《《通信原理-第4章.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《通信原理-第4章.ppt(56页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、课程名称课程名称课件课件课程名称课程名称课件课件 第第1 1章章 通信系统概述通信系统概述第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输第第2 2章章 信号分析信号分析第第3 3章章 信道与噪声信道与噪声第第4 4章章 模拟调制模拟调制第第6 6章章 数字基带传输数字基带传输第第7 7章章 数字调制数字调制第第8 8章章 差错控制编码差错控制编码第第9 9章章 同步原理同步原理4.1 幅度调制(线性调制)原理幅度调制(线性调制)原理4.2 角度调制(非线性调制)原理角度调制(非线性调制)原理4.3 频分复用频分复用(FDM)2023/6/72幅度调制(线性调制)原理幅度调制(线性调制)原
2、理4.14.1.2 完全调幅(完全调幅(AM)4.1.1 幅度调制的一般模型幅度调制的一般模型4.1.4 单边带调制(单边带调制(SSB)4.1.3 抑制载波的双边带调制(抑制载波的双边带调制(DSB)4.1.6 线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析4.1.5 残留边带调制(残留边带调制(VSB)2023/6/73角度调制(非线性调制)原理角度调制(非线性调制)原理4.24.2.2 窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频4.2.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念4.2.3 非线性调制系统的抗噪声性能分析非线性调制系统的抗噪声性能分析2023/6/74调制的基本概念调制的
3、基本概念 调制的调制的定义定义:是按原始电信号的变化规:是按原始电信号的变化规律去改变载波某些参量的过程。律去改变载波某些参量的过程。调制的调制的目的目的:进行频谱搬移,把调制信:进行频谱搬移,把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上,从而提高号的频谱搬移到所希望的位置上,从而提高系统信息传输的有效性和可靠性。系统信息传输的有效性和可靠性。调制的调制的方式方式:模拟调制和数字调制:模拟调制和数字调制;正;正弦波和脉冲调制弦波和脉冲调制。调制的调制的种类种类:AM、DSB-SC、SSB、VSB、FM和和PM。2023/6/75幅度调制的一般模型幅度调制的一般模型4.1.1定义:定义:用调制信号去控用
4、调制信号去控制高频正弦载波的幅度,制高频正弦载波的幅度,使其按调制信号的规律使其按调制信号的规律变化的过程。变化的过程。2023/6/76完全调幅(AM)4.1.2 1.AM信号的表达式、频谱及带宽信号的表达式、频谱及带宽 若假设滤波器为全通网络:若假设滤波器为全通网络:为了保证包络检波时不发生失真,必须满足为了保证包络检波时不发生失真,必须满足 2023/6/77完全调幅(AM)4.1.2 AM信信号号是是带带有有载载波波的的双双边边带带信信号号,它它的的带带宽为基带信号带宽的两倍,即宽为基带信号带宽的两倍,即2023/6/78完全调幅(AM)4.1.2 2.AM信号的功率分配及调制效率信号
5、的功率分配及调制效率 已调信号功率为:已调信号功率为:调制效率:调制效率:显然,显然,AM信号的调制效率总是小于信号的调制效率总是小于1。例题例题2023/6/79完全调幅(完全调幅(AM)3.AM信号的解调信号的解调 调制的逆过程叫做解调。调制的逆过程叫做解调。AM信号的解调信号的解调方法有两种:包络检波解调方法有两种:包络检波解调和相干解调和相干解调。4.1.22023/6/710完全调幅(完全调幅(AM)(1 1)包络检波法包络检波法 电电路路由由二二极极管管D、电电阻阻R和和电电容容C组组成成。RC满足条件:满足条件:这这时时,包包络络检检波波器器的的输输出出与与输输入入信信号号的的包
6、络十分相近,即:包络十分相近,即:4.1.22023/6/711完全调幅(完全调幅(AM)(2)相干解调相干解调 用一个低通滤波器,就无失真的恢复出原始用一个低通滤波器,就无失真的恢复出原始的调制信号:的调制信号:4.1.22023/6/712抑制载波的双边带调制(抑制载波的双边带调制(DSB)1.DSB信号的表达式、频谱及带宽信号的表达式、频谱及带宽 4.1.32023/6/713抑制载波的双边带调制(抑制载波的双边带调制(DSB)DSB信号不能进行包络检波,需采用相信号不能进行包络检波,需采用相干解调;除不含有载频分量离散谱外,干解调;除不含有载频分量离散谱外,DSB信号的频谱由上下对称的
7、两个边带组成。故信号的频谱由上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号,它的带信号是不带载波的双边带信号,它的带宽为基带信号带宽的两倍。宽为基带信号带宽的两倍。2.DSB信号的功率分配及调制效率信号的功率分配及调制效率 显然,显然,DSB信号的调制效率为信号的调制效率为100%。4.1.32023/6/714抑制载波的双边带调制(抑制载波的双边带调制(DSB)3.DSB信号的解调信号的解调 DSB信号只能采用相干解调,则乘法器信号只能采用相干解调,则乘法器输出为:输出为:经低通滤波器滤除高次项,得经低通滤波器滤除高次项,得:4.1.32023/6/715单边带调制(单边带调制(
8、SSB)由于由于DSB信号的上、下两个边带是完全信号的上、下两个边带是完全对称的,皆携带了调制信号的全部信息,因对称的,皆携带了调制信号的全部信息,因此,从信息传输的角度来考虑,仅传输其中此,从信息传输的角度来考虑,仅传输其中一个边带就够了。一个边带就够了。1.SSB信号的产生信号的产生 (1)滤波法)滤波法4.1.42023/6/716单边带调制(单边带调制(SSB)4.1.42023/6/717单边带调制(单边带调制(SSB)(2)用相移法形成用相移法形成SSB信号信号 可以证明,可以证明,SSB信号的时域表示式为:信号的时域表示式为:式中,式中,“”对应上边带信号,对应上边带信号,“+”
9、对应下对应下边带信号;边带信号;是是 的希的希尔伯特变换。尔伯特变换。4.1.42023/6/718单边带调制(单边带调制(SSB)2.SSB信号带宽、功率和调制效率信号带宽、功率和调制效率3.SSB信号的解调信号的解调 SSB信号的解调也不能采用简单的包络信号的解调也不能采用简单的包络检波,需采用相干解调,检波,需采用相干解调,4.1.42023/6/719单边带调制(单边带调制(SSB)乘法器输出为:乘法器输出为:经低通滤波后的解调输出为经低通滤波后的解调输出为4.1.42023/6/720残留边带调制(残留边带调制(VSB)1.残留边带信号的产生残留边带信号的产生 残留边带调制是介于单边
10、带调制与双边残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式,它既克服了带调制之间的一种调制方式,它既克服了DSB信号占用频带宽的问题,又解决了单边信号占用频带宽的问题,又解决了单边带滤波器不易实现的难题。带滤波器不易实现的难题。在残留边带调制中,除了传送一个边带在残留边带调制中,除了传送一个边带外,还保留了另外一个边带的一部分。外,还保留了另外一个边带的一部分。4.1.52023/6/721残留边带调制(残留边带调制(VSB)4.1.52023/6/722残留边带调制(残留边带调制(VSB)2.残留边带信号的解调残留边带信号的解调 4.1.52023/6/723线性调制系统的抗噪声
11、性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析4.1.6 下面将要研究的问题是,信道存在加性下面将要研究的问题是,信道存在加性高斯白噪声时各种线性系统的抗噪性能。高斯白噪声时各种线性系统的抗噪性能。1.1.通信系统抗噪性能分析模型通信系统抗噪性能分析模型 2023/6/724线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析 为窄带高斯噪声,可以表示为:为窄带高斯噪声,可以表示为:其功率为:其功率为:4.1.62023/6/725线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析输出信噪比定义为输出信噪比定义为 输入信噪比输入信噪比 人们常用信噪比增益作为不同调制方式下人们常用信噪比增益作为
12、不同调制方式下解调器抗噪性能的度量。它可以定义为:解调器抗噪性能的度量。它可以定义为:4.1.62023/6/726线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析 2.常规调幅包络检波的抗噪声性能常规调幅包络检波的抗噪声性能 AM信号可采用相干解调或包络检波,信号可采用相干解调或包络检波,具体原理见图。具体原理见图。4.1.62023/6/727线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析解调器输入信号为:解调器输入信号为:输入噪声为输入噪声为:输入的信号功率、噪声功率和信噪比:输入的信号功率、噪声功率和信噪比:4.1.62023/6/728线性调制系统的抗噪声性能分析线
13、性调制系统的抗噪声性能分析解调器输入的信号加噪声的合成波形是解调器输入的信号加噪声的合成波形是:其中合成包络:其中合成包络:为简化起见,我们考虑两种特殊情况。为简化起见,我们考虑两种特殊情况。(1)大信噪比情况大信噪比情况 4.1.62023/6/729线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析输出信号功率、噪声功率和信噪比:输出信号功率、噪声功率和信噪比:调制制度增益:调制制度增益:对于对于100调制(即调制(即 ),且又),且又是单音频正弦信号时:是单音频正弦信号时:4.1.62023/6/730线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析(2)小信噪比情况小信噪
14、比情况 此时噪声幅度远大于输入信号幅度,即此时噪声幅度远大于输入信号幅度,即 得如下结论:在大信噪比情况下,得如下结论:在大信噪比情况下,AM信信号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同;号包络检波器的性能几乎与同步检测器相同;但随着信噪比的减小,包络检波器将在一个特但随着信噪比的减小,包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应。一旦出现门定输入信噪比值上出现门限效应。一旦出现门限效应,解调器的输出信噪比将急剧变坏。限效应,解调器的输出信噪比将急剧变坏。4.1.62023/6/731线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析3.线性调制相干解调的抗噪声性能线性调制相干解调的抗
15、噪声性能(1)DSB调制系统的性能调制系统的性能 输出信号的功率输出信号的功率 4.1.62023/6/732线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析输出噪声的功率输出噪声的功率 解调器最终的输出噪声为解调器最终的输出噪声为 4.1.62023/6/733线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析输出信号的功率输出信号的功率 解调器输入信号平均功率为解调器输入信号平均功率为 解调器的输入和输出信噪比为解调器的输入和输出信噪比为 因而调制制度增益为因而调制制度增益为4.1.62023/6/734线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析(2)SSB调制
16、系统的性能调制系统的性能 输出信号的功率输出信号的功率 与相干载波相乘,并经低通滤波器滤除与相干载波相乘,并经低通滤波器滤除高频成分后,得解调器输出信号和功率为:高频成分后,得解调器输出信号和功率为:输出噪声的功率输出噪声的功率 4.1.62023/6/735线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析输出信号的功率输出信号的功率解调器输入信号平均功率为解调器输入信号平均功率为解调器的输出信噪比和调制制度增益为解调器的输出信噪比和调制制度增益为 4.1.62023/6/736线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析 DSB解调器的调制制度增益是解调器的调制制度增益是
17、SSB的的二倍。但不能因此就说,双边带系统的抗噪二倍。但不能因此就说,双边带系统的抗噪性能优于单边带系统。具体分析如下:性能优于单边带系统。具体分析如下:4.1.62023/6/737线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析(3)VSB调制系统的性能调制系统的性能 VSB调制系统抗噪性能的分析方法与上调制系统抗噪性能的分析方法与上面类似。但是,由于所采用的残留边带滤波面类似。但是,由于所采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同,所以难以确定器的频率特性形状可能不同,所以难以确定抗噪性能的一般计算公式。抗噪性能的一般计算公式。4.1.62023/6/738角度调制的基本概念角度
18、调制的基本概念4.2.1 与与线线性性调调制制不不同同,已已调调信信号号频频谱谱不不再再是是原原调调制制信信号号频频谱谱的的线线性性搬搬移移,而而是是频频谱谱的的非非线线性性变变换换,会会产产生生与与频频谱谱搬搬移移不不同同的的新的频率成分,故又称为非线性调制。新的频率成分,故又称为非线性调制。角度调制可分为频率调制(角度调制可分为频率调制(FM)和相)和相位调制(位调制(PM)。即载波的幅度保持不变,)。即载波的幅度保持不变,而载波的频率或相位随基带信号变化。而载波的频率或相位随基带信号变化。2023/6/739角度调制的基本概念角度调制的基本概念角度调制信号的一般表达式为角度调制信号的一般
19、表达式为 瞬时相位;瞬时相位;瞬时相位偏移;瞬时相位偏移;瞬时频率;瞬时频率;瞬时频偏。瞬时频偏。所谓相位调制,是指所谓相位调制,是指 4.2.12023/6/740角度调制的基本概念角度调制的基本概念 调相信号可表示为调相信号可表示为:所谓频率调制,是指瞬时频率偏移随基所谓频率调制,是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化,即带信号而线性变化,即则可得调频信号为则可得调频信号为 可见,可见,FM和和PM非常相似,如果预先不非常相似,如果预先不知道调制信号的具体形式,则无法判断已调知道调制信号的具体形式,则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。信号是调频信号还是调相信号。4.2.12023/6/
20、741角度调制的基本概念角度调制的基本概念 如果将调制信号先微分,再进行调频,如果将调制信号先微分,再进行调频,则可得到调相信号;如果将调制信号先积分,则可得到调相信号;如果将调制信号先积分,再进行调相,则可得到调频信号。再进行调相,则可得到调频信号。从以上分析可见,调频与调相并无本质从以上分析可见,调频与调相并无本质区别,两者之间可以互换。区别,两者之间可以互换。4.2.12023/6/742窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频 根据调制后载波瞬时相位偏移的大小,根据调制后载波瞬时相位偏移的大小,可将频率调制分为宽带调频(可将频率调制分为宽带调频(WBFM)与窄)与窄带调频(带调频(NBFM
21、)。当)。当 时,称为窄带调频。否则,称为宽带调频。时,称为窄带调频。否则,称为宽带调频。1.窄带调频(窄带调频(NBFM)4.2.22023/6/743窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频经推导可得经推导可得NBFM信号的频域表达式:信号的频域表达式:将上式与将上式与AM信号的频谱比较很相似信号的频谱比较很相似进行比较,它们的带宽相同,即进行比较,它们的带宽相同,即 4.2.22023/6/744窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频 对于单频调制的特殊情况,可以得到频对于单频调制的特殊情况,可以得到频谱如下。谱如下。4.2.22023/6/745窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频2.宽带调
22、频(宽带调频(WBFM)为使问题简化,我们先研究单音调制的为使问题简化,我们先研究单音调制的情况,然后把分析的结果推广到多音情况。情况,然后把分析的结果推广到多音情况。(1)单频调制时宽带调频信号的频域表达单频调制时宽带调频信号的频域表达 设单频调制信号为设单频调制信号为则单音调频信号的时域表达式为:则单音调频信号的时域表达式为:4.2.22023/6/746窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频调频指数为:调频指数为:傅氏变换即为频谱:傅氏变换即为频谱:从上式可以看到从上式可以看到调频信号的频谱中含有调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。无穷多个频率分量。(2)单频调制时的频带宽度)单频调制时
23、的频带宽度 一个广泛用来计算调频波频带宽度的公一个广泛用来计算调频波频带宽度的公式为:式为:4.2.22023/6/747窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频(3)单频调制时的功率分配)单频调制时的功率分配 因为,调频信号虽然频率在不停地变化,因为,调频信号虽然频率在不停地变化,但振幅不变是个等幅波,而功率仅由幅度决但振幅不变是个等幅波,而功率仅由幅度决定,与频率无关,故它的功率即为定,与频率无关,故它的功率即为:(4)任意限带信号调制时宽带调频信号的带任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽宽 频偏比频偏比 ;最大频率偏移;最大频率偏移 4.2.22023/6/748非线性调制系统的抗噪声性能分
24、析非线性调制系统的抗噪声性能分析 调频系统抗噪性能分析与解调方法有关,调频系统抗噪性能分析与解调方法有关,这里只讨论非相干解调系统的抗噪性能。这里只讨论非相干解调系统的抗噪性能。1.输入信噪比输入信噪比 设输入调频信号为:设输入调频信号为:4.2.32023/6/749非线性调制系统的抗噪声性能分析非线性调制系统的抗噪声性能分析输入信号功率输入信号功率:输入噪声功率:输入噪声功率:输入信噪比:输入信噪比:2.输出信噪比及调制制度增益输出信噪比及调制制度增益(1 1)大信噪比情况大信噪比情况 经推导可以得到:经推导可以得到:宽带调频系统制度增益为:宽带调频系统制度增益为:4.2.32023/6/
25、750非线性调制系统的抗噪声性能分析非线性调制系统的抗噪声性能分析 下面考虑单频调制时的情况,设调制信下面考虑单频调制时的情况,设调制信号为:号为:,则,则这时的调频信号为:这时的调频信号为:式中式中解调器输出信噪比:解调器输出信噪比:解调器制度增益解调器制度增益:宽带调频时,信号带宽为宽带调频时,信号带宽为:4.2.32023/6/751非线性调制系统的抗噪声性能分析非线性调制系统的抗噪声性能分析所以,上式还可以写成所以,上式还可以写成:(2)小信噪比情况与门限效应小信噪比情况与门限效应 4.2.3 调频信号的非相干解调器也存在调频信号的非相干解调器也存在“门限门限效应效应”。即当输入信噪比
26、低到一定程度时。即当输入信噪比低到一定程度时(门限值一般在(门限值一般在10dB左右),输出信噪比左右),输出信噪比会急剧下降,以致系统无法正常工作。因此会急剧下降,以致系统无法正常工作。因此调频系统一般工作在大信噪比条件下。调频系统一般工作在大信噪比条件下。2023/6/752各种模拟调制系统的比较各种模拟调制方式性能比较各种模拟调制方式性能比较 抗噪性能,抗噪性能,WBFM最好,最好,DSB、SSB、VSB次之,次之,AM最差。最差。NBFM与与AM接近。接近。频带利用率,频带利用率,SSB最好,最好,VSB与与SSB接接近,近,DSB、AM、NBFM次之,次之,WBFM最差。最差。202
27、3/6/753频分复用(频分复用(FDM)4.3 “复用复用”是一种将若干个彼此独立的信是一种将若干个彼此独立的信号,合并为一个可在同一信道上同时传输号,合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。的复合信号的方法。有三种基本的多路复用方式:频分复有三种基本的多路复用方式:频分复用(用(FDM)、时分复用()、时分复用(TDM)与码分复)与码分复用(用(CDM)。)。2023/6/754频分复用(频分复用(FDM)单边带信号的总频带宽度为:单边带信号的总频带宽度为:4.32023/6/755频分复用(频分复用(FDM)频分复用系统的最大优点是信道复用率高,频分复用系统的最大优点是信道复用率高,容许复用的路数多,分路也很方便。因此,它容许复用的路数多,分路也很方便。因此,它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。4.32023/6/756谢谢 谢!谢!http:/