复旦大学：《通信原理（A）》PPT教学课件_2018_04 第四章 连续波模拟调制

通信原理讲义 前言 连续波调制与解调 ■幅度调制与解调 □载波的幅度跟随消息信号变化而变化. 第四章连续波模拟调制 角度调制与解调 □载波的瞬时频率或瞬时相位跟随消息信号变化 而变化 补充内容 ■正交幅度调制,等效基带模型 zhuyu@fudan.edu.cn 通信原理 後大季 前言 前言 ■基带( baseband) Unmodulated carier AA4AMAAAAAAANAA4 口通常指信息源产生的信号频率宽度 口语音基带信号0~35kHz Message signal 口电视基带信号0~5MHz 口基带信号本身不适合在无线链路中传输 口可以在双绞线,同轴电缆,光纤中传输 Amplitude-modulater "::HH 後sk季 通信原理

通信原理讲义 zhuyu@fudan.edu.cn 第四章 连续波模拟调制 通信原理 2 前言 连续波调制与解调 ◼ 幅度调制与解调 载波的幅度跟随消息信号变化而变化. ◼ 角度调制与解调 载波的瞬时频率或瞬时相位跟随消息信号变化 而变化. 补充内容 ◼ 正交幅度调制,等效基带模型 前言 ◼ 基带(baseband) 通常指信息源产生的信号频率宽度 语音基带信号0~3.5kHz 电视基带信号0~5MHz 基带信号本身不适合在无线链路中传输 可以在双绞线, 同轴电缆, 光纤中传输 前言 通信原理 3 通信原理 4

4.1幅度调制 4.1.1常规双边带调幅 DSB-LC(AM) a There are 4 types of linear modulation that are a Double sideband large carrier (DSB-LC) D DSB-LC, Double sideband large carrier(AM) s()=[4+n()osy!Re{4+m)m} a DSB-SC, Double sideband suppressed carrier SDSB-Lc(O)=TA8(0+0)+8(0-0) 口ssB, Single sideband O VSB, Vestigal sideband LM(o+00)+M(o-OoI m Each type of linear modulation has advantages in particular applications sosa-lc(叫 n DSB-LC is used in broadcast radio O VSB in Television D SSB in telecommunication systems 通信原理 通信原理 後大季鹾 DSB-LC信号的调制 DSB-LC的包络检测原理 cP4.1 ■可以采用包络 ■DSB-LC系统调制示意图 检测的条件 A+m() 基带信号,调制信号 m(o(modulating signal m()的变化要慢于 己调信号 os(on) (modulated signal) cosO载波 通信原理 後g大手 通信原理

通信原理 5 4.1 幅度调制 ◼ There are 4 types of linear modulation that are frequently used. They are:  DSB-LC, Double sideband large carrier (AM)  DSB-SC, Double sideband suppressed carrier  SSB, Single sideband  VSB, Vestigal sideband ◼ Each type of linear modulation has advantages in particular applications  DSB-LC is used in broadcast radio  VSB in Television  SSB in telecommunication systems 通信原理 6 4.1.1 常规双边带调幅DSB-LC (AM) ◼ Double sideband large carrier(DSB-LC) ( ) ( ) ( )  ( )  c c s t j t =  A + m t cos  t =Re  A + mt e     2 SDSB−LC() = A ( +c ) + ( −c) + 1 M( +c ) +M( −c) M () 1 SD S B−L C () 4B −c 0  1 2 −2B 0 2 B  4B c A DSB-LC信号的调制 ◼ DSB-LC系统调制示意图 Ac 基带信号, 调制信号 m (t )(modulating signal) cosct 载波 已调信号 (modulated signal) A CP 4.1.1 DSB-LC的包络检测原理 ◼ 可以采用包络 检测的条件 A+m(t) 0 m(t) 的变化要慢于 cos(c t) CP 4.1.1 通信原理 7 通信原理 8

包络检测器的参数配置对性能的影响 P4.1.1 DSB-LO特点 CP4.1 ■包络检测器 ■调制与解调的实现简单 口特别是可以采用包络检测 ■发送效率低,载波消耗功率 A+m() P A幽 调制效率n= P+P too sral ■带宽比基带信号增加一倍 通信原理 通信原理 後大季 4.1.2抑制载波双边带调幅 DSB-SC DSB-SC信号的调制 CP4.12 m Double sideband suppressed carrier modulation ■ DSB-SC系统调制示意图 s()Amt of R)Amt (je) DSB-S (o)=LM(O+@)+M(O-OJI 基带信号,调制信号 m(o(modulating signal) 已调信号 (modulated signal) cosa!载波 4丌B 通信原理 後g大手 通信原理 12

通信原理 9 包络检测器的参数配置对性能的影响 ◼ 包络检测器 CP 4.1.1 通信原理 10 DSB-LC 特点 ◼ 带宽比基带信号增加一倍 ◼ 调制与解调的实现简单 特别是可以采用包络检测 ◼ 发送效率低,载波消耗功率 A+ m(t) 0 CP 4.1.1  = Pm Pc +Pm 调制效率 4.1.2 抑制载波双边带调幅DSB-SC ◼ Double sideband suppressed carrier modulation ( ) ( ) ( )  ( )  c c j t s t = Am t cos  t = Re Am t e 2 c c SDSB−SC() = A M ( +  ) + M ( − ) M () 1 SDSB−SC () 4B −c 0  A 2 −2B 0 2B  4B c DSB-SC信号的调制 ◼ DSB-SC系统调制示意图 A 基带信号, 调制信号 m (t )(modulating signal) 已调信号 (modulated signal) cosct 载 波 CP 4.1.2 通信原理 11 通信原理 12

DSB-SC时域信号的特点 P4.1.2 DSB-SC相关解调的原理 C4.12 ■相干解调( coherent demodulation) ■当原始信号过零点时, HAo) 载波发生相位翻转 A 不能采用包络检测 m() cos ot 2丌B 通信原理 通信原理 後照k手 DSB-SC中的频率与相位同步 P4.12 DSB-SC中频率与相位失真的影响 CP4.12 ■接收机与发送机的任何频率和相位的不 观察两种特例 致都会带来严重的失真 口若△=0 s(=Am(cos(oo) e(t=m(coso 但实际系统中δ会随时间缓慢变化 =(=2m()cos O,tcos((o+Ao)t+8) 口若假设=0 =m()5os(△O)+8)+cos(2o+△o)+0)} e()=m(t)cos(△o)t 经过低通滤波器后 即使△O较小(例如几H),带来的影响是不可忍受的, 信号的强度会以2AO的频率从最大值到0 (O)=m(t)coslL(4o)t+8]Re m( )et(e+e) 通信原理 15後sk手 通信原理

通信原理 13 DSB-SC时域信号的特点 ◼ 当原始信号过零点时, 载波发生相位翻转 ◼ 不能采用包络检测 CP 4.1.2 通信原理 14 DSB-SC相关解调的原理 ◼ 相干解调(coherent demodulation) s(t) cosc t m(t)  H L() −2B 2B 2 A z (t) Low -pass filter 4B 0  4B −c c 2c 4B −2c Z() A 2 A 4 CP 4.1.2 DSB-SC中的频率与相位同步 ◼ 接收机与发送机的任何频率和相位的不一 致都会带来严重的失真 c s(t)= Am(t)cos( t) z(t) = 2m(t)cosc tcos((c + )t + ) = m(t)cos(( )t + )+ cos((2c + )t + ) 经过低通滤波器后 e(t)= m(t)cos()t + = Rem(t)e j ()t+  CP 4.1.2 DSB-SC中频率与相位失真的影响 ◼ 观察两种特例 若  =0 e(t)= m(t)cos 但实际系统中  会随时间缓慢变化. 若假设  = 0 e(t)= m(t)cos()t 即使  较小(例如几 Hz), 带来的影响是不可忍受的, 信号的强度会以 2 的频率从最大值到0. CP 4.1.2 通信原理 15 通信原理 16

DSB-SC特点 P4.1.2 4.1.3 SSB 调制简单 需要采用相干解调 接收机的成本相对较高 Baseband DSB-SC 2TB ■带宽比基带信号增加一倍 USB: upper LSB: lower sideband 通信原理 孩g手 通信原理 後大季鹾 采用滤波法实现SSB例如UsB) P4.13 多级调制及滤波实现SSB调制 CP4.1.3 ■例:某USB信号要求载频为10MHz,调制信号带宽 为300~3400Hz,试用两级调制实现 m(, HusB(o) hx(o)={1 若采用一级调制方案,由于调制信号最低频率为 300Hz,因而过渡带相对于载频的归一化值 为6×10-5,单边带滤波器无法实现 幸运的是,对于语音信 号,通常频带为300Hz Ho ~34kHz,允许过渡带 4 600Hz 通信原理 後g大手 通信原理

通信原理 17 DSB-SC特点 ◼ 调制简单 ◼ 需要采用相干解调 ◼ 接收机的成本相对较高 ◼ 带宽比基带信号增加一倍 CP 4.1.2 通信原理 18 4.1.3SSB −c 0  4B c −c 0  2B c M () −2 B 0 2B  Baseband DSB-SC USB: upper sideband −c 0 c  2B LSB: lower sideband 采用滤波法实现SSB(例如USB) m(t) cosct HUSB () DSB USB c USB c 1   0   H () =  幸运的是, 对于语音信 号, 通常频带为300Hz ~ 3.4kHz, 允许过渡带 为600Hz. CP 4.1.3 −c 0 c  多级调制及滤波实现SSB调制 ◼ 例: 某USB信号要求载频为10MHz, 调制信号带宽 为300~3400Hz, 试用两级调制实现. 若采用一级调制方案, 由于调制信号最低频率为 300Hz, 因而过渡带相对于载频的归一化值 为 6 10 −5 , 单边带滤波器无法实现. m (t) cosc1t H1 () cosc 2t H 2() CP 4.1.3 通信原理 19 通信原理 20

多级调制频谱示意图 P4.1.3 采用相移法实现SSB—单音基带信号c413 ■先看一个特例,考虑基带信号为一单音 m ()=Amcosomt ■与载波c(t)=coso进行相乘,得到DSB信号 s(@ o)M ) ■保留上边带有 (o+O) 2A cos@ t@ t-A sin at sin otc 通信原理 孩g手 通信原理 采用相移法实现SSB—单音基带信号c413 采用相移法实现SSB—单音基带信号c413 类似地,保留下边带,有 ) Arose coso Loose L t o+ sin tsin at 所以对于单音信号,其SSB调制信号的形式 +.LSB S()=24004(o2mo 丌 sia= cos]@mt-290°相移器,希尔伯特变换 通信原理 後g大手 通信原理

多级调制频谱示意图 通信原理 21 −c1 0 c1 −c1 0 c1 −c2 0 c 2 −c2 0 c2 CP 4.1.3 通信原理 22 ◼ 保留上边带有 采用相移法实现SSB——单音基带信号 ◼ 先看一个特例, 考虑基带信号为一单音 m (t)= Am cos mt ◼ 与载波 c (t)= cosc t 进行相乘, 得到DSB信号 2 2 DSB m c m m c m s (t ) = 1 A cos( +  )t + 1 A cos( −  )t 2 2 2 USB m c m m m c m m c s (t ) = 1 A cos( +  )t = 1 A cos t cos t − 1 A sin  t sin  t CP 4.1.3 ◼ 所以对于单音信号, 其SSB调制信号的形式 采用相移法实现SSB——单音基带信号 ◼ 类似地, 保留下边带, 有 1 2 2 2 m m c m m c sLSB (t)= Am cos(c − m )t = 1 A cos t cos t + 1 A sin  t sin t 2 2 SSB m m c m m c s (t )= 1 A cos t cos t  1 A sin  t sin  t m sin  t = cos t −    m 2    90°相移器, 希尔伯特变换 CP 4.1.3 采用相移法实现SSB——单音基带信号 2 m 1 Acos t c cos t − 2 sinc t Ac − 2 + :LSB − :USB + 2 m m c 1 A cos t cos t 2 m m c 1 A sin  t sin t CP 4.1.3 通信原理 23 通信原理 24

希尔伯特变换器 Hilbert transform P4.1.3 相移法SSB调制示意图 CP4.13 H(o=-jsgn(o) c(1) =le12m>0(m)-/sgn() x() sm(! +j=1e1xa<0 π2 v() sin apr m(sin 希尔伯特滤波器(90度移相器)是宽带移相全通网 络,每个正频率分量都移相-x/2 通信原理 通信原理 後大季 ssB的解调 P4.13 sSB特点 CP4.1.3 ■带宽与基带信号相同 SssB(0=-m(@t-m,(sino ■需要相干解调 SssB (cost=Im(cosotFm (sin@t coso! ■发送机与接收机均较复杂 口在调制滤波生成方法中,需要基带信号的低频 m(+[[m(cos 201T m(o)sin 2o tl 分量很小 口在用希尔伯特变换生产方法中,希尔伯特滤波 sssB(O 器的冲击响应无限长,只能近似实现 通信原理 後sk季 通信原理

通信原理 25 希尔伯特变换器 Hilbert transform =  H ()= − jsgn() − j = 1e −j 2  0  + j = 1e  0 j 2   t F  1  = − j sgn () H()  1 0 0  ( )  2 2 −  希尔伯特滤波器(90度移相器)是宽带移相全通网 络, 每个正频率分量都移相 − 2 . CP 4.1.3 通信原理 26 相移法SSB调制示意图 2 1 m (t) c cos t sinc t xI (t) xQ (t) − 2 Ac − 2 + :LSB − :USB + 2 c 1 m (t)cos t 2 h c 1 m (t )sin t CP 4.1.3 SSB的解调 1 1 2 2 sSSB (t) = m(t)cosc t  mh (t)sinc t SSB c c h c s 2  c  (t)cos t = 1 m (t)cos t  m (t)sin t cos t = 1 m(t)+ 1 m(t)cos 2 t  m (t)sin 2 t 4 4 c h c  sSSB (t) cosc t Low -pass filter m(t) CP 4.1.3 SSB特点 ◼ 带宽与基带信号相同 ◼ 需要相干解调 ◼ 发送机与接收机均较复杂 在调制滤波生成方法中, 需要基带信号的低频 分量很小; 在用希尔伯特变换生产方法中, 希尔伯特滤波 器的冲击响应无限长, 只能近似实现. CP 4.1.3 通信原理 27 通信原理 28

4.1.4vSB VSB原理 CP4.14 ■残留边带调制 vestigial sideband 口SSB中调制非常复杂 口可以看成是DSB与SSB的折衷 2丌B 口在付出不大的代价基础上,继承了DsB与SSB 的优点 Baseband DSB 口通常VSB的带宽比SSB大25% 口在传送电视信号中采用 ■视频信号中低频成分丰富 f-升+f 口与SSB中完全滤除另一半频带不同,VSB采用 逐渐滤除的方式 通信原理 通信原理 後大季鹾 VsB的调制 P4.14 VsB的解调 CP4.14 m(,父 SysB(O H(o) Sysa(O (o) coS O-r Sn()=[M(+2)+M(-)y(o) f(e(t)=2Ss2(a+o)+25s(a-o) M(o)=M(a)[H(o+o,)+H,(o-o.)]2(a) 通信原理 後sk季 通信原理 後s人手

通信原理 29 4.1.4 VSB ◼ 残留边带调制 vestigial sideband  SSB中调制非常复杂 可以看成是DSB与SSB的折衷 在付出不大的代价基础上, 继承了DSB与SSB 的优点 通常VSB的带宽比SSB大25% 在传送电视信号中采用 ◼ 视频信号中低频成分丰富 与SSB中完全滤除另一半频带不同,VSB采用 逐渐滤除的方式. 通信原理 30 VSB原理 −c 0  4B c M () −2B 0 2B  Baseband DSB −c 0  2B c fc − fv fc fc + fv 1 1 2 Hi() VSB −c 0 c  CP 4.1.4 VSB的调制 m(t) cosc t DSB VSB c c i S ( )= 1 M ( + ) + M ( −  ) H () 2   sVSB (t) Hi () −c 0  2B c CP 4.1.4 VSB的解调 VSB c VSB e(t)= 4s (t)cos t ( + c )+2SVSB ( −c ) M( )= M ( )Hi( +c )+Hi( −c )Ho () F (e (t )) =2S m(t) 4cosct Ho () sVSB (t) e (t) LPF CP 4.1.4 通信原理 31 通信原理 32

VSB的滤波器特点 P4.1.4 VSB的特点 CP4.14 B(0)m(a+0)+m(a-0)p2B8 ■是DSB与SSB的折衷 特别的,如果有 口带宽介于DSB与SSB之间 H(o+o)+H(o-O)=1 口复杂度介于DSB与SSB之间 在付出不大的代价基础上,继承了DSB与 则H()为低通滤波器,即 SSB的优点 Ho(ol ok 2TB ■在传送电视信号中采用 (+a)+H1(o-) 口视频信号中低频成分丰富 通信原理 通信原理 後大季 补充内容 4.A正交幅度调制 ■4A:正交幅度调制 正交调制: Quadrature amplitude modulatio B P Lathi and Zhi Ding, Modern Digital and Analog ■DSB-SC的带宽为基带信号带宽的两倍 Communication System, 4th Edition, OXFORD 口频谱在载波f的两侧共轭对称,带宽浪费 ■SSB通过对 DSB-SC进行滤波可以增加对带宽的 利用率 ■4B:带通信号的等效基带模型 ■SSB也可以理解成两路 DSB-SC信号, DR. E Ziemer and W. H. Tranter, Principles of 路基带信号为m(t),调制在cosO Communications: Systems, Modulation, and Noise Wiley, 5th Edition, 2002. - Chapter 2.9.3-2.9.5 口另一路基带信号为m(),调制在snot D J Proakis, Digital Communications, McGraw-Hill,4th Edition, 2001, -Chapter 4 (=Im(coso( I m(snot 通信原理 後g大手 通信原理

通信原理 33 VSB的滤波器特点 1 o i c i c H ( )=   2B H ( +  )+ H ( −  ) H i( +  c)+ H (i −  )c=1   2B 特别的, 如果有   2B 则 Ho () 为低通滤波器, 即 Ho ( )=1 −c 0 c  Hi (+ c ) + Hi (−c ) 4B CP 4.1.4 通信原理 34 VSB的特点 ◼ 是DSB与SSB的折衷 带宽介于DSB与SSB之间 复杂度介于DSB与SSB之间 ◼ 在付出不大的代价基础上,继承了DSB与 SSB的优点 ◼ 在传送电视信号中采用 视频信号中低频成分丰富 CP 4.1.4 补充内容 ◼ 4.A: 正交幅度调制  B. P. Lathi and Zhi Ding, Modern Digital and Analog Communication System, 4th Edition, OXFORD University Press. 2009. – Chapter 4.4.2. ◼ 4.B: 带通信号的等效基带模型  R. E. Ziemer and W. H. Tranter, Principles of Communications: Systems, Modulation, and Noise, Wiley, 5th Edition, 2002. – Chapter 2.9.3-2.9.5.  J. Proakis, Digital Communications, McGraw-Hill, 4th Edition, 2001, – Chapter 4. 4.A 正交幅度调制 正交调制: Quadrature amplitude modulation ◼ DSB-SC的带宽为基带信号带宽的两倍 频谱在载波 fc 的两侧共轭对称, 带宽浪费 ◼ SSB通过对DSB-SC进行滤波可以增加对带宽的 利用率 ◼ SSB也可以理解成两路DSB-SC信号, 一路基带信号为 另一路基带信号为 m h c (t), 调制在 sin t m(t), 调制在 cosc t 2 2 SSB c h c s (t)= 1 m(t)cos t  1 m (t)sin t 通信原理 35 通信原理 36

SSB的正交幅度调制解释 P.A 正交幅度调制的出发点 在cosO』t支路调制后信号的频谱 ■sioI支路的基带信号是coso支路基带信 号的希尔伯特,这种巧妙设计使得两个调制 A A 支路输出合并后的信号恰好为SSB信号」 若两路基带信号之间没有任何联系呢 ■在siot支路调制后信号的频谱 相干解调过程实际上完成了对 cost支路 基带信号的单独分离 并没有受到来自与 sinos支路的干扰,? 如果想要解调出smo支路的基带信号, 後大季鹾 正交幅度调制与解调 P 4A 正 交幅度调制的特点 x(=x(cos 2mf t 两个带宽为B的基带信号可以同时传输在以f为 中心的带宽为2B的频带上 (sin 2ft () 两路信号正交,在接收端可以完全分离 -sin 2/f2 H20) 正交幅度调制的信号包含两路正交的DSB-SC分 HV) 量,一路称 为同相分量(in t),另 路称为正交分量(qu quadrature com ) 正交幅度调制后输出的频谱在f两侧通常不具备 共轭对称性 後g大手 通信原理

通信原理 37 −c 0 c  SSB的正交幅度调制解释 ◼ 在 cos c t 支路调制后信号的频谱 CP 4.A −c 0 c  ◼ 在 sinc t 支路调制后信号的频谱 通信原理 38 正交幅度调制的出发点 ◼ sinc t支路的基带信号是 cosc t支路基带信 号的希尔伯特, 这种巧妙设计使得两个调制 支路输出合并后的信号恰好为 SSB 信号. 若两路基带信号之间没有任何联系呢？ ◼ 相干解调过程实际上完成了对 cos c t支路 基带信号的单独分离 并没有受到来自与 sinc t 支路的干扰, ? 如果想要解调出 sinc t 支路的基带信号, ? CP 4.A 正交幅度调制与解调 I c x (t ) = x (t )cos 2 f t − xQ (t )sin 2 fc t xQ (t) xI (t) cos 2fc t −sin 2fc t x (t) x (t) c 2 cos 2 ft −2sin 2 f t xI (t) HL ( xQ (t) f f ) W 2 2 − W 1 HL (f ) 0 HL (f ) CP 4.A 正交幅度调制的特点 ◼ 两个带宽为 B 的基带信号可以同时传输在以 fc 为 中心的带宽为 2B 的频带上. ◼ 两路信号正交, 在接收端可以完全分离 ◼ 正交幅度调制的信号包含两路正交的DSB-SC分 量, 一路称为同相分量(in-phase component), 另 一路称为正交分量(quadrature component). ◼ 正交幅度调制后输出的频谱在 fc 两侧通常不具备 共轭对称性. CP 4.A c 通信原理 39 通信原理 40