1、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 2 3 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 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 幅度调制 AM 频率调制 FM 相位调制 PM 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
2、 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 9 10 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
3、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 12 f t 的功率 双边功率谱密度 单边功率谱密度 13 2 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 14 15 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
4、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 18 DSB 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 22 23 AM波信
5、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 6 SSB信号的频谱 29 滤波法的技术
6、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 31 2 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 33 2 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 34 35 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 36 DSB SSB和VS
7、B信号的频谱 下边带残留 37 VSBAM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 40 41 VSB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 42 BVSB BSSB 实现容易 只要HVSB 在 c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
8、 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
9、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
10、者之间可相互转换 49 2 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 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 53 n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
11、上边频幅度Jn 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
12、一致 57 2 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 f1 25Hz的窄带调频信号 而调频广播的最终频偏 f 75kHz 载频fc在88 108MHz频段内 因此需要经过的n f f1 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 60 Armstrong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
13、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
14、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 总结 各种模拟调制方式的性能 69 AM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
15、于点对点的专用通信 运用不太广泛 总结 特点与应用 70 SSB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 71 FM波的幅度恒定不变 这使它对非线性器件不甚敏感 给FM带来了抗快衰落能力 利用自动增益控制和带通限幅还可以消除快衰落造成的幅度变化效应 这些特点使得窄带FM对微波中继系统颇具吸引力 宽带FM的抗干扰能力强 可以实现带宽与信噪比的互换 因而宽带FM广泛应用于长距离高质量的通信系统中 如空间和卫星通信 调频立体声广播 超短波电台等 宽带FM的缺点是频带利用率低 存在门限效应 因此在接收信号弱 干扰大的情况下宜采用窄带FM 这就是小型通信机常采用窄带调频的原因 另外 窄带FM采用相干解调时不存在门限效应 72 谢谢 73
