因此单边带信号必须用同步方式才能解调

31、。号必须用同步方式才能解调。(3) 用滤波法产生单边带信用滤波法产生单边带信号直观、简单，但是这种方法对号直观、简单，但是这种方法对边带滤波器的性能要求很高，有边带滤波器的性能要求很高，有时甚至难以实现。以话音信号为时甚至难以实现。以话音信号为(或多级调制或多级调制)及多级滤波的方法及多级滤波的方法来产生单边带信号。来产生单边带信号。第98页/共225页多级调制法是先在较低载频多级调制法是先在较低载频处产生单边带信号，然后通过变处产生单边带信号，然后通过变第99页/共225页第100页/共225页图图4.32所示是一个二级变频所示是一个二级变频产生单边带信号的例子。这里假产生单边带信号的例子。

32、这里假设第一载频设第一载频fc1为为100 kHz，第二载，第二载频频fc2为为10 MHz，经过第一次单边，经过第一次单边带调制后的上边带频谱为带调制后的上边带频谱为100.3103 kHz(设话音信号的频设话音信号的频下两个边带分开就不困难了。下两个边带分开就不困难了。第101页/共225页第102页/共225页.4残留边带调制残留边带调制1 1 VSBVSB调制模型调制模型VSB信号的产生模信号的产生模型与型与SSB信号的产生模信号的产生模型类似，只是将型类似，只是将SSB中中的边带滤波器改为了残的边带滤波器改为了残同，同，HVSB()在载频在载频0两两侧有一定宽度的过渡

33、带，侧有一定宽度的过渡带，只要过渡特性在只要过渡特性在|=0处具有任意奇对称特性，处具有任意奇对称特性，就可保证接收端在采用就可保证接收端在采用同步解调时无失真地恢同步解调时无失真地恢复出调制信号。复出调制信号。第103页/共225页第104页/共225页如果双边带信号通过残留边如果双边带信号通过残留边带滤波器后，输出信号中保留上带滤波器后，输出信号中保留上第105页/共225页第106页/共225页图图4.35示出了产生下边带残示出了产生下边带残留边带信号的过程与留边带信号的过程与HVSB()特特第107页/共225页第108页/共225页HVSB()的特性为的特性为l00VSB00r00(

34、 ),( )( ),aaaaaaHHH 1， 第109页/共225页2. VSB2. VSB信号的解调信号的解调VSB信号的解调也不能简单信号的解调也不能简单地采用包络检波方式，而必须采地采用包络检波方式，而必须采用同步解调，如图用同步解调，如图4.36所示。由所示。由于于HVSB()具有在具有在|=0处的互处的互补滚降特性，因而在下边带残留补滚降特性，因而在下边带残留信号的同步解调过程。信号的同步解调过程。第110页/共225页第111页/共225页第112页/共225页归纳上述分析可得，归纳上述分析可得，VSB调调制方式的特点如下：制方式的特点如下：(1) VSB调制是对于具有丰富调制是对

35、于具有丰富低频分量及直流分量的基带信号低频分量及直流分量的基带信号的特殊单边带的一种调制方式。的特殊单边带的一种调制方式。VSB信号的带宽为信号的带宽为第113页/共225页(2) VSB信号的解调原则上要信号的解调原则上要采用同步解调。采用同步解调。(3) VSB调制目前广泛应用于调制目前广泛应用于电视系统的图像传输过程。但如电视系统的图像传输过程。但如果要求电视接收机采用同步解调果要求电视接收机采用同步解调方式，则势必造成电视机价格的方式，则势必造成电视机价格的上涨。因此在实际的电视传输系上涨。因此在实际的电视传输系由双边带调制时的由双边带调制时的12 MHz减小减小为为VSB调制时的调制

36、时的8 MHz。第114页/共225页4.34.3幅度调制系统的一般模型幅度调制系统的一般模型为了加深对幅度调制系统的为了加深对幅度调制系统的理解，可以研究幅度调制系统的理解，可以研究幅度调制系统的一般模型，由此还将引出产生一般模型，由此还将引出产生第115页/共225页第116页/共225页由图由图4.38可得：可得：式中，式中，h(t)为滤波器的冲激响应，为滤波器的冲激响应，由上式得由上式得:DSB0( )( )( )( )cos( )S tSth tf tth t0( )()cos() ( )dS tf tth0000() ( )coscosd() ( )sinsindf thtf th

37、t 0000 ( )( )coscos ( )( )sinsinf th tttf th ttt第117页/共225页令令(4.33)(4.35)0( )( )cosIh th tt0( )( )sinQhth tt00( ) ( )( )cos ( )( )sinIQS tf th ttf thtt00( )cos( )sinIQS ttStt第118页/共225页式式(4.35)为幅度调制信号的为幅度调制信号的一般解析表达式，由其可得相移一般解析表达式，由其可得相移法产生幅度调制信号的一般模型，法产生幅度调制信号的一般模型，如图如图4.39所示。图中，所示。图中，HI()称称为同相网络的传

38、输函数，它的冲为同相网络的传输函数，它的冲激响应为激响应为hI(t)；HQ()称为正交称为正交(4.36)00001( )()()2 ()()2IIQQSSSjSS第119页/共225页第120页/共225页对对DSB及及AM信号来说，滤信号来说，滤波法及相移法并无任何区别。波法及相移法并无任何区别。对对DSB信号，有信号，有HI()=1，HQ()=0；相应地；相应地sI(t)=f(t)，sQ(t)=0, 即即已调信号的方法。已调信号的方法。DSB0( )( )( )coss tstf ttAM00( )( )( )coss tstAf tt第121页/共225页4.44.4幅度调制信号解调的

39、一般模型幅度调制信号解调的一般模型.1同步解调同步解调同步解调又称为相干解调，同步解调又称为相干解调，它的一般模型如图它的一般模型如图4.40所示。图所示。图00( )( )cos( )sinIQs ts ttstt第122页/共225页第123页/共225页s(t)与相干载波相乘后得与相干载波相乘后得0( )( )cospsts tt00111( )( )cos2( )sin2222IIQs ts ttstt1( )( )2oIs ts t第124页/共225页.2包络解调包络解调由前面的分析可知，由前面的分析可知，AM信信号的包络完全反映了基带信号号的包络完

40、全反映了基带信号f(t)的变化，因此的变化，因此AM信号可以用简信号可以用简单的包络检波法解调。这种方法单的包络检波法解调。这种方法虽然在抗噪声能力方面不如同步虽然在抗噪声能力方面不如同步如图如图4.41所示。所示。第125页/共225页第126页/共225页由图由图4.41可见，加入载波后可见，加入载波后的信号为的信号为00( )( )cospsts tAt0000( )cos( )sin( )cos( )IQAs ttsttA ttt22200( )( )2( )( )IIQA tAstA s tst第127页/共225页瞬时相位为瞬时相位为(4.41)(4.42)0( )( )arctg

41、( )QIsttAs t 12200002( )2( )1IIstA tAA s tAA第128页/共225页对式对式(4.42)，应用根式近似，应用根式近似 (x1时时)，有，有:A(t)A0+sI(t)121xx 第129页/共225页 4.5 4.5幅度调制系统的抗噪声性能幅度调制系统的抗噪声性能.1通信系统抗噪声性能的通信系统抗噪声性能的分析模型分析模型第130页/共225页分析通信系统抗噪声性能的分析通信系统抗噪声性能的模型如图模型如图4.42所示。图中，所示。图中，s(t)为为来自发射端的已调信号；来自发射端的已调信号；n(t)为为信号传输过程中叠加的高斯白噪信号传

42、输过程中叠加的高斯白噪声。带通滤波器声。带通滤波器(BPF)是实际接是实际接收系统中采用的高频放大器、混收系统中采用的高频放大器、混io，噪声为噪声为no(t)。第131页/共225页第132页/共225页由第由第3章中对窄带噪声的分章中对窄带噪声的分析可知，窄带噪声析可知，窄带噪声ni(t)可以表示可以表示为同相与正交分量或包络与相位为同相与正交分量或包络与相位的形式的形式，即，即ni(t)=nc(t)cos0tns(t)sin0t=R(t)cos0t+(t)。其中，同相分量其中，同相分量nc(t)与正交分量与正交分量222icsnnn 222iicsNntntnt第133页/共225页式中

43、，式中，Ni为窄带噪声为窄带噪声ni(t)的的功率。设高斯白噪声功率。设高斯白噪声n(t)的双边的双边功率谱密度为功率谱密度为(W/Hz)。对。对不同类型的振幅调制信号，可有不同类型的振幅调制信号，可有不同带宽的带通滤波器。图不同带宽的带通滤波器。图4.43(4.45)02n 212iiinNntPd第134页/共225页式中式中, 为窄带噪声为窄带噪声ni(t)的功率谱。的功率谱。 与带通滤波器与带通滤波器的传输函数的传输函数H()之间的关系为之间的关系为(4.46)带宽度，单位为赫兹。带宽度，单位为赫兹。 inP inP 202innPH 2001d22inNHn B第135页/共225页

44、第136页/共225页在下面的讨论中，为了比较在下面的讨论中，为了比较不同调制方式下解调器的抗噪声不同调制方式下解调器的抗噪声性能，定义模拟调制系统的性能性能，定义模拟调制系统的性能评估指标参数调制度增益评估指标参数调制度增益G为为oiSNRSNRooiiSNGSN解调器输出信噪比解调器输入信噪比第137页/共225页.2幅度调制系统同步解调幅度调制系统同步解调时的抗噪声性能时的抗噪声性能幅度调制系统同步解调模型幅度调制系统同步解调模型如图如图4.44所示。图中，同步解调所示。图中，同步解调第138页/共225页第139页/共225页1. AM1. AM系统的抗噪声性能系统的抗

45、噪声性能AM调制时，信号调制时，信号s(t)=sAM(t)=A0+f(t)cos0t，s(t)经经过带通滤波器后到达解调器输入过带通滤波器后到达解调器输入端的信号端的信号si(t)仍是仍是s(t)，即，即si(t)=A0+f(t)cos0t。这时，。这时，性的平稳随机过程，且其均值为性的平稳随机过程，且其均值为零，即。零，即。 222220001 cos2iiSStAf ttAft 0f t 第140页/共225页由式由式(4.47)可得，解调器输可得，解调器输入端的噪声入端的噪声ni(t)的平均功率为的平均功率为 2ii0AM02mNntn Bn f 220ii04mAftSNn f第141

46、页/共225页下面来分析解调器输出端的下面来分析解调器输出端的信噪比情况。由图信噪比情况。由图4.44可以看出，可以看出，信号信号si(t)与相干载波相乘后，得与相干载波相乘后，得sP(t)=si(t)cos0t=A0+f(t)cos2 t=A+f t(4.51)2121 2214oosstft第142页/共225页同样由图同样由图4.44可见，解调器可见，解调器输入端的噪声与相干载波相乘后，输入端的噪声与相干载波相乘后，得得: 0000coscossincospicsntn ttnttn ttt 2000cossincoscsnttn ttt 00111cos2sin2222ccsntntt

47、ntt第143页/共225页式式(4.52)经低通滤波器后得经低通滤波器后得到解调器的输出噪声为到解调器的输出噪声为no(t)=nc(t)，故输出噪声，故输出噪声no(t)的平的平均功率为均功率为21 2214oocNntnt 20111442oiimNntNn f第144页/共225页这样就可由式这样就可由式(4.51)及式及式(4.54)得到解调器的输出信噪比为得到解调器的输出信噪比为(4.55)(4.56) 220014122oommftftSNn fn f 2AM2202/ooiiftSNGSNAft第145页/共225页2. DSB2. DSB系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能DSB调

48、制时，信号调制时，信号s(t)=sDSB(t)=f(t)cos0t，这时解，这时解调器输入端的信号平均功率为调器输入端的信号平均功率为 22222DSB01cos2iiSststf ttft 20DSB02iimNntn Bn f第146页/共225页由由(4.57)和式和式(4.58)分析可得分析可得输入端信噪比为输入端信噪比为第147页/共225页由解调器的输入及输出信噪由解调器的输入及输出信噪比表达式可得比表达式可得DSB系统的调制制系统的调制制度增益为度增益为DSB2ooiiSNGSN第148页/共225页3. SSB3. SSB系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 SSB00cossin

49、S tStf ttf tt SSB00cossinStf ttf tt 22200cossiniiSSBSStStf ttf tt 2200002cos2cossinsinf ttf t f tttf ttft第149页/共225页解调器输入端的噪声解调器输入端的噪声ni(t)的的平均功率为平均功率为 20SSB0iimNntn Bn f第150页/共225页同理，可得解调器的输出信同理，可得解调器的输出信噪比为噪比为第151页/共225页按以上分析方法还可以对残按以上分析方法还可以对残第152页/共225页为了比较各类幅度调制系统为了比较各类幅度调制系统的抗噪声性能，可以在相同的输的抗噪声性

50、能，可以在相同的输入信号功率入信号功率Si、相同的噪声功率、相同的噪声功率谱密度谱密度n0及相同的基带信号带宽及相同的基带信号带宽fm的条件下，考察系统的输出信的条件下，考察系统的输出信噪比。为此，可将各种系统中的噪比。为此，可将各种系统中的输入信号功率输入信号功率Si代入到对应的输代入到对应的输式中，式中， 为输入的为输入的AM信号功率。信号功率。 22022000AM02immftftSSNn fn fAft 22AM012iSSAft第153页/共225页DSB、SSB(VSB)系统：系统：0DSBSSB(VSB)ooioomSSSNNn f 2DSB12iSSft 2SSB(VSB)i

51、SSft第154页/共225页由上述分析可见，由上述分析可见，DSB系统系统及及SSB系统系统(VSB系统系统)进行同步解进行同步解调时具有相同的输出信噪比，而调时具有相同的输出信噪比，而AM 系统的则要低一些。因此可系统的则要低一些。因此可以得出结论，双边带系统和单边以得出结论，双边带系统和单边带系统具有相同的抗噪声性能带系统具有相同的抗噪声性能 ，少改善少改善3 dB。 2220ftAft第155页/共225页.3幅度调制系统包络解调幅度调制系统包络解调时的抗噪声性能时的抗噪声性能由于标准振幅调制由于标准振幅调制(AM)信号信号的包络与调制信号成正比，因此的包络与调制信号成

52、正比，因此解调时可用简单的包络解调方式，解调时可用简单的包络解调方式，此时解调器为一线性包络检波器，此时解调器为一线性包络检波器，噪声。噪声。第156页/共225页第157页/共225页与同步解调时的情形一样，与同步解调时的情形一样，包络解调器输入端的信噪比为包络解调器输入端的信噪比为(4.65) 22004iimAftSNn f 0000coscossiniicsS tn tAf ttnttntt 0cosA ttt第158页/共225页式中式中: A(t)为合成信号的包络为合成信号的包络; (t)为合成信号的相位。它们的表达为合成信号的相位。它们的表达式为式为(4.67) 220csA t

53、Af tntnt 0arctanscnttAf tnt第159页/共225页1. 1. 大信噪比情况大信噪比情况在大信噪比条件下，满足在大信噪比条件下，满足: 220csAf tntnt第160页/共225页这时，式这时，式(4.67)可以简化为可以简化为 22020021ccsntntntA tAf tAf tAf t 0000211ccntAf tAf tntAf tAf t 0cAf tnt第161页/共225页由式由式(4.69)可见，包络检波可见，包络检波器输出中含有直流分量器输出中含有直流分量A0、有用、有用信号信号f(t)及噪声及噪声nc(t)。输出的有用。输出的有用信号功率为信

54、号功率为(4.73) 2oSft 2202ocimNntntn f 202oomftSNn f第162页/共225页于是由式于是由式(4.65)与式与式(4.73)得得到调制制度增益为到调制制度增益为 2AM202ooiiftSNGS NAft第163页/共225页2. 2. 小信噪比情况小信噪比情况 在小信噪比条件下，满足：在小信噪比条件下，满足： 220csAf tntnt第164页/共225页这时由式这时由式(4.67)及式及式(4.75)可可得得: 222002ccsA tAf tAf tntntnt 2202ccsAf tntntnt 2202221ccscsntntntAf tnt

55、nt 22022ccscsntntntAf tntnt第165页/共225页由式由式(4.76)可见，输出信号可见，输出信号中有用信号中有用信号f(t)与噪声无法分开，与噪声无法分开，即没有单独的有用信号项，有用即没有单独的有用信号项，有用信号信号“淹没淹没”在了噪声之中。这在了噪声之中。这时输出信噪比不是按比例随输入时输出信噪比不是按比例随输入信噪比下降，而是急剧恶化。通信噪比下降，而是急剧恶化。通常把这种由于输入信噪比下降而常把这种由于输入信噪比下降而引起输出信噪比急剧恶化的现象引起输出信噪比急剧恶化的现象称为称为“门限效应门限效应”。开始出现门。开始出现门只存在于包络检波方式中，在角只存

56、在于包络检波方式中，在角度调制信号的解调过程中也存在度调制信号的解调过程中也存在门限效应。门限效应。第166页/共225页本章仿真实验举例本章仿真实验举例1. SystemView1. SystemView仿真举例仿真举例1) AM的调制和解调模型及的调制和解调模型及仿真仿真根据本章所讲的原理，结合根据本章所讲的原理，结合SystemView中可以利用的元件能中可以利用的元件能够得出如图够得出如图4.46所示的仿真图。所示的仿真图。第167页/共225页这里的参数设置比较简单，这里的参数设置比较简单，只有带通滤波器的参数设置相对只有带通滤波器的参数设置相对复杂一些。这里的参数设为低截复杂一些。

57、这里的参数设为低截止频率止频率30 Hz，高截止频率，高截止频率150 第168页/共225页第169页/共225页可以看出，可以看出，AM已调波形很已调波形很好地反映了好地反映了AM的调制特性，在的调制特性，在频谱上更能说明频谱上更能说明AM的调制特性。的调制特性。第170页/共225页在经过解调滤波之后，这里在经过解调滤波之后，这里得到三个输出：未加噪声的和两得到三个输出：未加噪声的和两个加噪声的，如图个加噪声的，如图4.48所示。从所示。从三个输出的对比中可以看到，三三个输出的对比中可以看到，三者都有一定量的延时，而且三者者都有一定量的延时，而且三者刚开始都有一定的不稳定，也就刚开始都有

58、一定的不稳定，也就是失真，经过一段时间后都趋于是失真，经过一段时间后都趋于稳定。但是，三者之间还有不同稳定。但是，三者之间还有不同毛刺现象，否则，输出波形会显毛刺现象，否则，输出波形会显示很多毛刺，这主要是因为系统示很多毛刺，这主要是因为系统并非理想系统。并非理想系统。第171页/共225页第172页/共225页第173页/共225页2) 双边带双边带(DSB)与单边带与单边带(SSB)调制系统仿真设计调制系统仿真设计(1) 双边带双边带(DSB)调制。由调制。由DSB调制系统的分析可知，调制系统的分析可知，DSB调制信号的时间波形可表示为调制信号的时间波形可表示为图图4.49所示。所示。DS

59、B0( )( )cosStf ttDSB1( )2ccSFF第174页/共225页第175页/共225页在在SystemView中的中的仿真波形如图仿真波形如图4.50和图和图4.51所示。所示。从图从图4.50中可以看中可以看出，出，DSB已调波形很好已调波形很好地反映了地反映了DSB的调制特的调制特性，在频谱上更能说明性，在频谱上更能说明都有一定的不稳定，也都有一定的不稳定，也就是失真，但是经过一就是失真，但是经过一段时间后都趋于稳定，段时间后都趋于稳定，这是因为带通滤波器很这是因为带通滤波器很不理想。这里的参数设不理想。这里的参数设为低截止频率为低截止频率30 Hz，高，高截止频率截止频

60、率150 Hz。第176页/共225页第177页/共225页第178页/共225页由图由图4.51可以看出，解调波可以看出，解调波形除了与基波有一定的延迟以外，形除了与基波有一定的延迟以外，形状上与基波一样，这说明系统形状上与基波一样，这说明系统第179页/共225页(2) 单边带单边带(SSB)调制。调制。 在在第180页/共225页第181页/共225页第182页/共225页2. MATLAB2. MATLAB中的中的SimulinkSimulink仿仿真举例真举例第183页/共225页第184页/共225页在模型中，分别设在模型中，分别设定调制信号角频率为定调制信号角频率为2 rad/s