电子科大李晓峰通信原理课件第3章-模拟传输

通信原理第3章模拟传输1/15/20231/129信源调制器发射机信道接收机解调器信宿噪声发送设备接收设备基带信号基带信号调制信号已调带通信号带通信号模拟通信系统——信道中传输模拟波形的通信系统。1/15/20232调制器调制信号已调信号幅度调制角度调制都是的函数被调信号1/15/20233已调带通信号:的谱:的功率谱:

的归一化平均功率为：1/15/20234本章内容----模拟信号的调制、解调3.1幅度调制3.2模拟角度调制3.3幅度调制系统的抗噪声性能3.4*角度调制系统的抗噪声性能3.5各类通信系统的比较与应用

1/15/202353.1

幅度调制(AmplitudeModulation)1/15/20236已调带通信号的频谱是基带信号频谱的简单搬移幅度调制----用信号去迫使高频载波瞬时幅度变化。模拟常规调幅（AM）抑制载波双边带调幅（DSB-SC）单边带调幅（SSB）残留边带调幅（VSB）信号1/15/20237(conventionalAM)3.1.1常规调幅AM1．表达式：

调制：复包络:1/15/20238图（a）常规调幅图（b）过调幅波形:1/15/20239（常规调幅:）一般：常规调幅:1/15/202310过调幅：载波反相点1/15/202311定义调幅指数：：常规调幅其中：临界调制

：过调制波形如图（b）所示。调幅指数影响功率分配modulationindex1/15/2023122.频域分析

频谱：

频谱图：UppersidebandLowersideband1/15/202313常规AM信号的波形及频谱1/15/2023143.功率与效率

归一化功率：1/15/202315调制效率：1/15/202316例：对于调福指数为100％的AM信号1.周期方波调制信号：2.单频正弦波调制信号：1/15/2023174.接收

常规调幅常用的二极管包络检波器解调：非相干解调：接收机不需要产生与接收信号中的载波同频同相的本地载波的接收方式。1/15/202318总结：AM信号的特点:

包络检波器用于检测AM（常规调幅）信号（接收机简单），这是离散载波项的功劳。

AM信号的功率效率很低，因为离散载波项浪费功率。

AM信号的带宽是信息信号m(t)带宽的2倍.上下两个边带完全对称，带宽浪费一半。

乘积检波器用于检测AM（常规调幅、过调幅）信号，接收机复杂，这是调幅只用常规调幅的原因。1/15/202319例

AM信号的功率联邦通信委员会（FCC）用平均载波功率对AM广播频段发射机评级;这种评级系统在AM音频应用中很普通.假设一个5,000-WAM发射机与一个50-

负载相连.如果发射机被一个1000hz的测试音100%调制.我们计算一些参数未调制时载波功率为(设载波为电压信号)：平均载波功率1/15/202320调制信号:已调信号:AM信号的归一化平均功率:1/15/202321在50-

负载上AM信号的实际功率:在50-

负载上AM信号的峰值电压:调制效率:作业：2、31/15/2023223.1.2抑制载波双边带调幅Double-SidebandSuppressedCarrier

(DSB-SC)1.DSB-SC信号

1/15/202323载波反相点波形：1/15/2023242.频域分析

频谱：UppersidebandLowersideband1/15/2023253.功率与效率调制效率:归一化功率:1/15/2023264.发射和接收发射（调制）：接收（解调）：相干解调（接收机本地载波与接收载波同频同相）LPF1/15/202327LPFAfterLPF:相干解调原理：乘积检波器1/15/202328Discuss:同步检波相干解调乘积检波1/15/202329接收机产生本地相干载波的方法：1.发送端发射小功率离散载波（导频单音信号）2.接收端用锁相环提取同频同相载波注意：常规AM也可以用相干解调获取基带信息信号1/15/202330总结：DSB信号的特点:

乘积检波器用于检测DSB信号，乘积检波器较包络检波器昂贵。

DSB信号的功率效率高。

DSB信号的带宽是信息信号m(t)带宽的2倍.上下两个边带完全对称，带宽浪费一半。1/15/202331singlesidebandsignal(SSB)3.1.3单边带调幅（SSB）1.SSB信号

只取DSB-SC信号中的上边带或下边带分量。上边带信号：，频谱：

下边带信号：

，频谱：1/15/202332频谱：

1/15/20233311/2时域表达式:

截取基带信号的负频率部分或正频率部分再直接用DSB-SC调幅可产生单边带信号。如下：设的希尔伯特变换为，解析信号为。则:由图示可以看出：m+(t)

是sUSB(t)的复包络1/15/202334因为是的复包络1/15/202335单边带信号表达式：SSB信号的复包络:

2.单边带信号的产生：(2)相移法

(1)滤波法

(3)维佛法1/15/202336(1)

滤波法

保留上边带的边带滤波器：保留下边带的边带滤波器：111/15/202337(2)相移法

1/15/2023383.单边带信号的接收

SSB信号既有AM又有PM对于AM分量（实包络）对于PM分量1/15/202339上边带信号的波形及频谱变换1/15/202340相干解调接收：乘积检波器:LPF：以基带信号的最高频率为截止频率的低通滤波器。

1/15/2023414.功率归一化平均功率调制效率:1/15/202342例：SSB-AM发射机被一正弦信号调制,其中。(a)计算。(b)确定下边带SSB信号的表达式。(c)确定SSB信号的归一化平均功率。(d)确定SSB信号的峰值。(e)确定SSB信号的均方根（rms）值。解:1/15/2023431/15/202344总结：SSB信号的特点:

乘积检波器用于检测SSB信号。而且SSB信号的产生比AM、DSB复杂。

SSB信号的功率效率高。

SSB信号的带宽等于信息信号m(t)的带宽。只有AM、DSB带宽的一半。作业：4、111/15/202345

3.1.4残留边带调幅(VSB)1.用滤波法产生VSB信号令1/15/2023461/15/202347DSB、SSB和VSB信号的频谱

M(f)SDSB(f)SSSB(f)SVSB(f)ffff0000fc-fcfc-fcfc-fc都是基带信号频谱的简单平移

1/15/202348残留下边带调制的波形及频谱变换1/15/2023492.接收机LPF1/15/202350选择合适的LPF的截止频率可滤除第二项。AfterLPF:1/15/202351

为了恢复无失真调制信号M(f),HV(f)

必须满足下面条件:互补对称性1/15/2023521/15/2023533.2模拟角度调制

1/15/2023543.2.1角调制的基本概念角调信号表达式：随变化。

1.相位调制与频率调制的概念

(PMandFM)（1）相位和频率瞬时相位:对的瞬时相位偏移:：载波频率

非线性调制，已调带通信号的谱不再是基带信号谱的简单搬移1/15/202355瞬时频率:瞬时频率偏移:instantaneous1/15/202356(2)相位调制（PM）相位偏移正比于调制信号其中:相偏常数PM信号表达式:(调相器的灵敏度)其含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量1/15/202357（3）调频(FM)其中:频偏常数（调频器灵敏度）频率偏移正比于调制信号。调频信号表达式：

其含义是单位调制信号幅度引起FM信号的频率偏移量相位偏移正比于调制信号的积分。1/15/202358例3.1图示方波与锯齿波信号的调相与调频信号波形。

解：

1/15/202359用FM器产生PM信号2.FM、PM之间的转换对是FM对是PM1/15/202360用PM器产生FM信号对是FM对是PM1/15/2023613.最大频偏、相偏与调制指数

(1)最大相偏（峰值相偏）：调角信号瞬时相位偏移的最大值。

PM信号：

FM信号：

1/15/202362(2)最大频偏（峰值频偏）

已调信号的瞬时频率偏移的最大值。

PM信号：

FM信号：

1/15/202363例3.2若消息信号：

可对调频，又可调相。确定调频信号和调相信号的表达式。解：PM调制：FM调制：单频信号1/15/202364所以调频信号和调相信号的表达式：令

与

1/15/202365于是有，定义调制指数：1.调相指数：2.调频指数：B表示基带信号m(t)的带宽，等于它的最高频率fm。PM信号的最大相偏FM信号的最大相偏βPM,βFM

都是最大相偏这一结论只对单频调制信号成立。1/15/202366例3.3已知调角波：

（1）求与（2）若是调相波，，求与（3）若是调频波，，求与1/15/202367解：（1）此角调波的相位偏移为1/15/202368（2）若为PM波，则,所以而且，1/15/202369(3)若为FM波，则,易见，1/15/2023704.*窄带角度调制角调信号：若：，则称为窄带角调制此时：角调信号可作如下近似：恒包络包络有微小起伏1/15/202371

3.2.2角度调制信号的频谱特性

1.基本结论

角调信号:复包络:非的线性函数是的线性函数不再是基带信号谱的简单搬移1/15/202372角调信号带宽估计，卡森规则：：已调信号带宽，：基带信号带宽，

定义频偏比:时，常用公式。

角调信号的全部功率的98％在卡森带宽内1/15/202373对于单频正弦信号，（1）PM信号的带宽：（2）FM信号的带宽：

幅度调制的信号带宽由调制信号的带宽决定。角度调制的带宽和调制信号带宽、幅度有关，和调制器的参数有关。传输同一基带信号，角度调制的已调信号带宽可宽可窄。FM信号的带宽较易控制

1/15/202374例3.4单频调频波的振幅为10V，瞬时频率为

求：（1）信号表达式与；（2）若频率fm提高到，求。

解：（1）基带信号带宽：

1/15/202375

1/15/202376（2）若（不变）

（变为一半）

（变化不大）

1/15/202377例3.5给定调相信号

求：（1）信号带宽；（2）若频率fm提高到，求。

解：基带信号带宽：（1），于是，（2），于是，带宽成倍增长1/15/202378作业：17、19、211/15/2023792.*正弦信号角度调制的谱分析设角调制信号的频谱：时域表达式：n

-----第n个频率分量β-----调频（调相）指数1/15/202380---第一类n阶贝赛尔函数1/15/202381参见表3.2.1图3.2.4贝塞尔函数曲线1/15/202382正频：

PM、FM信号的谱:

=2.40;

=5.52;…n为－n次下边频。n为＋n次上边频。1/15/202383正频：1/15/202384n为＋n次上边频。n为－

n次上边频。1/15/202385

角调信号的功率：角调信号:未调时：已调时：即MF、MP不改变总功率对于单频调制，可以证明1/15/202386角调信号的离散载波功率：角调信号的各次边频功率：不同时，载波功率和各边频功率的分配关系也发生变化。已调后：，载波功率，转变为各边频功率，而总功率不变。1/15/202387（1）：窄带角调制；变大时为宽带角调制；（）图中的是以Carson公式估算的结果，准确地反映了信号的带宽，对应的功率包括约98%的功率；（3）载波的强度由决定，选择合适的，可使载波功率减小或为零。（4）为单一频率，由它产生的FM或PM信号包含无穷多个边频分量，产生了新的频率分量，该调制为非线性调制。

总结:1/15/202388未调时，调制后，3.2.3调角信号的产生1.直接调频法

用调制信号直接改变载波振荡器频率的方法。原理框图：倍频器VCO1/15/2023892.*间接调频法（阿姆斯特朗法）

原理图：产生NBFM信号产生WBFM信号1/15/202390倍频后：上述信号通过带通滤波器,获得k倍频输出:限幅后：1/15/2023913.2.4调角信号的接收FM的非相干接收机框图：

低通滤波器限幅及BPF微分器包络检波器sFM(t)sd(t)so(t)鉴频器解调不必产生同步的本地参考载波，是非相干方法。（K为常数）1/15/202392PM信号的接收：在FM接收机后增加一个积分器，便可接收PM信号。经包络检波、隔直与低通滤波和积分器后得到，（K为常数）

低通滤波器限幅及BPF微分器包络检波器鉴频器积分器sPM(t)sd(t)so(t)1/15/2023933.3幅度调制系统的

抗噪声性能

1/15/2023943.3.1模拟传输中的噪声问题1.基带传输系统：

直接传输模拟消息信号的系统。LPFB带宽为BAWGN信道接收机LPF平滑滤波r(t)ro(t)1/15/2023952.频带传输系统PS---接收信号功率解调器输入信噪比：解调器输出信噪比：BPFBW=BTBW=B信道解调调制BW=BT1/15/202396解调增益：反映某种解调器对信噪比的改善能力。为比较各种频带传输系统的总体性能，通常与基带传输系统作比较。假定：（1）实际系统与虚拟系统接收到的信号功率相同；（2）实际系统与虚拟系统的噪声功率谱密度相同。基带系统1/15/202397基带信噪比与解调器输入信噪比（注意到）之间的关系：1/15/202398系统增益：反映某一调制解调系统相对于基带传输系统的总体增益，定义为对比：了解不同频带传输系统的解调器对信噪比的改善；对比：了解不同频带传输系统之间在信噪比上的整体优劣。即比较不同频带传输系统抗噪性能的优劣

1/15/2023993.3.2常规AM系统（非相干解调）BPFBT=2B包络检波器1/15/2023100于是，输入信噪比：输出信噪比：（如15dB以上）出现门限效应的输入信噪比称为门限值，约为0dB(1)输入信噪比:(2)输入信噪比，则很小，通信无法正常进行。表现为一个“门限效应”。1/15/2023101解调增益：对调制达100%的正弦消息信号，，

对调制达100%的正弦消息信号，AM系统的抗噪声能力较差。

系统增益：1/15/20231023.3.3DSB-SC与AM（相干解调）系统BPFBW=2BLPFBW=B乘积检波器1/15/20231031/15/2023104DSB：

，AM：

，输入信噪比分别为，输入信噪比:1/15/2023105接收信号：输出信噪比:输出信号分量：1/15/2023106低通隔直流后:输出噪声分量：1/15/2023107LPF后:输出信噪比为，1/15/2023108结论：

1/15/20231093.3.4*SSB系统BPFBW=BLPFBW=B乘积检波器1/15/2023110输入信噪比:，1/15/2023111接收信号：输出信噪比:输出信号分量：AfterLPF:1/15/2023112输出噪声分量：AfterLPF:1/15/2023113输出信噪比为，

，SSB系统总体增益与DSC-SC系统是一样的，虽然其解调增益只是DSC-SC的一半。SSB信号占用的带宽要窄一半，信道的利用更为充分。1/15/2023114总结1/15/2023115作业：13、15、261/15/20231163.5各类通信系统的

比较与应用1/15/2023117有效性是指在给定的信道中单位时间内传输的信息内容的多少。可靠性是指接收信息的准确程度。3.5.1各类通信系统的比较比较前提：各个系统具有相同的基带信号带宽

B各个系统的信道噪声具有相同的

PSD(N0)各个系统具有相同的接收信号功率PS.1/15/20231181/15/2023119

增加能提高抗噪声性能，但不能无限增加，因为增加，信号带宽也增加，收端BPF输出的噪声也增加，调频解调器输出SNR会急剧下降，即角调系统也存