Chapter8通信系统

第8章通信系统CommunicationSystems2本章主要内容作为傅立叶分析在工程实际中的应用，本章将讨论通信系统中的某些基本技术及其分析方法。1.正弦幅度调制——DSB调制与AM调制。2.同步解调与包络解调；频分复用（FDM）。3.单边带（SSB）幅度调制。4.脉冲串载波调制与时分复用（TDM）。5.脉冲幅度调制(PAM)与脉冲编码调制(PCM)。6.离散时间正弦幅度调制。8.0引言(Introduction)一般的通信系统总是由以下环节组成:在通信系统中调制与解调是一种基本的技术。调制是指用一个信号去控制另一个信号的某一个参量的过程。被控制的信号称为载波(CarrierWave)。变换器发送系统信道接收系统变换器消息信号信号消息调制解调在通信系统中广泛采用调制技术是因为:1.任何信道都有它自己的传输特性;2.信道的带宽往往比一路信号的带宽要大得多;3.若信号以电磁波形式发送到信道，当发射天线的尺寸大约为信号波长的1/10或更大一些时，天线的辐射效率最高。控制信号称为调制信号(ModulationSignal)，也称为基带信号。通常采用的调制方式:一.正弦载波的情况:根据被控制的参量分为:AM------AmplitudeModulationFM------FrequencyModulationPM------PhaseModulation角度调制在正弦幅度调制中，又有带载波和抑制载波的:AM/wc----AM/withcarrierAM/sc-----AM/suppressedcarrier在抑制载波的正弦幅度调制中有双边带、单边带、残留边带：DSB------Doubleside-band双边带SSB------Singleside-band单边带VSB------Vestigialside-band残留边带对正弦载波的情况，若调制信号是脉冲信号，则称为：ASK------幅度键控(AmplitudeShiftKeying)FSK------频率键控(FrequencyShiftKeying)PSK------相位键控(PhaseShiftKeying)二.脉冲载波的情况:根据被控制的参量可分为:脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、脉冲周期（位置）调制。PAM------PulseAmplitudeModulationPWM-----PulseWidthModulationPPM------PulsePeriodic(Position)Modulation当调制信号是脉冲编码信号时，称为脉冲编码调制或PCM调制。PCM------PulseCodeModulation8.1正弦幅度调制(DSB)其中为调制信号(基带信号)，为载波，为已调信号。()xt()ct()()()ytxtct幅度调制的数学模型是乘法器。()cos()ccctt当时称为正弦幅度调制。()xtcos()cct)(tx()yt()ct若暂时不考虑载波的相位，即()()coscytxtt已调信号的频谱为：11()()()()()22ccYjXjCjXjXj()()()ccCj由于此时载波的频谱为：上边带下边带表明:对基带信号进行正弦幅度调制，就等于在频域将基带信号的频谱搬移到载频的位置。为此，应满足：1.必须带限于。2.()xtMcM()yt()xt为了在接收端能从恢复成,要求在频谱搬移的过程中不能发生频谱重叠。8.2正弦AM的解调将再次与同频载波相乘，有:()yt2()()cos()cos11()()cos222cccwtyttxttxtxtt一.同步解调:(Synchronousdemodulation)DemodulationforSinusoidalAM显然，只要滤掉第二项即可实现对的恢复。()xt技术关键：所用理想低通滤波器的截止频率要满足:2McMW解调端所用的载波必须与调制时的载波完全同频。此时，可采用如下系统实现解调：载波相位的影响:假定调制时的载波解调时的载波,则1()cos(),ccctt2()cos()ccctt()()cos()cos()11()cos()()cos(2)22cccccccccwtxtttxtxtt是一个常数。此时，可以通过前面讨论的解调系统实现解调。当不随时间变化，而且时,cc2cccos()cc可见，必须要求调制和解调时所使用的载波不仅要严格同频，而且要相位同步(以保证相位差与时间无关)。因此这种解调方法称为同步解调(SynchronousDemodulation)。cc当时，由于不能实现解调。2cccos()0cc技术实现的关键:采用频率合成技术以保证频率准确度和频率稳定度，采用锁相技术以保证相位同步。说明:由于在已调信号的频谱中同时保留了基带信号的上、下两个边带，故称其为双边带(DSB)调制。这种调制方式只适合于点对点的通信。二.非同步解调(包络解调)：(EnvelopeDemodulation)要想从已调信号的包络解调出原基带信号，必须要求已调信号的包络完全保留基带信号的形状，即要求调制信号始终非负。为此，要在DSB调制方案中加入足够大的载波分量。()()cos,cytAxtt当时,max()Axt即可保证已调信号的包络将会保留的形状。()0,Axt()xt此时只需通过简单的包络检波器即可实现从已调信号中解调出。()xt11cMRCff这种调制方式被称为标准的AM调制。19包络解调付出的代价是发送功率的浪费。因为加入的载波并不携带任何有用信息，这部分功率的发射对有用信息的传输是无益的。如果，定义为调制指数，显然。max()xtK/KA01mm特例当调制信号是单音正弦时，在的情况下，已调信号的频谱如下：1mcc0AA2A2AA此时，已调信号的平均功率是载波功率的1.5倍，而这些功率中真正用于传输有用信息的边带功率只是载波功率的1/2，只占整个已调信号总功率的1/3。已调信号的最大峰值等于载波峰值的2倍。这就要求发射机的峰值功率容限是载波功率的4倍，发射机的效率是很低的。max1.5337.5%48ccPP从功率利用的角度,越大越好；从包络检波的效果来看，越小越好。因此，在包络解调中，通常折衷地取。mm0.50.8mFrequencyDivisionMultiplexing信道具有相应的频率特性，不同信道对不同频段的信号具有最佳传输特性。信道具有比信号带宽大得多的频带。8.3频分多路复用(FDM)在前面的讨论中已经提到：频分复用可以大大提高信道频率资源的利用率。如果在一个信道中只能传输一路信号，显然对有限的信道频率资源是一种浪费。24频分复用对频分多路复用信号解调时，首先要解复用：从复用信号的频谱中利用带通滤波器滤出所需的一路信号，然后对该路信号进行解调。频分多路复用信号的解调8.4单边带正弦幅度调制(SSB)SSB信号的产生:1.滤波法:利用边带滤波器，滤除一个边带。Single-SidebandSinusoidalAmplitiudeModulation(1)(2)(3)(4)+(5)SSBSSB下上2.移相法:sin()()ccctj其中：0()j()jcc()Xj1MM0(1)()Yj10cc(5)1/20cc(2)1()Yj(3)jjMM0()pXj1/20cc1/2(4)2()Yj8.5脉冲串作载波的幅度调制一.脉冲串载波调制:当幅度调制的载波信号是脉冲串时，称为脉冲串载波调制。AmplitudeModulationwithaPulse-TrainCarrier在频域分析：2()2()kkCjakT2()kkaXjkT1()()()2YjXjCjsin()sinkackTTkTk其中：脉冲串载波调制时能否解调出，与脉宽无关。从时域角度，在一个周期内可以为每一路信号分配一个时隙，依次传送多路信号。()xt只要的最高频率满足，()xtM22/MT即可保证在中不发生频谱的重叠，可以用理想低通滤波器从已调信号中解调出。()Yj()xt低通的截止频率要满足。WMcMW时分复用的思想:二.时分多路复用TDM:(Time-DivisionMultiplexing)在脉冲串载波的每一个周期里，依次为各路信号分配一个相应的时隙，在该时隙内传送这一路信号。只要各路信号的时隙彼此不重叠，就可以实现多路信号的同时传送。在接收端通过循徊检测实现解复用。时分多路复用的实现：34时分多路复用35时分多路复用的实现1()yt2()yt3()yt4()ytPAM调制就是用在各时隙的样本值去调制载波脉冲的幅度。()xt8.6脉冲幅度调制（PAM）一.PAM调制以脉冲串作载波的幅度调制，在载波的宽度内是以调制信号的原始波形为传送对象的。由于此时满足Nyquist采样率，因此,在时隙内只需要传送的一个样本值即可。(2/)2cMT()xtPulse-AmplitudeModulation37二.PAM系统中的码间干扰对时分复用的PAM信号，在理想情况下，各路信号在传输过程中不发生波形失真，在接收端只要通过采样判决就可以实现对每路信号的解复用。但是，在工程实际中，由于信道的非理想频率特性及加性噪声的引入，总会造成PAM信号的波形发生失真。从而会产生码间干扰，使采样判决时刻得到的样本值并非是该路信号应该有的样本值。产生码间干扰的原因:1.信道带宽有限使脉冲的前后沿变缓;2.非线性相位使群时延非恒定而产生相位弥散。消除码间干扰的方法:针对由于信道带宽有限而产生的码间干扰，应该在形成PAM信号时，使用一种非矩形的脉冲作为载波。这种脉冲在所有采样判决时刻都过零点，而且是带限的，其最高频率在信道的通带内。例如采用如下脉冲:11Sin()()tTTptt当以这样的脉冲作为PAM调制的载波时，就不会造成采样判决时的码间干扰。更一般的情况，从频域考虑，只要使是以奇对称的。例如：()Pj1/T111111()/()()/2/0PjTPjPjTT其它1111()()PjjPjjTT10T其中1()Pj11()Pj具有上述频谱的脉冲在所有采样判决时刻均过零点。在工程应用中,常常用具有升余弦滚降特性的滤波器作为成形滤波器就是出于这样的考虑,目的在于消除码间干扰。如果信道的频率特性在通带内有起伏（或不恒定）还需要进行信道幅度均衡；如果信道的相位特性非线性，则需要进行相位均衡。否则，码间干扰一定会产生。三.数字脉冲幅度调制与脉冲编码调制(PCM)PAM调制中信号的样本往往被量化成数字信号，它可以被认为是一个存储于数字系统中或是由某一数字系统产生的。由于数字系统的有限字长，只能有有限个量化电平，从而造成已调脉冲的幅度只能有有限个可能的幅度值。()xnT()xn数字化的PAM量化形式又可以用二进制的电平表示成一组二进制码字。码字中的每一位称为一个比特。例如：话音信号带限于3KHZ，若以8KHZ采样，再用８位二进制码量化编码，则话音信号的数据量是每秒64Kbit。在传输数字脉冲幅度调制信号时，为了传输可靠，防止误码，往往要在传输前将其通过编码变换成另一个二进制序列，这种经编码后的PAM调制就称为PCM调制。8.8离散时间调制一.离散时间正弦幅度调制1.复指数载波:()cjncne(不一定是周期的)()cn()()cjnynxne()1()()()()2cjjjjYeXeCeXeDiscrete-TimeModulation()2(2)jckCek