通信原理-第4章

《通信原理》

第4章

江蘇師范大學(xué)

李全彬14.1引言4.2幅度調(diào)制4.3角度調(diào)制4.4線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能4.5角度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能第四章模擬通信系統(tǒng)2m(t)是隨機(jī)信號(hào)。可以通過自相關(guān)函數(shù)Rm(t)和功率譜密度PM(f)來描述，并且其頻譜位于f=0

附近，稱m(t)為基帶信號(hào)，又由于它是模擬信號(hào)，故稱為模擬基帶信號(hào)。

4.1引言3在頻帶信道中傳輸模擬基帶信號(hào)，需要通過正弦波載波將低通型的模擬基帶信號(hào)變換為頻帶信號(hào)，這就是調(diào)制。

模擬信源信息經(jīng)過傳感器變?yōu)殡娦盘?hào)m(t)，m(t)為模擬信號(hào)。

載波信號(hào)：

4.1引言4已調(diào)信號(hào)：

調(diào)制信號(hào)：m(t)本章默認(rèn)m(t)的均值為0、帶寬為W

調(diào)制的方法：51.幅度調(diào)制：AM（AmplitudeModulation）按m(t)的幅度變化規(guī)律去控制載波的幅度調(diào)制的方法：62.頻率調(diào)制：FM（FrequencyModulation）使載波的瞬時(shí)頻率隨著調(diào)制信號(hào)m(t)的強(qiáng)弱而產(chǎn)生頻率偏移而載波幅度維持不變調(diào)制的方法：73.相位調(diào)制：PM（PhaseModulation）載波的相位對(duì)其參考相位的偏離值隨調(diào)制信號(hào)m(t)的瞬時(shí)值成比例變化調(diào)制的作用：（1）頻譜搬移，適應(yīng)頻帶信道的帶通特性（2）實(shí)現(xiàn)信道的頻分復(fù)用我國(guó)的調(diào)頻廣播頻率范圍：87.5M-108M;無繩電話：108M-150M;民航：118M-137M;武警公安：350M;業(yè)余無線電：頻率分配表;民用對(duì)講機(jī)：409M-410M（3）提高通信的有效性和可靠性（抗噪聲能力提高）8幅度調(diào)制方法：(1)雙邊帶抑制載波調(diào)幅(DSB-SC)(2)具有離散大載波的雙邊帶調(diào)幅(AM)(3)單邊帶調(diào)幅(SSB)(4)殘留邊帶調(diào)幅(VSB)4.2幅度調(diào)制91.DSB-SC信號(hào)的產(chǎn)生4.2.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅(DSB-SCAM)10Double-SideBandSuppressed-CarrierAM雙邊帶抑制載波調(diào)幅示例（1）m(t)為確定信號(hào)2.DSB-SC信號(hào)的頻譜特性12載波信號(hào)c(t)的頻譜：13|f|>fc的頻率分量稱為s(f)的上邊帶|f|<fc的頻率分量稱為s(f)的下邊帶1.上下邊帶攜帶相同的信息2.s(f)頻譜中不含離散的載波載頻分量例題：18

模擬基帶信號(hào)m(t)為隨機(jī)過程M(t)的樣本函數(shù)，調(diào)幅信號(hào)s(t)也是隨機(jī)過程S(t)的樣本函數(shù)。如果M(t)是平穩(wěn)隨機(jī)過程，則S(t)是循環(huán)平穩(wěn)隨機(jī)過程。其平均自相關(guān)函數(shù)：（2）m(t)為隨機(jī)信號(hào)19所以：DSB-SCAM信號(hào)的雙邊功率譜密度：此關(guān)系對(duì)隨機(jī)m(t)的所有樣本都成立雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號(hào)的相干解調(diào)20不考慮噪聲時(shí)的接收信號(hào)為乘以本地載波2cos(2pfct+j)最后一項(xiàng)可以用低通濾波器濾除，從而得到21DSB-SC信號(hào)的相干解調(diào)這種信號(hào)載波的載頻和相位與恢復(fù)載波的頻率和相位相同的解調(diào)方式，稱為相干解調(diào)（也稱同步解調(diào)）理想相干解調(diào)器必須滿足jc=j，即：接收端能復(fù)制出一個(gè)與發(fā)送載波完全一致的載波.接收端重建發(fā)送載波的方法有多種，例如：(1)發(fā)端加一離散的載頻分量，該分量稱為導(dǎo)頻(pilot)(2)用一些信號(hào)處理技術(shù)從接收的DSB-SC信號(hào)中提取發(fā)送載波。例如：平方環(huán)、COSTAS環(huán)（第6章）。載波提取22DSB-SCAM因?yàn)檩d波被抑制，接收端必須具有載波恢復(fù)電路，不經(jīng)濟(jì)。1.具有離散大載波的雙邊帶幅度調(diào)制信號(hào)(AM)(又稱標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅，簡(jiǎn)記為AM)4.2.2具有離散大載波的雙邊帶

幅度調(diào)制（ＡＭ）23AM信號(hào)波形AM信號(hào)可以表示為一個(gè)DSB-SC信號(hào)和一個(gè)純載波的和

AM信號(hào)的產(chǎn)生24即：稱標(biāo)量因子a為調(diào)制指數(shù)或調(diào)幅系數(shù)25默認(rèn)假設(shè)m(t)的幅度小于1定義則可寫成復(fù)包絡(luò)為例題：AM信號(hào)可以表示為一個(gè)DSB-SC信號(hào)和一個(gè)純載波的和

因此其功率譜是DSB-SC的功率譜增加一個(gè)載頻線譜

2.AM信號(hào)的頻譜特性28與DSB-SC相比，頻譜多出了離散大載波分量例題：思考：AM調(diào)制的效率如何？為什么還會(huì)是標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅呢？34

模擬基帶信號(hào)m(t)為隨機(jī)過程M(t)的樣本函數(shù)，調(diào)幅信號(hào)s(t)也是隨機(jī)過程S(t)的樣本函數(shù)。如果M(t)是平穩(wěn)隨機(jī)過程，則S(t)是循環(huán)平穩(wěn)隨機(jī)過程。其平均自相關(guān)函數(shù)：（2）m(t)為隨機(jī)信號(hào)35所以：AM信號(hào)的雙邊功率譜密度：36AM信號(hào)的調(diào)制效率AM信號(hào)的調(diào)制效率為攜帶消息的已調(diào)信號(hào)功率與已調(diào)信號(hào)總功率之比。AM除了可以像DSB-SC那樣采用相干解調(diào)外，還可以用包絡(luò)檢波器解調(diào)，從而免除提取同步載波這個(gè)過程包絡(luò)檢波過程：二極管整流+低通濾波器3.AM信號(hào)的解調(diào)37思考：DSB-SCAM可以采用包絡(luò)檢波解調(diào)嗎？圖4.2.11利用邊帶濾波法產(chǎn)生單邊帶信號(hào)4.2.3單邊帶調(diào)幅(SSBAM)1.單邊帶調(diào)幅信號(hào)的產(chǎn)生及其表示式39SingleSideBandAM40單邊帶調(diào)制的頻譜關(guān)系41上單邊帶調(diào)制的復(fù)包絡(luò)是m(t)的正頻率部分（解析信號(hào)）同理圖4.2.13產(chǎn)生單邊帶調(diào)幅信號(hào)的又一方法423.單邊帶調(diào)幅信號(hào)的相干解調(diào)4344復(fù)包絡(luò)的實(shí)部為SSB的復(fù)包絡(luò)為說明：SSBAM的優(yōu)點(diǎn)是功率利用率和頻帶利用率都很高，帶寬只有DSB-SCAM的一半。發(fā)送和接收設(shè)備都比較復(fù)雜，一般用于頻帶比較擁擠的場(chǎng)合，如短波廣播和頻分多路復(fù)用系統(tǒng)中。SSBAM要求濾波器在載頻附近有陡峭的截止特性，對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)還能滿足，對(duì)于視頻信號(hào)則難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐曨l信號(hào)中直流分量和低頻分量豐富，SSBAM中濾波器性能的不理想會(huì)引起失真。圖4.2.14殘留邊帶調(diào)幅4.2.4殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)46VestigialSideBandAM比較48VSB濾波器的等效低通為H(f+fc)VSB信號(hào)的復(fù)包絡(luò)頻譜為復(fù)包絡(luò)實(shí)部為49復(fù)包絡(luò)實(shí)部的頻譜為如欲解調(diào)出m(t)，必須在載頻附近，H(f)必須具有互補(bǔ)對(duì)稱性模擬幅度調(diào)制屬于線性調(diào)制：把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到載波頻率兩側(cè)而成為上、下邊帶，只改變頻譜中各分量的頻率，但不改變各分量振幅的相對(duì)比例（上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與調(diào)制信號(hào)的頻譜相同，下邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)則是調(diào)制信號(hào)頻譜的鏡像）在調(diào)頻系統(tǒng)中，載波的頻率隨基帶信號(hào)變化。在調(diào)相系統(tǒng)中，載波的相位隨基帶信號(hào)變化。調(diào)頻及調(diào)相均屬非線性調(diào)制，統(tǒng)稱為角度調(diào)制。角度調(diào)制的占有較寬的信道帶寬，通常是基帶信號(hào)帶寬的許多倍。角度調(diào)制系統(tǒng)是以犧牲帶寬來?yè)Q取高的抗噪能力。4.3角度調(diào)制51對(duì)于Accosq，稱q為角度4.3.1調(diào)頻及調(diào)相信號(hào)52為瞬時(shí)角頻率稱為瞬時(shí)頻率偏移（瞬時(shí)頻偏）稱若q為是t的函數(shù)q(t)為信號(hào)的相位函數(shù)若s(t)為帶通信號(hào)，其載波頻率是fc，則q(t)可以寫成53角度調(diào)制信號(hào)s(t)可以表示為：則s(t)的瞬時(shí)頻偏為：即：為瞬時(shí)相位偏移對(duì)于調(diào)制信號(hào)m(t)54線性調(diào)相：在任何時(shí)刻t，瞬時(shí)相偏是m(t)的線性函數(shù)：線性調(diào)頻：在任何時(shí)刻t，瞬時(shí)頻偏是m(t)的線性函數(shù)：稱Kp為相位偏移常數(shù)，稱Kf為頻率偏移常數(shù)則：調(diào)相信號(hào)(PM)的表達(dá)式為：55線性調(diào)相：在任何時(shí)刻t，瞬時(shí)相偏是m(t)的線性函數(shù)：56則：調(diào)頻信號(hào)（FM）表達(dá)式為：線性調(diào)頻：在任何時(shí)刻t，瞬時(shí)頻偏是m(t)的線性函數(shù)：PM與FM的關(guān)系57先微分再調(diào)頻=調(diào)相先積分再調(diào)相=調(diào)頻幾個(gè)概念：58調(diào)相系統(tǒng)(PM)的最大相位偏移：調(diào)頻系統(tǒng)(FM)的最大頻率偏移：調(diào)相系統(tǒng)(PM)的調(diào)制指數(shù)：調(diào)頻系統(tǒng)(FM)的調(diào)制指數(shù)：W為m(t)的帶寬例題：解：調(diào)相系統(tǒng)（PM）：調(diào)頻系統(tǒng)（FM）：調(diào)相系統(tǒng)(PM)的調(diào)制指數(shù)：調(diào)頻系統(tǒng)(FM)的調(diào)制指數(shù)：則其PM或FM的有效帶寬為：62其中b是調(diào)制指數(shù)卡松公式角度調(diào)制信號(hào)的有效帶寬計(jì)算方法設(shè)基帶信號(hào)對(duì)于FM信號(hào)，有效帶寬還可以表示為：63b是調(diào)頻指數(shù)角度調(diào)制信號(hào)的有效帶寬計(jì)算方法設(shè)基帶信號(hào)其中Df是最大頻偏例題：解：（1）問題：調(diào)頻信號(hào)帶寬和調(diào)幅信號(hào)帶寬相比，有什么明顯的不同？1.直接調(diào)頻圖4.3.3利用VCO做調(diào)頻器4.3.3角度調(diào)制器與解調(diào)器67Voltage-ControlledOscillator68VCO可滿足調(diào)頻的大頻偏要求，但很難同時(shí)保證VCO中心頻率的穩(wěn)定性要求，因此，實(shí)際中常用鎖相環(huán)方案。圖4.3.4利用鎖相環(huán)的寬帶調(diào)頻器2間接調(diào)頻圖4.3.5窄帶與寬帶角調(diào)信號(hào)產(chǎn)生框圖不一定是需要的載頻上/下變頻（混頻+帶通）3調(diào)頻解調(diào)器(1)普通鑒頻器圖4.3.6普通鑒頻器的原理框圖將幅度恒定的調(diào)頻波變?yōu)檎{(diào)幅調(diào)頻波，即幅度和頻率都隨m(t)線性變化。圖4.3.8調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)框圖(2)調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)方案引入負(fù)反饋后，鑒頻器輸入端的調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制指數(shù)變小，帶寬變窄。圖4.3.9利用鎖相環(huán)作調(diào)頻解調(diào)器(3)利用鎖相環(huán)作調(diào)頻解調(diào)器比較輸入和輸出信號(hào)的相位差，變?yōu)殡娦盘?hào)去控制VCOFM的產(chǎn)生與解調(diào)

圖4.4.1通過加性噪聲信道傳輸?shù)哪M通信系統(tǒng)解調(diào)模型4.4線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能寬帶白噪聲窄帶白噪聲帶通濾波器窄帶噪聲的表示式之一為圖4.4.2窄帶白高斯噪聲n(t)的雙邊功率譜密度圖4.4.3nc(t)及ns(t)的雙邊功率譜密度已知：調(diào)制信號(hào)帶寬為W，接收的有用信號(hào)功率為PR，噪聲的雙邊功率譜密度為N0/2求：相干解調(diào)輸出的信噪比4.4.1雙邊帶抑制載波調(diào)幅系統(tǒng)

的抗噪聲性能77接收信號(hào)是78對(duì)r(t)作相關(guān)解調(diào)：（1）解調(diào)輸出信號(hào)平均功率：（2）解調(diào)輸出噪聲平均功率：（3）解調(diào)輸出信噪比：（4）解調(diào)輸入信號(hào)平均功率：82

模擬基帶信號(hào)m(t)為隨機(jī)過程M(t)的樣本函數(shù)，調(diào)幅信號(hào)s(t)也是隨機(jī)過程S(t)的樣本函數(shù)。如果M(t)是平穩(wěn)隨機(jī)過程，則S(t)是循環(huán)平穩(wěn)隨機(jī)過程。其平均自相關(guān)函數(shù)：DSB-SCAM:

m(t)為隨機(jī)信號(hào)

P65,4.2.6-4.2.7（4）解調(diào)輸入信號(hào)平均功率：（5）解調(diào)輸入噪聲平均功率：（6）解調(diào)輸入信噪比：解調(diào)輸出信噪比：解調(diào)輸入信噪比：結(jié)論：DSB-SCAM的相關(guān)解調(diào)輸出信噪比是輸入信噪比的2倍。2023/2/6854.4.2.SSB調(diào)幅系統(tǒng)的抗噪聲性能SSB調(diào)幅信號(hào)解調(diào)器輸入信號(hào)解調(diào)器相乘器輸出信號(hào)解調(diào)器輸出信號(hào)基帶信號(hào)噪聲分量2023/2/686解調(diào)器輸入信噪比(1)解調(diào)器輸入端的信號(hào)信號(hào)(2)解調(diào)器輸入端的信號(hào)平均功率循環(huán)平穩(wěn)過程噪聲噪聲2023/2/687解調(diào)器輸入信噪比(3)解調(diào)器輸入端的噪聲平均功率(4)解調(diào)器輸入信噪比2023/2/688解調(diào)器輸出信噪比(5)解調(diào)器輸出信號(hào)的平均功率(6)解調(diào)器輸出噪聲的平均功率2023/2/689(7)解調(diào)器輸出信噪比解調(diào)器輸入端的平均功率(8)SSB-SCAM系統(tǒng)的調(diào)制增益2023/2/690DSB-SCAM系統(tǒng)與SSB系統(tǒng)的比較(抗噪聲性能)從抗噪聲的觀點(diǎn)看，單邊帶的解調(diào)性能和雙邊帶是相同的，因?yàn)檩敵鲂旁氡认嗤?。雙邊帶解調(diào)性能比單邊帶好？2023/2/6914.4.3.具有離散大載波的

雙邊帶調(diào)幅系統(tǒng)的抗噪聲性能(1).相干解調(diào)AM信號(hào)解調(diào)器輸入信號(hào)解調(diào)器低通濾波輸出信號(hào)解調(diào)器隔直電路輸出信號(hào)解調(diào)器輸入信號(hào)功率解調(diào)器輸入噪聲功率2023/2/692：調(diào)制效率一般情況<<1解調(diào)增益很低2023/2/693(2)包絡(luò)檢波a.大信噪比情況與相干解調(diào)僅差一個(gè)常數(shù)，輸入、輸出信噪比相同結(jié)論：大信噪比條件下，AM包絡(luò)檢波的性能和相干解調(diào)近似相同。2023/2/694b.小信噪比情況輸出信號(hào)和噪聲是相乘的此項(xiàng)<<其它項(xiàng)x<<1時(shí)，結(jié)論：小信噪比時(shí)，AM包絡(luò)檢波輸出信號(hào)是和噪聲相乘的，此時(shí)無法區(qū)分信號(hào)。2023/2/695門限效應(yīng)在小信噪比情況下，包絡(luò)檢波器會(huì)把有用信號(hào)擾亂成噪聲，這種現(xiàn)象通常稱為“門限效應(yīng)”

所謂門限效應(yīng)，就是在輸入信噪比降到一個(gè)特定的

數(shù)值后，出現(xiàn)輸出信噪比急劇惡化的一種現(xiàn)象。該特定的信噪比就稱“門限”

是由包絡(luò)檢波器的非線性解調(diào)作用引起的線性調(diào)制抗噪聲性能分析總結(jié)2023/2/696DSB-SCAM調(diào)制調(diào)制器輸入端信號(hào)功率調(diào)制器輸入端噪聲功率調(diào)制器輸入端信噪比調(diào)制器輸出端信號(hào)功率調(diào)制器輸出端噪聲功率調(diào)制器輸出端信噪比2023/2/697線性調(diào)制抗噪聲性能分析總結(jié)SSBAM調(diào)制調(diào)制器輸入端信號(hào)功率調(diào)制器輸入端噪聲功率調(diào)制器輸出端信號(hào)功率調(diào)制器輸出端噪聲功率調(diào)制器輸入端信噪比調(diào)制器輸出端信噪比2023/2/6984.5.

角度調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能2023/2/699信號(hào)分量噪聲分量噪聲分量等效噪聲帶寬（卡松公式）為解調(diào)輸入信號(hào)的功率為解調(diào)輸入信噪比2023/2/6100解調(diào)輸入信號(hào)的信噪比為解調(diào)輸入噪聲的功率為2023/2/6101帶通噪聲的包絡(luò)帶通噪聲的相位解調(diào)輸出信噪比解調(diào)輸出p2023/2/6北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@103輸入信噪比高時(shí)：噪聲分量ns(