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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,考试点专业课强化精讲课程,第,5,讲,模拟调制系统（二）,1,5.3,角度调制（非线性调制）的原理及抗噪声性能,引言：,非线性调制：已调信号频谱不再是原基带信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分。,实现方法：通过改变载波的频率和相位角度来实现。即载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。,分类：角调制可分为频率调制（,FM,）和相位调制（,PM,）。,2,5.3.1,角度调制的基本概念,1.,一般表达式,2. PM,调制,是指瞬时相位偏移随基带信号而线性变化，即,调相信号可表示为 ：,名词：,瞬时相位,瞬时相位偏移,瞬时角频率,瞬时角频偏,3,则可得调频信号：,可见：,FM,和,PM,非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。,3. FM,调制,是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化，即,4,2. FM,、,PM,的关系,PM,较,FM,仅少了一个积分！,实现方法,:,可见：调频与调相并无本质区别，两者之间可以互换缩减研究内容；,为,FM,、,PM,信号的实现（调制、解调）提供了新的方法。,5,5.3.2,窄带调频与宽带调频,定义,/,分类：根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（,WBFM,）与窄带调频（,NBFM,）。当,时，称为,NBFM,。否则，称为,WBFM,。,1.,窄带调频（,NBFM,）,6,将上式与,AM,信号的频谱比较很相似,经推导可得,NBFM,信号的频域表达式：,进行比较，它们的带宽相同，即,7,2.,宽带调频,（,WBFM,）,分析思路：为使问题简化，先研究单音调制的情况，然后把分析的结果推广到多音情况。,（,1,）单频调制时宽带调频信号的频域表达,设单频调制信号为,则单音调频信号的时域表达式为：,式中：,调频指数：,最大频偏：,8,相应频谱：,式中,：,J,n,(,m,f,),为第一类,n,阶贝塞尔函数，它是调频指数的函数,。,可见：调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。带宽？,特点：各次边频幅度,J,n,(,m,f,),随着,n,的增大而减小！,结论：,FM,信号各次边频幅度,J,n,(,m,f,),随着,n,的增大而减小！,9,（,2,）单频调制时的频带宽度,理论上：调频信号的带宽为无限宽。,实际上：因各次边频幅度,n,的增大而减小，只要取适当的,n,值，使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可以近似认为具有有限频谱。,卡森公式,：,大于,n,=,m,f,+1,次的边频分量，其幅度小于未调载波幅度的,10,。,10,（,3,）,FM,信号的功率,调频信号虽然频率在不停地变化，但振幅不变,!,而功率仅由幅度决定，与频率无关，故：,11,（,4,）任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽,调制信号的最高频率,:,最大频率偏移,:,频偏比,:,12,5.3.3,调频信号的产生与解调,1.,调频信号的产生,（,1,）直接法,就是利用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。,压控振荡器（,VCO,）：输出频率偏移正比于所加的控制电压：,13,（,2,）间接法,阿姆斯特朗（,Armstrong,）法,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。,方框图：,14,NBFM,实现方法：,NBFM,WBFM,：经,N,次倍频后可以使调频信号的载频和调制指数增为,N,倍。,问：载波过高？,15,典型实例：调频广播发射机,载频：,f,1,= 200kHz,调制信号最高频率：,f,m,= 15kHz,间接法产生的最大频偏：,f,1,= 25 Hz,NBFM,调频广播要求的最终频偏：,f,=75 kHz,WBFM,发射载频：在,88-108 MHz,频段内 ,f,c,需要倍频：,但：倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提高到：,(,nf,1,),600MHz,，不符合,f,c,=88-108MHz,的要求，需用混频器进行下变频。,16,具体方案：,17,【,例,5-1】,在上述宽带调频方案中，设调制信号是,f,m,=15 kHz,的单频余弦信号，,NBFM,信号的载频,f,1,=200 kHz,，最大频偏,f,1,=25 Hz,；混频器参考频率,f,2,= 10.9 MHz,，选择倍频次数,n,1,= 64,，,n,2,=48,。,（,1,）求,NBFM,信号的调频指数；,（,2,）求调频发射信号（即,WBFM,信号）的载频、最大频偏和调频指数。,【,解,】,（,1,）,NBFM,信号的调频指数为,（,2,）调频发射信号的载频为,（,3,）最大频偏为,（,4,）调频指数为,18,2.,调频信号的解调,（,1,）非相干解调,最简单的解调器是具有频率,-,电压转换作用的鉴频器。,特点：鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频偏成正比。,组成：理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。,19,“,理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联,”,。,证明：,用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出：,K,d,称为鉴频器灵敏度。,微分器输出：,20,（,2,）相干解调,适于窄带调频,21,证：设,NBFM,信号为,：,则乘法器输出为：,再经微分，得输出信号：,取相干载波：,经,LPF,，得,22,5.4,调频系统的抗噪声性能,与解调方法有关，这里只讨论非相干解调系统的抗噪性能。,1.,输入信噪比,设输入调频信号为：,输入信号功率：,输入噪声功率：,输入信噪比：,23,2.,输出信噪比及调制制度增益,由于非相干解调不是线性叠加处理过程，因而无法分别计算信号与噪声功率。,解调器输入波形是调频信号和窄带高斯噪声的混合波形,:,经限幅器限幅去除包络起伏后，得鉴频器输入为,24,此处，,V,0,为常数。对于鉴频器输出信号来说，仅关心合成波瞬时相移,(t),。,可以证明，合成波的瞬时相移为,。,问题：以上两式皆是携带信息,(,t,),的和表示噪声的,V,(,t,),、,(,t,),的复杂函数。,考虑两种极端情况：大信噪比；,小信噪比。,25,（,1,）大信噪比情况,大信噪比,:,此时,鉴频器输出,其中,此时，信号和噪声已经分开。,26,经进一步分析，可得解调器的输出信噪比为 ：,WBFM,系统制度增益为：,27,下面考虑单频调制时的情况，设调制信号为：,则,这时的调频信号为：,式中,解调器输出信噪比：,解调器制度增益,：,所以：,WBFM,信号带宽为：,28,上式表明,:,在大信噪比的情况下，宽带调频解调器的制度增益是很高的，与调制指数的三次方成正比。,例如：调频广播中常取,m,f,=5,，则,G,FM,=450,。可见，加大调制指数,m,f,，可使系统抗噪性能大大改善。,代价？,6,、,12,29,（,2,）小信噪比情况与门限效应,可知：解调器输出中已没有单独存在的有用信号，解调器输出几乎完全由噪声决定，因而输出信噪比急剧下降门限效应。,出现门限效应时所对应的输入信噪比的值被称为门限值（点）。,小信噪比,:,此时,30,对,FM,系统而言,:,未发生门限效应时，在相同输入信噪比情况下，,FM,输出信噪比优于,AM,输出信噪比；,当输入信噪比降到某一门限（,）时，,FM,便开始出现门限效应；,若继续降低输入信噪比，则,FM,解调器的输出信噪比将急剧变坏，甚至比,DSB,的性能还要差,.,讨论：输入,-,输出信噪比性能,对,DSB,系统而言,:,信号同步检测时的性能曲线,是通过原点的直线。,31,例：已知某调频波的振幅是,10 V,，瞬时频率为,试确定：,（,1,）此调频波的表达式；,（,2,）此调频波的最大频偏、调频指数和频带宽度；,（,3,）若调制信号频率提高到,210,3,Hz,，则调频波的最大频偏、调频指数和频带宽度如何变化？,32,例：调频波的振幅是,10 V,，瞬时频率为,试确定：,（,1,）,s,FM,(,t,),； （,2,）,f,、,m,f,、,B,FM,；,（,3,）若调制信号频率提高到,210,3,Hz,，重求（,2,）。,解：（,1,）该调频波的瞬时角频率,（,rad/s,）,瞬时相位,调频波的表达式,33,（,2,）调频波的最大频偏、调频指数和频带宽度：,（,3,）调制信号频率提高到,210,3,Hz,，即加倍，则,最大频偏仍为,而调频指数变为,相应地，频带宽度变为,34,5.5,各种模拟调制系统的比较,1.,各种模拟调制方式总结,（见表,5-1,）,前提：假定所有调制系统具有相等的输入信号功率；噪声背景相同（均值为,0,、双边功率谱密度为,n,0,/2,的高斯白噪声）；基带信号,m,(,t,),带宽为,f,m,，且,例如，,m,(,t,),为正弦型信号。,综前：可总结各种模拟调制方式的信号带宽、制度增益、输出信噪比、设备（调制与解调）复杂程度、主要应用等如表,3-1,所示。表中还进一步假设了,AM,为,100%,调制。,35,略大于,表,5-1,各种模拟调制方式总结,36,2.,各种模拟调制方式性能比较,抗噪性能，,WBFM,最好，,DSB,、,SSB,、,VSB,次之，,AM,最差。,NBFM,与,AM,接近。 频带利用率，,SSB,最好，,VSB,与,SSB,接近，,DSB,、,AM,、,NBFM,次之，,WBFM,最差。,3.,各种模拟调制方式的特点与应用,37,5.6,频分复用（,FDM,）,1.,复用的概念,“,复用,”,是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。,2.,复用方式,有三种基本的多路复用方式：频分复用（,FDM,）、时分复用（,TDM,）与码分复用（,CDM,）。,3.,复用的目的,提高频带利用率。,4.,FDM,的实现,思路：,带限、调制（频率分配）、合成、信道、分路、解调,38,5.,带宽,单边带信号的总频带宽度为：,39,典型例子：多路载波电话系统,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,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；由,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。,基群频谱结构图,载波频率,40,6.,优缺点,优点：是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。,缺点,：,设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。,41,对于单频调制的特殊情况，可以得到频谱如下。,42,
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