现代通信原理技术与仿真信道与线性调制学习教案

1、会计学1第一页，共226页。4.14.1信道信道.1第1页/共225页第二页，共226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页第三页，共226页。第3页/共225页第四页，共226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变换成适合(shh)传输的信号传输的信号(便便于识别、纠错于识别、纠错)；调制器用于将；调制器用于将信号变换成适合信号变换成适合(shh)传输的波传输的波形形(频频率、幅度、相位率、幅度、相位)；解码器用于；解码器用于

2、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页第五页，共226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，接收方需要接收方需要(xyo)解调，解调，如通过电话模拟信道传如通过电话模拟信道传输。输。第5页/共225页第六页，共226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到解调器输入(shr)端的部分。端的部

3、分。从调制和解调的角度来看，调制从调制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输入器输出端到解调器输入(shr)端端的所有变换装置及传输媒质，不的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调论其过程如何，只不过是对已调制信号进行某种变换。所谓编码制信号进行某种变换。所谓编码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页第七页，共226页。第7页/共225页第八页，共226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

4、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(b/s或或bps)bps)，即信道的最大传信速率。，即信道的最大传信速率。第8页/共225页第九页，共226页。Nyquist公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页第十页，共226页。式中：式中： C为传输率，单位为为传输率，单位为b/s; B为带宽为带宽(di kun)，单位为，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SNdB10lgSSNN1010

5、dBS NSN第10页/共225页第十一页，共226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(xn do)。Shannon公式说明无论采样频率多高，信公式说明无论采样频率多高，信号编码分多少级，信道号编码分多少级，信道(xn do)能达到的最高传输速率，原因在能达到的最高传输速率，原因在于噪声的存在将使编码级数不可于噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。能无限增加。模拟信道模拟信道(xn do)的信道的信道(xn do)容量可以根据式容量可以根据式(4.2)的的平稳、对称、无记忆的二进制信平稳、对称、无记忆的二进制信道道(xn do)的数学模型。图中，的数学模型。

6、图中，Pe表示错误传输的概率，即误码表示错误传输的概率，即误码率；率；Q表示正确传输的概率。表示正确传输的概率。第11页/共225页第十二页，共226页。第12页/共225页第十三页，共226页。【例【例4.1】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噪声(zoshng)，信号噪声，信号噪声2010101010100dBS NSNlb(1)3000 lb(1 100) 19 975b/s20kb/sSCBN第13页/共225页第十四页，共226页。【例【例4.2】设数字信道的带】设数字信道的带宽为宽为3000 Hz，采用四进制传输，采用四进制传输，计

7、算无噪声时该数字信道的通信计算无噪声时该数字信道的通信第14页/共225页第十五页，共226页。.3信道特性信道特性1. 1. 明线明线(mn xin)(mn xin)及其特性及其特性明线明线(mn xin)(mn xin)导导信质量不够稳定，而且信质量不够稳定，而且信道容量较小，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页第十六页，共226页。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，线径为线径为0.41

8、.4 mm。长途对称电。长途对称电第16页/共225页第十七页，共226页。同轴电缆根据尺寸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 同轴同轴电缆电缆(或宽带同轴电缆或宽带同轴电缆)。基带同。基带同适用于高频传输适用于高频传输(chun sh)。第17页/共225页第十八页，共226页。根据性能不同，非根据性能不同，非UTP可以可以分为分为(fn wi)3类、类、4类、类、5类、超类、超5类、类、6类和类

9、和7类六种；类六种；STP只分为只分为第18页/共225页第十九页，共226页。第19页/共225页第二十页，共226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(综合综合(zngh)布线系统布线系统)，平衡传输，平衡传输(高速率高速率)，抗干扰性一般，连接距离较短，抗干扰性一般，连接距离较短，主要应用于计算机网络，是计算主要应用于计算机网络，是计算机网络布线中的主要连接介质，机网络布线中的主要连接介质，几乎所有的计算机网络中都在使几乎所有的计算机网络中都在使图。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

10、页第二十一页，共226页。第21页/共225页第二十二页，共226页。第22页/共225页第二十三页，共226页。3. 光缆及其特性光缆及其特性(txng)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页第二十四页，共226页。第24页/共225页第二十五页，共226页。在实际应用中多使用光缆，在实际应用中多使用光缆，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接两个设备时至少需要两根光纤，接两个设

11、备时至少需要两根光纤，第25页/共225页第二十六页，共226页。第26页/共225页第二十七页，共226页。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页第二十八页，共226页。第28页/共225页第二十九页，共226页。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。目前用得较多的是

12、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距离远近，其信道质量是一样的。距离远近，其信道质量是一样的。卫星通信原理如图卫星通信原理如图4.9所示。所示。第29页/共225页第三十页，共226页。第30页/共225页第三十一页，共226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，尤其当通信覆盖全球，如图覆盖全球，如图4.10所所示。示。第31页/共225页第三十二页，共226页。第32页/共225页第三十三页，共226页。电信领域使用的信

13、道电磁波电信领域使用的信道电磁波第33页/共225页第三十四页，共226页。第34页/共225页第三十五页，共226页。第35页/共225页第三十六页，共226页。.4编码与调制编码与调制(tiozh)(tiozh)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页第三十七页，共226页。第37页/共225页第三十八页，共226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

14、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(如如ASK、FSK、PSK、QAM等等)。本章主要讲述模拟调制中的线性本章主要讲述模拟调制中的线性调制。调制。第38页/共225页第三十九页，共226页。第39页/共225页第四十页，共226页。调制与编码的广义调制与编码的广义图中，图中，P为调制参数。为调制参数。第40页/共225页第四十一页，共226页。第41页/共225页第四十二页，共226页。4.24.2线线 性性 调调 制制第

15、42页/共225页第四十三页，共226页。1 AM信号的时域及频域表信号的时域及频域表示示(biosh)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页第四十四页，共226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( )cosStAf tt第44页/共225页第四十五页，共226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

16、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页第四十六页，共226页。第46页/共225页第四十七页，共226页。第47页/共225页第四十八页，共226页。由傅立叶变换由傅立叶变换(binhun)的的性质可以得到，式性质可以得到，式(4.5)中中sAM(t)信号的频谱信号的频谱SAM()为为频谱如图频谱如图4.17所示。所示。 AM1( )*2SFC0000012AFF 第48页/共225页第四十九页，共226页。第49页/共225页第五十页，共226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

17、制信号的频谱SAM()是调是调制信号频谱制信号频谱F()的线性搬移，在的线性搬移，在这里这里(zhl)调制的作用是将基带调制的作用是将基带信号频谱信号频谱F()搬移到载波频率搬移到载波频率第50页/共225页第五十一页，共226页。另外另外(ln wi)，由图，由图4.17(b)还可看出，若调制信号的频谱还可看出，若调制信号的频谱F()的最高角频率为的最高角频率为m，则已，则已调信号的频谱调信号的频谱SAM()的带宽扩的带宽扩第51页/共225页第五十二页，共226页。2. 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

18、解调也称为相干解调。同步解调也称为相干解调。同步解调器由乘法器和低通滤波同步解调器由乘法器和低通滤波器组成，解调模型如图器组成，解调模型如图4.18所示。所示。过程见第过程见第11章内容章内容)。第52页/共225页第五十三页，共226页。第53页/共225页第五十四页，共226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页第五十五页，共226页。分析分析(fnx)上式可知，该信上式可知，该信号由两部分组成：号由两部分组成：和。其中，和。其中，第一部分为基带信号，能顺利

19、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页第五十六页，共226页。第56页/共225页第五十七页，共226页。其中，图其中，图(a)为为AM信号的频信号的频谱；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页第五十八页，共226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

20、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络检波器的输出会出现频率解调法具有和相干解调法相近的解调法具有和相干解调法相近的抗噪性能抗噪性能)，这点将在，这点将在4.5节中证节中证明。明。第58页/共225页第五十九页，共226页。第59页/共225页第六十页，共226页。3. 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

21、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页第六十一页，共226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个样本函数(hnsh)，用

22、它作为，用它作为调制信号得到调制信号得到AM信号，则信号，则AM信信号的自相关函数号的自相关函数(hnsh)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页第六十二页，共226页。利用三角函数关系式利用三角函数关系式:考虑到及考虑到及可得可得:数。数。0000011coscos()coscos(2)22ttt 00cos 20t 0f t 20001( )coscos22AMfABB ( )(

23、 ) ()fBf t f t第62页/共225页第六十三页，共226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页第六十四页，共226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，该项不含有信息产生的，该项不含有信息(xnx)；第二项是由调制信号第二项是由调制信号f(t)的功率谱的功率谱决定的，该项包含有信息决定的，该项包含有信息(xnx)。2AMAMAM

24、1( )( )d2PStP第64页/共225页第六十五页，共226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页第六十六页，共226页。由于调制信号由于调制信号(xnho)f(t)的的平均功率平均功率Pf为为(4.15) 21( )d2ffPftP0011 d24fBffPPP20111111dd( )222222fffPPPft第66页/共225页第六十七页，共226页。为了表征为了表征AM信号的功率利信号的功率利用用(lyng)程度，将程度，将AM信号的边信号的边带功率带功

25、率PfB与平均功率与平均功率PAM之比之比2AM22AM00( )( )fBfBfBPPftPPPAft第67页/共225页第六十八页，共226页。可见，由于可见，由于A0的存在，的存在，AM信号信号(xnho)的调制效率是不高的调制效率是不高的。为了保证不产生过调制现象，的。为了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，的值，因此因此AM信号信号(xnho)的调制效率的调制效率最高为最高为50%，它发生在调制信号，它发生在调制信号(4.18)222( )cos()2mmmmAftAt第68页/共225页第六十九页，共226页。将式将式(4.18)代入式代入式

26、(4.17)后得：后得：(4.19)为为0.3，此时，此时AM0.043=4.3%。22AMAM2220AM22mmAAAAM0mAAAM133%3第69页/共225页第七十页，共226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页第七十一页，共226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

27、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。中的载波信号；二是减小频带，中的载波信号；二是减小频带，从而提高从而提高(t go)调制效率。调制效率。第71页/共225页第七十二页，共226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)(4.5)中，如果使中，如果使A0=0A0=0，则可以，则可以得到抑制载波双边带调制得到抑制载波双边带调制(DSB-(DS

28、B-SCSC，Double SideBand Double SideBand Suppressed Carrier)Suppressed Carrier)信号，简信号，简(kjin)(kjin)， sDSB(t) sDSB(t)是调制信号是调制信号f(t)f(t)与载波与载波cos0tcos0t相乘的结果。相乘的结果。第72页/共225页第七十三页，共226页。第73页/共225页第七十四页，共226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(t)cos0t=f(t)cos(0t), 因因第74页/共225页第七十五页，共22

29、6页。第75页/共225页第七十六页，共226页。2. 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()为为信号信号f(t)的频谱的频谱F()的最的最高角频率为高角频率为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页第七十七页，共226页。第77页/共225页第七十八页，共226页。3. DSB信号的解调信号的解调利用同步利用同步(tngb)

30、解调方法解调方法可以完成对可以完成对DSB信号的解调，如信号的解调，如图图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，对应的频谱为器的输出为器的输出为 f(t)。2P001( )( )cos( )1cos22Stf ttf tt21第78页/共225页第七十九页，共226页。第79页/共225页第八十页，共226页。相应相应(xingyng)的频域表达的频域表达式为式为 P0011( ) (2)(2)24SFFF21第80页/共225页第八十一页，共226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：

31、(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，为正极性时， sDSB(t)的包络的包络与与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)沿时间轴翻沿时间轴翻转转(fn zhun)180后的波形成正后的波形成正能采用包络检波器进行解调。与能采用包络检波器进行解调。与AM信号相比，这增加了解调的信号相比，这增加了解调的复杂性。复杂性。第81页/共225页第八十二页，共226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，

32、为调制信号最高第82页/共225页第八十三页，共226页。.3单边带调制单边带调制1 1 SSB SSB调制模型及已调信调制模型及已调信第83页/共225页第八十四页，共226页。第84页/共225页第八十五页，共226页。边带滤波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(xnho)。当滤波器具有理想带。当滤波器具有理想带通通(或高通或高通)特性时，滤除下边带特性时，滤除下边带除边带如图除边带如图4.26所示。所

33、示。第85页/共225页第八十六页，共226页。第86页/共225页第八十七页，共226页。SSB信号的频域表达式为信号的频域表达式为(4.25)边带边带(bin di)滤波器的频域滤波器的频域(4.26)SSBDSBSSB( )( )( )SSH0USB0SSB0LSB01 |( )0|( )0|( )1 |HHH上边带下边带第87页/共225页第八十八页，共226页。2 SSB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

34、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)为为下边带下边带SSB信号，由于调制信号信号，由于调制信号量后，就能在时域内复现基带信量后，就能在时域内复现基带信号号f(t)。第88页/共225页第八十九页，共226页。第89页/共225页第九十页，共226页。第90页/共225页第九十一页，共226页。3 3 SSB SSB信号的时域波形信号的时域波形对于对于(duy)(duy)确定的任意基确定的任意基带信号带信号f(t)f(t)来说，要画出其对应来说，要画出其对应的单边带信号的单边带信号sSSB(t)sSS

35、B(t)的波形是的波形是DSB000( )coscos cos()cos()22mmmmmmStAttAAtt第91页/共225页第九十二页，共226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)特性特性(txng)的滤波器，的滤波器，滤除下边带信号，得到上边带滤除下边带信号，得到上边带SSB信号为信号为SSB0( )cos()2mmAStt第92页/共225页第九十三页，共226页。第93页/共225页第九十四页，共226页。由图由图4.29可见，单频余弦可见，单频余弦(yxin)信号调制时的单边带信信号调制时的单边带信号号sSSB(t)是一个等幅的余弦是一个等幅的余弦(y

36、xin)波形，其包络与基带信波形，其包络与基带信第94页/共225页第九十五页，共226页。对式对式(4.27)作傅立叶变换作傅立叶变换(binhun)，得到对应的频谱，得到对应的频谱SSSB()为为SSB00( )2mmmAS 第95页/共225页第九十六页，共226页。第96页/共225页第九十七页，共226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 中获得了广泛中获得了广泛(gungfn)的应用。的应用。2mmf第97页/

37、共225页第九十八页，共226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。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。以话音信号为用多级频移用多级频移(或多级调制或多级调制)及多级及多级滤波的方法来产生单边带信

38、号。滤波的方法来产生单边带信号。第98页/共225页第九十九页，共226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页第一百页，共226页。第100页/共225页第一百零一页，共226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。这里假设第一载频设第一载频fc1为为100 kHz，第二，第二(d r)载频载频fc2为为10 MHz，经过第，经过第一次单边带调制后的上边带频谱一次单边带调制后的上边带频谱为为100.3103 kHz(设话音信号的设话音信号的下两

39、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页第一百零二页，共226页。第102页/共225页第一百零三页，共226页。.4残留边带调制残留边带调制1 1 VSB VSB调制模型调制模型VSBVSB信号的产生模型信号的产生模型与与SSBSSB信号的产生模型类信号的产生模型类似，只是将似，只是将SSBSSB中的边带中的边带滤波器改为了残留边带滤波器改为了残留边带00两侧有一定宽度的过两侧有一定宽度的过渡带，只要过渡特性在渡带，只要过渡特性在|=0|=0处具有任意奇处具有任意奇对称特性，就可保证接对称特性，就可保证接收端在采用同步解调时收端在采用同步解调时无

40、失真无失真(sh zhn)(sh zhn)地恢地恢复出调制信号。复出调制信号。第103页/共225页第一百零四页，共226页。第104页/共225页第一百零五页，共226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，输出信号中保留带滤波器后，输出信号中保留(boli)上边带的绝大部分和下上边带的绝大部分和下第105页/共225页第一百零六页，共226页。第106页/共225页第一百零七页，共226页。图图4.35示出了产生示出了产生(chnshng)下边带残留边带信号下边带残留边带信号第107页/共225页第一百零八页，共226页。第108页/共225页第一百零九页，共226

41、页。HVSB()的特性为的特性为l00VSB00r00( ),( )( ),aaaaaaHHH 1， 第109页/共225页第一百一十页，共226页。2. 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(yuy)HVSB()具有在具有在|=0处的互补滚降特性，因处的互补滚降特性，因同步解调过程。同步解调过程。第110页/共225页第一百一十一页，共226页。第111页/共225页第一百一十二页，共226页。第112页/共225页第一百一十三页，共226页

42、。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制比制比SSB调制更容易调制更容易(rngy)实现。实现。第113页/共225页第一百一十四页，共226页。(2) VSB信号的解调原则上要信号的解调原则上要采用采用(ciyng)同步解调。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

43、采用果要求电视接收机采用(ciyng)同步解调方式，则势必造成电视同步解调方式，则势必造成电视机价格的上涨。因此在实际的电机价格的上涨。因此在实际的电调制时的调制时的12 MHz减小为减小为VSB调制调制时的时的8 MHz。第114页/共225页第一百一十五页，共226页。4.34.3幅度调制系统幅度调制系统(xtng)(xtng)的一般模型的一般模型第115页/共225页第一百一十六页，共226页。第116页/共225页第一百一十七页，共226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(

44、 )S tSth tf tth t0( )()cos() ( )dS tf tth0000() ( )coscosd() ( )sinsindf thtf tht 0000 ( )( )coscos ( )( )sinsinf th tttf th ttt第117页/共225页第一百一十八页，共226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页第一百一十九页，共226页。式式(4.35

45、)为幅度调制信号的为幅度调制信号的一般一般(ybn)解析表达式，由其可解析表达式，由其可得相移法产生幅度调制信号的一得相移法产生幅度调制信号的一般般(ybn)模型，如图模型，如图4.39所示。所示。图中，图中， HI()称为同相网络的传称为同相网络的传输函数，它的冲激响应为输函数，它的冲激响应为hI(t)；(4.36)00001( )()()2 ()()2IIQQSSSjSS第119页/共225页第一百二十页，共226页。第120页/共225页第一百二十一页，共226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

46、()=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页第一百二十二页，共226页。4.44.4幅度调制信号解调的一般模型幅度调制信号解调的一般模型.1同步同步(tngb)(tngb)解调解调00( )( )cos( )sinIQs ts ttstt第122页/共225页第一百二十三页，共226页。第123页/共225页第一百二十四页，共226页。s(t)与相干载波与相干载波(zib)相乘相乘后得后

47、得0( )( )cospsts tt00111( )( )cos2( )sin2222IIQs ts ttstt1( )( )2oIs ts t第124页/共225页第一百二十五页，共226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，AMAM信号信号的包络完全反映了基带信号的包络完全反映了基带信号f(t)f(t)的变化，因此的变化，因此(ync)AM(ync)AM信号可信号可以用简单的包络检波法解调。这以用简单的包络检波法解调。这种方法虽然在抗噪声能力方面不种方法虽然在抗噪声能力方面不如图如图4.414.41所示。所示。第125页/共225页第一百二十六页，共2

48、26页。第126页/共225页第一百二十七页，共226页。由图由图4.41可见，加入可见，加入(jir)载载波后的信号为波后的信号为00( )( )cospsts tAt0000( )cos( )sin( )cos( )IQAs ttsttA ttt22200( )( )2( )( )IIQA tAstA s tst第127页/共225页第一百二十八页，共226页。瞬时瞬时(shn sh)相位为相位为(4.41)(4.42)0( )( )arctg( )QIsttAs t 12200002( )2( )1IIstA tAA s tAA第128页/共225页第一百二十九页，共226页。对式对式(

49、4.42)，应用根式近似，应用根式近似(jn s) (x1时时)，有有:121xx 第129页/共225页第一百三十页，共226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第130页/共225页第一百三十一页，共226页。分析通信系统抗噪声性能分析通信系统抗噪声性能(xngnng)的模型如图的模型如图4.42所示。所示。图中，图中，s(t)为来自发射端的已调为来自发射端的已调信号；信号；n(t)为信号传输过程中叠为信号传输过程中叠加的高斯白噪声。带通滤波器加的高斯白噪声。带通滤波器(BPF)是实际接收系统中采用的是实际接收系统中采用的输出信号为输出信号为so(t)，噪声

50、为，噪声为no(t)。第131页/共225页第一百三十二页，共226页。第132页/共225页第一百三十三页，共226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为同相与(xingy)正交分量或包正交分量或包络与相位的形式，即络与相位的形式，即ni(t)=nc(t)cos0tns(t)sin0t=R(t)cos0t+(t)。222icsnnn 222iicsNntntnt第133页/共225页第一百三十四页，共226页。式中，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

51、双边(shungbin)功率谱密度为功率谱密度为(W/Hz)。对不同类型的振幅调。对不同类型的振幅调制信号，可有不同带宽的带通滤制信号，可有不同带宽的带通滤(4.45)02n 212iiinNntPd第134页/共225页第一百三十五页，共226页。式中式中, 为窄带噪声为窄带噪声(zoshng)ni(t)的功率谱。的功率谱。 与带通滤波器的传输函数与带通滤波器的传输函数H()之之间的关系为间的关系为(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页第一百三十六页，共226页。第136页/共225页第一百三

52、十七页，共226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页第一百三十八页，共226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幅度调制系统同步解调模型如图模型如图4.444.44所示。图中，同步所示。图中，同步解调器由乘法器与理想低通滤波解调器由乘法器与理想低通滤波第13

53、8页/共225页第一百三十九页，共226页。第139页/共225页第一百四十页，共226页。1. AM系统系统(xtng)的抗噪的抗噪声性能声性能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页第一百四十一页，共226页。由式由式(4.4

54、7)可得，解调器输可得，解调器输入端的入端的(dund)噪声噪声ni(t)的平均的平均功率为功率为 2ii0AM02mNntn Bn f 220ii04mAftSNn f第141页/共225页第一百四十二页，共226页。下面下面(xi mian)来分析解调来分析解调器输出端的信噪比情况。由图器输出端的信噪比情况。由图4.44可以看出，信号可以看出，信号si(t)与相干与相干载波相乘后，得载波相乘后，得sP(t)=si(t)cos0t=A0+f(t)cos20t= (4.51)2121 2214oosstft第142页/共225页第一百四十三页，共226页。同样由图同样由图4.44可见，解调器可

55、见，解调器输入端的输入端的(dund)噪声与相干载噪声与相干载波相乘后，得波相乘后，得: 0000coscossincospicsntn ttnttn ttt 2000cossincoscsnttnttt 00111cos2sin2222ccsntnttntt第143页/共225页第一百四十四页，共226页。式式(4.52)经低通滤波器后得经低通滤波器后得到到(d do)解调器的输出噪声为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页第一百四十五页，

56、共226页。这样就可由式这样就可由式(4.51)及式及式(4.54)得到解调器的输出得到解调器的输出(shch)信噪信噪比为比为(4.56) 220014122oommftftSNn fn f 2AM2202/ooiiftSNGSNAft第145页/共225页第一百四十六页，共226页。2. DSB系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能DSB调制调制(tiozh)时，信号时，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2

57、25页第一百四十七页，共226页。由由(4.57)和式和式(4.58)分析可得分析可得输入输入(shr)端信噪比为端信噪比为第147页/共225页第一百四十八页，共226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系统的调制系统的调制(tiozh)制度增益为制度增益为DSB2ooiiSNGSN第148页/共225页第一百四十九页，共226页。3. SSB系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能SSB调制时，信号调制时，信号 SSB00cossinS tStf ttf tt SSB00cossinStf ttf tt 22200cossiniiSSBSStStf t

58、tf tt 2200002cos2cossinsinf ttf t f tttf ttft第149页/共225页第一百五十页，共226页。解调器输入端的噪声解调器输入端的噪声(zoshng)ni(t)的平均功率为的平均功率为 20SSB0iimNntn Bn f第150页/共225页第一百五十一页，共226页。同理，可得解调器的输出同理，可得解调器的输出(shch)信噪比为信噪比为第151页/共225页第一百五十二页，共226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页第一百五十三页，共226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

59、相同的输的抗噪声性能，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的条件的条件(tiojin)下，考察系统下，考察系统的输出信噪比。为此，可将各种的输出信噪比。为此，可将各种系统中的输入信号功率系统中的输入信号功率Si代入到代入到式中，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页第一百五十四页，共226页。DSB、SSB(VSB)系统：系统：率。率。0DSBSSB(VSB)ooioomSSSN

60、Nn f 2DSB12iSSft 2SSB(VSB)iSSft第154页/共225页第一百五十五页，共226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调时具有相同(xin tn)的输的输出信噪比，而出信噪比，而AM 系统的则要低系统的则要低一些。因此可以得出结论，双边一些。因此可以得出结论，双边带系统和单边带系统具有相同带系统和单边带系统具有相同(xin tn)的抗噪声性能的抗噪声性能 ，但，但与与AM 系统相比，系统相比， 输出信噪比至输出信噪比至少改善少改善3 dB。 2220ftAft第155页/共225页第一百