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1、1,信号与系统,Signals and Systems,第八章 通信系统,2,本章主要内容,作为傅立叶分析在工程实际中的应用，本章将讨论通信系统中的某些基本技术及其分析方法。,1.正弦幅度调制DSB调制与AM调制。,2.同步解调与包络解调；频分复用（FDM）。,3.单边带（SSB）幅度调制。,4.脉冲串载波调制与时分复用（TDM）。,5.脉冲幅度调制(PAM)与脉冲编码调制(PCM)。,6.离散时间正弦幅度调制。,3,8.0 引言(Introduction),一般的通信系统总是由以下环节组成:,在通信系统中调制与解调是一种基本的技术。,调制是指用一个信号去控制另一个信号的某一个参量的过程。,被
2、控制的信号称为载波(Carrier Wave)。,4,在通信系统中广泛采用调制技术是因为:,1.任何信道都有它自己的传输特性;2.信道的带宽往往比一路信号的带宽要大得多;3.若信号以电磁波形式发送到信道，当发射天线的尺寸大约为信号波长的1/10或更大一些时，天线的辐射效率最高。,控制信号称为调制信号(Modulation Signal)，也称为基带信号。,5,通常采用的调制方式:,一.正弦载波的情况:,根据被控制的参量分为:AM-Amplitude ModulationFM-Frequency ModulationPM-Phase Modulation,角度调制,在正弦幅度调制中，又有带载波和
3、抑制载波的:AM/wc-AM/with carrierAM/sc-AM/suppressed carrier,6,在抑制载波的正弦幅度调制中有双边带、单边带、残留边带：DSB-Double side-band 双边带 SSB-Single side-band 单边带 VSB-Vestigial side-band 残留边带,对正弦载波的情况，若调制信号是脉冲信号，则称为：ASK-幅度键控(Amplitude Shift Keying)FSK-频率键控(Frequency Shift Keying)PSK-相位键控(Phase Shift Keying),7,二.脉冲载波的情况:,根据被控制的参
4、量可分为:脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、脉冲周期（位置）调制。PAM-Pulse Amplitude ModulationPWM-Pulse Width ModulationPPM-Pulse Periodic(Position)Modulation,当调制信号是脉冲编码信号时，称为脉冲编码调制或PCM调制。PCM-Pulse Code Modulation,8,8.1 正弦幅度调制(DSB),其中 为调制信号(基带信号)，为载波，为已调信号。,幅度调制的数学模型是乘法器。,当 时称为正弦幅度调制。,9,若暂时不考虑载波的相位，即,已调信号的频谱为：,由于此时载波的频谱为：,10,表明:对基带信
5、号进行正弦幅度调制，就等于在频域将基带信号的频谱搬移到载频的位置。,为此，应满足：1.必须带限于。2.,为了在接收端能从 恢复成,要求在频谱搬移的过程中不能发生频谱重叠。,11,8.2 正弦AM的解调,将 再次与同频载波相乘，有:,一.同步解调:(Synchronous demodulation),Demodulation for Sinusoidal AM,显然，只要滤掉第二项即可实现对 的恢复。,技术关键：,12,所用理想低通滤波器的截止频率要满足:,解调端所用的载波必须与调制时的载波完全同频。,此时，可采用如下系统实现解调：,13,14,载波相位的影响:,假定调制时的载波 解调时的载波,
6、则,15,技术实现的关键:,16,采用频率合成技术以保证频率准确度和频率稳定度，采用锁相技术以保证相位同步。,说明:由于在已调信号的频谱中同时保留了基带信号的上、下两个边带，故称其为双边带(DSB)调制。这种调制方式只适合于点对点的通信。,二.非同步解调(包络解调)：(Envelope Demodulation),17,要想从已调信号的包络解调出原基带信号，必须要求已调信号的包络完全保留基带信号的形状，即要求调制信号始终非负。为此，要在DSB调制方案中加入足够大的载波分量。,18,此时只需通过简单的包络检波器即可实现从已调信号中解调出。,这种调制方式被称为标准的AM调制。,19,20,包络解调
7、付出的代价是发送功率的浪费。因为加入的载波并不携带任何有用信息，这部分功率的发射对有用信息的传输是无益的。,如果，定义 为调制指数，显然。,当调制信号是单音正弦时，在 的情况下，已调信号的频谱如下：,21,此时，已调信号的平均功率是载波功率的1.5 倍，而这些功率中真正用于传输有用信息的边带功率只是载波功率的1/2，只占整个已调信号总功率的1/3。,22,已调信号的最大峰值等于载波峰值的 2倍。这就要求发射机的峰值功率容限是载波功率的 4 倍，发射机的效率是很低的。,从功率利用的角度,越大越好；从包络检波的效果来看，越小越好。因此，在包络解调中，通常折衷地取。,23,Frequency Div
8、ision Multiplexing,信道具有相应的频率特性，不同信道对不同频段的信号具有最佳传输特性。信道具有比信号带宽大得多的频带。,8.3 频分多路复用(FDM),在前面的讨论中已经提到：,频分复用可以大大提高信道频率资源的利用率。,如果在一个信道中只能传输一路信号，显然对有限的信道频率资源是一种浪费。,24,频分复用,25,26,对频分多路复用信号解调时，首先要解复用：从复用信号的频谱中利用带通滤波器滤出所需的一路信号，然后对该路信号进行解调。,频分多路复用信号的解调,27,8.4 单边带正弦幅度调制(SSB),SSB信号的产生:,1.滤波法:利用边带滤波器，滤除一个边带。,Singl
9、e-Sideband Sinusoidal Amplitiude Modulation,28,2.移相法:,其中：,29,30,8.5 脉冲串作载波的幅度调制,一.脉冲串载波调制:,当幅度调制的载波信号是脉冲串时，称为脉冲串载波调制。,Amplitude Modulation with a Pulse-Train Carrier,在频域分析：,31,其中：,32,脉冲串载波调制时能否解调出，与脉宽 无关。从时域角度，在一个周期内可以为每一路信号分配一个时隙，依次传送多路信号。,时分复用的思想:,33,二.时分多路复用TDM:(Time-Division Multiplexing),在脉冲串载波
10、的每一个周期里，依次为各路信号分配一个相应的时隙，在该时隙内传送这一路信号。只要各路信号的时隙彼此不重叠，就可以实现多路信号的同时传送。在接收端通过循徊检测实现解复用。,时分多路复用的实现：,34,时分多路复用,35,时分多路复用的实现,36,PAM调制就是用 在各时隙的样本值去调制载波脉冲的幅度。,8.6 脉冲幅度调制（PAM）,一.PAM调制,以脉冲串作载波的幅度调制，在载波的宽度内是以调制信号的原始波形为传送对象的。由于此时 满足Nyquist采样率，因此,在 时隙内只需要传送 的一个样本值即可。,Pulse-Amplitude Modulation,37,二.PAM系统中的码间干扰,对
11、时分复用的PAM 信号，在理想情况下，各路信号在传输过程中不发生波形失真，在接收端只要通过采样判决就可以实现对每路信号的解复用。,38,但是，在工程实际中，由于信道的非理想频率特性及加性噪声的引入，总会造成PAM信号的波形发生失真。从而会产生码间干扰，使采样判决时刻得到的样本值并非是该路信号应该有的样本值。,39,产生码间干扰的原因:,1.信道带宽有限使脉冲的前后沿变缓;2.非线性相位使群时延非恒定而产生相位弥散。,40,消除码间干扰的方法:,针对由于信道带宽有限而产生的码间干扰，应该在形成 PAM 信号时，使用一种非矩形的脉冲作为载波。这种脉冲在所有采样判决时刻都过零点，而且是带限的，其最高
12、频率在信道的通带内。例如采用如下脉冲:,41,当以这样的脉冲作为PAM调制的载波时，就不会造成采样判决时的码间干扰。,42,更一般的情况，从频域考虑，只要使 是以 奇对称的。例如：,43,其中,44,具有上述频谱的脉冲在所有采样判决时刻均过零点。在工程应用中,常常用具有升余弦滚降特性的滤波器作为成形滤波器就是出于这样的考虑,目的在于消除码间干扰。,如果信道的频率特性在通带内有起伏（或不恒定）还需要进行信道幅度均衡；如果信道的相位特性非线性，则需要进行相位均衡。否则，码间干扰一定会产生。,45,三.数字脉冲幅度调制与脉冲编码调制(PCM),46,47,8.8 离散时间调制,一.离散时间正弦幅度调
13、制,1.复指数载波:,(不一定是周期的),Discrete-Time Modulation,在频域,48,49,可见：用 去调制载波的幅度，就是将 的频谱搬移到载频的位置。通过同步解调就可以恢复原基带信号：,特例,若，此时就是改变 中奇数位各点的正负号。解调时，只需再一次改变 奇数位各点的正负号即可。在频域则表现为信号频谱中的高、低频成分相互交换。,50,若将该系统中的低通换成高通，则整个系统相当于一个低通滤波器。,利用这一点可以通过调制及低通滤波器实现一个高通滤波器，反之亦然。,整个系统相当于一个高通滤波器。,51,52,2.正弦载波:,53,要从 解调出，必须保证在 中不发生频谱的重叠。为
14、此应有：,即:,此时可以通过同步解调恢复。,(教材中图8.43是在 的特定情况下绘制的),54,55,解调时，中可能会在 附近出现频谱混叠(在 时会发生重叠)，但这对解调没有影响。,56,可以用同样的方法来讨论以脉冲串作载波时的幅度调制，会得到许多相同的结论。,57,二.离散时间调制的转换:,在数字通信系统中，信号往往是按FDM或TDM复用的。有时由于在发送端或接收端有某种不同限制或要求，要把已经用某种方式复用起来的信号，重新再次加以复用，这就产生了把TDM复用转换成FDM复用，或者反过来的情况。,这种从一种复用方式转变成另一种复用方式的过程，称为调制转换(Transmodulation)或复用转换(Transmultiplexing)。,58,实现复用转换的最直接的方法是先对复用信号解复用和解调，再按新的复用要求重新进行调制和复用。但当重新复用的信号仍在离散时间域内时，可以直接在离散时间域内进行转换。,例如：将离散时间TDM变为FDM可以如下图进行：,59,60,其中，2N:1增采样的实现方法:,61,8.9 小结(Summary),本章作为傅立叶分析在通信领域的应用:,62,
