残留边带调制技术优化方案

残留边带(VSB)调制为了降低设备制作的复杂性,若设法让一个边带通过,另一个边带不完全抑制而保留一部分,这种调制方法称为残留边带调制。

单边带信号与双边带信号相比,虽然它的频带与功率节省了一半,但是付出的代价是设备实现非常困难,如边带滤波器不容易得到陡峭的频率特性,或对基带信号各频率成分不可能都做到-90°的移相等。如果传输电视信号、传真信号和高速数据信号的话,由于它们的频谱范围较宽,而且极低频分量的也比较多,这样产生SSB信号的边带滤波器和宽带相移网络就更难实现了。为了解决这个问题,可以采用介于单边带和双边带二者之间的一种调制方式,即残留边带调制。这种调制方法不像单边带调制那样将一个边带完全抑制,也不像双边带调制那样将另两个边带完全保存。而是介于二者之间,就是让一个边带绝大部分顺利通过,同时有一点衰减,而让另一个边带残留一小部分。残留边带调制是单边带调制和双边带调制的一种折中方案。

1.工作原理

残留边带信号调制(产生)与解调(接收)的方框图如图4.2.18所示。VSB信号的解调器与双边带、单边带解调器一样,调制器中仅是乘法器后的滤波器略有区别。后面接的滤波器不同,就得到不同的调制方式,如接双边带滤波器,则得到双边带信号输出;接单边带滤波器,则得到单边带信号输出;接残留边带滤波器,则得到残留边带信号输出。三种滤波器的滤波特性如图4.2.19所示。图(a)为双边带滤波特性,(b)为上(或下)边带滤波特性,(c)为上(或下)残留边带滤波特性。

图4.2.18　VSB信号调制器和解调器原理图

通过图4.2.19(c)可以看到,残留边带滤波器的特性让一个边带绝大部分顺利通过,仅衰减了靠近fc附近的一小部分信号的频谱分量,而让另一个边带绝大部分被抑制,只保留靠近fc附近的一小部分。

图4.2.19　三种滤波器的特性

残留边带这种残留了一个边带的一部分信号,又衰减了另一个边带一小部分信号,会不会出现信号的失真呢?如果在解调时,让残留的那部分边带来补偿损失(衰减)的部分边带,那么解调后的输出信号是不会发生失真的。下面从VSB信号用相干法解调出发,分析为使残留边带信号解调后的信号不失真,对调制器中残留边带滤波器的传输特性要求。

设调制器中残留边带滤波器的传输特性为HVSB(f),根据图4.2.18可以求得残留边带信号的输出频谱为

在接收端解调残留边带信号时,将VSB信号sVSB(t)和本地载波信号cosωct相乘,它的频谱为

式(4.2.45)共有四部分,通过低通滤波器(LPF)后,LPF的截止频率为fc,滤除了二次谐波M(f-2fc)和M(f+2fc)部分,所以取出的输出信号频谱为

可以看出只要在M(f)的频谱范围内,有

这时,式(4.2.46)变为

这正是要恢复的基带信号m(t)的频谱。通常把满足式(4.2.47)的残留边带滤波器特性,称为具有互补对称特性。

为了更好地理解残留边带调制系统的工作原理,下面把图4.2.18残留边带调制系统中的各点信号的频谱画在图4.2.20中。

在图4.2.20中,图(a)为输入调制信号m(t)的频谱,基带调制信号的最高频率为fx;图(b)是双边带sDSB(t)的频谱;图(c)是残留边带滤波器的频率特性;图(d)是输出残留信号sVSB(t)的频谱;图(e)是接收端通过乘法器输出的频谱;图(f)是通过低通滤波器输出的频谱。

从图中可以看到,为了保证输出信号不失真,要求残留边带滤波器频率特性HVSB(f)在fc±b范围内,具有互补对称特性,即f=fc时HVSB(fc)=1/2,b取决于边带残留的大小,一般情况下0≤b≤fx。若f=fc+b,有HVSB(fc+b)=1;若f=fc-b,有HVSB(fcb)=0。为了方便,把残留边带正频率轴的特性重画,如图4.2.21所示。把它看作是单边带滤波特性和一个在f=fc时幅度为1/2的、对fc呈奇对称的频率特性Hb(f)之差,即(www.xing528.com)

图4.2.20　残留上边带调制系统中各点的频谱

图4.2.21　残留边带滤波特性

双边带频谱SDSB(f)通过HSSB(f)可以得到单边带信号,单边带输出的时域表示式为

双边带频谱SDSB(f)通过对fc呈奇对称的Hb(f)后,它的输出时域表示式为

残留边带信号是单边带信号与Hb(f)对m(t)cosωct响应的差,就是

式中如果)=0,式(4.2.50)变为双边带信号输出;如果(t),式(4.2.50)变为单边带信号表达式。

一般情况下,VSB信号完整的数学表达式为

式中,(t)是基带调制信号m(t)通过正交滤波器的输出;符号“-”表示残留上边带信号;符号“+”表示残留下边带信号。

比较SSB信号和VSB信号的表达式,可以看出它们的表达式形式基本相同,唯一的差别就是VSB信号中用(t)表示,而SSB信号中用(t)表示。(t)是基带调制信号m(t)通过正交滤波器HQ(ω)后产生的输出,而(t)是基带调制信号通过希尔伯特滤波器(希尔伯特变换)的输出,(t)和(t)都是正交分量,希尔伯特滤波器是一个理想的宽带π/2相移网络,而正交滤波器的传输特性比较复杂,它在|ω|＜ωb(在ωc-ωb到ωc+ωb范围内,边带滤波器特性呈互补对称特性)范围内具有衰减特性。只有在|ω|＞ωb后才有π/2相移特性。正交滤波器的传输特性如图4.2.22所示。

图4.2.22　正交滤波器的传输特性

2.发送功率PVSB和频带宽度BVSB

满足残留边带滤波器特性具有互补特性线型不仅仅是直线,还可能是其他曲线,如余弦形、对数形等,它们只要具有互补对称特性,也都能满足不失真解调的要求。互补对称特性波形的不同,其信号的功率也不同,因此,要准确地求出VSB信号的平均功率是比较困难的。VSB信号的功率值介于单边带和双边带信号功率之间,即大于单边带而小于双边带信号的功率。

VSB信号的频带宽度介于单边带和双边带之间,即