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信號的發射與接收

（以模擬信號為例）通信系統的組成框圖23引言基帶信號：頻譜限于f=0（直流）附近的低通型信號為基帶信號。模擬基帶信號：模擬的基帶信號頻帶信號：頻譜限于某一頻率附近的信號。在頻帶信道中傳輸信號，需要通過正弦型載波調制將模擬基帶信號變換為頻帶信號，該頻帶信號是在中心頻率fc附近。載波幅度載波頻率載波初始相位4模擬基帶信號m(t)對載波c(t)進行調制：用m(t)的變化規律去控制載波c(t)的幅度，或者頻率，或者相位。載波幅度載波頻率載波初始相位幅度調制（AM）頻率調制（FM）相位調制（PM）調制信號5調制的實質是頻譜搬移，其作用和目的是：1、將調制信號（基帶信號）轉換成適合于信道傳輸的已調信號（頻帶信號）；2、實現信道的多路復用，提高信道利用率；3、通過不同的調制方式兼顧通信的有效性和可靠性，實現傳輸帶寬與信噪比之間的互換。6幅度調制（線性調制）幅度調制中，正弦載波的幅度是隨模擬信號m(t)的變化規律成正比變化。對應有四種幅度調制方法：（1）雙邊帶抑制載波調幅（DSB-SC）（4）殘留邊帶調制（VSB）（2）具有離散大載波的雙邊帶調幅（AM）（3）單邊帶調幅（SSB）7幅度調制的一般原理h(t)不同，對應不同的幅度調制方式8雙邊帶抑制載波調幅(DSB-SC)1、雙邊帶抑制載波調幅信號的產生帶通濾波器帶通濾波器確保已調信號完全通過910附1傅立葉變換11能量譜密度（f(t):實能量信號；傅立葉變換存在）附2能量譜密度與功率譜密度雙邊能量譜密度單邊能量譜密度：能量守恒12f(t)的功率雙邊功率譜密度：單邊功率譜密度132、雙邊帶抑制載波調幅信號的頻譜特性為簡便起見，只考慮m(t)是確定信號的情況確定信號的頻譜：付氏頻譜隨機信號的頻譜：功率譜1415經幅度調制后，基帶信號的頻譜被搬移到載頻處。若模擬基帶信號的帶寬為W，則已調信號的帶寬為2W。結論：傳輸此已調信號s(t)的信道帶寬為2W。16無論S(f)的上邊帶或下邊帶均與M(f)的所有頻率分量相對應說明1：上、下邊帶攜帶相同的消息，所以稱此調幅信號為雙邊帶信號。說明2：該調幅信號的頻譜中不包含離散的載頻分量，所以稱其為雙邊帶抑制載波調幅信號。上邊帶上邊帶下邊帶下邊帶17模擬基帶信號M(t)的功率譜密度DSB-SBAM信號的功率譜：調幅信號的功率譜是模擬基帶信號功率譜線性搬移的結果——線性調制18DSB－SC的相干解調框圖19雙邊帶抑制載波調幅信號的相干解調LPF的輸出！yo(t)相干解調：利用恢復載波20載波提取發端加一離散載頻分量（導頻）收端用平方環法或COSTAS環法從接收信號中提取載波加導頻的缺點：在發端要分配一部分功率給導頻。21具有離散大載波的雙邊帶調幅(AM)調制指數調幅系數雙邊帶抑制載波調幅信號頻譜＋離散大載波分量m(t)的歸一化表示式2223AM波信號功率＝攜帶消息的已調信號功率＋載波功率調制效率：攜帶消息的已調信號功率與已調信號總功率之比24簡單、經濟1、包絡檢波：半波整流、低通濾波器、隔直流2、相干解調！AM信號的解調：25需采用相干解調(同步檢波)，不能采用簡單的包絡檢波。在調制信號m(t)的過零點處，載波相位有180°的突變。DSB信號功率利用率高，但它的頻帶寬度仍是調制信號帶寬的兩倍，與AM信號帶寬相同。DSB信號的特點（與AM信號相比）：26單邊帶調幅(SSB)單邊帶信號的產生方法：濾波法和相移法。1、用濾波法形成單邊帶信號27圖4–5形成SSB信號的濾波特性

28圖4-6SSB信號的頻譜

29濾波法的技術難點：單邊帶濾波器要求在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制無用的一個邊帶。在工程中往往采用多級調制濾波的方法。30上、下邊帶信號的時域表達式312、用相移法產生單邊帶信號32單邊帶信號的解調方法1、相干解調:相位差要盡量小!發端加導頻分量332、非相干解調:借用AM的非相干解調思路發端增加離散大載波,包絡檢波3435殘留邊帶調幅(VSBAM)殘留邊帶調制是界于SSB與DSB之間的一種調制方式，它既克服了DSB信號占用頻帶寬的缺點，又解決了SSB信號實現上的難題。在VSB中，不是完全抑制一個邊帶，而是逐漸切割，使其殘留一小部分，如圖所示：36DSB、SSB和VSB信號的頻譜下邊帶殘留37VSBAM信號的調制與解調框圖38常數39(a)殘留部分上邊帶的濾波器特性(b)殘留部分下邊帶的濾波器特性4041VSB的解調方式1、相干解調2、具有離散大載波的VSBAM信號的包絡檢波42BVSB=BSSB;實現容易；只要HVSB(ω)在±ωc處具有互補對稱（奇對稱）特性，那么，采用相干解調法解調殘留邊帶信號就能夠準確地恢復所需的基帶信號。VSB信號的特點：43角度調制幅度調制屬于線性調制，它是通過改變載波的幅度，以實現調制信號頻譜的平移及線性變換的。因此，我們不僅可以把調制信號的信息寄托在載波的幅度變化中，還可以寄托在載波的頻率或相位變化中。一個正弦載波有幅度、頻率和相位三個參量載波的頻率或相位按調制信號的規律變化而振幅保持恒定的調制方式，稱為頻率調制(FM)和相位調制(PM)。頻率或相位的變化都可以看成是載波角度的變化，故調頻和調相又統稱為角度調制。44角度調制與線性調制不同，已調信號頻譜不再是原調制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，又稱為非線性調制。由于頻率和相位之間存在微分與積分的關系，故調頻與調相之間存在密切的關系，即調頻必調相，調相必調頻。角度調制的另一特點是它占有較寬的信道帶寬，角調信號的帶寬是基帶信號的許多倍。但是該系統的可靠性好（信噪比高）——應用廣泛。45調頻及調相信號角度調制信號：1、調頻及調相信號的表示式信號瞬時相位:信號瞬時頻率：46帶通型的角度調制信號：信號瞬時相位信號瞬時頻率：m(t)：模擬基帶信號調相系統：調頻系統：相移與基帶信號成正比頻移與基帶信號成正比Kp：相位偏移常數，Kf：頻率偏移常數47如果將調制信號先微分，而后進行調頻，則得到的是調相波，這種方式叫間接調相；如果將調制信號先積分，而后進行調相，則得到的是調頻波，這種方式叫間接調頻。48由于實際相位調制器的調制范圍不大，所以直接調相和間接調頻僅適用于相位偏移和頻率偏移不大的窄帶調制情況，而直接調頻和間接調相常用于寬帶調制情況。從以上分析可見，調頻與調相并無本質區別，兩者之間可相互轉換。492、窄帶角度調制的定義：與AM系統類似：已調信號帶寬是基帶信號帶寬的兩倍，實際上其抗噪聲性能也與AM一致。實際很少用，一般是做為產生寬帶角度調制的中間級。50角度調制信號的頻譜特性角度調制系統是非線性系統，即使是簡單的模擬基帶信號的角度調制，數學上也很難求出它的精確頻譜特性。以單頻信號為例，利用近似分析進行頻譜分析，然后將其結果推廣于更復雜的基帶信號。1、正弦基帶信號的角度調制可能是調制指數,也可能是周期函數付氏級數展開51第一類n階貝塞爾函數52角調信號的頻譜包含無窮多個分量。角調信號的頻譜寬度為無限寬！53n為偶數時n為奇數時54理論上調頻波的頻帶寬度為無限寬。實際上邊頻幅度Jn(β)隨著n的增大而逐漸減小，因此只要取適當的n值使邊頻分量小到可以忽略的程度，調頻信號可近似認為具有“有限頻譜”。角調信號的有效帶寬至少含有98％的總信號功率。基帶信號：已調信號的有效帶寬的近似計算公式為：55角度調制器與解調器以調頻信號為例1、直接調頻法：用調制信號(電壓)直接控制振蕩器的頻率，使其頻率按調制信號(電壓)的規律線性變化。產生調頻信號的方法有直接調頻法和間接調頻法。輸入電壓為0時，振蕩器產生頻率為的正弦波VCO可以滿足寬帶調頻的大頻偏要求，但VCO中心頻率穩定度不高。56(PLL------Phaselockedloop)鎖相環：確保VCO中心頻率的穩定性及準確度與晶振一致。572、間接調頻58先產生窄帶調頻信號(NBFM)，然后利用倍頻器把NBFM變換成寬帶調頻信號(WBFM)。59以典型的調頻廣播的調頻發射機為例。在這種發射機中首先以f1=200kHz為載頻，用最高頻率fm=15kHz的調制信號產生頻偏Δf1=25Hz的窄帶調頻信號。而調頻廣播的最終頻偏Δf=75kHz,載頻fc在88-108MHz頻段內，因此需要經過的n=Δf/Δf1=75×103/25=3000的倍頻，但倍頻后新的載波頻率(nf1)高達600MHz，不符合fc的要求。因此需要混頻器來解決這個問題。60Armstrong間接法61間接法的優點是頻率穩定度好。缺點是需要多次倍頻和混頻，因此電路較復雜。62調頻解調器1)普通鑒頻器由于調頻信號的瞬時頻率正比于調制信號的幅度，因而調頻信號的解調器必須能產生正比于輸入頻率的輸出電壓。63微分器輸出：64(2)調頻負反饋解調方案引入負反饋：加到鑒頻器輸入端的調頻信號的調制指數很小，從而可以選用帶寬較小的BPF可以抑制鑒頻前的加性噪聲！65(3)利用鎖相環作調頻解調器鑒相器：乘法器＋LPF調頻負反饋及鎖相環解調的主要優點是可以擴展門限。66模擬通信系統的評估：有效性：用有效傳輸頻帶來度量，同樣的消息用不同的調制方式，則需要不同的頻帶寬度。可靠性：發與收信號的差異程度——通常用整個通信系統的輸出信噪比來表示（信號傳輸時疊加上的加性噪聲，信道傳輸特性不理想導致的乘性干擾） 67評價一個模擬通信系統質量的好壞，最終是要看解調器的輸出信噪比(SNR)。解調器輸出信號平均功率解調器輸出噪聲平均功率解調器輸入信號平均功率解調器輸入噪聲平均功率調制制度增益68調制方式信號帶寬制度增益設備復雜度主要應用DSB2中等較少應用SSB1復雜短波無線電廣播，話音頻分多路VSB略大于近似SSB近似SSB復雜商用電視廣播AM<1簡單中短波無線電廣播FM中等超短波小功率電臺(窄帶FM)，微波中繼，調頻立體聲廣播(寬帶FM)總結：各種模擬調制方式的性能69AM調制的優點是接收設備簡單；缺點是功率利用率低，抗干擾能力差，在傳輸中如果載波受到信道的選擇性衰落，則在包檢時會出現過調失真，信號頻帶較寬，頻帶利用率不高。因此AM制式用于通信質量要求不高的場合，目前主要用在中波和短波的調幅廣播中。DSB調制的優點是功率利用率高，但帶寬與AM相同，接收要求同步解調，設備較復雜。只用于點對點的專用通信，運用不太廣泛?？偨Y：特點與應用70SSB調制的優點是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和抗選擇性衰落能力均優于AM,而帶寬只有AM的一半；缺點是發送和接收設備都復雜。鑒于這些特點，SSB制式普遍用在頻帶比較擁擠的場合，如短波波段的無線電廣播和頻分多路復用系統中。VSB調制的訣竅在于部分抑制了發送邊帶，同時又利用平緩滾降濾波器補償了被抑制部分。VSB的性能與SSB相當。VSB解調原則上也需同步解調，但在某些VSB系統中，附加一個足夠大的載波，就可用包絡檢波法解調合成信號(VSB+C)，這種(VSB+C)方式綜合了AM、SSB和DSB三者的優點。所有這些特點，使VSB對商用電視廣播系統特別具有吸引力。71FM波的