第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)

通信原理1通信原理第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)2第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)基本概念調(diào)制－把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程。調(diào)制信號(hào)－指來(lái)自信源的基帶信號(hào)

載波－未受調(diào)制的周期性振蕩信號(hào)，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。載波調(diào)制－用調(diào)制信號(hào)去控制載波的參數(shù)的過(guò)程。已調(diào)信號(hào)－載波受調(diào)制后稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)。解調(diào)（檢波）－調(diào)制的逆過(guò)程，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。

3第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制的目的

將基帶信號(hào)的低通頻譜搬移到載波頻率上，使得所發(fā)送的頻帶信號(hào)的頻譜匹配于頻帶信道的帶通特性。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(jiàn)的模擬調(diào)制幅度調(diào)制：調(diào)幅（具有離散大載波的雙邊帶調(diào)幅）、雙邊帶（抑制載波調(diào)幅）、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）的原理原理：由調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使之隨高頻載波做線性變化的過(guò)程。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(jiàn)，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(chēng)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(guò)程都是一種非線性的變換過(guò)程。

6第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1調(diào)幅（AM，具有離散大載波的雙邊帶調(diào)幅）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(guò)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（|f|>fc的頻率分量） 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(jiàn)，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(chēng)為調(diào)制效率： 當(dāng)m(t)=Amcosmt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)5.1.2雙邊帶調(diào)制（DSB）時(shí)域表示式：無(wú)直流分量A0頻譜：無(wú)載頻分量曲線：12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。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(chēng)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。13第5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()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。14第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)SSB信號(hào)的頻譜上邊帶頻譜圖:15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(guò)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(guò)渡帶為600Hz。在600Hz過(guò)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?？梢圆捎枚嗉?jí)（一般采用兩級(jí)）DSB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(guò)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。16第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)相移法和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17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(hào)，“+”表示下邊帶信號(hào)。希爾伯特變換：上式中Amsinmt可以看作是Amcosmt相移/2的結(jié)果。把這一相移過(guò)程稱(chēng)為希爾伯特變換，記為“^”，則有

這樣，上式可以改寫(xiě)為18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19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)。20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。21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，使其殘留一小部分，如下圖所示：22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SSB調(diào)制器相同。 不過(guò)，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(lái)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。23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

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(lái)分析一下接收端是如何從該信號(hào)中恢復(fù)原基帶信號(hào)的。24第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)VSB信號(hào)解調(diào)器方框圖 圖中 因?yàn)? 根據(jù)頻域卷積定理可知，乘積sp(t)對(duì)應(yīng)的頻譜為25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26第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)

顯然，為了保證相干解調(diào)的輸出無(wú)失真地恢復(fù)調(diào)制信號(hào)m(t)，上式中的傳遞函數(shù)必須滿足： 式中，H－調(diào)制信號(hào)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(duì)稱(chēng)（奇對(duì)稱(chēng)）特性,相干解調(diào)時(shí)才能無(wú)失真地從殘留邊帶信號(hào)中恢復(fù)所需的調(diào)制信號(hào)。

2728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)29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(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)。30常規(guī)調(diào)幅AM：為全通網(wǎng)絡(luò)，有直流成分。抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB：為全通網(wǎng)絡(luò)，無(wú)直流成分。單邊帶調(diào)制SSB：是截止頻率為的高通或低通濾波器。殘留邊帶調(diào)制VSB：是特定的互補(bǔ)特性濾波器。第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)31第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)移相法模型32第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)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：33第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)它同樣適用于所有線性調(diào)制。34小結(jié)1.調(diào)制的定義及分類(lèi)（1）所謂調(diào)制，就是按調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)的過(guò)程。它實(shí)質(zhì)上是將調(diào)制信號(hào)頻譜從某個(gè)頻率位置搬移到另一頻率位置上。（2）模擬調(diào)制調(diào)制信號(hào)m(t)載波：連續(xù)正弦波其中A，，為常數(shù)。已調(diào)信號(hào)，其中A(t)為已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)幅度，為已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)相位。35小結(jié)(a)幅度調(diào)制（線性調(diào)制）：A(t)隨m(t)成比例變化。從頻譜上說(shuō)已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)與基帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，只是頻率位置發(fā)生搬移，故也成線性調(diào)制。(b)角度調(diào)制（非線性調(diào)制）：或隨m(t)成比例變化，前者稱(chēng)為相位調(diào)制，后者稱(chēng)為頻率調(diào)制。已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)與基帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)不同，出現(xiàn)了新的頻率分量，故也稱(chēng)為非線性調(diào)制。36小結(jié)2.幅度調(diào)制原理（1）幅度調(diào)制一般模型37小結(jié)a.標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅（AM）信號(hào)為了防止過(guò)調(diào)幅，要求|m(t)|A038小結(jié)b.雙邊帶（DSB）信號(hào)時(shí)域表示式：無(wú)直流分量A0頻譜：無(wú)載頻分量曲線：39小結(jié)雙邊帶信號(hào)特點(diǎn)：已調(diào)信號(hào)頻譜中無(wú)載頻分量，但同時(shí)包括上、下兩個(gè)邊帶，上下邊帶分別包含調(diào)制信號(hào)的全部信息。已調(diào)信號(hào)帶寬為調(diào)制信號(hào)帶寬的2倍。當(dāng)與m(t)同時(shí)改變符號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)反相點(diǎn)。反相點(diǎn)的出現(xiàn)與否不影響DSB調(diào)制的性能。已調(diào)信號(hào)包絡(luò)與m(t)不同。40小結(jié)c.單邊帶信號(hào)移相法SSB調(diào)制器方框圖41小結(jié)d.殘留邊帶（VSB）信號(hào)其中殘留邊帶濾波器的傳輸特性滿足：42小結(jié)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)43小結(jié)（2）幅度信號(hào)的解調(diào)：a.相干解調(diào)：已調(diào)信號(hào)與接收端同頻同相的相干載波相乘，并提取基帶信號(hào)分量。它可以用于AM,DSB,SSB,VSB信號(hào)的解調(diào)。相干解調(diào)器一般模型如圖所示：b.包絡(luò)檢波（非相干解調(diào)）：從已調(diào)信號(hào)包絡(luò)中提取原基帶信號(hào)。AM信號(hào)一般采取這種方法解調(diào)。44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(hào)

n(t)－信道加性高斯白噪聲

ni

(t)－帶通濾波后的噪聲

mo(t)－輸出有用信號(hào)

no(t)－輸出噪聲45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46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(lèi)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：47第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.2DSB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。48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49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?0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51第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)制度增益 由此可見(jiàn)，DSB調(diào)制系統(tǒng)的制度增益為2。也就是說(shuō)，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。52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53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54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(guò)程中，信號(hào)和噪聲中的正交分量均被抑制掉，故信噪比沒(méi)有改善。55第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)討論上述表明，GDSB=2GSSB，這能否說(shuō)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(shuō)，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。56第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.4AM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。

57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

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58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)。59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(jiǎn)化為60第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)

由上式可見(jiàn)，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61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(shuō)明包絡(luò)檢波器對(duì)輸入信噪比沒(méi)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(jiàn)，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。62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：63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(méi)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(chēng)為解調(diào)器的門(mén)限效應(yīng)。開(kāi)始出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)的輸入信噪比稱(chēng)為門(mén)限值。64第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)討論 1.門(mén)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(mén)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(mén)限值時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)門(mén)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(wú)法正常工作。65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(jiǎn)稱(chēng)調(diào)頻(FM)，相位調(diào)制簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)。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(chēng)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。66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； [ct+(t)]＝(t)－信號(hào)的瞬時(shí)相位；

(t)－瞬時(shí)相位偏移。d[ct+(t)]/dt=(t)+d(t)/dt

－稱(chēng)為瞬時(shí)角頻率d(t)/dt－稱(chēng)為瞬時(shí)頻偏。67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。 將上式代入一般表達(dá)式

得到PM信號(hào)表達(dá)式68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(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69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(jiàn)，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(wú)法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)相信號(hào)還是調(diào)頻信號(hào)。70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(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=KpAm－調(diào)相指數(shù)，表示最大的相位偏移。71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。 72第5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73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(jiàn)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。74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75北京理工2008年考研題填空（每空2分）間接調(diào)頻原理是先對(duì)調(diào)制信號(hào)（），再進(jìn)行（）。76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(wú)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。調(diào)頻波的有效帶寬為

它稱(chēng)為卡森（Carson）公式。

77第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)當(dāng)mf<<1時(shí)，上式可以近似為 這就是窄帶調(diào)頻的帶寬。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。78第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.4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。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79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(jiǎn)稱(chēng)鑒頻器。鑒頻器的種類(lèi)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：80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81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82第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)理想微分電路的功率傳輸函數(shù)為若設(shè)噪聲的功率譜密度為，則83第5章模擬調(diào)制系統(tǒng) 鑒頻器前、后的噪聲功率譜密度如下圖所示由圖可見(jiàn)，鑒頻器輸出噪聲的功率譜密度已不再是均勻分布， 而是與f2成正比。84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

圖中

n(t)－均值為零，單邊功率譜密度為n0的高斯白噪聲

85在大信噪比情況下，單音調(diào)制時(shí)，寬帶調(diào)頻系統(tǒng)的制度增益為：

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。例如，調(diào)頻廣播中常取mf=5，則制度增益GFM=450。也就是說(shuō)，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。第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)86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(wú)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)輸入信噪比降到一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)，輸出信噪比將急劇惡化。87第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4.3小信噪比時(shí)的門(mén)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(chēng)為調(diào)頻信號(hào)解調(diào)的門(mén)限效應(yīng)。門(mén)限值－出現(xiàn)門(mén)限效應(yīng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信噪比值稱(chēng)為門(mén)限值，記為(Si/Ni)b。88第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4.4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(yǔ)音和音樂(lè)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(lái)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。89第5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)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。90第5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(méi)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(shuō)明，輸出信噪比的改善程度取決于去加重網(wǎng)絡(luò)的特性。91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(wú)線電廣播DSB2fm中等應(yīng)用較少SSBfm復(fù)雜短波無(wú)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92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(huà)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(mén)限點(diǎn)。門(mén)限點(diǎn)以下，曲線迅速下跌；門(mén)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。93第5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(shuō)，F(xiàn)M是以犧牲有效性來(lái)?yè)Q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(lè)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。94第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)特點(diǎn)與應(yīng)用AM：優(yōu)點(diǎn)是接收設(shè)備簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是功率利用率低，抗干擾能力差。主要用在中波和短波調(diào)幅廣播。DSB調(diào)制：優(yōu)點(diǎn)是功率利用率高，且?guī)捙cAM相同，但設(shè)備較復(fù)雜。應(yīng)用較少，一般用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專(zhuān)用通信。SSB調(diào)制：優(yōu)點(diǎn)是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和抗選擇性衰落能力均優(yōu)于AM，而帶寬只有AM的一半；缺點(diǎn)是發(fā)送和接收設(shè)備都復(fù)雜。SSB常用于頻分多路復(fù)用系統(tǒng)中。VSB調(diào)制：抗噪聲性能和頻帶利用率與SSB相當(dāng)。在電視廣播、數(shù)傳等系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。FM：FM的抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離高質(zhì)量的通信系統(tǒng)中。缺點(diǎn)是頻帶利用率低，存在門(mén)限效應(yīng)。95第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.6頻分復(fù)用(FDM)和調(diào)頻(FM)立體聲5.6.1頻分復(fù)用（FDM）目的：充分利用信道的頻帶資源，提高信道利用率原理96第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)典型例子：多路載波電話系統(tǒng)每路電話信號(hào)的頻帶限制在300—3400Hz，在各路已調(diào)信號(hào)間留有防護(hù)頻帶，每路電話信號(hào)取4kHz作為標(biāo)準(zhǔn)帶寬層次結(jié)構(gòu)：12路電話復(fù)用為一個(gè)基群；5個(gè)基群復(fù)用為一個(gè)超群，共60路電話；由10個(gè)超群復(fù)用為一個(gè)主群，共600路電話。如果需要傳輸更多路電話，可以將多個(gè)主群進(jìn)行復(fù)用，組成巨群?；侯l譜結(jié)構(gòu)圖 載波頻率97第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)FDM技術(shù)主要用于模擬信號(hào)，普遍應(yīng)用在多路載波電話系統(tǒng)中。其主要優(yōu)點(diǎn)是信道利用率高，技術(shù)成熟；缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，濾波器難以制作，并且在復(fù)用和傳輸過(guò)程中，調(diào)制、解調(diào)等過(guò)程會(huì)不同程度地引入非線性失真，而產(chǎn)生各路信號(hào)的相互干擾。98第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.6.2調(diào)頻立體聲廣播原理：FM立體聲廣播中，利用兩個(gè)傳聲器置于演出舞臺(tái)的兩側(cè)，得到一個(gè)左聲道信號(hào)L，一個(gè)右聲道信號(hào)R，頻率都在50Hz到15kHz之間。廣播電臺(tái)將左、右聲道信號(hào)之和（L+R）作為主信號(hào)，占用15kHz以下的正常音頻信號(hào)頻譜，以便與單聲道FM廣播接收相兼容（在普通調(diào)頻廣播中只發(fā)送0~15kHz的（L+R）信號(hào)）；左、右聲道的差（L-R）信號(hào)用DSB方式移至23~53kHz的范圍內(nèi)，所用調(diào)制載頻為38kHz；19KHz處發(fā)送的是一個(gè)單頻信號(hào)用作立體聲指示，作為在接收端提取同頻同相相干載波使用；另外還有一個(gè)輔助通信專(zhuān)用通道，供電臺(tái)內(nèi)部聯(lián)絡(luò)通信及廣告節(jié)目使用。99第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)立體聲廣播信號(hào)的產(chǎn)生100第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)頻譜結(jié)構(gòu)0~15kHz用于傳送(L+R)信號(hào)23kHz~53kHz用于傳送(L-R)信號(hào)59kHz~75kHz則用作輔助通道(L-R)信號(hào)的載波頻率為38kHz在19kHz處發(fā)送一個(gè)單頻信號(hào)（導(dǎo)頻）在普通調(diào)頻廣播中，只發(fā)送0—15kHz的(L+R)信號(hào)。101第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)立體聲廣播信號(hào)的解調(diào)接收立體聲廣播后先進(jìn)行鑒頻，得到頻分復(fù)用信號(hào)。對(duì)頻分復(fù)用信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分離，以恢復(fù)出左聲道信號(hào)L和右聲道信號(hào)R。102第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.7小結(jié)調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要，它的主要作用和目的是：（1）將基帶信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）變換成適合在信道中傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)；（2）實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用；（3）改善系統(tǒng)抗噪聲性能。所謂調(diào)制，是指按調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律去控制高頻載波的某個(gè)參數(shù)的過(guò)程。根據(jù)正弦載波受調(diào)參數(shù)的不同，模擬調(diào)制分為：幅度調(diào)制和角度調(diào)制。幅度調(diào)制，是指高頻載波的振幅按照基帶信號(hào)振幅瞬時(shí)值的變化規(guī)律而變化的調(diào)制方式。它是一種線性調(diào)制，其“線性”的含義是已調(diào)信號(hào)的頻譜僅是基帶信號(hào)頻譜的平移