通信原理第3章(2015年上课版)

主讲人：于秀兰《通信原理C》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：正弦波调制模拟调制：调制信号取值连续；数字调制：调制信号取值离散。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tm为常数其中cccccc，ω，A,tωAtccostcostttccStAωtAωt其中为瞬时幅度，为瞬时相位幅度调制角度调制模拟调制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。AMDSBSSBVSBFMPM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。1)进行频率搬移将基带信号调制变换成适合在信道中传输的已调信号；实现信道的多路复用；2)为了容易辐射（一般要求天线的尺寸和发送信号的波长在同一数量级。例如常用天线的长度为1/4波长，如果把基带信号直接通过天线发射，那么天线的长度将为几十~几百km的量级）；3)对系统的传输有效性和抗噪声性能有影响。（通常以牺牲有效性来换取可靠性）四、调制的作用主讲人：于秀兰《通信原理C》3.1幅度调制的原理1cos1cos22mcccnccmCCcCCstAmttAamttASfffffAMffMff时域：频域：一、AM调制(AM，AmplitudeModulation).1)(0tmtm，且的均值为其中，基带信号问题：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）为了使包络解调（非相干解调）时不发生失真，必须满足1()0mt或()1mt否则，就会出现过调制现象，即在1()0mt处使载波相位产生0180的反转，因而形成包络失真。AM信号表达式()1()cosAMccStmtAt其中1()mt中的直流为1,交流为()mt。为了包络解调不失真恢复原始基带信号，要求1mt。定义调制指数：)(maxtmAM它反映了信号在载波幅度上的“调制程度”。正常情况下1AM。1AM为临界调制，而1AM将发生过调制。调制指数（调幅指数）另外，AM的频谱中含有载频和上、下两个边带，无论是上边带还是下边带，都含有基带信号的完整信息，故已调波的带宽为原基带信号带宽的两倍，即式中，B为基带信号的最高频率。AM信号的带宽(1)当m(t)为确知信号时，()[1()]cosAMccStAmtt的平均功率?解:2222222222()[()]coscos()cos2()cosAMAMcccccccccPstAAmttAtAmttAmtt假设()0mt，02cos,)2cos1(21cos2tttccc所以222()22cAMccAmtPAPP边式中，22ccAP为不携带信息的载波功率；22()P2cmtA边为携带信息的边带功率。AM信号的功率调制效率定义携带消息的边带功率与已调信号总功率的比值为调制效率.显然AM信号的调制效率总是小于1.AMAM边带功率总功率(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。设)(tm为正弦信号，进行调制指数为100%的标准调幅，求调制效率。解：依题意可设tAtmmmcos)(，而100%调制就是1mA的调制，即ttAtscmcAMcoscos1因此%3.3331AM调制效率低是AM调制的最大缺点。AM调制的优点是可用包络检波法解调，不需要本地同步载波信号，设备简单。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、解调方式在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果将载波抑制，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。DSB调制器模型如图所示。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。将AM信号的载波抑制，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。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1）)(tSDSB波形包络不再与)(tm的形状相同，而是按)(tm的规律变化。所以DSB信号的解调必须采用相干解调（同步解调），而不能采用非相干解调；2）除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的频谱完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。所以DSB信号的带宽与AM信号带宽相同。结论3）DSB信号的功率分配及调制效率由于ttmAtscCcos不再包含载波成分，因此，DSB信号的功率就等于边带功率，是调制信号功率的一半，即显然，DSB信号的调制效率为100%。DSB信号虽然节省了载波功率，调制效率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，仅需传输其中一个边带，即单边带（SSB）信号。0H(w)H(w)-wc-wcwcwcww011形成单边带信号的滤波特性三、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0H(w)H(w)-wc-wcwcwcww011形成单边带信号的滤波特性通过推导,可得SSB信号的时域表达式ttmttmAtScccSSBsin)(cos)(2)(式中，)(tm是)(tm的希尔伯特变换。问题：功率为多少？通过证明:SSB信号的时域表达式为ttmttmAtScccSSBsin)(cos)(2)(2）用相移法形成SSB信号说明：单边带信号的时域表达式的推导比较困难，需借助希尔伯特变换。这里从简单的单频调制出发，得到SSB信号的时域表达式，然后再推广到一般表示式。设单频调制信号ttmmcos)(，载波为tAtccCcos)(。则保留上边带的单边带调制信号为ttAttAtAtSmcCmcCmcCUSBsinsin2coscos2)cos(21)(保留下边带的单边带调制信号为ttAttAtAtSmccmccmccLSBsinsin2coscos2)cos(21)(tcsin可以看成是tccos相移/2，而幅度大小保持不变。我们将这种变换称为希尔伯特变换，记为“”，即ttccsincos因为任一个基带信号波形总可以表示成许多正弦信号之和。因此，将上述表示方法运用，就可以得到调制信号为任意信号的SSB信号的时域表达式ttmttmtSccSSBsin)(21cos)(21)(式中，)(tm是)(tm的希尔伯特变换。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SSB信号的频谱是DSB信号频谱的一个边带，其带宽为DSB信号的一半，与基带信号带宽相同，即HDSBSSBfBB21式中，Hf为调制信号的最高频率。由于SSB信号仅包含一个边带，因此其功率为DSB信号的一半，即)(41212tmPPDSBSSB显然，SSB信号的调制效率也为100%。由于SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，仍需采用相干解调。残留边带调制是介于双边带和单边带之间的一种线性调制。四、残留边带（VSB，VestigialSideband）幅度调制信号设DSB信号的表达式为cosccAmtt,则VSB信号的频域表示式2()[()()]()cmccASwMwwMwwHwDSB信号后面接的滤波器让DSB信号的一个边带的大部分和另外一个边带的小部分通过（一个边带损失部分能够由另一个边带保留部分完全补偿），保证输出信号不失真。为了确定上式中残留边带滤波器的传输特性()Hw应满足的条件，这里可以从分析接收端是如何从该信号中恢复基带信号的。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?4coVcVcAMM接收端LPF输出端：接收端LPF输入端：VSBcVSBccVccVc1SS2M2MM2M44ccAAVSBccV1SMM2cA残留边带滤波器输出端：式中,B是基带信号的截止频率。残留边带滤波器的传输特性应该满足可见，残留边带滤波器的特性具有互补对称性。Bfffff常数cvcv带宽：设调制信号（基带信号）的截止频率为B，则有AMDSBSSBVSB2B2BB略大于B功率：总结：cosCcAmtt时域表达式1cosccmtAt调幅信号AMDSBSSB功率2222cMcAPA2MP2cA设基带信号tm的平均功率为)(2tmPM解调方式调幅信号AMDSBSSB功率VSB频谱图时域波形其它1+m(t)v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1111主讲人：于秀兰《通信原理C》3.2幅度调制系统的抗噪声性能相干解调适用于所有的线性解调。应当指出的是，相干解调的关键是必须在接收端产生与信号载波同频同相的本地载波。否则，相干解调后将会使原始信号调制信号减弱，甚至带来严重的失真。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）。LPFtSmtcosctSptm0一、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。LPFtSmtcosctSptm0:cosmccDSBStAmtt02cmtAmt暂时不考虑噪声输入信号与输出信号LPFtSmtcosctSptm0:cosmccDSBStAmtt02cmtAmt22,24ccRMoMAAPPPP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