通信原理-CH3-模拟角度调制.ppt

,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,*,第三章 模拟角度调制,主要内容,基本概念,FM,方法,解调方法,抗噪声性能,分析,预加重,/,去加重技术,压扩技术,3.1,基本概念,角调制信号的时域表达式,FM,PM,FM,的频谱,窄带,FM,窄带,PM,3.1,基本概念,角调制信号的时域表达式,(,t,),是载波的相位。若使它随调制信号,f,(,t,),以某种方式变化，则称其为角度调制。,载波信号：,频率调制,相位调制,相位调制的定义,：若使相位,(,t,),随,f,(,t,),线性变化，即令,则称为相位调制。这时，已调信号的表示式为,此已调载波的瞬时频率为：,上式表示，在相位调制中瞬时频率随调制信号的,导函数,线性地变化。,频率调制的定义,：若使瞬时频率直接随调制信号线性地变化，则称为频率调制。这时，瞬时角频率为,及瞬时相位为,这时，已调信号的表示式为：,上式表明，载波相位随调制信号的,积分,线性地变化。,调相系统,瞬时相位偏移,瞬时相位,调相信号表达式,调频系统,瞬时角频率偏移,瞬时角频率,瞬时相位,调频信号表达式,如果将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫,间接调频,；同样，如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫,间接调相,。,单频调制,调制信号,调相信号,其中，叫,调相指数,，代表调相波的最大相位偏移,调频信号,其中，叫,调频指数,，代表调频波的最大相位偏移,调频波最大频率偏移：,则,（,最大频偏,与,调制信号,角频率之比）,当,A,m,一定，,m,由小增大时：,FM,中的,max,不变，而,M,f,则成反比地减小。,PM,中的,M,p,不变，而,max,呈正比地增加。,FM,PM,FM,的频谱,设,m(t)=,A,m,cos,m,t,S,FM,(t,)=,Acos(,c,t+m,f,sin,m,t,),，,频谱,无穷多个频率分量，其幅度正比于,J,n,(m,f,)n,阶贝赛尔函数,(1),单音调频信号的频谱由,载波分量,和,无数对边频分量,所组成,(,已不是调制信号频谱的不失真搬移,),。其中，,n,为奇数的上、下边带分量的振幅相等，极性相反,；而,n,为偶数的上、下边频分量的振幅相等，极性相同,。,(2),载波和各边频分量的振幅均随,M,f,而变化。当,M,f,=2.40,，,5.52,，,8.65,时，载波分量振幅等于零；而当,M,f,为某些其它特定值时，又可使某些边频分量振幅等于零。,调角信号的频带宽度,1,、一个调角信号除了载波频率 以外，还包含无穷多的边频，相邻边频之间的频率间隔仍是 。第,n,条谱线与载频之差为 。可见，其,频谱无限宽,！,2,、每一个分量的幅度等于,A,m,J,n,(m,f,),，而,J,n,(m,f,),由贝塞尔函数决定。,3,、贝塞尔函数的特点：当阶数,nm,f,+1,时，,J,n,(m,f,),的数值随着,n,的增加而迅速减小。实际上可认为,n=m,f,+1,，,即高低边频的总数为,2n=2(m,f,+1),，,则调频波的频谱有效宽度为,2(m,f,+1),m,，,即频带宽度：,B,FM,=2(m,f,+1),m,卡森公式,m,F,J,0,J,1,J,2,J,3,J,4,J,5,J,6,J,7,J,8,J,9,J,10,J,11,J,12,J,13,J,14,0.00,1,0.25,0.98,0.12,0.50,0.94,0.24,0.03,1.00,0.77,0.44,0.11,0.02,1.50,0.51,0.56,0.23,0.06,0.01,2.00,0.22,0.58,0.35,0.13,0.03,2.40,0,.00,0.52,0.43,0.20,0.06,0.02,2.50,-.05,0.50,0.45,0.22,0.07,0.02,0.01,3.00,-.26,0.34,0.49,0.31,0.13,0.04,0.01,4.00,-.40,-.07,0.36,0.43,0.28,0.13,0.05,0.02,5.00,-.18,-.33,0.05,0.36,0.39,0.26,0.13,0.05,0.02,5.45,0,.00,-.34,-.12,0.26,0.40,0.32,0.19,0.09,0.03,0.01,6.00,0.15,-.28,-.24,0.11,0.36,0.36,0.25,0.13,0.06,0.02,7.00,0.30,0.00,-.30,-.17,0.16,0.35,0.34,0.23,0.13,0.06,0.02,8.00,0.17,0.23,-.11,-.29,-.10,0.19,0.34,0.32,0.22,0.13,0.06,0.03,8.65,0,.00,0.27,0.06,-.24,-.23,0.03,0.26,0.34,0.28,0.18,0.10,0.05,0.02,9.00,-.09,0.25,0.14,-.18,-.27,-.06,0.20,0.33,0.31,0.21,0.12,0.06,0.03,0.01,10.0,-.25,0.05,0.25,0.06,-.22,-.23,-.01,0.22,0.32,0.29,0.21,0.12,0.06,0.03,0.01,对于某一固定的 ，有如下近似关系：,忽略了小于,0.1,的分量。,注意：载频分量有可能小于旁频分量。,由于调频和调相的幅度不变，则调角波在调制后总功率不变，只是将原来载波功率中的一部分转入边频中。载波成分的系数,J,o,(,m,f,),小于,1,，表示载波功率减少了。因此,调制过程不需要外界供给边频功率,，只是高频信号本身载频功率与边频功率的重新分配。,m,f,=1:,宽带调频（无穷级贝塞尔函数）,B,FM,=2(m,f,+1),f,m,=2(,f,max,+,f,m,),m,f,1:,B,FM,=,2,f,max,调相信号同理,例：,m,f,=3,f,c,两边不对称，不能用单边带信号传输信息,重要结论：,从所占频带的利用率来讲，调相波不如调频波好。,因为实际的调制信号包含有许多的频率成份，调相波所占的频带变化就很大，而载频的选取和对发射机、接收机通频带的要求又是根据频带最宽的情况而定，这对于调制频率低的情况，显然不经济。,因此，,PM,一般只作为产生,FM,的一种间接手段。,(,将基带信号积分再进行,PM,调制,),练习（,1,）,2MHz,载波受,10KHz,单频正弦调频，峰值频偏为,10KHz,，求：,（,1,）调频信号的带宽,（,2,）调制信号幅度加倍时，调频信号的带宽,（,3,）调制信号频率加倍时，调频信号的带宽,（,4,）若峰值频偏减为,1KHz,，重复计算（,1,）、（,2,）、（,3,）,调频信号带宽,B,FM,=2(M,f,+1)f,m,=2(f,m,+,f,max,),调频指数,M,f,=K,FM,A/,m,=,f,max,/f,m,(1),f,max,/f,m,=,M,f,=10KHz/10KHz=1,所以，,B,FM,=2(1+1)x10KHz=40KHz,(2),当调制信号幅度,A,加倍时，则,M,f,加倍，即,M,f,=2,B,FM,=2(2+1)x10KHz=60KHz,(3),当调制信号频率,f,m,加倍时，,f,m,=20KHz,M,f,=2(,f,m,+,f,max,)=2(,20KHz+10KHz,)=6,0KHz,(4),峰值频偏减为,1KHz,，,f,max,=1,KHz,(1),B,FM,=22KHz (2)B,FM,=24KHz (3)B,FM,=42KHz,练习,2,同相分量,正交分量,窄带角调制,窄带调频,前提条件,时域表达式,同相分量,正交分量,窄带近似,1,窄带调频的频域表达式,窄带调相,当 时为窄带调相,|,K,pm,f(t,),|,/6,直接法,倍频法：窄带调频,+,倍频,3.2 FM,方法,直接法,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。,电路简单，性能良好，频偏较大，,问题：载频,f,c,发生飘移，需附加稳频电路,VCO,一般为,LC,、,RC,振荡器,间接法,先对调制信号,积分,后再对载波进行相位调制，从而产生窄带调频信号,(NBFM),。然后，利用,倍频,器把,NBFM,变换成宽带调频信号,(WBFM),。,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。,倍频器可以用非线性器件实现，然后用带通滤波器滤去不需要的频率分量。,平方律,若,则,3.2 FM,方法,3.2 FM,方法,3.2 FM,方法,两者都含有一个载波和位于 处的两个边带，所以它们的带宽相同,(),。不同的是，,N,BFM,的两个边频分别乘了因式 和 ，频率加权的结果引起调制信号频谱的失真。另外，有一边频和,AM,反相。,则,NBFM,信号为,下面以单音调制为例。设调制信号,AM,信号为,在,AM,中，两个边频的合成矢量与载波同相，只发生幅度变化；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，因而,NBFM,存在相位变化,，,当最大相位偏移远小于,/6,时，幅度基本不变。这正是两者的本质区别。,单音调制的,AM,与,NBFM,频谱,矢量图分析,常规调幅,窄带调频,3.2 FM,方法,窄带调相,3.3,解调方法,非相干解调：限幅鉴频器,锁相鉴频器,相干解调,微分,包络检波,LPF,信号,鉴频器,带通,限幅器,微分器,包络,检波器,LPF,S,FM,(t),n,i,(t,),m,o,(t,),非相干解调：限幅鉴频器,非相干解调：锁相鉴频,相干解调,窄带调频,调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。,相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号；,而非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信,号，因而是,FM,系统的主要解调方式。,3.4,调频系统的抗噪声性能,非相干解调的输入信噪比,输入信号：,输入噪声,输入信噪比,计算输出信噪比时，由于非相干解调不是 线性叠加处理过程，因此不能分别计算其信号和噪声的功率,鉴频器输入,矢量合成图,a,2,a,1,a,1,C,B,任意参考基线,O,2,2,-,1,-,1,a,2,鉴频特性,噪声,有用信号,噪声功率？,功率谱,噪声功率,鉴频器,(,微分网络输出,),输出信噪比,例,设调频与调幅信号均为单音调制，调制信号频率为,f,m,，,调幅信号为,100%,调制。当两者的接收功率,S,i,相等，信道噪声功率谱密度,n,0,相同时，比较调频系统与调幅系统的抗噪声性能。,解：,FM,的输出信噪比为,AM,的输出信噪比为,由此可见，,在高调频指数时，调频系统的输出信噪比远大于调幅系统,。例如，,m,f,=5,时，宽带调频的,S,o,/N,o,是调幅时的,112.5,倍。这也可理解成当两者输出信噪比相等时，调频信号的发射功率可减小到调幅信号的,1/112.5,。,应当指出，,调频系统的这一优越性是以增加传输带宽来换取的,。,这说明,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,。这就意味着，对于调频系统来说，,增加传输带宽就可以改善抗噪声性能,。调频方式的这种以带宽换取信噪比的特性是十分有益的。在调幅制中，由于信号带宽是固定的，无法进行带宽与信噪比的,互换，这也正是在抗噪声性能方面调频系统优于调幅系统的重要原因。,各种模拟调制系统的性能曲线,70,60,50,40,30,20,10,0,10,20,30,40,50,FM:,m,=,6,m,=,3,DSB/SSB,AM,2.,小信噪比情况与门限效应,应该指出，以上分析都是在,(,S,i,/N,i,),FM,足够大的条件下进行的。当,(,S,i,/N,i,),FM,减小到一定程度时，解调器的输出中不存在单独的有用信号项，信号被噪声扰乱，因而,(S,o,/N,o,),FM,急剧下降。这种情况与,AM,包检时相似，我们称之为,门限效应,。,出现门限效应时所对应的,(,S,i,/N,i,),FM,值被称为门限值（点），记为,(,S,i,/N,i,),b,。,小信噪比情况,门限效应,非相干解调的门限效应,M,f,不同，门限值不同。,M,f,越大，门限点,(,S,i,/N,i,),b,越高。,(,S,i,/N,i,),FM,(,S,i,/N,i,),b,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。,(,S,i,/N,i,),FM,(,S,i,/N,i,),b,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,降得越快，甚至比,DSB,或,SSB,更差。,这表明，,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（相当,M,f,加大），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。,希望在接收到最小信号功率时仍能满意地工作，这就,要求门限点向低输入信噪比方向扩展,。,调制方式,信号带宽,制度增益,设备复杂度,主要应用,DSB,2,中等,较少应用,SSB,1,复杂,短波无线电广播，话音频分多路,VSB,略大于,近似,SSB,近似,SSB,复杂,商用电视广播,AM,2/3,简单,中短波无线电广播,FM,中等,超短波小功率电台,(,窄带,FM),，,微波中继，调频立体声广播,(,宽带,FM),各种模拟调制方式的性能,3.5,预加重,/,去加重技术,一、,为什么要采用,预加重、去加重技术,因为鉴频器的 随 的增加而急剧增加,，而信号功率谱密度却集中于低频,端，必将导致 下降。,二、,何谓,预加重,/,去加重,1,、,去加重网络 方法,：,“低压”提高了的高频分量，采用低通特性网络。,鉴频器输出端加入一个具有低通特性,(,但截止特性,3.5,预加重,/,去加重技术,较平缓,),的网络，对较高频率,(,低于,),的噪声分量,予较大的衰减从而减小 ，改善系统噪声性能。,该网络称为,去加重网络,。,2,、,预加重网络,：,“提升”信号的高频分量，采用高通特性的网络。,为了不使信号因,的插入而产生幅频失,真，在发送端调频前应加入一个与 互补的,高通特性的预加重网络。该网络称为,预加重网络,。,3.5,预加重,/,去加重技术,三、预,/,去加重如何改善信噪,比,1,、调频系统中的加重与去重,互补,：,(,或常数,),2,、加重改善系数,用于恒量系统加重后对噪声性能的改善程度，,用加重与不加重的系统输出信噪比来表示，记为,3.5,预加重,/,去加重技术,预加重网络,-,高通滤波器,去加重网络,-,低通滤波器,增益：,用于恒量系统加重后对噪声性能的改善程度，用加重与不加重的系统输出信噪比来表示,，记为,例子：调频广播，,f,m,=15kHz,，,f,1,=2.1kHz,，,采用加重和去加重的信噪比改善约为,13dB,。,衰减因子,调频广播，,f,m,=15kHz,，,f,1,=2.1kHz,，,K,为,-7dB,。,采用加重和去加重得到的实际信噪比改善约为,6dB,。,3.5,预加重,/,去加重技术,改善,3.6,压扩技术,改善小信号,无信号时，,n,10,(t),一般较小，,练习（,1,）,(1),调频波的频偏为调幅波带宽的,4,倍，而调幅波带宽为,2fm,，,所以,f,max,=2f,m,x4=8f,m,调频指数,M,f,f,max,/f,m,=8,(2),调幅波,s(t,)=A,0,+f(t)cos,c,t=A,0,(1+,AM,cos2,f,m,t,)cos,c,t,AM,=A,m,/A,0,。,根据题意，两种调制中在距载频,+(-)fm,的边频分量有相等的幅度。,因为调频波在距,载频,+(-)fm,的边频分量的幅度为,(A,0,/2)J,1,(8),，调幅波在距载频,+(-)fm,的边频分量的幅度为,A,m,/2,，所以，,(A,0,/2)J,1,(8),A,m,/2,AM,=A,m,/A,0,J,1,(8)=0.23,设晶体振荡器振荡频率,f,g,=300kHz,，间接调频器所产生的最大频偏,f,1,=25Hz,，混频器输出差频，本振频率,f,L,=81MHz,。若要求系统输出载波频率,f,c,=90MHz,，频偏,f=75kHz,，试求两个倍频器的倍频系数,n,1,，,n,2,。,练习（,2,）,间接调频输出端：,f,c1,=,f,g,=300kHz,，频偏,f,1,=25Hz,倍频器,1,输出端：,f,c2,=n,1,f,c1,，,f,2,=n,2,f,1,混频器输出端：,f,c3,=f,c2,-f,L,，,f,3,=,f,2,倍频器,2,输出端：,f,c,=n,2,f,c3,，,f=n,2,f,3,于是，,f=n,2,f,3,=n,2,f,2,=n,1,n,2,f,1,n,1,n,2,=,f/,f,1,=75*10,3,/25=3000,f,c,=n,2,f,c3,=n,2,f,c2,-n,2,f,L,=n,1,n,2,f,c1,-n,2,f,L,所以，,n,1,=300,，,n,2,=10,复习思考题,1,、什么是频率调制？什么是相位调制？两者的关系如何？,2,、,FM,信号有哪几种生成方式？有哪几种解调方式？,3,、为什么调频系统可以进行带宽与信噪比的互换，而调幅不能？,4,、,FM,系统的调制制度增益和信号带宽的关系如何？这一关系说明什么问题？,5,、,FM,系统产生门限效应的主要原因是什么？,6,、,FM,系统中采用加重技术的原理和目的是什么？,7,、比较调幅系统和调频系统的抗噪声性能。,作业,1,、设一宽带,FM,系统，载波振幅为,100V,，频率为,100MHz,，调制信号,m(t,),的频带限制在,5kHz,，,Em,2,(t)=5000V,2,K,f,=500,rad/(s.V,),，最大频偏为,f=75kHz,，并设信道噪声功率谱密度是均匀的，其单边谱密度为,P,n,(f,)=10,-3,W/Hz,，试求：,（,1,）接收机输入端理想带通滤波器的传输特性,H(w,),；,（,2,）解调器输入端的信噪功率比；,（,3,）解调器输出端的信噪功率比；,（,4,）若,m(t,),以,AM,调制方法传输，并以包络检波器进行解调，试比较在输出信噪比和所需带宽方面与,FM,系统有什么不同。,作业,2,、已知调制信号 ，它所产生的调角波具有 形式，试做下列各题：,（,1,）若它是,FM,波，且要求最大频偏 ，求,M,f,，,B,FM,，,K,FM,，及,FM,波表达式；,（,2,）若它是,FM,波，且要求最大频偏 ，求,M,p,，,B,PM,，,K,PM,，及,PM,波表达式；,（,3,）若,m,增大为原先的,2,倍，而保持,A,m,以及,K,FM,或,K,PM,不变，再计算,FM,波、,PM,波的带宽。由此可说明什么？,作业,3,、,4.11,4,、,4.21,