第5章_2_模拟调制系统课件

1通通 信信 原原 理理冯冯 熳熳东南大学信息科学与工程学院东南大学信息科学与工程学院1通 信 原 理冯 熳2通信原理第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统2通信原理第5章 模拟调制系统3卡森公式卡森公式调频信号带宽：调频信号带宽：（WBFM）调频信号的带宽：调频信号的带宽：设设fm是是调调制制信信号号的的最最高高频频率率，mf是是最最大大频频偏偏 f 与与 fm之比之比。5.3 非线性调制(角度调制)的原理n宽带调频（宽带调频（WBFM）（NBFM）3卡森公式调频信号带宽：（WBFM）调频信号的带宽：5.3 4【例例5.1】调调频频广广播播中中规规定定的的最最大大频频偏偏 f为为75kHz，最最高高调调制制频频率率fm为为15kHz，求调频指数求调频指数mf和和FM信号的频带宽度？信号的频带宽度？【解解】调调频频指指数数mf 5，FM信信号号的的频频带宽度为带宽度为180kHz。5.3 非线性调制(角度调制)的原理45.3 非线性调制(角度调制)的原理5l 调频信号的产生调频信号的产生p直接调频法直接调频法：用调制信号直接去控制载波：用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。地变化。方框图方框图：LC振荡器：用变容二极管实现直接调频。振荡器：用变容二极管实现直接调频。5.3 非线性调制(角度调制)的原理5 调频信号的产生直接调频法：用调制信号直接去控制载波振荡器6直接调频法的主要优缺点：直接调频法的主要优缺点：优点优点：可以获得较大的频偏。：可以获得较大的频偏。缺点缺点：频率稳定度不高：频率稳定度不高改进途径改进途径：采用如下锁相环（：采用如下锁相环（PLLPLL）调制器）调制器 5.3 非线性调制(角度调制)的原理6直接调频法的主要优缺点：5.3 非线性调制(角度调制)的原7p间接法调频间接法调频 阿姆斯特朗（阿姆斯特朗（Armstrong）法）法 原原理理：先先将将调调制制信信号号积积分分，然然后后对对载载波波进进行行调调相相，即即可可产产生生一一个个窄窄带带调调频频(NBFM)信信号号，再经再经n次倍频器得到宽带调频次倍频器得到宽带调频(WBFM)信。信。方框图方框图 5.3 非线性调制(角度调制)的原理7间接法调频 阿姆斯特朗（Armstrong）法 5.38间接法产生窄带调频信号间接法产生窄带调频信号 5.3 非线性调制(角度调制)的原理8间接法产生窄带调频信号5.3 非线性调制(角度调制)的原理9 经经n n次次倍倍频频后后可可以以使使调调频频信信号号的的载载频频和和调调频频指数增为指数增为n n倍。倍。倍倍频频器器的的作作用用是是提提高高调调频频指指数数mf，可可以以用用非非线线性性器器件件实实现现，然然后后用用带带通通滤滤波波器器滤滤去去不需要的频率分量。不需要的频率分量。以理想平方律器件为例，其输入以理想平方律器件为例，其输入/输出特性为：输出特性为：若若则则5.3 非线性调制(角度调制)的原理9 经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数105.3 非线性调制(角度调制)的原理倍频器在提高相位偏移的同时，使载波频率倍频器在提高相位偏移的同时，使载波频率提高了，因此需要用提高了，因此需要用混频器混频器进行下变频来解进行下变频来解决此问题。决此问题。间接调频法的主要优缺点：间接调频法的主要优缺点：优点优点：频率稳定度高：频率稳定度高 缺点缺点：需要多次倍频和混频，因此电：需要多次倍频和混频，因此电 路较复杂。路较复杂。105.3 非线性调制(角度调制)的原理倍频器在提高相位偏移11p 非相干解调非相干解调 由由于于调调频频信信号号的的瞬瞬时时频频率率正正比比于于调调制制信信号号的的幅幅度度，因因而而调调频频信信号号的的解解调调器器必必须须能能产产生正比于输入频率的输出电压。（生正比于输入频率的输出电压。（鉴频器鉴频器）5.3 非线性调制(角度调制)的原理l 调频信号的解调调频信号的解调11 非相干解调 由于调频信号的瞬时频率正125.3 非线性调制(角度调制)的原理Kd为鉴频器灵敏度为鉴频器灵敏度振幅鉴频器振幅鉴频器125.3 非线性调制(角度调制)的原理Kd为鉴频器灵敏度振135.3 非线性调制(角度调制)的原理限限幅幅器器的的作作用用是是消消除除信信道道中中噪噪声声和和其其他他原原因因引起的调频波的幅度起伏；引起的调频波的幅度起伏；带带通通滤滤波波器器是是让让调调频频信信号号顺顺利利通通过过，同同时时滤滤除带外噪声及高次谐波分量；除带外噪声及高次谐波分量；微微分分器器的的作作用用是是把把幅幅度度恒恒定定的的调调频频波波变变成成幅幅度和频率都随调制信号度和频率都随调制信号m(t)m(t)变化的调幅调频波；变化的调幅调频波；包包络络检检波波器器则则将将幅幅度度变变化化检检出出并并滤滤去去直直流流，再经低通滤波后即得解调输出。再经低通滤波后即得解调输出。135.3 非线性调制(角度调制)的原理限幅器的作用是消除信145.3 非线性调制(角度调制)的原理p 相干解调相干解调145.3 非线性调制(角度调制)的原理 相干解调155.4 调频系统的抗噪声性能l调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。p相相干干解解调调仅仅适适用用于于窄窄带带调调频频信信号号，且且需需同同步步信号，故应用范围受限；信号，故应用范围受限；p非非相相干干解解调调适适用用于于窄窄带带和和宽宽带带调调频频信信号号，而而且且不不需需同同步步信信号号，因因而而是是FMFM系系统统的的主主要要解解调调方式。方式。155.4 调频系统的抗噪声性能调频信号的解调有相干解调和非165.4 调频系统的抗噪声性能调频信号调频信号输入功率输入功率输入噪声功率输入噪声功率输入输入SNRSNRu 输输入入信信噪噪比比计计算：算：165.4 调频系统的抗噪声性能调频信号输入功率输入噪声功率175.4 调频系统的抗噪声性能u输出信噪比计算输出信噪比计算p大信噪比情况大信噪比情况 为为简简化化结结果果，考考虑虑单单一一频频率率余余弦弦波波的的情况，即情况，即:则调频信号为：则调频信号为：其中：其中：175.4 调频系统的抗噪声性能输出信噪比计算 18输出输出SNRSNRSNRSNR增益增益 当宽带调频时当宽带调频时SNRSNR增益增益5.4 调频系统的抗噪声性能当当 时时18输出SNRSNR增益 当宽带调频时SNR增益5.4 调频19 上式结果表明，在大信噪比情况下，宽上式结果表明，在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益是很高的，即抗噪声带调频系统的制度增益是很高的，即抗噪声性能好。性能好。例如，调频广播中常取例如，调频广播中常取mf=5，则制度增，则制度增益益GFM=450。也就是说，。也就是说，加大调制指数，可加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善使调频系统的抗噪声性能迅速改善。5.4 调频系统的抗噪声性能19 上式结果表明，在大信噪比情况下，宽带调频20【例例5.2】设设调调频频与与调调幅幅信信号号均均为为单单音音调调制制，调调制制信信号号频频率率为为fm，调调幅幅信信号号为为100%调调制制。当当两两者者的的接接收收功功率率Si相相等等，信信道道噪噪声声功功率率谱谱密密度度n0相相同同时时，比比较较调调频系统与调幅系统的抗噪声性能。频系统与调幅系统的抗噪声性能。【解解】FM的输出信噪比为的输出信噪比为AM的输出信噪比为的输出信噪比为5.4 调频系统的抗噪声性能20【例5.2】设调频与调幅信号均为单音调制，调制信号频率为21 则两者输出信噪比的比值为则两者输出信噪比的比值为 已知已知5.4 调频系统的抗噪声性能21 则两者输出信噪比的比值为 已知5.4 调频系统22 由由此此可可见见，在在高高调调频频指指数数时时，调调频频系系统统的的输输出出信信噪噪比比远远大大于于调调幅幅系系统统。例例如如，mf=5 时时，宽宽带带调调频频的的So/No是是调调幅幅时时的的112.5倍倍。这这也也可可理理解解成成当当两两者者输输出出信信噪噪比比相相等等时时，调调频频信信号号的的发发射射功功率可减小到调幅信号的率可减小到调幅信号的1/112.5。应应当当指指出出，调调频频系系统统的的这这一一优优越越性性是是以以增增加加传输带宽来换取的传输带宽来换取的。5.4 调频系统的抗噪声性能22 由此可见，在高调频指数时，调频系统的输出信噪23 在在调调幅幅调调制制中中，由由于于信信号号带带宽宽是是固固定定的的，无无法法进进行行带带宽宽与与信信噪噪比比的的互互换换，这这也也正正是是在在抗抗噪噪声声性性能方面调频系统优于调幅系统的重要原因。能方面调频系统优于调幅系统的重要原因。5.4 调频系统的抗噪声性能23 在调幅调制中，由于信号带宽是固定的，无法进行带宽24 应应该该指指出出，以以上上分分析析都都是是在在(Si/Ni)FM足足够够大大的的条条件件下下进进行行的的。当当(Si/Ni)FM减减小小到到一一定定程程度度时时，解解调调器器的的输输出出中中不不存存在在单单独独的的有有用用信信号号项项，信信号号被被噪噪声声扰扰乱乱，因因而而(So/No)FM急急剧剧下下降降。这这种种情情况况与与AM包包检检时时相相似似，我我们们称称之之为为门门限限效效应应。出出现现门门限限效效应应时时所所对对应应的的(Si/Ni)FM值值被被称称为为门门限限值值（点），记为（点），记为(Si/Ni)b。5.4 调频系统的抗噪声性能p小信噪比情况与门限效应小信噪比情况与门限效应 24 应该指出，以上分析都是在(Si/Ni)F25 非相干解调的门限效应非相干解调的门限效应5.4 调频系统的抗噪声性能25 非相干解调的门限效应5.4 调频系统的抗噪声性能26 FM系系统统以以带带宽宽换换取取输输出出信信噪噪比比改改善善并并不不是是无无止止境境的的。随随着着传传输输带带宽宽的的增增加加（相相当当mf加加大大），输输入入噪噪声声功功率率增增大大，在在输输入入信信号号功功率率不不变变的的条条件件下下，输输入入信信噪噪比比下下降降，当当输输入入信信噪噪比比降降到到一一定定程程度度时时就就会会出出现现门门限限效效应应，输输出出信信噪噪比比将将急剧恶化。急剧恶化。希希望望在在接接收收到到最最小小信信号号功功率率时时仍仍能能满满意意地地工作，这工作，这要求门限点向低输入信噪比方向扩展要求门限点向低输入信噪比方向扩展。5.4 调频系统的抗噪声性能26 FM系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无27p降降低低门门限限值值（也也称称门门限限扩扩展展）的的方方法法有有很很多多，例例如如，可可以以采采用用锁锁相相环环解解调调器器和和负负反反馈馈解解调调器器，它它们们的的门门限限比比一一般般鉴鉴频频器的门限电平低器的门限电平低610dB610dB。p还还可可以以采采用用“预预加加重重”和和“去去加加重重”技技术术来来进进一一步步改改善善调调频频解解调调器器的的输输出出信信噪噪比。这也相当于改善了门限。比。这也相当于改善了门限。5.4 调频系统的抗噪声性能27降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如，可以采用锁285.4 调频系统的抗噪声性能鉴频器输出噪声功率谱鉴频器输出噪声功率谱调频广播所传送的话音调频广播所传送的话音和音乐信号能量主要分和音乐信号能量主要分布在低频端，且其功率布在低频端，且其功率谱密度随频率增高而下谱密度随频率增高而下降。因此在高频端信号降。因此在高频端信号谱密度最小，而噪声谱谱密度最小，而噪声谱密度最大，使高频端输密度最大，使高频端输出信噪比明显下降，对出信噪比明显下降，对解调质量带来很大影响。解调质量带来很大影响。预加重和去加重预加重和去加重285.4 调频系统的抗噪声性能鉴频器输出噪声功率谱调频广播295.4 调频系统的抗噪声性能l 去加重和预加重去加重和预加重 设设计计思思想想：保保持持输输出出信信号号不不变变，有有效效降降低低输输出出噪噪声声，以达到提高输出信噪比的目的。以达到提高输出信噪比的目的。去去加加重重：在在解解调调器器输输出出端端接接一一个个传传输输特特性性随随频频率率增增加加而而滚滚降降的的线线性性网网络络Hd(f)，其其目目的的是是将将调调制制频频率率 高高频频端端的的噪噪声声衰衰减减，使使总总噪噪声声功功率率减减小小。但但在在减减弱弱噪噪声声的的同同时时，使使传传输输信信号号产产生生频频率率失失真真。因因此此在在调调制制器器前前加加入入一一个个预预加加重重网网络络Hp(f)，目目的的是是人人为为的的提提升升调调制制信信号号的高频分量，以抵消去加重网络的影响。的高频分量，以抵消去加重网络的影响。295.4 调频系统的抗噪声性能 去加重和预加重 30l预加重网络预加重网络-高通滤波器高通滤波器Hp(f)l去加重网络去加重网络-低通滤波器低通滤波器Hd(f)5.4 调频系统的抗噪声性能30预加重网络-高通滤波器Hp(f)5.4 调频系统的抗315.5 各种模拟调制系统的性能比较 综综合合前前面面的的分分析析，各各种种模模拟拟调调制制方方式式的的性性能能如如下下表表所所示示。表表中中的的So/No是是在在相相同同的的解解调调器器输输入入信信号号功功率率Si、相相同同噪噪声声功功率率谱谱密密度度n0、相相同同基基带带信信号号带带宽宽fm的的条条件件下下。其其中中AM为为100%调调制制，调调制制信号为单音正弦。信号为单音正弦。l 性能比较性能比较 WBFM抗抗噪噪声声性性能能最最好好，DSB、SSB、VSB抗抗噪噪声声性性能能次次之之，AM抗抗噪噪声声性性能能最最差差。NBFM和和AM的性能接近。的性能接近。315.5 各种模拟调制系统的性能比较 综合前32调制调制方式方式信号带宽信号带宽制度增益制度增益设备复设备复杂度杂度主要应用主要应用DSBDSB2 2中等中等较少应用较少应用SSBSSB1 1复杂复杂短波无线电广播，短波无线电广播，话音频分多路话音频分多路VSBVSB略大于略大于 近似近似SSBSSB近似近似SSBSSB复杂复杂商用电视广播商用电视广播AMAM2/32/3简单简单中短波无线电广中短波无线电广播播FMFM中等中等超短波小功率电超短波小功率电台台(窄带窄带FM)FM)，调，调频立体声广播频立体声广播(宽宽带带FM)FM)5.5 各种模拟调制系统的性能比较32调制方式信号带宽制度增益设备复杂度主要应用DSB2中等较33l 各种模拟调制系统的性能曲线各种模拟调制系统的性能曲线5.5 各种模拟调制系统的性能比较33 各种模拟调制系统的性能曲线5.5 各种模拟调制系统的性34l特点与应用特点与应用uAMAM：u优点优点：接收设备简单。：接收设备简单。u缺点缺点：功率利用率低，抗干扰能力差。：功率利用率低，抗干扰能力差。u应用应用：主要用在中波和短波调幅广播。：主要用在中波和短波调幅广播。uDSBDSB调制调制：u优点优点：功率利用率高，且带宽与：功率利用率高，且带宽与AMAM相同。相同。u缺点缺点：接收要求同步解调，设备较复杂。：接收要求同步解调，设备较复杂。u应用应用：较少：较少用，一般用于点对点专用通信。用，一般用于点对点专用通信。5.5 各种模拟调制系统的性能比较34特点与应用5.5 各种模拟调制系统的性能比较35uSSBSSB调制调制：优优点点：功功率率利利用用率率和和频频带带利利用用率率都都较较高高，抗抗干干扰扰能能力力和抗选择性衰落能力均优于和抗选择性衰落能力均优于AMAM，且带宽只有，且带宽只有AMAM的一半；的一半；缺点缺点：发送和接收设备都复杂。：发送和接收设备都复杂。应用应用：SSBSSB常用于频分多路复用系统中。常用于频分多路复用系统中。uVSBVSB调制调制：优点优点：抗噪声性能和频带利用率与：抗噪声性能和频带利用率与SSBSSB相当。相当。应应用用：VSBVSB部部分分抑抑制制了了发发送送边边带带，同同时时又又利利用用平平缓缓滚滚降降滤滤波波器器补补偿偿了了被被抑抑制制部部分分，对对包包含含低低频频和和直直流流分分量量的的基基带带信信号号特特别别适适合合，因因此此在在电电视视广广播播、数数传传等等系系统统中中得到了广泛应用。得到了广泛应用。5.5 各种模拟调制系统的性能比较35SSB调制：5.5 各种模拟调制系统的性能比较365.5 各种模拟调制系统的性能比较uFMFM：p宽带宽带FMFM：优优点点：抗抗干干扰扰能能力力强强，可可实实现现带带宽宽与与信信噪噪比比的的互互换。换。缺点缺点：频带利用率低，存在门限效应。：频带利用率低，存在门限效应。应应用用：广广泛泛应应用用于于长长距距离离高高质质量量通通信信系系统统中中，如如空空间间和和卫卫星星通通信信、调调频频立立体体声声广广播播、超超短短波波电电台台等。等。p窄窄带带FMFM：用用于于接接收收信信号号弱弱、干干扰扰大大的的情情况况，因因此此小小型通信机常采用窄带调频。型通信机常采用窄带调频。365.5 各种模拟调制系统的性能比较FM：375.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声l频分复用（频分复用（FDMFDM）u目的目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率u应用应用：主要用于模拟信号的多路传输，也可用于数：主要用于模拟信号的多路传输，也可用于数 字信号。字信号。u原理原理：信道带宽被分成多个相互不重叠的频段，每：信道带宽被分成多个相互不重叠的频段，每 路路信信号号占占据据其其中中一一个个子子通通道道，并并且且各路之间各路之间 必必须须留留有有未未被被使使用用的的频频带带（防防护护频频带）进行带）进行 分分隔隔，以以防防止止信信号号重重叠叠。在在接接收收端端，采用适采用适 当当的的带带通通滤滤波波器器将将多多路路信信号号分分开开，从而恢复从而恢复 出所需要的信号。出所需要的信号。375.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声频分复用（F385.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声频分复用系统原理框图频分复用系统原理框图385.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声频分复用系统39u典型例子：多路载波电话系统典型例子：多路载波电话系统5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声39典型例子：多路载波电话系统5.6频分复用(FDM)和调频40u FDM FDM 技技术术主主要要用用于于模模拟拟信信号号，普普遍遍应应用用在在多多路路载载波波电电话话系系统统中中。其其主主要要优优点点是是信信道道利利用用率率高高，技技术术成成熟熟；缺缺点点是是设设备备复复杂杂，滤滤波波器器难难以以制制作作，并并且且在在复复用用和和传传输输过过程程中中，调调制制、解解调调等等过过程程会会不不同同程程度度地地引引入入非非线线性性失失真真，而而产产生生各路信号的相互干扰。各路信号的相互干扰。5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声40 FDM 技术主要用于模拟信号，普遍应用在多路载波电话系41n调频立体声广播调频立体声广播u原原理理：一一个个左左声声道道信信号号L L，一一个个右右声声道道信信号号R R。左左声声道道与与右右声声道道相相加加形形成成和和信信号号(L+R)(L+R)，相相减减形形成成差差信信号号(L-R)(L-R)。在在调调频频之之前前，差差信信号号(L-R)(L-R)先先对对38kHz38kHz的的副副载载波波进进行行抑抑制制载载波波双双边边带带 (DSB-SC)(DSB-SC)调调制制，然然后后与与和和信信号号(L+R)(L+R)进进行行频频分分复复用用，作作为为FMFM立立体体声声广广播播的的基基带带信信号：号：5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声41调频立体声广播5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体42u频谱结构频谱结构 p在在19kHz处发送一个单频信号（导频），处发送一个单频信号（导频），用于接收端提取相干载波和立体声指示。用于接收端提取相干载波和立体声指示。p在在普普通通调调频频广广播播中中，只只发发送送015kHz的的(L+R)信号。信号。5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声42频谱结构 5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声43u立体声广播信号的解调立体声广播信号的解调p 接接收收立立体体声声广广播播后后先先进进行行鉴鉴频频，得得到到频频分分复复用用信信号号。对对频频分分复复用用信信号号进进行行相相应应的的分分离离，以以恢恢复复出左声道信号出左声道信号L和右声道信号和右声道信号R。5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声43立体声广播信号的解调5.6频分复用(FDM)和调频(FM44 5.7 小结l线线性性调调制制（AMAM、DSBDSB、SSBSSB和和VSBVSB）原原理理（表表示式、频谱、带宽、产生与解调）示式、频谱、带宽、产生与解调）l线性调制系统的抗噪声性能，门限效应线性调制系统的抗噪声性能，门限效应l调频（调频（FMFM）、调相（）、调相（PMPM）的基本概念）的基本概念l调调频频信信号号的的产产生生、解解调调方方法法，频频带带宽宽度度的的计算，抗噪性能分析等计算，抗噪性能分析等l频分复用的概念频分复用的概念44 5.7 小结线性调制（AM、DSB、SSB和VSB45作 业1 1、已已知知某某单单频频调调频频波波的的振振幅幅是是10V10V，瞬瞬时时频率为：频率为：试求：试求：（1 1）此调频波的表达式；）此调频波的表达式；（2 2）此此调调频频波波的的频频率率偏偏移移、调调频频指指数数和和频带宽度。频带宽度。45作 业1、已知某单频调频波的振幅是10V，瞬时频率为：