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1、第第4章章 模拟通信系统简介模拟通信系统简介 模拟通信是数字通信的基础。作为通信原理的模拟通信是数字通信的基础。作为通信原理的一个组成部分，本章简要介绍模拟信号调制与解调一个组成部分，本章简要介绍模拟信号调制与解调的基本原理与方法。具体内容包括：信号的频谱搬的基本原理与方法。具体内容包括：信号的频谱搬移概述、模拟信号的振幅调制与解调、角度调制、移概述、模拟信号的振幅调制与解调、角度调制、窄带调频、调频信号的产生与解调、超外差式调幅窄带调频、调频信号的产生与解调、超外差式调幅和调频发射机与接收机。通过对本章的学习，使读和调频发射机与接收机。通过对本章的学习，使读者对模拟通信系统有一个大概的了解。
2、本章的内容者对模拟通信系统有一个大概的了解。本章的内容仅作为一种辅助阅读材料，不再另外布置习题，目仅作为一种辅助阅读材料，不再另外布置习题，目的是为学习数字通信打好基础。的是为学习数字通信打好基础。 12345678n n基本概念调制调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义调制广义调制 分为基带调制基带调制和带通调制带通调制（也称载波调载波调制制）。 狭义调制狭义调制 仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。调制信号调制信号 指来自信源的基带信号 载波调制载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程。载波载波 未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可
3、以是非正弦波。已调信号已调信号 载波受调制后称为已调信号。解调（检波）解调（检波） 调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。 9调制的目的调制的目的 提高无线通信时的天线辐射效率。提高无线通信时的天线辐射效率。 把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。信道的多路复用，提高信道利用率。 扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。可实现传输带宽与信噪比之间的互换。调制方式调制方式 模拟调制模拟调制数字调制数字调制 常见的模拟调
4、制常见的模拟调制幅度调制幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带：调幅、双边带、单边带和残留边带角度调制角度调制：频率调制、相位调制：频率调制、相位调制 10n n幅度调制（线性调制）的原理一般原理一般原理表示式：表示式：设：正弦型载波为设：正弦型载波为式中，式中，A 载波幅度；载波幅度； c 载波角频率；载波角频率； 0 载波初始相位（以后假定载波初始相位（以后假定0 0 0）。）。 则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成可表示成: : 式中，式中， f(t) 基带调制信号基带调制信号。11频谱：频谱：设调制信号设调制信号f( (t)
5、 )的频谱为的频谱为F( () )，则已调信号的频谱为，则已调信号的频谱为: : 由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移全是基带信号频谱在频域内的简单搬移( (精确到常数因精确到常数因子子) )。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为称为线性调制线性调制。但应注意，这里的。但应注意，这里的“ “线性线性” ”并不意味着并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性
6、变换关系。已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。任何调制过程都是一种非线性的变换过程。 121314151617波形图：波形图：n n由波形可以看出，当满足条件：由波形可以看出，当满足条件：|f(t)| A0 时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法包络检波法很容易恢复出原 始调制信号。n否则否则，出现“过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波同步检波。 18192021频谱图：频谱图：n n由频谱可以看出，由频谱可以看出，AMAM信号的频谱由信号的频谱由载频分量载频分量上边带上边带下边带下边
7、带三部分组成。n n上边带的频谱结构与原调制上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。带是上边带的镜像。 2223AM信号的特性：信号的特性：n带宽带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽 fH 的两倍：n功率功率：当f(t)为确知信号时， 若 则式中P Pc c = = A A0 02 2/2 /2 载波功率载波功率， 边带功率边带功率。24n调制效率：调制效率：由上述可见，由上述可见，AMAM信号的信号的总功率总功率包括包括载波功率载波功率和和边带功率边带功率两部两部分。只有分。只有边带功率才与调制信号有关边带功率才与调制信号有
8、关，载波分量并不携带信息。，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例称为调制效率调制效率：当当f( (t) = ) = Am coscos mt时，时，代入上式，得到代入上式，得到 当当| |f( (t)| )|max = = A0时（时（100调制调制），调制效率最高，这时），调制效率最高，这时max 1/325262728双边带调制（抑制载波双边带调制双边带调制（抑制载波双边带调制DSBDSB）时域表示式：时域表示式：无直流分量无直流分量A0频谱：频谱：无载频分量无载频分量 曲线：曲线：29调
9、制效率：调制效率：100100优点：优点：节省了载波功率节省了载波功率缺点：缺点：不能用不能用包络检波包络检波，需用，需用相干检波相干检波，较复杂。，较复杂。30313233原理：原理：n n双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M( () )的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。边带调制。n n产生产生SSBSSB信号的方法有两种：信号的方法有两种：滤波法和相移
10、法滤波法和相移法。 34滤波法及滤波法及SSB信号的频域表示：信号的频域表示：n n滤波法的原理方框图滤波法的原理方框图 用边带滤波器，滤除不要的边带用边带滤波器，滤除不要的边带: : 图中，图中，H( () )为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高理想高通特性：通特性：则可滤除下边带。则可滤除下边带。若具有如下若具有如下理想低通特性：理想低通特性：则可滤除上边带。则可滤除上边带。35n nSSBSSB信号的频谱；信号的频谱；信号的频谱；信号的频谱；n n上边带频谱图上边带频谱图上边带频谱图上边带频谱图: :3637383940相移法和相移法和SSB
11、信号的时域表示：信号的时域表示：nSSB信号的时域表示式信号的时域表示式设单频调制信号为：设单频调制信号为： 载波为载波为则则DSB信号的时域表示式为：信号的时域表示式为：若保留上边带，则有：若保留上边带，则有：若保留下边带，则有：若保留下边带，则有：两式仅正负号不同！41将上两式合并：将上两式合并：式中，式中，“”表示上边带信号，表示上边带信号，“+”表示下边带信号。表示下边带信号。希尔伯特变换：希尔伯特变换：上式中上式中Am sin mt可以看作是可以看作是Am cos mt 相移相移 /2的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记“ ”，则有：则
12、有：这样，上式可以改写为这样，上式可以改写为:42把上式推广到一般情况，则得到把上式推广到一般情况，则得到: 式中，式中，若若F( )是是f(t)的傅里叶变换，则的傅里叶变换，则式中式中上式中的上式中的-jsgn 可以看作是可以看作是希希尔尔伯特伯特滤波器波器传递函数函数，即，即43补充：希尔伯特变换补充：希尔伯特变换 (Hilbert Transform)正正变换定义：变换定义：反反变换：变换：1.定义定义44希尔伯特希尔伯特变换器实际上是一个变换器实际上是一个9090 的相移器的相移器频率特性为：频率特性为：幅频幅频特性为：特性为：这是一个全这是一个全通滤波器通滤波器相频特性相频特性452
13、. 性质性质（1 1）两次变换等于反相两次变换等于反相（2 2）（3 3）46（4 4）（7 7）经过希尔伯特变换后，相关函数不变）经过希尔伯特变换后，相关函数不变 （功率谱也是不变的）（功率谱也是不变的）(5) 奇函数的奇函数的H变换为偶函数，偶函数的变换为偶函数，偶函数的H变换为奇函数。变换为奇函数。（6）47（8 8）互相关函数是奇函数互相关函数是奇函数（9 9）意味着意味着 与与 正交正交48495051残留边带（残留边带（VSB）调制）调制原理：残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现中的困难。在这种调制方式中，
14、不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割逐渐切割，使其残留小部分，如下图所示：52 调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法波法SSBSSB调制器相同。调制器相同。不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。比单边带滤波器容易制作。53对残留边带滤波器特性的要求对残留边带滤波器特性的要求n由滤波法可知，残留边带信号的频谱为：由滤波法可知，残留边带信号
15、的频谱为： 为了确定上式中残留边带滤波器传输特性为了确定上式中残留边带滤波器传输特性H( )应满足的条件，应满足的条件，我们来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信号的。我们来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信号的。 54nVSB信号解调器方框图信号解调器方框图图中图中因为因为根据频域卷积定理可知，乘积根据频域卷积定理可知，乘积sp(t)对应的频谱为对应的频谱为55将将将将代入：代入：代入：代入：得到：得到：得到：得到：式中式中式中式中F F( ( + 2 + 2 c c) )及及及及F F( ( - 2 - 2 c c) )是搬移到是搬移到是搬移到是搬移到+ 2+ 2 c c和和
16、和和 -2-2 c c处的频处的频处的频处的频谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为：滤波器的输出频谱为：滤波器的输出频谱为：滤波器的输出频谱为：56 显然，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号显然，为了保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号f(t)，上式，上式中的传递函数必须满足：中的传递函数必须满足： 式中，式中， H 调制信号的截止角频率。调制信号的截止角频率。n上述条件的含义是：残留边带滤波器的特性上述
17、条件的含义是：残留边带滤波器的特性H( )在在 c处必须具处必须具有有互补对称互补对称（奇对称）特性（奇对称）特性, 相干解调时才能无失真地从残留边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。带信号中恢复所需的调制信号。 57n n残留边带滤波器特性的两种形式残留边带滤波器特性的两种形式残留边带滤波器特性的两种形式残留边带滤波器特性的两种形式 残留残留残留残留“ “部分上边带部分上边带部分上边带部分上边带” ”的滤波器特性：下图的滤波器特性：下图的滤波器特性：下图的滤波器特性：下图(a)(a) 残留残留残留残留“ “部分下边带部分下边带部分下边带部分下边带” ”的滤波器特性的滤波
18、器特性的滤波器特性的滤波器特性 ：下图：下图：下图：下图(b)(b)58596061626364654.4 超外差式超外差式AM发射机与接收机（用于广播电视系统）发射机与接收机（用于广播电视系统）（1）超外差式）超外差式AM发射机：发射机：66（2） 超外差式超外差式AM接收机接收机6768角度调制的基本概念角度调制的基本概念 FM和和PM信号的一般表达式信号的一般表达式角度调制信号的一般表达式为角度调制信号的一般表达式为式中，式中，A 载波的恒定振幅；载波的恒定振幅； 信号的信号的瞬时相位瞬时相位； (t) 瞬时相位偏移瞬时相位偏移。n n 称为称为瞬时角频率瞬时角频率；n 称为瞬时频偏瞬时
19、频偏。697071727374757677787980818283844.8 超外差式超外差式FM发射机与接收机（用于广播电视系统）发射机与接收机（用于广播电视系统）（1）超外差式）超外差式FM发射机：发射机：85（2） 超外差式超外差式FM接收机接收机8687时分复用原理框图88时分复用时的周期脉冲信号89频分复用频分复用90频分复用频分复用9192934.9.2 用复接法实现频分复用用复接法实现频分复用 当复用的路数很大时，可用复接法实现常规调幅当复用的路数很大时，可用复接法实现常规调幅信号的频分复用，如图信号的频分复用，如图4-34所示。所示。9495码分复用、码分多址码分复用、码分多址
20、(CDMA)(CDMA)通信通信一定义码分复用：码分复用：利用自相关函数抑制互相关函数的特性来选利用自相关函数抑制互相关函数的特性来选取正交信号码组中的所需信号，因此也称为正交复用。取正交信号码组中的所需信号，因此也称为正交复用。二码分复用的理论依据码分：码分：利用一组正交码序列来区分各路信号。利用一组正交码序列来区分各路信号。96三码分复用的原理97解调解调解调输出输出g g1 1(t)(t)98说明码分复用的同步解调过程从本质上讲是利用了相关运码分复用的同步解调过程从本质上讲是利用了相关运算，求相关函数的运算包含相乘和积分，而低通相当算，求相关函数的运算包含相乘和积分，而低通相当于实现积分功能，完全不同于频分复用或时分复用。于实现积分功能，完全不同于频分复用或时分复用。99四码分复用的优点码分复用具有抗干扰性能好；码分复用具有抗干扰性能好；复用系统容量灵活；复用系统容量灵活；保密性好；保密性好；接收设备易于简化等。接收设备易于简化等。目前在无线移动通信系统中具有很好的应用前景。目前在无线移动通信系统中具有很好的应用前景。五码分复用的应用码分多址通信码分多址通信（码分多址通信（CDMA:Code Division Multiple Access）100本章完作业：作业：自己找其他资料的相关题目练习。自己找其他资料的相关题目练习。101
