第四章 模拟通信系统

第四章模拟通信系统彭涛pengtao@4.1引言模拟信源的输出M(t)模拟信源的一个确知输出信号m(t)4.1引言用正弦型载波调制模拟基带信号调制就是用载波c(t)承载信号m(t)，实现频谱搬移。方法是用m(t)控制载波参量4.1引言调制的作用实现信号的频谱搬移，适应在频带信道内的传输当频带信道带宽远大于信号带宽时，可以将多路基带信号调制到互不重叠的频带上，充分利用信道带宽，实现频分复用（FDM）不同的调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），可以根据需要选用合适的调制方法4.1引言本章内容三种调制（AM，FM和PM）的信号表示，频谱分析和解调原理三种调制在加性白高斯噪声干扰下的解调性能多路信号的FDM简述超外差接收机通信系统中接收机的噪声系数和等效噪声温度4.2幅度调制调幅：用模拟基带信号m(t)来控制载波的幅度参量Ac四种幅度调制的方法双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）具有离散大载波的双边带调幅（AM）单边带调幅（SSBAM）残留边带调幅（VSBAM）4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）信号的产生和表达式4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）信号m(t)和s(t)的波形图（图4.2.2）

4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）确定调制信号s(t)的频谱4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）确定调制信号s(t)的频谱图4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）确定调制信号s(t)的频谱的性质经调制后，调制信号的带宽变为原基带信号的2倍：模拟基带信号带宽为W，则调制信号的带宽为2W调制信号中不包含离散的载频分量：因为原模拟基带信号中不含离散直流分量4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）确定调制信号s(t)的频谱的性质

4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）随机调制信号S(t)4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）随机调制信号S(t)的平均功率谱密度4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）双边带抑制载波调幅的特点调制信号的带宽变为原基带信号的2倍调制信号中不包含离散的载频分量（抑制载波）包含上下两个边带，且携带相同信息（双边带）不论是确定信号的频谱，还是随机信号的功率谱，都是基带信号频谱/功率谱的线性搬移。因而被称为线性调制。4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）双边带抑制载波调幅信号的解调基本思路：利用恢复的载波与信号相乘，将频谱搬移到基带，还原出原基带信号4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）双边带抑制载波调幅信号的解调4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）双边带抑制载波调幅信号的解调当恢复载波与原载波频率不完全一样时，解调信号是原基带信号与低频正弦波的乘积若恢复载波与原载波频率相同，而相位不同时，输出信号达不到最大值相干解调（同步解调）：利用相干载波（频率和相位都与原载波相同的恢复载波）进行的解调4.2.1双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）相干载波的提取导频法：在发送端加上一离散的载频分量，即导频（图4.2.7）；在接收端用窄带滤波器提取出来作为相干载波注意：导频的功率要求比调制信号的功率小（这是与有大离散载波的调幅信号的区别所在）缺点：一部分发射功率消耗在导频上不需导频的方法：平方环法、COSTAS环法4.2.2具有离散大载波的双边带幅度调制（AM）AM出现：是低价调幅收音机的需要DSBSC-AM的问题：解调需要载波提取电路，成本较高AM的优势：可以使用包络检波器进行解调，成本低；大功率离散载波造成的成本问题由广播电台解决4.2.2具有离散大载波的双边带幅度调制（AM）具有离散大载波的双边带调幅信号多大的离散载波：确保使调制信号不产生相位突变（图4.2.8）4.2.2具有离散大载波的双边带幅度调制（AM）AM确定信号的频谱其频谱是DSBSC-AM信号的频谱加上离散大载波的频谱4.2.2具有离散大载波的双边带幅度调制（AM）AM随机信号4.2.2具有离散大载波的双边带幅度调制（AM）AM随机信号的功率谱4.2.2具有离散大载波的双边带幅度调制（AM）AM随机信号的功率谱的特点其功率谱是DSBSC-AM信号的功率谱加上离散大载波的功率谱AM的调制效率不超过1/24.2.2具有离散大载波的双边带幅度调制（AM）AM信号的解调（包络检波）整流：只保留信号中幅度大于0的部分（图4.2.10）低通滤波器：过滤出基带信号隔直流电容：过滤掉直流分量包络检波不需载波提取电路，成本低；它属于非相干解调4.2.3单边带调幅（SSBAM）双边带调幅的频带浪费问题上下两个边带携带着相同的信息，造成频率资源的浪费解决方法：只要一个边带即可4.2.3单边带调幅（SSBAM）SSBAM信号的产生4.2.3单边带调幅（SSBAM）确定下边带调幅信号的频谱4.2.3单边带调幅（SSBAM）确定下边带调幅信号的表达式4.2.3单边带调幅（SSBAM）SSBAM信号的表达式SSBAM信号的另一产生法（图4.2.13）使用希尔伯特滤波器（利用上面表达式）4.2.3单边带调幅（SSBAM）SSBAM信号的另一种表达式4.2.3单边带调幅（SSBAM）SSBAM随机信号4.2.3单边带调幅（SSBAM）SSBAM随机信号的功率谱4.2.3单边带调幅（SSBAM）SSBAM信号的相干解调（图4.2.15）4.2.3单边带调幅（SSBAM）具有离散大载波的SSBAM信号的非相干解调：当离散大载波的幅度远大于信号幅度时，可以使用包络检波进行解调4.2.4残留边带调幅(VSBAM)单边带调幅的问题产生单边带调幅信号需要使用边带滤波器对于含有直流分量和低频分量丰富的信号（如视频信号），边带滤波器必须具有极其陡峭的截止特性，实现非常困难对于不含直流分量且低频成分很少的信号（如语声信号），边带滤波器比较容易实现VSBAM可以解决边带滤波器的问题4.2.4残留边带调幅(VSBAM)问题：怎样的带通滤波器能使经调制的信号在接收端能得以还原？发送端接收端m(t)=y(t)?4.2.4残留边带调幅(VSBAM)求解H(f)4.2.4残留边带调幅(VSBAM)可见，使得y(t)=m(t)的条件是这就是残留边带调幅对发送端带通滤波器的要求4.3角度调制角度调制：用模拟基带信号m(t)控制载波相角的调制方式。调频和调相都属于角度调制角调信号的时域表达式4.3.1调频及调相信号PM和FM中的相位PM和FM的关系4.3.1调频及调相信号几个参数的定义PM系统FM系统4.3.1调频及调相信号窄带角度调制窄带角度调制信号的带宽是基带信号带宽的两倍，与AM信号相似实际中很少应用4.3.2角度调制信号的频谱特性角度调制信号的频谱特性很难精确求出，下面主要考虑两种情况基带信号是单一的正弦信号基带信号是一般的确定信号对于均值为零的平稳高斯过程，其角度调制信号的功率谱分析十分复杂，不作介绍4.3.2角度调制信号的频谱特性正弦基带信号的角度调制有效带宽的定义包含98%或99%的信号功率的带宽，称为信号的有效带宽利用上述两点即可求正弦基带信号的角度调制信号的有效带宽4.3.2角度调制信号的频谱特性单一正弦信号的角度调制信号的有效带宽计算近似公式一般的确定信号的角度调制信号的有效带宽的计算：卡松公式4.3.2角度调制信号的频谱特性角度调制与幅度调制的比较幅度调制是线性调制，频谱只发生搬移；角度调制是非线性调制，频谱与基带信号相比发生了很大的变化幅度调制信号带宽窄（一倍到两倍的基带信号带宽），是有效性高而可靠性差的调制；而角度调制带宽远大于基带信号带宽（使用大的调制指数时），是用大带宽（低有效性）换取高可靠性的调制4.3.3角度调制器与解调器调相信号可以由调频器得到，下面只讨论产生调频信号的方法1.直接调频第二个方法的优点：解决VCO中心频率稳定性问题4.3.3角度调制器与解调器2.间接调频4.3.3角度调制器与解调器1.普通鉴频器解调A.用微分器实现从调频信号到调频调幅信号的变换B.用调谐电路的上升频率特性实现到调频调幅信号的变换（图4.3.7）两种方法中，包络检波器的输入噪声均为为调频信号带宽内噪声，即为宽带噪声4.3.3角度调制器与解调器2.调频负反馈解调当Kv>>1时，e’(t)是窄带调频信号（带宽匹配于基带信号带宽），这样中频滤波器、鉴频器和低通滤波都可使用窄带器件，有效的抑制了噪声4.3.3角度调制器与解调器3.锁相环解调环路滤波器G(f)的带宽与基带信号带宽一样，因而锁相环解调也可以有效抑制噪声4.4线性调制系统的抗噪声性能通过加性白高斯噪声信道的解调模型4.4.1DSB-SCAM系统的抗噪声性能4.4.1DSB-SCAM系统的抗噪声性能4.4.2SSBAM系统的抗噪声性能4.4.2SSBAM系统的抗噪声性能4.4.3AM系统的抗噪声性能相干解调性能4.4.3AM系统的抗噪声