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1 kaoyan.o Leture Note 8 004/10/1 幅度调制 一 Analog Signal and Analog Couniation Syte 模拟信号 在模仿信源的物理变化 所以被称作模拟信号 的数学特征一般是 : 时间连续 取值连续注意此处的连续和数学中连 续函数的连续所指不同我们的意思是说 : 的定义域以及值域都是连续区间 而不是有限点集或者可列点集与连续对应的是离散 我们把定义域是离散 ( 即有限或可列点集 ) 的情形叫数字信号 有些时候 我们更规定数字信号的值域也必需是离散的甚至必须是有限点集请注意根据场景来正确确定模拟 数字这些词汇的含义 模拟通信系统就是要把信源产生的这个模拟信号传送至信宿或者说 它的设计目的是为了把一个波形传传过去可以把模拟系统看成是一个波形管道 进 去的是 ˆ 出来的是 如果出来的波形和发送波形的差别仅仅在于 幅度差一个常系数 时间上有一个数量合理的常数延迟 也即若 ˆ a( t τ ) 则这个系统是完全理想的实际系统自然不会如此理想 不过通信工程师们所致力于的 就是趋向这种理想 如果信号 直接通过电缆 导线等就能传递过去 则问题并没有太大的挑战性 一般来说这只是一个设计理想线性系统的问题本章所要解决的问题是 : 需要把 通过一个带通信道传送 这就需要动一点脑筋 我们把信源输出的这个模拟信号 叫做模拟基带信号 这是因为它的频谱范围相对于发送载波是处于基带的位置注意我们谈论的基带 带通这些概念是相对的若 A 工程师打算设计一个通过电话线把 44Kbp 的数据传送给另一个笔记本电脑上的电话接头 那么他认为它面对的是一个带通信道 (300~3400z) 他设计出来送入电话线的自然是带通信号若 B 工程师打算把一个电话线的输出信号通过卫星传送到另一个电话线的入口 他认为电话线上的信号是基带信号 他所面对的卫星线路才是带通信道 Auption: 若无特别说明 本章假设 均值为 0 并且带宽限制在 [ 0 f ] 或者 [ f ] L f 内 有时我们用 的带宽是 W 来 表达相同的意思我们还假定 有界 即 1/8 ax 于任何常系数的差别都无关紧要 所以我们往往还假设 由 1 模拟系统作为一个传送波形的通道 它应该能传送各种符合要求的波 形 不论这个波形是随机的还是确定的因此 在本章中 是确定信号还是随机信号并无太大关系如果涉及到随机信号的话 我们

2 kaoyan.o Leture Note 8 004/10/1 缺省假设 是二阶平稳过程 如果特别想强调它是随机过程的话 我们使用记号 注意 : 上述假设并不是都需要的 我们所要讲的是调制技术 采用调制技术时 发送端发送一个受 调制的 信号 r + nt 通过带通信道传送 接收端收到 或受到干扰的 后 再设法恢复出 发送端的装置叫调制器 (odulator) 接收端的装置叫解调器 (deodulator) 叫已调信号 (odulated ignal) 叫调制信号 (odulating ignal) 本 章所讲的调制器是用 去控制某个正弦波来得到 这个正弦波叫载波 (arrier) 其频率叫载频这种调制叫正弦调制 (ine wave odulation) o 注意 : 一般意义下 正弦波指 ( π + ϕ) ϕ 的具体数值并不重 这个要 而且有主观任意性 : 它是 0 时刻的相位 但你打开一个正弦波发生器时 0 时刻是什么时刻呢? 显然 0 时刻可以是随便你规定的一个时刻 带通信号回顾 带通信号 必然可写成下面 3 中形式之一 : At o( π + ϕ ) t o( π ) t in( π ) j Re % t e π At 其中 叫 叫 { } ϕ 的包络 (Envelope) ( t ) 的同相分量 (inphae oponent) t % 分量 (quadraturephae oponent) envelope) 有如下关系 带通信号的频谱 : 带通信号的功率谱 : jϕ + % t At e t j t 叫 的相位 (phae) 叫 的正交 是 的复包络 (oplex % ϕ t % t tan t S( f f) + S ( f f) S % % At t t t P ( ) + ( + ) P f f P f f % % 4 /8

3 kaoyan.o Leture Note 8 004/10/1 研究带通信号 经过带通系统 过等效基带系统 L ( f + f) 二 A(Standard Aplitude odulation) 标准调幅 (A): 让已调信号 因此已调信号是 % 的问题等价于研究 通 的幅度是 的线性函数 即 At A t A 1 oπ 发送端有 N 种办法可以做到这一点 其中之一是用一个幅度增益可电控的放大 器把正弦载波 o π 送入这个放大器的输入端 把 那么输出幅度就会随 达到最大值时 输出幅度最大 接收端需要做的事情是将 送到电控端 变化 达到最小值时 输出幅度最低 在中间时 输出幅度随 线性变化 通过一些电路装置使得 被输出出来能够 做到这一点的办法之一是使用一种叫包络检波器的装置 它是这样一种装置 xt 当任意的带通信号 送到理想包络检波器的输入端时 输出总是 当我们把 送入包络检波器时 其输出为 At A 1 + A + A 进一步可通过隔直流滤除直流 xt % A 这 需要假设 自身没有直流 而且从可实现的角度讲 它在 0 频附近也不应该有很多能量 ( 设想电容隔直流的情形 ) 隔直流完全是小 ae 以至于我们有时候不提这事 A 信号的波形特征 : 图 4..8 正弦波的包络随 的变化而变化 定义 n 为 的幅度归一化 即 n 的最大幅值 ax 1 n t 即 n t ax a 其中 a ax 则 可以写成 3/8

4 kaoyan.o Leture Note 8 004/10/1 + t A 1 an t oπ a 反映图 4..8 中包络起伏的程度 a 0 时包络是恒定的 a 越大则包络起伏越大 因此 a 反映了调制的深浅程度 因此我们管 a 叫调幅指数或者调制指数 交越失真 : 如果 a > 1 则包络检波器的输出 A 1+ an t A 1+ an t 此时我们得到的波形和发送的波 形相比有失真 A 信号的频谱特征 : 搬移 双边带 载频线谱 带宽是基带的 倍 只包含在 的边带之中若 0 则边带部分的功率为 0 但 的功率也不为 0 边带功率和 总平均功率之比叫调制效率 η 它反映 发送的功率中有多少比例是花在了信息 上 由 1 + 这个结构及 不含直流这一点可见 : 其中 P η 1+ P 1+ P 是 P 的功率 n 是 n t t ( 0) R ( τ ) P E t P t R apn apn 是功率信号 的功率若 是确定信号 则 自相关函数 ; 若 是任 意随机过程 则 表示它是样本功率的数学期望 P E t R ( 0) R τ 则 是平均自相关函数 ; 若 是平稳过程 ( 0) ( τ) E ( + τ) P E t R 的自相关函数 R 是平稳过程 是 a P P P n n t ax P 的瞬时功率 t 最大的瞬时功率 叫峰值功率 ax 是 的平均功率 ax 是 注 : 通信中有一个重要概念叫峰均比 (PAPR: Peak to average power ratio) 或者峰 4/8

5 kaoyan.o Leture Note 8 004/10/1 值系数 (CF: ret fator) 其中 PAPR t ax 1 P n F t ax 1 P n 1 + % t A A 信号的复包络是 其功率谱密度为 δ + P f A f P f % 因此 根据前面讲过的带通信号的一般关系可知 A 信号的功率谱密度为 P 三 DSB-SC ( ) + ( ) P % f f P % f f 4 δ ( f f ) + δ( f + f ) P ( f f ) + P ( f + f ) A 信号可写成 A Aoπ + A oπ 号相当于同时发送了两个信号 1 Aoπ A oπ 信息 其实只包含在 送边带部分 不发送纯载频 1 发送一个 A 信 中如果我们只发 就叫双边带抑制载波 (DSB-SC: Double-ideband-uppreed arrier) 相对于 A 这样做提高了功率的效率 不过现在 发送端不能用可变增益放大器来实现调制 因为 o π 涉及到对 o π 乘负数 此时需要用模拟乘法器 ( 图 4..1) 接收端显然也 不能用包络检波器 因为 o π 通过包络检波器的输出是 此时需要用相干解调器 ( 图 4..6) 如果接收端使用的载波 ( 叫本地载波 ) 和发送端的同频同相 就叫相干载波 DSB 的解调必须要求本地载波和发送载波同频同相 为什么必须同频同相押后再讲如何做到同频同相也押后再讲现在你先假设确实可以做出一种叫载波恢复的装置 它输出的载波和发送载波是同频同相的 相干解调 包络检波同复包络的关系 : % 任意一个带通信号 设其复包络为 则将 % ; 将 检波器上时 输出为 oπ 考载波为 则输出是 加到包络 加到相干解调器上时 若本地参 Re{ % t } 5/8

6 kaoyan.o Leture Note 8 004/10/1 DSB-SC 的波形特征 : 当 为负时 的包络被翻了过来 ( 图 4..) DSB-SC 的频谱特征 : 和 A 一样 都是双边带 带宽是基带的 倍 但没有载 频线谱 ( 假设 不含直流 ) 见图 4..3 标准调幅 A 和 DSB-SC 都属于 DSB 不过缺省情况下 我们说的 DSB 指 DSB-SC 四 SSB DSB 的两个边带是对称的 已知其中一个边带 等于已知两个边带因此 发送 DSB 的时候 如果我们用滤波器切去一个边带 收端也应该有办法复原出 DSB 或者 这样的设计叫 SSB 对于上单边带调制 USB 的频谱是 DSB % USB 就是 % 的正频率部分 也即 USB USB + ˆ % t j t oπ ˆ 频谱的上边带 其复包络 t inπ USB 显然 通过相干解调就可以解出 对于下单边带 同理可得 总之就是 这个表达式说明 SSB oπ + ˆ t inπ LSB oπ µ ˆ 就是 的解析信号 即 USB t A inπ 是由两个载波互相正交的 DSB 构成的 后一个 DSB 所起的作用就是为了抵消前一个 DSB 中的一个边带这个结构显示出 SSB 也可以用两个 DSB 调制来实现 ( 图 4..13) 这种实现方式叫正交调制法 而图 的方法叫滤波法 另外 SSB 也可以这样解调 : 插入大载波来包络检波 ˆ USB + Aoπ A+ A oπ µ A inπ 6/8

7 kaoyan.o Leture Note 8 004/10/1 其复包络是 ˆ A+ A ± ja 包络是 ρ A t A+ A ˆ + A t A 1+ + A 若 A 充分大 则 ρ 1 A A ˆ t + t A t A 1+ A 1+ A+ A A A 也可按下图来理解 : 当 A 充分大时 图中的斜边近似等于水平的直边 A ρ ( t ) ˆ 注意 :SSB 的这种解调是相干解调 因为它要求所插入的载波同频同相 Aoπ 和发送 SSB 可实现的条件 : 在 0 频附近没有能量从滤波法来看 滤波器做不到锐截止从正交调制法来看 ilbert 变换对 0 频及甚低频是不可实现的 SSB 的价值是 : 节约了一半带宽 五 VSB VSB 是针对 SSB 的不可实现性提出的对于 SSB 信号 是一个在 ± 处陡降的理想滤波器 如果 f f 在 0 频附近存在不可忽略的能量 这样的陡降滤波器是不可实现的可实现的是滚降滤波器 即它是逐渐下降的 我们的问题是 这个滚降的滤波器 的设计必须满足什么条件 方可使 相干解调器的输出还是? 7/8

8 kaoyan.o Leture Note 8 004/10/1 DSB 信号通过 是一个带通信号经过带通系统的问题 因此可以用等效 基带的方法分析 DSB 的复包络是 的等效低通是 L ( + ) 由于 DSB f f f 的频谱是 的复包络是 S% ( f + f ) 假设相干解调的结果是 o 则 + o t Re{ % t } % % 于是 又 o + ( ) S% f S% f f f f f f f ( + ) + ( ) ( + ) 是实信号 是实带通系统 所以 f + f + f f 因此 只要 ( f + f) + ( f f) f f o 因而 的复包络 等于常数 也即只要滚降部分关于 ± 处互补 ( 图 4..18) 我们依然可以通过相干解调获得 幅度调制的通式 : oπ + t a t bt inπ 1 A: at A + bt 0 at DSB: bt 0 at SSB: bt µ ˆ 用来抵销一个边带 at VSB: bt µ % % 用来部分抵销一个边带其中 是 通过一个特别设计的低通滤波器的输出 8/8

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