通信原理第4章

1,通信原理,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),2,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),基本概念 調(diào)制 把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程。 廣義調(diào)制 分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。 狹義調(diào)制 僅指帶通調(diào)制。在無(wú)線通信和其他大多數(shù)場(chǎng)合，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。 調(diào)制信號(hào) 指來(lái)自信源的基帶信號(hào) 載波調(diào)制 用調(diào)制信號(hào)去控制載波的參數(shù)的過(guò)程。 載波 未受調(diào)制的周期性振蕩信號(hào)，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。 已調(diào)信號(hào) 載波受調(diào)制后稱為已調(diào)信號(hào)。 解調(diào)（檢波） 調(diào)制的逆過(guò)程，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。,3,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),調(diào)制的目的 提高無(wú)線通信時(shí)的天線輻射效率。 把多個(gè)基帶信號(hào)分別搬移到不同的載頻處，以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率。 擴(kuò)展信號(hào)帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。 調(diào)制方式 模擬調(diào)制 數(shù)字調(diào)制 常見的模擬調(diào)制 幅度調(diào)制：調(diào)幅、雙邊帶、單邊帶和殘留邊帶 角度調(diào)制：頻率調(diào)制、相位調(diào)制,4,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.1幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理 一般原理 表示式： 設(shè)：正弦型載波為 式中，A 載波幅度； c 載波角頻率； 0 載波初始相位（以后假定0 0）。 則根據(jù)調(diào)制定義，幅度調(diào)制信號(hào)（已調(diào)信號(hào)）一般可表示成 式中， m(t) 基帶調(diào)制信號(hào)。,5,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),頻譜 設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)的頻譜為M()，則已調(diào)信號(hào)的頻譜為 在波形上，已調(diào)信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)的規(guī)律而正比地變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移(精確到常數(shù)因子)。由于這種搬移是線性的，因此，幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。 但應(yīng)注意，這里的“線性”并不意味著已調(diào)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)之間符合線性變換關(guān)系。事實(shí)上，任何調(diào)制過(guò)程都是一種非線性的變換過(guò)程。,6,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.1.1調(diào)幅（AM） 時(shí)域表示式 式中 m(t) 調(diào)制信號(hào)，均值為0； A0 常數(shù)，表示疊加的直流分量。 頻譜：若m(t)為確知信號(hào)，則AM信號(hào)的頻譜為 若m(t)為隨機(jī)信號(hào)，則已調(diào)信號(hào)的頻域表示式必須用功率譜描述。 調(diào)制器模型,載波項(xiàng),DSB項(xiàng),9,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),AM信號(hào)的特性 帶寬：它是帶有載波分量的雙邊帶信號(hào)，帶寬是基帶信號(hào)帶寬 fH 的兩倍： 功率： 當(dāng)m(t)為確知信號(hào)時(shí)， 若 則 式中 Pc = A02/2 載波功率， 邊帶功率。,10,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),調(diào)制效率 由上述可見，AM信號(hào)的總功率包括載波功率和邊帶功率兩部分。只有邊帶功率才與調(diào)制信號(hào)有關(guān)，載波分量并不攜帶信息。有用功率（用于傳輸有用信息的邊帶功率）占信號(hào)總功率的比例稱為調(diào)制效率： 當(dāng)m(t) = Am cos mt時(shí)， 代入上式，得到 當(dāng)|m(t)|max = A0時(shí)（100調(diào)制），調(diào)制效率最高，這時(shí) max 1/3,11,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.1.2 雙邊帶調(diào)制（DSB） 時(shí)域表示式：無(wú)直流分量A0 頻譜：無(wú)載頻分量 曲線：,調(diào)制效率：100,優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省了載波功率,缺點(diǎn)：不能用包絡(luò)檢波， 需用相干檢波，較復(fù)雜。,12,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.1.3 單邊帶調(diào)制（SSB） 原理： 雙邊帶信號(hào)兩個(gè)邊帶中的任意一個(gè)都包含了調(diào)制信號(hào)頻譜M()的所有頻譜成分，因此僅傳輸其中一個(gè)邊帶即可。這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，這種方式稱為單邊帶調(diào)制。 產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法有兩種：濾波法和相移法。,13,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),SSB信號(hào)的解調(diào) SSB信號(hào)的解調(diào)和DSB一樣，不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波，因?yàn)镾SB信號(hào)也是抑制載波的已調(diào)信號(hào)，它的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號(hào)的變化，所以仍需采用相干解調(diào)。 SSB信號(hào)的性能 SSB信號(hào)的實(shí)現(xiàn)比AM、DSB要復(fù)雜，但SSB調(diào)制方式在傳輸信息時(shí)，不僅可節(jié)省發(fā)射功率，而且它所占用的頻帶寬度比AM、DSB減少了一半。它目前已成為短波通信中一種重要的調(diào)制方式。,14,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.1.5 線性調(diào)制的一般模型 濾波法模型 在前幾節(jié)的討論基礎(chǔ)上，可以歸納出濾波法線性調(diào)制的一般模型如下： 按照此模型得到的輸出信號(hào)時(shí)域表示式為： 按照此模型得到的輸出信號(hào)頻域表示式為： 式中， 只要適當(dāng)選擇H()，便可以得到各種幅度調(diào)制信號(hào)。,15,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.1.6 相干解調(diào)與包絡(luò)檢波 相干解調(diào) 相干解調(diào)器的一般模型 相干解調(diào)器原理：為了無(wú)失真地恢復(fù)原基帶信號(hào)，接收端必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波），它與接收的已調(diào)信號(hào)相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調(diào)制信號(hào)。,16,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),包絡(luò)檢波 適用條件：AM信號(hào)，且要求|m(t)|max A0 ， 包絡(luò)檢波器結(jié)構(gòu)： 通常由半波或全波整流器和低通濾波器組成。例如， 性能分析 設(shè)輸入信號(hào)是 選擇RC滿足如下關(guān)系 式中fH 調(diào)制信號(hào)的最高頻率 在大信號(hào)檢波時(shí)（一般大于0.5 V），二極管處于受控的開關(guān)狀態(tài)，檢波器的輸出為 隔去直流后即可得到原信號(hào)m(t)。,17,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 4.2.1 分析模型 圖中 sm (t) 已調(diào)信號(hào) n(t) 信道加性高斯白噪聲 ni (t) 帶通濾波后的噪聲 m(t) 輸出有用信號(hào) no(t) 輸出噪聲,18,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),噪聲分析 ni(t)為平穩(wěn)窄帶高斯噪聲，它的表示式為 由于 式中 Ni 解調(diào)器輸入噪聲的平均功率 設(shè)白噪聲的單邊功率譜密度為n0，帶通濾波器是高度為1、帶寬為B的理想矩形函數(shù)，則解調(diào)器的輸入噪聲功率為,19,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),解調(diào)器輸出信噪比定義 輸出信噪比反映了解調(diào)器的抗噪聲性能。顯然，輸出信噪比越大越好。 制度增益定義： 用G便于比較同類調(diào)制系統(tǒng)采用不同解調(diào)器時(shí)的性能。 G 也反映了這種調(diào)制制度的優(yōu)劣。 式中輸入信噪比Si /Ni 的定義是：,20,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.2.2 DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能 DSB相干解調(diào)抗噪聲性能分析模型 由于是線性系統(tǒng)，所以可以分別計(jì)算解調(diào)器輸出的信號(hào)功率和噪聲功率。,21,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),噪聲功率計(jì)算 設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)為 與相干載波cosct相乘后，得 經(jīng)低通濾波器后，輸出信號(hào)為 因此，解調(diào)器輸出端的有用信號(hào)功率為,22,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),解調(diào)器輸入端的窄帶噪聲可表示為 它與相干載波相乘后，得 經(jīng)低通濾波器后，解調(diào)器最終的輸出噪聲為 故輸出噪聲功率為 或?qū)懗?23,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),信號(hào)功率計(jì)算 解調(diào)器輸入信號(hào)平均功率為 信噪比計(jì)算 輸入信噪比 輸出信噪比,24,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),制度增益 由此可見，DSB調(diào)制系統(tǒng)的制度增益為2。也就是說(shuō)，DSB信號(hào)的解調(diào)器使信噪比改善一倍。這是因?yàn)椴捎孟喔山庹{(diào)，使輸入噪聲中的正交分量被消除的緣故。,25,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.3 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）的原理 前言 角度調(diào)制：頻率調(diào)制和相位調(diào)制的總稱。 頻率調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)頻(FM)，相位調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)相(PM)。 這兩種調(diào)制中，載波的幅度都保持恒定，而頻率和相位的變化都表現(xiàn)為載波瞬時(shí)相位的變化。 已調(diào)信號(hào)頻譜不再是原調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會(huì)產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。 與幅度調(diào)制技術(shù)相比，角度調(diào)制最突出的優(yōu)勢(shì)是其較高的抗噪聲性能。,26,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.3.1角度調(diào)制的基本概念 FM和PM信號(hào)的一般表達(dá)式 角度調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為 式中，A 載波的恒定振幅； ct +(t) (t) 信號(hào)的瞬時(shí)相位； (t) 瞬時(shí)相位偏移。 dct +(t)/dt = (t) 稱為瞬時(shí)角頻率 d(t)/dt 稱為瞬時(shí)頻偏。,27,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),相位調(diào)制(PM)：瞬時(shí)相位偏移隨調(diào)制信號(hào)作線性變化，即 式中Kp 調(diào)相靈敏度，含義是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起PM信號(hào)的相位偏移量，單位是rad/V。 將上式代入一般表達(dá)式 得到PM信號(hào)表達(dá)式,28,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),頻率調(diào)制(FM)：瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)成比例變化，即 式中 Kf 調(diào)頻靈敏度，單位是rad/sV。 這時(shí)相位偏移為 將其代入一般表達(dá)式 得到FM信號(hào)表達(dá)式,29,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),用單音頻信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行頻率調(diào)制時(shí)，將 代入 得到FM信號(hào)的表達(dá)式 式中 調(diào)頻指數(shù)，表示最大的相位偏移 最大角頻偏 最大頻偏。,30,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),PM 信號(hào)和FM 信號(hào)波形 (a) PM 信號(hào)波形 (b) FM 信號(hào)波形,31,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.3.2 窄帶調(diào)頻（NBFM） 定義：如果FM信號(hào)的最大瞬時(shí)相位偏移滿足下式條件 則稱為窄帶調(diào)頻；反之，稱為寬帶調(diào)頻。,調(diào)頻信號(hào)的帶寬,當(dāng)mf 1以后，取邊頻數(shù)n = mf + 1即可。因?yàn)閚 mf + 1以上的邊頻幅度均小于0.1。 被保留的上、下邊頻數(shù)共有2n = 2(mf + 1)個(gè)，相鄰邊頻之間的頻率間隔為fm，所以調(diào)頻波的有效帶寬為 它稱為卡森（Carson）公式。,32,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),當(dāng)mf 1時(shí)，上式可以近似為 這就是寬帶調(diào)頻的帶寬。 當(dāng)任意限帶信號(hào)調(diào)制時(shí)，上式中fm是調(diào)制信號(hào)的最高頻率， mf是最大頻偏 f 與 fm之比。 例如，調(diào)頻廣播中規(guī)定的最大頻偏f為75kHz，最高調(diào)制頻率fm為15kHz，故調(diào)頻指數(shù)mf 5，由上式可計(jì)算出此FM信號(hào)的頻帶寬度為180kHz。,33,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能 重點(diǎn)討論FM非相干解調(diào)時(shí)的抗噪聲性能 分析模型 圖中 n(t) 均值為零，單邊功率譜密度為n0的高斯白噪聲,34,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.4.1 輸入信噪比 設(shè)輸入調(diào)頻信號(hào)為 故其輸入信號(hào)功率為 輸入噪聲功率為 式中，BFM 調(diào)頻信號(hào)的帶寬，即帶通濾波器的帶寬 因此輸入信噪比為,35,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.4.2 大信噪比時(shí)的解調(diào)增益 在輸入信噪比足夠大的條件下，信號(hào)和噪聲的相互作用可以忽略，這時(shí)可以把信號(hào)和噪聲分開來(lái)計(jì)算。 計(jì)算輸出信號(hào)平均功率 輸入噪聲為0時(shí)，解調(diào)輸出信號(hào)為 故輸出信號(hào)平均功率為,36,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),由圖可見，鑒頻器輸出噪聲 的功率譜密度已不再是均勻分布， 而是與 f 2成正比。該噪聲再經(jīng)過(guò)低 通濾波器的濾波，濾除調(diào)制信號(hào) 帶寬fm以外的頻率分量，故最 終解調(diào)器輸出（LPF輸出）的噪聲 功率（圖中陰影部分）為,計(jì)算輸出噪聲平均功率,37,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),計(jì)算輸出信噪比 于是，F(xiàn)M非相干解調(diào)器輸出端的輸出信噪比為 簡(jiǎn)明情況 考慮m(t)為單一頻率余弦波時(shí)的情況，即 這時(shí)的調(diào)頻信號(hào)為 式中 將這些關(guān)系代入上面輸出信噪比公式， 得到：,38,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),制度增益 考慮在寬帶調(diào)頻時(shí)，信號(hào)帶寬為 所以，上式還可以寫成 當(dāng)mf 1時(shí)有近似式 上式結(jié)果表明，在大信噪比情況下，寬帶調(diào)頻系統(tǒng)的制度增益是很高的，即抗噪聲性能好。例如，調(diào)頻廣播中常取mf = 5 ，則制度增益GFM = 450 。也就是說(shuō)，加大調(diào)制指數(shù)，可使調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速改善。,39,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),調(diào)頻系統(tǒng)與調(diào)幅系統(tǒng)比較 在大信噪比情況下，AM信號(hào)包絡(luò)檢波器的輸出信噪比為 若設(shè)AM信號(hào)為100%調(diào)制。且m(t)為單頻余弦波信號(hào)，則m(t)的平均功率為 因而 式中，B為AM信號(hào)的帶寬，它是基帶信號(hào)帶寬的兩倍，即B = 2fm，故有 將兩者相比，得到,40,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),討論 在大信噪比情況下，若系統(tǒng)接收端的輸入A和n0相同，則寬帶調(diào)頻系統(tǒng)解調(diào)器的輸出信噪比是調(diào)幅系統(tǒng)的3mf2倍。例如，mf =5時(shí)，寬帶調(diào)頻的S0 /N0是調(diào)幅時(shí)的75倍。 調(diào)頻系統(tǒng)的這一優(yōu)越性是以增加其傳輸帶寬來(lái)?yè)Q取的。因?yàn)?，?duì)于AM 信號(hào)而言，傳輸帶寬是2fm，而對(duì)WBFM信號(hào)而言，相應(yīng)于mf = 5時(shí)的傳輸帶寬為12fm ，是前者的6倍。 WBFM信號(hào)的傳輸帶寬BFM與AM 信號(hào)的傳輸帶寬BAM之間的一般關(guān)系為,41,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),當(dāng)mf 1時(shí)，上式可近似為 故有 在上述條件下， 變?yōu)?可見，寬帶調(diào)頻輸出信噪比相對(duì)于調(diào)幅的改善與它們帶寬比的平方成正比。調(diào)頻是以帶寬換取信噪比的改善。,42,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),結(jié)論：在大信噪比情況下，調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能將比調(diào)幅系統(tǒng)優(yōu)越，且其優(yōu)越程度將隨傳輸帶寬的增加而提高。 但是，F(xiàn)M系統(tǒng)以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無(wú)止境的。隨著傳輸帶寬的增加，輸入噪聲功率增大，在輸入信號(hào)功率不變的條件下，輸入信噪比下降，當(dāng)輸入信噪比降到一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)門限效應(yīng)，輸出信噪比將急劇惡化。,43,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.4.3 小信噪比時(shí)的門限效應(yīng) 當(dāng)(Si /Ni)低于一定數(shù)值時(shí)，解調(diào)器的輸出信噪比(So /No)急劇惡化，這種現(xiàn)象稱為調(diào)頻信號(hào)解調(diào)的門限效應(yīng)。 門限值 出現(xiàn)門限效應(yīng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信噪比值稱為門限值，記為(Si /Ni) b。,44,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),右圖畫出了單音調(diào)制時(shí)在不同 調(diào)制指數(shù)下，調(diào)頻解調(diào)器的輸 出信噪比與輸入信噪比的關(guān)系 曲線。 由此圖可見 門限值與調(diào)制指數(shù)mf 有關(guān)。 mf 越大，門限值越高。不過(guò) 不同mf 時(shí)，門限值的變化不 大，大約在811dB的范圍內(nèi) 變化，一般認(rèn)為門限值為10 dB左右。 在門限值以上時(shí)， (So /No)FM與(Si /Ni)FM呈線性關(guān)系，且mf 越大，輸出信噪比的改善越明顯。,45,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),在門限值以下時(shí)， (So /No)FM將隨(Si /Ni)FM的下降而急劇下降。且mf越大， (So /No)FM下降越快。 門限效應(yīng)是FM系統(tǒng)存在的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題。尤其在采用調(diào)頻制的遠(yuǎn)距離通信和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中，對(duì)調(diào)頻接收機(jī)的門限效應(yīng)十分關(guān)注，希望門限點(diǎn)向低輸入信噪比方向擴(kuò)展。 降低門限值（也稱門限擴(kuò)展）的方法有很多，例如，可以采用鎖相環(huán)解調(diào)器和負(fù)反饋解調(diào)器，它們的門限比一般鑒頻器的門限電平低610dB。 還可以采用“預(yù)加重”和“去加重”技術(shù)來(lái)進(jìn)一步改善調(diào)頻解調(diào)器的輸出信噪比。這也相當(dāng)于改善了門限。,46,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),4.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較,47,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),抗噪聲性能 WBFM抗噪聲性能最好， DSB、SSB、VSB抗噪聲 性能次之，AM抗噪聲性 能最差。 右圖畫出了各種模擬調(diào)制 系統(tǒng)的性能曲線,圖中的圓 點(diǎn)表示門限點(diǎn)。 門限點(diǎn)以下，曲線迅速下跌；門限點(diǎn)以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf = 6）的信噪比比AM高22dB。 當(dāng)輸入信噪比較高時(shí)，F(xiàn)M的調(diào)頻指數(shù)mf越大，抗噪聲性能越好。,48,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng),頻帶利用率 SSB的帶寬最窄，其頻帶利用率最高；FM占用的帶寬隨調(diào)頻指數(shù)mf的增大而增大，其頻帶利用率最低?？梢哉f(shuō)，F(xiàn)M是以犧牲有效性來(lái)?yè)Q取可靠性的。因此， mf值的選擇要從通信質(zhì)量和帶寬限制兩方面考慮。對(duì)于高質(zhì)量通信（高保真音樂(lè)廣播，電視伴音、雙向式固定或移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信和蜂窩電話系統(tǒng)）采用WBFM， mf值選大些。對(duì)于一般通信，要考慮接收微弱信號(hào)，