通信系统基础
核心思想:通信系统通过调制(Modulation)将信息信号嵌入适合传输的载波中,在接收端通过解调(Demodulation)恢复原始信号。幅度调制(AM)、频率调制(FM)、频分复用(FDM)和时分复用(TDM)是通信系统的基本范式。
1. 幅度调制(AM)基本原理
1.1 调制模型
将信息信号 (调制信号)乘以载波 产生已调信号:
载波有两种常用形式:
| 载波类型 | 表达式 | 已调信号频谱 |
|---|---|---|
| 复指数载波 | (单边搬移) | |
| 正弦载波 | (双边搬移) |
1.2 关键区别
- 复指数载波:频谱仅搬移到 , 可通过乘以 直接恢复,对 无约束
- 正弦载波:频谱同时搬移到 ,需满足 (信号最高频率)才能避免频谱重叠
2. 正弦 AM 解调
2.1 同步解调(Synchronous Demodulation)
已调信号再乘以相同载波,然后通过低通滤波器:
低通滤波器(增益 2,截止频率 满足 )提取 项,恢复 。
相位不同步的影响:若解调载波相位为 、调制载波相位为 ,低通输出为 。相位差 时输出为零!
2.2 异步解调(Asynchronous Demodulation)
在调制端加入直流偏置使信号恒正:
接收端用包络检波器(二极管 + RC 电路)直接跟踪包络,无需本地载波同步。
- 调制指数:()
- 越大→载波功率占比越小→发射效率越高,但包络检波精度越差
- 权衡:发射功率效率 vs 接收机复杂度(公共广播偏好奇异解调以降低接收机成本)
3. 频分复用(FDM)
多路信号用不同载波频率调制后叠加传输:
- 各路信号占据不同频段,互不重叠
- 解复用:带通滤波选择特定频道 → 解调恢复原始信号
- 典型应用:AM 广播(~1 MHz 频段)、电话通信、有线电视
- 超外差接收:用中频(IF)级固定带通滤波器替代可调谐滤波器
4. 单边带调制(SSB)
正弦 AM 的双边带信号在正负频率处各有一个镜像边带,只需保留一个即可:
| 类型 | 缩写 | 带宽 | 复杂度 |
|---|---|---|---|
| 双边带含载波 | AM-DSB/WC | 低 | |
| 双边带抑载波 | AM-DSB/SC | 中 | |
| 单边带抑载波 | AM-SSB/SC | 高 |
实现方法:
- 滤波法:对 DSB 信号用锐截止高/低通滤波器去除不需要的边带
- 相移法:利用 移相网络 产生正交分量,相加/减抵消一个边带
5. 脉冲串载波调制与时分复用(TDM)
5.1 脉冲串载波调制
用周期脉冲串 (周期 ,脉宽 )作为载波:
为间隔 的冲激串,傅里叶系数 ,故:
当 (Nyquist 条件)且 时,可用低通滤波器恢复 。
5.2 时分复用(TDM)
- 脉冲串调制信号仅在脉宽 期间非零,其余时间可传输其他信号
- 各路信号分配不同时隙(每 秒重复的宽度 的时间槽)
- 越小,可复用路数越多
- 解复用:时间门控(Time Gating)选择对应时隙
FDM vs TDM:FDM 给各路分配不同频段,TDM 给各路分配不同时段。
6. 脉冲幅度调制(PAM)与码间干扰
6.1 PAM 信号
用采样值 调制脉冲序列的幅度(而非传输时间切片):
其中 为脉冲波形(如矩形脉冲 = 采样保持)。只要采样率 , 可精确恢复。
6.2 码间干扰(ISI)
信道带宽受限或群延迟不恒定导致脉冲展宽,相邻脉冲重叠:
- 解决方案:使用带限脉冲 ,使其在其他采样时刻过零
- sinc 脉冲:,在 ()处为零
- 更一般地,满足升余弦(raised cosine)等 Nyquist 脉冲条件的频谱形状均可消除 ISI
6.3 数字 PAM 与 PCM
- 数字 PAM: 量化为有限幅度值,用有限种脉冲幅度传输
- PCM(脉冲编码调制):每个采样编码为二进制序列,每位用两种幅度之一的脉冲传输
- 可附加奇偶校验等编码实现差错检测/纠正
7. 正弦频率调制(FM)
7.1 角度调制概述
载波 ,角度调制用 控制 :
| 调制方式 | 已调信号 | 瞬时频率 |
|---|---|---|
| 相位调制(PM) | ||
| 频率调制(FM) |
FM 的优势:包络恒定 → 发射机可始终工作于峰值功率;信道幅度扰动可被接收端消除。
7.2 窄带 FM()
设 ,调制指数 :
- 频谱与 AM-DSB/WC 类似(载波 + 边带),但载波与边带有 相位差
- 边带带宽 = 调制信号带宽(与 无关)
7.3 宽带 FM( 大)
- 频谱含载波 及无穷多边带
- 有效边带带宽(Bessel 函数衰减):
- 带宽远大于调制信号带宽,且正比于调制信号幅度
7.4 FM 解调
- 微分 + 包络检波:FM → 微分转化为 AM → 包络检波恢复
- 锁相/鉴频:直接跟踪相位或频率变化
8. 离散时间调制
8.1 DT 正弦 AM
频域为周期卷积:
- 复指数载波 :,解调用
- 正弦载波 :频谱在 处复制,需满足:
(第二项约束来自 DT 频谱 周期性,CT 中无此约束)
8.2 DT 频分复用与转调制
- M 路 DT FDM:各路带宽限制在 ,需先升采样(upsample)再调制叠加
- 转调制(Transmodulation):在离散域实现 TDM↔FDM 转换,避免不必要的 D/A 和 A/D 转换
9. 初学者要点
- 调制 = 频谱搬移:乘以载波使信号频谱移至适合传输的频段
- 同步解调需相位锁定,异步解调用包络检波但需发射载波分量(功率浪费)
- FDM 分频段,TDM 分时段——两种基本的多路复用策略
- FM 用带宽换抗噪性:宽带 FM 带宽远大于 AM,但抗干扰能力更强
- DT 调制与 CT 调制原理相同,但需额外注意频谱 周期性带来的约束
参见
- 连续时间傅里叶变换 — 乘法性质是 AM 分析的基础
- 离散时间傅里叶变换 — DT 调制的频域分析
- 采样定理与信号重建 — PAM 与采样的关系
- 信号与系统的时频特性 — 群延迟与 ISI
- Oppenheim Signals and Systems 2e 深度解析 — Ch.8 来源页