第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)

通信原理PrinciplesofCommunications課件整理：王懷興QQ：76944908Email：

76944908@TEL5章模擬調(diào)制系統(tǒng)主要內(nèi)容5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能5.3非線性調(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5.7本章小結(jié)把消息信號(hào)從載波信號(hào)上卸載下來→解調(diào)運(yùn)送貨物貨物→裝載上飛機(jī)→到達(dá)目得地→卸載貨物飛機(jī)就是運(yùn)載貨物的工具→載體運(yùn)送消息消息→裝載上載波信號(hào)→傳輸?shù)浇邮斩恕遁d消息高頻載波信號(hào)就是傳輸消息的工具→載波把消息信號(hào)加載到載波信號(hào)上→調(diào)制引言(introduction)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制信號(hào)載波已調(diào)信號(hào)消息信號(hào)基帶信號(hào)待發(fā)送信號(hào)正弦波脈沖序列運(yùn)載工具被調(diào)制載波包含有m(t)的全部信息引言(introduction)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制：把信號(hào)形式轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)倪^程廣義調(diào)制：基帶調(diào)制和帶通調(diào)制(載波調(diào)制)

狹義調(diào)制：僅指載波調(diào)制，通常調(diào)制均指載波調(diào)制載波調(diào)制：用調(diào)制信號(hào)去控制載波的參數(shù)的過程調(diào)制信號(hào)：指來自信源的基帶信號(hào)(未被調(diào)制)載波：周期正弦信號(hào)或周期脈沖序列已調(diào)信號(hào)：載波受調(diào)制后稱為已調(diào)信號(hào)解調(diào)(檢波)：將調(diào)制信號(hào)從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出來調(diào)制方式：模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制引言(introduction)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)※調(diào)制目的(1)提高無線通信時(shí)的天線輻射效率，天線尺寸必須與發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)相比擬，天線長(zhǎng)度>/4；(2)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；(3)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，即通過調(diào)制改善通信系統(tǒng)的性能。(4)實(shí)現(xiàn)頻率資源的分配，通信技術(shù)產(chǎn)生以后，頻率成為與石油、煤炭、水等同等重要的資源…。引言(introduction)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)引言(introduction)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)※調(diào)制的分類按照調(diào)制信號(hào)m(t)的類型分模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制按已調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)分線性調(diào)制非線性調(diào)制按正弦載波的被調(diào)參量分幅度調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制按載波信號(hào)c(t)的類型分連續(xù)波調(diào)制脈沖調(diào)制(1)幅度調(diào)制(線性調(diào)制)AM：常規(guī)雙邊帶調(diào)幅DSB：雙邊帶調(diào)幅SSB：?jiǎn)芜厧д{(diào)幅VSB：殘留邊帶調(diào)幅(2)角度調(diào)制(非線性調(diào)制)FM：頻率調(diào)制PM：相位調(diào)制引言(introduction)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)※本章主要研究的內(nèi)容是以正弦波c(t)=Acos(ct+)作為載波的5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)幅度調(diào)制：用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使之隨調(diào)制信號(hào)作線性變化的過程。正弦型載波為，一般取0=0。幅度調(diào)制信號(hào)(已調(diào)信號(hào))一般可表示成設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)的頻譜為M()，則已調(diào)信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)的規(guī)律變化；頻譜是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單線性搬移(線性調(diào)制)。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1AM調(diào)幅(amplitudemodulation，也稱常規(guī)雙邊帶調(diào)幅)1AM調(diào)幅的表達(dá)式※條件：m(t)均值為0，|m(t)|max≤A0AM調(diào)制器原理模型載波項(xiàng)邊帶項(xiàng)，含有m(t)的信息5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1AM調(diào)幅(amplitudemodulation，也稱常規(guī)雙邊帶調(diào)幅)2AM波形與頻譜可見，已調(diào)信號(hào)sAM(t)的包絡(luò)線中包含有調(diào)制信號(hào)A0+m(t)的全部信息→包絡(luò)檢波可見，已調(diào)信號(hào)SAM()頻譜中包含有調(diào)制信號(hào)m(t)的全部信息，也包含有載波信息5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1AM調(diào)幅(amplitudemodulation，也稱常規(guī)雙邊帶調(diào)幅)3AM調(diào)幅的特點(diǎn)分析1)|m(t)|max≤A0時(shí)，sAM(t)的包絡(luò)線正比于m(t)，可采用最簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波還原A0+m(t)→m(t)；→優(yōu)點(diǎn)2)接收機(jī)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于中短波廣播；→優(yōu)點(diǎn)A0+m(t)3)其頻譜分量由載波分量、上邊帶與下邊帶組成；4)其傳輸帶寬是信號(hào)帶寬的兩倍BAM=2fH；→缺點(diǎn)m(t)帶寬fH5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1AM調(diào)幅(amplitudemodulation，也稱常規(guī)雙邊帶調(diào)幅)3AM信號(hào)的特點(diǎn)分析5)調(diào)制效率(功率利用率)低；→缺點(diǎn)※AM信號(hào)功率※AM信號(hào)的調(diào)制效率(功率利用率)5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1AM調(diào)幅(amplitudemodulation，也稱常規(guī)雙邊帶調(diào)幅)3AM信號(hào)的特點(diǎn)分析5)調(diào)制效率(功率利用率)低；→缺點(diǎn)※調(diào)幅系數(shù)可見，調(diào)幅系數(shù)越大，功率利用率越大，但此例m=1(100%調(diào)制)最大也不能超過30%。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1AM調(diào)幅(amplitudemodulation，也稱常規(guī)雙邊帶調(diào)幅)3AM信號(hào)的特點(diǎn)分析5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.1AM調(diào)幅(amplitudemodulation，也稱常規(guī)雙邊帶調(diào)幅)3AM信號(hào)的特點(diǎn)分析Q&A※如何提高調(diào)制效率呢？載波項(xiàng)邊帶項(xiàng)，含有m(t)的信息※如果去掉載波項(xiàng)，則調(diào)制效率即可達(dá)到100%！抑制載波5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.2DSB-SC(Doublesidebandamplitudemodulation-suppressedcarrier)1DSB信號(hào)的波形與頻譜5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.2DSB-SC(Doublesidebandamplitudemodulation-suppressedcarrier)2DSB信號(hào)的特點(diǎn)分析無載頻分量，只有上、下邊帶分量；→優(yōu)點(diǎn)不能再用包絡(luò)檢波，必須用相干解調(diào)；→缺點(diǎn)帶寬仍然是信號(hào)帶寬的2倍，BDSB=2fH;→缺點(diǎn)調(diào)制效率100%，功率利用率高；→優(yōu)點(diǎn)主要用作SSB、VSB的技術(shù)基礎(chǔ)，調(diào)頻立體聲中差信號(hào)調(diào)制等；Q&A※可否只用一個(gè)邊帶傳輸呢？SSB！5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.3SSB(Singlesidebandamplitudemodulation)1SSB信號(hào)的產(chǎn)生※濾波法需要濾波器HSSB()具有陡峭特性！5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.3SSB(Singlesidebandamplitudemodulation)1SSB信號(hào)的產(chǎn)生※移相法設(shè)單頻調(diào)制信號(hào)，載波為下邊帶LSB上邊帶USB5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.3SSB(Singlesidebandamplitudemodulation)1SSB信號(hào)的產(chǎn)生※移相法※要求：Hh()對(duì)所有頻率分量精確相移π/2。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.3SSB(Singlesidebandamplitudemodulation)2SSB信號(hào)的特點(diǎn)SSB信號(hào)帶寬只有AM、DSB信號(hào)帶寬的一半，即BSSB=BAM/2=BDSB/2=fH，頻帶利用率高；→優(yōu)點(diǎn)在頻率擁擠的場(chǎng)合獲得了廣泛應(yīng)用，尤其是在短波通信與多路載波電話中占有重要地位；→優(yōu)點(diǎn)因?yàn)椴恍枰獋魉洼d波及另一個(gè)邊帶而節(jié)省傳送功率，功耗低；→優(yōu)點(diǎn)在濾波法中陡峭特性濾波器與相移法中寬帶相移網(wǎng)絡(luò)都難以實(shí)現(xiàn)，均需要相干解調(diào)?！秉c(diǎn)5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.4VSB(vestigialsidebandamplitudemodulation)1VSB信號(hào)的產(chǎn)生圖中濾波器不要求十分陡峭的截止特性，而是逐漸切割，使其殘留一小部分，如圖所示。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。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.4VSB(vestigialsidebandamplitudemodulation)2殘留邊帶濾波器傳輸特性先分析接收端如何從該信號(hào)中恢復(fù)原基帶信號(hào)的經(jīng)過低通濾波后5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.4VSB(vestigialsidebandamplitudemodulation)2殘留邊帶濾波器傳輸特性經(jīng)過低通濾波后為保證相干解調(diào)無失真地恢復(fù)m(t)，H()須滿足：式中，H

－調(diào)制信號(hào)的截止角頻率?！鶜埩暨厧V波器的特性：H()在c處必須具有互補(bǔ)對(duì)稱(奇對(duì)稱)特性，相干解調(diào)時(shí)才能無失真地從殘留邊帶信號(hào)中恢復(fù)所需的調(diào)制信號(hào)。5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.4VSB(vestigialsidebandamplitudemodulation)2殘留邊帶濾波器傳輸特性※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)5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.4VSB(vestigialsidebandamplitudemodulation)3殘留邊帶濾波器的幾何解釋4殘留邊帶信號(hào)的特點(diǎn)帶寬介于SSB與DSB之間，即fH<BVSB<2fH;→優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，方便實(shí)現(xiàn)；→優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于商業(yè)電視廣播電視信號(hào)傳輸?shù)龋?.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.1.5線性調(diào)制的一般模型(Thegeneralmodeloflinearmodulation)1濾波法模型※適當(dāng)選擇H()，便可以得到各種幅度調(diào)制信號(hào)2移相法模型5.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)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(Coherentdemodulationandenvelopedetection)1相干解調(diào)特點(diǎn)：無門限效應(yīng)缺點(diǎn)：需要載波同步適用：AM、DSB、SSB、VSB2包絡(luò)檢波特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、無需載波同步；適用：AM信號(hào)要求：必須滿足|m(t)|max≤A05.1幅度調(diào)制(線性調(diào)制)原理(amplitudemodulation(linearmodulation)principle)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(Coherentdemodulationandenvelopedetection)3插入載波的包絡(luò)檢波適用：DSB、SSB以及VSB等抑制載波的已調(diào)信號(hào)原理：在信號(hào)中插入恢復(fù)載波，使之稱為或近似成為AM信號(hào)，然后采用包絡(luò)檢波恢復(fù)m(t)。要求：Ad要遠(yuǎn)大于信號(hào)振幅，同時(shí)需要載波同步方法：發(fā)端或收端插入載波，在收端包絡(luò)檢波5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.1分析模型與性能指標(biāo)(Analyticalmodelandperformanceindex)已調(diào)信號(hào)高斯白噪聲B和f0取決于已調(diào)信號(hào)的頻譜DSB信號(hào)：B=2fH，f0=fcSSB信號(hào)：B=fH，f0=fc±fH/2窄帶高斯白噪聲輸出信號(hào)輸出噪聲相干解調(diào)與包絡(luò)檢波5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.1分析模型與性能指標(biāo)(Analyticalmodelandperformanceindex)SiNiSoNo※輸入信噪比※輸出信噪比※調(diào)制制度增益5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.2DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能(TheperformanceoftheDSBmodulationsystem)DSB相干解調(diào)抗噪聲性能分析模型可抑制正交分量5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.2DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能(TheperformanceoftheDSBmodulationsystem)DSB相干解調(diào)抗噪聲性能分析模型調(diào)制制度增益為2，說明解調(diào)器使信噪比改善1倍。5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.3SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能(TheperformanceoftheSSBmodulationsystem)SSB相干解調(diào)抗噪聲性能分析模型因SSB相干解調(diào)與DSB相同，所以Q&AVSB調(diào)制呢？5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)※DSB與SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能比較※是否說明DSB的抗噪聲性能比SSB好呢？若輸入信號(hào)功率、輸入噪聲功率譜密度、基帶信號(hào)帶寬均相同，兩者輸出信噪比是相等的。兩者抗噪聲性能相同。SSB傳輸帶寬是DSB的一半，SSB得到普遍應(yīng)用。5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.4AM包絡(luò)檢波的性能(TheperformanceoftheAMmodulationsystem)AM包絡(luò)檢波的抗噪聲性能分析模型包絡(luò)檢波※檢波輸出電壓正比于輸入信號(hào)的包絡(luò)變化。AM信號(hào)可用相干解調(diào)與包絡(luò)檢波兩種方式解調(diào)相干解調(diào)的性能與DSB分析方法相同AM調(diào)制一般采用包絡(luò)檢波，不用相干解調(diào)5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.4AM包絡(luò)檢波的性能(TheperformanceoftheAMmodulationsystem)E(t)是合成包絡(luò)，包絡(luò)檢波器的輸出是E(t)的倍數(shù)。5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.4AM包絡(luò)檢波的性能(TheperformanceoftheAMmodulationsystem)1大信噪比時(shí)

5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.4AM包絡(luò)檢波的性能(TheperformanceoftheAMmodulationsystem)1大信噪比時(shí)

AM信號(hào)的調(diào)制制度增益GAM隨A0的減小而增加；GAM總小于1，包絡(luò)檢波對(duì)輸出信噪比沒有改善；對(duì)于100%的調(diào)制，且m(t)是單頻正弦信號(hào)時(shí)AM的最大信噪比增益為GAM=2/3；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?？梢?，AM調(diào)制系統(tǒng)在大信噪比時(shí)，包絡(luò)檢波器解調(diào)的性能與同步檢測(cè)的性能幾乎一樣。5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.4AM包絡(luò)檢波的性能(TheperformanceoftheAMmodulationsystem)2小信噪比時(shí)

※E(t)中沒有單獨(dú)的m(t)信號(hào)，無法實(shí)現(xiàn)解調(diào)。5.2線性系統(tǒng)的抗噪聲性能(Theanti-noiseperformanceofalinearsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.2.4AM包絡(luò)檢波的性能(TheperformanceoftheAMmodulationsystem)2小信噪比時(shí)

E(t)中無信號(hào)項(xiàng)m(t)，m(t)被噪聲擾亂成為噪聲輸出信噪比不是按比例地隨輸入信噪比下降，而是急劇惡化的現(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)是由包絡(luò)檢波器的非線性解調(diào)引起的相干解調(diào)不存在門限效應(yīng)，大信噪比時(shí)，AM信號(hào)包絡(luò)檢波器性能幾乎與相干解調(diào)法相同。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.1角度調(diào)制的基本概念(BasicconceptofAnglemodulation)角度調(diào)制：頻率調(diào)制和相位調(diào)制的總稱。頻率調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)頻(FM)，相位調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)相(PM)。調(diào)制后，載波幅度恒定，瞬時(shí)相位被調(diào)制而變化，已調(diào)信號(hào)頻譜不再是調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，因此稱為非線性調(diào)制。與幅度調(diào)制相比，角度調(diào)制最突出的優(yōu)勢(shì)是其較高的抗噪聲性能，其代價(jià)是占用更大的帶寬。FM用于高保真音樂廣播、電視伴音信號(hào)的傳輸，衛(wèi)星通信和蜂窩電話系統(tǒng)等。PM直接用于傳輸外，也用于間接產(chǎn)生FM信號(hào)的過渡。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.1角度調(diào)制的基本概念(BasicconceptofAnglemodulation)1FM和PM信號(hào)的一般表達(dá)式相位調(diào)制(PM)：瞬時(shí)相偏隨調(diào)制信號(hào)m(t)作線性變化式中Kp為調(diào)相靈敏度，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。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.1角度調(diào)制的基本概念(BasicconceptofAnglemodulation)1FM和PM信號(hào)的一般表達(dá)式頻率調(diào)制(FM)：瞬時(shí)頻偏隨調(diào)制信號(hào)m(t)作線性變化式中Kf為調(diào)頻靈敏度，是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起FM信號(hào)的頻率偏移量，單位是rad/(s·V)。調(diào)頻信號(hào)為PM調(diào)制中，相位隨m(t)線性變化。FM調(diào)制中，相位隨m(t)的積分線性變化。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.1角度調(diào)制的基本概念(BasicconceptofAnglemodulation)2單音調(diào)制FM和PM設(shè)調(diào)制信號(hào)為單一頻率的正弦波，即Mf調(diào)頻系數(shù)，△w=KfAm最大角頻偏，△f=mffm為最大頻偏5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.1角度調(diào)制的基本概念(BasicconceptofAnglemodulation)3單音調(diào)制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5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.1角度調(diào)制的基本概念(BasicconceptofAnglemodulation)4PM和FM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。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。

5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.1角度調(diào)制的基本概念(BasicconceptofAnglemodulation)4PM和FM之間的關(guān)系（a）直接調(diào)頻(c)直接調(diào)相（b）間接調(diào)頻(d)間接調(diào)相PM相位隨m(t)線性變化，F(xiàn)M相位隨m(t)的積分線性變化。若m(t)未知，能判斷是FM還是PM嗎？。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.2窄帶調(diào)頻(

NBFM：Narrow-bandfrequencymodulation)1定義：如果FM信號(hào)的最大瞬時(shí)相偏滿足則為窄帶調(diào)頻(NBFM)；反之為寬帶調(diào)頻(WBFM)。當(dāng)滿足窄帶調(diào)頻條件時(shí)5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.2窄帶調(diào)頻(

NBFM：Narrow-bandfrequencymodulation)2頻域表示式5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.2窄帶調(diào)頻(

NBFM：Narrow-bandfrequencymodulation)3單音調(diào)制的窄帶調(diào)頻設(shè)單音調(diào)制信號(hào)5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.2窄帶調(diào)頻(

NBFM：Narrow-bandfrequencymodulation)3單音調(diào)制的窄帶調(diào)頻單音調(diào)制的AM與NBFM頻譜圖5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.2窄帶調(diào)頻(

NBFM：Narrow-bandfrequencymodulation)3單音調(diào)制的窄帶調(diào)頻AM矢量圖(b)NBFM矢量圖單音調(diào)制的AM與NBFM矢量圖由于NBFM信號(hào)最大頻率偏移較小，占據(jù)的帶寬較窄，但是其抗干擾性能比AM系統(tǒng)要好得多，因此得到較廣泛的應(yīng)用。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3寬帶調(diào)頻(

WBFM：Wide-bandfrequencymodulation)1寬帶調(diào)頻表達(dá)式設(shè)單音調(diào)制信號(hào)為將上式中的兩個(gè)因子分別展成傅里葉級(jí)數(shù)式中Jn(mf)－第一類n階貝塞爾函數(shù).5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3寬帶調(diào)頻(

WBFM：Wide-bandfrequencymodulation)1寬帶調(diào)頻表達(dá)式Jn(mf)曲線5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3寬帶調(diào)頻(

WBFM：Wide-bandfrequencymodulation)1寬帶調(diào)頻表達(dá)式5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3寬帶調(diào)頻(

WBFM：Wide-bandfrequencymodulation)1寬帶調(diào)頻表達(dá)式5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3寬帶調(diào)頻(

WBFM：Wide-bandfrequencymodulation)2調(diào)頻信號(hào)的頻譜與帶寬窄帶調(diào)頻的頻譜mf=0.2寬帶調(diào)頻的頻譜mf=5.0頻譜由載波分量c和無數(shù)邊頻(cnm)組成，間隔m；n=0時(shí)幅度AJ0(mf)，n0時(shí)幅度AJn(mf)，隨n增大而變小n為奇數(shù)上下邊頻極性相反；n為偶數(shù)極性相同。工程上，保留上、下邊頻分量共2n=2(mf+1)個(gè)；邊頻相鄰間隔fm，F(xiàn)M帶寬近似為：5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3寬帶調(diào)頻(

WBFM：Wide-bandfrequencymodulation)2調(diào)頻信號(hào)的頻譜與帶寬對(duì)于多音或任意帶限調(diào)制信號(hào)時(shí)fm是調(diào)制信號(hào)最高頻率，△f是最大頻偏，mf=△f/fm例5-1FM廣播最大頻偏f=75kHz，最高調(diào)制頻率fm=15kHz，計(jì)算mf以及FM信號(hào)頻帶寬度？→卡森(Carson)公式5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3寬帶調(diào)頻(

WBFM：Wide-bandfrequencymodulation)3調(diào)頻信號(hào)的功率分配根據(jù)貝塞爾函數(shù)具有※調(diào)制后總的功率不變(未調(diào)載波平均功率)，只是重新分配，而功率分配的比例與調(diào)頻指數(shù)mf有關(guān)。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.3.3寬帶調(diào)頻(

WBFM：Wide-bandfrequencymodulation)4調(diào)頻信號(hào)的特點(diǎn)與應(yīng)用應(yīng)用：要求高質(zhì)量或信道噪聲大的場(chǎng)合，例如：調(diào)頻廣播，電視伴音、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、微波通信和蜂窩電話等系統(tǒng)中。包絡(luò)恒定；頻偏隨調(diào)制信號(hào)m(t)作線性變化；相偏隨消息信號(hào)m(t)的積分作線性變化；帶寬與m(t)的帶寬和mf

有關(guān)，比AM帶寬大(mf+1)倍。優(yōu)勢(shì)：抗噪聲能力強(qiáng)；

代價(jià)：占用較大的信道帶寬，因而頻譜利用率較低。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)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)(Production

and

demodulationoffrequency

modulated

signal)1調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生※直接調(diào)頻法：用調(diào)制信號(hào)直接控制載波頻率原理：調(diào)制電壓信號(hào)m(t)控制振蕩器VCO的頻率優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單、可獲得較大的頻偏；通常用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻。缺點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度不高，可采用PLL調(diào)頻器改進(jìn)。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)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)(Production

and

demodulationoffrequency

modulated

signal)1調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生※直接調(diào)頻法：用調(diào)制信號(hào)直接控制載波頻率如圖鎖相環(huán)(PLL)調(diào)制器可獲得高質(zhì)量FM或PM優(yōu)點(diǎn)：載頻穩(wěn)定度可達(dá)到晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度缺點(diǎn)：低頻調(diào)制特性較差改進(jìn)：用鎖相環(huán)構(gòu)成兩點(diǎn)調(diào)制的寬帶FM調(diào)制器5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)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)(Production

and

demodulationoffrequency

modulated

signal)1調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生※間接調(diào)頻法：調(diào)制信號(hào)積分后對(duì)載波調(diào)相原理：積分?調(diào)相(NBFM)?n次倍頻?WBFM優(yōu)點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度好；缺點(diǎn)：需要多次倍頻和混頻，因此電路較復(fù)雜。由窄帶調(diào)頻公式5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)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)(Production

and

demodulationoffrequency

modulated

signal)1調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生※間接調(diào)頻法窄帶信號(hào)的產(chǎn)生可知，窄帶調(diào)頻信號(hào)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(hào)：5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)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)(Production

and

demodulationoffrequency

modulated

signal)1調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生※倍頻的問題與解決辦法問題：倍頻器在提高頻偏為時(shí)nf1，也使載頻提高為(nf1)=600MHz，不符合fc=88-108MHz的要求？例如：調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)倍頻前載頻為f1=200kHz，調(diào)制信號(hào)最高頻率fm=15kHz，最大頻偏f1=25Hz。但調(diào)頻廣播最終要求頻偏f

=75kHz，發(fā)射載頻在88-108MHz頻段范圍內(nèi)。因此需要倍頻次數(shù)5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)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)(Production

and

demodulationoffrequency

modulated

signal)1調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生※倍頻的問題與解決辦法解決倍頻帶來的問題，可采用如圖所示方案例5-2

設(shè)調(diào)制信號(hào)fm=15kHz，NBFM信號(hào)載頻f1=200kHz，最大頻偏f1=25Hz；混頻器參考頻率f2=10.9MHz，選擇倍頻次數(shù)n1=64，n2=48。(1)求NBFM信號(hào)的調(diào)頻指數(shù)m1；(2)求調(diào)頻發(fā)射信號(hào)(WBFM信號(hào))的fc、f、mf。5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)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)(Production

and

demodulationoffrequency

modulated

signal)1調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生解：5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)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)(Production

and

demodulationoffrequency

modulated

signal)2調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)※非相干解調(diào)—鑒頻器適用：NBFM和WBFM思路：完成頻率~電壓的轉(zhuǎn)換，即：對(duì)調(diào)頻信號(hào)微分包絡(luò)檢波后濾去直流分量鑒頻器種類很多，除振幅鑒頻器外，還有相位鑒頻器、比例鑒頻器、正交鑒頻器、斜率鑒頻器、頻率負(fù)反饋鑒頻器、鎖相環(huán)鑒頻器等等。Kd

為鑒頻器靈敏度，單位為V/rad/s5.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(Nonlinearmodulation(Anglemodulation)principle)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)(Production

and

demodulationoffrequency

modulated

signal)2調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)※相干解調(diào)—只適用于NBFMsp(t)經(jīng)過低通濾波后sd(t)經(jīng)過微分電路后5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4.1輸入信噪比(Inputsignal-to-noiseratio)n(t)－均值為零，單邊功率譜密度為n0的高斯白噪聲輸入信號(hào)輸入信號(hào)功率輸入噪聲功率輸入端信噪比5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)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(Thedemodulationgainoflargesignal-to-noiseratio)輸入噪聲為0時(shí)，解調(diào)器輸出為輸出信號(hào)平均功率為調(diào)制信號(hào)m(t)=0時(shí)，解調(diào)器輸入端為包絡(luò)相位5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)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(Thedemodulationgainoflargesignal-to-noiseratio)大信噪比時(shí)，A>>nc(t)和A>>ns(t)時(shí)，相位偏移鑒頻器輸出正比于輸入頻率偏移，輸出噪聲為式中ns(t)是窄帶高斯噪聲ni(t)的正交分量。5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)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(Thedemodulationgainoflargesignal-to-noiseratio)因dns(t)/dt實(shí)際上是ns(t)通過理想微分電路的輸出，若ns(t)的功率譜密度Pi(f)=n0，理想微分電路功率傳輸函數(shù)為則鑒頻器輸出噪聲nd(t)的功率譜密度為5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)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(Thedemodulationgainoflargesignal-to-noiseratio)鑒頻器前、后的噪聲功率譜密度如下圖鑒頻器輸出經(jīng)過LPF濾除帶寬fm以外的頻率分量，最終輸出噪聲功率(圖中陰影部分)為5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)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(Thedemodulationgainoflargesignal-to-noiseratio)考慮m(t)為單一頻率余弦波當(dāng)mf>>1時(shí)，5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)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(Thedemodulationgainoflargesignal-to-noiseratio)※在大信噪比時(shí)，寬帶調(diào)頻系統(tǒng)的制度增益很高。寬帶調(diào)頻信號(hào)帶寬為5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)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(Thedemodulationgainoflargesignal-to-noiseratio)※調(diào)頻系統(tǒng)與調(diào)幅系統(tǒng)比較設(shè)AM信號(hào)(100%調(diào)制)，m(t)為單音頻信號(hào)，寬帶FM信號(hào)輸出信噪比將兩者相比，輸出信噪比關(guān)系將兩者相比，帶寬關(guān)系調(diào)頻是以帶寬換取信噪比的改善。5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)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)(Thresholdeffectofsmallsignal-to-noiseratio)當(dāng)(Si/Ni)低于一定值時(shí)，解調(diào)器輸出(So/No)急劇惡化，稱為調(diào)頻信號(hào)解調(diào)的門限效應(yīng)。此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信噪比稱為門限值，記為(Si/Ni)b。FM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，導(dǎo)致輸入信噪比下降，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)門限效應(yīng)，輸出信噪比將急劇惡化。5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)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)(Thresholdeffectofsmallsignal-to-noiseratio)圖為單音調(diào)制時(shí)，不同mf下So/No與Si/Ni的關(guān)系曲線。(1)

mf越大門限值越高，但門限值一般10dB左右。(2)在門限值以上，So/No與Si/Ni呈線性關(guān)系，mf越大，輸出信噪比改善越明顯。(3)在門限值以下，So/No隨Si/Ni下降而急劇下降，且mf越大下降越快。5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能(Anti-noise

performanceoffrequencymodulationsystem)第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4.4預(yù)加重與去加重(Pre-emphasisandde-emphasis)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，希望門限點(diǎn)向低輸入信噪比方向擴(kuò)展。