第5章模拟调制系统资料课件

通信原理第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统1第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n调制 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。n广义调制 分为基带调制基带调制和带通调制带通调制（也称频带调制频带调制或载载波调制波调制）。n狭义调制 仅指带通调制。在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制载波调制。n调制信号 指来自信源的基带信号基带信号 n载波调制 用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化参数按照调制信号的规律而变化。n载波 未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。n已调信号 载波受调制后称为已调信号。n解调（检波）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。基本概念基本概念2主要有以下三个方面。1.1.将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号将m(t)信号所具有的频谱M()搬移到某频率c处,使之与信道可传输的频谱相适应。例如,人们发出的语音信号的频率在几十Hz到十几kHz范围内,这种信号从工程角度看，不可能通过天线进行无线电传输,因此语音信息信号必须通过调制,也就是将具有频谱为M()的m(t)搬移到在工程上能实现传播的信道频谱范围内。调制的目的：调制的目的：32.2.实现信道的多路复用，以提高信道利用率实现信道的多路复用，以提高信道利用率 信信道道的的频频率率资资源源十十分分宝宝贵贵,在在一一个个物物理理信信道道上上，如如一一根根电电缆缆中中或或一一个个波波束束上上,仅仅传传输输一一个个信信息息信信号号m(t t)则则极极大大地地浪浪费了这一物理信道上远比费了这一物理信道上远比 m(t t)的频率范围宽的其他频段。的频率范围宽的其他频段。这时可以采用可以采用调制的方法将多个制的方法将多个信号的信号的频谱按一定的按一定的规则排列在信道排列在信道带宽的相的相应频段内段内,从而从而实现同一信同一信道中多个信号互不干道中多个信号互不干扰地同地同时传输,这称称为频分复用分复用。可不可以？正交频分复用正交频分复用OFDM43.3.扩展信号带宽，提高系统抗噪声、抗衰落能力扩展信号带宽，提高系统抗噪声、抗衰落能力例例如如,在在某某种种情情况况下下,利利用用频频率率调调制制(FM)(FM)取取代代幅幅度度调调制制(AM)(AM)将将可可提提高高系系统统的的抗抗噪噪声声能能力力。不不过过FMFM抗抗噪噪声声性性能能的的提提高高是是以以增增加加系系统统的的带带宽宽换换取取的的，说说明明提提高高通通信信的的可可靠靠性性必必须须以以降降低低其其有有效效性性为为代代价价，反反之之也也是是一一样样。这这就就是是通通常常所所说说的的信信噪噪比比和和带带宽宽的的互互换换,而而这这种种互互换换是是通通过过不不同同的的调调制制方方式式来来实实现现的。的。如如当当信信道道噪噪声声比比较较严严重重时时,为为了了确确保保通通信信的的可可靠靠,可可以以选选择择某某种种合合适适的的调调制制方方式式 (例例如如调调频频)来来增增加加信信号号频频带带的的宽宽度度。这这样样显显然然信信息息传传输输的的效效率率(有有效效性性)降降低低了了,但但抗抗干干扰扰能能力力却却增强了。增强了。51、按信号按信号m(t)的不同分：的不同分：模拟调制模拟调制，特点：m(t)是连续信号。数字调制数字调制，特点：m(t)是数字信号。调制的分类：调制的分类：2、按载波信号、按载波信号c(t)不同分：不同分：连续波调制连续波调制，特点：c(t)连续，如 c(t)=cosct；脉冲调制脉冲调制，特点：c(t)为脉冲，如矩形脉冲序列。63、按调制器的功能分：按调制器的功能分：幅幅度度调调制制，特点：用 m(t)改变c(t)的幅度，如AM，DSB，SSB，VSB。频率调制频率调制，特点：用 m(t)改变c(t)的频率，如FM。相位调制相位调制，特点：用 m(t)改变c(t)的相位，如PM。4、按调制器传输函数来分：、按调制器传输函数来分：线性调制线性调制：输出已调信号的频输出已调信号的频谱和调制信号的谱和调制信号的频谱之间呈线频谱之间呈线性搬移关系性搬移关系的调制方式。的调制方式。非线性调制非线性调制，特点:调制前后频谱无线性搬移关系。7第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理n定义定义：由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。n表示式表示式：设：正弦型载波为式中，A 载波幅度；载波幅度；c 载波角频率；载波角频率；0 载波初始相位载波初始相位（以后假定0 0）。则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成 式中，m(t)基带调制信号。8l5.1幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理n频谱频谱 设调制信号m(t)的频谱为M()，则已调信号的频谱为 可见可见：（1）在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律呈正比例变化；（2）在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移，因此，幅度调制通常又称为线性调制。n注意：注意：这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。9n5.1.1 标准调幅（标准调幅（AM）uu时域表示式时域表示式时域表示式时域表示式式中 m(t)调制信号，均值为0；A0 常数，表示叠加的直流分量。uu频谱：频谱：频谱：频谱：若m(t)为确知信号，则AM信号的频谱为若m(t)为随机信号，则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述。uu调制模型调制模型调制模型调制模型调制信号调制信号m(t)叠加直流叠加直流A0后与载波相乘，得到标准调幅（后与载波相乘，得到标准调幅（AM）信号）信号.10u 波形图波形图波形图波形图p由波形可以看出，当满足条件：|m(t)|A0 时，其包络与调制信号波形相同。包络与调制信号波形相同。因此用包络检波法包络检波法很容易恢复出原始调制信号。(优点：简单优点：简单)p否则，出现“过调幅过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真，须用较为复杂的同步检波。1112第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uu频谱图频谱图频谱图频谱图p由频谱可以看出，AM信号的频谱由三部分组成：载频分量载频分量载频分量载频分量上边带上边带上边带上边带下边带下边带下边带下边带 载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带特点：特点：特点：特点：调幅过程使原调幅过程使原始频谱始频谱M()搬移了搬移了c;上边带的频谱结构上边带的频谱结构与原调制信号的频谱与原调制信号的频谱结构相同；结构相同；下边带则是上边带下边带则是上边带的镜像。的镜像。13第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uuAMAM信号的特性信号的特性信号的特性信号的特性p带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽 fH 的两倍：p功率：当m(t)为确知信号时，若则式中 Pc=A02/2 载波功率，载波功率，边带功率边带功率。等于零14第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关，而载波分量并不携带信息。有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为号总功率的比例称为调制效率调制效率：当m(t)=Am cos mt时，代入上式，得到当|m(t)|max=A0时调制效率最高，这时 max 1/3调制效率151.AM信号的振幅按照调制信号的振幅规律线性信号的振幅按照调制信号的振幅规律线性变化变化.2.AM信号的带宽为基带信号带宽的两倍信号的带宽为基带信号带宽的两倍.3.AM信号的调制效率总是小于信号的调制效率总是小于1，功率利用率比，功率利用率比较低较低.4.AM的优点在于系统结构简单，价格低廉。目的优点在于系统结构简单，价格低廉。目前仍广泛应用于中短波调幅广播。前仍广泛应用于中短波调幅广播。AM调制小结如何提高调幅信号的调制效率呢?16为了提高调幅信号的效率，就得抑制掉已调波中不携带信息的载波分量。要抑制掉AM信号中的载波，只需将直直流流分分量量A A去去掉掉，得到抑制载波的双边带信号，简称双边带信号(DSB)。时域表达式时域表达式：频谱：频谱：5.1.2 55.1.2 5双边带调制双边带调制（DSB）与AM信号比较无直流分量无直流分量A0无载频分量无载频分量 1718191.DSB信号的包络不再与调制信号信号的包络不再与调制信号m(t)的形状完全的形状完全一致一致.2.DSB信号的带宽与信号的带宽与AM信号相同，都是基带信号信号相同，都是基带信号带宽的两倍带宽的两倍.3.DSB 信号中没有载波分量，所有的功率都用在携信号中没有载波分量，所有的功率都用在携带有用信息的边带上，调制效率达到带有用信息的边带上，调制效率达到100%.4.优点：优点：节省了载波功率。节省了载波功率。5.缺点：缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。DSB调制小结可否进一步提高可否进一步提高DSB信号的频带利用率信号的频带利用率?20 在在DSB信号的频谱中，上下两个边带完全对称，信号的频谱中，上下两个边带完全对称，所携带的信息也完全相同所携带的信息也完全相同.从信息传输的角度看，从信息传输的角度看，只需传输其中的任一边带只需传输其中的任一边带即可即可。上边带（上边带（USB）下边带（下边带（LSB）21第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.1.3 单边带调制（单边带调制（SSB）uu原理：原理：双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M()的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率节省发送功率，还可节省一节省一半传输频带半传输频带，这种方式称为单边带调制。pp产生产生SSB信号的方法：信号的方法：滤波法滤波法和相移法相移法。22第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uu滤波法及滤波法及滤波法及滤波法及SSBSSB信号的频域表示信号的频域表示信号的频域表示信号的频域表示 所谓滤波法，就是在双边带调制后接上一个边所谓滤波法，就是在双边带调制后接上一个边带滤波器，带滤波器，保留所需要的边带，滤除不需要的边带。保留所需要的边带，滤除不需要的边带。边带滤波器可用边带滤波器可用高通高通滤波器产生滤波器产生USB边带信号，边带信号，也可用也可用低通低通滤波器产生滤波器产生LSB信号。信号。图5-4 滤波法原理框图H()为单边为单边带滤波器的带滤波器的传输函数传输函数SSB信号的频谱信号的频谱23高通高通高通高通低通低通可滤除下边带可滤除下边带可滤除上边带可滤除上边带理想滤波特性理想滤波特性实际滤波器很难做到具有陡峭的截止特性实际滤波器很难做到具有陡峭的截止特性2425 从频谱图中可以看出，要产生单边带信号，就必须从频谱图中可以看出，要产生单边带信号，就必须要要求滤波器特性十分接近理想特性求滤波器特性十分接近理想特性，即要求在，即要求在c c处必须具有处必须具有锐截止特性。这一点在低频段还可制作出较好的滤波器，锐截止特性。这一点在低频段还可制作出较好的滤波器，但对于但对于高频段就很难找到合乎特性要求的滤波器高频段就很难找到合乎特性要求的滤波器了。了。可以采用可以采用多级（一般采用两级）多级（一般采用两级）DSBDSB调制及边带滤波调制及边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行的方法，即先在较低的载频上进行DSBDSB调制，目的是增大调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。频上进行第二次调制。如何解决高频段滤波难问题？滤波法的技术难点26分析和讨论分析和讨论 语音信号的频谱范围为语音信号的频谱范围为300至至3000Hz，试分析直接在试分析直接在10MHz载频上产生单边带载频上产生单边带信号和采用在信号和采用在100kHz、10MHz载频两载频两级调制滤波产生单边带信号的不同，体级调制滤波产生单边带信号的不同，体会多级调制的意义。会多级调制的意义。#270.3kHz3kHz9.9997MHz10.0003MHz600Hz10MHz一级调制滤波一级调制滤波二级调制滤波二级调制滤波600Hz600Hz100.3kHz99.7kHz103kHz600Hz100kHz200.6kHz10MHz200.6kHz调制信号调制信号无法滤波无法滤波能够滤波能够滤波能够滤波能够滤波注：低频段能够制作出较好的滤波器注：低频段能够制作出较好的滤波器28第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uu相移法和相移法和相移法和相移法和SSBSSB信号的时域表示信号的时域表示信号的时域表示信号的时域表示pSSB信号的时域表示式设单频调制信号为 载波为则DSB信号的时域表示式为若保留上边带若保留上边带，则有若保留下边带若保留下边带，则有两式仅正负号不同29第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统将上两式合并：式中，“”表示上边带信号，表示上边带信号，“+”表示下边带信号。表示下边带信号。希尔伯特变换希尔伯特变换：上式中Am sinmt可以看作是Am cosmt 相移相移/2的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换，记为“”，则有这样，上式可以改写为30把上式推广到一般情况，则得到 式中，若M()是m(t)的傅里叶变换，则式中符号函数符号函数上式中的-j sgn可以看作是希希尔尔伯特伯特滤波器的波器的传递函数函数，即31第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统移相法移相法SSB调制器方框调制器方框由此可引出实现单边带调制的一种方法，即由此可引出实现单边带调制的一种方法，即相相移法移法，如图，如图5-65-6所示。两路相乘结果相减时得到上所示。两路相乘结果相减时得到上边带信号边带信号;相加时则得到下边带信号。相加时则得到下边带信号。相移法单边带信号产生器有两个相乘器，相移法单边带信号产生器有两个相乘器，第第一个相乘器产生一般的双边带信号，第二个相乘器一个相乘器产生一般的双边带信号，第二个相乘器的输入信号需要移相的输入信号需要移相90 第一项与调制信号和载波的乘积第一项与调制信号和载波的乘积成正比，称为成正比，称为同相分量同相分量;而第二项乘积中则包含调制信号而第二项乘积中则包含调制信号与载波信号分别相移与载波信号分别相移-/2/2的结果，的结果，称为称为正交分量正交分量。32第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统注意注意:对于单频移相比较容易实现，但对于宽频信号，对于单频移相比较容易实现，但对于宽频信号，需要一个宽带移相网络，而制作宽带移相网络则较为需要一个宽带移相网络，而制作宽带移相网络则较为困难。困难。优点：优点：不需要滤波器具有陡峭的截止特性。不需要滤波器具有陡峭的截止特性。缺点：宽带相移网络难用硬件实现。缺点：宽带相移网络难用硬件实现。33第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uuSSBSSB信号的解调信号的解调信号的解调信号的解调 SSB信号的解调和DSB一样，不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调需采用相干解调。uuSSBSSB信号的性能信号的性能信号的性能信号的性能 SSB信号的实现比AM、DSB要复杂，但SSB调制方式在传输信息时，不仅可节省发节省发射功率射功率，而且它所占用的频带宽度频带宽度比AM、DSB减少了一半减少了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。343536uu原理：原理：原理：原理：残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折衷方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号滤波实现上的困难。在这种调制方式中，不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留一小部分，如下图所示：5.1.4 残留边带（残留边带（VSB）调制）调制37第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l l调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法框图与滤波法SBB调制器相同。调制器相同。不过，这时图中不过，这时图中滤波器的特性应按残留边带调的特性应按残留边带调制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截制的要求来进行设计，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。38第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uu对残留边带滤波器特性的要求对残留边带滤波器特性的要求对残留边带滤波器特性的要求对残留边带滤波器特性的要求p由滤波法可知，残留边带信号的频谱为 残留边带滤波器传输特性残留边带滤波器传输特性 H()=？39第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统pVSB信号解调器方框图图中因为根据频域卷积定理可知，乘积sp(t)对应的频谱为40第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统将代入得到式中M(+2c)及M(-2c)是 M()搬移到+2c和-2c处的频谱，它们可以由解调器中的低通滤波器滤除。于是，低通滤波器的输出频谱为41第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统传递函数必须满足：式中，H 调制信号的截止角频率。u上述条件的含义含义是：残留边带滤波器的特性残留边带滤波器的特性H()在在 c处必须具有处必须具有互补对互补对互补对互补对称称称称（奇对称）特性（奇对称）特性,相干解调时才能无失真地从残留相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信号。边带信号中恢复所需的调制信号。42第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p残留边带滤波器特性的两种形式注意：注意：满足这个条件的滚降特性曲线是不是唯一的？满足这个条件的滚降特性曲线是不是唯一的？残留残留“部分上边带部分上边带”残留残留“部分下边带部分下边带”43不是！而是有无穷多个。不是！而是有无穷多个。注意：注意：满足这个条件的滚降特性曲线是不是唯一的？满足这个条件的滚降特性曲线是不是唯一的？44uu滤波法模型滤波法模型滤波法模型滤波法模型在前几节的讨论基础上，可以归纳出滤波法线性调制的一般模型如下：按照此模型得到的输出信号时域表示式为：按照此模型得到的输出信号频域表示式为：式中，只要适当选择只要适当选择H()，便可以得到各种幅度调制信号。，便可以得到各种幅度调制信号。n 5.1.5 线性调制的一般模型45第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uu移相法模型移相法模型移相法模型移相法模型将上式展开，则可得到另一种形式的时域表示式，即式中 上式表明，sm(t)可等效为两个互为正交调制分量的合成。46第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统它同样适用于所有线性调制适用于所有线性调制。由此可以得到移相法线性调制的一般模型移相法线性调制的一般模型如下：同相网络传递函数正交网络传递函数例如，对于例如，对于DSB及及AM信号，信号，HI()=1;HQ()=047第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n n5.1.6 5.1.6 相干解调与包络检波相干解调与包络检波相干解调与包络检波相干解调与包络检波u相干解调相干解调p相干解调器的一般模型 p相干解调器原理：相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相同频同相同频同相同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。48pp相干解调器性能分析相干解调器性能分析相干解调器性能分析相干解调器性能分析已调信号的一般表达式为 与同频同相的相干载波相干载波c(t)相乘相乘后，得经低通滤波低通滤波器后，得到因为sI(t)是m(t)通过一个全通滤波器HI()后的结果，故上式中的sd(t)可作为解调输出，即 49第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l l包络检波包络检波n适用条件：适用条件：AM信号，且要求|m(t)|max A0，n包络检波器结构：包络检波器结构：通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。例如，n性能分析性能分析设输入信号是 时间常数（时间常数（t t=RC)的选择的选择:式中fH 调制信号的最高频率50包络检波原理当当Vi0时，二极管导通，电容充电，充得快时，二极管导通，电容充电，充得快当当Vi mf+1以上的边频幅度均小于0.1。u被保留的上、下边频数共有2n=2(mf+1)个，相邻边频之间的频率间隔为fm，所以调频波的有效带宽为它称为卡森（卡森（Carson）公式）公式。调频信号的带宽调频信号的带宽调频信号的带宽调频信号的带宽101第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l当mf 1时，上式可以近似为 这就是宽带调频的带宽。l当任意限带信号调制时，上式中fm是调制信号的最高频率，mf是最大频偏是最大频偏 f 与与 fm之比之比。例如例如，调频广播中规定的最大频偏f为75kHz，最高调制频率fm为15kHz，求出调频指数及频带宽度。解解：调频指数mf 5，由卡森公式可计算出此FM信号的频带宽度为180kHz。102第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u调频信号的功率分配p调频信号的平均功率为p由帕塞瓦尔定理可知 p利用贝塞尔函数的性质得到p上式说明，调频信号的平均功率等于未调载波的平均功率，即调制后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。103例题104u调频信号的产生pp直接调频法：直接调频法：直接调频法：直接调频法：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地变化。压控振荡器：压控振荡器：压控振荡器：压控振荡器：每个压控振荡器(VCO)自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即方框图5.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调105u调频信号的产生pp直接调频法：直接调频法：直接调频法：直接调频法：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地变化。LCLC振荡器：振荡器：振荡器：振荡器：常用变容二极管实现直接调频。5.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调106第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统直接调频法的主要优缺点：优点：优点：优点：优点：可以获得较大的频偏。缺点：缺点：缺点：缺点：频率稳定度不高改进途径：改进途径：采用如下锁相环（PLL）调制器 相位检测器相位检测器107第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统pp间接法调频间接法调频间接法调频间接法调频原理：原理：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个窄带调频(NBFM)信号，再经n次倍频器得到宽带调频(WBFM)信号。方框图方框图 108 之所以先进行窄带调相，是因为窄带调相时，之所以先进行窄带调相，是因为窄带调相时，振荡器可以采用高稳定度的石英振荡器，从而提振荡器可以采用高稳定度的石英振荡器，从而提高了载频稳定度。高了载频稳定度。倍频目的是提高调频指数倍频目的是提高调频指数m mf f，经，经N N次倍频后可以次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为使调频信号的载频和调频指数增为N N倍。倍。间接法间接法间接法间接法的优点是的优点是频率稳定度好频率稳定度好，缺点是需要缺点是需要多次倍频和混频，多次倍频和混频，因而因而电路较为复杂电路较为复杂。为什么要先进行调相？倍频的目的又是什么？为什么要先进行调相？倍频的目的又是什么？109第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统间接法产生窄带调频信号间接法产生窄带调频信号间接法产生窄带调频信号间接法产生窄带调频信号由窄带调频公式可知，窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成的。所以可以用下图产生窄带调频信号：110第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统目的：目的：目的：目的：为提高调频指数，从而获得宽带调频。方法：方法：方法：方法：倍频器可以用非线性器件实现。原理：原理：原理：原理：以理想平方律器件为例，其输出-输入特性为当输入信号为调频信号时，有由上式可知，滤除直流成分后，可得到一个新的调频信号，其载频和相位偏移均增为2倍，由于相位偏移增为2倍，因而调频指数也必然增为2倍。同理，经经n次倍频后可以使调频信号的载频和调次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为频指数增为n倍。倍。倍频倍频111第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统典型实例：典型实例：典型实例：典型实例：调频广播发射机载频：f1=200kHz 调制信号最高频率 fm=15kHz 间接法产生的最大频偏 f1=25 Hz 调频广播要求的最终频偏 f=75 kHz，发射载频在88-108 MHz频段内，所以需要经过次的倍频，以满足最终频偏=75kHz的要求。但是，倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提高了提高了，倍频后新的载波频率(nf1)高达600MHz，不符合 fc=88-108MHz的要求，因此需用混频器进行下变需用混频器进行下变频频来解决这个问题。112第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统具体解决方案具体解决方案具体解决方案具体解决方案 113第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统【例例5-1】在上述宽带调频方案中，设调制信号是在上述宽带调频方案中，设调制信号是fm=15 kHz的单频余弦信号，的单频余弦信号，NBFM信号的载频信号的载频f1=200 kHz，最，最大频偏大频偏 f1=25 Hz；混频器参考频率；混频器参考频率f2=10.9 MHz，选择，选择倍频次数倍频次数n1=64，n2=48。(1)求求NBFM信号的调频指数；信号的调频指数；(2)求调频发射信号（即求调频发射信号（即WBFM信号）的载频、最大信号）的载频、最大频偏和调频指数。频偏和调频指数。【解】（1）NBFM信号的调频指数为（2）调频发射信号的载频为114第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统(3)最大频偏为(4)调频指数为115第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u 调频信号的解调调频信号的解调p非相干解调：非相干解调：调频信号的一般表达式为解调器的输出应为完成这种频率频率频率频率-电压转换电压转换电压转换电压转换关系的器件是频率检波器，简称鉴频器鉴频器。鉴频器的种类很多，例如振幅鉴频器、斜率鉴频器、频率负反馈解调器、锁相环(PLL)鉴频器等。下面以振幅鉴频器为例介绍：116第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统振幅鉴频器方框图 限幅器的作用是消除信道中噪声等引起的调频波的幅度起伏 微分电路和包络检波器构成了具有近似理想鉴频特性的鉴频器。117第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 微分器微分器的作用是把幅度恒定的调频波sFM(t)变成幅度和频率都随调制信号m(t)变化的调幅调频波sd(t)，即 包络检波器包络检波器则将其幅度变化检出并滤去直流，再经低通滤波后即得解调输出 式中Kd 为鉴频器灵敏度，单位为V/rad/s 118第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p相干解调：相干解调：相干解调仅适用于相干解调仅适用于NBFMNBFM信号信号 由于NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调，如下图所示。非相干解调对NBFM和WBFM信号均适用。119设窄带调频信号并设相干载波则相乘器的输出为经低通滤波器取出其低频分量再经微分器，即得解调输出可见，相干解调可以恢复原调制信号。120第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l l5.45.4调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能n调频系统抗噪性能分析与解调方法有关，这里调频系统抗噪性能分析与解调方法有关，这里只讨论非相干解调系统的抗噪性能。只讨论非相干解调系统的抗噪性能。n分析模型 图中 n(t)均值为零，单边功率谱密度为均值为零，单边功率谱密度为n0的高斯白噪声的高斯白噪声 121第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n n5.4.1 5.4.1 输入信噪比输入信噪比输入信噪比输入信噪比 设输入调频信号为故其输入信号功率为输入噪声功率为式中，BFM 调频信号的带宽，即带通滤波器的带宽因此输入信噪比为122第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.4.2 大信噪比时的解调增益u在输入信噪比足够大的条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这时可以把信号和噪声分开来计算。u计算输出信号平均功率输出信号平均功率解调输出信号为 故输出信号平均功率为123第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u计算输出噪声平均功率假设调制信号m(t)=0，则加到解调器输入端的是未调载波与窄带高斯噪声之和，即式中 包络 相位偏移 124第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统在大信噪比时，即A nc(t)和A ns(t)时，相位偏移 可近似为当x 1时有近似式 制度增益制度增益129第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的输出信噪比为若设AM信号为100%调制。且m(t)为单频余弦波信号，则m(t)的平均功率为 因而式中，B为AM信号的带宽，它是基带信号带宽的两倍，即B=2fm，故有 与FM相比较，可得调频系统与调幅系统比较调频系统与调幅系统比较130第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统pp讨论讨论讨论讨论在大信噪比情况下，若系统接收端的输入A和n0相同，则宽带调频系统解调器的输出信噪比是调幅系统的3mf2倍。例如，mf=5时，宽带调频的S0/N0是调幅时的75倍。调频系统的这一优越性是以增加其传输带宽来换取的。因为，对于AM 信号而言，传输带宽是2fm，而对WBFM信号而言，相应于mf=5时的传输带宽为12fm，是前者的6倍。WBFM信号的传输带宽BFM与AM 信号的传输带宽BAM之间的一般关系为131当mf 1时，上式可近似为故有在上述条件下，变为 可见，宽带调频输出信噪比相对于调幅的改善与它们带宽比的平方成正比。调频是以带宽换取信噪比的改善调频是以带宽换取信噪比的改善。132第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能将比调幅系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。但是，FM系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。随着传输带宽的增加，输入噪声功率增大，在输入信号功率不变的条件下，输入信噪比下降，当输入信噪比降到一定程度时就会出现门限效应，输出信噪比将急剧恶化。结结结结 论：论：论：论：133第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n n5.4.3 5.4.3 小信噪比时的门限效应小信噪比时的门限效应小信噪比时的门限效应小信噪比时的门限效应u当(Si/Ni)低于一定数值时，解调器的输出信噪比(So/No)急剧恶化，这种现象称为调频信号解调的门限效应门限效应。u门限值 出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值门限值，记为(Si/Ni)b。134第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u右图画出了单音调制时在不同调制指数下，调频解调器的输出信噪比与输入信噪比的关系曲线。u由此图可见由此图可见p门限值与调制指数mf 有关。mf 越大，门限值越高。不过不同mf 时，门限值的变化不大，大约在811dB的范围内变化，一般认为门限值为10 dB左右。p在门限值以上时，(So/No)FM与(Si/Ni)FM呈线性关系，且mf 越大，输出信噪比的改善越明显。135第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p在门限值以下时，(So/No)FM将随(Si/Ni)FM的下降而急剧下降。且mf越大，(So/No)FM下降越快。p门限效应是FM系统存在的一个实际问题。尤其在采用调频制的远距离通信和卫星通信等领域中，对调频接收机的门限效应十分关注，希望门限点向低输入信噪比方向扩展。p降低门限值（也称门限扩展）的方法降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如，可以采用锁相环解调器和负反馈解调器，它们的门限比一般鉴频器的门限电平低610dB。p还可以采用“预加重预加重”和和“去加重去加重”技术来进一步改善调频解调器的输出信噪比。这也相当于改善了门限。136第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n n5.4.4 5.4.4 预加重和去加重预加重和去加重预加重和去加重预加重和去加重n原因：原因：鉴频器输出噪声功率谱随f呈抛物线形状增大。但在调频广播中所传送的语音和音乐信号的能量却主要分布在低频端，且其功率谱密度随频率的增高而下降。因此，在调制频率高频端的信号谱密度最小，而噪声谱密度却是最大，致使高频端的输出信噪比明显下降，这在实际系统中这在实际系统中是不允许的。是不允许的。l 如何解决这个问题呢如何解决这个问题呢?137第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n n5.4.4 5.4.4 预加重和去加重预加重和去加重预加重和去加重预加重和去加重u解决办法：解决办法：在接收端解调之后压低输出信号的高频分量，在接收端解调之后压低输出信号的高频分量，从而抑制噪声的功率，可是同时也会压低了有用信从而抑制噪声的功率，可是同时也会压低了有用信号的高频分量，引起失真。号的高频分量，引起失真。为此，可在发送端调制之前提升信号的高频分为此，可在发送端调制之前提升信号的高频分量，产生预失真，以抵消接收端解调后产生的失真。量，产生预失真，以抵消接收端解调后产生的失真。通常把发送端对信号高频分量的提升过程称为通常把发送端对信号高频分量的提升过程称为预加重预加重，接收端解调之后对信号高频分量的压低过，接收端解调之后对信号高频分量的压低过程称为程称为去加重去加重。方框图方框图138l预加重网络预加重网络-高通滤波器高通滤波器l去加重网络去加重网络-低通滤波器低通滤波器139 预加重和去加重技术不但在调频系统中得到广预加重和去加重技术不但在调频系统中得到广泛应用，而且也应用在其它的音频传输和录音系泛应用，而且也应用在其它的音频传输和录音系统中，音频设备中的杜比（统中，音频设备中的杜比（Dolby)降噪系统就是降噪系统就是一个例子。一个例子。最后指出：最后指出：（1）FM系统无一例外地都要采用系统无一例外地都要采用预加重技术；预加重技术；（2）预加重技术削减了输出端总噪声，改善了输）预加重技术削减了输出端总噪声，改善了输出信噪比（出信噪比（6dB左右），实际上也降低了门限值。左右），实际上也降低了门限值。140调制方式传输带宽设备复杂程度主要应用AM2fm简单中短波无线电广播DSB2fm中等应用较少SSBfm复杂短波无线电广播、话音频分复用、载波通信、数据传输VSB略大于fm 近似SSB复杂电视广播、数据传输FM中等超短波小功率电台（窄带FM）；调频立体声广播等高质量通信（宽带FM）第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较141第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n抗噪声性能抗噪声性能u WBFM抗噪声性能最好抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性抗噪声性能最差能最差。u右图画出了各种模拟调制系统的性能曲线,图中的圆点表示门限点。u门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf=6）的信噪比比AM高22dB。u当输入信噪比较高时，FMFM的调频指数的调频指数的调频指数的调频指数mmf f越大，抗噪声越大，抗噪声越大，抗噪声越大，抗噪声性能越好。性能越好。性能越好。性能越好。142第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n频带利用率频带利用率 SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，故WBFM的频的频带利用率最低带利用率最低。可以说，FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。因此，mf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用WBFM，mf值选大些。对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用mf 较小的调频方式。143第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n n特点与应用特点与应用特点与应用特点与应用uAM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。uDSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。uSSB调制：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。SSB常用于频分多路复用系统中。uVSB调制：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。uFM：FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。144n5.6.1 频分复用（频分复用（FDM）uu复用：复用：复用：复用：是解决如何利用一条信道同时传输多路信号是解决如何利用一条信道同时传输多路信号是解决如何利用一条信道同时传输多路信号是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术。的技术。的技术。的技术。uu频分复用：频分复用：频分复用：频分复用：是一种按频率来划分信道的复用方式。是一种按频率来划分信道的复用方式。是一种按频率来划分信道的复用方式。是一种按频率来划分信道的复用方式。uu目的：目的：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uu实施过程：实施过程：实施过程：实施过程：调制调制调制调制合成合成合成合成 传输传输传输传输分路分路分路分路解调解调解调解调uu原理原理原理原理 ：l 5.6 频分复用频分复用(FDM)和调频和调频(FM)立体声立体声145第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uu应用：应用：应用：应用：FDM 技术主要应用在多路载波电话系统、FM广播等模拟通信系统中。uu优点：优点：优点：优点：信道利用率高，技术成熟，分路方便；uu缺点：缺点：缺点：缺点：设备复杂，路间干扰。146第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uu典型例子：典型例子：典型例子：典型例子：多路载波电话系统p每路电话信号的频带限制在3003400Hz，在各路已调信号间留有防护频带，每路电话信号取4 kHz作为标准带宽 pp层次结构：层次结构：层次结构：层次结构：12路电话复用为一个基群；5个基群复用为一个超群，共60路电话；10个超群复用为一个主群，共600路电话。如果需要传输更多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群。pp基群频谱结构图基群频谱结构图基群频谱结构图基群频谱结构图p载波频率载波频率载波频率载波频率 108147第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uu原理：原理：原理：原理：FM立体声广播中，声音在空间上被分成两路音频信号，一个左声道信号L，一个右声道信号R，频率都在50Hz到15kHz之间。左声道与右声道相加形成和信号和信号(L+R)，相减形成差信差信号号(L-R)。在调频之前，差信号差信号(L-R)先对38kHz的副载波进行抑制载波双边带(DSB-SC)调制，然后与和信号和信号(L+R)进行频分复用后，作为FM立体声广播的基带信号，其形成过程如下图所示：n5.6.2 调频立体声广播调频立体声广播148第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p015kHz用于传送(L+R)信号p 23kHz53kHz用于传送(L-R)信号p 59kHz75kHz则用作辅助通道p(L-R)信号的载波频率为38kHzp在19kHz处发送一个单频信号（导频）p在普通调频广播中，只发送015kHz的(L+R)信号。频谱结构频谱结构 149第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u立体声广播信号的解调p接收立体声广播后先进行鉴频，得到频分复用信号。对频分复用信号进行相应的分离，以恢复出左声道信号L和右声道信号R。150第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l作业：习题 5-18151