第5章 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4章,模拟角度调制系统,模拟角度调制,载波信号：,主要内容：调频系统,频率调制,相位调制,2026/5/22 周五,2,内容,模拟角度调制的基本概念,窄带角调制,宽带调频,调频信号的产生与解调,调频系统的抗噪声性能,预加重与去加重,2026/5/22 周五,3,4.1 模拟角度调制的基本概念,一、调相系统,瞬时相位偏移,瞬时相位,调相信号表达式,为分析方便，起始相位设为零,。,2026/5/22 周五,5,二、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,2026/5/22 周五,6PM,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。,2026/5/22 周五,7,三、单频调制,调制信号,调相信号,调相指数,调频信号,调频指数,2026/5/22 周五,8,4.2 窄带角调制,同相分量,正交分量,2026/5/22 周五,9,一、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,1,2026/5/22 周五,10,二、窄带调频的频域分析,频域表达式：,2026/5/22 周五,11,三、单音调频,调制信号,2026/5/22 周五,12,四、矢量图分析,常规调幅,窄带调频,2026/5/22 周五,13,4.3 宽带调频,一、单频信号调频,调制信号：,时域表达式,第一类贝塞尔函数展开,表达式：,2026/5/22 周五,15,J,n,(,m,f,),曲线,2026/5/22 周五,16,FM,信号频谱,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。,2026/5/22 周五,17,二、带宽近似,卡森公式,满足条件的最高边频次数,2026/5/22 周五,18,三、调频信号的功率分配,载波功率,功率分配,举例：,2026/5/22 周五,19,四、任意限带信号调制时的带宽,频偏比,实际中,2026/5/22 周五,20,4.4 调频信号的产生与解调,一、调频信号的产生,直接调频法,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,2026/5/22 周五,22,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),信号。,方框图,2026/5/22 周五,23,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：,2026/5/22 周五,24,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。,2026/5/22 周五,25,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。,2026/5/22 周五,26,具体方案,2026/5/22 周五,27,【,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,2026/5/22 周五,28,(3),最大频偏为,(4),调频指数为,2026/5/22 周五,29,二、相干解调-窄带调频,输入信号,相干解调,LPF,微分,2026/5/22 周五,30,三、非相干解调,微分,包络检波,信号,2026/5/22 周五,31,鉴频器典型电路,2026/5/22 周五,32,4.5 调频系统的抗噪声性能,一、相干解调性能分析,带通滤波器后的输入信号为：,解调器输出信号,2026/5/22 周五,34,相干解调的抗噪声性能,输出信噪比,输入信噪比,解调器增益,单频调制,2026/5/22 周五,35,二、非相干解调的性能,原理模型,方法,求输入信噪比,求输出信噪比,求信噪比增益,2026/5/22 周五,36,1.非相干解调的输入信噪比,输入信号：,输入噪声,输入信噪比,2026/5/22 周五,37,2.鉴频器输入,输入信号,定义,信号矢量,噪声矢量,合成矢量,2026/5/22 周五,38,3.大信噪比近似,在大信噪比条件下，有,其中：,2026/5/22 周五,39,4.鉴频器输出,鉴频器输出,信号输出,信号,噪声,假设：,2026/5/22 周五,40,5.鉴频器噪声输出,定义：,噪声输出,输出噪声谱密度,输出噪声,2026/5/22 周五,41,鉴频器前、后的噪声功率谱密度如下图所示,2026/5/22 周五,42,6.解调器输出信噪比,解调器输出信噪比,2026/5/22 周五,43,7.解调信噪比增益,增益,宽带调频：,单频调制,2026/5/22 周五,44,8.举例-调频与常规调幅,2026/5/22 周五,45,三、门限效应,当信噪比较小时，,2026/5/22 周五,46,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,。,2026/5/22 周五,47,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,8-11dB,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。,2026/5/22 周五,48,改善门限效应的方法,反馈解调器,PLL,法,2026/5/22 周五,49,五、预加重与去加重,预加重”和“去加重”的设计思想是保持输出信号不变，有效降低输出噪声，以达到提高输出信噪比的目的。,2026/5/22 周五,50,一、预加重与去加重网络,预加重网络-高通滤波器,H,p,去加重网络-低通滤波器,H,d,2026/5/22 周五,51,方框图：加有预加重和去加重的调频系统,性能,由于采用预加重,/,去加重系统的输出信号功率与没有采用预加重,/,去加重系统的功率相同，所以调频解调器的输出信噪比的改善程度可用加重前的输出噪声功率与加重后的输出噪声功率的比值确定，即,上式进一步说明，输出信噪比的改善程度取决于去加重网络的特性。,2026/5/22 周五,52,二、网络增益,增益：,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13,dB。,衰减因子,调频广播，,f,m,=15kHz，,f,1,=2.1kHz，K,为-7,dB。,采用加重和去加重得到的实际信噪比改善约为6,dB。,2026/5/22 周五,53,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,）,5.5,各种模拟调制系统的比较,2026/5/22 周五,54,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。,2026/5/22 周五,55,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。,2026/5/22 周五,56,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。,2026/5/22 周五,57,5.6,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,2026/5/22 周五,58,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,2026/5/22 周五,59,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。,2026/5/22 周五,60,5.6.2,调频立体声广播,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,(L+R),，相减形成,差信号,(L-R),。在调频之前，,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,(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：,2026/5/22 周五,61,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。,2026/5/22 周五,62,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,。,2026/5/22 周五,63,5.7,小结,以调频为例，分析了模拟角度调制系统,窄带调频系统，与调幅相似，相干解调,调频系统的分析,调频系统的产生和解调,调频系统的抗噪声性能,加重与去加重网络,2026/5/22 周五,64,