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1、第一章第一章 绪论绪论通信系统的组成和分类通信发展简史主要通信技术的发展概况教材考核1.1 通信系统的组成通信系统的组成一. 现代通信*克服距离障碍，迅速、准确传递信息*信息化社会*电话普及率:台/100 人90 年代:发达国家 50 台/百人 中国 1 台/百人2003 年 7 月:我国 37.7 台/百人二二. 通信系统模型通信系统模型1. 一般模型信源发送设备发送端(传噪输信声设道源备)接收端信宿接收设备信源：发出信息的源泉信宿：消息的接收者信息速率自信息量 I(ai)=log21/p(ai),单位为比特；一个二进制码元包含的信息量为 1 比特。设一个英文打字机总共能产生 32 种离散符
2、号，则需要 5 位二进制数字来表示。设此打字机每秒能产生 10 个符号,那么作一个离散信源来说,它产生的二进制信息速率为50 比特/秒。发送设备：匹配信源与传输媒介，调制信道：信号传输媒介噪声源接收设备：完成发送设备的反变换，解调2. 模拟通信系统信源调制器发送端(传噪输信声设道源备)接收端信宿解调器基带信号(调制信号)：没有经过调制的原始信号基带传输：基带信号直接通过有线传输调制解调3. 数字通信系统信源信道信源调制编码编码信源编码信噪信道编码声道源信源解码信宿信源信道信道解码解调解码解码4. 数字通信系统的优越性(1)抗干扰能力强*数字信号可多次再生*自动检错、纠错(2)具有良好的灵活性和
3、通用性(3)便于加密(4)数字通信设备易于大规模集成1.2 通信系统的分类通信系统的分类一一. 按消息的物理特征分类按消息的物理特征分类电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统二二. 按调制方式分类按调制方式分类(1)基带传输-直接传输基带信号(2)调制传输-将信号变换后传输将消息变换为便于传送的形式可实现频分复用可改善通信系统的性能调制时消息携带在正弦波或脉冲序列的参量上,这些正弦波或脉冲序列就称为载波；调制就是基带信号控制载波的某些参数按照基带信号的变化规律而变化。如：某已调信号 s(t)=Acos(t+)根据载波的不同：常规双边带调幅 AM幅度调制 抑制载波双边带调幅 DSB单边带调幅
4、SSB模拟调制残留边带调幅 VSB连续波频率调制 FM相位调制 PM调制幅度键控 ASK数字调制频率键控 FSK相位键控PSK,DPSK,QPSK等脉幅调制 PAM模拟调制 脉宽调制 PDM脉冲脉位调制 PPM调制脉码调制 PCM数字调制 增量调制 M差分脉码调制 DPCM三三. 按传输信号的特征按传输信号的特征模拟通信系统:传送在时间特性上状态连续变化的消息数字通信系统:传送在时间特性上状态变化为离散可数的消息四四.按通信方式不同按通信方式不同单工通信:通信双方单方向传递信息双工通信:通信双方同时双方向传递信息半双工通信:通信双方双方向传递信息但不同时五五. 按传送信号的复用方式按传送信号的
5、复用方式频分复用:不同信号占用不同的频率范围时分复用:不同信号占用不同的时间区间码分复用:用正交的脉冲序列携带不同信号六六. 按传输媒介类型按传输媒介类型有线;无线1.3 通信系统的性能度量通信系统的性能度量一一. 通信系统的质量指标通信系统的质量指标有效性:信道一定,系统能够传输信息内容的多少可靠性:系统接收端恢复信息的准确程度二二.模拟通信系统模拟通信系统有效性-给定信道带宽,能容纳最大的通信路数;可用传送信号的有效带宽衡量.可靠性-通信系统接收端的输出信号噪声功率比(SNR,Signal Noise Ratio)三三. 数字通信系统数字通信系统有效性-传输速率；码元传输速率(RB)：单位
6、时间能够传送的码元数。每个码元传输所占用的时间 TB为码长,则 RB=1/TB(波特,Baud)。若码元为二进制- RB2,若为 M 进制RBM，RB2=RBMlog2M信息传输速率(Rb):单位时间能够传送的信息量(bits/s)。Rb=RBMlog2M比特/秒RBM=Rb/log2M波特可靠性-错误概率；误码率 PB=接收的错误码元数/发出的总码元数；误比特率 Pb=接收的错误比特数/发出的总比特数；1.4 通信技术发展通信技术发展一一.通信发展简史通信发展简史二二.主要传输手段的现状和趋势主要传输手段的现状和趋势1.电缆通信2.微波中继通信3.光纤通信4.卫星通信5.移动通信参考教材参考
7、教材曹志刚、钱亚生，现代通信原理，清华大学出版社，北京，曹志刚、钱亚生，现代通信原理，清华大学出版社，北京，1992黄胜华、徐佩霞，现代通信原理，中国科学技术大学出版社，合肥，黄胜华、徐佩霞，现代通信原理，中国科学技术大学出版社，合肥，1989樊昌信等，通信原理，第樊昌信等，通信原理，第 5 版，国防工业出版社，北京，版，国防工业出版社，北京，2001Simon Haykin, Communication Systems, John Wiley & Sons, Inc. 2001第二章第二章 信号与噪声信号与噪声通信系统需要研究的三个主要问题:(1)信号的特性；(2)系统的特性；(3)信号通过
8、系统传输时，影响信号的噪声特性。系统：可看作产生信号变换的任何过程系统传递函数 H()和冲击响应 h(t)f(t),n(t)fo(t),no(t)H()h( t )ejtdt1H()ejtdF(),N()Fo(),No()h( t ) 2输入输出信号和噪声具有的特性和表示方式；系统中输入输出信号和噪声之间的关系。(3)系统具有什么特性，信号的传输才处于最佳状态。2.1 确知信号分析确知信号分析一一.信号分析信号分析1. 信号中所包含的信息总是寄寓在某种形式的变换波形之中。数学上，就可表示为一个或多个变量的函数。2. 不同的信号分类确知信号/随机信号周期信号/非周期信号模拟信号/数字信号能量信号
9、/功率信号3. 信号分析方法：以基本信号之和或积分表示各种复杂信号，以对其性质及其对系统的作用进行分析研究。频域分析法：正弦信号作为基本信号；时域分析法：冲击函数 (t)作为基本信号。二二.离散频谱和连续频谱离散频谱和连续频谱1. 周期信号的傅里叶级数jn0t傅里叶级数f ( t ) Cnen=0,1,2n1T / 2其中离散频谱C( n0) Cnf ( t )ejntdtTT / 200=2/T，CnCnej()|Cn|幅度谱，()相位谱例：pT( t ) AnT-/2tnT+/20其它解：1T /2 jntP () p ( t )edtTT /20TTp pT T(t)(t)1/22Aej
10、n0tdtA AT Aejn0t/2Tjn0/2-T0Tt tsin(n0)P PT T n n（）A2T(n0)2ASa(n0)00 0T2 ASa(n)周期性矩形脉冲序列信号及其频谱周期性矩形脉冲序列信号及其频谱TT2.非周期信号的傅里叶变换F() f ( t )ejtdtf ( t ) 21F()ejtdF() F() ej()例：p( t ) A-/2t/20 其它解：P() p (t ) ejtdt /22Aejtdt ASa ()2p p(t)(t)A AP P（）A A0t t03.周期信号的傅里叶变换F() 2Ck( k0)k 三三. 能量谱密度和功率谱密度能量谱密度和功率谱密
11、度1. 能量谱密度信号波形的能量 EU( t )i( t )dt规一化能量:电阻值 1WE f2( t )dt能量信号：能量为有限值的信号E f2(t)dt 1 j t1 j t f (t) F ( )ed dt F ( ) f (t)edt d 2 2 当f(t)为实函数时上式1F()F()d21F()2d2E()=|F()|2焦耳/赫兹能量谱密度2. 功率谱密度功率信号：信号在-t+内存在，具有无穷大能量，但平均功率为有限值。截短函数f(t)-T/2tT/2fT(t)=0其它ETTT/22f2( t )dtfT2( t )dt12f(t)0t-T/2T/2FT()2d1T /22P T /
12、 2f( t )dtTT1T / 221FT()2P limT / 2f( t )dt limdT2TT T W () limF ()2功率谱密度T瓦特/赫兹TT 双边功率谱密度定义在（-，+）单边功率谱密度定义在（0，+）例：试求功率信号为周期性信号时的功率谱密度解：取截短周期 T=NT0用f ( t ) Ckejk0t代入k P lim1TT/22f2( t )dtT T1T0/ 221T0/ 2jkt1T0/ 2jktT / 2f( t )dtT / 2f ( t )Cke0dt CkT / 2f ( t )e0dtT00T00k k T00CkCk*Ck2k k 由采样性质f ( t
13、)( t t0) f ( t0)Ck2(k0)dCk2k k 2122P Ck( k0)dCk(k0)d2k k W () 2Ck2( k0)k 四四.自相关函数自相关函数1. 定义表明一个信号与该信号延时后的相似程度。能量信号R() f ( t ) f ( t )dt功率信号R() lim1f ( t ) f ( t )dt2.T T性质实函数的自相关函数是实偶函数，即R(-)=R()证：R()xtf ( x ) f ( x )dx R( )f ( t ) f ( t )dt 信号的自相关函数与其能量谱密度/功率谱密度构成傅氏变换与反变换的关系。证：F FR() f ( t ) f ( t
14、)dtejd f ( t )f ( t )ejddt F() f ( t )ejtdt F()F*() F()2 E()同理F FR() W ()信号的自相关函数在原点的值等于信号的能量/功率。R( 0 ) f2( t )dt ER( 0 )lim1TT/22f2( t )dtPTT 自相关函数的最大值出现在原点，即，R()R(0)例：求周期信号f(t)的自相关函数解：R()1TT0/22f ( t ) f ( t)dtT001TT00/22f ( t )Ckej 2k( t) / T0dtT0k j2k/ T1T0/ 2j2kt / TCke0T0/ 2f ( t )e0dtk T0*j 2
15、k/ T0CkCkek Ck2ej 2k/ T0k 2.2 确定信号通过线性系统确定信号通过线性系统一一.卷积定理卷积定理1.时域： (t)线 性 系 统h (t)Y()=H()F()f(t)h (t)y(t)Fy( t ) f ()h( t )dh() f ( t )d h( t ) f ( t ) f ( t ) h( t )F( )H ()Y ()2.频域：f(t)y(t)乘法器y( t ) f ( t ) p( t )Y() 1F() P()2p(t)二二. 无失真系统和理想低通滤波器无失真系统和理想低通滤波器1.无失真系统：y(t)=kf(t-t0)xtt0kejt0Y() kf (
16、 t t0)ejtdt 传输函数H()Y() k ejt0F()H() k() t02.理想低通滤波器理想高通滤波器(High-pass Filter,HPF)理想带通滤波器(Band-pass Filter,BPF)理想低通滤波器(Low-pass Filter,LPF)f ( x )ejxdx k ejt0 F()|H()|0()H () k ejt0m0其它H(H() )1jtK K|H(|H()|)|h( t )H()ed2kmej( tt0)d2mkm Sam( t t0)- -m m0 0m mh h(t)(t)0 0t t3.系统带宽:指一个系统的幅频特性|H()|保持在给定数值
17、范围内的那段正频率区间。LPF: B=fm信号带宽四四.线性系统输出响应的谱密度线性系统输出响应的谱密度设输入f(t)/F()，输出y(t)=f(t)*h(t)/Y()=F()H()1.能量信号E () F()2iEo()Y()2F() H()2F()22.功率信号F ()2W () limTiTTlim yT( t ) h( t ) fT( t )T lim YT() H() FT()TY ()2H()F ()2W () limT limToTTTTH()2 H()2 Ei()2F ()22H() limTH()W ()TTi2.3 随机信号和随机噪声随机信号和随机噪声一一.随机过程的基本概
18、念随机过程的基本概念1.随机过程确定性过程:事物变化的过程可用一确定函数关系描述。如:自由落体运动s(t)=gt2/2。随机过程:事物变化的过程不可用一确定函数关系描述。样本函数：设随机试验Sk，每一次试验可用一个自变量为时间t的函数Xk(t)，即样本函数。样本空间：足够多的随机试验所构成的集合S。随机过程：包括全部时间函数的总体，X(t)/Xk(t)。随机变量：在随机过程中取某一特定时间t1，得到的不含时间t变化的变量X(t1)，即随机变量。分布函数：随机过程X(t)，随机变量X(t1)一维分布函数P1(x1，t1)=PX(t1)x1二维分布P2(x1,x2,t1,t2)=PX(t1)x1,
19、X(t2)x2概率密度函数：一维概率密度函数二维概率密度函数p1( x1,t1) P1( x1,t1)xp1( x1,x2,t1,t2)2P( x ,x ,t ,t )11212x1x2平稳随机过程：pk( x1, x2,L, xk;t1,t2,L,tk) pk( x1, x2,L,xk;t1,t2,L,tk)广义平稳随机过程：一维p1(x1,t1)=p(x)二维p2(x1,x2,t1,t2)=p(x1,x2,)二二.随机过程的数字特征随机过程的数字特征1.均值(数学期望):EX ( t )xp( x,t )dx a( t )平稳： EX ( t )xp( x )dx a2.方差(二阶中心矩)
20、：DX ( t ) EX ( t ) EX ( t )2x a( t )2p( x,t )dx EX2( t )EX( t )22( t )平稳： DX ( t ) EX ( t ) a2( x a )2p( x )dx 23.自相关函数R( t1,t2) EX ( t1)X ( t2)x1x2p( x1, x2;t1,t2)dx1dx2平稳：R( t,t ) EX ( t )X ( t )x1x2p( x1,x2;)dx1dx2 R()性质:R(0)=EX2(t)=DX(t)+EX(t)2=2+a20R()=R(-)R(0)R()4.各态历经性集平均时间平均alim1TT/22x( t)dt
21、aTTlim1TT/22x( t ) a2dt22TTR() 1TT/22x( t )x( t)dtR() limTT5.高斯过程p( x ) 12exp ( xa2)222例：具有随机相位的余弦信号X(t)=Acos(0t+)p() 1/20 20其它解：EX (t)2Acos(0t ) 1d 002) EA2cos(0t )cos(0t 0)A22Ecos(0) cos(20t 0 2)A2cos(0) A2Ecos(20t 0 2)22(tR()EX(t)XA2cos(0)2三三. 平稳随机过程的频谱特性平稳随机过程的频谱特性平稳随机过程X(t)的平均功率1X2P Elim T / 2(
22、t)dt T / 2T T截短函数X(t)-T/2tT/2XT(t)=0其它ET / 2X2( t )dtEXT2( t )dtE1XT()2dT / 22XT()XT( t )ejtdtTT/22X ( t )ejtdtE21T / 221 121XT()P ElimT / 2X( t )dt ElimXT()dlimdT2T2TT T T 随机信号的功率谱密度W ()limEXT()2TT 与自相关函数构成傅里叶变换对W () R()ejdR() 21W ()ejd例：具有随机相位的余弦信号X(t)=Acos(0t+)1/20 2p() 0其它解：R() A2cos( )20Sx() R(
23、)ejd222A( ej0ej0)ejdAej(0)dej(0)dA(0)(0)444四四.随机信号通过线性系统随机信号通过线性系统1.输出Y( t ) h( t ) X ( t ) h()X ( t )dEY ( t ) Eh()X ( t )dh()EX ( t )d EX ( t )h()d EX ( t )H(0)2.自相关函数RY(t,t ) E Y (t)Y (t ) E h( 1) X (t 1)d 1 h( 2) X (t 2)d 2 h( 1)h( 2)E X (t 1) X (t 2) d 1d 2 h( 1)h( 2)R(t 1, t 2)d 1d 2 h( 1)h( 2
24、)R( 1 2)d 1d 2 RY( )3.功率谱密度WY() RY()ejdejdh(1)h(2)R(12)d1d2h(1)ej1d1h(2)ej2d2R(12)ej(12)d(12) H*()H()W () H()2W ()2.4 起伏噪声起伏噪声一噪声的分类一噪声的分类单频噪声脉冲噪声起伏噪声二二.起伏噪声的幅度分布起伏噪声的幅度分布热噪声散粒噪声宇宙噪声一维概率密度函数 p( n ) 1n2exp 2n2n2三三.白噪声白噪声1. 定义：噪声的功率在整个频率轴上均匀分布，或者说功率谱密度为常数，则此噪声称作白噪声。记作：Wn()Rn()n0()Wn()=n0/2-n0/22Wn()=n
25、00自相关函数 Rn() 21n20ejdn20()2.带限白噪声理想低通白噪声n0/2|mWn()01n其它R () mejd f n Sa(2f)m0mn220mW Wn n( () )R Rn n( () )n n0 0n n0 0f fm m2 2- -m m0 0m m0 0理想带通白噪声Wn()n0/2L|H0其它带宽 B=f-fL中心频率0LHH21HnR ()ejdBn Sa(B)cos L0n200W Wn n( ( ) )n n0 0w w = = 2 2 B B2 2- - L L - -0 0 - -H H0 0L L0 0H H( ( a a ) )R Rn n( (
26、 ) )B B n n0 0( ( b b ) )2.5 窄带高斯噪声窄带高斯噪声一窄带高斯噪声的产生一窄带高斯噪声的产生窄带网络-带宽B c0| cHLSB=1|0-1|0F（ C）/2SDSB()F（C）/2+-c-m-C-c+mc-m0 0cc+mSUSB()- -c c- -m m- -C C0 0cc+m1 1HUSB()- -C C0 0c cSLSB()- -c c+ +m m- -C C0 0c c- -m mc c1 1 HLSB()- -C C0 0c c双边带和单边带信号的频谱关系图双边带和单边带信号的频谱关系图以下边带为例SDSB()1F(c)F(c)21H() Sgn
27、(c)Sgn(c)2SSSB() SDSB()H()1F(c)F(c)1Sgn(c) Sgn(c)2214 F(c)Sgn(c) F(c)Sgn(c) F(c)Sgn(c) F(c)Sgn(c)14 F(c)Sgn(c) F(c)Sgn(c) 14 F(c) F(c)SDSB()0 0- -C Cc cSgn(+c)0 0- -C Cc c-1-11 1Sgn(-c)0 0- -C Cc cF(+c)Sgn(+c)F(-c)Sgn(+c)0 0- -C Cc c(a)- -C CF(-c)Sgn(-c)0 0c cF(+c)Sgn(-c)-F(+c)Sgn(-c)-F(-c)Sgn(-c)0
28、0- -C Cc c(b)SSSB()0 0- -C Cc c(a)+(b)(a)+(b)单边带频谱形成示意图单边带频谱形成示意图2.时域表示希尔伯特(Hilbert)变换1f ()f ( t )d=Hf(t)t FHf(t)=-jF()Sgn()希尔伯特滤波器 Hh()=-jSgn()宽带相移网络|Hh()| )1/2001F11-/2F(c) F(c)f ( t )cosct421F(c)Sgn(c)F(c)Sgn(c)4 1F(c)jSgn(c)F(c)jSgn(c)4 j1F11 4 jF(c)F(c) 2f ( t )sinctF111 SLSB() SLSB( t ) 2f ( t
29、 )cosct 2f ( t )sinct11同理SUSB( t )2f ( t )cosct 2f ( t )sinct二二.调制调制1.滤波法：SSSB()=SDSB()H()f(t)SDSB(t)SSSB(t)乘法器边带滤波器C(t)=cosct滤波法产生单边带信号滤波法产生单边带信号2.相移法SSSB( t ) f ( t )cosct f ( t )sinctf(t)乘法器f(t) cosctcosct- -/2-/2SSSB(t)sinctf ( t )乘法器f ( t ) sinct相移法产生单边带信号相移法产生单边带信号3. 混合法三三.解调解调SSSB(t)乘法器乘法器SP(
30、t)边边 带带 滤滤 波波 器器Sd(t)本地载波本地载波单单 边带边带 信号信号 相干相干 解调解调 器器SSSB( t )f ( t )cosct m f ( t ) sinctSp( t )SSSB( t )Cd( t )1f ( t )cosct m f ( t ) sinctcosct 2经过LPFSd( t )1f ( t )211f ( t )2f ( t )cos 2ctm2f ( t ) sin2ct3.5 残留边带调制残留边带调制(Vestigial Sideband Modulation，VSB)一一.滤波法产生滤波法产生 VSB 信号信号关键: H ()的截止特性在|=
31、点上,相对于1/2幅度点呈奇对称。vf(t)SDSBc(t)SVSB(t)乘法器残留边带滤波器C(t)=cosctHV()VSB 信号的滤波调制法信号的滤波调制法S () 1F() F() H()VSB2ccVF()- -m mm mSDSB()- -c c- -m m- -C C- -c c+ +m m0 0c c- -m mc cc c+ +m m1 1Hv()1/21/2- -C C0 0c cSVSB()- -C C0 0c c1 1Hv()1/21/2- -C C0 0c cSVSB()- -C C0 0c c二二.相相移移法法产产生生VSB信信号号SVSB( t ) SDSB( t
32、 ) hv( t ) f ( t )cosct hv( t ) hv() f ( t)cosc( t )dQcos() coscos sinsin SVSB( t ) hv()cosc f ( t )dcosct hv()sinc f ( t )dsinct hI( t ) hv( t ) coscthQ( t ) hv( t ) sinct SVSB( t ) f ( t ) hI( t )cosct f ( t ) hQ( t )sincthI(t)乘法器cos(ct+c)f(t)SVSB(t)-/2sin(ct+c)hQ(t)乘法器相移法产生残留边带信号相移法产生残留边带信号三三. 相干
33、解调相干解调SVSB(t)Sp(t)Sd(t)乘法器低通滤波器cosct单边带信号相干解调器单边带信号相干解调器Sp( t ) SVSB( t ) cosctS() 1S() C ()2p1VSBd1SVSB()(c) (c)SVSB(c)SVSB(c)221SVSB()F(c)F(c)HV()2 S() 11F(2)F()H() 11F() F( 2)H()pcVcVc2c2 221F()HV(c)HV(c)1F(2c)HV(c)F(2c)HV(c)44LPFSd() 1F()HV(c) HV(c)4若要不产生失真，需在频带|ni(t)R(t)rn(t)nQ(t)(t)0A0+f(t)nI(
34、t)Sd( t )R( t )A0f ( t ) nI( t )Sof2( t )Nn2( t )n2( t )NioIiSof2( t )2( t )输出信噪比 GAM2 fnNm22( t )oAM0A f0防止过调幅A0f ( t )maxGAM12. 小信噪比情况:A0+f(t)1Jn2(FM) 1n利用 cosxcosy=cos(x-y)+cos(x+y)/2sinxsiny= cos(x-y)-cos(x+y)/2J-n(FM)=(-1)nJn(FM)SFM( t ) AJn(FM)cos(c nm)tnSFM() AJn(FM)(c nm) (c nm)n二二. 单频调制单频调制
35、 FM 信号性质信号性质1.载频+无穷多对对称分布在载频两边的边频分量2.FM|Jn(FM)|0.01nmaxBFM=2 nmaxfm卡森公式B2fmax(11)2(fmax fm)2(FM1) fmFMFM3.所有频率分量的平均功率之和A2/2。4.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调一一.调频信号的产生调频信号的产生1. 直接法f(t)宽宽带带FM输输出出载波载波倍倍频频器器混混频频器器带带通通振荡振荡滤滤波波器器振荡器振荡器直接直接 FM 波的产生办法波的产生办法 1LCC(t) C0 b0f (t)振荡器的瞬时频率振荡器的瞬时频率 (t) 其中载波频率其中载波频率 c 1LC0
36、1 1 1 b0f(t) 1/2LC(t）1f (t)cC0LC0 b0C0由近似公式由近似公式 x 1 1 x 12 1 12x 当当b0f(t) 1 (t) 1 b0f (t) c b0 cf(t) c KFMf(t）C0c2C02C0其中其中 KFM b0 c2C02.倍频法将窄带调频信号倍频后即得到宽带调频信号。调制信号调制信号 f(t)积分器积分器乘法器乘法器SNBFM(t)加法器加法器载波载波 Acosct-/2窄带调频调制器方框图窄带调频调制器方框图例：理想平方律非线性器件 So(t)=aSi2(t)输入调频信号 Si(t)=Acosct+(t)输出 So( t ) 12aA21
37、 cos2ct 2t二二. 调频信号的解调调频信号的解调1.非相干解调鉴频当解调器输入为调频信号SFM( t ) Acosct KFM0tf ()d解调器输出应当为 So(t)KFMf(t)鉴频器鉴频器Si(t)Sd(t)Sp(t)限 幅 器微分器包络检波低 通及 带 通滤波器调频信号的非相干解调调频信号的非相干解调输入 SFM( t ) Acosct KFM0tf ()d微分器输出dSFMdt( t ) A sinct KFMf ( t )dtc KFMf ( t )包络检波器输出 Sd( t ) KdAc KFMf ( t )微分器：频率-幅度变换电路传输函数K( j)RR 1jC当R1
38、K( j) jRC jC其中 =RC|K(j)|=当输入为 FM 波，即 (t)=c+KFMf(t)时微分器输出(t)f(t)2. 相干解调CRRC 微分器微分器SNBFM(t)Si(t)Sp(t)So(t)带带 通通乘乘 法法 器器微微 分分低低 通通C(t)相干解调相干解调窄带调频信号的相干解调窄带调频信号的相干解调Si( t ) A cosct AKFMf( t )dtsinct 本地载波 C( t ) sinctAAKFM乘法器输出Sp( t )sin 2ct f ( t )dt (1 cos 2ct )22经微分器及 LPF 后 So( t ) AKFMf ( t )24.5 调频系
39、统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能一一. 基本模型基本模型SFM(t)So(t)+no(t)加法器带 通限 幅鉴 频低 通解调器解调器ni(t)调频系统抗噪声性能分析模型调频系统抗噪声性能分析模型H()-c-c-c+c- cc+理想带通滤波器特性理想带通滤波器特性解调器输入端Ni0BSn( f )n0BSFM( t ) Acosct KFMf ( t )dtSi 1 A22SiA2N2n B输入信噪比i FM0二二. 非相干解调大信噪比的抗噪声性能非相干解调大信噪比的抗噪声性能1.信噪比增益总和信号 y(t)=SFM(t)+ni(t)窄带噪声 ni(t)=nI(t)cosct-nQ(t)sin
40、ct=V(t)cosct+(t)其中 V ( t ) nI2( t ) nQ2( t )( t )arctgnQ( t )nI( t )C2aa2a1O1D参考线参考线y( t ) SFM( t ) ni( t ) Acosct KFMf ( t )dt V ( t )cosct ( t )令( t ) KFMf ( t )dt则 y( t ) Acosct ( t ) V ( t )cosct ( t )Acosct ( t ) a1cos1V ( t )cosct ( t ) a2cos2B( t )cosct ( t ) a cosVo( t )d( t )d( t )1dnd( t )
41、dtdtAdtnd( t ) V ( t )sin( t ) ( t )tg(1) CDa2sin(21)ODa1a2cos(21)1 arctga2sin(21)a1a2cos(21)大信噪比，即 A Vt( t )( t )V ( t ) sin( t )( t )( t )V ( t )sin( t )( t )AV ( t )cos( t )( t )A大信噪比时，nd(t)可简化为nd(t)=V(t)sin(t)由 FFT 性质F Fdx( t ) jX ()dt则理想微分网络的功率传递函数为|H()|2=|j|=2=(2f)2Sni(f)n0/2BFMffcfc(a)n0Snd(f
42、)f-BFM/2 OBFM/2(b)Sno(f)f-BFM/2 -fmO fmBFM/2(c)非相干解调时的输出噪声功率谱非相干解调时的输出噪声功率谱解调器输出噪声的功率谱Sn0()=H()2 n0n2|00A2A2其它LPF滤除调制信号频带以外的频率分量No1mn2dn300m2mA23A2解调器的输出信噪比So222( t )222( t )3AKFMf3AKFMfNn382n f3oFM0m0m1QfmaxKFMf ( t )max2222Sofmaxf ( t )/ 2A 3Nof ( t )2nofmfmmax2信噪比增益2GFMSo/ Nofmaxf( t )BFM3Si/ Nif
43、mf ( t )2fmmax宽带调制时，fmaxfm，BFM2 fmax222 fmaxf (t)BFM3f (t)GFM 3 6 FM f (t)2f(t)2fmmaxfmmax单频调制f2( t )A2cos2mt1mf ( t )2Am22max2So22BFMf2( t )A/ 232A/ 22fmax3FM 3FM(FM1)Si/ NiNof ( t )2n0fm2fmfmmaxn0BFMGFM3FM2(FM1)3FM32.FM与AM抗噪声性能比较单频调制AM：最大调制情况，包络检波SAM(t)=(A0+Amcost)cosct=A0(1+cost)cosctA21A2A23f2(t
44、)A2Si0 0 02 22440 n Bn BNn BAMAMAMiAM000FM：SFM(t)=Acos(ct +FMsinmt)SiA22n BNiFM02当AM和FM输入信号功率相等时，有A02 A23输出信噪比A21A20So2f (t)23 n Bn Bn BNAMAMAMoAM000So3 A222 n fN2FMmoFM0 So/No FM 9 2 So/No AM2FMBFM 2 FM 1 fm FM 1 BAM FM BAM S / N Boo FM4.5FM So/No AMBAM三三. 门限效应门限效应同理2 arctga1sin(12)a2a1cos(12)小信噪比，
45、即 V(t)A( t ) ( t )V (At )sin( t ) ( t )n(t)B(t)(t)V(t)(t)0A(t)2t1t2td( t )dtt1t2tC1aa1a2O2Dn(t)参参考考线线B(t)V(t)(t)(t)0A单频正弦调制情况下，门限值以下的输出信噪比SoNoNsFM3Si3FMNiFM2SiSi24FM1 exp NiFMNiFM1.(Si/Ni)FM10dB时，输出信噪比和输入信噪比呈线性关系，即(Si/Ni)FM足够大时SoNoNsFMS 33 iFMNi FM2.FM越大，发生门限效应的转折点也越高，但转折点之上输出信噪比的改善则越明显。so/no2010743
46、2si/ni门限效应门限效应四四. 门限扩展技术门限扩展技术门限扩展技术出现门限效应的转折点尽可能向低输入信噪比方向扩展.基本方法减小鉴频前的等效带宽，从而提高等效信噪比。1. 反馈解调器的构成Si(t)乘乘法法器器Sp(t)带带 通通Sp(t)鉴鉴 频频低低 通通So(t)压控振荡器压控振荡器Sv(t)反馈解调器反馈解调器压控振荡器(Voltage Control Oscillator,VCO)瞬时频率受其输入信号控制.VCO的输出角频率v(t)=(c-I)+KVCOSo(t)VCO 输出信号为输出信号为 FM 波波 SV(t) AVCOcos c I t KVCO So(t)dt2.无失真
47、解调相乘后输出信号相乘后输出信号Sp(t) AAVCOKp cos 2 ct I t KVCO So(t)dt KFM f (t)dt 2 cos It KFM f (t)dt KVCO So(t)dt BPF输输出出Sp(t) AAVCOKpKBcos It KFM f (t)dt KVCO So(t)dt 2解解调调器器输输出出信信号号So(t) KD KFM f (t)1 KD KVCO3. 扩展门限鉴频器输入信号的瞬时角频率p( t )IKFMf ( t )KVCOSo( t )IKFMf ( t )1 KDKVCO调频波的频偏为原来的 1/(1+KDKVCO)倍=BPF的带宽是输入调
48、频信号的1/(1+KDKVCO)倍=噪声功率减小为原来的1/(1+KDKVCO)倍=鉴频器的等效信噪比提高为原来的(1+KDKVCO)倍4. 锁相环解调器Si(t)Sp(t)So(t)乘法器环路滤波器压控振荡器Sv(t)锁相环解调器锁相环解调器证明可得So(t) KFM f (t)KVCO环路滤波器的输出即基带信号,此时等效噪声带宽是调制信号频带宽度。五五. 预加重预加重/去加重技术去加重技术语音信号低频段能量大，高频段信号能量明显下降；鉴频器输出噪声的功率谱密度随频率的平方而增加。预加重(Pre-emphasis)：发送端对输入信号高频分量的提升。去加重(De-emphasis) ：解调后对
49、高频分量的压低。f(t)f(t)Hp()调 频信 道鉴 频Hd()噪 声预加重特性的选择标准解调输出的噪声功率谱具有平坦特性.预加重网络传递函数 Hp()=j去加重网络传递函数 Hd()=1/Hp()CH(f)R1R2ff1(a)(b)H(f)R1Cff1(c)(d)预加重和去加重网络预加重和去加重网络Sno()去加重后的噪声功率谱去加重后的噪声功率谱4.6 调频系统中的实际应用调频系统中的实际应用一一. FM 广播广播DSB导频导频载频载频L+RL-RL-RSCA(LSB)(USB)f01519 2338535975KHz立体声广播信号的频谱立体声广播信号的频谱二二. 卫星广播卫星广播三三.
50、 频分多址频分多址36MHzABCDEFG132 路60609624 24245.62370.62405.6242f(MHz)0.62220.6258典型转发器的频谱送往12 路超 群去卫星A12 路频 分B12 路60 路 FDM 信号调频发送多 路C12 路fc=6240MHzFDM/FM信号复 用D12 路送 送 送 送 送AABDEf0 12252(KHz)四四. 电视伴音电视伴音五五. 历史和展望历史和展望5.62370.62405.6242第五章第五章 脉冲数字调制脉冲数字调制脉冲调制时间上离散的脉冲序列作为载波.主要参数幅度、宽度和位置。脉冲模拟调制：用模拟基带信号控制脉冲序列的