通信原理第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)課件

1、1通信原理2通信原理第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)3第5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。(調(diào)頻)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。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 4第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1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) 基帶調(diào)制信號(hào)。5

2、第5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。 6第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1調(diào)幅（AM）時(shí)域表示式式中 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

3、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7第5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。 8第5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9第5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

4、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。10第5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 1/311第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)包絡(luò)檢波對(duì)于AM信號(hào)，且要求|m(t)|max A0 ，可用包絡(luò)檢波包絡(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

5、 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)。 12第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.2 雙邊帶調(diào)制（DSB）時(shí)域表示式：無直流分量A0頻譜：無載頻分量 曲線：13第5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。相干解調(diào)適用于所有幅度調(diào)制形式相干解調(diào)器的一般模型 14第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)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

6、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)。15第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)相干解調(diào)器性能分析已調(diào)信號(hào)的一般表達(dá)式為 與同頻同相的相干載波c(t)相乘后，得經(jīng)低通濾波器后，得到因?yàn)閟I(t)是m(t)通過一個(gè)全通濾波器HI () 后的結(jié)果，故上式中的sd(t)就是解調(diào)輸出，即 16第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.3 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。 17第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)濾波法及SSB信號(hào)

7、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()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。18第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)SSB信號(hào)的頻譜上邊帶頻譜圖:19第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)濾波法的技術(shù)難點(diǎn)濾波特性很難做到具有陡峭的截止特性例如，若經(jīng)過濾波后的話音信號(hào)的最低頻率為300Hz，則上下邊帶之間的頻率間隔為600Hz，即允許過渡帶為600Hz。在600Hz過渡帶和不太高的載頻情況下，濾波器不難實(shí)現(xiàn)；但當(dāng)載頻較高時(shí)，采用一級(jí)調(diào)制直接濾波的方法已不可能實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制。 可以采用多級(jí)（一般采用兩級(jí)）DSB調(diào)制及邊帶濾波的

8、方法，即先在較低的載頻上進(jìn)行DSB調(diào)制，目的是增大過渡帶的歸一化值，以利于濾波器的制作。再在要求的載頻上進(jìn)行第二次調(diào)制。當(dāng)調(diào)制信號(hào)中含有直流及低頻分量時(shí)濾波法就不適用了。理論上的分析方法可以參看教材p.91-92的描述20第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)SSB信號(hào)的時(shí)域表示SSB信號(hào)的時(shí)域表示式設(shè)單頻調(diào)制信號(hào)為 載波為則DSB信號(hào)的時(shí)域表示式為若保留上邊帶，則有若保留下邊帶，則有兩式僅正負(fù)號(hào)不同21第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)把上式推廣到一般情況，則得到 式中，若M()是m(t)的傅里葉變換，則式中上式中的-jsgn可以看作是希爾伯特濾波器傳遞函數(shù)，即22第5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D

9、SB一樣，不能采用簡單的包絡(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。23第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.4 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，使其殘留小部分

10、，如下圖所示：24第5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)，而不再要求十分陡峭的截止特性，因而它比單邊帶濾波器容易制作。25第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)對(duì)殘留邊帶濾波器特性的要求由濾波法可知，殘留邊帶信號(hào)的頻譜為如何實(shí)現(xiàn)殘留邊帶濾波器傳輸特性H()，可參見教材。結(jié)論如下 26第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)殘留邊帶濾波器特性的兩種形式殘留“部分上邊帶”的濾波器特性：下圖(a)殘留“部分下邊帶”的濾波器特性 ：下圖(b)27第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能5.2.1 分析模型圖中 sm

11、(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28第5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29第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)解調(diào)器輸出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：30第5章 模擬調(diào)制

12、系統(tǒng)5.2.2 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。31第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)噪聲功率計(jì)算設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)為與相干載波cosct相乘后，得經(jīng)低通濾波器后，輸出信號(hào)為因此，解調(diào)器輸出端的有用信號(hào)功率為32第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)解調(diào)器輸入端的窄帶噪聲可表示為它與相干載波相乘后，得經(jīng)低通濾波器后，解調(diào)器最終的輸出噪聲為故輸出噪聲功率為或?qū)懗?3第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)信號(hào)功率計(jì)算解調(diào)器輸入信號(hào)平均功率為信噪比計(jì)算輸入信噪比輸出信噪比34第5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

13、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。35第5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36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37第5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，故信噪比沒有改善。38第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)討論上述表明，GDSB = 2GSSB，這能否

14、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)?，兩者的輸入信?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，因此SSB得到普遍應(yīng)用。39第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.4 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。 40第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)輸入信噪比計(jì)算設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)為

15、 解調(diào)器輸入噪聲為則解調(diào)器輸入的信號(hào)功率和噪聲功率分別為輸入信噪比為41第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)包絡(luò)計(jì)算由于解調(diào)器輸入是信號(hào)加噪聲的混合波形，即式中上式中E(t)便是所求的合成包絡(luò)。當(dāng)包絡(luò)檢波器的傳輸系數(shù)為1時(shí)，則檢波器的輸出就是E(t)。 42第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)輸出信噪比計(jì)算大信噪比情況輸入信號(hào)幅度遠(yuǎn)大于噪聲幅度，即因而式可以簡化為43第5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44第5章 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

16、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)的性能與同步檢測器時(shí)的性能幾乎一樣。45第5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)變成其中R(t) 和 (t) 代表噪聲的包絡(luò)及相位：46第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)因?yàn)樗?，可以把E(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，只能看作是噪聲。這時(shí)，輸出信噪比不是按

17、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。 47第5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。48第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）的原理前言頻率調(diào)制簡稱調(diào)頻(FM)，相位調(diào)制簡稱調(diào)

18、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)勢是其較高的抗噪聲性能。 49第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.1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； (t)=ct +(t) 信號(hào)的瞬時(shí)相位； (t) 瞬時(shí)相位偏移。(t)= dct +(t)/dt = c+ d(t)/dt 稱為瞬時(shí)角頻率d(t)/d

19、t 稱為瞬時(shí)頻偏。50第5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。得到PM信號(hào)表達(dá)式頻率調(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)相位偏移為得到FM信號(hào)表達(dá)式51第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)單頻正弦波 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 52第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3 寬帶調(diào)頻調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式 設(shè)：單音調(diào)制信號(hào)為則單音調(diào)制FM信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為將上式利用三角公式展開，有將上式中的兩個(gè)因子

20、分別展成傅里葉級(jí)數(shù)，式中 Jn (mf) 第一類n階貝塞爾函數(shù)53第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)Jn (mf)曲線54第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)將代入并利用三角公式及貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)則得到FM信號(hào)的級(jí)數(shù)展開式如下：55第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)頻信號(hào)的頻域表達(dá)式對(duì)上式進(jìn)行傅里葉變換，即得FM信號(hào)的頻域表達(dá)式+-=56第5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

21、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。 57第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 某單音寬帶調(diào)頻波的頻譜：圖中只畫出了單邊振幅譜。 58第5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

22、（Carson）公式。 59第5章 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。60第5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部分分配給每個(gè)邊頻分量。 61第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.4

23、調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生直接調(diào)頻法：用調(diào)制信號(hào)直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性地變化。壓控振蕩器：每個(gè)壓控振蕩器(VCO)自身就是一個(gè)FM調(diào)制器，因?yàn)樗恼袷庮l率正比于輸入控制電壓，即方框圖LC振蕩器：用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻。62第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)直接調(diào)頻法的主要優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可以獲得較大的頻偏。缺點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度不高改進(jìn)途徑：采用如下鎖相環(huán)（PLL）調(diào)制器 63第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)非相干解調(diào)：調(diào)頻信號(hào)的一般表達(dá)式為解調(diào)器的輸出應(yīng)為完成這種頻率-電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系的器件是頻率檢波器，簡稱鑒頻器。鑒頻器的種類很多，例如振幅鑒頻器、相位鑒頻器、比例鑒頻器、

24、正交鑒頻器、斜率鑒頻器、頻率負(fù)反饋解調(diào)器、鎖相環(huán)(PLL)鑒頻器等。下面以振幅鑒頻器為例介紹： 64第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)振幅鑒頻器方框圖圖中，微分電路和包絡(luò)檢波器構(gòu)成了具有近似理想鑒頻特性的鑒頻器。限幅器的作用是消除信道中噪聲等引起的調(diào)頻波的幅度起伏 65第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 微分器的作用是把幅度恒定的調(diào)頻波sFM (t)變成幅度和頻率都隨調(diào)制信號(hào)m(t)變化的調(diào)幅調(diào)頻波sd (t)，即包絡(luò)檢波器則將其幅度變化檢出并濾去直流，再經(jīng)低通濾波后即得解調(diào)輸出式中Kd 為鑒頻器靈敏度，單位為V/rad/s 66第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4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

25、中 n(t) 均值為零，單邊功率譜密度為n0的高斯白噪聲 67第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4.1 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68第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4.2 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69第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)計(jì)算輸出噪聲平均功率假設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t) = 0，則加到解調(diào)器輸入端的是未調(diào)載波與窄帶高斯噪聲之和，即式中 包絡(luò) 相位偏移 70第5章 模擬

26、調(diào)制系統(tǒng)在大信噪比時(shí)，即A nc (t)和A ns (t)時(shí)，相位偏移 可近似為當(dāng)x 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。例如，調(diào)頻廣播中常取mf =5，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。76第5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77第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)討論在大信

27、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。78第5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)功率不變的條件下，輸入信噪比下降，當(dāng)輸入信噪

28、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。79第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4.3 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。80第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)右圖畫出了單音調(diào)制時(shí)在不同調(diào)制指數(shù)下，調(diào)頻解調(diào)器的輸出信噪比與輸入信噪比的關(guān)系曲線。 由此圖可見門限值與調(diào)制指數(shù)mf 有關(guān)。 mf 越大，門限值越高。不過不同mf 時(shí)，門限值的變化不大，大約在811dB的范圍內(nèi)變化，一般認(rèn)為門限值為10 dB左右。在門限值以上時(shí)， (

29、So /No)FM與(Si /Ni)FM呈線性關(guān)系，且mf 越大，輸出信噪比的改善越明顯。81第5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

30、改善了門限。 82第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4.4 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。 具體可參見教材p.120-12183調(diào)制方式傳輸帶寬設(shè)備復(fù)雜程度主要應(yīng)用AM2fm簡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5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較84第5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