第3章-模拟传输讲义.doc

第3章 模拟传输
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模拟传输核心内容----模拟信号的调制、解调

3.1 幅度调制
3.2 模拟角度调制
3.3 幅度调制系统的抗噪声性能
3.4 *角度调制系统的抗噪声性能
3.5 各类通信系统的比较与应用
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3.1 幅度调制
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幅度调制----用信号去迫使高频载波瞬时幅度变化。

l 模拟常规调幅（AM）
l 抑制载波双边带调幅（DSB-SC）
l 单边带调幅（SSB）
l 残留边带调幅（VSB）信号。

3.1.1常规调幅AM
1．表达式：

产生方案：

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波形：

(a) (b)
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定义调幅指数：

：正常情况；
：临界调制；
：过调制，波形如图（b）所示。
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2． 频域分析
频谱：

频谱图：

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3． 功率与效率

定义调制效率：

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4． 接收
常用的晶体二极管包络检波器：

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输出电压波形：

非相干解调：接收机不需要产生与接收信号中的载波完全同频同相的本地载波的接收方式。
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3.1.2抑制载波双边带调幅
1． DSB-SC信号

波形：

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2． 频域分析
频谱：

3． 功率与效率

调制效率
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4． 接收
相干解调原理图：

相干解调：接收端需产生本地载波的解调方法。
如。
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3.1.3单边带调幅（SSB）
1． SSB信号及滤波法
只取DSB-SC信号中的上边带或下边带分量。
上边带信号：，频谱：
下边带信号：， 频谱：

频谱：

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滤波法：

保留上边带的边带滤波器：

保留下边带的边带滤波器：

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2． 相移法
截取基带信号的负频率部分或正频率部分再直接用DSB-SC调幅可产生单边带信号。如下：

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的时域形式：

所以
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时域统一式：

相移法：

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3． 接收
相干解调接收：

：以基带信号的最高频率为截止频率的低通滤波器。
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3.1.4残留边带调幅（VSB）
滤波法：

：残留边带滤波器的传递函数，在 处的过渡带形状必须对称互补。
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3.2模拟角度调制
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3.2.1角调制的基本概念
表达式：

随变化。
1． 相位调制与频率调制的概念
，
：常数，载波频率； ：相位；
， 瞬时频率。
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（1） 相位调制（PM）
或
：相偏常数，单位rad/V。
调相信号：

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（2） 频率调制（FM）
或
：频偏常数，单位Hz/V。
调频信号：

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例3.1 图示方波与锯齿波信号的调相与调频信号。
解：

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2． PM与FM的等效关系

（a）用PM实现FM

（b）用FM实现PM
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3． 最大频偏、相偏与调制指数
（1） 最大相偏
：调角信号相位偏离零相位（未调载波相位）的最大值。
PM信号：
FM信号：
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（2） 最大频偏
：已调信号的瞬时频率与未调载波频率之差的最大值。
PM信号：
FM信号：
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例3.2 若消息信号：

可对调频，又可调相。确定调制信号。
解：PM调制：

FM调制：

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所以有：

：；：。
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令
与
于是有，

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定义调制指数：
（1） 调相指数：

（2） 调频指数：

表示基带信号的带宽，等于它的最高频率。
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例3.3 已知调角波：

（1）求与；
（2）若是调相波，，求与；
（3）若是调频波，，求与。
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解：（1）

。

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（2）若为PM波，则,
，所以

而且，。
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(3) 若为FM波，则,

易见，，
。
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3.2.2角度调制信号的频谱特性
1． 基本结论

复包络：，所以

式中，
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卡森规则：

：已调信号带宽，：基带信号带宽，
定义频偏比：

时，常用公式。
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单频正弦信号，= （即或）。
（1） PM信号的带宽：

（2） FM信号的带宽：

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例3.4 单频调频波的振幅为10V，瞬时频率为，。
求：（1）信号表达式与；
（2）若频率提高到，求。
解：（1） 基带信号带宽：。

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＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝（2）若
（不变）
（变为一半）
（变化不大）
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例3.5 给定调相信号，。 求：（1） 信号带宽；
（2）若调制信号的频率提高到，求带宽。
解：基带信号带宽。
（1），于是，，

（2），于是，，

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2． *正弦信号角度调制的分析
调制信号，

复包络：

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被称为第一类阶贝塞尔函数。所以

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角调制信号的频谱：

时域表达式：

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（1） ：窄带角调制；变大时为宽带角调制；
（2） 图中的是以Carson公式估算的结果，准确地反映了信号的带宽， 对应的功率包括约98%的功率；
（3） 载波的强度由决定，选择合适的，可使载波功率减小或为零。
（4） 为单一频率，由它产生的FM或PM信号包含无穷多个边频分量，产生了新的频率分量，该调制为非线性调制。
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3.2.3调角信号的产生
1． 直接调频法
用调制信号直接改变载波振荡器频率的方法。原理框图：

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2． *间接调频法（阿姆斯特朗法）
原理图：

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3.2.4调角信号的接收

FM的非相干接收机框图：

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信号微分后得到
包络检波器提取出的包络，再经隔直与LPF得，
（K为常数）
该方法不必产生严格同步的本地参考载波，因此是非相干方法。
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在FM接收机后增加一个积分器，便可接收PM信号。

经包络检波、隔直与低通滤波和积分器后得到，
（K为常数）
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3.3幅度调制系统的抗噪声性能
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3.3.1模拟传输中的噪声问题
1． 基带传输系统：
直接传输模拟消息信号的系统。

的噪声性能通过信噪比来衡量。

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2． 频带传输系统

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解调器输入信噪比：

解调器输出信噪比：

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解调增益：反映某种解调器对信噪比的改善能力。

为衡量频带传输系统的总体性能，通常与基带传输系统作比较。假定：
（1） 实际系统与虚拟系统接收到的信号功率相同；
（2） 实际系统与虚拟系统的噪声功率谱密度相同。
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解调器输入信噪比（注意到）：

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系统增益：反映某一调制解调系统相对于基带传输系统的总体增益，定义为

（1） 对比：了解不同频带传输系统的解调器对信噪比的影响；
（2） 对比：了解不同频带传输系统之间在信噪比上的整体优劣。
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3.3.2 AM系统（非相干解调）

，，于是，

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（1） 输入信噪比：

（2） 输入信噪比，则很小，通信无法正常进行。表现为一个“门限效应”。
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解调增益：

对调制达100%的正弦消息信号，
， ，
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调制达100%的正弦消息信号，
。
AM系统的抗噪声能力较差。
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3.3.3 DSB-SC与AM（相干解调）系统

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DSB： ，
AM： ，
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接收的噪声功率=，输入信噪比分别为，

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接收信号：

因信号的不同而不同，
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经过LPF后， ， 于是

DSB：
AM：
，
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结论：

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3.3.4 *SSB系统

，
接收的噪声功率：，输入信噪比为

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输出信噪比：

，
SSB系统总体增益与DSC-SC系统是一样的，虽然其解调增益只是DSC-SC的一半。SSB信号占用的带宽要窄一半，信道的利用更为充分。
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3.4 *角度调制系统的抗噪声性能
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3.4.1调频系统的抗噪声性能

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，

噪声复包络：。
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输入信号：

复包络：

输出：

为FM检测器增益。
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1． 大信噪比情形
很大，

输出信号：

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输出信号项：

信号功率：
输出噪声项：
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输出信噪比：

又，，
故。 有

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因 ， 有
解调增益：

系统增益：

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2． 小信噪比情形

可见中的信号与噪声无法分开，系统输入信噪比小到门限值以下后，系统出现门限效应。
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3.4.2. 调相系统的抗噪声性能

1． 大信噪比情形

输入信噪比：

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解调增益：

系统增益：

2． 小信噪比情形
小信噪比的分析与调频系统的一样，也存在门限效应。

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3.4.3. *改善门限效应的解调方法
1． 反馈解调器（FMFB）

：乘法器的传输函数，：压控灵敏度，
：BPF中心频率。：VCO中心频率，
：载频，
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令表示反馈解调器中的增益，

所以， 得到：

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2． 锁相环解调器
结构图：

VCO的中心频率为。
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PLL锁定时， 。所以，

有

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又，

有
所以
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3.4.4. *预加重/去加重技术
预加重网络及传递函数图：

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传递函数：

，，K为常数。
幅频特性：在与之间具有微分特性，
在较低频率范围内趋于平坦。
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去加重网络及传递函数图：

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传递函数：

，：带宽。
在与之间。
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加了预加重和去加重网络后FM系统的框图：

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采用去加重接收机的输出噪声功率：

或

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典型的应用中，上式简化为：

有

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当消息信号为单音信号时，

图3.4.13给出了应用去加重的FM系统的噪声性能比没有去加重的FM系统的性能要好得多。
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图3. 4. 13 对于正弦调制的标准FM系统的噪声性能
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3.5 各类通信系统的比较与应用
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有效性是指在给定的信道中单位时间内传输的信息
内容的多少。
可靠性是指接收信息的准确程度。
3.5.1 各类通信系统的比较
比较前提：
基带信号为带宽是的单频信号
接收信号平均功率相等
信道噪声功率谱密度相同
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线性调制
调制
带宽

实现
AM

最简单
DSB

1
复杂
SSB

1
最复杂
VSB

1
中等
注：表中AM信号的是幅度归一信号。
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非线性调制
调制
带宽

实现
FM

简单
PM

复杂
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结论：
（1）带宽上：

（2）抗噪声性能：

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调制技术分为：
线性调制：满足下线性关系的调制，

非线性调制：不满足线性关系的调制。

幅度调制均为线性调制；角度调制为非线性调制。
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例3.6 FM和AM系统的输出信噪比均为，基带信号是频率为、振幅为的正弦波。噪声单边功率谱密度，幅度调制效率，调频指数，信道传输损耗为。求：两种调制系统的发送信号功率和带宽。
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解：基带信号带宽，有

以及，

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因，发送功率，所以，

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3.5.2 频分多路复用
多路复用：将多路彼此不相关的消息信号合并为一个复合的群信号，共同在一条信道上进行通信。
分为：频分多路复用（FDM）
时分多路复用（TDM）
码分多路复用（CDM）
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主要问题是设备复杂和存在串扰。
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3.5.3 *模拟调制应用举例
1． 无线电AM广播
无线电广播系统、通信系统中的接收机都采用超外差AM接收机，框图：

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在超外差接收机中接收频率为的AM射频信号：
RF放大器调谐在频率上，
本地晶振的频率：，
调谐范围：kHz，
中频频率kHz，
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混频得到差频信号：
和频信号：
差频信号将通过IF滤波器。
IF级的输出通过包络检测器，产生消息信号。
包络检测器的输出放大后，用于驱动扩音器。
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镜像信号： 。
为了防止镜像信号，将RF放大器的带宽限制在范围内。下面示意图的含义为：
（a）IF滤波器
（b）RF滤波器
（c）被选频率及其镜像频率成分
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2． 立体声FM无线电广播
立体声调频广播发射机框图：

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基带信号和分别来自左、右传声器，
形成：相加信号，频带：kHz，
相减信号：DSB-SC调制，
载频38kHz：19 kHz振荡器二倍频得到。将19 kHz的导频插于合成信号频谱中。在发端将三者的合成信号送至调频器。
合成信号的频谱：

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立体声调频接收机框图：
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3． *模拟电视广播
电视广播频率范围：VHF，UHF。
我国电视信号的信道带宽：8MHz。
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黑白电视信号的发射频谱：

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黑白电视广播发射机框图：

图像信号采用残留边带调幅；伴音信号则采用调频。两者的频分复用信号再进行频谱搬移变成VHF或UHF频段的信号通过天线发射。
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接收中频残留边带滤波器的频率特性：

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黑白电视广播发射机框图：
接收端采用两次变频进行解调。
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黑白电视超外差接收机框图：
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