《通信原理教学资料》第5章

,通信原理(第6版),单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,通信原理,第5章 模拟调制系统,1,幅度调制,AM(条件)、DSB、SSB时、频域表示式、示意图,调制效率，边带功率，相干解调、包络检波,分析性能的模型及方法,门限效应，单音调制，100%调制,角度调制,瞬时频偏，时域表示式，带宽,输出噪声功率，加重、去加重,门限效应,带宽、制度增益、设备复杂度比较,2,第5章 模拟调制系统,基本概念,调制, 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。,广义调制, 分为,基带调制,和,带通调制,（也称,载波调制,）,。,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。,调制信号, 指来自信源的基带信号,载波调制, 用调制信号去控制载波的参数的过程,。,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。,已调信号, 载波受调制后称为已调信号。,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。,3,第5章 模拟调制系统,调制的目的,提高无线通信时的天线辐射效率。,把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。,扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。,调制方式,模拟调制,数字调制,常见的模拟调制,幅度调制：调幅、双边带、单边带和残留边带,角度调制：频率调制、相位调制,4,第5章 模拟调制系统,5.1幅度调制（线性调制）的原理,一般原理,表示式：,设：正弦型载波为,式中，,A, 载波幅度；,c, 载波角频率；,0, 载波初始相位（以后假定,0, 0）。,m,(,t,) 基带调制信号,则：,幅度调制信号（已调信号）一般可表示成,5,5.1幅度调制（线性调制）的原理,频谱,设调制信号,m,(,t,)的频谱为,M,(,)，则已调信号的频谱为,线性调制,频谱是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为,线性调制,。,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,。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。,6,5.1幅度调制（线性调制）的原理,5.1.1调幅（AM）,时域表示式,式中,m,(,t,) 调制信号，均值为0；,A,0, 常数，表示叠加的直流分量。,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。,调制器模型,7,5.1幅度调制（线性调制）的原理,波形图,由波形可以看出，当满足条件：,|,m,(,t,)|,A,0,时，其包络与调制信号波形相同，,包络检波法恢复调制信号,AM的优点：,接收机简单,“过调幅”,-不叫AM,8,5.1幅度调制（线性调制）的原理,频谱图,m(t)与Acos,c,t的谱的卷积,载频分量,上边带,下边带,已调信号的带宽？,载频分量,载频分量,上边带,上边带,下边带,下边带,9,5.1幅度调制（线性调制）的原理,AM信号的特性,带宽,：,功率,：,当,m,(,t,)为确知信号时，,若,则,式中,P,c,=,A,0,2,/2 载波功率，, 边带功率。,10,5.1幅度调制（线性调制）的原理,调制效率,由上述可见，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，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）,占信号总功率的比例称为调制效率,：,当,m,(,t,) =,A,m,cos,m,t,时,(,单音调制,),，,代入上式，得到,当|,m,(,t,)|,max,=,A,0,时（,100调制,），调制效率最高，这时,max, 1/3,m(t)任意，求解难！,11,5.1幅度调制（线性调制）的原理,5.1.2 双边带调制（DSB）,时域表示式：,无直流分量,A,0,频谱：,无载频分量,时域频域示意,：,带宽？,12,0,5.1幅度调制（线性调制）的原理,如何取出m(t)？,包络检波？,带通滤波？,-相干解调,0,c,2,c,-2,c,-,c,0,带宽？,浪费？,13,5.1幅度调制（线性调制）的原理,调制效率：100,优点：节省了载波功率,缺点：不能用包络检波，需用相干检波，较复杂。,5.1.3 单边带调制（SSB）,原理：,两个边带中的任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。,节省发送功率,节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。,产生SSB信号的方法有两种：滤波法和相移法。,14,5.1幅度调制（线性调制）的原理,滤波法及SSB信号的频域表示,滤波法的原理方框图 用边带滤波器，滤除不要的边带:,图中，,H,(,)为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：,则可滤除下边带。,若具有如下理想低通特性：,则可滤除上边带。,15,5.1幅度调制（线性调制）的原理,SSB信号的频谱,上边带频谱图:,带宽？,过渡带陡，无法实现,得到的信号失真,16,5.1幅度调制（线性调制）的原理,滤波法的技术难点,滤波特性很,难,做到具有,陡峭,的截止特性,语音较易实现,可用多级（一般采用两级）DSB调制及边带滤波,先低,后高,语音一次调制到1000KHz，过渡带600/1000K,先调制在20KHz，过渡带600/20K,再调制到1000KHz，过渡带40K/1000K,当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。,17,5.1幅度调制（线性调制）的原理,相移法和SSB信号的时域表示,SSB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，则有,若保留下边带，则有,两式仅正负号不同,18,5.1幅度调制（线性调制）的原理,将上两式合并：,式中，“”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。,希尔伯特变换,：上式中,A,m,sin,m,t,可以看作是,A,m,cos,m,t,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,19,5.1幅度调制（线性调制）的原理,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,上式中的-jsgn,可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即,20,5.1幅度调制（线性调制）的原理,移相法SSB调制器方框图,优点：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。,21,5.1幅度调制（线性调制）的原理,SSB信号的解调,相干解调,SSB信号的性能,SSB信号的实现比AM、DSB要复杂，但,：,节省发射功率,占用的带宽少一半。,它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。,22,5.1幅度调制（线性调制）的原理,5.1.4 残留边带（VSB）调制,一种折中方,案,带宽相,SSB信号,实现,易,不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留小部分,问题：谱变了，岂不失真？,23,5.1幅度调制（线性调制）的原理,调制方法：用滤波法实现残留边带调制的原理框图与滤波法SBB调制器相同。,VSB信号解调器方框图,要求？,24,5.1幅度调制（线性调制）的原理,为保证相干解调的输出无失真地恢复调制信号,m,(,t,)，上式中的传递函数必须满足：,式中，,H,调制信号的截止角频率。,含义,：,残留边带滤波器的,特性,H,(,)在,c,处必,须具有,互补对称,（,奇对称）特性, 相干,解调时才能无失真,地恢复所需的调制信号。,H,-,H,为啥是,H,H,-,H,+,c,-,c,H(,),H(,-,c,),H(,+,c,),粉色部分没要求,25,5.1幅度调制（线性调制）的原理,残留边带滤波器特性的两种形式,残留“部分上边带”的滤波器特性：下图(a),残留“部分下边带”的滤波器特性 ：下图(b),26,5.1幅度调制（线性调制）的原理,5.1.5 线性调制的一般模型,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：,输出信号时域表示式为：,输出信号频域表示式为：,式中，,只要适当选择,H,(,)，便可以得到各种幅度调制信号。,27,5.1幅度调制（线性调制）的原理,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，,s,m,(,t,)可等效为两个互为正交调制分量的合成。,由此可以得到移相法线性调制的一般模型如下：,28,5.1幅度调制（线性调制）的原理,它同样适用于所有线性调制。,29,5.1.6 相干解调与包络检波,相干解调,相干解调器的一般模型,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）的本地载波（称为相干载波）,。,5.1幅度调制（线性调制）的原理,30,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,c,(,t,)相乘后，得,经低通滤波器后，得到,因为,s,I,(,t,)是,m,(,t,)通过一个全通滤波器,H,I,(,) 后的结果，故上式中的,s,d,(,t,)就是解调输出，即,5.1幅度调制（线性调制）的原理,31,包络检波,适用条件：AM信号，且要求|,m,(,t,)|,max,A,0,，,性能分析,设输入信号是,选择RC满足如下关系,式中,f,H, 调制信号的最高频率,在大信号检波时（一般大于0.5 V），二极管处于受控的开关状态，检波器的输出为,隔去直流后即可得到原信号,m,(,t,)。,5.1幅度调制（线性调制）的原理,32,第5章 模拟调制系统,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,5.2.1 分析模型,图中,s,m,(,t,) 已调信号,n,(,t,) 信道加性高斯白噪声,n,i,(,t,) 带通滤波后的噪声,-,窄带高斯噪声,m,(,t,) 输出有用信号,n,o,(,t,) 输出噪声,为何不考虑调制器？,已反映在s,m,(t)中,如何设计？,保证信号通过：理想带通，中心、带宽取决于S,m,(,),分析什么？,输入信噪比,输出信噪比,两者比较,33,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,噪声分析,n,i,(,t,)为平稳窄带高斯噪声，它的表示式为,或,由于,式中,N,i, 解调器输入噪声的平均功率,设白噪声的单边功率谱密度为,n,0,，带通滤波器是高度为1、带宽为,B,的理想矩形函数，则解调器的输入噪声功率为,34,输入信噪比,输出信噪比,输出信噪比反映了解调器的抗噪声性能。越大越好。,(调制),制度增益,：,用,G,便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能。,G,反映了这种调制制度的优劣。,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,35,5.2.2 DSB调制系统的性能,DSB相干解调抗噪声性能分析模型,由于是线性系统，所以可以分别计算解调器输出的信号功率和噪声功率。,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,如何设计？,保证信号通过：理想低通，,带宽取决于m(t),解调过程：,信号、噪声都要经过乘、低通,36,输出信号,功率计算,设解调器输入信号为,与相干载波cos,c,t,相乘后，得,经低通滤波器后，输出信号为,解调器输出端的有用信号功率为,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,调制在2,c,37,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,输出噪声功率计算,解调器输入端的窄带噪声可表示为,它与相干载波相,乘,后，得,经,低通,滤波器后，解调器最终的输出噪声为,故输出噪声功率为,38,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,输入,信号功率计算,解调器输入信号平均功率为,信噪比计算,输入信噪比,输出信噪比,制度增益,DSB信号的解调器使信噪比改善一倍,改善原因？,采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除,39,SSB调制系统的性能,噪声功率,这里，,B,=,f,H,为SSB 信号的带通滤波器的带宽。,信号功率,SSB信号,与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号,因此，输出信号平均功率,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,40,输入信号平均功率为,信噪比,单边带解调器的输入信噪比为,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,41,单边带解调器的输出信噪比为,制度增益,讨论：,因为在SSB系统中，信号和噪声有,相同表示形式,，所以相干解调过程中，信号和噪声中的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善。,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,42,讨论,G,DSB,= 2,G,SSB,，DSB比SSB,好？,应在相同条件下比较。,在,输入信号功率、相同的输入噪声功率谱密度，相同的基带信号带宽条件下，两者的抗噪声性能是相同的。,(后面有专门讨论),SSB所需的传输带宽仅是DSB的一半。,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,43,5.2.4 AM包络检波的性能,包络检波器分析模型,检波输出电压正比于输入信号的包络变化。,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,注意输出信噪比的求法,44,输入信噪比计算,设解调器输入信号为,解调器输入噪声为,则解调器输入的信号功率和噪声功率分别为,输入信噪比为,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,45,待检出的,包络计算,由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即,式中,上式中,E,(,t,)便是所求的合成包络。当包络检波器的传输系数为1时，则检波器的输出就是,E,(,t,)。,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,输出信号、噪声都在其中,46,输出信噪比计算,大信噪比情况,输入信号幅度远大于噪声幅度，即,因而式,可以简化为,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,信号,噪声,47,可见，有用信号与噪声独立地分成两项，因而可分别计算它们的功率。输出信号功率为,输出噪声功率为,故输出信噪比为,制度增益为,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,48,讨论,1.,G,AM,随,A,0,的减小而增加,2.,G,AM,1,，包络检波器对输入信噪比没有改善,3.单,音,信号,，,100%调制,4,. 可以证明,大信噪比时，包络检波器解调时的性能与同步检测器时的性能几乎一样。,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,49,小信噪比情况,输入信号幅度远小于噪声幅度，即,包络,变成,式,中：,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,50,因为,所以：,m,(,t,)被噪声扰乱，只能看作是噪声。,输出信噪比,趋于0，,急剧恶化,！,解调器的,门限效应,：,当输入信噪比小到某个值后，输出信噪比急剧恶化,开始出现门限效应的,输入信噪比,称为,门限值,。,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,51,讨论,1. 门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。,2. 相干解调不存在门限效应。,原因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。,3. 在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同。但当输入信噪比低于门限值时，将会出现门限效应，这时解调器的输出信噪比将急剧恶化，系统无法正常工作。,5.2 线性调制系统的抗噪声性能,52,1、已知调制信号载波为，分别画出AM、DSB、SSB（下边带）信号的频谱。,53,2,、若对某一信号用DSB进行传输，接收机的输入信号在加至解调器之前，先经过理想带通滤波器，设加至接收机的调制信号m（t）的功率谱密度为：,试求：,（1）接收机的输入信号功率；,（2）接收机输出信号功率；,（3）若载波频率为，该理想带通滤波器的中心频率及带宽为多少？,54,第5章 模拟调制系统,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,频率调制简称调频(FM)，相位调制简称调相(PM)。,角度调制：频率调制和相位调制的总称。,已调信号频谱不再是原调制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，故又称为,非线性调制,。,与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。,55,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,5.3.1角度调制的基本概念,角度调制信号的一般表达式,式中，,A, 载波的恒定振幅；,c,t,+,(,t,), ,(,t,), 信号的瞬时相位；,(,t,) 瞬时相位偏移。,d,c,t,+,(,t,),/d,t,=,(,t,), 称为,瞬时角频率,称为,瞬时角频偏,称为,瞬时频偏,56,相位调制(PM)：,瞬时相位偏移,随调制信号作,线性变化,，即,式中,K,p, 调相灵敏度，,含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量，单位是rad/V。,将上式代入一般表达式,得到PM信号表达式,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,57,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,频率调制(FM)：,瞬时频率偏移,随调制信号成,线性,变化,，即,式中,K,f, 调频灵敏度，单位是rad/s,V。,这时相位偏移为,将其代入一般表达式,得到FM信号表达式,58,PM与 FM的区别,比较上两式可见， PM是,相位偏移,随调制信号,m,(,t,)线性变化，FM是,相位偏移,随,m,(,t,)的积分呈线性变化。,如果预先不知道调制信号,m,(,t,)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,59,单音调制FM与PM,设调制信号为单一频率的正弦波，即,用它对载波进行,相位调制,时，将上式代入,得到,式中，,m,p,=,K,p,A,m, 调相指数，表示最大的相位偏移,。,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,60,用它对载波进行,频率调制,时，将,代入,得到FM信号的表达式,调频指数,m,f,，表示最大的相位偏移,最大角频偏,最大频偏,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,61,PM 信号和FM 信号波形,(a) PM 信号波形 (b) FM 信号波形,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,62,FM与PM之间的关系,（a）直接调频 （b）间接调频,(c) 直接调相 (d) 间接调相,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,63,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,5.3.2 窄带调频（NBFM）,定义：如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足下式条件,则称为,窄带调频,；反之，称为,宽带调频,。,64,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,NBFM,时域表示式,将FM信号一般表示式展开得到,当满足窄带调频条件时，,故上式可简化为,1,是否像SSB？,cos(,/6),65,频域表示式,利用傅里叶变换对,可得NBFM信号的频域表达式,（设,m,(,t,),的均值为0）,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,66,NBFM和AM信号频谱的比较,两者都含有一个载波和两个边带，带宽相同,NBFM的两个边频分别乘了因式1/(, - ,c,)和1/(, + ,c,) ，由于因式是频率的函数，所以这种加权是频率加权，加权的结果引起调制信号,频谱的失真,。,另外，NBFM的一个边带和AM反相。,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,67,NBFM和AM信号频谱的比较举例,以单音调制为例,。设调制信号,则NBFM信号为,AM信号为,按照上两式画出的频谱图和矢量图如下：,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,68,频谱图,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,69,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,矢量图,(a) AM (b) NBFM,在AM中，两个边频的合成矢量与载波同相，所以,只有幅度的变化，无相位的变化,；而在NBFM中，由于下边频为负，两个边频的合成矢量与载波则是正交相加，所以NBFM,不仅有相位的变化，幅度也有很小的变化,。,这正是两者的本质区别 。,由于NBFM信号最大频率偏移较小，占据的带宽较窄，但是其抗干扰性能比AM系统要好得多，因此得到较广泛的应用。,70,5.3.3 宽带调频,调频信号表达式,设：单音调制信号为,则单音调制FM信号的时域表达式为,将上式利用三角公式展开，有,将上式中的两个因子分别展成傅里叶级数，,式中,J,n,(,m,f,) 第一类,n,阶贝塞尔函数,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,71,J,n,(,m,f,) 第一类,n,阶贝塞尔函数,随n增加在减小,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,72,将,代入,并利用三角公式,及贝塞尔函数的性质,则得到FM信号的级数展开式如下：,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,73,调频信号的频域表达式,对上式进行傅里叶变换，即得FM信号的频域表达式,+,-,=,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,74,讨论：由上式可见,当,n,= 0时是载波分量,c,，其幅度为,AJ,0,(,m,f,),当n,0时是对称分布在载频两侧的边频分量(,c,n,m,),，其幅度为,AJ,n,(,m,f,)，相邻边频之间的间隔为,m,；且当,n,为奇数时，上下边频极性相反； 当,n,为偶数时极性相同。,调频信号的频谱由载波分量,c,和无数边频(,c,n,m,),组成,。,由此可见，FM信号的频谱不再是调制信号频谱的线性搬移，而是一种非线性过程。,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,75,调频信号的,带宽,理论上调频信号的频带宽度为,无限宽,。,实际上边频幅度随着,n,的增大而逐渐减小，近似,有限,频谱,频带宽度,：,包括,幅度,大于,原,载波,幅度,的,10%,以上的边频分量,当,m,f, 1,以后，取边频数,n,=,m,f,+ 1即可。因为,n,m,f,+ 1以上的边频幅度均小于0.1。,被保留的上、下边频数共有2,n,= 2(,m,f,+ 1)个，相邻边频之间的频率间隔为,f,m,，所以调频波的有效带宽为,它称为卡森（Carson）公式。,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,76,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,当,m,f, 1时，上式可以近似为,这就是宽带调频的带宽。,例如，调频广播中规定的最大频偏,f,为75kHz，最高调制频率,f,m,为15kHz，故调频指数,m,f, 5，由上式可计算出此FM信号的频带宽度为180kHz。,77,调频信号的功率分配,调频信号的平均功率为,由帕塞瓦尔定理可知,利用贝塞尔函数的性质,得到,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。,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,78,5.3.4 调频信号的产生与解调,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的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。,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,LC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,79,直接调频法的主要优缺点：,优点：可以获得较大的频偏。,缺点：频率稳定度不高,改进途径：采用如下锁相环（PLL）调制器,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,80,间接法调频 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,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,81,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：,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,82,倍频：,目的：为提高调频指数，从而获得宽带调频。,方法：倍频器可以用非线性器件实现。,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,n,次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为,n,倍。,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,83,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,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，倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提高了，倍频后新的载波频率(,nf,1,)高达600MHz，不符合,f,c,=88-108MHz的要求，因此需用混频器进行下变频来解决这个问题。,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,84,具体方案,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,倍频,变频,倍频,85,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,【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,86,调频信号的解调,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-电压转换关系的器件是频率检波器，简称鉴频器。,鉴频器的种类很多，例如振幅鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器、正交鉴频器、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：,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,87,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,振幅鉴频器方框图,K,d,为鉴频器灵敏度，单位为V/rad/s,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。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,88,相干解调：相干解调,仅适用于NBFM,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。,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,89,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。,5.3 非线性调制（角度调制）的原理,90,第5章 模拟调制系统,5.4调频系统的抗噪声性能,FM非相干解调,时的抗噪声性能,分析模型,图中,n(t) 均值为零，单边功率谱密度为,n,0,的高斯白噪声,91,5.4.1 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，,B,FM, 调频信号的带宽，即带通滤波器的带宽,因此输入信噪比为,5.4调频系统的抗噪声性能,92,5.4.2 大信噪比时的解调增益,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。,计算输出信号平均功率,输入噪声为0时，解调输出信号为,故输出信号平均功率为,5.4调频系统的抗噪声性能,93,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,5.4调频系统的抗噪声性能,94,在大信噪比时，即,A,n,c,(,t,)和,A,n,s,(,t,)时，相位偏移,可近似为,当,x, 1时有近似式,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，即抗噪声性能好。例如，调频广播中常取,m,f,，则制度增益,G,FM,=450,。也就是说，加大调制指数，可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,100,调频系统与调幅系统比较,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,= 2,f,m,，故有,将两者相比，得到,5.4调频系统的抗噪声性能,B不同！,101,讨论,在大信噪比情况下，若系统接收端的输入,A,和n,0,相同，则宽带调频系统解调器的输出信噪比是调幅系统的,3,m,f,2,倍。例如，,m,f,=5时，宽带调频的,S,0,/,N,0,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,2,f,m,，而对WBFM信号而言，相应于,m,f,= 5时的传输带宽为,12,f,m,，是前者的6倍。,WBFM信号的传输带宽,B,FM,与AM 信号的传输带宽,B,AM,之间的一般关系为,5.4调频系统的抗噪声性能,102,当,m,f, 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。,5.4调频系统的抗噪声性能,103,结论：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。,5.4调频系统的抗噪声性能,104,5.4.3 小信噪比时的,门限效应,当(,S,i,/,N,i,)低于一定数值时，解调器的输出信噪比(,S,o,/,N,o,)急剧恶化，这种现象称为调频信号解调的门限效应。,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，记为(,S,i,/,N,i,),b,。,5.4调频系统的抗噪声性能,105,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。,由此图可见,门限值与调制指数,m,f,有关。,m,f,越大，门限值越高。不过,不同,m,f,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。,在门限值以上时， (,S,o,/,N,o,),FM,与(,S,i,/,N,i,),FM,呈线性关系，且,m,f,越大，输出信噪比的改善越明显。,5.4调频系统的抗噪声性能,106,在门限值以下时， (,S,o,/,N,o,),FM,将随(,S,i,/,N,i,),FM,的下降而急剧下降。且,m,f,越大， (,S,o,/,N,o,),FM,下降越快。,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。,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。,还可以采用“,预加重,”和“,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。,5.4调频系统的抗噪声性能,107,5.4调频系统的抗噪声性能,5.4.4 预加重和去加重,目的：,鉴频器输出噪声功率谱随,f,呈抛物线形状增大。这对解调信号质量会带来很大的影响。,对策 ：拉平,H,d,(,f),H,d,(,f,),解调,输出,问题：信号谱变了！,对策：先把信号谱变了（加重）,n(t),108,方框图：加有预加重和去加重的调频系统,性能,输出信号功率,：,没有,变化,输出信噪比的,改善程度,：,加重前的输出噪声功率,/,加重后的输出噪声功率,可见，,输出信噪比的改善程度取决于去加重网络的特性。,5.4调频系统的抗噪声性能,109,实用电路：下图给出了一种实际中常采用的预加重和去加重电路，它在保持信号传输带宽不变的条件下，可使输出信噪比提高6 dB左右。,预加重网络与网络特性,去加重网络与网络特性,5.4调频系统的抗噪声性能,110,第5章 模拟调制系统,5.5 各种模拟调制系统的比较,111,5.5 各种模拟调制系统的比较,抗噪声性能,WBFM抗噪声性能最好，,DSB、SSB、VSB抗噪声,性能次之，AM抗噪声性,能最差。,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。,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（m,f,= 6）的信噪比比AM高22dB。,当输入信噪比较高时，FM的调频指数m,f,越大，抗噪声性能越好。,112,第5章 模拟调制系统,5.6 频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,5.6.1 频分复用（FDM）,目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率,原理,保护带宽,113,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,5.6 频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,114,FDM 技术主要用于模拟信号，普遍应用在多路载波电话系统中。其主要,优点,是信道利用率高，技术成熟；,缺点,是设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和传输过程中，调制、解调等过程会不同程度地引入非线性失真，而产生各路信号的相互干扰。,5.6 频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,115,5.6 频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,5.6.2 调频立体声广播,频谱结构,015kHz用于传送(L+R)信号,23kHz53kHz用于传送(L-R)信号,59kHz75kHz则用作辅助通道,(L-R)信号的载波频率为38kHz,在19kHz处发送一个单频信号（导频）,在普通调频广播中，只发送015kHz的(L+R)信号。,116,5.6 频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,调制原理,117,立体声广播信号的解调,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。,5.6 频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,118,