第四章 模擬通信系統(tǒng)

第四章模擬通信系統(tǒng)彭濤pengtao@4.1引言模擬信源的輸出M(t)模擬信源的一個確知輸出信號m(t)4.1引言用正弦型載波調(diào)制模擬基帶信號調(diào)制就是用載波c(t)承載信號m(t)，實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。方法是用m(t)控制載波參量4.1引言調(diào)制的作用實(shí)現(xiàn)信號的頻譜搬移，適應(yīng)在頻帶信道內(nèi)的傳輸當(dāng)頻帶信道帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬時，可以將多路基帶信號調(diào)制到互不重疊的頻帶上，充分利用信道帶寬，實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用（FDM）不同的調(diào)制方式具有不同的有效性和可靠性（如FM的可靠性好而有效性差，AM有效性好而可靠性差），可以根據(jù)需要選用合適的調(diào)制方法4.1引言本章內(nèi)容三種調(diào)制（AM，F(xiàn)M和PM）的信號表示，頻譜分析和解調(diào)原理三種調(diào)制在加性白高斯噪聲干擾下的解調(diào)性能多路信號的FDM簡述超外差接收機(jī)通信系統(tǒng)中接收機(jī)的噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度4.2幅度調(diào)制調(diào)幅：用模擬基帶信號m(t)來控制載波的幅度參量Ac四種幅度調(diào)制的方法雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）具有離散大載波的雙邊帶調(diào)幅（AM）單邊帶調(diào)幅（SSBAM）殘留邊帶調(diào)幅（VSBAM）4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）信號的產(chǎn)生和表達(dá)式4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）信號m(t)和s(t)的波形圖（圖4.2.2）

4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）確定調(diào)制信號s(t)的頻譜4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）確定調(diào)制信號s(t)的頻譜圖4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）確定調(diào)制信號s(t)的頻譜的性質(zhì)經(jīng)調(diào)制后，調(diào)制信號的帶寬變?yōu)樵鶐盘柕?倍：模擬基帶信號帶寬為W，則調(diào)制信號的帶寬為2W調(diào)制信號中不包含離散的載頻分量：因?yàn)樵M基帶信號中不含離散直流分量4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）確定調(diào)制信號s(t)的頻譜的性質(zhì)

4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）隨機(jī)調(diào)制信號S(t)4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）隨機(jī)調(diào)制信號S(t)的平均功率譜密度4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）雙邊帶抑制載波調(diào)幅的特點(diǎn)調(diào)制信號的帶寬變?yōu)樵鶐盘柕?倍調(diào)制信號中不包含離散的載頻分量（抑制載波）包含上下兩個邊帶，且攜帶相同信息（雙邊帶）不論是確定信號的頻譜，還是隨機(jī)信號的功率譜，都是基帶信號頻譜/功率譜的線性搬移。因而被稱為線性調(diào)制。4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號的解調(diào)基本思路：利用恢復(fù)的載波與信號相乘，將頻譜搬移到基帶，還原出原基帶信號4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號的解調(diào)4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號的解調(diào)當(dāng)恢復(fù)載波與原載波頻率不完全一樣時，解調(diào)信號是原基帶信號與低頻正弦波的乘積若恢復(fù)載波與原載波頻率相同，而相位不同時，輸出信號達(dá)不到最大值相干解調(diào)（同步解調(diào)）：利用相干載波（頻率和相位都與原載波相同的恢復(fù)載波）進(jìn)行的解調(diào)4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SCAM）相干載波的提取導(dǎo)頻法：在發(fā)送端加上一離散的載頻分量，即導(dǎo)頻（圖4.2.7）；在接收端用窄帶濾波器提取出來作為相干載波注意：導(dǎo)頻的功率要求比調(diào)制信號的功率?。ㄟ@是與有大離散載波的調(diào)幅信號的區(qū)別所在）缺點(diǎn)：一部分發(fā)射功率消耗在導(dǎo)頻上不需導(dǎo)頻的方法：平方環(huán)法、COSTAS環(huán)法4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM出現(xiàn)：是低價調(diào)幅收音機(jī)的需要DSBSC-AM的問題：解調(diào)需要載波提取電路，成本較高AM的優(yōu)勢：可以使用包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)，成本低；大功率離散載波造成的成本問題由廣播電臺解決4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）具有離散大載波的雙邊帶調(diào)幅信號多大的離散載波：確保使調(diào)制信號不產(chǎn)生相位突變（圖4.2.8）4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM確定信號的頻譜其頻譜是DSBSC-AM信號的頻譜加上離散大載波的頻譜4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM隨機(jī)信號4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM隨機(jī)信號的功率譜4.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM隨機(jī)信號的功率譜的特點(diǎn)其功率譜是DSBSC-AM信號的功率譜加上離散大載波的功率譜AM的調(diào)制效率不超過1/24.2.2具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制（AM）AM信號的解調(diào)（包絡(luò)檢波）整流：只保留信號中幅度大于0的部分（圖4.2.10）低通濾波器：過濾出基帶信號隔直流電容：過濾掉直流分量包絡(luò)檢波不需載波提取電路，成本低；它屬于非相干解調(diào)4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）雙邊帶調(diào)幅的頻帶浪費(fèi)問題上下兩個邊帶攜帶著相同的信息，造成頻率資源的浪費(fèi)解決方法：只要一個邊帶即可4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM信號的產(chǎn)生4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）確定下邊帶調(diào)幅信號的頻譜4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）確定下邊帶調(diào)幅信號的表達(dá)式4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM信號的表達(dá)式SSBAM信號的另一產(chǎn)生法（圖4.2.13）使用希爾伯特濾波器（利用上面表達(dá)式）4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM信號的另一種表達(dá)式4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM隨機(jī)信號4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM隨機(jī)信號的功率譜4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）SSBAM信號的相干解調(diào)（圖4.2.15）4.2.3單邊帶調(diào)幅（SSBAM）具有離散大載波的SSBAM信號的非相干解調(diào)：當(dāng)離散大載波的幅度遠(yuǎn)大于信號幅度時，可以使用包絡(luò)檢波進(jìn)行解調(diào)4.2.4殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)單邊帶調(diào)幅的問題產(chǎn)生單邊帶調(diào)幅信號需要使用邊帶濾波器對于含有直流分量和低頻分量豐富的信號（如視頻信號），邊帶濾波器必須具有極其陡峭的截止特性，實(shí)現(xiàn)非常困難對于不含直流分量且低頻成分很少的信號（如語聲信號），邊帶濾波器比較容易實(shí)現(xiàn)VSBAM可以解決邊帶濾波器的問題4.2.4殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)問題：怎樣的帶通濾波器能使經(jīng)調(diào)制的信號在接收端能得以還原？發(fā)送端接收端m(t)=y(t)?4.2.4殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)求解H(f)4.2.4殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)可見，使得y(t)=m(t)的條件是這就是殘留邊帶調(diào)幅對發(fā)送端帶通濾波器的要求4.3角度調(diào)制角度調(diào)制：用模擬基帶信號m(t)控制載波相角的調(diào)制方式。調(diào)頻和調(diào)相都屬于角度調(diào)制角調(diào)信號的時域表達(dá)式4.3.1調(diào)頻及調(diào)相信號PM和FM中的相位PM和FM的關(guān)系4.3.1調(diào)頻及調(diào)相信號幾個參數(shù)的定義PM系統(tǒng)FM系統(tǒng)4.3.1調(diào)頻及調(diào)相信號窄帶角度調(diào)制窄帶角度調(diào)制信號的帶寬是基帶信號帶寬的兩倍，與AM信號相似實(shí)際中很少應(yīng)用4.3.2角度調(diào)制信號的頻譜特性角度調(diào)制信號的頻譜特性很難精確求出，下面主要考慮兩種情況基帶信號是單一的正弦信號基帶信號是一般的確定信號對于均值為零的平穩(wěn)高斯過程，其角度調(diào)制信號的功率譜分析十分復(fù)雜，不作介紹4.3.2角度調(diào)制信號的頻譜特性正弦基帶信號的角度調(diào)制有效帶寬的定義包含98%或99%的信號功率的帶寬，稱為信號的有效帶寬利用上述兩點(diǎn)即可求正弦基帶信號的角度調(diào)制信號的有效帶寬4.3.2角度調(diào)制信號的頻譜特性單一正弦信號的角度調(diào)制信號的有效帶寬計(jì)算近似公式一般的確定信號的角度調(diào)制信號的有效帶寬的計(jì)算：卡松公式4.3.2角度調(diào)制信號的頻譜特性角度調(diào)制與幅度調(diào)制的比較幅度調(diào)制是線性調(diào)制，頻譜只發(fā)生搬移；角度調(diào)制是非線性調(diào)制，頻譜與基帶信號相比發(fā)生了很大的變化幅度調(diào)制信號帶寬窄（一倍到兩倍的基帶信號帶寬），是有效性高而可靠性差的調(diào)制；而角度調(diào)制帶寬遠(yuǎn)大于基帶信號帶寬（使用大的調(diào)制指數(shù)時），是用大帶寬（低有效性）換取高可靠性的調(diào)制4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器調(diào)相信號可以由調(diào)頻器得到，下面只討論產(chǎn)生調(diào)頻信號的方法1.直接調(diào)頻第二個方法的優(yōu)點(diǎn)：解決VCO中心頻率穩(wěn)定性問題4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器2.間接調(diào)頻4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器1.普通鑒頻器解調(diào)A.用微分器實(shí)現(xiàn)從調(diào)頻信號到調(diào)頻調(diào)幅信號的變換B.用調(diào)諧電路的上升頻率特性實(shí)現(xiàn)到調(diào)頻調(diào)幅信號的變換（圖4.3.7）兩種方法中，包絡(luò)檢波器的輸入噪聲均為為調(diào)頻信號帶寬內(nèi)噪聲，即為寬帶噪聲4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器2.調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)當(dāng)Kv>>1時，e’(t)是窄帶調(diào)頻信號（帶寬匹配于基帶信號帶寬），這樣中頻濾波器、鑒頻器和低通濾波都可使用窄帶器件，有效的抑制了噪聲4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器3.鎖相環(huán)解調(diào)環(huán)路濾波器G(f)的帶寬與基帶信號帶寬一樣，因而鎖相環(huán)解調(diào)也可以有效抑制噪聲4.4線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能通過加性白高斯噪聲信道的解調(diào)模型4.4.1DSB-SCAM系統(tǒng)的抗噪聲性能4.4.1DSB-SCAM系統(tǒng)的抗噪聲性能4.4.2SSBAM系統(tǒng)的抗噪聲性能4.4.2SSBAM系統(tǒng)的抗噪聲性能4.4.3AM系統(tǒng)的抗噪聲性能相干解調(diào)性能4.4.3AM系統(tǒng)的抗噪聲