通信原理第三章素材

1第3章模拟线性调制系统2调制的研究对象问题：为什么要对信号进行调制？什么是调制？信源信源编码信道编码调制发射传输媒质接收解调信道译码信源解码信宿3调制的目的1.将消息变换为便于传输的形式。也就是说，变换为某种形式使信道容量达到最大，而且传输更可靠和效。2.提高性能，特别是提高抗干性。3.有效的利用频带。4调制的概念调制：就是将基带信号进行各种变换后再传输的过程。其中包括调制映射，傅立叶变换(OFDM)，频率搬移等等。数学分析：wSy(w)频率搬移wSy(w)wctwtxtytwjtwtxtywwδwSwSccccxycos)()(]sin[cos)()()()()(5调制分类调制信号：载波信号：调幅：主要内容：原理，频域分析和性能分析数字调制数字信号模拟调制模拟信号)(tf)(cos)(ccθtwAtc幅度调制频率调制相位调制线性调制非线性调制)(cos)()(ccθtwtftc6内容模拟线性调制1.常规调幅(AM)2.抑制载波双边带调幅(DSB-SC)3.单边带调制(SSB)4.残留边带调制(VSB)线性调制和解调的一般模型线性调制系统的抗噪声性能（重点）1.通信系统抗噪声性能的分析模型2.线性调制相干解调的抗噪声性能73.1.1常规调幅(AM)时域表达式调制FLASH演示)(cos)]([)(0ccAMθtwtfAtS直流调制信号零均值随机确知)(tf)cos(twc)(tSAM0A89解调---包络检波无失真恢复条件否则会出现过调幅。)(tSAMLPFAtf)(0)(0tfAfcww10若调制信号调幅信号调幅指数)(cos)(mmmθtAtf)(cos)](cos1[)(00ccmmmAMθtwθtAAAtS10AMmAMβAAβ无失真包络检波条件：11确知信号调幅的频域分析傅立叶变换频域表达式)]()([cos)()(ccFouriercFourierwwδwwδπtwwFtf)(21)()(21)()](*)([21)(00ccccAMwwFwwδAπwwFwwδAπwCwFwS直流分量信号分量FLASH演示1213随机信号调幅的频域分析分析方法：功率谱密度函数功率谱的自相关函数随机信号傅立叶变换自相关)()(tftf)]()([41)]()([2)(20cfcfccAM14功率分配功率组成调制效率：最大：1/32)(2220tfAPPPfcAM222AMAMfcfAMfAMββPPPPPη载波功率边带功率15AM小结优点：结构简单，实现容易。缺点：功率效率非常低，最大为1/3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。163.1.2抑制载波的双边带调幅思路：AM信号，载波分量占据了大部分功率，又不包含信息，造成功率浪费，可去除直流部分。调制：)(tf)cos(twc)(tSDSBFLASH演示1718时域分析和解调时域表达式：解调---相干解调)(cos)()(ccDSBθtwtftS)(tSDSB)(tkfLPF载波恢复)cos(twcFLASH演示1920DSB的频域分析频域分析确知信号：功率效率：频谱：)](21)(21)(ccDSBwwFwwFwS)]()([41)(cfcfDSB1DSBηFLASH演示2122DSB小结优点：功率利用率较高（与AM相比）。缺点：解调复杂。DSB信号不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调。节省了载波功率，但频带与AM信号同，是调制信号带宽的2倍。应用：FM立体声中的差信号调制，彩色TV系统中的色差信号调制，以及正交调制等。233.2单边带调幅思路：DSB信号中，调制形成的两个边带互为对称，很自然的想到只传输一个边带，这就是SSB.原理：)(tf)cos(twc)(tSDSB)(wHSSB)(tSSSB24表示式：滤波器：wSDSB(w)-wcwc)()()(wHwSwSSSBDSBSSBccLSBccUSBSSB||1||0)(||0||1)()(下边带上边带频域表示FLASH演示25263.2.1相移法分析频域表示：频域因果，时域解析时域表示式wS(w)wS(w)wS(w)0)(0)()()()()(wwjFwwjFwGwjGwFw为阶跃函数)()()(2)(wUwUwFw])(1[)())(()(1dttfjtfwFt273.2.2希尔伯特滤波器希尔伯特变换希尔伯特滤波器---宽带相移网络dttftf)(1)(ˆwHh(w)wh(w)o22283.2.3单边带信号时域表达式时域关系：滤波器：时域表达式：)()()(thtStSSSBDSBSSBttwthttwtthcLSBcUSBsin1)(sin1)()(twtftwtftStwtftwtftSccUSBccLSBsin)(ˆ21cos)(21)(sin)(ˆ21cos)(21)(293.2.4单边带信号的相移法产生相移法产生问题：载波准确相移90°所有频率成分相移90°)(tf)cos(twctwtfcsin)(ˆ21)(tSSSB2/)(wHhtwtfccos)(21303.2.5单边带信号的解调相干解调)(tSSSB)(tkfLPF载波恢复)cos(twcFLASH演示31323.2.6小结优点：调制前后带宽保持不变（与调制信号相同）。缺点：信号产生及其解调复杂。应用：长途（载波）电话。333.3残留边带调幅思路：AM和DSB信号的带宽是原信号的两倍，而SSB调制系统实现较困难，因此提出了一种介于DSB和SSB之间的调制方式VSB。原理：)(tf)cos(twc)(tSDSB)(wHVSB)(tSVSB34)]()([)(21)(ccSSBVSBwwFwwFwHwSwSDSB(w)-wcwc频域表示FLASH演示3536373.3.1解调采用相干解调解调不失真条件：要求滤波器特性满足互补对称性。常数)()(cVSBcVSBwwHwwHLPFCd(t)=coswctSSSB(t)SP(t)Sd(t)38推导：由频域卷积定理得若选择合适的低通滤波器的截止频率，则有：1()()*()21()*[()()]21[()()2PVSBdVSBCCVSBCVSBCSSCSSS1()()[()()]41()[()(2)]41()[()()]41[()(2)()(2)]4PVSBCCVSBCCVSBCVSBCVSBCCVSBCCSHFFHFFFHHHFHF39wwc满足互补对称特性的滚降形状并不是唯一的，目前应用最多的是直线滚降和余弦滚降。它们分别在电视信号传输和数据信号传输中得到应用。常数)()(cVSBcVSBwwHwwH1()()[()()]4dVSBCVSBCSFHH40说明只要残留边带滤波器的截止特性在载频处具有互补对称特性，则采用同步解调法解调残留边带信号就能准确地恢复所需的基带信号。残留边带滤波器的截止特性具有很大的选择自由度。但有选择自由度并不意外着对“陡峭程度”就没有制约了。残留边带信号的带宽与滤波器的实现之间存在着矛盾，在实际中，需要恰当处理。413.4调幅信号产生的一般模型原理框图频域表达式)(tf)cos(twc)(tSDSB)(wH)(tS)]()([)(21)(ccwwFwwFwHwS423.4.1调幅信号的正交产生时域表达式正交法产生twtfthtwtfthdtwtfhthtwtftScQcIccsin)]()([cos)]()([)(cos)()()(]cos)([)(展开twththtwththcQcIsin)()(cos)()(同相分量正交分量)(tf)cos(twc)(tSI)(wHI)(tS)(wHQ)(tSQ2/433.4.2调幅信号的产生双边带调制单边带调制残留边带调制0)(1)(wHwHQI)()()(2121wHwHwHhQI)(~)()(2121wHwHwHQQI443.4.3调幅相干解调适用于：AM，DSB，SSB，VSB数学分析输入信号：滤波前:滤波后:)(tSLPF载波恢复)cos(twc)(tSp)(tSdtwtStwtStScQcIsin)(cos)()(twtStwtStStwtStScQcIIcp2sin)(2cos)()(cos)()(212121)()()(21tftStSId453.4.4插入载波包络检波适用于DSB，SSB，VSB)(tS包络检波载波恢复)cos(twAcd)(tSa)(tSd463.5.1噪声系统模型系统模型噪声分类)(tS解调器BPF)(tn)(tSi)(tni)(tno)(tSo起伏干扰脉冲干扰加性乘性噪声47平稳窄带高斯噪声分布白噪声：功率谱为均匀高斯分布高斯：概率密度分布为时间无关平稳：概率密度函数与时间平均各态历经：统计平均＝声各态历经平稳高斯白噪AWGN))(cos()(sin)(cos)()(ttwtVtwtntwtntnooQoIi瑞利分布均匀分布wS(w)woBnNtntntnoiQIi噪声输入功率：方差相同，均为解调器)(),(),(483.5.2性能评估指标通信系统的质量指标模拟调制系统的性能评估指标信噪比增益：率数字：误码率或误符号噪比模拟：接收端的输出信准确程度可靠信数字：信息传输速率模拟：有效传输频带频谱效率有效性质量指标iiooioNSNSSNRSNRG说明：本节要讨论的问题是信道存在加性高斯白噪声时，各种线性调制系统的抗噪声性能。而抗噪声能力通常用“信噪比”来度量，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比。493.5.3相干解调的抗噪声性能解调模型数学分析解调前解调后)(tSLPFBPF)(tn)(tSi)(tni)(tno)(tSo)(costwc的中心频率是BPFwtwtntwtntntwtStwtStSooQoIicQcIisin)(cos)()(sin)(cos)()(twwtntwwtntntStScoQcoIiIo)sin()()cos()()()()(212121503.5.4双边带调幅的抗噪声性能forDSB，BDSB=2W，Wo=Wc解调前解调后信噪比增益WnBnNtfEtwtSSoDSBoicIi2)(]cos)([2212WntfENSoii4)(2DSBoIIoIoBntnEtNNtfEtSS41241221241221)()]([)()]([WntfENSooo2)(22DSBG输入信噪比输出信噪比513.5.5单边带调幅的抗噪声性能forSSB，BSSB=W，解调前解调后信噪比增益221)(WcowwWnBnNtfEtfEtfESoSSBoii)()(ˆ)(241281281WntfENSoii4)(2WntntnENtfEtfSoQIoo41221221412161241)()()()]([WntfENSooo4)(21SSBG输入信噪比输出信噪比523.5.6思考为什么双边带调制相干解调的信噪比增益比单边带调制的高？双边带信号DSB调制器的信噪比改善了一倍，原因是相干解调把噪声中的正交分量抑制掉，从而使噪声功率减半的