1、1,信號與系統(tǒng),Signals and Systems,第八章 通信系統(tǒng),2,本章主要內(nèi)容,作為傅立葉分析在工程實(shí)際中的應(yīng)用，本章將討論通信系統(tǒng)中的某些基本技術(shù)及其分析方法。,1. 正弦幅度調(diào)制DSB調(diào)制與AM調(diào)制。,2. 同步解調(diào)與包絡(luò)解調(diào)；頻分復(fù)用（FDM）。,3. 單邊帶（SSB）幅度調(diào)制。,4. 脈沖串載波調(diào)制與時分復(fù)用（TDM）。,5. 脈沖幅度調(diào)制(PAM)與脈沖編碼調(diào)制(PCM)。,6.離散時間正弦幅度調(diào)制。,3,8.0 引言 (Introduction),一般的通信系統(tǒng)總是由以下環(huán)節(jié)組成:,在通信系統(tǒng)中調(diào)制與解調(diào)是一種基本的技術(shù)。,調(diào)制是指用一個信號去控制另一個信號的某一個參量

2、的過程。,被控制的信號稱為載波 ( Carrier Wave )。,4,在通信系統(tǒng)中廣泛采用調(diào)制技術(shù)是因?yàn)?,1. 任何信道都有它自己的傳輸特性; 2. 信道的帶寬往往比一路信號的帶寬要大得多; 3. 若信號以電磁波形式發(fā)送到信道，當(dāng)發(fā)射天線的尺寸大約為信號波長的1/10或更大一些時，天線的輻射效率最高。,控制信號稱為調(diào)制信號 ( Modulation Signal )，也稱為基帶信號。,5,通常采用的調(diào)制方式:,一. 正弦載波的情況:,根據(jù)被控制的參量分為: AM-Amplitude Modulation FM-Frequency Modulation PM-Phase Modulation

3、,角度調(diào)制,在正弦幅度調(diào)制中，又有帶載波和抑制載波的: AM/wc-AM/with carrier AM/sc-AM/suppressed carrier,6,在抑制載波的正弦幅度調(diào)制中有雙邊帶、單邊帶、 殘留邊帶： DSB-Double side-band 雙邊帶 SSB-Single side-band 單邊帶 VSB-Vestigial side-band 殘留邊帶,對正弦載波的情況，若調(diào)制信號是脈沖信號， 則稱為： ASK-幅度鍵控(Amplitude Shift Keying) FSK-頻率鍵控(Frequency Shift Keying) PSK-相位鍵控(Phase Shift

4、 Keying),7,二. 脈沖載波的情況:,根據(jù)被控制的參量可分為:脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、脈沖周期（位置）調(diào)制。 PAM-Pulse Amplitude Modulation PWM-Pulse Width Modulation PPM-Pulse Periodic(Position) Modulation,當(dāng)調(diào)制信號是脈沖編碼信號時，稱為脈沖編碼調(diào)制或PCM調(diào)制。 PCM-Pulse Code Modulation,8,8.1 正弦幅度調(diào)制 ( DSB ),其中 為調(diào)制信號(基帶信號)， 為載波， 為已調(diào)信號。,幅度調(diào)制的數(shù)學(xué)模型是乘法器。,當(dāng) 時稱為正弦幅度調(diào)制。,9,若暫時不考慮

5、載波的相位，即,已調(diào)信號的頻譜為：,由于此時載波的頻譜為：,10,表明: 對基帶信號進(jìn)行正弦幅度調(diào)制，就等于在頻域?qū)⒒鶐盘柕念l譜搬移到載頻的位置。,為此，應(yīng)滿足： 1. 必須帶限于 。 2.,為了在接收端能從 恢復(fù)成 , 要求在頻 譜搬移的過程中不能發(fā)生頻譜重疊。,11,8.2 正弦AM的解調(diào),將 再次與同頻載波相乘，有:,一. 同步解調(diào):(Synchronous demodulation),Demodulation for Sinusoidal AM,顯然，只要濾掉第二項(xiàng)即可實(shí)現(xiàn)對 的恢復(fù)。,技術(shù)關(guān)鍵：,12,所用理想低通濾波器的截止頻率要滿足:,解調(diào)端所用的載波必須與調(diào)制時的載波完全 同

6、頻。,此時，可采用如下系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解調(diào)：,13,14,載波相位的影響:,假定調(diào)制時的載波 解調(diào)時的載波 ,則,15,技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵:,16,采用頻率合成技術(shù)以保證頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度，采用鎖相技術(shù)以保證相位同步。,說明: 由于在已調(diào)信號的頻譜中同時保留了基帶信號的上、下兩個邊帶，故稱其為雙邊帶( DSB ) 調(diào)制。這種調(diào)制方式只適合于點(diǎn)對點(diǎn)的通信。,二.非同步解調(diào)(包絡(luò)解調(diào))： (Envelope Demodulation),17,要想從已調(diào)信號的包絡(luò)解調(diào)出原基帶信號，必須要求已調(diào)信號的包絡(luò)完全保留基帶信號的形狀，即要求調(diào)制信號始終非負(fù)。為此，要在DSB調(diào)制方案中加入足夠大的載波分量。,18,此

7、時只需通過簡單的包絡(luò)檢波器即可實(shí)現(xiàn)從已調(diào)信號中解調(diào)出 。,這種調(diào)制方式被稱為標(biāo)準(zhǔn)的AM調(diào)制。,19,20,包絡(luò)解調(diào)付出的代價(jià)是發(fā)送功率的浪費(fèi)。因?yàn)榧尤氲妮d波并不攜帶任何有用信息，這部分功率的發(fā)射對有用信息的傳輸是無益的。,如果 ，定義 為調(diào)制指數(shù) ， 顯然 。,當(dāng)調(diào)制信號是單音正弦時，在 的情況下，已調(diào)信號的頻譜如下：,21,此時，已調(diào)信號的平均功率是載波功率的1.5 倍，而這些功率中真正用于傳輸有用信息的邊帶功率只是載波功率的1/2，只占整個已調(diào)信號總功率的1/3。,22,已調(diào)信號的最大峰值等于載波峰值的 2倍。這就要求發(fā)射機(jī)的峰值功率容限是載波功率的 4 倍，發(fā)射機(jī)的效率是很低的。,從功率

8、利用的角度, 越大越好；從包絡(luò)檢波的效果來看， 越小越好。因此，在包絡(luò)解調(diào)中，通常折衷地取 。,23,Frequency Division Multiplexing,信道具有相應(yīng)的頻率特性，不同信道對不同頻段的信號具有最佳傳輸特性。 信道具有比信號帶寬大得多的頻帶。,8.3 頻分多路復(fù)用( FDM ),在前面的討論中已經(jīng)提到：,頻分復(fù)用可以大大提高信道頻率資源的利用率。,如果在一個信道中只能傳輸一路信號，顯然對有限的信道頻率資源是一種浪費(fèi)。,24,頻分復(fù)用,25,26,對頻分多路復(fù)用信號解調(diào)時，首先要解復(fù)用： 從復(fù)用信號的頻譜中利用帶通濾波器濾出所需的一路信號，然后對該路信號進(jìn)行解調(diào)。,頻分多

9、路復(fù)用信號的解調(diào),27,8.4 單邊帶正弦幅度調(diào)制(SSB),SSB信號的產(chǎn)生:,1 .濾波法: 利用邊帶濾波器，濾除一個邊帶。,Single-Sideband Sinusoidal Amplitiude Modulation,28,2 . 移相法:,其中：,29,30,8.5 脈沖串作載波的幅度調(diào)制,一.脈沖串載波調(diào)制:,當(dāng)幅度調(diào)制的載波信號是脈沖串時，稱為脈沖串載波調(diào)制。,Amplitude Modulation with a Pulse-Train Carrier,在頻域分析：,31,其中：,32,脈沖串載波調(diào)制時能否解調(diào)出 ，與脈寬 無關(guān)。從時域角度，在一個周期內(nèi)可以為每一路信號分配一

10、個時隙，依次傳送多路信號。,時分復(fù)用的思想:,33,二. 時分多路復(fù)用TDM: (Time-Division Multiplexing),在脈沖串載波的每一個周期里，依次為各路信號分配一個相應(yīng)的時隙，在該時隙內(nèi)傳送這一路信號。只要各路信號的時隙彼此不重疊，就可以實(shí)現(xiàn)多路信號的同時傳送。在接收端通過循徊檢測實(shí)現(xiàn)解復(fù)用。,時分多路復(fù)用的實(shí)現(xiàn)：,34,時分多路復(fù)用,35,時分多路復(fù)用的實(shí)現(xiàn),36,PAM調(diào)制就是用 在各時隙的樣本值去調(diào)制載波脈沖的幅度。,8.6 脈沖幅度調(diào)制（PAM）,一. PAM調(diào)制,以脈沖串作載波的幅度調(diào)制，在載波的寬度 內(nèi)是以調(diào)制信號的原始波形為傳送對象的。由于此時 滿足Nyq

11、uist采樣率，因此,在 時隙內(nèi)只需要傳送 的一個樣本值即可。,Pulse-Amplitude Modulation,37,二. PAM系統(tǒng)中的碼間干擾,對時分復(fù)用的PAM 信號，在理想情況下，各路信號在傳輸過程中不發(fā)生波形失真，在接收端只要通過采樣判決就可以實(shí)現(xiàn)對每路信號的解復(fù)用。,38,但是，在工程實(shí)際中，由于信道的非理想頻率特性及加性噪聲的引入，總會造成PAM信號的波形發(fā)生失真。從而會產(chǎn)生碼間干擾，使采樣判決時刻得到的樣本值并非是該路信號應(yīng)該有的樣本值。,39,產(chǎn)生碼間干擾的原因:,1. 信道帶寬有限使脈沖的前后沿變緩; 2. 非線性相位使群時延非恒定而產(chǎn)生相位彌散。,40,消除碼間干擾

12、的方法:,針對由于信道帶寬有限而產(chǎn)生的碼間干擾，應(yīng)該在形成 PAM 信號時，使用一種非矩形的脈沖作為載波。這種脈沖在所有采樣判決時刻都過零點(diǎn)，而且是帶限的，其最高頻率在信道的通帶內(nèi)。例如采用如下脈沖:,41,當(dāng)以這樣的脈沖作為PAM調(diào)制的載波時，就不會造成采樣判決時的碼間干擾。,42,更一般的情況，從頻域考慮，只要使 是以 奇對稱的。例如：,43,其中,44,具有上述頻譜的脈沖在所有采樣判決時刻均過 零點(diǎn)。在工程應(yīng)用中, 常常用具有升余弦滾降特性的濾波器作為成形濾波器就是出于這樣的考慮, 目的在于消除碼間干擾。,如果信道的頻率特性在通帶內(nèi)有起伏（或不恒定）還需要進(jìn)行信道幅度均衡；如果信道的相位

13、特性非線性，則需要進(jìn)行相位均衡。否則，碼間干擾一定會產(chǎn)生。,45,三.數(shù)字脈沖幅度調(diào)制與脈沖編碼調(diào)制 ( PCM ),46,47,8.8 離散時間調(diào)制,一. 離散時間正弦幅度調(diào)制,1. 復(fù)指數(shù)載波:,( 不一定是周期的),Discrete-Time Modulation,在頻域,48,49,可見：用 去調(diào)制載波的幅度，就是將 的頻譜搬移到載頻的位置。通過同步解調(diào)就可以恢復(fù)原基帶信號：,特例,若 ， ，此時就是改變 中奇數(shù)位各點(diǎn)的正負(fù)號。解調(diào)時，只需再一次改變 奇數(shù)位各點(diǎn)的正負(fù)號即可。在頻域則表現(xiàn)為信號頻譜中的高、低頻成分相互交換。,50,若將該系統(tǒng)中的低通換成高通，則整個系統(tǒng)相當(dāng)于一個低通濾波

14、器。,利用這一點(diǎn)可以通過調(diào)制及低通濾波器實(shí)現(xiàn)一個高通濾波器，反之亦然。,整個系統(tǒng)相當(dāng)于一個高通濾波器。,51,52,2. 正弦載波:,53,要從 解調(diào)出 ，必須保證在 中不發(fā)生頻譜的重疊。為此應(yīng)有：,即:,此時可以通過同步解調(diào)恢復(fù) 。,(教材中圖8.43是在 的特定情況下繪制的),54,55,解調(diào)時， 中可能會在 附近出現(xiàn)頻譜混疊(在 時會發(fā)生重疊)，但這對解調(diào)沒有影響。,56,可以用同樣的方法來討論以脈沖串作載波時的幅度調(diào)制，會得到許多相同的結(jié)論。,57,二. 離散時間調(diào)制的轉(zhuǎn)換:,在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號往往是按FDM或TDM復(fù)用的。有時由于在發(fā)送端或接收端有某種不同限制或要求，要把已經(jīng)用某種方式復(fù)用起來的信號，重新再次加以復(fù)用，這就產(chǎn)生了把TDM復(fù)用轉(zhuǎn)換成FDM復(fù)用，或者反過來的情況。,這種從一種復(fù)用方式轉(zhuǎn)變成另一種復(fù)用方式的過程，