通信原理 模拟信号调制系统.ppt

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,第,5,章 模拟调制系统,基本概念,调制信号,指来自信源要被传输的基带消息信号。,载波,未受调制的承载消息的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波,广义调制,把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。分为,基带调制,和,带通调制,（也称,载波调制,）,。,狭义调制,(,载波调制,),用调制信号去控制载波的参数的过程,。,在无线通信和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。,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。,2,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,:,调制信号是模拟信号的调制。,数字调制,:,调制信号是数字信号的调制。,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,3,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,）。,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。,4,第,5,章 模拟调制系统,频谱,设调制信号,m,(,t,),的频谱为,M,(,),，,则已调信号的频谱为,由以上表示式,可见,：,在时域波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化,；,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,。,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,。但应注意，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。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。,5,第,5,章 模拟调制系统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,调制器模型,6,第,5,章 模拟调制系统,波形图,由波形可以看出，当满足条件：,|,m,(,t,)|,A,0,时，其,已调波的包络与调制信号波,形相同,，因此用包络检波法很容易,恢复出原 始调制信号。,否则，出现“,过调幅,”现象。这时用,包络检波将发生失真。但是，可以,采用,其他的解调方法,，如同步检波。,7,第,5,章 模拟调制系统,频谱图,由频谱可以看出，,AM,信号的频谱由,1,、,载频分量,2,上边带 三部分组成,3,、下边带,上边带的频谱结构与原调制,信号的频谱结构相同，下边,带是上边带的镜像。,载频分量,载频分量,上边带,上边带,下边带,下边带,8,第,5,章 模拟调制系统,AM,信号的特性,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,f,H,的两倍,：,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,。,9,第,5,章 模拟调制系统,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,：,例题：,当,m,(,t,)=,A,m,cos,m,t,时，,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,1/3,10,第,5,章 模拟调制系统,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，有上下边带,，带宽为：,曲线：,11,第,5,章 模拟调制系统,调制效率：,100,带宽为：,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：,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，还可节省一半传输频带，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。,12,第,5,章 模拟调制系统,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。,13,第,5,章 模拟调制系统,SSB,信号的频谱,上边带频谱图,:,14,第,5,章 模拟调制系统,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,例如，若经过滤波后的话音信号的最低频率为,300Hz,，,则上下边带之间的频率间隔为,600Hz,，,即允许过渡带为,600Hz,。在,600Hz,过渡带和不太高的载频情况下，滤波器不难实现；但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。,可以采用多级（一般采用两级）,DSB,调制及边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行,DSB,调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作。再在要求的载频上进行第二次调制。,当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。,15,第,5,章 模拟调制系统,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,16,第,5,章 模拟调制系统,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,17,第,5,章 模拟调制系统,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,18,第,5,章 模拟调制系统,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。,19,SSB,已调波：,20,21,第,5,章 模拟调制系统,SSB,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。,SSB,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，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽度比,AM,、,DSB,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。,22,第,5,章 模拟调制系统,5.14,残留边带（,VSB,）,调制,原理：残留边带调制是介于,SSB,与,DSB,之间的一种折中方式，它既克服了,DSB,信号占用频带宽的缺点，又解决了,SSB,信号实现中的困难。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,小部分，如下图所示：,23,第,5,章 模拟调制系统,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,SSB,调制器相同。,不过，这时图中滤波器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止特性，因而它比单边带滤波器容易制作。,24,第,5,章 模拟调制系统,对残留边带滤波器特性的要求,由滤波法可知，残留边带信号的频谱为,为了确定上式中残留边带滤波器传输特性,H,(,),应满足的条件，我们来分析一下接收端是如何从该信号中恢复原基带信号的。,25,第,5,章 模拟调制系统,VSB,信号解调器方框图,图中,因为,根据频域卷积定理可知，乘积,s,p,(,t,),对应的频谱为,26,第,5,章 模拟调制系统,将,代入,得到,式中,M,(,+2,c,),及,M,(,-2,c,),是搬移到,+2,c,和,-2,c,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,27,第,5,章 模拟调制系统,显然，为了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。,上述条件的含义是：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从残留边带信号中恢复所需的调制信号。,28,第,5,章 模拟调制系统,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),29,第,5,章 模拟调制系统,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：,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,H,(,),，,便可以得到各种幅度调制信号。,30,第,5,章 模拟调制系统,移相法模型,:,展开下式,31,第,5,章 模拟调制系统,由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：,32,第,5,章 模拟调制系统,它同样适用于所有线性调制。,其中：,AM,和,DSB,的,SSB,的 ，,33,第,5,章 模拟调制系统,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），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。,34,第,5,章 模拟调制系统,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,(,)=1,后的结果，故上式中的,s,d,(,t,),就是解调输出，即,35,第,5,章 模拟调制系统,包络检波,适用条件：,AM,信号，且要求,|,m,(,t,)|,max,A,0,，,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，,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,),。,36,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,),带通滤波后的窄带噪声,m,o,(,t,),输出有用信号,n,o,(,t,),输出噪声,37,第,5,章 模拟调制系统,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,设信道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,m,的理想矩形函数，则解调器的输入噪声功率为,38,第,5,章 模拟调制系统,解调器输出信噪比定义,输出信噪比反映了解调器的抗噪声性能。显然，输出信噪比越大越好,。,制度增益定义：,用,G,便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能,反映了这种调制制度的优劣,。,式中输入信噪比,S,i,/,N,i,的定义是：,39,第,5,章 模拟调制系统,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。,40,第,5,章 模拟调制系统,噪声功率计算,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,因此，解调器输出端的有用信号功率为,输出端的噪声功率为,41,第,5,章 模拟调制系统,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,42,第,5,章 模拟调制系统,制度增益,由此,可见,：,DSB,调制系统的制度增益为,2,。也就是说，,DSB,信号的解调器使信噪比改善一倍。这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被消除的缘故。,43,第,5,章 模拟调制系统,5.2.3 SSB,调制系统的性能,输出噪声功率,这里，,B,SSB,=,f,H,为,SSB,信号的带通滤波器的带宽。,输出信号功率,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,44,第,5,章 模拟调制系统,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,45,第,5,章 模拟调制系统,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。,46,第,5,章 模拟调制系统,讨论,上述表明，,G,DSB,=2,G,SSB,，,这能否说明,DSB,系统的抗噪声性能比,SSB,系统好呢？,回答是否定的,。因为，两者的输入信号功率不同、带宽不同，在相同的噪声功率谱密度条件下，输入噪声功率也不同，所以两者的输出信噪比是在不同条件下得到的。如果我们,在相同的输入信号功率，相同的输入噪声功率谱密度，相同的基带信号带宽条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比是相等的,。这就是说，两者的抗噪声性能是相同的。但,SSB,所需的传输带宽仅是,DSB,的一半，因此,SSB,得到普遍应用。,47,在相同的输入信号功率，相同的输入噪声功率谱密度，相同的基带信号带宽条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比是相等的。,48,第,5,章 模拟调制系统,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。,49,第,5,章 模拟调制系统,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,50,第,5,章 模拟调制系统,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,),。,51,第,5,章 模拟调制系统,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,52,第,5,章 模拟调制系统,由上式可见，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,53,第,5,章 模拟调制系统,讨论,1.AM,信号的调制制度增益,G,AM,随,A,0,的减小而增加。,2.,G,AM,总是小于,1,，这说明包络检波器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。,3.,例如：,对于,100%,的调制，且,m,(,t,),是单频正弦信号，这时,AM,的最大信噪比增益为,4.,可以证明，采用同步检测法解调,AM,信号时，得到的调制制度增益与上式给出的结果相同。,5.,由此可见，对于,AM,调制系统，在大信噪比时，采用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。,54,第,5,章 模拟调制系统,小信噪比情况,此时，输入信号幅度远小于噪声幅度，即,包络,变成,其中,R,(,t,),和,(,t,),代表噪声的包络及相位：,55,第,5,章 模拟调制系统,因为,所以，可以把,E,(,t,),进一步近似：,此时，,E,(,t,),中没有单独的信号项，有用信号,m,(,t,),被噪声扰乱，只能看作是噪声。,这时，输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化，通常把这种现象称为解调器的,门限效应,。开始出现门限效应的输入信噪比称为,门限值,。,56,第,5,章 模拟调制系统,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.,用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应。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。,57,第,5,章 模拟调制系统,5.3,非线性调制（角度调制）的原理,前言,频率调制简称调频,(FM),，,相位调制简称调相,(PM),。,这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的变化都表现为载波瞬时角度的变化。,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。,58,第,5,章 模拟调制系统,5.3.1,角度调制的基本概念,FM,和,PM,信号的一般表达式,角度调制信号的一般表达式为,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,d,(,t,)/d,t,称为,瞬时频偏,。,59,第,5,章 模拟调制系统,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,60,第,5,章 模拟调制系统,频率调制,(FM),：,瞬时频率偏移随调制信号成比例变化,，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,61,第,5,章 模拟调制系统,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。,62,第,5,章 模拟调制系统,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,。,63,第,5,章 模拟调制系统,用它对载波进行频率调制时，将,代入,得到,FM,信号的表达式,式中,调频指数，表示,最大的相位偏移,最大角频偏,最大频偏,。,64,65,第,5,章 模拟调制系统,PM,信号和,FM,信号波形,(a)PM,信号波形,(b)FM,信号波形,66,第,5,章 模拟调制系统,FM,与,PM,之间的关系,由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，所以,FM,与,PM,之间是可以相互转换的。,比较下面两式可见,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；同样，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。,67,第,5,章 模拟调制系统,方框图,（,a,）,直接调频 （,b,）,间接调频,(c),直接调相,(d),间接调相,68,第,5,章 模拟调制系统,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。,69,第,5,章 模拟调制系统,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,1,70,第,5章 模拟调制系统,频域表示式,利用以下傅里叶变换对,可得,NBFM,信号的频域表达式,（设,m,(,t,),的均值为,0,）,71,第,5,章 模拟调制系统,NBFM,和,AM,信号频谱的比较,两者都含有一个载波和位于,c,和,-,c,处的两个边带，所以它们的带宽相同,不同的是，,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。,72,第,5,章 模拟调制系统,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：,73,第,5,章 模拟调制系统,频谱图,74,第,5,章 模拟调制系统,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。,75,第,5,章 模拟调制系统,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,76,第,5,章 模拟调制系统,J,n,(,m,f,),曲线,77,第,5,章 模拟调制系统,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：,78,第,5,章 模拟调制系统,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,+,-,=,79,第,5,章 模拟调制系统,讨论：由上式可见,调频信号的频谱由载波分量,c,和无数边频,(,c,n,m,),组成。,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。,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。,80,第,5,章 模拟调制系统,某单音宽带调频波的频谱：图中只画出了单边振幅谱。,81,第,5,章 模拟调制系统,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，因此调频信号可近似认为具有有限频谱。,通常采用的原则是，信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波的,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。,82,第,5,章 模拟调制系统,当,m,f,1,时，上式可以近似为,这就是宽带调频的带宽。,当任意限带信号调制时，上式中,f,m,是调制信号的最高频率，,m,f,是最大频偏,f,与,f,m,之比,。,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,。,83,第,5,章 模拟调制系统,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。,84,第,5,章 模拟调制系统,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。,85,第,5,章 模拟调制系统,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,86,第,5,章 模拟调制系统,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,87,第,5,章 模拟调制系统,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：88,第,5,章 模拟调制系统,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。,89,第,5,章 模拟调制系统,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。,但是，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。,90,第,5,章 模拟调制系统,具体方案,91,第,5,章 模拟调制系统,【,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,92,第,5,章 模拟调制系统,(3),最大频偏为,(4),调频指数为,93,第,5,章 模拟调制系统,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：,94,第,5,章 模拟调制系统,振幅鉴频器方框图,图中，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,95,第,5,章 模拟调制系统,微分器的作用是把幅度恒定的调频波,s,FM,(,t,),变成幅度和频率都随调制信号,m,(,t,),变化的调幅调频波,s,d,(,t,),，,即,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,K,d,为鉴频器灵敏度，单位为,V/,rad/s,96,第,5,章 模拟调制系统,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。,97,第,5,章 模拟调制系统,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。,98,第,5,章 模拟调制系统,5.4,调频系统的抗噪声性能,重点讨论,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,99,第,5,章 模拟调制系统,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,100,第,5,章 模拟调制系统,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,101,第,5,章 模拟调制系统,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,102,第,5,章 模拟调制系统,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,=5,，,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。,108,第,5,章 模拟调制系统,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,109,第,5,章 模拟调制系统,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,110,第,5,章 模拟调制系统,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。,111,第,5,章 模拟调制系统,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。,112,第,5,章 模拟调制系统,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,。,113,第,5,章 模拟调制系统,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。,114,第,5,章 模拟调制系统,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。,115,调制,方式,传输带宽,设备复杂程度,主要应用,AM,2f,m,简单,中短波无线电广播,DSB,2f,m,中等,应用较少,SSB,f,m,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,f,m,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,5,章 模拟调制系统,5.5,各种模拟调制系统的比较,116,第,5,章 模拟调制系统,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。,117,第,5,章 模拟调制系统,频带利用率,SSB,的带宽最窄，其频带利用率最高；,FM,占用的带宽随调频指数,m,f,的增大而增大，其频带利用率最低。可以说，,FM,是以牺牲有效性来换取可靠性的。因此，,m,f,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,，,m,f,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,m,f,较小的调频方式。,118,第,5,章 模拟调制系统,特点与应用,AM,：,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。,DSB,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。,SSB,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。,VSB,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。,FM,：,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。,119,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,120,第,5,章 模拟调制系统,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