第3章 模擬傳輸2015

通信原理第3章模擬傳輸作業(yè):2,3,4,12,13,14,16,18,20,22(新版)重點:§3.1.1-§3.1.3;§3.2;§3.3.1-§3.3.3;§3.5.1-§3.5.2自學:§3.1.4;§3.3.4;§3.5.31第2章作業(yè):認真閱讀課本數(shù)字通信系統(tǒng)——傳輸數(shù)字消息的通信系統(tǒng)；信源消息消息符號序列檢測判決調制解調放大耦合信道信號拾取成型脈沖濾波器g(t)ABAB對于二進制系統(tǒng)，xn∈{-1,1},g(t)為持續(xù)時間為T的矩形脈沖數(shù)字通信系統(tǒng)——傳輸數(shù)字消息的通信系統(tǒng)；信源消息消息符號序列檢測判決調制解調放大耦合信道信號拾取成型脈沖濾波器g(t)ABAB對于16進制系統(tǒng)，xn=an+jbn,an,bn∈{±1,±3},g(t)為持續(xù)時間為的矩形脈沖,對于4進制系統(tǒng)，an,bn∈{+1,-1},第3章模擬傳輸模擬傳輸核心內容----模擬信號的調制、解調3.1幅度調制3.2模擬角度調制3.3幅度調制系統(tǒng)的抗噪聲性能3.4*角度調制系統(tǒng)的抗噪聲性能3.5各類通信系統(tǒng)的比較與應用(發(fā)射器)(接收器)4調制是將基帶信號轉換為頻帶信號，而解調是將頻帶信號變換為基帶信號，其本質是進行頻譜的搬移3.0帶通信號與帶通系統(tǒng)g(t)g(t)數(shù)字通信系統(tǒng)——傳輸數(shù)字消息的通信系統(tǒng)；信源消息消息符號序列調制成型脈沖濾波器g(t)對于16進制系統(tǒng)，xn=an+jbn,an,bn∈{±1,±3},g(t)為持續(xù)時間為的矩形脈沖消息符號序列串并轉換帶通信號主體上是正弦波，包絡隨緩慢波動，相位隨緩慢“抖動”。帶通信號本質含兩個要素：復包絡與載頻6

調制(Modulation)調制實現(xiàn)的模型----通常用乘法器來實現(xiàn)m(t)調制信號(消息信號，通常是低通信號)s(t)已調信號(調制器的輸出信號是頻帶信號)載波信號(單頻正弦信號，調制器的輸入信號之一)正弦波又稱為載波，是個確知信號；消息信號又稱為調制信號(modulatingsignal)輸出信號又稱為已調制信號(modulatedsignal)7信號處理m(t)m(t)xL(t)頻譜搬移s(t)已調制信號表示的一般模型fc

---thecarrierfrequencyand

wherexL(t)---thecomlexenvelopeofs(t)經(jīng)過頻譜上搬移后獲得已調制信號為帶通信號，任何一個物理帶通信號均可以表示為：復包絡xL(t)是消息信號或調制信號的函數(shù)8注意：帶通噪聲的表達式與上式相同。9常規(guī)調幅抑制載波的雙邊調制相位調制頻率調制正交幅度調制(發(fā)射器)(接收器)結論:

調制器的主要任務有兩項：是的線性組合，則調制為線性調制是的非線性組合，則調制為非線性調制(1)即將攜帶信息的信號m(t)映射成基帶復包絡信號xL(t);(2)將xL(t)

的頻譜搬移中心頻率fc處3.1幅度調制幅度調制----用信號去迫使高頻載波瞬時幅度變化。模擬常規(guī)調幅（amplitudemodulation,AM）抑制載波雙邊帶調幅

(Double-sidebandsuppressedcarrier,DSB-SC）單邊帶調幅（single-sideband,SSB）殘留邊帶調幅（Vestigialsideband,VSB）即:在高頻載波瞬時幅度的變化中包含有信息111.常規(guī)調幅(AM)產(chǎn)生方案：復包絡：(1)時域信號表達式：m(t)是歸一化消息信號，即max|m(t)|<=1xL(t)sAM(t)通過信號的包絡來直接反映消息信號的變化規(guī)律的一種線性調制技術12Why？(2)波形xL(t)sAM(t)結論：已調信號的振幅包絡直接反映了消息信號的變化規(guī)律當max|m(t)|>1,產(chǎn)生過調制結論：已調信號的振幅包絡不再直接反映消息信號的變化規(guī)律13(3)調幅指數(shù)：：正常情況；：臨界調制；：過調制14(4)頻域分析頻譜：

頻譜圖：基帶信號AM信號15(5)功率物理意義：調制信號總功率中用于傳輸信息的信號所占的功率的比例思考：不發(fā)生過調制的情況下，m(t)為直流時和幅度為1的正弦信號時，AM信號的最大調制效率為多少？(6)調制效率(Modulationefficiency)16常用的晶體二極管包絡檢波器：輸出電壓波形：非相干解調：接收機不需要產(chǎn)生與接收信號中的載波完全同頻同相的本地載波的接收方式

(7).接收17a.線性調制(Linearmodulation)b.雙邊帶信號(Doublesidebandmodulation)theuppersideband(USB)thelowersideband(LSB)c.d.可以使用包絡檢波來解調SummaryforAM18e.Modulationefficiencyisverylow.(1)DSB-SC信號波形：復包絡：2.抑制載波雙邊帶調幅為改善常規(guī)AM調制調制效率低的局限，來對AM進行改進19UpsidebandLowsideband(2)頻域分析頻譜：

20反相點(3)功率與效率調制效率相干解調原理圖：(4).接收相干解調：接收端需產(chǎn)生本地載波的解調方法。即為了獲得該信號，接收機需要有專門的載波同步電路

思考題：常規(guī)振幅調制可以使用相干解調嗎？21SummaryforDSB-SCModulationefficiencybeing100%；需使用相干解調(Coherentdemodulation)ThebandwidthbeingthesameasAM,2Bbaseband;頻譜包含兩個邊帶，但不含載頻223.單邊帶調幅為進一步提高DSB-SC的頻譜效率，對DSB-SC進行改進只取DSB-SC信號中的上邊帶或下邊帶分量。上邊帶信號：下邊帶信號：(1)概述23保留下邊帶的邊帶濾波器：(2)基本的產(chǎn)生方法：濾波法保留上邊帶的邊帶濾波器：USBLSB24(3)相移法:Hilbert變換的應用所以的時域形式：根據(jù)Hilbert變換可知：25時域統(tǒng)一式：復包絡統(tǒng)一式：實現(xiàn)框圖26III：Weaver’smethodReadingbyyourself27Readingbyyourself28USB29(4).接收3031SSB信號的數(shù)字解調NCO解調輸出SSB的一種數(shù)字解調Hilbert變換4.殘留邊帶調幅：殘留邊帶濾波器的傳遞函數(shù)，在處的過渡帶形狀必須對稱互補。32(發(fā)射器)(接收器)33模擬通信系統(tǒng)模擬信源產(chǎn)生的連續(xù)消息符號通過換能器轉化為時間連續(xù)的信號m(t)消息信號m(t)經(jīng)過調制，轉換為適用于信道傳輸?shù)念l帶信號5.Summary(線性調制)接收端的解調是關鍵，分相干和非相干解調5.LinearmodulationSummaryAMDSBIncreasingmodulationefficiencyIncreasingspectrumefficiencySSBEasilyrealizedbyfilter將頻譜效率和工程上易于實現(xiàn)綜合考慮VSB34(a)解決問題的思路和歷程(b)時域波形3536(c)頻譜比較Example3-1iflinearmodulatedsignalisasfollowing:(1)s1(t)=cos(ω0t)cos(ωct)

(2)s2(t)=(1+0.5sin(ω0t))cos(ωct)

Whereωc=6ω0,pleasegivingtheirspectrum.SolutionmethodI:(1)thespectrumis:-7ω0-5ω05ω07ω0

37(2)thespectrumis-7ω0-5ω05ω07ω0

jωωS2(ω)38SolutionmethodII:(1)thecomplexenvelopeis:-7f0-5f05f07f0

39(2)thecomplexenvelopeis-7ω0-5ω05ω07ω0

jωωS2(ω)403.2模擬角度調制1.角度調制的概念信號的相位或頻率隨著消息信號m(t)的變化而變化的調制技術角度調制信號的相位的統(tǒng)一表達式為41how？瞬時頻率:1)相位調制（PM）

或2)頻率調制（FM）

或42相位上的變化可以等效為頻率上的變化，而頻率上的變化可以等效為相位變化從攜帶信息的角度來看，F(xiàn)M和PM它們可以相互轉換432.PM與FM的等效關系（a）用PM實現(xiàn)FM（b）用FM實現(xiàn)PM10.5例3.1

圖示方波與鋸齒波信號的調相與調頻信號。積分微分3.最大頻偏、相偏與調制指數(shù)(1)最大相偏：調角信號相位偏離零相位(未調載波相位)的最大值。FM信號：PM信號：已調信號的瞬時頻率與未調載波頻率之差的最大值。FM信號：PM信號：(2)最大頻偏45調相指數(shù)：調頻指數(shù)(3)調制指數(shù)46適用的條件：單頻正弦信號的FM或PM，不能推廣到其它情形復包絡：，所以

式中，4.角度調制信號的頻譜特性與帶寬(1)基本結論角度調制信號的譜47(2)卡森規(guī)則定義頻偏比時，常用：已調信號帶寬，：基帶信號帶寬求PM信號的帶寬

求FM信號的帶寬：example48Example3.2消息信號為正弦信號的FM和PM49Conclusion：對單頻正弦信號而言50例3.3已知調角波：

解：根據(jù)調角波可知，其相位可以表示為(1)51(2)若為PM波易見，(3)若為FM波52例3.4單頻調頻波的振幅為10V，瞬時頻率為，

53(2)若54例3.5給定調相信號，555角度調制信號的產(chǎn)生(1)直接調頻法用調制信號直接改變載波振蕩器頻率的方法。原理框圖：VCO的輸出頻率正比于控制電壓m(t)倍頻器允許按較低的調制指數(shù)產(chǎn)生FM信號根據(jù)FM和PM的相位對應關系，對控制電壓m(t)進行適當?shù)奶幚砗螅敵鲂盘柨梢詾镻M信號(2)間接調頻法(readingbyyourself)566角度調制信號的接收FM的非相干接收機框圖：信號微分后得到包絡檢波器提取出

的包絡，再經(jīng)隔直與LPF得，（其中K為常數(shù)）由于該方法不必產(chǎn)生嚴格同步的本地參考載波，因此是非相干

對于PM信號該如何進行解調呢？573.3幅度調制系統(tǒng)的抗噪聲性能直接傳輸模擬消息信號的系統(tǒng)。1.模擬傳輸中的噪聲問題(1)基帶傳輸系統(tǒng)：58LPF在設計上需要滿足什么條件？2.頻帶傳輸系統(tǒng)為了能在帶通信道上進行傳輸，需要使用各種調制技術來獲得相應的帶通信號解調器輸入信噪比：

解調器輸出信噪比：

59BPF在設計上需要滿足什么條件？系統(tǒng)增益：反映某一調制解調系統(tǒng)相對于基帶傳輸系統(tǒng)的總體增益，定義為為衡量頻帶傳輸系統(tǒng)的總體性能，通常與虛擬基帶傳輸系統(tǒng)作比較。假定：實際系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)接收到的信號功率相同；實際系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)的噪聲功率譜密度相同比較了解不同頻帶傳輸系統(tǒng)的解調器對信噪比的影響；比較了解不同頻帶傳輸系統(tǒng)之間在信噪比上的整體優(yōu)劣。解調器輸入信噪比（注意到603.非相干AM系統(tǒng)結論：61B是信息信號m(t)的帶寬對調幅指數(shù)達100%的正弦消息信號，調幅指數(shù)達100%的正弦消息信號，AM系統(tǒng)的抗噪聲能力較差。

624.DSB-SC與AM(相干解調)系統(tǒng)DSB：AM：BPFBTLPFB接收的噪聲功率=，

輸入信噪比分別為63BPF的參數(shù)為多少，如中心頻率，帶寬BT？B是信息信號m(t)的帶寬接收信號因信號的不同而不同經(jīng)過LPF后，

AM：DSB：64

結論exampleFor100%sine-wavemodulationforAM655.SSBsystemBPFBTLPFB

，接收的噪聲功率：，輸入信噪比為66BPF的參數(shù)為多少，如中心頻率，帶寬BT？AfterLPFSSB系統(tǒng)總體增益與DSC-SC系統(tǒng)是一樣的，雖然其解調增益只是DSC-SC的一半。SSB信號占用的帶寬要窄一半，信道的利用更為充分

結論：676ComparisonbetweenAMDSB-SCandSSBAMDSB-SCSSB683.5各類通信系統(tǒng)的比較與應用有效性是指在給定的信道中單位時間內傳輸?shù)男畔热莸亩嗌??？煽啃允侵附邮招畔⒌臏蚀_程度。1.調制技術分類：線性調制：滿足下線性關系的調制非線性調制：不滿足線性關系的調制。幅度調制均為線性調制；角度調制為非線性調制。692.比較前提條件信道噪聲功率譜密度相同基帶信號為帶寬是

的單頻信號接收信號平均功率相等703.幾種線性調制的比較714.幾種非線性調制的比較(自學)725.結論：（1）帶寬上：（2）抗噪聲性能：73多路復用：將多路彼此不相關的消息信號合并為一個復合的群信號，共同在一條信道上進行通信。分為：6頻分多路復用頻分多路復用（FDM）時分多路復用（TDM）碼分多路復用（CDM）746頻分多路復用(續(xù))局限：設備復雜和存在串擾75調制調制調制調制解調解調解調Example1

Evaluatethemagnitudespectrumforanamplitude-modulated(AM)signalSolution:thecomplexenvelopeitsspectrumofthecomplexenvelopetheAMsignalwaveformtheAMspectrum7677Exercise2

Givenapulse-modulatedsignaloftheforms(t)=e

atcos[(

c+

)t]u(t)where

a,

c,and

arepositiveconstantsandthecarrierfrequency

c+

,Findthecomplexenvelope.Solution:Thecomplexenvelopeis78Exercise3

AssumethattheDSB-SCsignals(t)withacarrierfrequencyof3.8MHzhasacomplexenvelopeg(t)=Acm(t).Ac=50A,andthemodulationisa1-kHzsinusoidaltesttonedescribedbym(t)=2sin(2

1,000t),appearsacrossa50-

resistiveload.Computetheactualaveragepowerdissipatedintheload.Solution:

79Exercise5808182Exercise6

Anangle-modulationsystemisindicatedinFig.whereDpisthephasesensitivityofphasemodulator,thecarrierfrequency,ifthemodulatedwaveforms1(t)isgivenby:(1)Formodulatingsignalm(t),determinewhethers1(t)isaphasemodulatingwaveorfrequencymodulatingwave;(2)Findtheexpressionofm(t);(3)Findthemaximumphasedeviationandmaximumfrequencydeviation;(4)FindthetransmissionbandwidthbyusingCarson’srule.modulator

83foramodulatingsignalm(t)

2)1)isfrequencymodulatedwave84B=2000Hz3)4)85Exercise7

已知調制信號為AM信號