通信技术基础附加幻灯片.ppt

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1、通信技通信技术基基础附加附加第1页，共33页，编辑于2022年，星期三2 21 Analog Data,Analog Signalsmodulate carrier frequency with analog datamodulate carrier frequency with analog datawhy modulate analog signals?why modulate analog signals?l lhigher frequency can give more efficient transmissionhigher frequency can give more effic

2、ient transmissionl lpermits frequency division multiplexing(chapter 8)permits frequency division multiplexing(chapter 8)types of modulationtypes of modulationl lAmplitudeAmplitudel lFrequencyFrequencyl lPhasePhase第2页，共33页，编辑于2022年，星期三3 32 Analog ModulationTechniquesAmplitude ModulationAmplitude Modu

3、lationFrequency ModulationFrequency ModulationPhase ModulationPhase Modulation第3页，共33页，编辑于2022年，星期三4 4Analog data,Analog Signals调制过程:输入信号m(t)与载波频率fc相结合,可以产生一带宽中心位于fc的信号s(t)。对数字数据,当只有模拟传输设备可用时,需要将数字数据调制转换成模拟形式。当数据已经是模拟形式时,调制的两个基本原因:l一个高效的传输过程将需要较高的频率。对非波导传输,看起来不太可能传送基带信号,因为它所需要的天线半径将达许多公里。l通过调制可以利用频分

4、多路技术。第4页，共33页，编辑于2022年，星期三5 52.1 调幅Amplitude ModulationAmplitude Modulation调幅是最简单的调制形式。数调幅是最简单的调制形式。数学上该过程可以表达为学上该过程可以表达为:s(t)=1+ns(t)=1+na a x(t)cos 2 x(t)cos 2 f fc c t t 这里这里cos 2cos 2 f fc c t t 是载波信号是载波信号,x(t)x(t)是输入信号是输入信号(载有载有数据数据),),二者归一化到单位幅值。参数二者归一化到单位幅值。参数 n na a 称为调制系称为调制系数数,是输入信号与载波信号幅值

5、的比值。输入信号为是输入信号与载波信号幅值的比值。输入信号为m(t)=nm(t)=na a x(t)x(t),上式中的上式中的1 1表示直流成份表示直流成份,它可以防止它可以防止丢失信息。该方案也被称作双边带传输载波丢失信息。该方案也被称作双边带传输载波(DSBTC)DSBTC)第5页，共33页，编辑于2022年，星期三6 6调幅已调制的AM信号 调制的正弦波 第6页，共33页，编辑于2022年，星期三7 7AM 带宽带宽第7页，共33页，编辑于2022年，星期三8 8调幅例:若x(t)是幅值调制信号cos 2 fm t,导出s(t)的表达式。有:s(t)=1+na cos 2 fm tcos

6、 2 fc t利用三角衡等式,上式展开成产生的信号是原载波频率成份加上距其两边fm Hz处一对频率成份。AM是输入信号与载波信号之积。输出信号的包略是1+na x(t),只要 na 1,包略线将越过时间轴,也将丢失信息。第8页，共33页，编辑于2022年，星期三9 9AM信号AM信号的频谱由原载波频谱加上转移至fc c的输入信号。|f|fc c|的部分叫高边带upper sideband,|f|fc c|的部分叫低边带lower sideband。高边带和低边带都是原频带m(f)的复制,低边带是原频带的反转。例:考虑一带宽范围在300到3000Hz、用60 kHz载波调制的语音信号,产生信号的

7、高边带是60.3至63kHz,低边带是57至59.7kHz,载波是60kHz。第9页，共33页，编辑于2022年，星期三1010AM信号这里Pt是s(t)传输的所有功率,Pc是载波信号传输的功率,我们希望na 尽可能大,这样大部分信号功率可用于实际传载信息。不过,na不得大于1。在在fc处的处的AM及载波信号频谱及载波信号频谱 调制信号频谱调制信号频谱 第10页，共33页，编辑于2022年，星期三1111调幅调幅AM:DSBTC-双边带发射载波举例:发射总功率BT=2B 若无此直流成分，AM信号的波形会怎样？AM信号成分：信号成分：载波,下边带,上边带实例：实例：模拟载波系统na1,输入信号与

8、载波信输入信号与载波信号的振幅比号的振幅比m(t)=nax(t)第11页，共33页，编辑于2022年，星期三1212Illustrating the amplitude modulation process：na1 第12页，共33页，编辑于2022年，星期三1313因为每个边带含有因为每个边带含有m(t)m(t)完整的频谱完整的频谱,显然显然s(t)s(t)含有冗余的成份。一含有冗余的成份。一种更常用的种更常用的AMAM变种是单边带变种是单边带(SSB),SSB),它的优点是只传送一个边带它的优点是只传送一个边带,消除了另一个边带和载波。这种做法的基本原理是消除了另一个边带和载波。这种做法的

9、基本原理是:只需一半带宽只需一半带宽,即即BT=BBT=B,这里这里B B是原信号的带宽是原信号的带宽,对对DSBTC(DSBTC(双边带双边带载波载波),),BT=2BBT=2B。因为不需要能量来发送载波或者其它边带因为不需要能量来发送载波或者其它边带,只只需较少的功率。需较少的功率。另一种类型是压缩载波双边带另一种类型是压缩载波双边带(DSBSC),DSBSC),它滤掉载波频率只送它滤掉载波频率只送两个边带两个边带,节省了一些功率但比节省了一些功率但比DSBTCDSBTC使用了更多的带宽。使用了更多的带宽。压缩载波的缺点是载波本来可用于同步的目的。例如压缩载波的缺点是载波本来可用于同步的目

10、的。例如,假设假设原模拟信号是一个对数字数据编码的原模拟信号是一个对数字数据编码的ASKASK波形波形,接收器需要了接收器需要了解每位的起始时间解每位的起始时间,以正确地解释数据。稳定的载波提供了每个以正确地解释数据。稳定的载波提供了每个bitbit到到达时刻的同步机制。达时刻的同步机制。第13页，共33页，编辑于2022年，星期三1414压缩载波双边带压缩载波双边带(DSBSC):DSBSC):第14页，共33页，编辑于2022年，星期三1515第15页，共33页，编辑于2022年，星期三1616A vestigial sideband(in radio communication)is a

11、 sideband that has been only partly cut off or suppressed.The video baseband signal used in TV in countries that use NTSC or ATSC has a bandwidth of 6 MHz.To conserve bandwidth,SSB would be desirable,but the video signal has significant low frequency content(average brightness)and has rectangular sy

12、nchronising pulses.The compromise is vestigial sideband modulation.In vestigial sideband the full upper sideband of bandwidth W2=4 MHz is transmitted,but only W1=1.25 MHz of the lower sideband is transmitted,along with a carrier.The absence of the lower sideband components at high frequencies must b

13、e compensated for,and this is done by the RF and IF filters.退化边带(VSB-vestigial sideband)技术就利用了一个边带和一衰减功率的载波。第16页，共33页，编辑于2022年，星期三1717Filtering scheme for the generation of VSB modulated wave.第17页，共33页，编辑于2022年，星期三1818Magnitude response of VSB filter;only the positive-frequency portion is shown.第18页

14、，共33页，编辑于2022年，星期三19192.2 Angle Modulation角度调制 调频调频FMFM和调相和调相PMPM技术都是角度调制的特殊情况。被调制技术都是角度调制的特殊情况。被调制的信号可以表示成的信号可以表示成:s(t)=As(t)=Ac c cos 2cos 2 f fc c t+t+(t)(t)对相位调制对相位调制,相位正比于将调制的信号相位正比于将调制的信号m(t)m(t):(t)=n(t)=np p m(t)m(t)，其中其中 n np p 是相位调制系数。是相位调制系数。对频率调制对频率调制,相位的导数正比于将调制的信号相位的导数正比于将调制的信号m(t)m(t)

15、:(t)=n(t)=nf f m(t)m(t)，其中其中 n nf f 是频率调制系数。是频率调制系数。第19页，共33页，编辑于2022年，星期三2020载波调制正弦波信号调幅(DSBTC)波调相波调频波cos(2 fm t)cos(2 fc t)第20页，共33页，编辑于2022年，星期三2121例例:如果如果(t)t)是相位调制信号是相位调制信号 n np p cos 2 cos 2 f fmm t t,导出的表达导出的表达式式s(t)s(t),设设A Ac c=1=1。可直接看出。可直接看出:s(t)=cos 2s(t)=cos 2 f fc c t+n t+np p cos 2 co

16、s 2 f fmm t t 与载波信号的瞬时相位偏差是与载波信号的瞬时相位偏差是 n np p cos 2 cos 2 f fmm t t 。信号的。信号的相位角将随载波信号的未调制值简单地按正弦方式变化相位角将随载波信号的未调制值简单地按正弦方式变化,相位相位偏差峰值等于偏差峰值等于 n np p 。以上等式可以用以上等式可以用BesselBessel三角衡等式展开三角衡等式展开:这里这里,J Jn n(n(np p)是一类第是一类第n n阶阶BesselBessel函数函数第21页，共33页，编辑于2022年，星期三2222例:仅为了方便起见,如果选取(t)是频率调制信号-nf f sin

17、 2 fmm t。这样:与载波信号的瞬时相位偏差是-nf f sin 2 fmm t。信号的频率将随载波信号的未调制值简单地按正弦方式变化,频率偏差峰值等于 nf f 弧度/秒。FM信号等式和PM信号等式有同样的形式,只不过用F/fmm 代替np p。第22页，共33页，编辑于2022年，星期三Frequency ModulationFrequency Modulation Consider a sinusoidal modulating signal defined byConsider a sinusoidal modulating signal defined bymm(t t)=)=A

18、 Ammcos(2cos(2p p p pf fmmt t)The instantaneous frequency of the resulting FM signal The instantaneous frequency of the resulting FM signal equalsequals f fi i(t t)=)=f fc c+k kf f A Ammcos(2cos(2p p p pf fmmt t)=f fc c+D D D Df f cos(2 cos(2p p p pf fmmt t)where where D D D Df f =k kf fA Amm The fr

19、equency deviation The frequency deviation D D D Df f represents the maximum represents the maximum departure of the instantaneous frequency of the FM signal departure of the instantaneous frequency of the FM signal from the carrier frequency from the carrier frequency f fc c.第23页，共33页，编辑于2022年，星期三Fo

20、r an FM signal,the frequency deviation For an FM signal,the frequency deviation D D D Df f is is proportional to the amplitude of the modulating signal and is proportional to the amplitude of the modulating signal and is independent of the modulation frequency.independent of the modulation frequency

21、.The ratio of the frequency deviation D Df to the modulation frequency fm,is commonly called the modulation index of the FM signal:b b=D Df/fm and i(t)=2p pfct+b bsin(2p pfmt)The parameter b b represents the phase deviation of the FM signal,the maximum departure of the angle i(t)from the angle 2p pf

22、ct of the unmodulated carrier;b b is measured in radians.第24页，共33页，编辑于2022年，星期三The FM signal itself is given byThe FM signal itself is given by s s(t t)=)=A Ac ccos2cos2p p p pf fc ct t+b b b bsin(2sin(2p p p pf fmmt t)Depending on the modulation index Depending on the modulation index b b b b,we ma

23、y distinguish two,we may distinguish two cases of FM:cases of FM:Narrowband FMNarrowband FM,for which,for which b b b b is small compared to one radian.is small compared to one radian.Wideband FMWideband FM,for which,for which b b b b is large compared to one radian.is large compared to one radian.第

24、25页，共33页，编辑于2022年，星期三2626与与AMAM一样一样,FMFM和和PMPM产生的信号带宽中心位于产生的信号带宽中心位于f fc c上。不过上。不过,可以看到可以看到它们的带宽幅值是完全不同的它们的带宽幅值是完全不同的幅度调制是一个线性过程，对一频率为幅度调制是一个线性过程，对一频率为f fmm的正弦信号进行调制的正弦信号进行调制,产产生频率是将载波信号生频率是将载波信号f fc c与调制的信号与调制的信号f fmm相加和相减。相加和相减。对对AM:AM:BT=2BBT=2B，B B是被调制信号的带宽。是被调制信号的带宽。对对FMFM和和PMPM，s(t)s(t)中存在有位于中

25、存在有位于f fc c+f+fmm、f fc c+2f+2fmm等处的频率成份。一等处的频率成份。一般般,理论上要求有无限宽的频带传送理论上要求有无限宽的频带传送FMFM或或PMPM信号；实际上可以用信号；实际上可以用CarsonCarson经验公式用于估计带宽经验公式用于估计带宽:BT=2(BT=2(+1)B+1)B。这里：这里：再写再写FMFM的公式为的公式为:BT=2BT=2 F+2BF+2B所以所以FMFM和和PMPM比比AMAM需要更宽的带宽。需要更宽的带宽。第26页，共33页，编辑于2022年，星期三2727Angle Modulation角度调制 FM和PM信号的形状是十分相象的

26、。的确,如果没有调制函数的知识,是不可能区分它们的。差值F的极值是:(Hz)这里Amm是m(t)的最大值,这样增加m(t)的幅度将增加F,换言之将增加带宽BT。这与AM是完全不同的,AM里调制电平变化将影响AM信号的功率,但不会影响它的带宽。第27页，共33页，编辑于2022年，星期三2828第28页，共33页，编辑于2022年，星期三2929Bell 调制解调器第29页，共33页，编辑于2022年，星期三3030第30页，共33页，编辑于2022年，星期三3131Summarylooked at signal encoding techniques:l ldigital data,digit

27、al signall lanalog data,digital signall ldigital data,analog signall lanalog data,analog signal第31页，共33页，编辑于2022年，星期三3232You should now be able to:l lmodulate carrier frequency with analog data,vs.FSKl lwhy modulate analog signals?higher frequency can give more efficient higher frequency can give mo

28、re efficient transmissiontransmissionl ltypes of modulation AmplitudeAmplitude FrequencyFrequency PhasePhase第32页，共33页，编辑于2022年，星期三3333Introduction Reading:数据与计算机通信，第5.4节。http:/en.wikipedia.org/wiki/Frequency_modulationhttp:/en.wikipedia.org/wiki/Frequency_modulationCoursework:5.24,5.26Coursework:5.24,5.26第33页，共33页，编辑于2022年，星期三