第二章模拟通信..ppt
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1、现代通信技术机械工业出版社机械工业出版社.北京北京内容简介第一章 现代通信技术概述n第二章 模拟通信第三章 模拟信号数字化第四章 数字信号的基带传输第五章 数字信号的频带传输第六章 信道复用和多址方式第七章 同步原理第八章 通信技术在移动通信系统中应用举例第二章 模拟通信2.1模拟信号的传输方式模拟信号的传输方式2.1.1调制的作用调制的作用2.1.2调制的分类调制的分类2.2幅度调制幅度调制2.2.1标准幅度调制标准幅度调制 AM2.2.2双边带调制双边带调制 DSB2.2.3单边带调制单边带调制 SSB2.2.4残留边带调制残留边带调制 VSB2.2.5幅度调制信号的解调幅度调制信号的解调
2、2.2.6幅度调制系统的抗噪声性能幅度调制系统的抗噪声性能2.3角度调制角度调制2.3.1调角波的数学表达式调角波的数学表达式2.3.2调角波的频谱结构和带宽调角波的频谱结构和带宽2.3.3调频方法调频方法第二章 模拟通信2.3.4角度调制信号的解调角度调制信号的解调2.3.5调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能2.4各种模拟调制系统的性能比较各种模拟调制系统的性能比较2.5无线电发射机无线电发射机2.5.1调幅发射机调幅发射机2.5.2调频发射机调频发射机2.6无线电接收机无线电接收机2.6.1调幅接收机调幅接收机2.6.2单边带接收机单边带接收机2.6.3调频接收机调频接收机 第二章
3、模拟通信本章内容 1.模拟通信系统的构成 2.模拟调制的分析 3.模拟解调的分析 4.无线电发射机 5.无线电接收机2.1模拟信号的传输方式在模拟通信系统中,与输入信息相对应的基带信号一般不适宜在无线电信道中传输,而是要经过某种变换后再经过发射天线送入无线信道,这一变换过程称为调制。调制是用基带信号去改变高频信号某个参量的过程。2.1模拟信号的传输方式经过调制的高频信号有两个基本特性:一是携带信息;二是适于在信道中传输。高频信号本身有如运载信息的工具,因此该高频信号称为载波,相应的频率称为载频。那么在接收端必须将已调的高频信号进行反变换,以恢复出发送端欲传递的基本信号,这一变化过程称为解调。可
4、见信息的发送、信息的恢复包含了两个重要变换,即:调制与解调。2.1模拟信号的传输方式调制是由无线电发射机完成的。发射机主要由载波发生器、调制器、必要的功率放大器和发射天线组成。天线 发射机组成框图2.1模拟信号的传输方式解调是由无线电接收机完成的。接收机主要由接收天线、选频放大器和解调器组成。天线基带信号接收机组成框图2.1模拟信号的传输方式2.1.1调制的作用 1提高辐射频率提高辐射频率易于辐射易于辐射 由天线理论可知,通信中一般采用半波振子的天线,其天线长度为波长的1/4,信号才可能被天线有效地辐射出去,而对于大多数基带信号来说,其波长很长,以致使天线尺寸大到难以实现的地步。2.1模拟信号
5、的传输方式 调制过程可将基带信号调制到较高的载频上,由于载频的波长较短,因此发射天线易于实现。比如手机传递语音信号,如果不调制,则天线尺寸很大很大;将手机语音信号调制到上千M的高频信号,其基站天线和手机天线可以做的比较小。移动通信基站天线手机天线2.1模拟信号的传输方式2实现信道复用实现信道复用提高信道利用率提高信道利用率由于不同基带信号的频谱所占据的频带大致相同,则要相互干扰。如果将不同的基带信号,调制到不同的载频上,只要这些载频的间隔足够大,使发射的各高频已调信号占据的频谱不相重叠,就不会产生所要传输信号间的相互干扰,从而实现在一个信道里同时传输多路信号,提高信道利用率。2.1模拟信号的传
6、输方式1路信号2路信号3路信号信道复用示意图2.1模拟信号的传输方式3改变信号占用的带宽改变信号占用的带宽减小干扰减小干扰 4带宽和信噪比互换带宽和信噪比互换改善系统的性能改善系统的性能 一般说,宽带通信系统具有较好的抗干扰性能。例如:调频信号的传输带宽比调幅信号的大,所以它的抗干扰性能比调幅高。因此,在实际应用中,我们往往利用带宽来换取信噪比的提高,带宽和信噪比的互换就是由各种调制来完成的。2.1模拟信号的传输方式2.1.2调制的分类调制的分类调制的种类很多,当控制载波某个参数变化的基带信号(调制信号)是时间的连续函数时,这种类型的调制称为模拟调制;当调制信号是数字信号的时候,被称为数字调制
7、。按照载波的形式不同,模拟调制可分为正弦波调制和脉冲调制两大类。本章主要讨论载波为高频正弦波的连续波模拟调制。2.1模拟信号的传输方式模拟正弦波调制的载波是高频正弦波。根据基带信号所控制的正弦波参量幅度、频率、相位的不同,又可分为幅度调制(AM),频率调制(FM)和相位调制(PM),它们分别表示正弦型载波的幅度,频率和相位随基带信号作线性变化。2.1模拟信号的传输方式模拟正弦波调制波形图 2.1模拟信号的传输方式 模拟脉冲调制的载波是脉冲序列。根据基带信号所控制的脉冲序列参量幅度、宽度、位置不同,可分为脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PWM)和脉位调制(PPM)。它们分别表示脉冲的幅度、宽度(持
8、续时间)和位置(重复频率)随基带信号作线性变化,2.1模拟信号的传输方式模拟脉冲调制波形图2.2幅度调制所谓幅度调制,就是高频正弦波的幅度随调制信号作线性变化的过程,是发送设备中不可缺少的部分。与之相对应,接收设备中必须有振幅解调电路,简称检波器,它从已调的高频振荡中检出原低频信号。从信号频谱分析角度看,调幅与检波的实质都是频谱搬移,因此必须通过非线性器件才能实现。2.2.1标准幅度调制 AMAM调幅经常用在收音机中,像在高频(3-30MHz)中的国际短波广播所使用的调制方式也是AM,甚至比调频广播更高频率的航空导航通讯(116-136MHz)也是采用AM的方式。一般中波广播(MW:Mediu
9、m Wave)采用了调幅(AM)的方式,在不知不觉中,MW及AM之间就划上了等号。实际上MW只是诸多利用AM调制方式的一种广播,只是我们日常所说的AM波段指的就是中波广播(MW)。2.2.1标准幅度调制 AM航空通信塔AM调制收音机2.2.1标准幅度调制 AM1.调制过程调制过程调幅过程可以看作是有两个入端和一个输出端的“黑盒子”。输入端的两个信号:一个是需要传递的原始信号称为调制信号u;另一个是未经调制的高频振荡信号,称为载波uc;输出端为已调制信号,称为调幅波u。2.2.1标准幅度调制 AM设:式中,和F为调制信号u的角频率和频率;c和fc为载波信号uc的角频率和频率。通常满足c,经调制后
10、,得到的调幅波可表示为:式中,称为调幅波的调制系数或调幅度,它与Um、Ucm及调制电路的参数有关。2.2.1标准幅度调制 AM调幅器的输入、输出、电压波形如图 AM信号形成示意图2.2.1标准幅度调制 AM2.2.1标准幅度调制 AM调幅波2.2.1标准幅度调制 AM2.调制系数调制系数 把已调波的包络形状即把已调信号 的峰点连接起来,与调制信号的波形相同,称为不失真调制。调制系数的大小通常可直接从示波器上测量调幅波的波形而得到,测出调幅波包络的最大值Ummax和最小值Ummin。2.2.1标准幅度调制 AM由两式可以解出:该式表示1。越大,表示Ummax与Ummin差别越大,即调制越深。若
11、1,则已调波包络形状与调制信号不同,产生了严重失真,这种情况称为过量调幅,要尽力避免。2.2.1标准幅度调制 AM3.已调信号频谱已调信号频谱将调制输出信号用三角公式展开得到:将调制输出信号用三角公式展开得到:该式表明,单音信号调制的调幅波由三个频率分量组成,该式表明,单音信号调制的调幅波由三个频率分量组成,即载频分量即载频分量fc,上边频分量,上边频分量fc+F和下边频分量和下边频分量fc-F,其,其频谱如图频谱如图:2.2.1标准幅度调制 AM单音调制的调幅波频谱该调幅波所占频带宽度为:Ba=2F(Hz)或Ba=2(rad/s)2.2.1标准幅度调制 AM载波分量并不包含信息,调制信号的信
12、息包含在上、下边频分量内。边频分量的振幅 反映了调制信号幅度的大小,边频分量的频率虽属高频范畴,但却反映了调制信号频率的高低。实际的调制信号是比较复杂的,含有多个频率,经调制后,各频率信号产生各自的上边频和下边频,叠加后形成了上边频带和下边频带。由于上、下边频带幅度相等且成对出现,因此上、下边频带的频谱分布相对载波是对称的。该调幅波所占据的频带宽度为 Ba=2max或Ba=2Fmax。2.2.1标准幅度调制 AM由上面分析可知,调幅过程实质上是一种频谱的搬移过程,经过调制后,调制信号的频谱由低频被搬移到载频附近,成为上、下边带,这个结论在通信理论中称为调制定理。调制定理的图示2.2.1标准幅度
13、调制 AM4.调幅波功率调幅波功率将调幅电压加于电阻R上,则载波和上、下边频将会产生如下的平均功率:式中 为载波功率,、为上下边频功率2.2.1标准幅度调制 AM于是,调幅波在调制信号一个周期内输出的平均总功率为:可见,在传输过程中,载波只是作为运载工具,它本身并不包含信息,信息只存在于边频之中。在式(2-5)中,当ma=1时,PAV的1/3是携带信息的,而2/3则为载波占有。而实际调幅波的平均调幅系数小于1,因此载波功率要占得更多,所以从功率利用率来看,这种振幅调制是很不经济的。2.2.2双边带调制 DSB2.2.2双边带调制双边带调制 DSB 经过上面的分析,在标准双边带调幅中,载波功率是
14、无用的,因为载波不携带任何信息,信息完全由上、下边频传送。所以,可以只发射上、下边频,而不发射载波,这种调制方式称为抑制载波双边带调幅,用DSB-SC表示。这种已调输出信号的数学表示式为:2.2.2双边带调制 DSB它可以看成是由调制信号u和载波信号uc直接相乘而得到,即:式中K为乘法器电路决定的常数。2.2.2双边带调制 DSBDSB波形及频谱由频谱图可知道,DSB信号虽然节约了载波功率,但是它的频带宽带仍然是调制信号带宽的两倍,与常规的AM信号的带宽相同。由于DSB上下的两个边带是完全对称的,它们所携带的信息相同,完全可以用一个边带来传输全部信息。这种传输方式除了能节约载波功率以外,还可以
15、节省一半的传输频带,这就是单边带调制。2.2.3单边带调制 SSB2.2.3单边带调制单边带调制 SSB如前说讲,双边带信号包含一个上边带和一个下边带,从信息传输的角度来说,这两个边带信号携带着相同的信息,因此,只需传送一个边带就够了,可以是上边带也可以是下边带。这种只传输一个边带的调制方式称为单边带调制,简称SSB。这种信号的数学表示式为:或2.2.3单边带调制 SSB其波形和频谱如图 2.2.3单边带调制 SSB单边带信号的产生有三种方法:a.滤波法滤波法 即用高选择性的滤波器直接滤出已调信号中的一个边带,但要求滤波器具有陡峭特性。b.移相法移相法 将音频信号和载频信号经过相移网络得到两个
16、幅度相等,但相位相差90的信号,然后进行调制,以得到所需要的单边带。c.移相滤波法(混合法)移相滤波法(混合法)利用相移网络,两对平衡调幅器和低通滤波器,先后滤去载频和一个边带。2.2.3单边带调制 SSB单边带信号形成示意图2.2.4残留边带调制 VSB2.2.4残留边带调制残留边带调制 VSB单边带调制具有节省功率和频带等优点,但难于产生单边带信号,尤其是在调制信号具有较低频率分量时,上、下边带是连在一起的,实际上无法产生单边带信号。为了解决这个困难,人们采用残留边带调制方式,用VSB表示。在这种方式中,不是将一个边带完全抑制掉,而是将被抑制的边带残留一小部分。2.2.4残留边带调制 VS
17、B在传统模拟电视发射机中,图象信号是调幅的,一般采用残留边带制,下图是电视图象发射机的幅频特性。载频和上边带全部发射,下边带只将图象中的低频部分(小于0.75MHz)发射出去,高频部分(虚线表示)被抑制了。电视图像发射机的幅频特性2.2.5幅度调制信号的解调2.2.5幅度调制信号的解调幅度调制信号的解调 调幅波有三种信号形式;普通调幅信号(AM)、抑制载波的双边带信号(DSB-SC)、单边带信号(SSB)。相应的解调方法有两类:即包络检波和同步检波。2.2.5幅度调制信号的解调包络检波是指检波器的输出电压直接反映输入高频调幅波包络变化规律的一种检波方式。根据调幅波的波形特点,它只适合于AM波的
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