1、第4章模拟通信系统 4.1 引言 4.2 模拟基带信号传输 4.3 线性调制 4.4 线性调制系统的抗噪声性能分析 4.5 非线性调制(角调制)4.6 调频系统的抗噪声性能分析 4.7 调频信号解调的门限效应 4.8 加重技术 思考题 习题 第第4章章 模拟通信系统模拟通信系统 第4章模拟通信系统 4.1 引引 言言从本章开始,将陆续介绍各种通信系统的原理。传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统；传输数字信号的通信系统称为数字通信系统；还有一种是将模拟信号变换为数字信号后在数字通信系统中传输，称为模拟信号的数字传输。本书以数字通信为主要内容，同时对模拟通信系统仍然给予必要的介绍。第4章模拟通信
2、系统 从语言、音乐、图像等信息源直接转换得到的电信号是频率很低的电信号，其频谱特点是包含或不包含直流分量的低通频谱，其最高频率和最低频率之比远大于1，称这种信号为基带信号。例如电话信号，它的频率范围为3003000 Hz。基带信号可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输，多数情况下无法在无线信道直接传输。另外，即使可以在有线信道传输，但是一对线路上只能传输一路信号，从信道的利用角度来看是很不经济的。为了使基带信号能够在无线信道上传输，同时也为了使有线信道上能够同时传输多路基带信号，就需要采用调制和解调的技术。第4章模拟通信系统 在发送端把基带信号频谱搬移到给定信道通带内的过程称为调制，而在接收
3、端把已搬移到给定信道通带内的频谱还原为基带信号频谱的过程称为解调。调制和解调在一个通信系统中总是同时出现的，因此往往把调制和解调系统合称为调制系统或调制方式。调制和解调在通信系统中是一个极为重要的组成部分，因此在讨论各种调制方式以前，本节先对调制在通信系统中的作用、调制的分类、调制中需要讨论的主要问题和主要参数等进行分析。第4章模拟通信系统 4.1.1 调制在通信系统中的作用调制在通信系统中的作用调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求，这样可以起到以下几个重要作用：(1)使信号容易辐射。为了充分发挥天线的辐射能力，一般要求天线的尺寸和发送信号的波长在同一个数量级。为了使天线容易
4、辐射，一般都把基带信号调制到较高的频率上。(2)便于频率分配。例如，为使各个无线电台发出的信号互不干扰，每个电台都分配了不同的载波频率。利用调制技术把各种话音、音乐、图像等基带信号调制到不同的载频上，以便用户任意选择各个电台，收看、收听所需节目。第4章模拟通信系统(3)便于多路复用。如果信道的通带较宽，则可以用一个信道传输多个基带信号，只要把基带信号分别调制到相邻的载波，然后将它们一起送入信道传输即可。这种在频域上实行的多路复用称为频分复用。还可以将多个基带信号通过不同时刻的取样，将取样值依次送入信道传输，这种在时域上实行的多路复用称为时分复用。(4)减少噪声和干扰的影响。噪声和干扰的影响不可
5、能完全消除，但是可以通过选择适当的调制方式来减少它们的影响，后面将要讲到的不同的调制方式具有不同的抗噪声性能。第4章模拟通信系统(5)调制可以在一定程度上克服设备的限制。通信系统中的某些部件(例如放大器和滤波器)的性能优劣和制造的难易程度不仅和信号的频率有关，而且和信号的最高频率与最低频率之比有关。利用调制可以把信号频率变换到容易满足设计要求的频率上来；另外，通过调制可以把宽带信号变为窄带信号。第4章模拟通信系统 4.1.2 调制的基本特性和分类调制的基本特性和分类调制的实质是进行频谱变换，把携带消息的基带信号的频谱搬移到较高的频率范围。经过调制后的已调信号应该具有两个基本特性，一是仍然携带有
6、消息，二是适合于信道传输。调制的模型可以用图4.1所示的非线性网络表示，其中x(t)为调制信号，C(t)为载波信号，xC(t)为已调信号。第4章模拟通信系统 图4.1 调制器模型第4章模拟通信系统 根据不同的x(t)、C(t)和不同的调制器功能，可以对调制进行如下分类。1根据调制信号根据调制信号x(t)的不同进行分类的不同进行分类(1)模拟调制：调制信号x(t)为连续变化的模拟量，通常以单音正弦波为代表。(2)数字调制：调制信号x(t)为离散的数字量，通常以二进制数字脉冲为代表。2 根据载波信号根据载波信号C(t)的不同进行分类的不同进行分类(1)连续载波调制：载波信号C(t)为连续波形，通常
7、以单频正弦波为代表。(2)脉冲载波调制：载波信号C(t)为脉冲波形，通常以矩形周期脉冲为代表。第4章模拟通信系统 3 根据调制器的功能不同进行分类根据调制器的功能不同进行分类(1)幅度调制：调制信号x(t)改变载波信号C(t)的振幅参数，例如调幅(AM)、脉冲振幅调制(PAM，Pulse Amplitude Modulation)、振幅键控(ASK，Amplitude Shift Keying)等。(2)频率调制：调制信号x(t)改变载波信号C(t)的频率参数,例如调频(FM，Frequency Modulation)、脉冲频率调制(PFM，Pulse Frequency Modulation
8、)、频移键控(FSK，Frequency Shift Keying)等。(3)相位调制：调制信号x(t)改变载波信号C(t)的相位参数，例如调相(PM，Phase Modulation)、脉冲位置调制(PPM，Pulse Position Modulation)、相移键控(PSK，Pulse Shift Keying)等。第4章模拟通信系统 4 根据调制器频谱搬移特性的不同进行分类根据调制器频谱搬移特性的不同进行分类(1)线性调制：输出已调信号xC(t)的频谱和调制信号C(t)的频谱之间呈线性搬移关系，例如AM、单边带调制(SSB)等。(2)非线性调制：输出已调信号xC(t)的频谱和调制信号x
9、(t)的频谱之间没有线性对应关系，即在输出端含有与调制信号频谱不成线性对应关系的频谱成分，例如FM、FSK等。此外还有使模拟信号数字化的脉冲编码调制(PCM，Pulse Coding Modulation)和增量调制(M，Delta Modulation)等。第4章模拟通信系统 4.1.3 调制系统中讨论的主要问题和主要参数调制系统中讨论的主要问题和主要参数在调制系统中主要讨论下面几个问题:(1)工作原理：包括调制系统的物理过程，调制信号、载波信号和已调信号三者的关系，例如数学关系、波形关系及频谱关系等；(2)已调信号的带宽；(3)功率关系；(4)噪声对调制系统性能的影响。第4章模拟通信系统
10、调制系统的主要参数包括：(1)发送功率；(2)传输带宽；(3)抗噪声性能，例如输出信噪功率比等；(4)设备的复杂性。这些参数是各种调制系统比较的基础，也是选择和设计调制系统的依据。第4章模拟通信系统 4.2 模拟基带信号传输模拟基带信号传输不经过调制直接传输基带信号的通信系统称为基带通信系统，如图4.2所示。其中：x(t)是输入端携带消息的信号，即模拟基带信号；y(t)是输出信号与噪声之和。第4章模拟通信系统 图 4.2 基带通信系统第4章模拟通信系统 发送设备和接收设备一般是对信号进行放大和滤波的部件，可以是音频功率放大器和低通滤波器。基带传输不需要调制和解调器。信道一般为有线信道，由于信道
11、特性的不理想和信道中存在噪声，将使输出信号y(t)和输入信号x(t)的波形不同而产生失真。通常希望模拟基带信号传输时输出信号不产生失真，或者失真尽可能地小(即输出信噪比尽可能地大)。第4章模拟通信系统 4.2.1 线性失真及均衡线性失真及均衡由于信道中存在电抗元件等原因，使HC(f)在信号的频谱范围内不是常数，这会引起信号频谱范围内频谱间相对大小的改变而产生振幅失真。经验证明，只要HC(f)在信号频谱范围内幅度变化在1 dB以内，幅度失真就可以忽略不计。如果信道的相位偏移不满足C(f)=-tdm的条件，则输入信号的各个频率成分通过信道时所产生的延迟时间不同。此时延迟时间(设m=0)为(4.1)
12、第4章模拟通信系统 延迟会产生相位失真，延迟时间与频率有关。在传输数据时，如果有相位失真,将引起码间串扰而产生错码，因此要认真考虑并设法减少它，这将在下一章中讨论。另一方面，在传输话音信号时，由于人的耳朵对相位失真不敏感，因此很少考虑相位失真的问题。如果幅频特性在输入信号频谱范围内不是常数，那么理论上可以采用均衡的办法使幅频特性近似等于常数。但是，实际制作中很难准确地达到这个要求，只有采用良好的电路才能达到幅频特性近似为常数的要求。例如，带有抽头的横向滤波器就是一种良好的均衡电路，在此不作详细讨论。第4章模拟通信系统 4.2.2 非线性失真和压扩非线性失真和压扩实际的信道和诸如放大器之类的电子
13、设备通常都存在非线性元件和非线性的传输特性，因而会产生非线性失真。一个非线性传输特性的例子如图4.3所示，纵轴表示输出y(t)，横轴表示输入x(t)。图中虚线表示线性的传输特性，实线表示实际应用时的传输特性。一般当输入信号x(t)比较小时，实际使用的传输特性接近于线性，而当信号较大时，实际使用的传输特性成为非线性，从而引起非线性失真。信号越大，非线性失真也越大。第4章模拟通信系统 图4.3 非线性传输曲线第4章模拟通信系统 解决非线性失真的一般方法是适当选择非线性元器件，优先选取线性范围大的元器件；适当选择特性曲线的工作点，使它们尽量工作在特性曲线的线性范围。在放大器中采用负反馈电路、限制输入
14、信号的幅度等都可以减少非线性失真。对于语音通信而言，由于讲话人的不同，或者同一个讲话人声音有轻有重，因而输入信号x(t)的幅度变化范围很大，此时可以采用压扩器加以解决。压扩器的工作原理如图4.4所示。第4章模拟通信系统 图4.4 有压缩器的基带传输系统第4章模拟通信系统 输入信号x(t)加到压缩器进行压缩，压缩后将话音振幅大的成分相对压缩，振幅越大,压缩作用越大，这样可以把话音信号幅度的变化范围减小，使它工作在信道的线性范围内。在接收端再把接收到的信号送到扩张器进行扩张，扩张器的作用与压缩器正好相反，把幅度大的信号扩张，幅度越大,扩张作用也越大。压缩器和扩张器合称为压扩器。具有压扩器的基带传输
15、系统可以减少非线性失真。有关压扩器的特性和具体实现方法将在第7章中讨论。第4章模拟通信系统 4.2.3 基带传输系统中的噪声基带传输系统中的噪声如图4.5所示的基带传输系统，信号x(t)经过信道传输到接收端，假设信道的传输特性为HC(f)，由于HC(f)的不理想会引起波形的失真。但是，如果采用一个具有传输特性为Heq(f)的均衡器,即(4.2)第4章模拟通信系统 图4.5 基带传输系统第4章模拟通信系统 此时xo(t)=Kx(t-td)(4.3)但是，输出端除了xo(t)以外，还有噪声成分。设由信道来的加到均衡器输入端的加性噪声为ni(t)，经过均衡器以后变为no(t)，因此输出端为xo(t)
16、+no(t)。no(t)的存在使信号受到干扰。衡量噪声对信号的影响，也就是衡量模拟信号输出端信号质量的指标，它是输出信号功率与噪声功率的比值，简称输出信噪比，符号为So/No。第4章模拟通信系统 1 输出信噪比输出信噪比So/No的一般公式的一般公式由于x(t)、ni(t)、xo(t)、no(t)均为随机信号，因此信号和噪声功率都要用统计平均计算，即(4.4)对于语音信号的传输，当So/No的值为10 dB时，收听者仅仅可以理解；当So/No达到30 dB时，即可达到一般电话通信的要求；对于高保真度的电话信号，则需要高达60 dB的输出信噪比。第4章模拟通信系统 对于图4.5所示的方框图，设x
17、(t)在0fX范围内的功率谱密度为PX(f)，ni(t)的功率谱密度为，且满足时，有(4.5)第4章模拟通信系统 (4.6)因此，输出信噪比为(4.7)第4章模拟通信系统 2 理想信道和加性白噪声时的输出信噪比理想信道和加性白噪声时的输出信噪比作为一个特殊情况，假设信道是理想的，不产生波形失真，因此不需要均衡器，此时第4章模拟通信系统 当噪声为加性白噪声时，n0为单边噪声功率谱密度,可以得到(4.8)其中，是发送端的功率，So=K2ST。所以 (4.9)n0 fX是信号通带内的噪声功率，称为带内噪声功率或者基带噪声功率。第4章模拟通信系统 4.3 线性调制线性调制前面已经提到，输出已调信号的频
18、谱如果和调制信号的频谱之间是线性搬移关系的调制，则称为线性调制。线性调制是把基带信号的频谱搬移到与信道相适应的频带上，通常都是通过基带信号对正弦载波的调制实现这种频谱搬移。已调信号一般可用下式表示：xC(t)=A(t)cos(Ct)(4.10)第4章模拟通信系统 式中：C表示余弦载波C(t)的角频率;A(t)为瞬时振幅。根据xC(t)的频谱与A(t)的频谱间的不同关系，可以得到各种不同的线性调制，如双边带调制(DSB，Double Side-Band)、振幅调制(AM)、单边带调制(SSB)和残留边带调制(VSB，Vestigial Side-Band)等。这些不同的线性调制都有各自的优缺点和
19、相应的应用场合。由于在电子线路课程中已经学过它们的工作原理和实现方法，因此本节主要讨论已调信号的频谱和带宽、已调信号的功率、各种调制和解调方法等问题。下一节将讨论各种线性调制系统的抗噪声性能。第4章模拟通信系统 4.3.1 双边带调制双边带调制(DSB)1工作原理工作原理把基带信号x(t)乘以余弦载波C(t)=ACcos(Ct)可以实现基带频谱向频带频谱的转换。如图4.6所示的方框图中，输入信号x(t)和余弦载波C(t)加到相乘器，输出xC(t)为xC(t)=ACx(t)cos(Ct)=A(t)cos(Ct)(4.11)其中，A(t)=ACx(t)与x(t)成线性关系，C=2fC。第4章模拟通
20、信系统 图4.6 线性调制器第4章模拟通信系统 作为一个特例，x(t)=cos(1t)，1=2f1，f1在基带信号频带内，即f1fX，且一般远小于fC，此时一个基带信号频率经过调制后变为两个边带信号频率：一个是fC+f1，位于fC的上边，称为上边频；另一个是fC-f1，位于fC的下边，称为下边频。基带信号一般是随机信号，具有0fX的连续频谱，即x(t)的频谱函数X(f)为0fX的连续频谱。x(t)、xC(t)的波形和X(f)、XC(f)的频谱函数分别如图4.7和图4.8所示。为作图方便，X(f)画成如图4.8(a)所示，那么经过调制以后xC(t)的频谱函数为(4.12)第4章模拟通信系统 其中
21、图4.7(a)为X(f)的一个可能实现，为作图方便,画了一个正弦波；图4.7(b)是相应xC(t)的波形，注意,当x(t)改变极性即由正变负或由负变正时，xC(t)的相位要反相，此时相位出现不连续。图4.8(a)和(b)分别表示X(f)和XC(f)，XC(f)具有上、下两个边带，因此这种调制称为双边带调制(DSB)。上边带从fC到fC+fX，下边带从fC-fX到fC。第4章模拟通信系统 图4.7 双边带调制的波形图第4章模拟通信系统 图 4.8 双边带调制的频谱图第4章模拟通信系统 2 带宽带宽BDSB和发送信号功率和发送信号功率SDSB双边带信号的带宽从图4.8(b)中很容易看出，是基带信号
22、的两倍，即BDSB=2fX(4.13)发送信号的平均功率可以用非周期功率信号的计算方法来计算。经计算得到 (4.14)其中,是平均载波功率。第4章模拟通信系统 3 双边带信号的解调双边带信号的解调假设信道是理想的，不产生失真，也没有时延，只是对信号有一定的衰减，此时接收到的信号xr(t)和xC(t)的波形相同,其中，aC/AC是信道的衰减。基带信号x(t)可以通过如图4.9所示的方框图加以恢复。xr(t)与解调器中的载波ArcosCt相乘以后得到 第4章模拟通信系统 图 4.9 双边带信号的同步解调Z(t)经过低通滤波器以后，即可得x(t)的成分。第4章模拟通信系统 4.3.2 振幅调制振幅调
23、制(AM)1 工作原理工作原理一个大的载波成分和双边带信号相加得到振幅调制信号。振幅调制信号的表示式为xC(t)=A0+x(t)ACcosCt=AC A0+x(t)cosCt=A(t)cosCt (4.16)其中：x(t)一般指话音信号，没有直流成分,且|x(t)|A0；|A(t)|是已调波形的包络，在|x(t)|fX和|x(t)|A0的条件下，已调波的包络和x(t)的波形相同。振幅调制信号一个重要的参数是调幅度m，定义为(4.18)m通常小于1，只有当A(t)min为负值，出现过调幅时，m才大于1。第4章模拟通信系统 2 发送信号功率发送信号功率SAM和带宽和带宽BAM从图4.10中可以看出
24、，振幅调制信号的带宽BAM与双边带调制时的带宽BDSB一样，即BAM=2fX(4.19)振幅调制时发送信号的功率SAM可以用下式计算第4章模拟通信系统 经计算得SAM=SC+SCSX(4.20)其中：是不携带信息的载波功率;是归一化的信号平均功率。由此可见，振幅调制波的平均功率由不携带信息的载波功率和携带信息的边带功率两部分组成。将边带功率SCSX和SAM的比值称为调制效率，用符号AM表示，即(4.21)第4章模拟通信系统 在不出现过调幅的情况下，m=1时，如果x(t)为矩形波形，则最大可以得到AM=0.5；而x(t)为正弦波时，可以得到AM=0.333。由于一般情况下m不一定都能达到1，因此
25、AM是比较低的，这是振幅调制的一个很大的缺点。不过振幅调制有一个很大的优点，即用包络检波法解调时，不需要本地同步载波信号。第4章模拟通信系统 3 调幅信号的解调调幅信号的解调调幅信号的解调主要有两种方法：一种是像DSB信号解调一样的同步解调；另一种是不用本地同步载波的包络检波法解调。由于包络检波法电路简单而又不需要本地同步的载波，因此目前对AM信号的解调都来用包络检波法。包络检波法在电子线路课程中已作过详细介绍，这里不再重复。第4章模拟通信系统 4.3.3 抑制边带调制抑制边带调制(SSB和和VSB)发送信号功率和传输带宽是通信系统中的两个主要参数，而前面所说的振幅调制和双边带调制的功率和带宽
26、的效率都不高。前面已经提到，在双边带信号xC(t)=ACx(t)cosCt中具有上、下两个边带，这两个边带都携带调制信号x(t)的信息，因此在传输已调信号的过程中不必同时传送两个边带，而只要传送其中任何一个就可以了。这种传输一个边带的通信方式称为单边带通信，它与振幅调制和双边带调制比较起来可以节约一半传输带宽，因此大大提高了信道的利用率，增加了通信的有效性。但是，SSB的通信设备却复杂多了，因为单边带调制只传输一个边带而完全抑制另一个边带，所以需要频率特性非常陡峭的边带滤波器来完成这个任务，实际制作起来比较困难。为了降低设备制作的复杂性，可以设法让一个边带通过，另一个边带不完全抑制而保留一部分
27、，这种调制方法称为残留边带调制。第4章模拟通信系统 1 单边带调制单边带调制(SSB)1)工作原理图4.11(a)和(b)是单边带调制的调制器和解调器的方框图。单边带调制的基本原理是将基带信号x(t)和载波信号经相乘器相乘后得到双边带信号，再将此双边带信号通过理想的单边带滤波器滤去一个边带,就得到需要的单边带信号。如果理想单边带滤波器是上边带滤波器HUSB(f)，则得到相应的上边带(USB，Upper Side Band)信号；如果理想单边带滤波器是下边带滤波器HLSB(f)，则得到下边带(LSB，Low Side Band)信号。在接收端，将收到的SSB信号和本地载波(即同步载波)信号相乘后
28、再经低通滤波器(LPF，Low Pass Filter)滤波，就可恢复出所需要的基带信号。第4章模拟通信系统 单边带信号调制和解调的频谱图如图4.11(c)(f)所示。它和DSB调制的频谱是类似的，所不同的是前者在相乘后接单边带滤波器，而后者则接双边带滤波器。第4章模拟通信系统 图 4.11 单边带调制系统方框图及频谱变化图第4章模拟通信系统 单边带信号的时域表示通常是比较困难的，但是在单音调制时还是比较方便的。因此,我们从单音调制出发，得到单边带信号的时域表示式，然后不加证明地把它推广到一般基带信号调制时的单边带信号的时域表示式。第4章模拟通信系统 设单音信号x(t)=cosXt，经相乘后成
29、为双边带信号ACx(t)cosCt=ACx(t)cosXtcosCt，如果通过上边带滤波器HUSB(f)，则得到USB信号为 如果通过下边带滤波器HLSB(f)，则得到LSB信号为第4章模拟通信系统 把上、下边带合并起来可以写成(4.22)式中：“-”表示上边带信号；“+”表示下边带信号。第4章模拟通信系统 从式(4.22)可以看到，单音调制的单边带信号由两项组成：一项是单音信号和载波信号的乘积(和双边带调制一样)的一半；另一项是单音信号和载波信号分别移相90后的乘积的一半。单音信号调制时的单边带信号的波形图及其相应的频谱如图4.12(a)、(b)所示，图中以上边带信号为例。第4章模拟通信系统
30、 图4.12 单音调制上边带信号的波形图及频谱图第4章模拟通信系统 式(4.22)虽然是在单音调制下得到的，但是它不失一般性，因为每一基带波形总可以表示成许多正弦信号之和。将每一个正弦信号分别经单边带调制后再相加起来，就是基带信号单边带调制的时域表示式。第4章模拟通信系统 设基带信号由n个余弦信号之和表示，即经双边带调制,设经上边带滤波器滤波取出上边带信号，则相应有(4.23)第4章模拟通信系统 其中，,它是将x(t)中的所有频率成分均相移90后得到的。写成一般的形式有(4.24)第4章模拟通信系统 2)发送功率SSSB和传输带宽BSSB单边带调制的工作过程是将双边带调制中的一个边带完全抑制掉
31、。所以,它的发送功率和传输带宽都是双边带调制时的一半。即单边带发送功率为(4.25)单边带的传输带宽为BSSB=fX(4.26)第4章模拟通信系统 3)设备的复杂性单边带调制器和解调器的工作原理非常简单，但是实际制作却相当困难，这是因为边带调制器需要一个频率特性非常陡峭的边带滤波器，这是不易做到的；另外，解调器需要一个同步载波信号，要做到和被抑制的载波同频同相也是不容易的。为了解决上面提及的技术上的困难，目前单边带信号的产生方法有以下三种。第4章模拟通信系统 图4.13 单边带滤波器的频谱特性第4章模拟通信系统(1)滤波法。图4.13给出了单边带滤波器的频谱特性。从图中可知，如果单边带滤波器的
32、频率特性HUSB(f)不是理想的(如图中的实线所示)，则难免对所需的边带有些衰减，而对不需要的边带又抑制不干净，造成单边带信号的失真。幸好许多基带信号，如音乐、话音等，其低频成分很小或没有。例如,一般认为话音的频谱范围为3003000 Hz，这样经双边带调制后，两个边带间的过渡带为600 Hz，在这样窄的过渡带内要求阻带衰减增加40 dB以上，才能保证有用边带振幅对无用边带振幅的有效抑制。因此，要用高Q滤波器才能实现。但是,Q值相同的滤波器,由于工作频率fC不同，要达到同样大小的阻带衰减，它们的过渡带宽度是各不相同的。显然,工作频率高的滤波器相应的过渡带就比较宽。实际制作经验表明，为了便于边带
33、滤波器的制作，应使过渡带宽度2a与载波工作频率fC的比值不小于0.01，即(4.27)第4章模拟通信系统 例如，话音信号低频成分从300 Hz开始，即a=300 Hz，根据式(4.27)，载波频率fC2a/0.01=60 kHz。就是说，过渡带宽度若为600 Hz时，滤波器的中心工作频率不应超过60 kHz，否则边带滤波器不好做。实际应用的短波通信工作频率在230 MHz范围内，如果想把话音信号直接用单边带调制方法调制到这样高的工作频率上，显然是不行的，而必须经过多次单边带频谱搬移。图4.14表示一个二次频谱搬移的方框图和频谱变换图，第一次经相乘器相乘和上边带滤波器滤波后，将话音信号频谱搬移到
34、60 kHz上，第二次又经相乘和上边带滤波就可以得到所需的单边带信号xUSB(t)。因为第二次相乘器输出的双边带信号的两个边带之间的过渡带增加到260.3 kHz，根据式(4.27)可以算得第二个滤波器的工作频率为fC22a/0.01=260.3 kHz/0.01=12.06 MHz，如果工作频率超过12 MHz,则需要采用3次频谱搬移才能满足要求。这种多次频谱搬移的方法在单边带电台中曾得到广泛的应用。第4章模拟通信系统 图4.14 二次频谱搬移第4章模拟通信系统 多次频谱搬移的滤波法对于基带信号为话音或音乐时比较合适，因为它们频谱中的低频成分很小或没有。但是对于数字信号或图像信号，滤波法就不
35、太适用了,因为它们的频谱低端接近零频，而且低频端的幅度也比较大。如果仍用边带滤波器来滤出有用边带、抑制无用边带就更为困难了，这时容易引起单边带信号本身的失真，而在多路复用时，则容易产生对邻路的干扰，影响通信质量，因而需要采用其它的方法。第4章模拟通信系统(2)相移法。利用相移法产生单边带信号时，可以不用边带滤波器，因此避免了滤波法带来的缺点。根据式(4.24)单边带信号的时域表示法，可以构成相移法单边带信号产生器方框图。由根据数学关系式得到的方框图如图4.15所示。第4章模拟通信系统 图 4.15 相移法单边带产生器方框图第4章模拟通信系统 如果数学关系式中取“-”号，则可得到上边带输出;取“
36、+”号，则可得到下边带输出。从方框图中可知，相移法单边带信号产生器有两个相乘器，第一个相乘器产生一般的双边带信号，第二个相乘器的输入载波需要移相90，这是单个频率移相90，用移相网络比较容易实现。输入基带信号是x(t)中各个频率成分均移相90，这需要一个宽带移相网络，而宽带移相网络不易制作，如果宽带移相网络做得不好，则容易使单边带信号失真。第4章模拟通信系统(3)混合法。在滤波法中，实现频率特性陡峭的边带滤波器较困难，而在相移法中，又存在着实现宽带移相网络的困难，因此出现了第三种方法混合法。混合法是在移相法产生单边带信号的基础上，用滤波法代替宽带移相网络。混合法产生单边带信号的方框图如图4.1
37、6所示。图中C、D两点的右边和相移产生单边带信号的方框图相似，C、D两点的左边虚线方框内等效为宽带移相网络，使C、D两点得到相移为-90的两路调制信号。第4章模拟通信系统 图4.16 混合法单边带信号产生器第4章模拟通信系统 虚线方框中的 f1通常取基带信号频谱的中点，即(4.28)式中，Fmax、Fmin分别为基带信号频谱的最高和最低频率。第4章模拟通信系统 低通滤波器的通频带为B,通常有关混合法的详细工作原理这里不再介绍。混合法的好处是避免应用包括整个基带信号频谱范围的宽带移相网络，而只是代之以两个单频移-90的网络，实现起来容易。此外，虽然方框图中也用了边带滤波器(即低通滤波器)，但它的
38、工作频率在低频范围，因此滤波器的频率特性比较容易达到要求。第4章模拟通信系统 2 残留边带调制残留边带调制(VSB)前面已提到，单边带传输信号有频谱节约一半、功率节省的优点。但是付出的代价是设备制作比较困难，例如，边带滤波器不容易得到陡峭的频率特性，或者对基带信号各频率成分不可能都做到-90的移相等。如果传输电视信号、传真信号和高速数据信号的话，则由于它们的频谱范围较宽，而且极低频分量的幅度也比较大，这样边带滤波器和宽带移相网络的制作更为困难。为了解决这个问题，可以采用残留边带调制。这种调制方法不像单边带调制那样将一个边带完全抑制，也不像双边带调制那样将另一个边带完全保存，而是介于二者之间，即
39、让一个边带通过，而让另一个边带残留一部分，它是单边带调制和双边带调制的一种折中方案。第4章模拟通信系统 1)工作原理残留边带调制信号产生和解调的方框图如图4.17所示。图4.17 残留边带调制器和解调器的原理图第4章模拟通信系统 VSB和DSB、SSB的调制和解调的方框图很相似，都是由基带信号和载波信号相乘后得到双边带信号，所不同的是后面接的滤波器。接不同的滤波器就得到不同的调制方式，如果接双边带滤波器，则得到双边带信号输出；接单边带滤波器，则得到单边带信号输出；接残留边带滤波器，则得到残留边带信号输出。各种滤波器的滤波特性如图4.18中的虚线所示，其中，图(a)为双边带滤波特性，图(b)为上
40、(或下)边带滤波特性，图(c)为上(或下)残留边带滤波特性。第4章模拟通信系统 图4.18 滤波器的频率特性第4章模拟通信系统 从图4.18(c)中可以看到，残留边带滤波特性让一个边带的绝大部分顺利通过，仅衰减了靠近fC附近的一小部分信号的频谱分量，而让另一个边带的绝大部分被抑制，只保留一小部分。如何选择残留边带滤波器的滤波特性而使残留边带信号解调后不产生失真呢？直观上可以想象，如果解调后一个边带损失部分能够让另一个边带保留部分完全补偿的话，那么输出信号是不会失真的。第4章模拟通信系统 为了使残留边带信号解调后的信号不失真，对残留边带滤波器的频率特性有如下(即在X(f)的频谱范围内)要求：HV
41、SB(f-fC)+HVSB(f+fC)=常数(4.29)此时输出信号和输入信号满足Xo(f)=kX(f)k为常数(4.30)这时可以无失真地恢复基带信号x(t)。第4章模拟通信系统 2)发送功率SVSB和传输带宽BVSB因为残留边带滤波器的过渡区的频率特性的形状可以是多种多样的，它们都能满足不失真解调的要求，所以,准确地求出VSB信号的平均发送功率是比较困难的。常用一个范围近似表示其大小，即发送功率大于单边带而小于双边带：(4.31)其中：是载波功率；是调制信号功率。第4章模拟通信系统 VSB调制的传输带宽介于单边带和双边带之间，即BSSBBVSBBDSB (4.32)其典型值为BVSB1.2
42、5BSSB(4.33)小结 现将各种线性调制系统的发送功率和传输带宽概括如表4.1所示，其中。第4章模拟通信系统 第4章模拟通信系统 4.4 线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析4.4.1 概述概述同步解调和非同步解调的方框图如图4.19所示，其中输入信号xi(t)是指接收端的信号，信道和接收机中的噪声集中在一起用n(t)表示，带通滤波器(BPF，Band-Pass Filter)和低通滤波器分别用BPF和LPF表示。第4章模拟通信系统 图 4.19 同步解调与非同步解调第4章模拟通信系统 各种线性调制信号通过信道传输到接收端，由于信道特性的不理想，以及信道中存在的各种正弦
43、干扰和噪声，致使接收到的信号不可避免地要受到污染。为了讨论问题简单起见，这里只研究加性噪声对信号的影响，即接收机收到的是发送信号与加性噪声之和。实际接收机中有高频放大、混频、中频放大以及各种高、中频滤波器等电路，这些部件和电路可以等效为归一化的带通滤波器，即带通滤波器BPF，然后通过解调器把调制信号(即基带信号)取出来。第4章模拟通信系统 由于这里只研究加性噪声对通信系统的影响，因此不考虑系统中正弦干扰的影响，并且认为通信系统中的调制器、解调器和各种放大器、滤波器都是理想的。我们知道，评价一个通信系统质量的好坏，最终要看接收机解调器输出端的调制信号平均功率So和噪声平均功率No之比。显然，输出
44、信噪功率比So/No越大越好。但是，输出信噪功率比So/No不仅和解调器输入端的输入信噪功率比Si/Ni有关，而且还和解调方式有关，同样的输入信噪功率比Si/Ni，通过不同的解调方式后具有不同的输出信噪功率比So/No。因此，为了比较各种调制系统的好坏，可以用输出信噪功率比和输入信噪功率比的比值来表示，即(4.34)第4章模拟通信系统 将G称为调制解调增益或调制制度增益。G越大，说明这种调制制度的抗干扰性能越好。还有一种评价各种调制系统抗噪声性能好坏的方法是与基带系统作比较，这种方法比较直观。也就是各种线性调制系统在解调器输入端的信号功率和基带系统输入端的信号功率大小相等时，对解调器输出端的信
45、噪功率比和基带系统输出端的信噪功率比进行比较。第4章模拟通信系统 4.4.2 线性调制系统同步解调时的抗噪声性能分析线性调制系统同步解调时的抗噪声性能分析线性调制系统中各种调制方式都可以采用同步解调的方法，因此图4.19(a)同步解调方框图中的xi(t)可能是xDSB(t)，也可能是xSSB(t)、xVSB(t)和xAM(t)。表示接收机内部噪声和外部噪声之和的n(t)通常是加性高斯白噪声，其均值为零，双边功率谱密度为n0/2，单边功率谱密度为n0。第4章模拟通信系统 接收机的输入电路、混频、高放、中放系统等可以等效为理想的带通滤波器，保证已调信号无失真地通过，同时抑制带外的噪声。因此,通过等
46、效带通滤波器BPF后的信号和接收机输入信号xi(t)相同，而通过BPF后的噪声变为窄带高斯白噪声，或简称窄带高斯噪声，用ni(t)表示。又设本地载波信号和接收到的信号的载波完全同步。低通滤波器LPF仅让调制信号的频谱通过，而抑制载频及其它高次谐波成分。第4章模拟通信系统 下面针对各种已调信号，分别求出它们在解调器的输入端和输出端信号的平均功率及噪声的平均功率，进而求得调制制度增益G，以及在相同输入信号功率条件下的输出信噪功率比，以便比较各种线性调制系统抗噪声性能的好坏。第4章模拟通信系统 1 DSB调制系统的抗噪声性能调制系统的抗噪声性能设xDSB(t)=ACx(t)cosCt=x(t)cos
47、Ct，假设AC=1，则解调器输入端的信号平均功率Si为解调器输入端的噪声平均功率Ni为Ni=2n0 fX解调器输出信号的平均功率So为(4.35)第4章模拟通信系统 解调器输出的噪声平均功率No为(4.36)这样就可以得到解调器输出端信噪功率比So/No为(4.37)第4章模拟通信系统 解调器输入端的信噪功率比Si/Ni为(4.38)则双边带调制制度增益为(4.39)由此可知，DSB调制的制度增益为2。这就是说，DSB解调后的输出信噪功率比So/No增加了一倍，这是因为采用同步解调法滤去正交成分噪声的缘故。第4章模拟通信系统 2SSB调制系统的抗噪声性能调制系统的抗噪声性能设，此时假设AC=2
48、，其中“-”表示上边带，“+”表示下边带，则解调器输入端的信号平均功率为因为是x(t)各频率成分移相-90，所以可以得到。因此第4章模拟通信系统 由于SSB调制的传输带宽BSSB=fX，因此解调器输入端的噪声平均功率为(4.40)于是解调器输入端的信噪功率比为(4.41)第4章模拟通信系统 解调器输出的信噪功率比为4.42)可以求得单边带调制制度增益为(4.43)这说明单边带解调时，输出信噪比与输入信噪比相等，这是因为同步解调同时滤去了正交项的信号和噪声。第4章模拟通信系统 3 AM调制系统的抗噪声性能调制系统的抗噪声性能AM的调制制度增益为(4.44)第4章模拟通信系统 如果x(t)为单音调
49、制信号，即x(t)=AXcost(4.45)则(4.46)第4章模拟通信系统 如果是百分之百调制，即A0=AX，则此时制度增益为(4.47)如果x(t)为双极性矩形脉冲调制信号，即调制信号的幅度为AX，则第4章模拟通信系统 如果AX=A0，则此时的制度增益为(4.48)这说明AM调制系统的制度增益在单音频调制时最多为2/3，而在双极性矩形脉冲调制时可以到达1。第4章模拟通信系统 4 VSB调制系统的抗噪声性能调制系统的抗噪声性能VSB调制系统的抗噪声性能的分析方法和上面相似。但是，由于采用的残留边带滤波器的频率特性形状不同，因此抗噪声性能的计算是比较复杂的。但当残留边带不是太大的时候，通常近似
50、认为VSB与SSB调制系统的抗噪声性能相同。第4章模拟通信系统 4.4.3 线性调制系统非同步解调时的抗噪声性能分析线性调制系统非同步解调时的抗噪声性能分析AM信号的解调通常用非同步解调。非同步解调器常用包络检波器或者平方律检波器。包络检波就是检波器的输出电压和输入电压的包络变化成正比，而AM信号的包络变化恰好反映了调制信号的大小，所以用包络检波器解调AM信号是比较合适的。AM信号用包络检波器解调可以分为两种情况：一种是接收机输入为大信噪比的情况，这时AM信号在非同步解调时的抗噪声性能和在同步解调时的抗噪声性能相同；另一种是接收机输入为小信噪比的情况，这时AM信号非同步解调的抗噪声性能迅速恶化
