1、1 1第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制第4章 信道与线性调制4.1信道4.2线性调制4.3幅度调制系统的一般模型4.4幅度调制信号解调的一般模型4.5幅度调制系统的抗噪声性能本章仿真实验举例习题2 2第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.1信道4.1.1信道的基本概念信道(Channel)：传送信息的线路(或通路)。信道可分为有线信道和无线信道。有线信道主要有同轴电缆、双绞线、光纤等；无线信道有无线长波、超短波及微波视距传播、短波电离层反射、超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射、超短波超视距绕射以及光波视距传播等。3 3第第4章章 信道与线性调制信道与线性
2、调制带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围。信道容量(Channel Capacity)：信道的最大数据率。通信系统的三个要素包括信源、信宿和信道。任何一个通信系统都可以抽象为图4.1所示的模型。4 4第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.1通信系统模型5 5第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.1中，编码器用于将数据变换成适合传输的信号(便于识别、纠错)；调制器用于将信号变换成适合传输的波形(频率、幅度、相位)；解码器用于将传输信号再变换成原始数据；解调器用于将接收波形变换成数字信号序列。通信系统的任务是将信息通过通信系统传输，把携带信息的数据用物理信号形式通过
3、信道(介质)传送到目的地。其信息变换关系为：信息数据信号在介质上传输信号数据信息。6 6第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制数字信道和模拟信道：数字信道是以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道；模拟信道是以连续模拟信号形式传输数据的信道。基带传输与频带传输：基带传输指不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送，如以太网；频带传输指调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调，如通过电话模拟信道传输。7 7第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制广义信道：按照其功能可以划分为调制信道和编码信道。所谓调制信道，是指从调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输
4、入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调制信号进行某种变换。所谓编码信道，是指编码器输出端到译码器输入端的部分。从编译码的角度来看，编码器的输出是某一数字序列，而译码器的输入同样也是某一数字序列，它们可能是不同的数字序列。因此，从编码器输出端到译码器输入端，可以用一个对数字序列进行变换的方框图来概括。图4.2为调制信道与编码信道的示意图。8 8第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.2广义信道9 9第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.1.2信道容量信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量。信道容量的单位是比特/秒(b/s或bps)，即信道的最大传信速率
5、。Nyquist(奈奎斯特)公式：C=2B lbM (4.1)式中：C为传输率，单位为b/s或bps；B为带宽，单位为Hz；M为信号电平级数。1010第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制Nyquist公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加,为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据，适用于理想低通数字信道。Shannon(香农)公式：(4.2)1111第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制式中：C为传输率，单位为b/s;B为带宽，单位为Hz；信噪比(单位为dB)的定义为即(4.3)1212第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制Shannon公式适用于高斯噪声干扰信道。Shannon公
6、式说明无论采样频率多高，信号编码分多少级，信道能达到的最高传输速率，原因在于噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。模拟信道的信道容量可以根据式(4.2)的香农(Shannon)公式计算。数字信道是一种离散信道，它只能传送离散取值的数字信号。典型的数字信道是平稳、对称、无记忆的离散信道。这种信道可以是二进制的，也可以是多进制的。图4.3给出了平稳、对称、无记忆的二进制信道的数学模型。图中，Pe表示错误传输的概率，即误码率；Q表示正确传输的概率。1313第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.3对称、平稳、无记忆二进制信道模型1414第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制【例4.1】若信道
7、带宽为3000 Hz，信道中只存在加性白噪声，信号噪声功率比为20 dB，求信道容量。解：当信号噪声功率比为20 dB时，信号功率为噪声功率的100倍，即，则该信道容量为1515第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制【例4.2】设数字信道的带宽为3000 Hz，采用四进制传输，计算无噪声时该数字信道的通信容量。解：由奈奎斯特(Nyquist)公式(4.1)得：C=23000lb4=12 000 b/s1616第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.1.3信道特性1.明线及其特性明线导线通常采用铜线、铝线或钢线(铁线)，线径为3 mm左右。对铜、铝线来说，长距传输的最高允许频率为150 k
8、Hz左右。明线信道易受天气变化和外界电磁干扰，通信质量不够稳定，而且信道容量较小，不能传输视频信号和高速数字信号。1717第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制2.电缆及其特性 电缆主要有对称电缆、同轴电缆和双绞线等。对称电缆芯线大都为软铜线，线径为0.41.4 mm。长途对称电缆采用四线制双缆传输，最高传输频率为252 kHz，可复用60个话路，有时传输频率可达552 kHz，可复用132个话路。市话中电缆上可传输脉码调制(PCM)数字电话，总码速率为2.048 Mb/s。1818第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制同轴电缆根据尺寸不同分为中同轴(2.69.5 mm)、小同轴(1.22
9、.4 mm)及微同轴(0.72.9 mm)；按照阻抗分为50 同轴电缆(或基带同轴电缆)和75 同轴电缆(或宽带同轴电缆)。基带同轴电缆用于数字传输(局域网LAN)；宽带同轴电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，用于模拟传输。同轴电缆由于传输频率增高，外导体的屏蔽作用增强，所受外界干扰和同轴管线间串音都将减小，因而适用于高频传输。1919第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制根据性能不同，非UTP可以分为3类、4类、5类、超5类、6类和7类六种；STP只分为3类和5类两种。目前，布线中最常用的是5类和超5类双绞线。表4.1列出了各类UTP的主要参数和用途。2020第第4章章 信道与线性调制信道
10、与线性调制2121第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制双绞线成本低，密度高，节省空间，安装容易(综合布线系统)，平衡传输(高速率)，抗干扰性一般，连接距离较短，主要应用于计算机网络，是计算机网络布线中的主要连接介质，几乎所有的计算机网络中都在使用双绞线。双绞线中导线的颜色分别为白绿、绿、白橙、橙、白蓝、蓝、白棕、棕。在双绞线电缆内，除了有导线对外，一般还有一根尼龙绳(抗拉纤维)，用于增加双绞线电缆的抗拉强度。图4.4是双绞线和同轴电缆的结构图。图4.5是一根常用双绞线的实物组成图。2222第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.4双绞线和同轴电缆的结构图2323第第4章章 信道与线性
11、调制信道与线性调制图4.5UTP双绞线的实物图2424第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制3.光缆及其特性光缆信道由光纤组成。当纤芯直径小于5 m时，光在光波导中只有一种传输模式，这样的光纤称为单模光纤；当纤芯直径较粗时，光在光波导中可能有许多沿不同途径同时传播的模式，这种光纤称为多模光纤。多模光纤与单模光纤的工作原理如图4.6所示。2525第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.6多模光纤与单模光纤的工作原理2626第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制在实际应用中多使用光缆，而不是光纤，因为光纤只能单向传输信号，所以在通信网络中连接两个设备时至少需要两根光纤，一根用于发送数据，
12、另一根用于接收数据。在通信布线中直接使用的是光缆。一根光缆由多根光纤组成，外面再加上保护层。高密度多芯光缆的结构如图4.7所示。2727第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.7高密度多芯光缆的结构2828第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.微波信道及其特性微波中继通信是利用电磁波在对流层的视距范围内传输的一种通信方式，其频率范围为320 GHz。由于受地形和天线高度的限制，两站间的通信距离一般为3050 km，因此长距离传输时，必须建立多个中继站。图4.8所示为地面微波接力通信原理。2929第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.8地面微波接力通信原理3030第第4章章
13、信道与线性调制信道与线性调制5.卫星通信及其特性卫星通信实际上也是微波通信的一种方式，只不过它是依靠卫星来转发信号的。目前用得较多的是C波段和KU波段；C波段用4/6 GHz频段，上行5.9256.425 GHz，下行3.74.2 GHz；KU波段用12/14 GHz频段，上行1414.5 GHz，下行11.712.2 GHz。一般将500 MHz的带宽划分为36 MHz带宽的转发器频带，一颗卫星上可有12个或更多个转发器。通过同步卫星转发信号，可使两个地球站之间的直接通信距离达13 000 km，而且不论距离远近，其信道质量是一样的。卫星通信原理如图4.9所示。3131第第4章章 信道与线性
14、调制信道与线性调制图4.9卫星通信原理 3232第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制卫星通信适用于远距离通信，尤其当通信距离超过某一范围时，每话路的成本可低于地面微波通信，而且一般其质量和可靠性都优于地面微波通信。卫星通信适应于地面站相对固定的环境，使用3个地球同步卫星就可以覆盖全球，如图4.10所示。3333第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.10地球同步卫星通信原理3434第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制电信领域使用的信道电磁波的频谱如图4.11所示。各种信道的性能和特性比较如表4.2所示。3535第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.11各种信道电磁波的频谱
15、3636第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制3737第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.1.4编码与调制不同类型信号在不同类型信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。数据的编码与调制关系如图4.12所示。3838第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.12调制和编码3939第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制由图4.12可见，模拟数据或数字数据要在模拟信道上传输必须经过调制，模拟数据或数字数据要在数字信道上传输必须经过编码。这样模拟数据和数字数据在两种信道上的数字传输和模拟传输的信号变换就有四种组合，如图4.13所示。一般无线广播通信系统采用模拟调制(调
16、幅AM和调频FM)；模拟数据或模拟信号的数字化一般采用模拟数据编码(如PAM、PCM)；数字数据的编码与调制主要用于数据通信中，如计算机网络中的基带信号编码(不归零码NRZ、曼彻斯特编码)、频带传输的Modem调制(如ASK、FSK、PSK、QAM等)。本章主要讲述模拟调制中的线性调制。4040第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.13调制和编码原理4141第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制调制与编码的广义定义为：编码指用数字信号承载数字数据或模拟数据；调制指用模拟信号承载数字数据或模拟数据。编码与调制的工作原理如图4.14所示。图中，P为调制参数。4242第第4章章 信道与线性
17、调制信道与线性调制图4.14编码和调制的工作原理4343第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.2线 性 调 制4.2.1标准振幅调制幅度调制是指高频正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。标准振幅调制(AM，Amplitude Modulation)是最基本的幅度调制方式。4444第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制1 AM信号的时域及频域表示设f(t)为一无直流分量的基带信号，其频谱为F()。高频正弦载波信号为C(t)=A cos(0t+0)(4.4)式中:A为载波振幅；0为载波角频率;0为载波的初始相位。为简单起见，设0=0。根据傅立叶变换可知:4545第第4章章 信道与线性调
18、制信道与线性调制则标准振幅调制信号的时间波形可表示为 (4.5)式中，A0为外加的直流分量，且要求A0|f(t)|max或A0+f(t)0，否则将出现过调制现象。过调制时AM信号的包络不能反映f(t)的变化规律，会出现严重的失真。4646第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制定义(0m1)为调幅指数。当出现过调制时，m值大于1，这种情况是不允许出现的，否则无法正确解调出原调制信号。产生标准振幅调制信号的模型如图4.15所示。典型的标准振幅调制信号波形如图4.16所示，图(a)是调制信号波形，图(b)是已调信号波形。4747第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.15标准振幅调制信号的产
19、生模型4848第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.16标准振幅调制信号波形4949第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制由傅立叶变换的性质可以得到，式(4.5)中sAM(t)信号的频谱SAM()为 (4.6)由式(4.6)可知，标准振幅调制信号的频谱SAM()中包括有位于=0和=0处的载波频率，以及位于它们两旁的边频分量F(0)(正频域)及F(+0)(负频域)。调制前后的频谱如图4.17所示。5050第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.17标准振幅调制信号的频谱5151第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制由图4.17(b)可看出，标准振幅调制信号的频谱SAM()是调制
20、信号频谱F()的线性搬移，在这里调制的作用是将基带信号频谱F()搬移到载波频率0(和0)的位置上，因而AM是一种线性调制方式。图4.1(a)中F()的正频谱部分经搬移后称为上边带(USB，Upper SideBand)，负频谱部分经搬移后称为下边带(LSB，Lower SideBand)。显然，当f(t)为实信号时，上下边带是完全对称的。5252第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制另外，由图4.17(b)还可看出，若调制信号的频谱F()的最高角频率为m，则已调信号的频谱SAM()的带宽扩展为了2m，因而标准振幅调制信号的带宽为B=2fm (4.7)式中，fm=m/2为F()的最高频率。53
21、53第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制2.AM信号的解调AM信号的解调可采用同步解调和包络解调两种方式。同步解调也称为相干解调。同步解调器由乘法器和低通滤波器组成，解调模型如图4.18所示。在这种解调方式中，接收端必须提供一个与发送端载波信号具有相同频率和相同相位的本地载波振荡信号，该信号称为相干载波。相干载波由载波同步电路提取，其实现过程比较复杂(详细过程见第11章内容)。5454第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.18AM信号的同步解调模型5555第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.18中，cos0t为接收端产生的相干载波，它与发送端的载波信号是同频、同相的。由图
22、4.18可以得到：5656第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制分析上式可知，该信号由两部分组成：和。其中，第一部分为基带信号，能顺利通过低通滤波器，去除其中的直流分量A0后(通过隔直电路)即为需要的调制信号f(t)；第二部分是载波频率为20的标准振幅调制信号，通过低通滤波器后将被滤除。上述解调过程也可以利用卷积图解的方法来说明，如图4.19所示。5757第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.19AM信号的同步解调过程5858第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制其中，图(a)为AM信号的频谱；图(b)为cos0t的频谱；图(c)为图(a)与图(b)卷积的结果，即信号sP(t)的频
23、谱SP()；图(d)为SP()经过理想低通滤波器及隔直电路后的输出 F()；图(e)为对应的基带信号波形 f(t)。5959第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制AM信号的解调还可以采用非相干解调方法，即包络解调。包络解调可由包络检波器来完成，其电路结构及其输入、输出波形如图4.20所示。由图4.20可见，包络检波器是利用电容的充、放电原理来实现解调过程的，因此包络检波器的输出会出现频率为0的波纹，需用低通滤波器加以平滑。包络检波器的最大优点是电路简单，同时不需要提取相干载波，因而，它是AM调制方式中最常用的解调方法。不过在抗噪声能力上，AM信号采用包络解调法不如相干解调法(当满足大信噪比条
24、件时，包络解调法具有和相干解调法相近的抗噪性能)，这点将在4.5节中证明。6060第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.20包络检波电路与波形6161第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制3.AM信号的功率分布和调制效率在上述讨论中，假设调制信号f(t)是一确定信号，但在实际通信系统中，调制信号f(t)通常是随机信号(如话音信号)，因而已调信号也是随机的。这时讨论AM信号的功率及调制效率就必须应用自相关函数和功率谱密度函数来描述。在通信系统中遇到的调制信号通常被认为是满足各态历经性的平稳随机过程。由第3章的随机过程分析可知，对于平稳随机过程，其自相关函数与功率谱密度函数之间是一对傅立
25、叶变换。因此，可以首先求出已调信号的自相关函数，然后得到其功率谱密度函数。6262第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制假设f(t)是一均值为零且满足各态历经性的平稳随机过程的一个样本函数，用它作为调制信号得到AM信号，则AM信号的自相关函数BAM()为 (4.8)将式(4.5)代入式(4.8)，得 (4.9)6363第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制利用三角函数关系式:考虑到及可得:(4.10)式中，为调制信号f(t)的自相关函数。6464第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制AM信号的功率谱密度函数为由式(4.10)及傅立叶变换的性质可得:(4.11)式中，为调制信号f(t)的功
26、率谱密度函数。6565第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制式(4.11)中的第一项是由载波产生的，该项不含有信息；第二项是由调制信号f(t)的功率谱决定的，该项包含有信息。AM信号的平均功率PAM为 (4.12)6666第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制将式(4.11)代入式(4.12)得:(4.13)式中，为载波功率；(4.14)为由调制信号f(t)引起的边带功率。6767第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制由于调制信号f(t)的平均功率Pf为 (4.15)考虑式(4.15)，重写式(4.14)有:(4.16)式(4.16)表明，AM信号中的两个边带功率之和等于调制信号f(t)
27、的功率的一半。6868第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制为了表征AM信号的功率利用程度，将AM信号的边带功率PfB与平均功率PAM之比定义为AM信号的调制效率，即 (4.17)6969第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制可见，由于A0的存在，AM信号的调制效率是不高的。为了保证不产生过调制现象，|f(t)|的最大值不能超过A0的值，因此AM信号的调制效率最高为50%，它发生在调制信号f(t)是幅度为A0的方波时。如果调制信号是单频余弦波，其幅度为Am，则此时有:(4.18)7070第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制将式(4.18)代入式(4.17)后得：(4.19)式中，为调幅
28、指数。因此，当取AM=1的极限值时，调制效率有最大值，。在实际的通信系统(如AM广播)中，AM的取值远小于1，约为0.3，此时AM0.043=4.3%。7171第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制可见，AM信号的调制效率是非常低的，大部分发射功率消耗在不携带信息的载波上了。但由于载波的存在，使得AM信号的解调可以采用电路简单的包络检波器来完成，从而降低了接收机的造价，这对于拥有广大用户的广播系统来说，其功率消耗是非常值得的。因此，AM调制方式目前还广泛应用于地面的无线广播系统中。7272第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制归纳以上对AM信号的讨论，可以得出以下结论：(1)AM信号的包络
29、与调制信号f(t)成正比，因而应用包络检波器就可以解调f(t)信号，这样解调器结构简单，实现容易，适用于广播通信。(2)AM信号的带宽是调制信号f(t)的最高频率的两倍。(3)AM信号的调制效率非常低，最大为1/3。为了提高AM信号的调制效率，人们不断改进AM调制方式以提高效率。其基本改进方法：一是抑制AM信号中的载波信号；二是减小频带，从而提高调制效率。7373第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.2.2抑制载波双边带调制1.DSB信号的时域表示 在标准振幅调制信号式(4.5)中，如果使A0=0，则可以得到抑制载波双边带调制(DSB-SC，Double SideBand Suppres
30、sed Carrier)信号，简称为双边带调制(DSB)信号。因此DSB信号的时间波形表示式为sDSB(t)=f(t)cos0t (4.20)产生DSB信号的模型如图4.21所示。由图4.21可见，sDSB(t)是调制信号f(t)与载波cos0t相乘的结果。7474第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.21DSB信号产生模型7575第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制当f(t)为正时，sDSB(t)=f(t)cos0t，f(t)为负时，sDSB(t)=f(t)cos0t=f(t)cos(0t),因此，在DSB信号波形中，当f(t)改变极性时会出现反相点，如图4.22所示。这样DSB
31、信号的包络并不反映调制信号f(t)的变化规律，因此，DSB信号不能采用包络检波器来进行解调。7676第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.22DSB信号波形7777第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制2.DSB信号的频域表示 由式(4.20)，利用傅立叶变换的频移定理，可以求出DSB信号的频谱密度函数SDSB()为 (4.21)SDSB()结构如图4.23所示。由图4.23可见，抑制载波双边带信号的频谱SDSB()是调制信号f(t)的频谱F()的线性搬移，因而抑制载波双边带调制是一种线性调制。假设调制信号f(t)的频谱F()的最高角频率为m，则DSB信号的带宽为B=2fm (4.2
32、2)式中，fm=m/2是F()的最高频率。7878第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.23双边带信号的频谱结构图7979第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制3.DSB信号的解调利用同步解调方法可以完成对DSB信号的解调，如图4.24所示。图中设乘法器的输出信号为sP(t)，对应的频谱为SP()，则有：(4.23)式(4.23)经过理想低通滤波器后，第二项的高频分量被滤除，滤波器的输出为 f(t)。8080第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.24DSB信号的解调模型8181第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制相应的频域表达式为 (4.24)式(4.24)经过理想低通滤
33、波器后，输出为 F()。8282第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制归纳以上对DSB信号的分析，DSB具有如下特点：(1)DSB信号的包络与调制信号f(t)波形不完全呈线性关系。当f(t)为正极性时，sDSB(t)的包络与f(t)成正比;当f(t)为负极性时，sDSB(t)的包络与f(t)沿时间轴翻转180后的波形成正比；当f(t)过零点时，sDSB(t)在f(t)过零点处的包络信号的高频载波信号的相位发生180突变。这意味着，DSB信号中的信息既记载于已调信号的振幅变化之中，同时也记载于已调载波信号的相位变化之中。因此，DSB信号只能用同步解调法进行解调，而不能采用包络检波器进行解调。与
34、AM信号相比，这增加了解调的复杂性。8383第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制(2)DSB信号的带宽与AM信号的带宽相同，为调制信号最高频率的两倍。(3)DSB信号中无载波分量，所有的功率都用在了两个携带有用信息的边带中，信号的调制效率为100%。8484第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.2.3单边带调制1 SSB调制模型及已调信号频谱SSB信号产生模型及信号频谱如图4.25所示。SSB信号产生模型由DSB调制器及边带滤波器组成。8585第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.25SSB信号产生模型及信号频谱8686第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制边带滤波器的作用
35、是让有用边带通过，而抑制无用边带。选择不同传输特性的边带滤波器就可以得到不同类型的单边带信号。当滤波器具有理想带通(或高通)特性时，滤除下边带信号，得到上边带单边带信号；当滤波器具有理想低通特性时，滤除上边带信号，得到下边带单边带信号。这种通过滤波器得到SSB信号的方法称为滤波法。DSB信号的可滤除边带如图4.26所示。8787第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.26DSB信号的可滤除边带8888第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制SSB信号的频域表达式为 (4.25)边带滤波器的频域特性为 (4.26)8989第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制2 SSB信号的解调和双边带
36、信号的解调一样，单边带信号的解调要采用同步解调方式实现，解调模型如图4.27所示。利用卷积图解法可以直观地看出SSB信号的同步解调过程，如图4.28所示。图中，sSSB(t)为下边带SSB信号，由于调制信号f(t)具有实函数性，因此上、下边带必定具有对称共轭的特性。图中乘法器的输出sP(t)的频谱SP()为单边带信号的频谱SSSB()与两个冲激函数的卷积结果。由冲激函数的性质可知，卷积结果中必定具有F()的成分，理想低通滤波器滤除其他高频分量后，就能在时域内复现基带信号f(t)。9090第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.27SSB信号的同步解调模型9191第第4章章 信道与线性调制
37、信道与线性调制图4.28SSB信号的同步解调过程 9292第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制3 SSB信号的时域波形对于确定的任意基带信号f(t)来说，要画出其对应的单边带信号sSSB(t)的波形是非常困难的，后面将导出sSSB(t)及其频谱SSSB()的解析式。这里仅以单频余弦调制信号为例来讨论单边带信号sSSB(t)的波形。设f(t)=Am cosmt，载波信号C(t)=cos0t，则双边带信号为9393第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制将上式通过具有理想带通(或高通)特性的滤波器，滤除下边带信号，得到上边带SSB信号为 (4.27)式(4.27)对应的波形如图4.29(b)所
38、示，图4.29(a)为基带信号f(t)的波形。9494第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.29单频余弦信号调制时的单边带信号波形9595第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制由图4.29可见，单频余弦信号调制时的单边带信号sSSB(t)是一个等幅的余弦波形，其包络与基带信号不呈线性关系，只是已调信号的幅度与基带信号的振幅成正比，同时已调信号的频率0+m与基带信号的频率有关。显然,在接收端采用简单的包络检波器是不能解调单边带信号的。9696第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制对式(4.27)作傅立叶变换，得到对应的频谱SSSB()为 (4.28)式(4.28)对应的频谱结构如图4
39、.30所示。从图中可看出，它由单根谱线组成。9797第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.30单边带信号的频谱结构9898第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制归纳以上分析可得，SSB调制方式的主要特点如下：(1)由SSB信号的频谱图(见图4.25)可见，SSB信号的带宽为 B=fm (4.29)式中，为F()的最高频率，即SSB信号的带宽等于基带信号的带宽，与DSB及AM信号相比，带宽节省了一半。这一特点使得SSB调制在短波通信系统中获得了广泛的应用。9999第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制(2)从单频余弦调制信号产生的单边带信号的波形中可以看出，SSB信号的包络与基带信号
40、f(t)不成线性关系，因此单边带信号必须用同步方式才能解调。(3)用滤波法产生单边带信号直观、简单，但是这种方法对边带滤波器的性能要求很高，有时甚至难以实现。以话音信号为例，通常取话音信号频谱的低端频率为300 Hz，经双边带调制后，下边带与上边带之间的频率间隔只有600 Hz，即此时边带滤波器的过渡带仅为600 Hz。这就要求边带滤波器在中心频率0或f0处具有十分陡峭的截止特性才行，中心频率越高，相对过渡截止特性就越陡，要求边带滤波器的Q值也就越高，越难以实现。因此在实际系统中常采用多级频移(或多级调制)及多级滤波的方法来产生单边带信号。100100第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制多
41、级调制法是先在较低载频处产生单边带信号，然后通过变频器经多次频率搬移，最后形成在发射频率上的单边带信号。图4.31所示为二级变频产生单边带信号的原理图。101101第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.31二级变频产生单边带信号的原理图102102第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.32所示是一个二级变频产生单边带信号的例子。这里假设第一载频fc1为100 kHz，第二载频fc2为10 MHz，经过第一次单边带调制后的上边带频谱为100.3103 kHz(设话音信号的频谱范围为3003000 Hz)，再将该信号作为调制信号对第二载频fc2作双边带调制，产生9.8979.899
42、7 MHz和10.100310.103 MHz的上、下两个边带信号，这时上、下两个边带的过渡带为200.6 kHz，在10 MHz载频上用边带滤波器将上、下两个边带分开就不困难了。103103第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.32二级变频产生单边带信号示例104104第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.2.4残留边带调制1 VSB调制模型VSB信号的产生模型与SSB信号的产生模型类似，只是将SSB中的边带滤波器改为了残留边带滤波器，如图4.33所示。图中，HVSB()为残留边带滤波器，即VSB信号是将DSB信号通过残留边带滤波器后得到的。残留边带滤波器与SSB调制中边带滤波
43、器的特性不同，HVSB()在载频0两侧有一定宽度的过渡带，只要过渡特性在|=0处具有任意奇对称特性，就可保证接收端在采用同步解调时无失真地恢复出调制信号。105105第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.33VSB信号产生模型106106第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制如果双边带信号通过残留边带滤波器后，输出信号中保留上边带的绝大部分和下边带的一小部分，则称为上边带残留边带信号，反之称为下边带残留边带信号。图4.34所示为经过残留边带滤波器后的VSB信号频域特性。107107第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.34VSB信号频域特性108108第第4章章 信道与线性调
44、制信道与线性调制图4.35示出了产生下边带残留边带信号的过程与HVSB()特性和VSB信号的频谱。图中要求滤波器的HVSB()在|=0处具有任意奇对称的互补滚降特性，2a是残留边带滤波器要求的过渡带宽。109109第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.35HVSB()特性和VSB信号的频谱110110第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制HVSB()的特性为 (4.30)式中，Hl()为HVSB()的左边特性，Hr()为HVSB()的右边特性，在|=0处具有任意奇对称特性。111111第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制2.VSB信号的解调VSB信号的解调也不能简单地采用包络检波
45、方式，而必须采用同步解调，如图4.36所示。由于HVSB()具有在|=0处的互补滚降特性，因而在下边带残留边带信号sVSB(t)的频谱SVSB()中，下边带滤去部分的面积与上边带残留部分的面积相等。同步解调时，冲激函数与SVSB()卷积结果中必有调制信号的频谱F()分量，经低通滤波器输出后，就能复现调制信号f(t)。图4.37所示为VSB信号的同步解调过程。112112第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.36VSB信号的同步解调方式113113第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.37VSB信号的同步解调过程114114第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制归纳上述分析可得
46、，VSB调制方式的特点如下：(1)VSB调制是对于具有丰富低频分量及直流分量的基带信号的特殊单边带的一种调制方式。VSB信号的带宽为B=fm+fa (4.31)式中，fm=m/2为F()的最高频率；fa=a/2，2a为HVSB()的过渡带宽。由于a的数值不大，因此VSB信号的带宽近似与SSB信号相同，但VSB调制比SSB调制更容易实现。115115第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制(2)VSB信号的解调原则上要采用同步解调。(3)VSB调制目前广泛应用于电视系统的图像传输过程。但如果要求电视接收机采用同步解调方式，则势必造成电视机价格的上涨。因此在实际的电视传输系统中，在VSB信号中适当
47、地加入载波分量，形成近似的AM信号，从而在接收端采用简易的包络解调方式来复现图像信号，这样既降低了电视机的造价，又节省了传输电视信号的带宽。在模拟电视传输系统中，图像信号的带宽由双边带调制时的12 MHz减小为VSB调制时的8 MHz。116116第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.3幅度调制系统的一般模型为了加深对幅度调制系统的理解，可以研究幅度调制系统的一般模型，由此还将引出产生SSB及VSB信号的另一种方法，并导出它们的时域及频域表示式。由前面的讨论可知，幅度调制信号一般可以用滤波法产生，其一般模型如图4.38所示。分析这一模型，可以得出另一种产生幅度调制信号的方法相移法。117
48、117第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.38滤波法产生幅度调制信号的一般模型118118第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制由图4.38可得：式中，h(t)为滤波器的冲激响应，由上式得:(4.32)119119第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制令 (4.33)(4.34)式(4.32)可重新写为 (4.35)120120第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制式(4.35)为幅度调制信号的一般解析表达式，由其可得相移法产生幅度调制信号的一般模型，如图4.39所示。图中，HI()称为同相网络的传输函数，它的冲激响应为hI(t)；HQ()称为正交网络的传输函数，它的冲激响应为
49、hQ(t)。由式(4.35)可以得到幅度调制信号频谱的一般解析表达式为 (4.36)121121第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.39相移法产生幅度调制信号的一般模型122122第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制对DSB及AM信号来说，滤波法及相移法并无任何区别。对DSB信号，有HI()=1，HQ()=0；相应地sI(t)=f(t)，sQ(t)=0,即对AM信号，应加直流分量A0，并有HI()=1，HQ()=0；相应地sI(t)=A0+f(t)，sQ(t)=0，即对SSB及VSB信号来说，滤波法及相移法是两种不同的产生已调信号的方法。123123第第4章章 信道与线性调制信道
50、与线性调制4.4幅度调制信号解调的一般模型4.4.1同步解调同步解调又称为相干解调，它的一般模型如图4.40所示。图中，s(t)是sAM(t)、sDSB(t)、sSSB(t)、sVSB(t)的一般表示式，so(t)为恢复的基带信号。由式(4.35)可知:(4.37)124124第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制图4.40同步解调的一般模型125125第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制s(t)与相干载波相乘后得 (4.38)上式经低通滤波后得，即为基带信号f(t)。126126第第4章章 信道与线性调制信道与线性调制4.4.2包络解调由前面的分析可知，AM信号的包络完全反映了基带信号
