通信原理-第5章-模擬調(diào)制系統(tǒng)概要課件

1、通信原理第1章 緒論第2章 確知信號第3章 隨機(jī)過程第4章 信道第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)第7章 數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)第8章 新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)第9章 模擬信號的數(shù)字傳輸?shù)?0章 數(shù)字信號的最佳接收第11章 差錯(cuò)控制編碼第12章 正交編碼與偽隨機(jī)序列第13章 同步原理1通信原理第1章 緒論1通信原理第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)2通信原理第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)2圖1-5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型圖1-4 模擬通信系統(tǒng)模型ch4ch3ch5ch53圖1-5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型圖1-4 模擬通信系統(tǒng)模型c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5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能5.3 非線性

2、調(diào)制（角度調(diào)制）原理5.4 調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能5.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較5.6 頻分復(fù)用和調(diào)頻立體聲5.7 小結(jié)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4第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)基本概念調(diào)制 把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義調(diào)制 分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。 狹義調(diào)制 僅指帶通調(diào)制。在無線通信和其他大多數(shù)場合，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。調(diào)制信號 指來自信源的基帶信號 載波調(diào)制 用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)的過程。載波 未受調(diào)制的周期性振蕩信號，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已調(diào)信號 載波受調(diào)制后稱為已調(diào)信號。解調(diào)（檢波） 調(diào)制的逆過程，其作用是將已

3、調(diào)信號中的調(diào)制信號恢復(fù)出來。 5第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)基本概念5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 6第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制的目的 6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

4、義，幅度調(diào)制信號（已調(diào)信號）一般可表示成式中， m(t) 基帶調(diào)制信號。7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7第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)頻譜設(shè)調(diào)制信號m(t)的頻譜為M()，則已調(diào)信號的頻譜為由以上表示式可見，在波形上，已調(diào)信號的幅度隨基帶信號的規(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)信號與調(diào)制信號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。 8第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)頻譜8第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1調(diào)幅（AM

5、）時(shí)域表示式式中 m(t) 調(diào)制信號，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，則AM信號的頻譜為若m(t)為隨機(jī)信號，則已調(diào)信號的頻域表示式必須用功率譜描述。調(diào)制器模型9第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1調(diào)幅（AM）9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。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。 10第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)波形圖10第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)頻譜圖由頻譜可以看出，AM信號的頻譜由載頻分量上邊帶下邊

6、帶三部分組成。上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號的頻譜結(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11第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)頻譜圖載頻分量載頻分量上邊帶上邊帶下邊帶1212% 幅度調(diào)制 AM 信號輸出和功率譜 程序清單dt=0.001; %時(shí)間采樣頻譜fmax=1;%信源最高頻譜fc=10;%載波中心頻率T=5;%信號時(shí)長N=T/dt;t=0:N-1*dt;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t);%信源A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t);f,Xf=FFT_SHIFT(t,s_am);%調(diào)制信號頻譜PSD=(abs(Xf).2)/

7、T;%調(diào)制信號功率譜密度figure(1)subplot(211);plot(t,s_am);hold on;%畫出AM信號波形plot(t,A+mt,r-);%表示AM包絡(luò)title(AM調(diào)制信號及其包絡(luò));xlabel(t);subplot(212);%畫出功率譜圖形plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(PSD);title(AM信號功率譜);xlabel(f); 13% 幅度調(diào)制 AM 信號輸出和功率譜 程序清單dt=0.0第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)AM信號的特性帶寬：它是帶有載波分量的雙邊帶信號，帶寬是基帶信號帶寬 fH 的兩倍：功率：當(dāng)m(t)為確知信

8、號時(shí)，若則式中Pc = A02/2 載波功率， 邊帶功率。14第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)AM信號的特性14第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制效率 由上述可見，AM信號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 1/315第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制效率15 例5-1 已知一個(gè)AM廣播電臺輸出功率是50KW，采用單頻余弦信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)幅指數(shù)為0.707。 （1）試計(jì)算調(diào)制效率

9、和載波功率； （2）如果天線用50的電阻負(fù)載表示，求載波信號的峰值幅度。解（1） 由以上的公式有 則調(diào)制效率 載波功率為 （2）載波功率Pc與載波峰值A(chǔ)的關(guān)系為 所以 例5-116 例5-1 已知一個(gè)AM廣播電臺輸出功率是50KW，采用單頻第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：17第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.2 雙邊帶調(diào)制（DSB）17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。18第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制效率：10018% 抑制載波雙邊帶調(diào)制 DSBdt=0.001; %時(shí)

10、間采樣頻譜fmax=1; %信源最高頻譜fc=10; %載波中心頻率T=5; %信號時(shí)長t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);f,sf=FFT_SHIFT(t,s_dsb); %調(diào)制信號頻譜PSD=(abs(sf).2)/T;%調(diào)制信號功率譜密度figure(1)subplot(211)plot(t,s_dsb);hold on;%畫出DSB信號波形plot(t,mt,r-);%標(biāo)示mt波形title(DSB調(diào)制信號及其包絡(luò));xlabel(t);subplot(212)plot(f,PSD);axi

11、s(-2*fc 2*fc 0 max(PSD);title(DSB信號功率譜);xlabel(f); 19% 抑制載波雙邊帶調(diào)制 DSBdt=0.001; 第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.3 單邊帶調(diào)制（SSB）原理：雙邊帶信號兩個(gè)邊帶中的任意一個(gè)都包含了調(diào)制信號頻譜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信號的方法有兩種：濾波法和相移法。 20第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.3 單邊帶調(diào)制（SSB）20第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)濾波法及SSB信號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

12、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。21第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)濾波法及SSB信號的頻域表示21第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)SSB信號的頻譜上邊帶頻譜圖:22第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)SSB信號的頻譜22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（一般采用兩級）DSB

13、調(diào)制及邊帶濾波的方法，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)制信號中含有直流及低頻分量時(shí)濾波法就不適用了。23第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)濾波法的技術(shù)難點(diǎn)23第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)相移法和SSB信號的時(shí)域表示SSB信號的時(shí)域表示式設(shè)單頻調(diào)制信號為 載波為則DSB信號的時(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)號不同24第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)相移法和SSB信號的時(shí)域表示兩式僅正負(fù)號第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)將上兩式合并：式中，“”表示上邊帶信號，“+”表示下邊帶信號。希爾伯特變換：上式中Am sinmt可以看作是Am

14、cosmt 相移/2的結(jié)果。把這一相移過程稱為希爾伯特變換，記為“ ”，則有這樣，上式可以改寫為25第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)將上兩式合并：25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 （ 注：sgn 符號函數(shù)）上式中的-jsgn可以看作是希爾伯特濾波器傳遞函數(shù)，即26第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)26第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)移相法SSB調(diào)制器方框圖優(yōu)點(diǎn)：不需要濾波器具有陡峭的截止特性。缺點(diǎn)：寬帶相移網(wǎng)絡(luò)難用硬件實(shí)現(xiàn)。27第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)移相法SSB調(diào)制器方框圖27第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)SSB信號的解調(diào) SSB信號的解調(diào)和DSB一樣，不能采用簡單的包絡(luò)檢波

15、，因?yàn)镾SB信號也是抑制載波的已調(diào)信號，它的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號的變化，所以仍需采用相干解調(diào)。SSB信號的性能SSB信號的實(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。28第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)SSB信號的解調(diào)282929% 單邊帶調(diào)制 SSBdt=0.001; %時(shí)間采樣頻譜fmax=1;%信源最高頻譜fc=10;%載波中心頻率T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t);%信源s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j

16、*2*pi*fc*t);f,sf=FFT_SHIFT(t,s_ssb);%單邊帶信號頻譜PSD=(abs(sf).2)/T;%單便帶信號功率譜figure(1)subplot(211)plot(t,s_ssb);hold on;%畫出SSB信號波形plot(t,mt,r-);%標(biāo)示mt 的包絡(luò)title(SSB調(diào)制信號);xlabel(t);subplot(212)plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 max(PSD);title(SSB信號功率譜);xlabel(f);30% 單邊帶調(diào)制 SSBdt=0.001; %時(shí)function f, sf=FFT_SHIFT(t

17、, st)%This function is FFT to calculate a signals Fourier transform%Input: t: sampling time , st : signal data. Time length must greater than 2%output: f : sampling frequency , sf: frequency%output is the frequency and the signal spectrumdt=t(2)-t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(t);f=-N/2:N/2-1*df;sf=ff

18、t(st);sf=T/N*fftshift(sf);31function f, sf=FFT_SHIFT(t, 3232 多級濾波法原理如下圖所示：。其中： ， 33 多級濾波法原理如下圖所示：。其中： 例5-2 用單邊帶方式傳輸模擬電話信號。設(shè)載頻為15MHz，電話信號的頻帶為300 Hz3400 Hz，濾波器歸一化值為10-3。試設(shè)計(jì)濾波器的方案。解：單級方案時(shí)，過渡帶歸一化值為 歸一化值太高，實(shí)際無法實(shí)現(xiàn)，所以，采用二級濾波 方案。取第二級濾波器的歸一化值為 。 這時(shí)第二級上、下邊帶的間隔近似為 為此，第一級調(diào)制應(yīng)使用的載頻為： 所以，第一級濾波器的歸一化值為： 34 例5-2 用單邊帶

19、方式傳輸模擬電話信號。設(shè)載頻為15MH第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.4 殘留邊帶（VSB）調(diào)制介于SSB與DSB之間的一種折衷方式它既克服了DSB信號占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了SSB信號實(shí)現(xiàn)的困難。不像SSB那樣完全抑制DSB信號的一個(gè)邊帶，而是使其殘留一小部分。35第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.4 殘留邊帶（VSB）調(diào)制35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。36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

20、第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)對殘留邊帶濾波器特性的要求由濾波法可知，殘留邊帶信號的頻譜為為了確定上式中殘留邊帶濾波器傳輸特性H()應(yīng)滿足的條件，我們來分析一下接收端是如何從該信號中恢復(fù)原基帶信號的。 37第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)對殘留邊帶濾波器特性的要求37第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)VSB信號解調(diào)器方框圖圖中因?yàn)楦鶕?jù)頻域卷積定理可知，乘積sp(t)對應(yīng)的頻譜為38第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)VSB信號解調(diào)器方框圖38第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)將代入得到式中M( + 2c)及M( - 2c)是搬移到+ 2c和 -2c處的頻譜，它們可以由解調(diào)器中的低通濾波器濾除。于是，低通濾波器的輸出頻譜為39第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)將39第5章

21、模擬調(diào)制系統(tǒng) 顯然，為了保證相干解調(diào)的輸出無失真地恢復(fù)調(diào)制信號m(t)，上式中的傳遞函數(shù)必須滿足： 式中，H 調(diào)制信號的截止角頻率。上述條件的含義是：殘留邊帶濾波器的特性H()在c處必須具有互補(bǔ)對稱（奇對稱）特性, 相干解調(diào)時(shí)才能無失真地從殘留邊帶信號中恢復(fù)所需的調(diào)制信號。 40第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)40 使用濾波法產(chǎn)生殘留邊帶信號：殘留上邊帶信號殘留下邊帶信號第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)41 使用濾波法產(chǎn)生殘留邊帶信號：殘留上邊帶 可見，只要有下式成立，解調(diào)輸出就不會失真。 只要等式左側(cè)兩個(gè)函數(shù)在=0處具有互補(bǔ)對稱（奇對稱）特性，解調(diào)就不失真。42 可見，只要有下式成立，解調(diào)輸出就不會失真。只要等式4

22、343% 顯示模擬調(diào)制的波形及其解調(diào)方法VSB，文件名：VSB.m% Signaldt=0.001;fmax=5;fc=20;T=5;N=T/dt;t=0:N-1*dt;mt=sqrt(2)*(cos(2*pi*fmax*t)+sin(2*pi*0.5*fmax*t);% VSB modulations_vsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);B1=0.2*fmax;B2=1.2*fmax;f,sf=FFT_SHIFT(t,s_vsb);t,s_vsb=vsbmd(f,sf,B1,B2,fc);% Power Spectrum Densityf,sf=FFT_SHIFT(t,s_vsb)

23、;PSD=(abs(sf).2)/T;% Plot VSB and PSDfigure(1)subplot(211)plot(t,s_vsb);hold on;plot(t,mt,r-);title(VSB調(diào)制信號);xlabel(t);subplot(212)plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 max(PSD);title(VSB信號功率譜);xlabel(f);44% 顯示模擬調(diào)制的波形及其解調(diào)方法VSB，文件名：VSB.mfunction t,st=vsbmd(f,sf,B1,B2,fc)% This function is a residual bandpass

24、 filter% Inputs f: sample frequency, sf: frequency spectrum data% B1: residual bandwidth, B2: highest freq of the baseband signal% Outputs t:sample time, st: signal datadf=f(2)-f(1);T=1/df;hf=zeros(1,length(f);bf1=floor(fc-B1)/df):floor(fc+B1)/df);bf2=floor(fc-B1)/df)+1:floor(fc+B2)/df);f1=bf1+floor

25、(length(f)/2);f2=bf2+floor(length(f)/2);stepf=1/length(f1);hf(f1)=0:stepf:1-stepf;hf(f2)=1;f3=-bf1+floor(length(f)/2);f4=-bf2+floor(length(f)/2);hf(f3)=0:stepf:(1-stepf);hf(f4)=1;yf=hf.*sf;t,st=IFFT_SHIFT(f,yf);st=real(st);45function t,st=vsbmd(f,sf,B1function t,st=IFFT_SHIFT(f,Sf)df=f(2)-f(1);fmax=

26、(f(end)-f(1)+df);dt=1/fmax;N=length(f);t=0:N-1*dt;Sf=fftshift(Sf);st=fmax*ifft(Sf);st=real(st);46function t,st=IFFT_SHIFT(f,第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.5 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時(shí)域表示式為：按照此模型得到的輸出信號頻域表示式為：式中，只要適當(dāng)選擇H()，便可以得到各種幅度調(diào)制信號。47第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.5 線性調(diào)制的一般模型47第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)移相法模型將上式展

27、開，則可得到另一種形式的時(shí)域表示式，即式中上式表明，sm(t)可等效為兩個(gè)互為正交調(diào)制分量的合成。由此可以得到移相法線性調(diào)制的一般模型如下： 48第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)移相法模型48第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)它同樣適用于所有線性調(diào)制。49第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)49第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.6 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，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。50第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.6 相干解調(diào)與包絡(luò)檢波50第

28、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 51第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)相干解調(diào)器性能分析51第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)包絡(luò)檢波適用條件：AM信號，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)輸入信號是 選擇RC滿足如下關(guān)系 式中fH 調(diào)制信號的最高頻率在大信號檢波時(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m(t)。 52

29、第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)包絡(luò)檢波52通信系統(tǒng)的噪聲加性噪聲高斯白噪聲 (AWGN：additive white gaussian noise）“高斯”：幅度概率密度函數(shù)為高斯分布“白”：功率譜密度函數(shù)服從均勻分布乘性噪聲碼間串?dāng)_（第6章）噪聲影響已調(diào)信號的接收解調(diào)器的抗噪聲性能作為系統(tǒng)的抗噪聲性能指標(biāo)解調(diào)輸出信噪比53通信系統(tǒng)的噪聲53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 (t) 已調(diào)信號 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 no(t) 輸出噪聲54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

30、4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55第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)噪聲分析55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：56第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)解調(diào)器輸出信噪比定義56第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.2 DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能DSB相干解調(diào)

31、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)器輸出的信號功率和噪聲功率。57第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.2 DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能57第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)噪聲功率計(jì)算設(shè)解調(diào)器輸入信號為與相干載波cosct相乘后，得經(jīng)低通濾波器后，輸出信號為因此，解調(diào)器輸出端的有用信號功率為58第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)噪聲功率計(jì)算58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?9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59第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)信號功率計(jì)算解調(diào)器輸入信號平均功率為信噪比計(jì)算輸入信噪比輸出信噪比

32、60第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)信號功率計(jì)算60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。61第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)制度增益61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 信號的帶通濾波器的帶寬。信號功率SSB信號與相干載波相乘后，再經(jīng)低通濾波可得解調(diào)器輸出信號因此，輸出信號平均功率62第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能62第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)輸入信號平均功率為信噪比單邊帶解調(diào)器的輸入信噪比為63第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)輸入信號平均功率為6

33、3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，信號和噪聲有相同表示形式，所以相干解調(diào)過程中，信號和噪聲中的正交分量均被抑制掉，故信噪比沒有改善。64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64第5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)椋瑑烧叩妮斎胄盘柟β什煌?、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。如果我們在相同的輸入信號功率，相同的輸入噪聲功率譜密度，相同的基帶信號帶寬條件下，對這兩種調(diào)制方式進(jìn)行比較，可

34、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。65第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)討論65第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 思考題5-9DSB和SSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能是否相同？為什么？結(jié)果，在相同的噪聲背景和相同的輸入信號功率條件下，DSB和SSB在解調(diào)器輸出端的信噪比是相同的。從抗噪聲的觀點(diǎn)，SSB制式和DSB制式是相同的，但SSB制式所占有的頻帶為DSB的一半。66第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 思考題5-966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的包絡(luò)變化。 67第5章 模擬

35、調(diào)制系統(tǒng)5.2.4 AM包絡(luò)檢波的性能67第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)輸入信噪比計(jì)算設(shè)解調(diào)器輸入信號為 解調(diào)器輸入噪聲為則解調(diào)器輸入的信號功率和噪聲功率分別為輸入信噪比為68第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)輸入信噪比計(jì)算68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)。 69第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)包絡(luò)計(jì)算69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幅度遠(yuǎn)大于噪聲幅度，即因而式可以簡化為70第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)輸出信噪比計(jì)算70第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)由上式可見，有用信號與噪聲獨(dú)立地分成兩項(xiàng)

36、，因而可分別計(jì)算它們的功率。輸出信號功率為輸出噪聲功率為故輸出信噪比為制度增益為71第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)由上式可見，有用信號與噪聲獨(dú)立地分成兩第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)討論1. AM信號的調(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)檢波器對輸入信噪比沒有改善，而是惡化了。3. 例如：對于100%的調(diào)制，且m(t)是單頻正弦信號，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。72第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)72

37、第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)小信噪比情況此時(shí)，輸入信號幅度遠(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：73第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)小信噪比情況73第5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)的信號項(xiàng)，有用信號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。 74第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)因?yàn)?4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)制信號時(shí)不存在門

38、限效應(yīng)。原因是信號與噪聲可分別進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)器輸出端總是單獨(dú)存在有用信號項(xiàng)。3. 在大信噪比情況下，AM信號包絡(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。75第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)討論75第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)思考題：相干解調(diào)是否存在門限效應(yīng)？相干解調(diào)不存在門限效應(yīng)。原因是相干解調(diào)是由相乘器和低通濾波器組成，信號與噪聲可以分開處理，故沒有門限效應(yīng)。包絡(luò)檢波器由整流和低通濾波器組成，信號與噪聲無法分開處理，當(dāng)（Si/Ni）低于一定數(shù)值時(shí)，解調(diào)器的輸出信噪比（S0/N0）急劇惡化。這種門限效應(yīng)是由包絡(luò)檢波器的非線

39、性解調(diào)作用所引起的。76第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)思考題：相干解調(diào)是否存在門限效應(yīng)？76線性調(diào)制/解調(diào)的一般模型已調(diào)信號經(jīng)過信道77線性調(diào)制/解調(diào)的一般模型已調(diào)信號經(jīng)過信道77幅度解調(diào)78幅度解調(diào)78 例5-2 對單頻調(diào)制的常規(guī)調(diào)幅信號進(jìn)行包絡(luò)檢波。設(shè)每個(gè)邊帶的功率為10 mW，載波功率為100 mW，接收機(jī)帶通濾波器的帶寬為10 kHz，信道噪聲單邊功率譜密度為5109 W/Hz。(1) 求解調(diào)輸出信噪比；(2) 如果改為DSB，其性能優(yōu)于常規(guī)調(diào)幅多少分貝？例題5-2（1）79 例5-2 對單頻調(diào)制的常規(guī)調(diào)幅信號進(jìn)行包絡(luò)檢波。設(shè)每個(gè)邊帶 例5-2 對單頻調(diào)制的常規(guī)調(diào)幅信號進(jìn)行包絡(luò)檢波。設(shè)每個(gè)邊帶的

40、功率為10 mW，載波功率為100 mW，接收機(jī)帶通濾波器的帶寬為10 kHz，信道噪聲單邊功率譜密度為5109 W/Hz。(1) 求解調(diào)輸出信噪比；解(1) 已知常規(guī)調(diào)幅信號的帶寬為 ，其調(diào)制效率和解調(diào)信噪比增益分別為：例題5-2（2）80 例5-2 對單頻調(diào)制的常規(guī)調(diào)幅信號進(jìn)行包絡(luò)檢波。設(shè)每個(gè)邊帶 輸入SNR為 輸出SNR為 （2）改為DSB時(shí)，信號功率相同，而由于帶寬不變，所以，輸入噪聲功率也不變，所以輸入SNR亦為： 而輸出SNR為： 所以所求為：例題5-2（3）81 輸入SNR為例題5-2（3）81 例5-3 對雙邊帶信號和單邊帶進(jìn)行相干解調(diào)，接收信號功率為2 mW，噪聲雙邊功率譜密

41、度為 ，調(diào)制信號是最高頻率為4 kHz的低通信號。(1) 比較解調(diào)器輸入信噪比；(2) 比較解調(diào)器輸出信噪比。解：SSB信號的輸入信噪比和輸出信噪比分別為： DSB信號的輸入信噪比和輸出信噪比分別為：例題5-3（1）82 例5-3 對雙邊帶信號和單邊帶進(jìn)行相干解調(diào)，接收信號功率為 輸入信噪比的比較為 輸出信噪比的比較為 計(jì)算結(jié)果說明兩種信號的抗噪聲性能一致。例題5-3（2）83 例題5-3（2）83 門限效應(yīng)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。門限效應(yīng)84 門限效應(yīng)門限效應(yīng)84心電信號的調(diào)制與解調(diào)(

42、1)（AM調(diào)制、相干解調(diào)）一. 系統(tǒng)構(gòu)思：1）、通信原理課程介紹了模擬信號的調(diào)制與解調(diào)。調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)將低頻信號頻譜搬移到載頻位置，解調(diào)相當(dāng)于調(diào)制的反過程。2）、調(diào)制和解調(diào)的應(yīng)用舉例：3.4kHZ的話音信號經(jīng)過調(diào)制后可經(jīng)信道進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，在接收端通過解調(diào)不失真的恢復(fù)出原始信號。3）、作為生醫(yī)系的學(xué)生，對心電信號是不陌生的，無論是心電信號的采集還是處理，我們都曾做過。但至今并未嘗試過心電信號的遠(yuǎn)距離傳輸。于是就有了本系統(tǒng)的初始想法：對心電信號進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)心電信號的電話線傳輸。這樣病人可以在家進(jìn)行心電檢測，直接將心電信號傳輸?shù)结t(yī)院的接收機(jī)，大大的方便了用戶。當(dāng)然本系統(tǒng)只是個(gè)模擬系統(tǒng)，用Ma

43、tlab檢驗(yàn)系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性。85心電信號的調(diào)制與解調(diào)(1)（AM調(diào)制、相干解調(diào)）一. 系統(tǒng)心電信號的調(diào)制與解調(diào)(2)86心電信號的調(diào)制與解調(diào)(2)86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)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)信號頻譜不再是原調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產(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。 87第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3 非

44、線性調(diào)制（角度調(diào)制）的原理87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信號的一般表達(dá)式角度調(diào)制信號的一般表達(dá)式為式中，A 載波的恒定振幅； ct +(t) (t) 信號的瞬時(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。88第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.1角度調(diào)制的基本概念 88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)制信號幅度引起PM信號的相位偏移量，單位是rad/V。將上式代入一般表達(dá)式得到PM信號表達(dá)式89第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)相位調(diào)制(PM

45、)：瞬時(shí)相位偏移隨調(diào)制信號第5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信號表達(dá)式90第5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)制信號第5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m(t)的具體形式，則無法判斷已調(diào)信號是調(diào)相信號還是調(diào)頻信號。91第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)PM與 FM的區(qū)別91第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)單音調(diào)制FM與PM設(shè)調(diào)制信號為單一頻率的正弦波，即

46、 用它對載波進(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。92第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)單音調(diào)制FM與PM92第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)用它對載波進(jìn)行頻率調(diào)制時(shí)，將代入得到FM信號的表達(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。 93第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)用它對載波進(jìn)行頻率調(diào)制時(shí)，將93第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)(a) PM 信號波形 (b) FM 信號波形 94第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)(a) PM 信號波形 第5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)制信號先微

47、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。 95第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)FM與PM之間的關(guān)系95第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)方框圖 （a）直接調(diào)頻 （b）間接調(diào)頻 (c) 直接調(diào)相 (d) 間接調(diào)相96第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)方框圖 （a）直接調(diào)頻 第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.2 窄帶調(diào)頻（NBFM）定義：如果FM信號的最大瞬時(shí)相位偏移滿足下式條件 則稱為窄帶調(diào)頻；反之，稱為寬帶調(diào)頻。97第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.2 窄帶調(diào)頻（NBFM）97第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)時(shí)域表示式將FM信號一般表示式展開得到當(dāng)滿足窄帶調(diào)頻條

48、件時(shí)，故上式可簡化為198第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)時(shí)域表示式198第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)頻域表示式利用以下傅里葉變換對可得NBFM信號的頻域表達(dá)式（設(shè)m(t)的均值為0） 99第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)頻域表示式（設(shè)m(t)的均值為0） 99第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)NBFM和AM信號頻譜的比較兩者都含有一個(gè)載波和位于處的兩個(gè)邊帶，所以它們的帶寬相同不同的是，NBFM的兩個(gè)邊頻分別乘了因式1/( - c)和1/( + c) ，由于因式是頻率的函數(shù)，所以這種加權(quán)是頻率加權(quán)，加權(quán)的結(jié)果引起調(diào)制信號頻譜的失真。另外，NBFM的一個(gè)邊帶和AM反相。100第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)NBFM和AM信號頻譜的比較100第5章 模擬

49、調(diào)制系統(tǒng)NBFM和AM信號頻譜的比較舉例以單音調(diào)制為例。設(shè)調(diào)制信號 則NBFM信號為AM信號為按照上兩式畫出的頻譜圖和矢量圖如下：101第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)NBFM和AM信號頻譜的比較舉例101第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)頻譜圖102第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)頻譜圖102第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)矢量圖 (a) AM (b) NBFM在AM中，兩個(gè)邊頻的合成矢量與載波同相，所以只有幅度的變化，無相位的變化；而在NBFM中，由于下邊頻為負(fù)，兩個(gè)邊頻的合成矢量與載波則是正交相加，所以NBFM不僅有相位的變化，幅度也有很小的變化。這正是兩者的本質(zhì)區(qū)別 。由于NBFM信號最大頻率偏移較小，占據(jù)的帶寬較窄，但是其抗干擾性能

50、比AM系統(tǒng)要好得多，因此得到較廣泛的應(yīng)用。 103第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)矢量圖103第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3 寬帶調(diào)頻調(diào)頻信號表達(dá)式 設(shè)：單音調(diào)制信號為則單音調(diào)制FM信號的時(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)因子分別展成傅里葉級數(shù)，式中 Jn (mf) 第一類n階貝塞爾函數(shù)104第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3 寬帶調(diào)頻104第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)Jn (mf)曲線105第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)Jn (mf)曲線105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信號的級數(shù)展開式如下：106第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)將106第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)頻信號的頻域表達(dá)式對

51、上式進(jìn)行傅里葉變換，即得FM信號的頻域表達(dá)式+-=107第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)+-=107第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)討論：由上式可見調(diào)頻信號的頻譜由載波分量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信號的頻譜不再是調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是一種非線性過程。 108第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)108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。 109第5章 模擬調(diào)制

52、系統(tǒng) 某單音寬帶調(diào)頻波的頻譜：圖中只畫出了單第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)頻信號的帶寬理論上調(diào)頻信號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)頻信號可近似認(rèn)為具有有限頻譜。通常采用的原則是，信號的頻帶寬度應(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。 110第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)頻信號的帶寬110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

53、就是寬帶調(diào)頻的帶寬。當(dāng)任意限帶信號調(diào)制時(shí)，上式中fm是調(diào)制信號的最高頻率， 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信號的頻帶寬度為180kHz。111第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)111第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)頻信號的功率分配調(diào)頻信號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。 112第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)頻信號的功率分配112MATLAB編程-頻率調(diào)制FMfig

54、ure 1. 調(diào)制信號和調(diào)頻信號 113MATLAB編程-頻率調(diào)制FMfigure 1. 調(diào)制信號figure 2. 調(diào)制信號頻譜和調(diào)頻信號頻譜 114figure 2. 調(diào)制信號頻譜和調(diào)頻信號頻譜 114第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)典型例題 （學(xué)習(xí)輔導(dǎo)p77 例5-3）例題 某角調(diào)波為計(jì)算其最大相偏、最大頻偏和帶寬；115第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)典型例題 （學(xué)習(xí)輔導(dǎo)p77 第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.4 調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)調(diào)頻信號的產(chǎn)生直接調(diào)頻法：用調(diào)制信號直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號的規(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

55、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。116第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.4 調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)116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 117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)：117第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)間接法調(diào)頻 阿姆斯特朗（Armstrong）法 原理：先將調(diào)制信號積分，然后對載波進(jìn)行調(diào)相，即可產(chǎn)生一個(gè)窄帶調(diào)頻(NBFM)信號，再經(jīng)n次倍頻器得到寬帶調(diào)頻 (WBFM) 信。方框圖 118第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)間接法調(diào)頻 阿姆斯特朗（Armstro第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)間接

56、法產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號由窄帶調(diào)頻公式可知，窄帶調(diào)頻信號可看成由正交分量與同相分量合成的。所以可以用下圖產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號： 119第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)間接法產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號119第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)倍頻：目的：為提高調(diào)頻指數(shù)，從而獲得寬帶調(diào)頻。方法：倍頻器可以用非線性器件實(shí)現(xiàn)。原理：以理想平方律器件為例，其輸出-輸入特性為當(dāng)輸入信號為調(diào)頻信號時(shí)，有由上式可知，濾除直流成分后，可得到一個(gè)新的調(diào)頻信號，其載頻和相位偏移均增為2倍，由于相位偏移增為2倍，因而調(diào)頻指數(shù)也必然增為2倍。 同理，經(jīng)n次倍頻后可以使調(diào)頻信號的載頻和調(diào)頻指數(shù)增為n倍。120第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)倍頻：120第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)典型實(shí)例

57、：調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)載頻：f1 = 200kHz 調(diào)制信號最高頻率 fm = 15kHz 間接法產(chǎn)生的最大頻偏 f1 = 25 Hz 調(diào)頻廣播要求的最終頻偏 f =75 kHz，發(fā)射載頻在88-108 MHz頻段內(nèi)，所以需要經(jīng)過次的倍頻，以滿足最終頻偏=75kHz的要求。但是，倍頻器在提高相位偏移的同時(shí)，也使載波頻率提高了，倍頻后新的載波頻率(nf1 )高達(dá)600MHz，不符合 fc =88-108MHz的要求，因此需用混頻器進(jìn)行下變頻來解決這個(gè)問題。121第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)典型實(shí)例：調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)121第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)具體方案122第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)具體方案122第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)【例

58、5-1】 在上述寬帶調(diào)頻方案中，設(shè)調(diào)制信號是fm =15 kHz的單頻余弦信號，NBFM信號的載頻f1 =200 kHz，最大頻偏f1 =25 Hz；混頻器參考頻率f2 = 10.9 MHz，選擇倍頻次數(shù)n1 = 64，n2 =48。 (1) 求NBFM信號的調(diào)頻指數(shù)； (2) 求調(diào)頻發(fā)射信號（即WBFM信號）的載頻、最大頻偏和調(diào)頻指數(shù)。 【解】（1）NBFM信號的調(diào)頻指數(shù)為（2）調(diào)頻發(fā)射信號的載頻為123第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)【例5-1】 在上述寬帶調(diào)頻方案中，設(shè)調(diào)第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)(3) 最大頻偏為(4) 調(diào)頻指數(shù)為124第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)(3) 最大頻偏為124第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)

59、頻信號的解調(diào)非相干解調(diào)：調(diào)頻信號的一般表達(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、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： 125第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)頻信號的解調(diào)125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 126第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)振幅鑒頻器方框圖126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

60、頻率都隨調(diào)制信號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 127第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 微分器的作用是把幅度恒第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)相干解調(diào)：相干解調(diào)僅適用于NBFM信號 由于NBFM信號可分解成同相分量與正交分量之和，因而可以采用線性調(diào)制中的相干解調(diào)法來進(jìn)行解調(diào)，如下圖所示。128第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)相干解調(diào)：相干解調(diào)僅適用于NBFM信號1第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)窄帶調(diào)頻信號并設(shè)相干載波則相乘器的輸出為經(jīng)低通濾波器取出其低頻分量再經(jīng)微分器，即得解調(diào)輸出可見，相干解調(diào)可以恢復(fù)原調(diào)制信號。