第五章 通信原理(角度調制b)

1、-1-Principles of Modern Communications第五章第五章 模擬調制系統(tǒng)模擬調制系統(tǒng)( (二二) )5.3 角度調制的基本原理角度調制的基本原理v 相位調制相位調制v 頻率調制頻率調制5.4 調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能5.5 模擬調制系統(tǒng)的比較模擬調制系統(tǒng)的比較5.6 頻分復用頻分復用FDM5.7 小結小結-2-Principles of Modern Communications5.3 角度調制的基本原理q 角度調制：角度調制：載波相角隨基帶調制信號變化的調制方式；載波相角隨基帶調制信號變化的調制方式；v 角度調制包括頻率調制角度調制包括頻率調制(

2、FM)和相位調制和相位調制(PM)。 頻率調制頻率調制FM：載波的頻率隨基帶信號變化的調制方式；：載波的頻率隨基帶信號變化的調制方式； 相位調制相位調制PM：載波的相位隨基帶信號變化的調制方式。：載波的相位隨基帶信號變化的調制方式。v 角度調制屬于非線性調制：除了完成頻譜搬移而外，已調信號的角度調制屬于非線性調制：除了完成頻譜搬移而外，已調信號的頻譜頻譜( (密度密度) )不再保持原來基帶調制信號的頻譜不再保持原來基帶調制信號的頻譜( (密度密度) )結構，即已結構，即已調信號頻譜與基帶信號頻譜之間存在著非線性變換關系。調信號頻譜與基帶信號頻譜之間存在著非線性變換關系。q 角度調制信號的一般表

3、示式角度調制信號的一般表示式 式中，載波的幅度式中，載波的幅度A通常恒定不變；通常恒定不變； : :瞬時相位；瞬時相位； :瞬時相位偏移瞬時相位偏移 :瞬時角頻率；瞬時角頻率； :瞬時角頻偏。瞬時角頻偏。) ) ( ( ) )( (ttAscmcost t)()(tttcdttddttdtc)()()(t)dttdt)()(-3-Principles of Modern Communicationsq 單音調制：單音調制：即即 FMFM信號為：信號為： 調頻指數(shù)調頻指數(shù)： PMPM信號為：信號為： 調相指數(shù)：調相指數(shù)： tAtmmmcostmtAdAKtAtsmfcmmfcFMsincosco

4、scos)(mmmmffffAKmtmtAtAKtAtsmPcmmPcPMcoscoscoscos)(mPPAKm :f最大角頻偏最大角頻偏最大頻偏最大頻偏-4-Principles of Modern Communications最大瞬時相偏需滿足：最大瞬時相偏需滿足： 窄帶調頻（窄帶調頻（NBFM）6)(dmKf則有：則有：)(cos)(dmKtAtsfcFMtdmAKtAtscfcNBFMsin)(cos)(ccccfccNBFMMMAKAs)()(2)()()()()(21)()()(ccccAMMMAs-5-Principles of Modern Communications以單音

5、調制為例：以單音調制為例： 窄帶調頻（窄帶調頻（NBFM）續(xù)）續(xù)tAtmmmcos)()(M0mm)(AMS0cmcmc)(NBFMS0cmcmc-6-Principles of Modern Communicationsq 寬帶調頻（以單音信號為例）寬帶調頻（以單音信號為例）v 1.1.信號表達式：信號表達式： 單音調頻信號可以展開為如下的無窮級數(shù)單音調頻信號可以展開為如下的無窮級數(shù) 其中其中Jn(mf)為為第一類第一類n階階Bessel函數(shù)（見圖函數(shù)（見圖521和和Pg.475)v 第一類貝塞爾第一類貝塞爾(Bessel)函數(shù)性質函數(shù)性質nmcfnmfcmtnmJAtmtAtscossin

6、cos)()()()(fnnfnmJmJ112)(fnnmJ-7-Principles of Modern Communicationsq 寬帶調頻頻譜寬帶調頻頻譜( (續(xù)續(xù)) )v 2.2.單音調頻信號的頻譜單音調頻信號的頻譜 邊頻譜線間隔為邊頻譜線間隔為 ；邊頻滿足對稱性：奇數(shù)次邊頻滿足奇對稱；邊頻滿足對稱性：奇數(shù)次邊頻滿足奇對稱；偶偶數(shù)次邊頻滿足偶對稱。數(shù)次邊頻滿足偶對稱。 nmcmcfnFMnnmJAS mmmTFmmAMtAtm .cos)(mc-8-Principles of Modern Communicationsq 寬帶調頻帶寬寬帶調頻帶寬( (續(xù)續(xù)) )v 3.3.單音調頻

7、信號的帶寬：單音調頻信號的帶寬：單音調頻信號的單音調頻信號的n次次邊頻幅值為邊頻幅值為 因為一類因為一類n階階Bessel函數(shù)取值滿足如下近似關系函數(shù)取值滿足如下近似關系 因此在分析單音調頻信號帶寬時，可以采用下式估算已調信號帶因此在分析單音調頻信號帶寬時，可以采用下式估算已調信號帶寬寬 單音調頻信號所占的頻帶寬度取決于調頻指數(shù)單音調頻信號所占的頻帶寬度取決于調頻指數(shù) 和最大頻和最大頻偏偏 。1, 0ffnmnmJ)(mcmcfnnnmAJ HzfffmBmmfFM212卡森公式卡森公式fmf-9-Principles of Modern Communicationsq 功率分配功率分配v 4

8、.4.單音調頻信號的平均功率單音調頻信號的平均功率 調頻信號的功率未調載波功率；調頻信號的功率未調載波功率；從從單音調頻信號的平均功率分配來看，調頻過程可以等效為功率的單音調頻信號的平均功率分配來看，調頻過程可以等效為功率的重新分配過程，即由原來集中于載頻重新分配過程，即由原來集中于載頻 上的功率經過調頻變換為分上的功率經過調頻變換為分散到多個頻率散到多個頻率(邊頻和載頻邊頻和載頻) 上上。 22cos21222222APmJAtnmJAtsPFMmJnfnnmcfnmFMnfnmmcn-10-Principles of Modern Communications調頻信號的產生和解調q 調頻信

9、號的產生：調頻信號的產生：產生調頻波的方法有兩種，即直接法和間接法產生調頻波的方法有兩種，即直接法和間接法v 直接法：就是用基帶調制信號直接控制振蕩器的頻率，使其按照直接法：就是用基帶調制信號直接控制振蕩器的頻率，使其按照基帶調制信號的規(guī)律變化基帶調制信號的規(guī)律變化。 壓控振蕩器壓控振蕩器VCO：VCO的振蕩頻率正比于輸入控制電壓；的振蕩頻率正比于輸入控制電壓； 直接法的特點：直接法的特點： 優(yōu)點：在實現(xiàn)線性調頻的要求下，可以獲得較大的頻偏。優(yōu)點：在實現(xiàn)線性調頻的要求下，可以獲得較大的頻偏。 缺點：頻率穩(wěn)定度不高，需要采用自動頻率控制系統(tǒng)來穩(wěn)定缺點：頻率穩(wěn)定度不高，需要采用自動頻率控制系統(tǒng)來穩(wěn)

10、定中心頻率。中心頻率。 tmKtFci調頻器調頻器m(t)sFM(t)-11-Principles of Modern Communications調頻信號產生方法q 調頻信號的產生調頻信號的產生( (續(xù)續(xù)) )：v 間接法：先對調制信號積分后再對載波進行相位調制，從而產生間接法：先對調制信號積分后再對載波進行相位調制，從而產生窄帶調頻信號窄帶調頻信號NBFM，然后利用倍頻器把，然后利用倍頻器把NBFM信號變換成信號變換成寬帶寬帶調頻信號調頻信號WBFM。NBFM調制器調制器倍頻倍頻 N1混頻混頻倍頻倍頻 N2WBFM輸出輸出t1cost2cosm(t)11ffffAA1111fNffNfBB

11、11211fNfffNfCC1212112)(fNNfffNNfDDACBD-12-Principles of Modern Communications單音信號AM調制與NBFM頻譜示意圖 SAM( )0 c- cM( ) m- m (A ) SNBFM( )0 c- c(mfA /2)-mfA /2-13-Principles of Modern CommunicationsODADOAACABOAttAtAtsmcmcmcAM)()(coscos2cos)(0AM與NBFM信號向量合成示意圖ODADOAACABOAttmAtAtsmcmcfcNBFM)(-)(coscos2cos)(00

12、DAOBC c- m mO c m- mAm/2Am/2BCDA-14-Principles of Modern CommunicationsNBFM信號的相干解調模型BPFsNBFM(t)sl(t)+ nl(t)n(t)LPF-sinct微分器微分器sd(t)+nd(t)si(t)+ni(t)sp(t)+np(t) ttnttntncsccisincos tFccNBFMidmKtAtAtstssincos)( ttntntntdmAKtAtscsccpctFcp2cos122sin22cos122sin2-15-Principles of Modern CommunicationsLPF濾

13、掉濾掉2倍頻分量倍頻分量 22tntndmAKtssltFl微分器微分器 dttdntntmAKtssdFd212-16-Principles of Modern CommunicationsFM信號的非相干解調模型限幅限幅器和器和BPFsi(t)鑒頻器鑒頻器LPF包絡包絡檢測檢測器器so(t)微分微分器器sd(t) tmKKtmAKAtmAKAdmKtAdttdstsdmKtAtsFMdFMcFMctFMcidtFMcicancelingdcdetectionenvelopesin)(cos)(鑒頻靈敏度鑒頻靈敏度-17-Principles of Modern Communications

14、5.4 調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能q 調頻信號的非相干解調抗噪聲性能分析模型調頻信號的非相干解調抗噪聲性能分析模型限幅限幅器和器和BPFsFM(t)LPF鑒頻器鑒頻器sd(t)+nd(t)n(t)si(t)+ni(t)mo(t)+no(t) ttnttntndmKtAtscsccitFMcisincoscos)(FMiiBnNAS022/dttdnAKtntmKKtmsdfd)()()()(00230222238)()(AfnKNtmKKSmdofdo-18-Principles of Modern Communicationsv 調頻系統(tǒng)的調制制度增益調頻系統(tǒng)的調制制度增益 單音寬帶調頻單音寬帶調

15、頻(大信噪比情況大信噪比情況)132ffiiooWBFMmmNSNSGq 在寬帶調頻系統(tǒng)中，可以通過增加調頻指數(shù)，在適當增加系統(tǒng)帶寬在寬帶調頻系統(tǒng)中，可以通過增加調頻指數(shù)，在適當增加系統(tǒng)帶寬的基礎上，顯著改善調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能。的基礎上，顯著改善調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能。q 調頻系統(tǒng)以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無止境的。隨著調頻指調頻系統(tǒng)以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無止境的。隨著調頻指數(shù)的增加，調頻系統(tǒng)帶寬隨之增加數(shù)的增加，調頻系統(tǒng)帶寬隨之增加(卡森公式卡森公式)，在輸入信號功率不變，在輸入信號功率不變的情況下，輸入信噪比隨之下降。當輸入信噪比下降到一定程度時將的情況下，輸入信噪比隨之下降。

16、當輸入信噪比下降到一定程度時將會出現(xiàn)會出現(xiàn)門限效應門限效應(p.119)，即輸出信噪比將急劇惡化。，即輸出信噪比將急劇惡化。 200003)/()/(fAMFMmNSNS-19-Principles of Modern Communicationsv 調頻系統(tǒng)的預加重技術調頻系統(tǒng)的預加重技術 在窄帶調頻系統(tǒng)的相干解調或窄帶在窄帶調頻系統(tǒng)的相干解調或窄帶/寬帶調頻系統(tǒng)非相干解調輸出寬帶調頻系統(tǒng)非相干解調輸出噪聲分量中，都包括對正交高斯隨機噪聲分量噪聲分量中，都包括對正交高斯隨機噪聲分量ns(t)的導數(shù)分量的導數(shù)分量(參見參見p.117) 正交高斯隨機噪聲分量正交高斯隨機噪聲分量ns(t)的功率譜

17、密度為的功率譜密度為 正交高斯隨機噪聲分量正交高斯隨機噪聲分量ns(t) 通過一個理想微分電路后輸出通過一個理想微分電路后輸出no(t) ，其，其對應輸出噪聲功率譜密度為對應輸出噪聲功率譜密度為 dttdntnso elsewhereBfnBtnPBntntnsiis,02,02022 2,202BfnjPPio-20-Principles of Modern Communications 20nPo2B2Bv 調頻系統(tǒng)的預加重技術調頻系統(tǒng)的預加重技術(續(xù)續(xù)) 調頻通信系統(tǒng)輸出噪聲功率譜密度告訴我們：接收端解調輸出噪聲調頻通信系統(tǒng)輸出噪聲功率譜密度告訴我們：接收端解調輸出噪聲中，高頻端噪聲功率

18、強，使得解調器輸出的高頻信噪比變差中，高頻端噪聲功率強，使得解調器輸出的高頻信噪比變差(尤其尤其是基帶調制信號的高頻分量通常較小是基帶調制信號的高頻分量通常較小)。 為了提升調頻通信系統(tǒng)輸出的高頻信噪比，可以在發(fā)射端采用為了提升調頻通信系統(tǒng)輸出的高頻信噪比，可以在發(fā)射端采用預加預加重技術重技術，即在調頻之前首先提升基帶調制信號的高頻分量功率；而，即在調頻之前首先提升基帶調制信號的高頻分量功率；而在接收端的鑒頻器輸出端附加一個高頻衰減量大的低通濾波器去加在接收端的鑒頻器輸出端附加一個高頻衰減量大的低通濾波器去加重重抵消預加重對信號的失真影響。抵消預加重對信號的失真影響。預加重技術削減了輸出端的總

19、噪預加重技術削減了輸出端的總噪聲，改善了輸出信噪比，實際上相當于降低了鑒頻器門限聲，改善了輸出信噪比，實際上相當于降低了鑒頻器門限。-21-Principles of Modern Communications5.5 模擬調制系統(tǒng)比較q 線性調制和非線性調制系統(tǒng)性能線性調制和非線性調制系統(tǒng)性能v 在接收機輸入端輸入信號功率相同的條件下在接收機輸入端輸入信號功率相同的條件下( (Si) )，且加性噪聲都，且加性噪聲都是均值為零、雙邊功率譜密度為是均值為零、雙邊功率譜密度為n0 0/2的高斯白噪聲，且基帶調制的高斯白噪聲，且基帶調制信號滿足以下條件時，信號滿足以下條件時， DSB、SSB相干解調器

20、和相干解調器和AM、FM非相干非相干 解調器的輸出信噪比分別為解調器的輸出信噪比分別為 1,21, 0max2tmtmtmbifFMoobiAMoobiSSBoobiDSBooBnSmNSBnSNSBnSNSBnSNS0200023,31,-22-Principles of Modern Communicationsq 線性調制和非線性調制系統(tǒng)性能比較線性調制和非線性調制系統(tǒng)性能比較(續(xù)續(xù))v 從頻譜效率來看，從頻譜效率來看，SSB最好，最好，AM/DSB次之，次之，F(xiàn)M最差；最差；v 從信噪比改善程度來看，從信噪比改善程度來看，F(xiàn)M最好，最好，DSB/SSB次之，次之，AM最差；最差；v 從設備復雜度來看，從設備復雜度來看，AM最簡單，最簡單，DSB/FM次之，次之，SSB最差；最差；q 非相干解調存在有門限效應：非相干解調存在有門限效應：AM包絡檢波和包絡檢波和FM鑒頻接收都存在鑒頻接收都存在著門限效應，即當輸入的信噪比低于某一個門限值時，系統(tǒng)的接著門限效應，即當輸入的信噪比低于某一個門限值時，系統(tǒng)的接收