1、第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式2.1 模拟通信系统模拟通信系统2.2 数字基带传输系统数字基带传输系统2.3 数字带通传输数字带通传输思考题思考题第2章 常见信号的调制方式2.1 模拟通信系统模拟通信系统在无线信道中,基带信号直接发出去是很困难的,必须搬移到高频率的载波上去才能 被传输。所谓调制,是指在发送端将要传送的信号附加在高频振荡信号上,也就是使高频 振荡信号的某一个或几个参数随基带信号的变化而变化。其中要发送的基带信号又称为“调制信号”;高频振荡信号又称为“被调制信号”。第2章 常见信号的调制方式发部分是将基带信号调制到载波上去,收部分是将基带信号从载波上解调下来
2、。最常见的载波就是正弦波,它有三个参数:振幅、频率、相位,对这三个参数进行的调制就是调幅、调频、调相三种基本调制方式。调幅就是 已调波的振幅包络与调制信号对应,它的频谱仅仅位置发生变化,而频谱结构不变,因而 又称为频谱搬移,它属于线性调制;调频就是已调波的瞬时频率随调制信号成比例变化;调相就是已调波的瞬时相位随调制信号成比例变化。调频和调相统称为角度调制。第2章 常见信号的调制方式调制的主要作用有三个:一是将基带信号转化成利于在信道中传输的信号;二是改善 信号传输的性能(如 FM 具有较好的信噪比性能);三是可实现信道复用,提高频带利用率。调制可分为正弦波调制和脉冲调制两类,其中正弦波调制可分
3、为模拟调制和数字调制两 类,而模拟调制又可分为调幅和调角两类。第2章 常见信号的调制方式2.1.1 幅度调制原理及抗噪声性能幅度调制原理及抗噪声性能 幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度,使其按调制信号的规律变化的过 程。幅度调制器的一般模型如图2-1-1所示。图2-1-1 幅度调制器的一般模型第2章 常见信号的调制方式图中,m(t)为调制信号,sm(t)为已调信号,则已调信号的时域和频域一般表达式分别为式中,M()为调制信号m(t)的频谱,H()h(t);c 为载波角频率。第2章 常见信号的调制方式由以上表达式可知,对于幅度调制信号,在波形上,它的幅度随基带信号规律而变化;在频谱结构
4、上,它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性 的,因此幅度调制通常又称为线性调制,幅度调制系统也称为线性调制系统。在如图2-1-1所示的一般模型中,适当选择滤波器的特性 H(),便可得到各种幅度 调制信号,例如,常规双边带调幅(AM)、抑制载波双边带(DSB-SC)调制、单边带(SSB)调制和残留边带(VSB)调制等信号。第2章 常见信号的调制方式1.常规双边带调幅常规双边带调幅(AM)1)AM 信号的表达式及特性 在图2-1-1中,若假设滤波器为全通网络(H()=1),调制信号 m(t)叠加直流 A0 后再与载波相乘,则输出的信号就是常规双边带调幅(AM)信号。AM
5、调制器的模型如 图2-1-2所示。图2-1-2 AM 调制器的模型第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式AM 信号的典型波形和频谱分别如图2-1-3(a)、(b)所示,图中假定调制信号 m(t)的上限频率为H。显然,调制信号m(t)的带宽Bm=fH。由图2-1-3(a)可见,AM 信号波形的包络与输入基带信号m(t)成正比,故用包络检 波法很容易恢复原始调制信号。但是为了保证在包络检波时不发生失真,必须满足 A0|m(t)|max,否则将出现过调幅现象而带来失真。第2章 常见信号的调制方式图2-1-3 AM 信号的典型波形和频谱第2章 常见信号的调制方式AM 信号的频谱sAM(t
6、)是由载频分量和上、下两个边带组成(通常称频谱中画斜线的 部分为上边带,不画斜线的部分为下边带)。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同,下边带是上边带的镜像。显然,无论是上边带还是下边带,都含有原调制信号的完整信息。故 AM 信号是带有载波的双边带信号,它的带宽为基带信号带宽的两倍,即式中,Bm 为调制信号m(t)的带宽;fH 为调制信号的最高频率。第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式由上述可见,AM 信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与 调制信号有关,载波分量并不携带信息。有用功率(用于传输有用信息的边带功率)占信号 总功率的比例称为调制效率,即第2章
7、 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式2)AM 信号的解调 调制过程的逆过程叫做解调。AM 信号的解调是把接收到的已调信号sAM(t)还原为调制 信号m(t)。AM 信号的解调方法有两种:相干解调(同步检波法)和非相干解调(包络检波法)。第2章 常见信号的调制方式(1)相干解调。由 AM 信号的频谱可知,如果将已调信号的频谱搬回到原点位置,即可得到原始的调制信号频谱,从而恢复出原始信号。解 调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。调 幅相干解调的原理框图如图2-1-4所示。图2-1-4 调幅相干解调的原理框图第2章 常见信号的调制方式将已调信号乘上一个与调制器同频、同相的载波,可
8、得由上式可知,只要用一个低通滤波器,就可以将第一项与第二项分离,无失真地恢复出原 始的调制信号,即相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频、同相的载波。如果同频、同相的条件得 不到满足,则会破坏原始信号的恢复。第2章 常见信号的调制方式(2)非相干解调。由sAM(t)的波形可见,AM 信号波 形的包络与输入基带信号m(t)成正比,故可以用包络检波 法恢复原始调制信号。包络检波器由半波或全波整流器和 低通滤波器组成,其一般模型如图2-1-5所示。图2-1-5 包络检波器的一般模型第2章 常见信号的调制方式图2-1-6为串联型包络检波器的具体电路及其输出波形,电路由二极管 VD、电阻R 和电容C
9、组成。当RC 满足条件:时,包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近,即在包络检波器的输出信号中,通常含有频率为c 的波纹,可由 LPF滤除。第2章 常见信号的调制方式图2-1-6 串联型包络检波器电路及其输出波形第2章 常见信号的调制方式包络检波法属于非相干解调,其特点是:解调效率高,解调器输出近似为相干解调的 两倍;解调电路简单,特别是接收端不需要与发送端信号同频、同相的载波,大大降低实现 难度。故几乎所有的调幅(AM)式接收机都采用这种电路。采用常规双边带幅度调制传输信息的优点是解调电路简单,可采用包络检波法;缺点是调 制效率低,载波分量不携带信息,但却占据了大部分功率,这部分功率白白浪
10、费掉。如果抑 制载波分量的传送,则可演变出另一种调制方式,即抑制载波的双边带(DSB-SC)调制。第2章 常见信号的调制方式2.抑制载波的双边带抑制载波的双边带(DSB-SC)调制调制 1)DSB 信号的表达式及特性 在幅度调制的一般模型中,若假设滤波器为全通网络(H()=1),调制信号m(t)中无 直流分量,则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号,或称为抑制载波的双边 带(DSB-SC)调制信号,简称双边带(DSB)信号。第2章 常见信号的调制方式DSB-SC调制器的模型如图2-1-7所示。由此可见 DSB信号实质上就是基带信号与 载波直接相乘,其时域和频域表达式分别为DSB信号的典
11、型波形和频谱分别如图2-1-8(a)、(b)所示。第2章 常见信号的调制方式图2-1-7 DSB-SC调制器的模型第2章 常见信号的调制方式图2-1-8 DSB信号的典型波形和频谱第2章 常见信号的调制方式除不再含有载频分量离散谱外,DSB信号的频谱与 AM 信号的完全相同,仍由上下对 称的两个边带组成。故 DSB信号是不带载波的双边带信号,它的带宽与 AM 信号相同,也 为基带信号带宽的两倍,即由于 DSB信号不含有载波成分,其调制的效率为100%,信号的功率为第2章 常见信号的调制方式2)DSB 信号的解调 DSB信号的包络不再与m(t)成正比,故不能进行包络检波,需采用相干解调。其模型
12、与 AM 信号相干解调时完全相同,如图2-1-4所示。此时,乘法器输出为经低通滤波器滤除高次项,可得第2章 常见信号的调制方式结果即为无失真地恢复出原始电信号。抑制载波的双边带幅度调制的优点是:节省了 载波发射功率,调制效率高;调制电路简单,仅用一个乘法器就可实现。其缺点是占用频带 宽度比较宽,为基带信号的两倍。第2章 常见信号的调制方式3.单边带单边带(SSB)调制调制 由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的,皆携带了调制信号的全部信息,因此,从信息传输的角度来考虑,仅传输其中一个边带就够了。这就演变出了一种新的调制方 式单边带(SSB)调制。第2章 常见信号的调制方式1)SSB 信号的
13、表达式及特性 产生SSB信号的方法很多,其中最基本的方法有滤波法和相移法。用滤波法实现SSB的原理框图如图2-1-9所示。图中的 HSSB()为单边带滤波器。产生SSB信号最直接方法的是,将 HSSB()设计成具有理想高通特性 HUSB()或理想低通 特性 HLSB()的单边带滤波器,从而只让所需的一个边带通过,而滤除另一个边带。产生 上边带信号时 HSSB()即为 HUSB(),产生下边带信号时 HSSB()即为 HLSB()。第2章 常见信号的调制方式即显然,SSB信号的频谱可表示为第2章 常见信号的调制方式图2-1-9 用滤波法实现SSB的原理框图第2章 常见信号的调制方式图2-1-10
14、为SSB信号上边带频谱图。图2-1-10 SSB信号上边带频谱图第2章 常见信号的调制方式从SSB信号的调制原理图中可以清楚地看出,SSB 信号的频谱是 DSB 信号频谱的一 个边带,其带宽为 DSB信号的一半,与基带信号带宽相同,即式中,Bm 为调制信号带宽;fH 为调制信号的最高频率。用滤波法形成 SSB信号,原理框 图简洁、直观,但存在的一个重要问题是单边带滤波器不易制作。这是因为,理想特性的滤 波器是不可能做到的,实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。第2章 常见信号的调制方式滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归一化值有关,过渡带的归一化值越小,分割上、下边带就越难实现。而 一般调制
15、信号都具有丰富的低频成分,经过调制后得到的 DSB信号的上、下边带之间的间 隔很窄,要想通过一个边带而滤除另一个,要求单边带滤波器在fc 附近具有陡峭的截止特 性很小的过渡带,这就使得滤波器的设计与制作很困难,有时甚至难以实现。为此,实 际中往往采用多级调制的办法,目的在于降低每一级的过渡带归一化值,减小实现难度。当采用相移法时,若保留上边带,则有第2章 常见信号的调制方式若保留下边带,则有将式(2-1-15)和(2-1-16)合并,可得式中,“-”表示上边带信号;“+”表示下边带信号。第2章 常见信号的调制方式由于仅包含一个边带,因此SSB信号的功率为 DSB信号的一半,即显然,因SSB信号
16、不含有载波成分,单边带幅度调制的效率也为100%。第2章 常见信号的调制方式2)SSB 信号的解调 从SSB信号调制原理图中不难看出,SSB信号的包络 不再与调制信号m(t)成正比,因此 SSB信号的解调也不 能采用简单的包络检波,需采用相干解调,如图2-1-11 所示。图2-1-11 SSB信号的相干解调第2章 常见信号的调制方式此时,乘法器输出为第2章 常见信号的调制方式经低通滤波后的解调输出为因而可恢复调制信号。综上所述,单边带幅度调制的优点是:节省了载波发射功率,调 制效率高;频带宽度只有双边带的一半,频带利用率提高一倍。其缺点是单边带滤波器实 现难度大。第2章 常见信号的调制方式4.
17、残留边带残留边带(VSB)调制调制1)VSB 信号的表达式及特性 残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式,它既克服了 DSB 信号占用频带宽的问题,又解决了单边带滤波器不易实现的难题。在这种调制方式中,VSB不像SSB那样完全抑制 DSB信号的一个边带,而是逐渐切割,使其残留一小部分,如 图2-1-12 所示。第2章 常见信号的调制方式图2-1-12 DSB、SSB、VSB信号频谱第2章 常见信号的调制方式在残留边带调制中,除了传送一个边带外,还保留了另外一个边带的一部分。对于具 有低频及直流分量的调制信号,用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带无限陡的理想 滤波器在残留边
18、带调制中已不再需要,这就避免了实现上的困难。用滤波法实现 VSB的原 理框图如图2-1-13所示。图2-1-13 用滤波法实现 VSB的原理框图第2章 常见信号的调制方式图2-1-12中的 HVSB()为残留边带滤波器,其特性应按残留边带调制的要求来进行 设计。为了保证在相干解调时无失真地得到调制信号,残留边带滤波器的传输函数 HVSB()必 须满足:式中,H 为调制信号的截止角频率。残留边带滤波器的传输函数 HVSB()在载频c 附近 必须具有互补对称性,在相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信 号。第2章 常见信号的调制方式图2-1-14所示的是满足该条件的典型特性:残留部
19、分在上边带时滤波器的传递函数 如图2-1-14(a)所示,残留部分在下边带时滤波器的传递函数如图2-1-14(b)所示。由滤波法可知,VSB信号的频谱为第2章 常见信号的调制方式图2-1-14 残留边带滤波器的典型特性第2章 常见信号的调制方式2)残留边带信号的解调 残留边带信号显然不能简单地采用包络检波,而必须采用如图2-1-15 所示的相 干解调。图2-1-15 VSB信号的相干解调第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式经 LPF滤除上式第二项,可得解调器输出为由式(2-1-24)可知,为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号m(t),必须要 求在|H 内 HVSB(+c)
20、+HVSB(-c)=K,K 为常数,而这正是残留边带滤波器 传输函数要求满足的互补对称条件。若设 K=1,则第2章 常见信号的调制方式5.线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 1)通信系统抗噪声性能分析模型 由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响,因而调制系统的抗噪声性能可用解调器 的抗噪声性能来衡量。分析解调器抗噪声性能的模型如图2-1-16所示。图2-1-16 分析解调器抗噪声性能的模型第2章 常见信号的调制方式在图2-1-16中,sm(t)为已调信号;n(t)为传输过程中叠加的高斯白噪声。带通滤波 器的作用是滤除已调信号频带以外的噪声。因此,经过带通滤波器后,到达解调器输入端
21、 的信号仍为sm(t),而噪声变为窄带高斯噪声ni(t)。解调器可以是相干解调器或包络检波 器,其输出的有用信号为mo(t),噪声为no(t)。第2章 常见信号的调制方式之所以称ni(t)为窄带高斯噪声,是因为它是由平稳高斯白噪声通过带通滤波器而得 到的,而在通信系统中,带通滤波器的带宽一般远小于其中心频率o,为窄带滤波器,ni(t)为窄带高斯噪声。ni(t)可表示为第2章 常见信号的调制方式其中,窄带高斯噪声ni(t)的同相分量nc(t)和正交分量ns(t)都是高斯变量,它们的均值和 方差(平均功率)都与ni(t)的相同,即式中,Ni 为解调器的输入噪声功率。若高斯白噪声的双边功率谱密度为n
22、0/2,带通滤波器 的传输特性是高度为1、单边带宽为B 理想矩形函数(如图2-1-17所示),则有第2章 常见信号的调制方式图2-1-17 带通滤波器传输特性(理想情况)第2章 常见信号的调制方式为了使已调信号无失真地进入解调器,同时又最大限度地抑制噪声,带宽B 应等于已 调信号的带宽。在模拟通信系统中,常用解调器输出信噪比来衡量通信质量的好坏。输出 信噪比定义为第2章 常见信号的调制方式人们还常用信噪比增益G 作为不同调制方式下解调器抗噪声性能的度量。信噪比增益 定义为信噪比增益也称为调制制度增益。其中,Si/Ni 为输入信噪比,其定义为显然,信噪比增益越高,则解调器的抗噪声性能越好。第2章
23、 常见信号的调制方式2)线性调制相干解调的抗噪声性能 线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型如图2-1-18所示。此时,图2-1-18中的 解调器为同步解调器,由相乘器和 LPF 构成。相干解调属于线性解调,故在解调过程中,输入信号及噪声可分开单独解调。相干解调适用于所有线性调制(DSB、SSB、VSB、AM)信号的解调。第2章 常见信号的调制方式图2-1-18 线性调制相干解调的抗噪声性能分析模型(1)DSB系统的第2章 常见信号的调制方式(1)DSB系统的性能:求So输入信号的解调。对于 DSB系统,解调器输入信号为与相干载波cosct相乘后,可得第2章 常见信号的调制方式经低通滤波器后,输
24、出信号为因此,解调器输出端的有用信号功率为第2章 常见信号的调制方式 求No输入噪声的解调。在解调DSB信号的同时,窄带高斯噪声ni(t)也受到解 调。此时,接收机中的带通滤波器的中心频率0 与调制载波c 相同。因此,解调器输入端 的噪声ni(t)可表示为它与相干载波cosct相乘后,可得第2章 常见信号的调制方式经低通滤波器后,解调器最终的输出噪声为故输出噪声功率为第2章 常见信号的调制方式根据式(2-1-28)和式(2-1-29),则有式中,B=2fH,为 DSB信号带宽。第2章 常见信号的调制方式 求Si。解调器输入信号平均功率为综上所述,由式(2-1-40)和式(2-1-29),可得解
25、调器的输入信噪比为第2章 常见信号的调制方式又根据式(2-1-34)和式(2-1-39),可得解调器的输出信噪比为因此调制制度增益为第2章 常见信号的调制方式(2)SSB系统的性能:求So输入信号的解调。对于SSB系统,解调器输入信号为与相干载波cosct相乘,并经低通滤波器滤除高频成分后,得解调器输出信号为因此,解调器输出信号功率为第2章 常见信号的调制方式 求 No输入噪声的解调。由于 SSB 信号的解调器与 DSB 信号的相同,故计算 SSB信号输入及输出信噪比的方法也相同。由式(2-1-39)可得式中,B=fH,为SSB信号带宽。第2章 常见信号的调制方式 求Si。解调器输入信号平均功
26、率为因为m(t)与m(t)的所有频率分量仅相位不同,而幅度相同,所以两者具有相同的平 均功率。由此,上式变成第2章 常见信号的调制方式于是,由式(2-1-47)和式(2-1-29),可得解调器的输入信噪比为由式(2-1-45)和式(2-1-46),可得解调器的输出信噪比为因此调制制度增益为第2章 常见信号的调制方式由此可见,SSB系统的制度增益为1。这说明SSB信号的解调器对信噪比没有改善。这 是因为在SSB系统中,信号和噪声具有相同的表示形式,所以在相干解调过程中,信号和 噪声的正交分量均被抑制掉,故信噪比不会得到改善。比较式(2-1-43)和式(2-1-50)可见,DSB解调器的调制制度增
27、益是SSB的两倍。但不能因此就说双边带系统的抗噪声性 能优于单边带系统。因为 DSB所需带宽为SSB的两倍,因而在输入噪声功率谱密度相同的 情况下,DSB解调器的输入噪声功率将是SSB的两倍。第2章 常见信号的调制方式由此不难看出,如果解调器的输入 噪声功率谱密度n0 相同,则输入信号的功率Si 也相等,有第2章 常见信号的调制方式(3)VSB系统的性能。VSB系统的抗噪声性能的分析方法与上面类似。但是,由于所 采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同,所以难以确定抗噪声性能的一般计算公 式。然而,在残留边带滤波器滚降范围不大的情况下,可将 VSB 信号近似看成 SSB 信 号,即在这种情况
28、下,VSB系统的抗噪声性能与SSB系统相同。第2章 常见信号的调制方式3)常规调幅包络检波的抗噪声性能 AM 信号可采用相干解调或包络检波。在相干解调时,AM 系统的性能分析方法与前 面介绍的双边带的相同。在实际中,AM 信号常用简单的包络检波法解调,接收系统模型 如图2-1-19所示。包络检波属于非线性解调,信号与噪声无法分开处理。图2-1-19 AM 包络检波的抗噪声性能分析模型c第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式理想包络检波器的输出就是A(t)。由以上分析可知,检波器输出中有用信号与噪声无法完全分开,因此,计算输出信噪比是件困难的事。为简化起见
29、,我们考虑以下两种特殊 情况。第2章 常见信号的调制方式(1)大信噪比情况。此时输入信号幅度远大于噪声幅度,即第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式至此可以证明,在相干解调时,常规调幅的调制制度增益与GAM 相同。这说明,对于 AM 系统,在大信噪比时,采用包络检波的性能与相干解调的性能几乎一样。但后者的调 制制度增益不受信号与噪声相对幅度假设条件的限制。第2章 常见信号的调制方式(2)小信噪比情况。此时噪声幅度远大于输入信号幅度,即第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式由以上分析可知,小信噪比时调制信号 m(t)无法与噪声分开,包络 A(
30、t)中不存在单 独的信号项m(t),只有受到cos(t)调制的信号项m(t)cos(t)。由于cos(t)是一个随机 噪声,因而,有用信号m(t)被噪声所扰乱,致使 m(t)cos(t)只能被看成是噪声。在这种 情况下,输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降,而是急剧恶化。通常把这种现象 称为门限效应。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值(简称门限)。第2章 常见信号的调制方式2.1.2 角度调制角度调制(非线性调制非线性调制)原理及抗噪声性能原理及抗噪声性能 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,故
31、又称为非线性调制。角度调制可分为频率调制(FM)和相位调制(PM),即载波的幅度保持不变,而载波的 频率或相位随基带信号变化的调制方式。第2章 常见信号的调制方式1.角度调制的基本概念角度调制的基本概念第2章 常见信号的调制方式FM 和 PM 非常相似,如果预先不知道调制信号的具体形式,则无法判断已调信号是 调频信号还是调相信号。如果将调制信号先微分,而后进行调频,则得到的是调相信号,如 图2-1-20(b)所示。如果将调制信号先积分,而后进行调相,则得到的是调频信号,如图 2-1-21(b)所示。第2章 常见信号的调制方式图2-1-20 直接调相法和间接调相法 图2-1-21 直接调频法和间
32、接调频法第2章 常见信号的调制方式图2-1-20(b)所示的产生调相信号的方法称为间接调相法,图2-1-21(b)所示的 产生调频信号的方法称为间接调频法。相对而言,图2-1-20(a)所示的产生调相信号的 方法称为直接调相法,图2-1-21(a)所示的产生调频信号的方法称为直接调频法。由于 实际相位调制器的调节范围不可能超出(-,),因而直接调相和间接调频的方法仅适 用于相位偏移和频率偏移不大的窄带调制情形,而直接调频和间接调相则适用于宽带调 制情形。第2章 常见信号的调制方式2.窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频 根据调制后载波瞬时相位偏移的大小,可将频率调制分为宽带调频(WBFM)与窄
33、带调 频(NBFM)。宽带与窄带调制的区分并无严格的界限,但通常认为由调频所引起的最大瞬 时相位偏移远小于30,即称为窄带调频;否则,称为宽带调频。第2章 常见信号的调制方式1)窄带调频(NBFM)为方便起见,无妨假设正弦载波的振幅A=1,则由式(2-1-64),即调频信号的一般 表达式,可得第2章 常见信号的调制方式当满足式(2-1-65),即在窄带调频时,有近似式于是式(2-1-66)可简化为第2章 常见信号的调制方式利用傅里叶变换公式,有第2章 常见信号的调制方式可得 NBFM 信号的频域表达式为将式(2-1-68)与 AM 信号的频谱:第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方
34、式下面讨论单音调制的特殊情况。设调制信号为则 NBFM 信号为第2章 常见信号的调制方式AM 信号为单音调制的 AM 信号与 NBFM 信号的频谱如图2-1-22所示。第2章 常见信号的调制方式图2-1-22 单音调制的 AM 信号与 NBFM 信号的频谱第2章 常见信号的调制方式2)宽带调频(WBFM)单音调频信号(即单音调制的 FM 信号)的时域表达式为第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式由于调频信号的频谱包含无穷多个频率分量,因此理论上调频信号的带宽为无限宽。然而实际上各次边频幅度(正比于Jn(mf)随着n 的增大而减小,因此只要取适当的n 值,使边频分量小到可以忽略的程
35、度,调频信号可以近似认为具有有限频谱。一个广泛用来计 算调频波频带宽度的公式为式中,f 为最大频率偏移。第2章 常见信号的调制方式单音调频信号可以分解为无穷多对边频分量之和,根据sFM(t)的级数展开形式,由帕 斯瓦尔定理可知,调频信号的平均功率等于它所包含的各分量的平均功率之和,即第2章 常见信号的调制方式根据贝塞尔函数的性质,有故第2章 常见信号的调制方式以上讨论是单音调频信号的情况。对于多音或其他任意信号调制的调频波的频谱分析 极其复杂。经验表明,对卡森公式做适当修改,即可得到任意限带信号调制时调频信号带 宽的估算公式,即式中,fm 是调制信号m(t)的最高频率;D=f/fm 为频偏比;
36、f=KF|m(t)|max是最大 频率偏移。在实际应用中,当 D 2时,用 BFM=2(D+1)fm 计算调频带宽更符合实际 情况。第2章 常见信号的调制方式2.1.3 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较 1.各种模拟调制方式总结各种模拟调制方式总结 假定所有调制系统在接收机输入端具有相等的信号功率,并且加性噪声都是均值为0、双边功率谱密度为n0/2的高斯白噪声,基带信号带宽为fm,所有系统都满足:第2章 常见信号的调制方式例如,m(t)为正弦型信号。综合前面的分析,可总结各种模拟调制方式的信号带宽、制度增益、输出信噪比、设备(调制与解调)复杂程度、主要应用等,如表2-1-1所示。表
37、 中还进一步假设了 AM 为100%调制。第2章 常见信号的调制方式第2章 常见信号的调制方式2.各种模拟调制方式性能比较各种模拟调制方式性能比较 就抗噪声性能而言,WBFM 最好,DSB、SSB、VSB次之,AM 最差。NBFM 与 AM 接 近。就频带利用率而言,SSB最好,VSB与SSB接近,DSB、AM、NBFM 次之,WBFM 最 差。FM 的调频指数越大,抗噪声性能越好,但占据带宽越宽,频带利用率越低。第2章 常见信号的调制方式3.各种模拟调制方式的特点与应用各种模拟调制方式的特点与应用 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,信号带宽较 宽,频带利用率不
38、高。因此,AM 调制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,频带利用率不高,接收要求同 步解调,设备较复杂。只用于点对点的专用通信及低带宽信号多路复用系统。第2章 常见信号的调制方式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。SSB调制普遍应用 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调制的性能与SSB相当,原则上也需要同步解调,但在某些 VSB系统中,附加一 个足够大的载波,形成(
39、VSB+C)合成信号,就可以用包络检波法进行解调。这种(VSB+C)的方式综合了 AM、SSB和 DSB三者的优点。所以 VSB在数据传输、商用电视广播等领域 得到广泛使用。第2章 常见信号的调制方式FM 信号的幅度恒定不变,这使得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 NBFM 对微波中继系统颇具吸引力。WBFM 的抗干扰能力强,可以实现带宽与信噪比的互换,因而 WBFM 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、短波电台等。WBFM 的缺点是频带利用率低,存在门限效应
40、。因此在接收信号 弱、干扰大的情况下宜采用 NBFM,这就是小型通信机常采用 NBFM 的原因。第2章 常见信号的调制方式2.1.4 频分复用频分复用(FDM)“复用”是一种将若干个彼此独立的信号,合并为一个可在同一信道上同时传输的复合 信号的方法。例如,传输的语音信号的频谱一般在300Hz3400Hz内,为了使若干个这种 信号能在同一信道上传输,可以把它们的频谱调制到不同的频段,合并在一起而不致相互 影响,并能在接收端彼此分离开来。第2章 常见信号的调制方式三种基本的多路复用方式有:频分复用(FDM)、时分复用(TDM)和码分复用(CDM)。按频率区分信号的方式称为频分复用,按时间区分信号的
41、方式称为时分复用,而按扩频码 区分信号的方式称为码分复用。这里我们先讨论频分复用。频分复用的目的在于提高频带利用率。通常,在通信系统中,信道所能提供的带宽往 往要比传送一路信号所需的带宽宽得多。因此,一个信道只传输一路信号是非常浪费的。为了充分利用信道的带宽,因而提出了信道的频分复用问题。图2-1-23给出了一个频分 复用电话系统的组成框图。第2章 常见信号的调制方式图中,复用的信号共有n 路,每路信号首先通过低通滤波器(LPF),以限制各路信号的最高频率fm。为简单起见,无妨设各路的fm 都相等。例如,若 各路都是话音信号,则每路信号的最高频率皆为3400Hz。然后,各路信号通过各自的调制
42、器进行频谱搬移。调制器的电路一般是相同的,但所用的载波频率不同。调制的方式原则 上可任意选择,但最常用的是单边带调制,因为它最节省频带。因此,图中的调制器由相乘 器和边带滤波器(SBF)构成。第2章 常见信号的调制方式在选择载频时,既应考虑到边带频谱的宽度,还应留有一定的 邻路间隔防护频带fg,以防止邻路信号之间相互干扰,即式中,fci和fc(i+1)分别为第i路和第i+1路的载波频率。显然,邻路间隔防护频带越大,对边带滤波器的技术要求越低。但这时占用的总频带要加宽,这对提高信道复用率不利。因此,实际中应尽量提高边带滤波技术,以使fg 尽量缩小。目前,按ITU-T 的标准,邻路 间隔防护频带应
43、为900Hz第2章 常见信号的调制方式图2-1-23 频分复用电话系统的组成框图第2章 常见信号的调制方式经过调制的各路信号,在频率位置上就被分开了。因此,可以通过相加器将它们合并 成适合信道内传输的频分复用信号,其频谱结构如图2-1-24所示。图中,各路信号具有相同的fm,但它们的频谱结构可能不同。n 路单边带信号的总频带宽度为式中,B1=fm+fg,为一路信号占用的带宽。第2章 常见信号的调制方式图2-1-24 频分复用信号的频谱结构第2章 常见信号的调制方式2.1.5 模拟信号数字化技术模拟信号数字化技术 数字通信与模拟通信相比,有许多的优点。现代通信系统的重要标志是在信源信号、传输系统
44、、交换系统等诸多环节实现数字化。近几十年来,数字通信一直处在飞速发展时 期。现代通信的数字化技术已经使传统的通信方式发生了根本性的改变。它不仅为军事通 信领域提供了高效、可靠、保密的通信指挥手段,而且在社会信息化过程中提供了大容量、高速率、多媒体和灵活方便的通信手段。通信的数字化技术贯穿于几乎通信的整个过程。第2章 常见信号的调制方式然而,信源既有模拟的也有数字的,要实现全数字化,就必须把模拟信号转化为数字信号。脉冲编码调制就是把时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信 号后在信道中传输。这个数字化过程包括抽样、量化、编码三个处理步骤。第2章 常见信号的调制方式抽样是对模拟
45、信号进行时间上周期性取值,把时间连续信号变成时间离散信号。我们 要求经过抽样的信号包含原信号中的信息,即能无失真地恢复成原模拟信号。量化是把经 抽样得到的瞬时值进行幅度上的离散化,即指定一组规定的电平,把瞬时抽样值用最接近 的电平值表示。编码是用二进制码元表示每个有固定电平的量化值。实际上量化往往是在 编码过程中同时完成的。通过脉冲编码调制(PCM)的方式把模拟信号进行数字化,是目前 世界各国采用的一种主要方式,并且已被ITU-T 建议为当今数字传输与综合业务数字网(ISDN)的标准接口信号。第2章 常见信号的调制方式1.抽样抽样 所谓抽样,是指在时间连续的信号中取出“样品”,该“样品”称为抽
46、样值,即时间上的 离散化。如果取出的抽样值足够多,这些抽样值序列即可代表连续信号。到底取多少抽样 值由“抽样定理”决定。为了使分析简单起见,假定模拟信号的频带为0fm,F(t)为模拟 信号,S(t)为抽样脉冲信号,它是脉宽为的矩形窄脉冲,周期为Ts,幅度为1。第2章 常见信号的调制方式2.量化量化 量化就是幅度上的离散化,其功能是将幅度取值连续的抽样值序列,采用近似的方法,变换为只有有限个电平的量化信号。为此要将信号的幅度分成许多量度单元,一个量度单 元称为一个量化级,落在这个量化级内的任意幅度值都用同一个值来表示,这就是量化。第2章 常见信号的调制方式量化是幅度的离散化,即用有限个离散的值来
47、表示连续变化的抽样值,这个表示必然 是近似的。在量化时,总是把被量化值(即抽样值)分成一个个小区间,然后对落在每个区 间内的抽样值看成是一致的情况,最终把它们用规定的电平表示,如图2-1-25所示。图2-1-25 量化示意图第2章 常见信号的调制方式3.编码编码 模拟信号经抽样量化后,还需要进行编码处理,才能使离散的抽样值形成更适宜的二 进制数字信号。编码形式有多种,例如,低速编码和高速编码;线性编码和非线性编码;逐 次反馈型、级联型和混合型等。由于二元码除用电路容易实现外,还可以经受较高的噪声电平的干扰并易于再生,因此在PCM 中一般采用二元码。第2章 常见信号的调制方式编码位数的增加会受到
48、两方面的制约:一是n 越多,量化级间隔就越小,对编码电路精度的要求也越高;二是n 越多,数码率就越高,占用的信 道带宽就越高,这就降低了有效性。因此编码位数应根据通信质量要求适当选取。一般在点 对点之间通信或短距离通信,采用7位码已基本能满足质量要求。而对于干线远程的全网通 信,一般要经过多次转接,要有较高的质量要求,目前国际上多采用8位码。市内电话通信也 是长途通信的一个组成部分,所以市内中继采用PCM 设备也应选用8位码。把量化后的所有 量化级,按其量化电平的大小次序排列起来,并列出各对应的码字,这种对应关系的整体就 称为码型。PCM 系统中常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和循环码(
49、又称为格雷码)。第2章 常见信号的调制方式2.2 数字基带传输系统数字基带传输系统数字信号有两种传输方式:一种是基带传输方式;另一种是调制传输(或称为带通传 输)。基带传输适合于近距离、有线信道中传输,如计算机局域网。数字带通传输频谱离开 零点,适合于远距离、有线和无线信道传输。第2章 常见信号的调制方式2.2.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 1.数字基带信号的常用码型数字基带信号的常用码型 数字基带信号是数字信息的波形表示形式,它可以用不同的电平或脉冲来表示相应的 消息代码。数字基带信号(以下简称基带信号)的类型有很多。以矩形脉冲为例,介绍几种 基本的基带信号波形。第2
50、章 常见信号的调制方式1)单极性波形 我们平常所说的单极性波形是指单极性不归零波形,如图2-2-1(a)所示。它用高 电平代表二进制符号(数字信息)“1”;低电平代表“0”,在一个码元时隙 T 内电平维持不 变。单极性波的优点是码型简单。缺点是有直流成分,因此不适用于有线信道,同时判决 电平取接收到的高电平。第2章 常见信号的调制方式2)双极性波形 双极性不归零波形(双极性波形)如图2-2-1(b)所示。它用正电平代表二进制符号“1”;负电平代表“0”,在整个码元时隙T 内电平维持不变。双极性波的优点是当二进制符号序列中的“1”和“0”等概出现时,序列中无直流分量,同时判决电平为0电平,容易设
