通信原理4PPT課件

1、1第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)制的目的 提高無線通信時(shí)的天線輻射效率。 把多個(gè)基帶信號(hào)分別搬移到不同的載頻處，以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率。 擴(kuò)展信號(hào)帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。 調(diào)制方式 模擬調(diào)制 數(shù)字調(diào)制 常見的模擬調(diào)制 幅度調(diào)制：調(diào)幅、雙邊帶、單邊帶和殘留邊帶 角度調(diào)制：頻率調(diào)制、相位調(diào)制 第1頁/共73頁2第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.1幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理 一般原理 表示式：設(shè)：正弦型載波為式中，A 載波幅度； c 載波角頻率； 0 載波初始相位（以后假定0 0）。 則根據(jù)調(diào)制定義，幅度調(diào)制信號(hào)（已調(diào)信號(hào)）一般可表示成式中， m(t)

2、基帶調(diào)制信號(hào)。0( )coscc tAt( )( )cosmcstAm tt第2頁/共73頁3第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 頻譜設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)的頻譜為M()，則已調(diào)信號(hào)的頻譜為 由以上表示式可見，在波形上，已調(diào)信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)的規(guī)律而正比地變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移(精確到常數(shù)因子)。由于這種搬移是線性的，因此，幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。但應(yīng)注意，這里的“線性”并不意味著已調(diào)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)之間符合線性變換關(guān)系。事實(shí)上，任何調(diào)制過程都是一種非線性的變換過程。 ( )()2mccASMM第3頁/共73頁4第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.1.1調(diào)幅（AM） 時(shí)域表示

3、式式中 m(t) 調(diào)制信號(hào)，均值為0； A0 常數(shù)，表示疊加的直流分量。 頻譜：若m(t)為確知信號(hào)，則AM信號(hào)的頻譜為若m(t)為隨機(jī)信號(hào)，則已調(diào)信號(hào)的頻域表示式必須用功率譜描述。 調(diào)制器模型00( )( )coscos( )cosAMcccstAm ttAtm tt01( ) ()()()()2AMccccSAMM 第4頁/共73頁5第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 波形圖 由波形可以看出，當(dāng)滿足條件：|m(t)| A0 時(shí)，其包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)波形相同，因此用包絡(luò)檢波法很容易恢復(fù)出原 始調(diào)制信號(hào)。 否則，出現(xiàn)“過調(diào)幅”現(xiàn)象。這時(shí)用包絡(luò)檢波將發(fā)生失真。但是，可以采用其他的解調(diào)方法，如同步檢波。 第5頁/共

4、73頁6第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 頻譜圖 由頻譜可以看出，AM信號(hào)的頻譜由載頻分量上邊帶下邊帶三部分組成。 上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。 載頻分量載頻分量上邊帶上邊帶下邊帶下邊帶第6頁/共73頁7第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) AM信號(hào)的特性 帶寬：它是帶有載波分量的雙邊帶信號(hào)，帶寬是基帶信號(hào)帶寬 fH 的兩倍： 功率：當(dāng)m(t)為確知信號(hào)時(shí)，若則式中Pc = A02/2 載波功率， 邊帶功率。HAMfB222202222200( )( ) coscos( )cos2( )cosAMAMccccPstAm ttAtm ttA m tt0)(tmScAMPPtmAP2)(

5、22202/ )(2tmPs第7頁/共73頁8第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)制效率 由上述可見，AM信號(hào)的總功率包括載波功率和邊帶功率兩部分。只有邊帶功率才與調(diào)制信號(hào)有關(guān)，載波分量并不攜帶信息。有用功率（用于傳輸有用信息的邊帶功率）占信號(hào)總功率的比例稱為調(diào)制效率：當(dāng)m(t) = Am cos mt時(shí)，代入上式，得到當(dāng)|m(t)|max = A0時(shí)（100調(diào)制），調(diào)制效率最高，這時(shí)max 1/3 2220SAMAMmtPPAmt22( )/2mmtA 222222002mAMmmtAAAAmt第8頁/共73頁9第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.1.2 雙邊帶調(diào)制（DSB） 時(shí)域表示式：無直流分量A0 頻譜：無

6、載頻分量 曲線：ttmtscDSBcos)()()()(21)(ccDSBMMS第9頁/共73頁10第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)制效率：100 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省了載波功率 缺點(diǎn)：不能用包絡(luò)檢波，需用相干檢波，較復(fù)雜。 4.1.3 單邊帶調(diào)制（SSB） 原理： 雙邊帶信號(hào)兩個(gè)邊帶中的任意一個(gè)都包含了調(diào)制信號(hào)頻譜M()的所有頻譜成分，因此僅傳輸其中一個(gè)邊帶即可。這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可節(jié)省一半傳輸頻帶，這種方式稱為單邊帶調(diào)制。 產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法有兩種：濾波法和相移法。 第10頁/共73頁11第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 濾波法及SSB信號(hào)的頻域表示 濾波法的原理方框圖 用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶: 圖中，H(

7、)為單邊帶濾波器的傳輸函數(shù)，若它具有如下理想高通特性：則可濾除下邊帶。若具有如下理想低通特性：則可濾除上邊帶。1,( )( )0,cUSBcHH1,( )( )0,cLSBcHH第11頁/共73頁12第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) SSB信號(hào)的頻譜 上邊帶頻譜圖: ( )( )SSBDSBSSH第12頁/共73頁13第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) SSB信號(hào)的解調(diào) SSB信號(hào)的解調(diào)和DSB一樣，不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波，因?yàn)镾SB信號(hào)也是抑制載波的已調(diào)信號(hào)，它的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號(hào)的變化，所以仍需采用相干解調(diào)。 SSB信號(hào)的性能SSB信號(hào)的實(shí)現(xiàn)比AM、DSB要復(fù)雜，但SSB調(diào)制方式在傳輸信息時(shí)，不僅可節(jié)省發(fā)射功

8、率，而且它所占用的頻帶寬度比AM、DSB減少了一半。它目前已成為短波通信中一種重要的調(diào)制方式。第13頁/共73頁14第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.1.4 殘留邊帶（VSB）調(diào)制 原理：殘留邊帶調(diào)制是介于SSB與DSB之間的一種折中方式，它既克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了SSB信號(hào)實(shí)現(xiàn)中的困難。在這種調(diào)制方式中，不像SSB那樣完全抑制DSB信號(hào)的一個(gè)邊帶，而是逐漸切割，使其殘留一小部分，如下圖所示：第14頁/共73頁15第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)制方法：用濾波法實(shí)現(xiàn)殘留邊帶調(diào)制的原理框圖與濾波法SBB調(diào)制器相同。 不過，這時(shí)圖中濾波器的特性應(yīng)按殘留邊帶調(diào)制的要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不再要求十分陡

9、峭的截止特性，因而它比單邊帶濾波器容易制作。第15頁/共73頁16第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.1.5 線性調(diào)制的一般模型 濾波法模型在前幾節(jié)的討論基礎(chǔ)上，可以歸納出濾波法線性調(diào)制的一般模型如下： 按照此模型得到的輸出信號(hào)時(shí)域表示式為：按照此模型得到的輸出信號(hào)頻域表示式為：式中，只要適當(dāng)選擇H()，便可以得到各種幅度調(diào)制信號(hào)。)(cos)()(thttmtscm)()(21)(HMMSccm)()(thH第16頁/共73頁17第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)4.1.6 相干解調(diào)與包絡(luò)檢波相干解調(diào)相干解調(diào)器的一般模型 相干解調(diào)器原理：為了無失真地恢復(fù)原基帶信號(hào)，接收端必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同

10、相）的本地載波（稱為相干載波），它與接收的已調(diào)信號(hào)相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調(diào)制信號(hào)。第17頁/共73頁18第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)包絡(luò)檢波適用條件：AM信號(hào)，且要求|m(t)|max A0 ，包絡(luò)檢波器結(jié)構(gòu)：通常由半波或全波整流器和低通濾波器組成。例如，性能分析設(shè)輸入信號(hào)是 選擇RC滿足如下關(guān)系 式中fH 調(diào)制信號(hào)的最高頻率在大信號(hào)檢波時(shí)（一般大于0.5 V），二極管處于受控的開關(guān)狀態(tài)，檢波器的輸出為隔去直流后即可得到原信號(hào)m(t)。 ttmAtscAMcos)()(0cHfRCf /1 0( )dstAm t第18頁/共73頁19第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.2 線性調(diào)制

11、系統(tǒng)的抗噪聲性能 4.2.1 分析模型圖中 sm (t) 已調(diào)信號(hào) n(t) 信道加性高斯白噪聲 ni (t) 帶通濾波后的噪聲 m(t) 輸出有用信號(hào) no(t) 輸出噪聲第19頁/共73頁20第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 噪聲分析ni(t)為平穩(wěn)窄帶高斯噪聲，它的表示式為或由于式中 Ni 解調(diào)器輸入噪聲的平均功率設(shè)白噪聲的單邊功率譜密度為n0，帶通濾波器是高度為1、帶寬為B的理想矩形函數(shù)，則解調(diào)器的輸入噪聲功率為ttnttntnsci00sin)(cos)()()(cos)()(0tttVtniisciNtntntn)()()(222BnNi0第20頁/共73頁21第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 解調(diào)器輸出

12、信噪比定義輸出信噪比反映了解調(diào)器的抗噪聲性能。顯然，輸出信噪比越大越好。 制度增益定義：用G便于比較同類調(diào)制系統(tǒng)采用不同解調(diào)器時(shí)的性能。G 也反映了這種調(diào)制制度的優(yōu)劣。式中輸入信噪比Si /Ni 的定義是：2oo2oo( )( )Sm tNn t解調(diào)器輸出有用信號(hào)的平均功率解調(diào)器輸出噪聲的平均功率iiNSNSG/00)()(22tntsNSimii功率解調(diào)器輸入噪聲的平均平均功率解調(diào)器輸入已調(diào)信號(hào)的第21頁/共73頁22第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.2.2 DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能 DSB相干解調(diào)抗噪聲性能分析模型 由于是線性系統(tǒng)，所以可以分別計(jì)算解調(diào)器輸出的信號(hào)功率和噪聲功率。 ( )ms t LP

13、F BPF )(tn ( )ms t )(tni )(tno o( )m t cosct 第22頁/共73頁23第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 制度增益由此可見，DSB調(diào)制系統(tǒng)的制度增益為2。也就是說，DSB信號(hào)的解調(diào)器使信噪比改善一倍。這是因?yàn)椴捎孟喔山庹{(diào)，使輸入噪聲中的正交分量被消除的緣故。oo/2/DSBiiSNGSN第23頁/共73頁24第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能噪聲功率這里，B = fH 為SSB 信號(hào)的帶通濾波器的帶寬。信號(hào)功率SSB信號(hào)與相干載波相乘后，再經(jīng)低通濾波可得解調(diào)器輸出信號(hào)因此，輸出信號(hào)平均功率o01144iNNn Bttmttmtsccmsin)(21cos)(2

14、1)(o1( )( )4mtm t22oo1( )( )16Sm tm t第24頁/共73頁25第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)輸入信號(hào)平均功率為 信噪比 單邊帶解調(diào)器的輸入信噪比為 )(21)(2141sin)(cos)(41)(2222tmtmttmttmtsSccmi( )( )m tm t因與的幅度相同，所以具有相同的平均功率，故上式)(412tmSiBntmBntmNSii02024)()(41第25頁/共73頁26第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 單邊帶解調(diào)器的輸出信噪比為 制度增益 討論： 因?yàn)樵赟SB系統(tǒng)中，信號(hào)和噪聲有相同表示形式，所以相干解調(diào)過程中，信號(hào)和噪聲中的正交分量均被抑制掉，故信噪比沒有改

15、善。22oo001( )( )16144m tSm tNn Bn Boo/1/SSBiiSNGSN第26頁/共73頁27第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 討論 上述表明，GDSB = 2GSSB，這能否說明DSB系統(tǒng)的抗噪聲性能比SSB系統(tǒng)好呢？回答是否定的。因?yàn)椋瑑烧叩妮斎胄盘?hào)功率不同、帶寬不同，在相同的噪聲功率譜密度條件下，輸入噪聲功率也不同，所以兩者的輸出信噪比是在不同條件下得到的。如果我們?cè)谙嗤妮斎胄盘?hào)功率，相同的輸入噪聲功率譜密度，相同的基帶信號(hào)帶寬條件下，對(duì)這兩種調(diào)制方式進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)它們的輸出信噪比是相等的。這就是說，兩者的抗噪聲性能是相同的。但SSB所需的傳輸帶寬僅是DSB的一半，因

16、此SSB得到普遍應(yīng)用。第27頁/共73頁28第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.2.4 AM包絡(luò)檢波的性能 包絡(luò)檢波器分析模型檢波輸出電壓正比于輸入信號(hào)的包絡(luò)變化。 ( )mst BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )m t 包絡(luò)檢波 第28頁/共73頁29第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)由上式可見，有用信號(hào)與噪聲獨(dú)立地分成兩項(xiàng)，因而可分別計(jì)算它們的功率。輸出信號(hào)功率為輸出噪聲功率為 故輸出信噪比為 制度增益為2o( )Sm t22o0( )( )ciNn tn tn B2oo0( )Sm tNn B2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t第29頁/共73頁30第4章

17、 模擬調(diào)制系統(tǒng) 討論1. AM信號(hào)的調(diào)制制度增益GAM隨A0的減小而增加。2. GAM總是小于1，這說明包絡(luò)檢波器對(duì)輸入信噪比沒有改善，而是惡化了。3. 例如：對(duì)于100%的調(diào)制，且m(t)是單頻正弦信號(hào)，這時(shí)AM 的最大信噪比增益為4. 可以證明，采用同步檢測(cè)法解調(diào)AM信號(hào)時(shí)，得到的調(diào)制制度增益與上式給出的結(jié)果相同。 5. 由此可見，對(duì)于AM調(diào)制系統(tǒng)，在大信噪比時(shí)，采用包絡(luò)檢波器解調(diào)時(shí)的性能與同步檢測(cè)器時(shí)的性能幾乎一樣。2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t32AMG第30頁/共73頁31第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 小信噪比情況此時(shí)，輸入信號(hào)幅度遠(yuǎn)小于噪聲幅度，即包絡(luò)變成其

18、中R(t) 和 (t) 代表噪聲的包絡(luò)及相位：220( )( )( )csAm tn tn t220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()(2)()()()(02220tmAtntntntmAtEcsc)()(2)()(022tmAtntntncsc)()()()(21)()(22022tntntmAtntntnsccsc)(cos)()( 21)(0ttRtmAtR)()()(22tntntRsc)()()(tntnarctgtcs第31頁/共73頁32第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng)因?yàn)樗裕梢园袳(t)進(jìn)一步近似：此時(shí)，E(t)中沒有單獨(dú)的信號(hào)項(xiàng)，有用信號(hào)m(t)被噪聲擾亂，

19、只能看作是噪聲。這時(shí)，輸出信噪比不是按比例地隨著輸入信噪比下降，而是急劇惡化，通常把這種現(xiàn)象稱為解調(diào)器的門限效應(yīng)。開始出現(xiàn)門限效應(yīng)的輸入信噪比稱為門限值。 )()(0tmAtR)(cos)()(1)(ttRtmAtR)(cos)()( 21)()(0ttRtmAtRtE）時(shí)1(21)1 (21xxx)(cos)()(ttmAtR第32頁/共73頁33第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 討論1. 門限效應(yīng)是由包絡(luò)檢波器的非線性解調(diào)作用引起的。 2. 用相干解調(diào)的方法解調(diào)各種線性調(diào)制信號(hào)時(shí)不存在門限效應(yīng)。原因是信號(hào)與噪聲可分別進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)器輸出端總是單獨(dú)存在有用信號(hào)項(xiàng)。3. 在大信噪比情況下，AM信號(hào)包絡(luò)檢波

20、器的性能幾乎與相干解調(diào)法相同。但當(dāng)輸入信噪比低于門限值時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)門限效應(yīng)，這時(shí)解調(diào)器的輸出信噪比將急劇惡化，系統(tǒng)無法正常工作。第33頁/共73頁34第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.3 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）的原理 前言 頻率調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)頻(FM)，相位調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)相(PM)。 這兩種調(diào)制中，載波的幅度都保持恒定，而頻率和相位的變化都表現(xiàn)為載波瞬時(shí)相位的變化。 角度調(diào)制：頻率調(diào)制和相位調(diào)制的總稱。 已調(diào)信號(hào)頻譜不再是原調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會(huì)產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。 與幅度調(diào)制技術(shù)相比，角度調(diào)制最突出的優(yōu)勢(shì)是其較高的抗噪聲性能。 第34頁/共73頁3

21、5第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.3.1角度調(diào)制的基本概念 FM和PM信號(hào)的一般表達(dá)式角度調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為式中，A 載波的恒定振幅； ct +(t) (t) 信號(hào)的瞬時(shí)相位； (t) 瞬時(shí)相位偏移。 dct +(t)/dt = (t) 稱為瞬時(shí)角頻率 d(t)/dt 稱為瞬時(shí)頻偏。)(cos)(ttAtscm第35頁/共73頁36第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 相位調(diào)制(PM)：瞬時(shí)相位偏移隨調(diào)制信號(hào)作線性變化，即式中Kp 調(diào)相靈敏度，含義是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起PM信號(hào)的相位偏移量，單位是rad/V。將上式代入一般表達(dá)式得到PM信號(hào)表達(dá)式)()(tmKtp)(cos)(tmKtAtspcPM)(cos)

22、(ttAtscm第36頁/共73頁37第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 頻率調(diào)制(FM)：瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)成比例變化，即式中 Kf 調(diào)頻靈敏度，單位是rad/sV。 這時(shí)相位偏移為將其代入一般表達(dá)式得到FM信號(hào)表達(dá)式)()(tmKdttdf( )( )ftKmd( )cos( )FMcfstAtKmd)(cos)(ttAtscm第37頁/共73頁38第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) PM與 FM的區(qū)別 比較上兩式可見， PM是相位偏移隨調(diào)制信號(hào)m(t)線性變化，F(xiàn)M是相位偏移隨m(t)的積分呈線性變化。 如果預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)m(t)的具體形式，則無法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)相信號(hào)還是調(diào)頻信號(hào)。)(cos)(tmKtA

23、tspcPM( )cos( )FMcfstAtKmd第38頁/共73頁39第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 單音調(diào)制FM與PM設(shè)調(diào)制信號(hào)為單一頻率的正弦波，即 用它對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制時(shí)，將上式代入 得到式中，mp = Kp Am 調(diào)相指數(shù)，表示最大的相位偏移。( )coscos2mmmmm tAtAf t)(cos)(tmKtAtspcPMPM( )coscoscpmmstAtK AtcosscpmAtm cot第39頁/共73頁40第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 用它對(duì)載波進(jìn)行頻率調(diào)制時(shí)，將代入得到FM信號(hào)的表達(dá)式式中調(diào)頻指數(shù)，表示最大的相位偏移最大角頻偏 最大頻偏。 ( )coscos2mmmmm tAtAf

24、tFM( )coscoscfmmstAtK Ad ( )cos( )FMcfstAtKmdcosncfmAtm sitfmfmmmK AfmffmK Afmfmf 第40頁/共73頁41第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) PM 信號(hào)和FM 信號(hào)波形 (a) PM 信號(hào)波形 (b) FM 信號(hào)波形 第41頁/共73頁42第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) FM與PM之間的關(guān)系 由于頻率和相位之間存在微分與積分的關(guān)系，所以FM與PM之間是可以相互轉(zhuǎn)換的。 比較下面兩式可見 如果將調(diào)制信號(hào)先微分，而后進(jìn)行調(diào)頻，則得到的是調(diào)相波，這種方式叫間接調(diào)相；同樣，如果將調(diào)制信號(hào)先積分，而后進(jìn)行調(diào)相，則得到的是調(diào)頻波，這種方式叫間接調(diào)頻。

25、 )(cos)(tmKtAtspcPM( )cos( )FMcfstAtKmd第42頁/共73頁43第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 討論：由上式可見 調(diào)頻信號(hào)的頻譜由載波分量c和無數(shù)邊頻(c nm)組成。 當(dāng)n = 0時(shí)是載波分量c ，其幅度為AJ0 (mf) 當(dāng)n 0時(shí)是對(duì)稱分布在載頻兩側(cè)的邊頻分量(c nm) ，其幅度為AJn (mf)，相鄰邊頻之間的間隔為m；且當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，上下邊頻極性相反； 當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)極性相同。 由此可見，F(xiàn)M信號(hào)的頻譜不再是調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是一種非線性過程。 ( )()()()FMnfcmcmSAJ mnn 第43頁/共73頁44第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 某單音寬帶調(diào)

26、頻波的頻譜：圖中只畫出了單邊振幅譜。 第44頁/共73頁45第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)頻信號(hào)的帶寬 理論上調(diào)頻信號(hào)的頻帶寬度為無限寬。 實(shí)際上邊頻幅度隨著n的增大而逐漸減小，因此調(diào)頻信號(hào)可近似認(rèn)為具有有限頻譜。 通常采用的原則是，信號(hào)的頻帶寬度應(yīng)包括幅度大于未調(diào)載波的10%以上的邊頻分量。 當(dāng)mf 1以后，取邊頻數(shù)n = mf + 1即可。因?yàn)閚 mf + 1以上的邊頻幅度均小于0.1。 被保留的上、下邊頻數(shù)共有2n = 2(mf + 1)個(gè)，相鄰邊頻之間的頻率間隔為fm，所以調(diào)頻波的有效帶寬為它稱為卡森（Carson）公式。 )( 2) 1( 2mmfFMfffmB第45頁/共73頁46第4章

27、 模擬調(diào)制系統(tǒng) 當(dāng)mf 1時(shí)，上式可以近似為這就是寬帶調(diào)頻的帶寬。 當(dāng)任意限帶信號(hào)調(diào)制時(shí)，上式中fm是調(diào)制信號(hào)的最高頻率， mf是最大頻偏 f 與 fm之比。 例如，調(diào)頻廣播中規(guī)定的最大頻偏f為75kHz，最高調(diào)制頻率fm為15kHz，故調(diào)頻指數(shù)mf 5，由上式可計(jì)算出此FM信號(hào)的頻帶寬度為180kHz。mFMfB2)( 2) 1( 2mmfFMfffmBfBFM 2第46頁/共73頁47第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)頻信號(hào)的功率分配 調(diào)頻信號(hào)的平均功率為 由帕塞瓦爾定理可知 利用貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)得到 上式說明，調(diào)頻信號(hào)的平均功率等于未調(diào)載波的平均功率，即調(diào)制后總的功率不變，只是將原來載波功率中的一

28、部分分配給每個(gè)邊頻分量。 2FMFMPst 2FMFMPst22()2nfnAJm2()1nfnJm22FMcAPP第47頁/共73頁48第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能 重點(diǎn)討論FM非相干解調(diào)時(shí)的抗噪聲性能 分析模型圖中 n(t) 均值為零，單邊功率譜密度為n0的高斯白噪聲 FM( )st BPF )(tn )(tSi )(tni LPF )(tno o( )m t 限幅 鑒頻 第48頁/共73頁49第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.4.1 輸入信噪比 設(shè)輸入調(diào)頻信號(hào)為故其輸入信號(hào)功率為輸入噪聲功率為式中，BFM 調(diào)頻信號(hào)的帶寬，即帶通濾波器的帶寬因此輸入信噪比為FM( )cos(

29、)tcFstAtKmd2/2ASiFMiBnN0FMiiBnANS022第49頁/共73頁50第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.4.2 大信噪比時(shí)的解調(diào)增益 在輸入信噪比足夠大的條件下，信號(hào)和噪聲的相互作用可以忽略，這時(shí)可以把信號(hào)和噪聲分開來計(jì)算。 計(jì)算輸出信號(hào)平均功率輸入噪聲為0時(shí)，解調(diào)輸出信號(hào)為 故輸出信號(hào)平均功率為o( )( )dfm tK K m t222oo( )( )dfSm tK Km t第50頁/共73頁51第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 制度增益考慮在寬帶調(diào)頻時(shí)，信號(hào)帶寬為 所以，上式還可以寫成當(dāng)mf 1時(shí)有近似式 上式結(jié)果表明，在大信噪比情況下，寬帶調(diào)頻系統(tǒng)的制度增益是很高的，即抗噪聲性能好

30、。例如，調(diào)頻廣播中常取mf ，則制度增益GFM =450。也就是說，加大調(diào)制指數(shù)，可使調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速改善。2ooFMFM/3/2fiimSNBGmSNf)(2) 1(2mmfFMfffmB23(1)FMffGmm33FMfGm第51頁/共73頁52第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)頻系統(tǒng)與調(diào)幅系統(tǒng)比較在大信噪比情況下，AM信號(hào)包絡(luò)檢波器的輸出信噪比為若設(shè)AM信號(hào)為100%調(diào)制。且m(t)為單頻余弦波信號(hào)，則m(t)的平均功率為 因而式中，B為AM信號(hào)的帶寬，它是基帶信號(hào)帶寬的兩倍，即B = 2fm，故有將兩者相比，得到2oo0( )Sm tNn B22( )2Am t 2oo0/2SANn B

31、2oo0/22mSANn foo2FMooAM/3/fSNmSN第52頁/共73頁53第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 討論 在大信噪比情況下，若系統(tǒng)接收端的輸入A和n0相同，則寬帶調(diào)頻系統(tǒng)解調(diào)器的輸出信噪比是調(diào)幅系統(tǒng)的3mf2倍。例如，mf =5時(shí)，寬帶調(diào)頻的S0 /N0是調(diào)幅時(shí)的75倍。 調(diào)頻系統(tǒng)的這一優(yōu)越性是以增加其傳輸帶寬來換取的。因?yàn)?，?duì)于AM 信號(hào)而言，傳輸帶寬是2fm，而對(duì)WBFM信號(hào)而言，相應(yīng)于mf = 5時(shí)的傳輸帶寬為12fm ，是前者的6倍。 WBFM信號(hào)的傳輸帶寬BFM與AM 信號(hào)的傳輸帶寬BAM之間的一般關(guān)系為oo2FMooAM/3/fSNmSNFMAM2(1)(1)fmfBmfm

32、B第53頁/共73頁54第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 當(dāng)mf 1時(shí)，上式可近似為故有在上述條件下，變?yōu)榭梢?，寬帶調(diào)頻輸出信噪比相對(duì)于調(diào)幅的改善與它們帶寬比的平方成正比。調(diào)頻是以帶寬換取信噪比的改善。FMAM2(1)(1)fmfBmfmBFMAMfBm BFMAMfBmB2ooFMFMooAMAM/3/SNBSNBoo2FMooAM/3/fSNmSN第54頁/共73頁55第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 結(jié)論：在大信噪比情況下，調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能將比調(diào)幅系統(tǒng)優(yōu)越，且其優(yōu)越程度將隨傳輸帶寬的增加而提高。 但是，F(xiàn)M系統(tǒng)以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無止境的。隨著傳輸帶寬的增加，輸入噪聲功率增大，在輸入信號(hào)功率不變的

33、條件下，輸入信噪比下降，當(dāng)輸入信噪比降到一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)門限效應(yīng)，輸出信噪比將急劇惡化。第55頁/共73頁56第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.4.3 小信噪比時(shí)的門限效應(yīng) 當(dāng)(Si /Ni)低于一定數(shù)值時(shí)，解調(diào)器的輸出信噪比(So /No)急劇惡化，這種現(xiàn)象稱為調(diào)頻信號(hào)解調(diào)的門限效應(yīng)。 門限值 出現(xiàn)門限效應(yīng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信噪比值稱為門限值，記為(Si /Ni) b。第56頁/共73頁57第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 在門限值以下時(shí)， (So /No)FM將隨(Si /Ni)FM的下降而急劇下降。且mf越大， (So /No)FM下降越快。 門限效應(yīng)是FM系統(tǒng)存在的一個(gè)實(shí)際問題。尤其在采用調(diào)頻制的遠(yuǎn)距離通信

34、和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中，對(duì)調(diào)頻接收機(jī)的門限效應(yīng)十分關(guān)注，希望門限點(diǎn)向低輸入信噪比方向擴(kuò)展。 降低門限值（也稱門限擴(kuò)展）的方法有很多，例如，可以采用鎖相環(huán)解調(diào)器和負(fù)反饋解調(diào)器，它們的門限比一般鑒頻器的門限電平低610dB。 還可以采用“預(yù)加重”和“去加重”技術(shù)來進(jìn)一步改善調(diào)頻解調(diào)器的輸出信噪比。這也相當(dāng)于改善了門限。 第57頁/共73頁58第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.4.4 預(yù)加重和去加重 目的： 鑒頻器輸出噪聲功率譜隨f呈拋物線形狀增大。但在調(diào)頻廣播中所傳送的語音和音樂信號(hào)的能量卻主要分布在低頻端，且其功率譜密度隨頻率的增高而下降。因此，在調(diào)制頻率高頻端的信號(hào)譜密度最小，而噪聲譜密度卻是最大，致使高

35、頻端的輸出信噪比明顯下降，這對(duì)解調(diào)信號(hào)質(zhì)量會(huì)帶來很大的影響。 為了進(jìn)一步改善調(diào)頻解調(diào)器的輸出信噪比，針對(duì)鑒頻器輸出噪聲譜呈拋物線形狀這一特點(diǎn)，在調(diào)頻系統(tǒng)中廣泛采用了加重技術(shù)，包括“預(yù)加重和“去加重”措施?！邦A(yù)加重”和“去加重”的設(shè)計(jì)思想是保持輸出信號(hào)不變，有效降低輸出噪聲，以達(dá)到提高輸出信噪比的目的。 第58頁/共73頁59第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 原理所謂“去加重”就是在解調(diào)器輸出端接一個(gè)傳輸特性隨頻率增加而滾降的線性網(wǎng)絡(luò)Hd (f) ，將調(diào)制頻率高頻端的噪聲衰減，使總的噪聲功率減小。但是，由于去加重網(wǎng)絡(luò)的加入，在有效地減弱輸出噪聲的同時(shí)，必將使傳輸信號(hào)產(chǎn)生頻率失真。因此，必須在調(diào)制器前加入一個(gè)

36、預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)Hp(f) ，人為地提升調(diào)制信號(hào)的高頻分量，以抵消去加重網(wǎng)絡(luò)的影響。顯然，為了使傳輸信號(hào)不失真，應(yīng)該有這是保證輸出信號(hào)不變的必要條件。 1( )( )pdHfHf第59頁/共73頁60第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 方框圖：加有預(yù)加重和去加重的調(diào)頻系統(tǒng) 性能由于采用預(yù)加重/去加重系統(tǒng)的輸出信號(hào)功率與沒有采用預(yù)加重/去加重系統(tǒng)的功率相同，所以調(diào)頻解調(diào)器的輸出信噪比的改善程度可用加重前的輸出噪聲功率與加重后的輸出噪聲功率的比值確定，即上式進(jìn)一步說明，輸出信噪比的改善程度取決于去加重網(wǎng)絡(luò)的特性。 2( )( )( )mmmmfdffddfPf dfPfHfdf第60頁/共73頁61第4章 模擬調(diào)制系

37、統(tǒng) 實(shí)用電路：下圖給出了一種實(shí)際中常采用的預(yù)加重和去加重電路，它在保持信號(hào)傳輸帶寬不變的條件下，可使輸出信噪比提高6 dB左右。 預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)特性 去加重網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)特性第61頁/共73頁62調(diào)制方式傳輸帶寬設(shè)備復(fù)雜程度主要應(yīng)用AM2fm簡(jiǎn)單中短波無線電廣播DSB2fm中等應(yīng)用較少SSBfm復(fù)雜短波無線電廣播、話音頻分復(fù)用、載波通信、數(shù)據(jù)傳輸VSB略大于fm 近似SSB復(fù)雜電視廣播、數(shù)據(jù)傳輸FM中等超短波小功率電臺(tái)（窄帶FM）；調(diào)頻立體聲廣播等高質(zhì)量通信（寬帶FM）第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 4.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較oo/SNoo0AM13imSSNn foo0DSBimSSNn foo0S

38、SBimSSNn fmffm) 1(22oo0FM32ifmSSmNn f第62頁/共73頁63第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 抗噪聲性能 WBFM抗噪聲性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪聲性能次之，AM抗噪聲性能最差。 右圖畫出了各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能曲線,圖中的圓點(diǎn)表示門限點(diǎn)。 門限點(diǎn)以下，曲線迅速下跌；門限點(diǎn)以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf = 6）的信噪比比AM高22dB。 當(dāng)輸入信噪比較高時(shí)，F(xiàn)M的調(diào)頻指數(shù)mf越大，抗噪聲性能越好。第63頁/共73頁64第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 頻帶利用率 SSB的帶寬最窄，其頻帶利用率最高；FM占用的帶寬隨調(diào)頻指數(shù)mf的增大而增大，其頻帶利用率最低?？梢哉f，F(xiàn)M是以犧牲有效性來換取可靠性的。因此， mf值的選擇要從通信質(zhì)量和帶寬限制兩方面考慮。對(duì)于高質(zhì)量通信（高保真音樂廣播，電視伴音、雙向式固定或移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信和蜂窩電話系統(tǒng)）采用WBFM， mf值選大些。對(duì)于一般通信，要考慮接收微弱信號(hào)，帶寬窄些，噪聲影響小，常選用mf 較小的調(diào)頻方式