信号的发射与接收

1

信号的发射与接收

（以模拟信号为例）通信系统的组成框图23引言基带信号：频谱限于f=0（直流）附近的低通型信号为基带信号。模拟基带信号：模拟的基带信号频带信号：频谱限于某一频率附近的信号。在频带信道中传输信号，需要通过正弦型载波调制将模拟基带信号变换为频带信号，该频带信号是在中心频率fc附近。载波幅度载波频率载波初始相位4模拟基带信号m(t)对载波c(t)进行调制：用m(t)的变化规律去控制载波c(t)的幅度，或者频率，或者相位。载波幅度载波频率载波初始相位幅度调制（AM）频率调制（FM）相位调制（PM）调制信号5调制的实质是频谱搬移，其作用和目的是：1、将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）；2、实现信道的多路复用，提高信道利用率；3、通过不同的调制方式兼顾通信的有效性和可靠性，实现传输带宽与信噪比之间的互换。6幅度调制（线性调制）幅度调制中，正弦载波的幅度是随模拟信号m(t)的变化规律成正比变化。对应有四种幅度调制方法：（1）双边带抑制载波调幅（DSB-SC）（4）残留边带调制（VSB）（2）具有离散大载波的双边带调幅（AM）（3）单边带调幅（SSB）7幅度调制的一般原理h(t)不同，对应不同的幅度调制方式8双边带抑制载波调幅(DSB-SC)1、双边带抑制载波调幅信号的产生带通滤波器带通滤波器确保已调信号完全通过910附1傅立叶变换11能量谱密度（f(t):实能量信号；傅立叶变换存在）附2能量谱密度与功率谱密度双边能量谱密度单边能量谱密度：能量守恒12f(t)的功率双边功率谱密度：单边功率谱密度132、双边带抑制载波调幅信号的频谱特性为简便起见，只考虑m(t)是确定信号的情况确定信号的频谱：付氏频谱随机信号的频谱：功率谱1415经幅度调制后，基带信号的频谱被搬移到载频处。若模拟基带信号的带宽为W，则已调信号的带宽为2W。结论：传输此已调信号s(t)的信道带宽为2W。16无论S(f)的上边带或下边带均与M(f)的所有频率分量相对应说明1：上、下边带携带相同的消息，所以称此调幅信号为双边带信号。说明2：该调幅信号的频谱中不包含离散的载频分量，所以称其为双边带抑制载波调幅信号。上边带上边带下边带下边带17模拟基带信号M(t)的功率谱密度DSB-SBAM信号的功率谱：调幅信号的功率谱是模拟基带信号功率谱线性搬移的结果——线性调制18DSB－SC的相干解调框图19双边带抑制载波调幅信号的相干解调LPF的输出！yo(t)相干解调：利用恢复载波20载波提取发端加一离散载频分量（导频）收端用平方环法或COSTAS环法从接收信号中提取载波加导频的缺点：在发端要分配一部分功率给导频。21具有离散大载波的双边带调幅(AM)调制指数调幅系数双边带抑制载波调幅信号频谱＋离散大载波分量m(t)的归一化表示式2223AM波信号功率＝携带消息的已调信号功率＋载波功率调制效率：携带消息的已调信号功率与已调信号总功率之比24简单、经济1、包络检波：半波整流、低通滤波器、隔直流2、相干解调！AM信号的解调：25需采用相干解调(同步检波)，不能采用简单的包络检波。在调制信号m(t)的过零点处，载波相位有180°的突变。DSB信号功率利用率高，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。DSB信号的特点（与AM信号相比）：26单边带调幅(SSB)单边带信号的产生方法：滤波法和相移法。1、用滤波法形成单边带信号27图4–5形成SSB信号的滤波特性

28图4-6SSB信号的频谱

29滤波法的技术难点：单边带滤波器要求在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。在工程中往往采用多级调制滤波的方法。30上、下边带信号的时域表达式312、用相移法产生单边带信号32单边带信号的解调方法1、相干解调:相位差要尽量小!发端加导频分量332、非相干解调:借用AM的非相干解调思路发端增加离散大载波,包络检波3435残留边带调幅(VSBAM)残留边带调制是界于SSB与DSB之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难题。在VSB中，不是完全抑制一个边带，而是逐渐切割，使其残留一小部分，如图所示：36DSB、SSB和VSB信号的频谱下边带残留37VSBAM信号的调制与解调框图38常数39(a)残留部分上边带的滤波器特性(b)残留部分下边带的滤波器特性4041VSB的解调方式1、相干解调2、具有离散大载波的VSBAM信号的包络检波42BVSB=BSSB;实现容易；只要HVSB(ω)在±ωc处具有互补对称（奇对称）特性，那么，采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号。VSB信号的特点：43角度调制幅度调制属于线性调制，它是通过改变载波的幅度，以实现调制信号频谱的平移及线性变换的。因此，我们不仅可以把调制信号的信息寄托在载波的幅度变化中，还可以寄托在载波的频率或相位变化中。一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制(FM)和相位调制(PM)。频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。44角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，又称为非线性调制。由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在密切的关系，即调频必调相，调相必调频。角度调制的另一特点是它占有较宽的信道带宽，角调信号的带宽是基带信号的许多倍。但是该系统的可靠性好（信噪比高）——应用广泛。45调频及调相信号角度调制信号：1、调频及调相信号的表示式信号瞬时相位:信号瞬时频率：46带通型的角度调制信号：信号瞬时相位信号瞬时频率：m(t)：模拟基带信号调相系统：调频系统：相移与基带信号成正比频移与基带信号成正比Kp：相位偏移常数，Kf：频率偏移常数47如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；如果将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫间接调频。48由于实际相位调制器的调制范围不大，所以直接调相和间接调频仅适用于相位偏移和频率偏移不大的窄带调制情况，而直接调频和间接调相常用于宽带调制情况。从以上分析可见，调频与调相并无本质区别，两者之间可相互转换。492、窄带角度调制的定义：与AM系统类似：已调信号带宽是基带信号带宽的两倍，实际上其抗噪声性能也与AM一致。实际很少用，一般是做为产生宽带角度调制的中间级。50角度调制信号的频谱特性角度调制系统是非线性系统，即使是简单的模拟基带信号的角度调制，数学上也很难求出它的精确频谱特性。以单频信号为例，利用近似分析进行频谱分析，然后将其结果推广于更复杂的基带信号。1、正弦基带信号的角度调制可能是调制指数,也可能是周期函数付氏级数展开51第一类n阶贝塞尔函数52角调信号的频谱包含无穷多个分量。角调信号的频谱宽度为无限宽！53n为偶数时n为奇数时54理论上调频波的频带宽度为无限宽。实际上边频幅度Jn(β)随着n的增大而逐渐减小，因此只要取适当的n值使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可近似认为具有“有限频谱”。角调信号的有效带宽至少含有98％的总信号功率。基带信号：已调信号的有效带宽的近似计算公式为：55角度调制器与解调器以调频信号为例1、直接调频法：用调制信号(电压)直接控制振荡器的频率，使其频率按调制信号(电压)的规律线性变化。产生调频信号的方法有直接调频法和间接调频法。输入电压为0时，振荡器产生频率为的正弦波VCO可以满足宽带调频的大频偏要求，但VCO中心频率稳定度不高。56(PLL------Phaselockedloop)锁相环：确保VCO中心频率的稳定性及准确度与晶振一致。572、间接调频58先产生窄带调频信号(NBFM)，然后利用倍频器把NBFM变换成宽带调频信号(WBFM)。59以典型的调频广播的调频发射机为例。在这种发射机中首先以f1=200kHz为载频，用最高频率fm=15kHz的调制信号产生频偏Δf1=25Hz的窄带调频信号。而调频广播的最终频偏Δf=75kHz,载频fc在88-108MHz频段内，因此需要经过的n=Δf/Δf1=75×103/25=3000的倍频，但倍频后新的载波频率(nf1)高达600MHz，不符合fc的要求。因此需要混频器来解决这个问题。60Armstrong间接法61间接法的优点是频率稳定度好。缺点是需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。62调频解调器1)普通鉴频器由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号的幅度，因而调频信号的解调器必须能产生正比于输入频率的输出电压。63微分器输出：64(2)调频负反馈解调方案引入负反馈：加到鉴频器输入端的调频信号的调制指数很小，从而可以选用带宽较小的BPF可以抑制鉴频前的加性噪声！65(3)利用锁相环作调频解调器鉴相器：乘法器＋LPF调频负反馈及锁相环解调的主要优点是可以扩展门限。66模拟通信系统的评估：有效性：用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性：发与收信号的差异程度——通常用整个通信系统的输出信噪比来表示（信号传输时叠加上的加性噪声，信道传输特性不理想导致的乘性干扰） 67评价一个模拟通信系统质量的好坏，最终是要看解调器的输出信噪比(SNR)。解调器输出信号平均功率解调器输出噪声平均功率解调器输入信号平均功率解调器输入噪声平均功率调制制度增益68调制方式信号带宽制度增益设备复杂度主要应用DSB2中等较少应用SSB1复杂短波无线电广播，话音频分多路VSB略大于近似SSB近似SSB复杂商用电视广播AM<1简单中短波无线电广播FM中等超短波小功率电台(窄带FM)，微波中继，调频立体声广播(宽带FM)总结：各种模拟调制方式的性能69AM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，在传输中如果载波受到信道的选择性衰落，则在包检时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高。因此AM制式用于通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中。DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，接收要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信，运用不太广泛。总结：特点与应用70SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM,而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。鉴于这些特点，SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中。VSB调制的诀窍在于部分抑制了发送边带，同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分。VSB的性能与SSB相当。VSB解调原则上也需同步解调，但在某些VSB系统中，附加一个足够大的载波，就可用包络检波法解调合成信号(VSB+C)，这种(VSB+C)方式综合了AM、SSB和DSB三者的优点。所有这些特点，使VSB对商用电视广播系统特别具有吸引力。71FM波的