现代通信原理教程 课件 黄文淮 第3、4章 模拟调制系统、数字信号基带传输系统

第3章模拟调制系统内容3.1线性调制3.2非线性调制3.3频分复用3.4线性调制系统的抗噪声性能3.5调频系统抗噪声性能分析3.6模拟调制方式性能比较3.7AM调制解调的SystemView仿真

3.1线性调制内容：双边带调幅AM抑制载波双边带调制DSB-SC单边带调幅SSB残留边带调幅VSB讲解思路：调制和解调原理频域分析性能分析一、双边带调幅AM1．AM信号时域表达式及时域波形图

2．AM信号频域表达式及频域波形图时域波形图频域波形图Matlab仿真的AM信号频谱一、双边带调幅AM3．AM信号平均功率4．AM信号调制效率比较低时，如果m(t)为常数，则如果m(t)为正弦波时，一、双边带调幅AM5．AM信号的解调相干解调法LPFBPF一、双边带调幅AM非相干解调法——包络检波法

LPFBPFLEDAM小结优点：结构简单，实现容易。缺点：功率效率非常低频谱效率也不高，为信号最高频率的2倍应用：中短波段AM广播。二、抑制载波双边带调制（DSB-SC）BPF1．DSB信号时域表达式及时域波形图

2．DSB信号频域表达式及频域波形图时域波形图频域波形图Matlab仿真的DSB信号频谱Matlab仿真的调制信号与已调信号Matlab仿真的噪声与信号Matlab仿真的DSB信号频谱Matlab仿真的DSB信号频谱二、抑制载波双边带调制（DSB-SC）3．DSB信号平均功率4．DSB信号解调LPFBPF三、单边带调制（SSB）

1．SSB信号的滤波法产生2．SSB信号的频域表达式及频谱图

其中频域波形图Matlab仿真的LSSB-AM信号与频谱Matlab仿真的LSSB-AM信号噪声频谱三、单边带调制（SSB）3．SSB信号的时域表达式及其波形设

则

一般信号

三、单边带调制（SSB）4．SSB信号的相移法产生三、单边带调制（SSB）5.SSB信号平均功率和频带宽度

发送功率为

频带宽度为

三、单边带调制（SSB）6．SSB信号的接收LPFBPF频域表示四、残留边带调制（VSB）1．VSB调制原理的传输特性为:

其中它具有互补对称特性

四、残留边带调制（VSB）2．VSB解调原理LPFBPF3．VSB滤波器传输特性因此要求:四、残留边带调制（VSB）4．VSB信号发送功率和频带宽度【例3-1】

已知调制信号，载波为，分别写出AM、DSB、USB、LSB信号的表示式，并画出频谱图。

3.2非线性调制内容：角度调制的概念调频信号带宽调频信号解调

一、角度调制的概念1．频率调制2．相位调制二、调频信号带宽窄带调频：

1．NBFM频带宽度非线性的与AM比较Matlab仿真的FM信号Matlab仿真的FM信号频谱二、调频信号带宽2．WBFM频带宽度设调制信号为：

则：

此时：

其中：

有无穷个频率分量【例3-1】

已知某单频调频波的振幅是10V，瞬时频率为试求：此调频波的表达式；此调频波的频率偏移、调频指数和频带宽度；若调制信号频率提高到，调频波的频偏、调频指数和频带宽度如何变化？【例3-1】（1）（2）（3）三、调频信号解调

1．调频信号非相干解调原理BPF包络检波微分器LPF鉴频器

——称为鉴频器灵敏度

3.3频分复用一、频分复用(FDM)

SSB调制LPFSSB调制LPFSSB调制LPFSSB解调BPFSSB解调BPFSSB解调BPF╋123二、复合调制和多级调制3.3频分复用复合调制----对同一载波进行两种或更多种的调制。例如，对一个调频波再进行一次振幅调制，所得结果就变成了调频调幅波。多级调制----将同一基带信号实施两次或更多次的调制过程，前后级的调制方式可以是相同的，也可以是不同的。【例3-2】设有一个频分多路复用系统，副载波用SSB调制，主载波用FM调制。如果有60路等幅的音频输入通路，则每路频带限制在3.3kHz以下，防护频带为0.7kHz。（1）如果最大频偏为800kHz，试求传输信号的带宽；（2）试分析与第1路相比，第60路输出信噪比降低的程度（假定鉴频器输入的噪声是白噪声，且解调器中无去加重电路）。3.4线性调制系统的抗噪声性能内容：抗噪声性能分析模型线性调制系统抗噪声性能分析

一、抗噪声性能分析模型带通滤波器解调器╋二、线性调制系统抗噪声性能分析BPF╋LPF╳1．DSB调制系统性能二、线性调制系统抗噪声性能分析2．AM调制系统性能二、线性调制系统抗噪声性能分析3．SSB调制系统性能1．调频系统抗噪声性能3.5、调频信号抗噪声性能分析

带通限幅鉴频低通解调器（1）输入信噪比（2）输出信噪比a、大信噪比情况其中：请参考：曹志刚等.《现代通信原理》.P86鉴频器输出为：有用信号噪声项噪声角均匀分布微分电路的功率传输函数为：

设：

b、小信噪比情况经过分析可知，当输入信噪比减小到一定程度时，解调器的输出中不存在单独的有用信号项，信号被噪声扰乱，因而输出信噪比急剧下降，这种情况与AM包络检波时相似，称为“门限效应”。【例3-3】设一宽带频率调制系统，载波振幅为100V，频率为100MHz，调制信号的频带限制于5kHz，，最大频偏，并设信道中噪声功率谱密度是均匀的，n0

为（单边谱），试求：接收机输入端理想带通滤波器的传输特性解调器输入端的信噪功率比解调器输出端的信噪功率比若m(t)以振幅调制方法传输，并以包络检波器检波，试比较在输出信噪比和所需带宽方面与频率调制系统有何不同？【例3-3】(1)(2)(3)(4)3.6模拟调制系统的性能比较

有效性比较

可靠性比较

3.7AM调制解调的SystemView仿真仿真参数基带信号：幅值2V，频率128Hz，初始相位0载波信号：幅值1V，频率1024Hz，初始相位0噪声参数：均值为0，方差为1的AWGN噪声采样率：8KHz采样点数：512点解调方式：相干解调3.7AM调制解调的SystemView仿真加噪前后调制信号时域和频域波形对比3.7AM调制解调的SystemView仿真解调信号与原始信号对比波形小结

1．调制方式（四种）2．模拟调制分类：线性调制和非线性调制

模拟信号

数字信号

基带信号

连续波

脉冲波

载波

类型时域表达式解调方法带宽用途AM包络检波相干解调广播DSB相干解调立体声广播SSB相干解调短波无线电话通信VSB相干解调电视广播、传真3．线性调制5．各模拟调制系统的抗噪声性能小结

4．非线性调制对各种模拟调制系统的有效性和可靠性进行比较可知：SSB带宽最窄，有效性最好，其次是VSB，接下来是DSB、AM，而FM的带宽最宽；但FM的输入信噪比最大，可靠性最好，其次是DSB、SSB、VSB，而AM的抗噪声性能最差。当AM、FM采用非相干解调时，存在门限效应，相干解调不存在门限效应。门限效应一旦出现，输出信噪比将急剧恶化。6．各模拟调制系统的比较小结

【习题与作业】1.线性调制相干解调时，若采用不同频率、不同相位的载波，有什么影响？2.什么叫门限效应？哪些模拟调制在什么情况下会出现门限效应？3.试比较单边带信号的滤波法与相移法的区别？4.一个幅度为Ac、频率为fc的未调载波和带宽为2fm（fm为调制信号的带宽）的窄带白噪声加在一起，通过理想包络检波器，求高载波信噪比情况下的输出信噪比？5.抑制载波双边带调制和单边带调制中，若基带信号均为3kHz限带低频信号，载频为1MHz，接收信号功率为1mW，加性高斯白噪声双边功率谱密度为10-3uW/Hz。接收信号经带通滤波器后，进行相干解调。(1)比较解调器输入信噪比？(2)比较解调器输出信噪比？【习题与作业】6.2MHz载波受10kHz单频正弦调频，峰值频偏为10kHz，求(1)调频信号的带宽？(2)调频信号幅度加倍时，调频信号的带宽？(3)调制信号频率加倍时，调频信号的带宽？7.设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度为0.5×10-3W/Hz，在该信道中传输振幅调制信号，并设调制信号的频带限制在5kHz，而载频是100kHz，边带功率为10kW，载波功率为40kW，若接收机的输入信号先经过一个合适的理想带通滤波器，然后再加至包络检波器进行解调。试求(1)解调器输入端的信噪功率比？(2)解调器输出端的信噪功率比？(3)调制度增益？【习题与作业】本章作业第3-3、3-7、3-9题

第4章数字信号基带传输系统内容4.1数字基带信号的波形4.2数字基带信号的传输码型4.3数字基带信号功率谱分析4.4数字基带信号的传输及码间干扰4.5眼图4.6均衡4.7基带通信系统仿真实例

基带传输系统噪声源信源信道编码信源编码调制器信道解调器信宿信道译码信源译码数字基带信号来自数据终端的原始数据信号，或者模拟信号经数字化处理后的数字信号频谱都是从零频或零频附近开始，其功率主要集中在一个有限的频带范围内基带传输频带传输

不经过调制直接进行数字信号的传输称为数字信号的基带传输。数字基带信号含有大量的低频分量以及直流分量。数字基带传输和数字频带传输基带传输频带传输经过调制，利用载波传输调制后的频带信号的传输方式称为数字信号的频带传输。数字基带传输和数字频带传输脉冲形成器输入发送滤波器定时脉冲输出信道信号形成器信道接收滤波器抽样判决器同步提取恢复原来基带信号

三、基带传输系统将原始二进制序列变换成比较适合信道传输的码型，并提供同步定时信息将输入的矩形脉冲变换成适合信道传输的波形

常为有线信道会引入噪声滤除带外噪声，对信道特性进行均衡4.1数字基带信号的波形图5-3数字基带信号的常用码型单极性NRZ

双极性NRZ

单极性RZ

双极性RZ

差分码

4.2数字基带信号的传输码型AMI码

HDB3码用“000V”或“B00V”代替“四连0”B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保输出码中没有直流成分。V码必须与前一个信码同极性，以便和正常的AMI码区分开来。HDB3码编码规则：CMI码密勒码

双相码

DMI码编码规则：对于输入二元码“0”，若前面变换码为01或11，则DMI码为01；若前面变换码为10或00，则DMI码为10。对于输入二元码“1”，则DMI码00和11交替变化。密勒码编码规则：“1”码用码元持续中心点出现跃变来表示，即用10或01来表示，如果是连“1”时则须交替。“0”码有两种情况，单个“0”时，在码元持续时间内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变；连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即00和11交替。

4.2数字基带信号的传输码型DMI码多进制码

“0”码用01表示，“1”码用00和11交替表示。

CMI码编码规则：4.3数字基带信号功率谱分析一、数字基带信号的功率谱密度

数字基带信号的表示其中：其中：v(t)的功率谱密度

一、数字基带信号的功率谱密度

u(t)的功率谱密度

一、数字基带信号的功率谱密度

s(t)的功率谱密度

一、数字基带信号的功率谱密度

单边带双边带

二、功率谱密度计算举例

1．单极性不归零码当P=0.5时二、功率谱密度计算举例

2．单极性归零码当P=0.5时m为奇数：

m=0：m为偶数：

有直流有离散谱无离散谱二、功率谱密度计算举例

3．双极性码

不归零时：归零时：无直流无离散谱演示4.4数字基带信号的传输及码间干扰一、码间串扰的概念

发送滤波器信道接收滤波器抽样判决噪声GR(f)C(f)GT(f)二、码间串扰的数学分析

基带传输抽样判决H(f)其中：

可得：

二、码间串扰的数学分析

第j个码元的值其他码元值总和—码间干扰噪声三、码间串扰的消除

要消除码间串扰

求和凑零无法实现波形截断困难抽样点为零四、奈圭斯特准则1、无码间串扰基带传输系统的要求

两条要求

抽样点上无码间串扰或

h(t)尾部衰减快2、理想基带传输系统

T为码元持续时间102、理想基带传输系统h(t)的零点间隔等于T，在理论上，可以用持续时间为T的码元进行传输而无码间串扰。传输带宽：B=1/(2T)Hz传输速率:RS=(1/T)波特速率带宽比:RS/B＝2Baud/Hz理想低通滤波器在实际中是不可能存在的

why?3、无码间串扰的等效特性

思考：什么样的滤波器可以满足无串绕要求，而且又能实现呢？频域上无法实现矩形幅度特性滤波器。即使能实现，也要求有一个非常精确的抽样点，如果稍微偏离，码间干扰将急剧增加。

答案：就是一些有过渡特性的滤波器。

3、无码间串扰的等效特性

奈奎斯特1928年给出了一条解决途径，他证明了为得到无码间串扰的传输特性，系统传输函数不必为矩形，而容许是具有缓慢下降边沿的任何形状。

－－称为奈奎斯特准则。要求：即：在（，）区间内能叠加成一个矩形频率特性，演示4、升余弦滚降传输特性

1滚降系数：升余弦滚降：4、升余弦滚降传输特性

【例4-1】某基带系统的频率特性是截止频率为1MHz、幅度为1的理想低通滤波器。求此基带系统无码间串扰的码速率。设此系统传输信息速率为3Mbps，能否无码间串扰传输？（2）设传输M进制信号，则（1）即当采用8n进制信号时，码速率，可以【例4-2】

11设某数字基带传输系统的传输特性如下

检验该系统能否实现无码间干扰传输？试求该系统的最大码元传输速率为多少？这时系统的频带利用率为多少？可以4.5眼图

演示

眼图模型

最佳判决时刻最佳判决门限电平过零点失真信号失真斜率噪声容限4.6均衡

一、概述1、均衡器的用途

--减小码间串扰2、均衡器的种类：

频域均衡器：使系统总传输特性满足奈奎斯特准则；时域均衡器：横向滤波器。二、时域均衡1、概念二、时域均衡1、实现可用矩阵形式表示为：

其中：

三抽头横向滤波器，输入序列输出序列。【例4-3】

4.7基带通信系统仿真实例

一、仿真目的(1)通过实验进一步掌握、了解数字基带传输系统的构成及其工作原理。(2)观察数字基带传输系统接收端的眼图，掌握眼图的主要性能指标。二、仿真原理图5.7基带通信系统仿真实例

三、仿真参数基带信号速率：128波特；采样频率：10240Hz；每码元采样点数：80；仿真点数：5000；仿真时间：0~488.18359375e-3s；采样间隔：97.65625e-6s；脉冲波形：RootCosine型，脉冲宽度，7.8125e-3s；四、仿真模型五、仿真结果成形滤波前后信号波形图SystemView00100e-3100e-3200e-3200e-3300e-3300e-3400e-3400e-31500e-30-500e-3-1AmplitudeTimeinSecondsSink1400100e-3100e-3200e-3200e-3300e-3300e-3400e-3400e-31500e-30-500e-3-1AmplitudeTimeinSecondsSink15001e+31e+32e+32e+33e+33e+34e+34e+35e+35e+30-50-100-150-200-250-300-350-400PowerdBmFrequencyinHz(dF=2.048Hz)PowerSpectrum001e+31e+32e+32e+33e+33e+34e+34e+35e+35e+30-20-40-60-80PowerdBmFrequencyinHz(dF=2.048Hz)PowerSpectrum五、仿真结果加噪前后波形时域频域对比图SystemView00100e-3100e-3200e-3200e-3300e-3300e-3400e-3400e-33210-1-2-3AmplitudeTimeinSecondsSink1200100e-3100e-3200e-3200e-3300e-3300e-3400e-3400e-31500e-30-500e-3-1AmplitudeTimeinSecondsSink15001e+31e+32e+32e+33e+33e+34e+34e+35e+35e+30-20-40-60-80PowerdBmFrequencyinHz(dF=2.048Hz)PowerSpectrum001e+31e+32e+32e+33e+33e+34e+34e+35e+35e+30-20-40-60PowerdBmFrequencyinHz(dF=2.048Hz)PowerSpectrumofSink12(dBm50ohms)MixedRadix五、仿真结果接收端滤波前后信号波形时域、频域对比图SystemView00100e-3100e-3200e-3200e-3300e-3300e-3400e-3400e-31.51500e-30-500e-3-1-1.5AmplitudeTimeinSecondsSink1100100e-3100e-3200e-3200e-3300e-3300e-3400e-3400e-33210-1-2-3AmplitudeTimeinSecondsSink12001e+31e+32e+32e+33e+33e+34e+34e+35e+35e+30-20-40-60PowerdBmFrequencyinHz(dF=2.048Hz)PowerSpectrum001e+31e+32e+32e+33e+33e+34e+34e+35e+35e+30-20-40-60PowerdBmFrequencyinHz(dF=2.048Hz)PowerSpect五、仿真结果接收信号眼图五、仿真结果接收信号与原始信号对比图小结

1．码型编码①最基本二元码的数字基带波形最基本的数字基带波形分别是单极性NRZ、双极性NRZ、单极性RZ、双极性RZ和差分码。单极性波形有直流，且接收端判决电平不固定，因而应用受限。双极性波形等概时无直流，且接收端判决电平固定为零，因而应用广泛。与NRZ相比，RZ码波形的主要缺点是带宽大，主要优点是位与位之间易于分清，尤其是单极性RZ码波形存在fs离散分量，可用于位定时。差分码的特点是，即使接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确进行判决。

②常用的1B/1T码常用的1B/1T码有AMI码、HDB3码、PST码，它们都是把1位二进制信码变换成1位三电平取值的码。这三种码型都有无直流的特点，而且同步信息丰富，但AMI的缺点是连“0”码过多时提取定时信息困难，HDB3