最新CT_EE3樊昌信《通信原理》(第六版)课件PPT.ppt 102页

'CT_EE3樊昌信《通信原理》(第六版) 第三章模拟线性调制通信原理2 引言基本概念调制:把信号转换成适合信道传输形式的过程。调制信号:来自信源的基带信号。载波:未受调制的周期性振荡信号，可以是正弦波，也可以是脉冲波。已调信号:载波受调制后称为已调信号。解调:调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。3 3.1.1常规调幅(AM)常规调幅(AM)时域频谱9 3.1.1常规调幅(AM)上边带上边带下边带下边带载频分量载频分量10 3.1.1常规调幅(AM)设调制信号为单频余弦信号则调幅信号为调幅指数（调制指数）正常调制，一般在30-60%之间满调制过调制带宽:为基带信号最高频率fH的二倍11 3.1.1常规调幅(AM)功率设调制信号无直流分量则只有边带功率才与调制信号有关。因此，从功率上讲，AM信号的功率利用率比较低。12 3.1.1常规调幅(AM)调制效率(边带功率与总功率之比)若则当则13 3.1.1常规调幅(AM)【例】已知一个AM广播电台输出功率是50KW，采用单频余弦信号进行调制，调制幅度为0.707。计算调制效率和载波功率；如果天线用50Ω电阻负载表示，求载波的峰值幅度。14 3.1.1常规调幅(AM)【例】解：15 3.1.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）Double-sidebandSuppressedCarrier将AM信号中的A0去掉，即可输出DSB信号。16 3.1.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）表达式频谱带宽：为基带信号最高频率fH的二倍功率调制效率17 3.1.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）DSB-SC信号的波形和频谱18 3.1.2抑制载波双边带调制（DSB-SC）DSB-SC信号的特点（与AM信号相比）需采用相干解调(同步检波)，不能采用简单的包络检波。在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180°的突变。DSB-SC信号功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。19 3.1.3调制与解调1.调制DSB与AM调制过程均是相乘运算。核心部件是相乘器，调制过程是频谱搬移过程。设任意周期双极性信号c(t)，其傅氏级数为与调制信号相乘输出表达式频谱无载频分量和调制信号，只有±nωC分量。20 3.1.3调制与解调集成模拟乘法器21 3.1.3调制与解调集成模拟乘法器的调制电路22 3.1.3调制与解调集成模拟乘法器的调制电路23 3.1.3调制与解调双平衡环形调幅器实现DSB当载波为正半周时D1、D3导通，D2、D4截止，相乘器输出信号极性与K(t)相同，相当K(t)乘+1；当载波为负半周时D2、D4导通，D1、D3截止，相乘器输出信号极性与K(t)相反，相当K(t)乘-1。24 3.1.3调制与解调2．解调解调的目的时域：恢复调制波形；频域：提取调制信号频谱，频谱搬回原点。（1）相干解调难点：提载，相干载波，DSB只能用相干解调。25 3.1双边带调幅若本地载波与发送载波，频差为△ω，相差为△θ。分析对解调结果的影响。设本地载波信号为ci(t)=cos(ωCt+△ωt+△θ)相乘后得SDSB(t)ci(t)=m(t)cosωCt·cos(ωCt+△ωt+△θ)=1/2[m(t)cos(△ωt+△θ)]+1/2[m(t)cos(2ωCt+△ωt+△θ)]经低通滤波后输出为Sd(t)=1/2[m(t)cos(△ωt+△θ)]26 3.1双边带调幅讨论：二种特殊情况：①设△ω=0，△θ≠0。Sd(t)=1/2[m(t)cos(△θ)]当二载波只存在相差时（△θ=常数），解调后输出信号幅度被衰减，但信号不失真；当△θ=±π/2时Sd(t)=0；△θ>π/2时Sd(t)不仅幅度衰减，且反号，对模拟信号无影响，但数字信号会引起错误。27 3.1双边带调幅讨论：二种特殊情况：②设△ω≠0，△θ=0。Sd(t)=1/2[m(t)cos(△ωt)]当二载波只存在频差时，解调输出仍为双边带调幅信号（此时载频为△ω），故有明显失真。△ω较小时,输出受到时变衰减。如为话音输出，音量会有周期性变化。28 3.1.3调制与解调（2）包络检波（包平方率检波）RC的取值范围为：其中，fm是调制信号的最高频率，fC是载频。29 3.1.3调制与解调（2）包络检波（包平方率检波）检波器输出近似为：为了简化载波分量的提取，可在发送端插入载波（插入导频—相干载波）方式（载波功率可小于AM中载波功率），这样可用包络检波。30 目录3.1双边带调幅3.2单边带调制（SSB）3.3残留边带调制（VSB）3.4线性调制和解调的一般模型3.5线性调制系统的抗噪声性能31 3.2单边带调制（SSB）(Single-sideband)双边带信号中任一边带都含调制信号的全部信息，从传输信息目的看，传送其中一个边带就足够了。这种方式称单边带调制。单边带信号的产生方法：滤波法和相移法。技术难点：滤波法：滤波器要求在fc具有陡峭的截止特性。改进：采用多级调制滤波的方法。相移法：宽带相移网络。改进：Hilbert滤波器32 3.2.1.用滤波法形成单边带信号HSSB(ω)为单边带滤波器的传递函数上边带滤波器和下边带滤波器的传递函数为：33 3.2.1.用滤波法形成单边带信号34 3.2.1.用滤波法形成单边带信号35 3.2.1.用滤波法形成单边带信号实际滤波器有过渡带△f，要求调制信号上、下边带间有一定间隔△B。仅当△f≤△B时滤波器方可实现。归一化衰减系数α=Δf/fC，α愈小滤波器愈难实现(要求≥10-3).36 3.2.1.用滤波法形成单边带信号改进：多级滤波法37 3.2.1.用滤波法形成单边带信号【例】载频fC2=10MHz,话音300～3400Hz,滤波器归一化衰减系数10-3.试设计SSB方案。[解]若采用一级调制、△B=600Hz，此时，α=6×10-5<10-3，无法实现。若采用二级调制、滤波方案，取α2=2×10-2△B2=α2×fC2=200kHzfC1=1/2（△B2）=100kHzα1=Δf/fC1=ΔB1/fC1=600/（100×10-3）=6×10-3如图：38 3.2.1.用滤波法形成单边带信号本方法的缺点是：即使采用多级滤波法加宽了边带间隔，也要求信号低频fL不能太低。当调制信号中含有直流或低频分量时滤波法不适用。39 3.2.2.用相移法形成单边带信号（1）单频调制（2）Hilbert变换40 3.2.2.用相移法形成单边带信号（1）单频调制单频调制信号：41 3.2.2.用相移法形成单边带信号（1）单频调制42 3.2.2.用相移法形成单边带信号（2）Hilbert变换引人Hilbert变换的意义：1.实信号复数表示的必要性，利用解析信号简化窄带信号的分析。2.利用Hilbert传递函数的相移特性实现SSB调制。43 3.2.2.用相移法形成单边带信号（2）Hilbert变换单频SSB调制信号：任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和。44 3.2.2.用相移法形成单边带信号（2）Hilbert变换45 3.2.3.单边带信号的解调单边带信号包络不能反映调制信号波形。单频正弦调制时单边带信号也是单频正弦信号，但频率改变。单边带信号也是一种抑制载波信号，只能用相干解调。46 3.2.3.单边带信号的解调单边带信号时域为相乘后输出低通滤波器输出【例】用0~3000Hz的信号调制载频为20.000MHz的载波产生SSB信号，用下图超外差接收机解调，两级混频器的本机振荡频率分别为f0和fd，f0高于输入信号频率，中频放大器通带10.000~10.003MHz。求①如是上边带信号，试确定f0和fd②如是下边带信号，试确定f0和fd47 3.2.3.单边带信号的解调[解]①上边带时，输入为20.000~20.003MHz，因f0高于输入信号频率，有：f0-(20.000~20.003)=(10.003~10.000)MHz∴f0=30.003MHzfd-(10.003~10.000)=(0~0.003)MHz∴fd=10.003MHz48 3.2.3.单边带信号的解调[解]②下边带信号时，输入为20.000~19.997MHz，因f0高于输入信号频率，有:f0-(20.000~19.997)=(10.000~10.003)MHz∴f0=30.000MHz(10.000~10.003)-fd=(0~0.003)MHz∴fd=10.000MHz49 3.2单边带调制（SSB）SSB信号的特点：不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH=BDSB/2。SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。滤波法中的滤波器和相移法中的宽带相移网络较难制作。50 目录3.1双边带调幅3.2单边带调制（SSB）3.3残留边带调制（VSB）3.4线性调制和解调的一般模型3.5线性调制系统的抗噪声性能51 3.3残留边带调制（VSB）VestigialSideband介于SSB与DSB之间折中的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难点。保留一个边带的绝大部分（不是全部），同时保留另一个边带的一小部分（其残留一小部分）。52 3.3残留边带调制（VSB）DSB、SSB和VSB信号的频谱53 3.3.1.残留边带信号的产生从原理上，VSB可用移相法，但一般采用滤波法。54 3.3.2.残留边带信号的解调残留边带信号也是抑制载波的已调信号——只能用相干解调。乘法器输出频谱LPF选择合适的截止频率，得到55 3.3残留边带调制（VSB）为保证相干解调结果不失真，必须满足其中，ωH为调制信号的最高频率要求：滤波器的衰减特性（滚降特性）满足互补对称性。56 阴影面积相等空白面积相等57 3.3残留边带调制（VSB）VSB的特点：BVSB=BSSB;实现容易；只要HVSB(ω)在±ωc处滚降形状具有互补对称特性（奇对称），采用相干解调法解调残留边带信号就能够准确地恢复所需的基带信号。58 目录3.1双边带调幅3.2单边带调制（SSB）3.3残留边带调制（VSB）3.4线性调制和解调的一般模型3.5线性调制系统的抗噪声性能59 3.4线性调制和解调的一般模型线性调制的规律线性调制是指已调信号与调制信号的频谱呈线性对应关系。线性调制信号产生的一般模型滤波法一般模型相移法一般模型线性调制信号解调的一般模型相干解调非相干解调－－包络检波载波插入法解调（需要相干载波）60 3.4.1线性调制信号产生的一般模型1.滤波法一般模型时域频域61 3.4.1线性调制信号产生的一般模型2.相移法一般模型已调信号时域展开设令上式两项均为双边调制。第一项为同相分量，第二项为正交分量。SI(t)、SQ(t)分别为同相分量和正交分量的幅度。62 3.4.1线性调制信号产生的一般模型I:in-phase，Q:quadratureHI(ω)和HQ(ω)是同相和正交基带滤波器DSBHI(ω)=1，HQ(ω)=0SSBHI(ω)=1，HQ(ω)为Hilbert滤波器VSBHI(ω)=1，HQ(ω)为正交滤波器63 3.4.2线性调制信号解调的一般模型1.相干解调相干解调适合所有线性调制，但接收必须产生与调制载波同频同相的相干载波。64 3.4.2线性调制信号解调的一般模型2.非相干解调－－包络检波仅适用于AM调制，因包络中含有调制信号的信息。3.载波插入解调在接收端插入足够大的相干载波，再用包络检波解调瞬时幅度与瞬时相位:65 3.4.2线性调制信号解调的一般模型由于载波幅度远大于信号幅度瞬时幅度简化对sa(t)包络检波，得A(t)；再滤去直流，得载波可在接收端插入，也可在发送端插入。后者使接收机简化，如地面电视广播亮度信号采用残留边带调制，可用包络检波。66 目录3.1双边带调幅3.2单边带调制（SSB）3.3残留边带调制（VSB）3.4线性调制和解调的一般模型3.5线性调制系统的抗噪声性能67 3.5线性调制系统的抗噪声性能用dB值表示信噪比:10lg(S/N)，无量纲声音功率倍数：增强10倍；增强100倍；增强1000倍人耳的感觉：增加1倍；增加2倍；增加3倍人耳的感觉与声音功率倍数的对数成正比，使用dB值符合人体感官规律。对于不同调制方式，定义信噪比增益在相同的输入功率条件下，通过比较不同系统的信噪比增益，能说明系统的抗噪声性能。68 带通滤波器中心频率3.5.1通信系统抗噪声性能分析模型ni(t)为平稳窄带高斯白噪声均值方差平均功率69 3.5.1通信系统抗噪声性能分析模型带通滤波器传递函数若白噪声的双边功率谱密度为n0/2，则有70 3.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能1．双边带调制相干解调解调器输入信号窄带噪声71 3.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能相乘输出低通滤波器输出输入信号平均功率输入噪声平均功率（W为调制信号m(t)带宽）输入信噪比72 3.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能输出信号平均功率输出噪声平均功率输出信噪比DSB信噪比增益结论：DSB信噪比增益为2，即用DSB方式信噪比改善一倍。这是因为用相干解调，使输入噪声中的一个正交分量被消除。73 3.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能2．单边带调制相干解调解调器输入信号（“-”为上边带，“+”为下边带）窄带噪声74 3.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能2．单边带调制相干解调相乘输出（以上边带为例）75 3.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能低通滤波器输出输出信号平均功率输出噪声平均功率输出信噪比76 3.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能输入信号平均功率与两者幅度谱相同，只是相位谱不同。输入噪声平均功率77 3.5.2线性调制相干解调的抗干扰性能输入信噪比SSB信噪比增益DSB、SSB的抗干扰性能比较：GSSB=1，GDSB=2并不等于DSB的抗干扰性能优于SSB。DSB输入信号平均功率SSB输入信号平均功率78 DSBSSBSSB’BG211相干解调抗噪声性能比较79 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能解调器输入信号输入信号功率输入噪声输入噪声功率80 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能解调器输入信噪比解调器输入端信号和噪声合成波形理想包络检波器输出为E(t),它与信号和噪声间存在非线性关系，包络检波器输出分两种情况讨论。81 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能1.大信噪比情况输出信号平均功率输出噪声平均功率82 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能输出信噪比信噪比增益结论：1.一般情况所以GAM总小于1，说明解调器对输入信噪比无改善，而是恶化了。2.调制信号为单频时信噪比增益GAM恰好是调制效率ηAM的二倍。83 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能3.可以证明，若采用相干解调时，AM信号的信噪比增益GAM与上面给出的结果相同。由此可见，对于AM调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的性能与同步检波器（相干解调）时的性能几乎一样。但应该注意，后者的信噪比增益不受信号与噪声相对幅度假设条件的限制。2.小信噪比情况84 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能式中幂级数展开得85 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能信噪比小到一定程度，上式中不存在单独的m(t)项，即信号与噪声无法分开。这时无法通过包络检波恢复出信号（信号被噪声淹没）。这种现象称“门限效应”。是由包络检波的非线性解调引起。输出信噪比近似公式86 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能设AM信号包络检波抗噪声性能的特点：存在门限效应，也只能看作是噪声，输出信噪比急剧下降；相干解调不存在门限效应；结论：在大信噪比情况下，包络检波的性能与相干解调相同；但随着信噪比的减小，包络检波会才出现门限效应，致使解调器的输出信噪比急剧下降。87 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能【例】对单频AM进行包络检波。设每边带功率为10mW，载波功率为100mW。接收机带通滤波器带宽为10kHz，信道噪声单边功率谱密度为5×10-9W/Hz。①求解调器输出信噪比；②如改为DSB-SC，其性能优于AM多少分贝？[解](1)∵BAM=10kHz，其调制效率和解调信噪比增益分别为输入信噪比为输出信噪比为88 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能【例】对单频AM进行包络检波。设每边带功率为10mW，载波功率为100mW。接收机带通滤波器带宽为10kHz，信道噪声单边功率谱密度为5×10-9W/Hz。①求解调器输出信噪比；②如改为DSB-SC，其性能优于AM多少分贝？[解](2)如改为DSB-SC，其功率与AM相同，即Si=120mW，因两种信号带宽相同，所以输入噪声功率也相同，故Si/Ni=2400相同。输出信噪比为DSB优于AM性能用Γ表示，有89 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能【例】对DSB和SSB分别进行相干解调，接收信号功率为2mW，噪声双边功率谱密度为2×10-9W/Hz，调制信号最高频率为4kHz。①比较解调器输入信噪比；②比较解调器输出信噪比。[解]SSB信号输入信噪比和输出信噪比分别为DSB信号输入信噪和输出信噪比分别为90 3.5.3常规调幅包络检波的抗干扰性能【例】对DSB和SSB分别进行相干解调，接收信号功率为2mW，噪声双边功率谱密度为2×10-9W/Hz，调制信号最高频率为4kHz。①比较解调器输入信噪比；②比较解调器输出信噪比。[解]输入信噪比的比较为输出信噪比的比较为计算结果表明两种信号的抗干扰性能相同。91 本章结束第三章模拟线性调制92 肌电图在小儿神经肌肉疾病中的应用 1.肌电图学的定义2.肌电图仪器的硬件组成3.肌电图检查能为临床提供哪些帮助，其意义所在4.神经传导检测5.同心圆针肌电图6.F波7.肌电图在脑瘫中的应用 肌电图学的定义肌电图学是研究神经和肌肉细胞电活动的科学。狭义的肌电图学是指以同心圆针插入肌肉中，收集针电极附近一组肌纤维的动作电位，以及在插入过程中，肌肉处于静息状态下，肌肉作不同程度随意收缩时的电活动。广义的肌电图学，还包括神经传导、神经重复电刺激等有关周围神经、神经肌肉接头和肌肉疾病的电诊断学。电生理检测在神经源性疾病和肌源性疾病的鉴别诊断方面，以及对神经病变的定位、损害程度和预后判断方面具有重要价值。 肌电图仪器的硬件组成刺激器可产生不同强度和刺激时限的电流，并可通过软件设定不同的刺激方式放大器接受记录电极传入的信号进行处理主机采用计算机对信号进行处理，并进行存储，也是肌电图操作系统运行的硬件基础。主要包括CPU、内存、主板、硬盘、键盘等计算机系统。显示器以及音箱显示器可显示程序运行、操作以及结果等内容，音箱用于监听声音电极及其导线包括刺激电极和记录电极以及地线。临床最常用的电极为表面电极和针电极。肌电图检查最常用的电极为同心圆针电极。打印机输出结果 肌电图检查能为临床提供哪些帮助，其意义所在肌电图时一种测定运动系统功能的手段，现已被广泛应用于区别肌肉力弱和肌萎缩是肌病所致或神经源性疾病所致，还是其他原因所致。具体说来，第一，通过针电极肌电图，对躯体不同部位肌肉的测定，可了解：肌肉病变是属于神经源性损害，还是肌源性损害；神经源性损害的部位（脊髓前角细胞或运动根、神经从、干、末梢）；病变是活动性还是慢性；神经的再生能力；提供肌强直及其分类的诊断和鉴别诊断依据。第二，通过表面电极肌电图，进行运动、感觉神经传导检测，可用于弥漫性多发性神经病的诊断；某个局灶病变的确定；神经损伤的评价。当然，肌电图也可以行脑干听觉、视觉诱发电位检查。我们临床工作中，常见哪些情况可以行肌电图检查辅助诊治？比如：肢体无力，肢体麻木，运动功能障碍，格林巴利综合征的辅助诊断及预后判断，肌肉萎缩，跛行等。 神经传导检测神经传导检测的前提是，给予刺激使神经纤维去极化，然后记录所诱发的反应。沿感觉神经或混合神经（既有感觉也有运动纤维）的行程中，可进行直接记录。冲动传播时，可在刺激点的近端和远端进行记录。对于运动神经的检测，可从肌肉上间接记录。检测内容：包括感觉神经传导速度（SCV）和运动神经传导速度（MCV），测定参数包括：感觉神经动作电位波幅、面积、时限，运动神经远端潜伏期，复合肌动作电位波幅、面积、时限。神经传导检测的应用：了解神经病变程度、病变范围、鉴别神经受损类型为脱髓鞘或轴索损害，轴索损害表现为感觉神经动作电位波幅明显下降，传导速度正常。脱髓鞘表现为感觉或运动传导速度明显减慢，波幅正常。多发性周围神经病、运动神经元病、神经根与神经丛病、嵌压性神经损害的诊断等。神经传导检测最常用于儿科神经系统疾病诊断的有：1.婴儿型脊肌萎缩症。常见表现为：复合肌动作电位波幅明显减低，传导速度轻度减慢，感觉传导检测基本正常。2.格林巴利综合征。常见表现为：多灶传导阻滞；神经传导速度明显减慢，伴有远端潜伏期和F波潜伏期延长，F波出现率下降；不同程度的失神经改变。格林巴利综合征无力和感觉缺失是传导阻滞与轴突变性所致。复合肌动作电位波幅正常是可以独立行走的有力依据。 同心圆针肌电图定义如上述检测内容：安静状态下插入电位和自发电位；轻收缩时的运动单位电位时限、波幅和多相波百分比；重收缩时可见运动单位的募集相型和波幅。临床应用：明确神经源性损害（轴索损害）和肌源性损害；有助于判断神经源性损害的范围或节段；提示病变的活动情况和神经再生情况。同心圆针肌电图最常用于儿科神经系统疾病诊断的有：1.婴儿型脊肌萎缩症。表现为大量纤颤电位和正向波。运动单位电位的募集较差。由于侧枝芽生和纤维密度增高，运动单位电位波幅增高、时限增宽。病变晚期，运动单位电位要么异常的大，要么异常的小，不会介于两者之间而出现正常的运动单位电位。2.肌营养不良症，多Duchenne型肌营养不良。患儿3-5岁起病，表现为容易跌倒、行走、奔跑、上楼梯困难，逐渐出现以足尖走路和鸭步。90%病例有腓肠肌假性肥大，即容积增大而肌力不增加。各种肌酶尤以磷酸肌酸肌酶增高明显。肌电图为典型的肌源性损害，即运动单位电位时限缩短、波幅降低、多相波百分比增高以及早募集，可有纤颤电位及正向波出现。晚期肌纤维化，插入电位缺如。肌电图表现不易与可治的儿童型多发性肌炎或皮肌炎鉴别。应结合临床病程进展的快慢、遗传史以及亲属的临床和血清学结果加以鉴别。 F波由于传统的神经传导检测不包括神经的近端段，我们可以用F波来弥补近端运动神经传导测定的不足。F波是经过运动纤维近端的传导又由前角细胞兴奋后返回的电位。F波是在肌肉动作电位M波之后的一个小的肌肉动作电位。其电兴奋是先离开肌肉记录电极而朝向脊髓，然后再由前角细胞回返到远端记录的肌肉上来。F波测定在儿科的应用格林巴利综合征：最早发现异常是在病发后第八天，表现为出现率明显低下，F波潜伏期延长，传导速度为正常低限。 肌电图在脑瘫中的应用脑瘫病人肌肉无力或痉挛，属中枢性损害。肌电图检查，静息状态及轻收缩无明显异常。对肌张力明显增高的患儿，可行靶肌肉转折/波幅分析，如静息状态下，靶肌肉转折/波幅分析每秒转折数平均大于100次，提示该肌肉明显痉挛。否则应结合临床，考虑肌腱挛缩。对痉挛明显的，欲行肉毒素治疗的患者，可起到指导作用。定位靶肌肉，寻找每秒转折数最大的位点为注射点，提高注射疗效。对肉毒素注射后恢复期的患儿，也可行转折/波幅分析了解肌肉痉挛缓解程度，判断疗效及预后。 谢谢！'