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模擬通信系統

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模擬通信系統(Analog Communication System,ACS)

目錄

  • 1 什麼是模擬通信系統[1]
  • 2 模擬通信系統的組成[2]
  • 3 模擬通信系統模型[3]
  • 4 模擬通信系統的主要性能指標[4]
  • 5 模擬通信系統應用實例[4]
    • 5.1 電力線載波通信
    • 5.2 調幅廣播
    • 5.3 調頻立體聲廣播圖
  • 6 參考文獻

什麼是模擬通信系統[1]

  模擬通信系統是指利用模擬信號傳遞數據的通信系統。在模擬通信系統中,其通道中傳輸的必須是模擬信號。

模擬通信系統的組成[2]

  通道中傳輸模擬信號的系統稱為模擬通信系統。模擬通信系統的組成可由一般通信系統模型略加改變而成,如圖1所示。這裡,一般通信系統模型中的發送設備和接收設備分別為調製器、解調器所代替。
Image:模拟通信系统的组成.jpg

  對於模擬通信系統,它主要包含兩種重要變換。一是把連續消息變換成電信號(發送端信源完成)和把電信號恢覆成最初的連續消息(接收端信宿完成)。由信源輸出的電信號(基帶信號)由於具有頻率較低的頻譜分量,一般不能直接作為傳輸信號而送到通道中去。因此,模擬通信系統里常用第二種變換,即將基帶信號轉換成適合通道傳輸的信號,這一變換由調製器完成;在接收端同樣需經相反的變換,它由解調器完成。經過調製後的信號通常稱為已調信號。已調信號有三個基本特性:一是攜帶有消息

,二是適合在通道中傳輸,三是頻譜具有帶通形式,且中心頻率遠離零頻。因而已調信號又常稱為頻帶信號。

  必須指出,從消息的發送到消息的恢復,事實上並非僅有以上兩種變換,通常在一個通信系統里可能還有濾波、放大、天線輻射與接收、控制等過程。對信號傳輸而言,由於上面兩種變換對信號形式的變化起著決定性作用,它們是通信過程中的重要方面,而其他過程對信號變化來說,沒有發生質的作用,只不過是對信號進行了放大和改善信號特性等,因此,這些過程我們認為都是理想的,而不去討論它。

模擬通信系統模型[3]

  模擬通信系統(Analog Communication System,ACS)的模型如圖2所示。
Image:模拟通信系统模型.jpg

  圖2中包含以下兩種重要變換。

  (1)“連續消息↔原始電信號”,即在發送端把連續消息變換成消息信號(也稱基帶信號)。基帶的含義是指信號的頻譜從零頻(或接近零頻)開始到幾兆赫茲,如語音信號(300~3400Hz)、圖像信號(0~6MHz)。在接收端進行相反的變換。完成這種變換和反變換的是信源和信宿。

  (2)“基帶信號↔已調信號”,即把基帶信號變換成適合在通道中傳輸的信號,併在接收端進行反變換。完成這種變換和反變換的器件稱為調製器和解調器。

  應該指出,除上述的兩種主要變換外,實際通信系統中一般還有濾波、放大、天線輻射等信號處理過程。但是,上述兩種變換起主要作用,而其他處理只是對信號進行波形或性能上的改善,不會使信號發生質的變化。

模擬通信系統的主要性能指標[4]

  1.有效性

  模擬通信系統的有效性指標用傳輸頻帶寬度衡量,採用不同調製方式傳輸需要的頻帶寬度(簡稱帶寬B)不同,信號的帶寬B越小,占用通道帶寬越少,在給定通道時容納的傳。輸路數越多,有效性越好。

  需要說明的是:信號帶寬、系統帶寬與通道帶寬是有區別的。信號帶寬由信號頻譜密度或功率頻譜密度在頻域的分佈規律決定;系統帶寬由電路系統的傳輸特性決定;通道帶寬由通道的傳輸特性決定。實際工作中用得比較多的是信號帶寬和通道帶寬。其中,信號帶寬越小有效性越好,如SSB信號有效性優於FM信號;而通道帶寬越大越好,如同軸電纜、光纖傳輸媒質比電話線帶寬大,傳輸能力強。信號帶寬和通道帶寬的關係可以比喻成高速公路上的車與路的寬度,車越小,路上容納的車就越多,路的利用率越高。

  2.可靠性

  模擬通信系統的可靠性指標用接收端的最終輸出信號雜訊功率比(或Signal Noise Ratio,SNR,簡稱信噪比S/N)衡量。不同調製方式在同樣通道信噪比下所得到的最終解調輸出信噪比也不同,調頻系統的輸出信噪比大於調幅系統,故可靠性比調幅系統好,但調頻信號所需傳輸帶寬高於調幅信號,有效性變差,這反映了通信系統有效性與可靠性的矛盾。

模擬通信系統應用實例[4]

電力線載波通信

  電力線載波通信系統是採用高壓輸電線作為傳輸媒介的載波通信系統,中國使用的電力線載波通道的帶寬為40—500kHz。由於電力線載波的頻帶較窄,所以對信號採用單邊帶調製。電力線載波機利用頻率搬移,頻率分割和雙向通信原理實現傳輸線的多路復用。

  典型的音頻有效傳輸頻帶為0.3~3.7kHz(用於傳送話音、遠動、保護三種信號)。各種信號在有效傳輸頻帶內的頻率分配如圖3所示。
Image:电力线载波有效传输频带的频率分配.jpg

  電力線載波通信採用兩級單邊帶調製將話帶信號調製到適合其傳輸的高頻通道,然後用頻分復用的方式進行傳輸,從而可以充分利用通道帶寬。比如,要將一個話音信號調製到40—44kHz的高頻通道上,則需要經過兩級調製,第一級採用中頻調製,載波頻率為12kHz,取上邊帶信號,然後再對這個上邊帶信號用56kHz的載波信號進行高頻調製,取其下邊帶,即可把0~4kHz(考慮了一定的保護間隔)的話音信號調製到要求的高頻通道上。對信號進行放大後即可送入電力線載波通道進行傳輸了。

調幅廣播

  傳統的模擬調幅廣播具有覆蓋範圍廣,接收成本低,適合固定和移動接收等優點,一直被世界各國作為基本的信息傳播技術手段之一。其系統框圖如圖4所示。

Image:AM广播系统框图.jpgImage:AM广播接收机框图.jpg

  接收機的框圖如圖5所示。

調頻立體聲廣播圖

  調頻(FM)立體聲廣播(FM Stereo Broadcasting)系統也是一個FDM系統的例子。

  在普通單聲道的調頻廣播中,調製信號的最高頻率為15kHz,由卡森公式可算出調頻信號的帶寬為180kHz。由此規定各電臺之間的頻道間隔為200kHz。

  在1961年以前,所有的商用FM廣播都是單聲道的。也就是說,話音和音樂頻譜都在50Hz~15kHz的單聲道內。這個單聲道對高頻載波進行調頻,再通過州圖441AM廣播接收機框圖寬為200kHz的通道進行傳輸。在單聲道傳輸中,接收機的每個揚聲器都再生出同一個信息。用特殊的揚聲器可以將信息頻率分開(如用於低音的低音揚聲器,用於高音的高音揚聲器),但不能在空間上將單聲道聲音分開。整個信息信號好像都來自於同一個方向。

  FM立體聲廣播中,聲音在空間上被分成兩路音頻信號,一個左聲道信號L,一個右聲道信號R,頻率都在50Hz~15kHz之間。左聲道與右聲道相加形成和信號(L+R),相減形成差信號(L-R)。在調頻之前,差信號(L-R)先對38kHz的副載波進行抑制載波雙邊帶(DSB-SC)調製,然後與和信號(L+R)進行頻分復用後,作為FM立體聲廣播的基帶信號,其形成過程如圖6所示,頻譜結構如圖7所示。圖7中,0—15kHz用於傳送(L+R)信號,23kHz—53kHz用於傳送(L-R)信號,59kHz~75kHz則用作輔助通道。(L-R)信號的載波頻率為38kHz,在19kHz處發送一個單頻信號(導頻),用於接收端提取相干載波和立體聲指示。將導頻取為19kHz而不是38kHz的原因是,19kHz的導頻更容易從接收端的頻分復用信號中分離出來。在普通調頻廣播中,只發送

0~15kHz的(L+R)信號。

Image:立体声广播.jpg
  接收立體聲廣播後先進行鑒頻,得到頻分復用信號。對頻分復用信號進行相應的分離,以恢復出左聲道信號L和右聲道信號R,其原理框圖如圖8所示。
Image:立体声广播信号的调解.jpg

參考文獻

  1. ↑ 馬海軍,馮冠,倪寶童等編著.電腦網路標準教程 2010-2012版.清華大學出版社,2010.05.
  2. ↑ 張會生主編.通信原理.高等教育出版社,2011.02.
  3. ↑ 曹麗娜編著.簡明通信原理.人民郵電出版社,2011.05.
  4. 4.0 4.1 孔英會等編著.通信系統原理.機械工業出版社,2011.09.