樊昌信第 通信原理 PPT課件

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1、1通信原理第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)第1頁(yè)/共127頁(yè)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。 廣義調(diào)制 分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱(chēng)載波調(diào)制）。 狹義調(diào)制 僅指帶通調(diào)制。在無(wú)線(xiàn)通信和其他大多數(shù)場(chǎng)合，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。 調(diào)制信號(hào) 指來(lái)自信源的基帶信號(hào) 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。 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。 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)。 第2頁(yè)/共127頁(yè)3第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)制的目的 提高無(wú)線(xiàn)通信時(shí)的天線(xiàn)輻射效率

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。 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、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 第3頁(yè)/共127頁(yè)4第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 5.1幅度調(diào)制（線(xiàn)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)。0( )coscc tAt( )( )cosmc

3、stAm tt第4頁(yè)/共127頁(yè)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(xiàn)性的，因此，幅度調(diào)制通常又稱(chēng)為線(xiàn)性調(diào)制。但應(yīng)注意，這里的“線(xiàn)性”并不意味著已調(diào)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)之間符合線(xiàn)性變換關(guān)系。事實(shí)上，任何調(diào)制過(guò)程都是一種非線(xiàn)性的變換過(guò)程。 ( )()2mccASMM第5頁(yè)/共127頁(yè)6第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 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

4、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00( )( )coscos( )cosAMcccstAm ttAtm tt01( ) ()()()()2AMccccSAMM 第6頁(yè)/共127頁(yè)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(mǎn)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。 第7頁(yè)/共127頁(yè)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

5、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第8頁(yè)/共127頁(yè)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。HAMfB222202222200( )( ) coscos( )cos2( )cosAMAMccccPstAm ttAtm ttA m tt0)(tmScAMPPtmAP2)(22202/ )(2tmPs第9頁(yè)/共127頁(yè)10第5章 模擬

6、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) = 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 1/3 2220SAMAMmtPPAmt22( )/2mmtA 222222002mAMmmtAAAAmt第10頁(yè)/共127頁(yè)11第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 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(xiàn)：ttmtscDSBcos)()()()(21)(

7、ccDSBMMS第11頁(yè)/共127頁(yè)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。 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。 第12頁(yè)/共127頁(yè)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。

8、若具有如下理想低通特性：則可濾除上邊帶。1,( )( )0,cUSBcHH1,( )( )0,cLSBcHH第13頁(yè)/共127頁(yè)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: ( )( )SSBDSBSSH第14頁(yè)/共127頁(yè)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(huà)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。 可以采用多級(jí)（一般采用兩級(jí)）DSB調(diào)制及邊

9、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。第15頁(yè)/共127頁(yè)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tAtmmmcos)(ttcccos)(tAtAttAtsmcmmcmcmmDSB)cos(21)cos(21coscos)(1( )cos()2USBmCmstAt11coscossinsin22mmcmmcAtAt1( )cos()

10、2LSBmCmstAt11coscossinsin22mmcmmcAttAtt兩式僅正負(fù)號(hào)不同第16頁(yè)/共127頁(yè)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Am sinmt可以看作是Am cosmt 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ttAttAtscmmcmmSSBsinsin21coscos21)(tAtAmmmmsinso c11( )coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAtt第17頁(yè)/共127頁(yè)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，

11、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11( )coscoscossin22SSBmmcmmcstAttAttttmttmtsccSSBsin)(21cos)(21)(的希爾伯特變換是)()(tmtm為的傅里葉變換)()(Mtmsgn)()(jMM1,0sgn1,0sgn)(/ )()(jMMHh第18頁(yè)/共127頁(yè)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)。第19頁(yè)/共127頁(yè)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)

12、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。第20頁(yè)/共127頁(yè)21第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 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，如下

13、圖所示：第21頁(yè)/共127頁(yè)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SBB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。第22頁(yè)/共127頁(yè)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(mǎn)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。 ( )VSBDSBSSH1()( )2ccMMH第23頁(yè)/共127頁(yè)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)楦鶕?jù)頻域卷

14、積定理可知，乘積sp(t)對(duì)應(yīng)的頻譜為 VSB2( )cospcststt ( )VSBVSBstScccosct ()()pVSBcVSBcSSS第24頁(yè)/共127頁(yè)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 ()()pVSBcVSBcSSS ( )VSBDSBSSH1()( )2ccMMH 1(2)()2pccSMMH1( )(2)()2ccMMH1( )( )()()2dccSMHH第25頁(yè)/共127頁(yè)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

15、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(mǎn)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)。 1( )( )()()2dccSMHH()()ccHHH常數(shù)，第26頁(yè)/共127頁(yè)27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)第27頁(yè)/共127頁(yè)28第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 線(xiàn)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(xiàn)性調(diào)制的一般模型如下： 按

16、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)。)(cos)()(thttmtscm)()(21)(HMMSccm)()(thH第28頁(yè)/共127頁(yè)29第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 移相法模型將上式展開(kāi)，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(xiàn)性調(diào)制的一般模型如下： )(cos)()(thttmtscm( )( )cos( ) inmIcQcsts ttst st( )( )( )IIs th tm t( )( )cosIch th tt( )( )

17、( )QQsthtm t( )( )sinQchth tt第29頁(yè)/共127頁(yè)30第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)它同樣適用于所有線(xiàn)性調(diào)制。( )( )cos( ) inmIcQcsts ttst st第30頁(yè)/共127頁(yè)31第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)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(wú)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(chēng)為相干載波），它與接收的已調(diào)信號(hào)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(hào)。第31頁(yè)/共127頁(yè)32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(

18、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(guò)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 ( )( )cos( ) inmIcQcsts ttst st ( )cos111( )( )cos2( ) in2222pmcIIcQcsts tts ts tts t st 1( )2dIsts t 1( )2dIststm t第32頁(yè)/共127頁(yè)33第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)包絡(luò)檢波適用條件：AM信號(hào)，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(hào)是 選擇RC滿(mǎn)足如下關(guān)系 式中fH 調(diào)制信號(hào)的

19、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(kāi)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)。 ttmAtscAMcos)()(0cHfRCf /1 0( )dstAm t第33頁(yè)/共127頁(yè)34第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 5.2 線(xiàn)性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 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 m(t) 輸出有用信號(hào) no(t) 輸出噪聲第34頁(yè)/共127頁(yè)35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

20、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ttnttntnsci00sin)(cos)()()(cos)()(0tttVtniisciNtntntn)()()(222BnNi0第35頁(yè)/共127頁(yè)36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：2oo2oo( )( )Sm tNn t解調(diào)器輸出有用信號(hào)的平均功率解調(diào)器輸出噪聲的平均功率iiNSNSG/00)()(22tntsNSimi

21、i功率解調(diào)器輸入噪聲的平均平均功率解調(diào)器輸入已調(diào)信號(hào)的第36頁(yè)/共127頁(yè)37第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 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(xiàn)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。 ( )ms t LPF BPF )(tn ( )ms t )(tni )(tno o( )m t cosct 第37頁(yè)/共127頁(yè)38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ttmtscmcos)()(ttmtmttmcc2cos)(21)(21cos)(2o1( )( )2m t

22、m t22oo1( )( )4Sm tm t第38頁(yè)/共127頁(yè)39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)懗蓆tnttntncsccisin)(cos)( )(tttnttnttnccscccicossin)(cos)(cos)(2sin)(2cos)(21)(21ttnttntncsccco1( )( )2cn tn t22oo1( )( )4cNn tn t2o0111( )444iiNn tNn B第39頁(yè)/共127頁(yè)40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

23、信噪比 輸出信噪比)(21cos)()(222tmttmtsScmiBntmNSii02)(2122oo01( )( )414im tSm tNn BN第40頁(yè)/共127頁(yè)41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。oo/2/DSBiiSNGSN第41頁(yè)/共127頁(yè)42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o01

24、144iNNn Bttmttmtsccmsin)(21cos)(21)(o1( )( )4mtm t22oo1( )( )16Sm tm t第42頁(yè)/共127頁(yè)43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 )(21)(2141sin)(cos)(41)(2222tmtmttmttmtsSccmi( )( )m tm t因與的幅度相同，所以具有相同的平均功率，故上式)(412tmSiBntmBntmNSii02024)()(41第43頁(yè)/共127頁(yè)44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

25、，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。22oo001( )( )16144m tSm tNn Bn Boo/1/SSBiiSNGSN第44頁(yè)/共127頁(yè)45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?xún)烧叩妮敵鲂旁氡仁窃诓煌瑮l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

26、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。第45頁(yè)/共127頁(yè)46第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 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。 ( )mst BPF )(tn ( )mst )(tni )(tno o( )m t 包絡(luò)檢波 第46頁(yè)/共127頁(yè)47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ttmAtscmcos)()(0ttnttntncsccisin)(cos)()(2)(2)(2202tmAtsSmiBntnNii02)(Bn

27、tmANSii02202)(第47頁(yè)/共127頁(yè)48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)。 0( )( )( )( )cos( )sin( )cos( )miccsccstn tAm tn ttn ttE ttt220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()()()(0tntmAtnarctgtcs第48頁(yè)/共127頁(yè)49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)()()(220tntntmA

28、sc220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()()()( 2)()(22020tntntntmAtmAtEscc200120000( )2( )( )2( )( ) 1( )( )( ) 1( )cccAm tAm t n tn tAm tAm tn tAm tAm t0( )( )cAm tn t12(1)1,12xxx 當(dāng)時(shí)第49頁(yè)/共127頁(yè)50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2o( )Sm t22o0( )( )ciNn tn tn B2oo0( )S

29、m tNn B2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t第50頁(yè)/共127頁(yè)51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。2oo220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm t32A

30、MG第51頁(yè)/共127頁(yè)52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：220( )( )( )csAm tn tn t220( )( )( )( )csE tAm tn tn t)()(2)()()()(02220tmAtntntntmAtEcsc)()(2)()(022tmAtntntncsc)()()()(21)()(22022tntntmAtntntnsccsc)(cos)()( 21)(0ttRtmAtR)()()(22tntntRsc)()()(tntnarctgtcs第52頁(yè)/共127頁(yè)53第5章

31、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(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。 )()(0tmAtR)(cos)()(1)(ttRtmAtR)(cos)()( 21)()(0ttRtmAtRtE）時(shí)1(21)1 (21xxx)(cos)()(ttmAtR第53頁(yè)/共127頁(yè)54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(xiàn)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(xiàn)性調(diào)制信號(hào)時(shí)不存在門(mén)限效

32、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。第54頁(yè)/共127頁(yè)55第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 5.3 非線(xiàn)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(xiàn)性搬移，而是頻譜的非線(xiàn)性變換，會(huì)產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻

33、率成分，故又稱(chēng)為非線(xiàn)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。 第55頁(yè)/共127頁(yè)56第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 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。 dct +(t)/dt = (t) 稱(chēng)為瞬時(shí)角頻率 d(t)/dt 稱(chēng)為瞬時(shí)頻偏。)(cos)(ttAtscm第56頁(yè)/共127頁(yè)57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(xiàn)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/

34、V。將上式代入一般表達(dá)式得到PM信號(hào)表達(dá)式)()(tmKtp)(cos)(tmKtAtspcPM)(cos)(ttAtscm第57頁(yè)/共127頁(yè)58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)()(tmKdttdf( )( )ftKmd( )cos( )FMcfstAtKmd)(cos)(ttAtscm第58頁(yè)/共127頁(yè)59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(xiàn)性變化，F(xiàn)M是相位偏移隨m(t)的積分呈線(xiàn)性變化

35、。 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)。)(cos)(tmKtAtspcPM( )cos( )FMcfstAtKmd第59頁(yè)/共127頁(yè)60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 = Kp Am 調(diào)相指數(shù)，表示最大的相位偏移。( )coscos2mmmmm tAtAf t)(cos)(tmKtAtspcPMPM( )coscoscpmmstAtK AtcosscpmAtm cot第60頁(yè)/共127頁(yè)61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

36、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。 ( )coscos2mmmmm tAtAf tFM( )coscoscfmmstAtK Ad ( )cos( )FMcfstAtKmdcosncfmAtm sitfmfmmmK AfmffmK Afmfmf 第61頁(yè)/共127頁(yè)62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 第62頁(yè)/共127頁(yè)63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

37、，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。 )(cos)(tmKtAtspcPM( )cos( )FMcfstAtKmd第63頁(yè)/共127頁(yè)64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)相第64頁(yè)/共127頁(yè)65第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 窄帶調(diào)頻（NBFM） 定義：如果FM信號(hào)的最大瞬時(shí)相位偏移滿(mǎn)足下式條件 則稱(chēng)為窄帶調(diào)頻；反之，稱(chēng)為寬帶調(diào)頻。）（或 5 . 06)(tfdmK第65頁(yè)/共127頁(yè)66第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 時(shí)域表示式將FM信號(hào)一般表示式展開(kāi)得到當(dāng)滿(mǎn)足窄帶調(diào)

38、頻條件時(shí)，故上式可簡(jiǎn)化為( )cos( )tFMcfstAtKmdcoscos( )sinsin( )ttcfcfAtKmdAtKmd1tfdmK)(cos( )1sin( )( )tfttffKmdKmdKmd( )os( )sintNBFMcfcstActAKmdt第66頁(yè)/共127頁(yè)67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(duì)可得NBFM信號(hào)的頻域表達(dá)式)()(sin)()(cos)()(ccccccjttMtmjMdttm)()(（設(shè)m(t)的均值為0） ()()1( )sin2cccccMMm t dttNBFM( ) ()()ccsA ()()2fccccAKMM第67

39、頁(yè)/共127頁(yè)68第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) NBFM和AM信號(hào)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(hào)頻譜的失真。 另外，NBFM的一個(gè)邊帶和AM反相。1( ) ()()()()2AMccccSAMM NBFM( ) ()()ccsA ()()2fccccAKMM第68頁(yè)/共127頁(yè)69第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) NBFM和AM信號(hào)頻譜的比較舉例以單音調(diào)制為例。設(shè)調(diào)制信號(hào) 則NBFM信號(hào)為AM信號(hào)為按照上兩式畫(huà)出的頻譜圖和矢量圖如

40、下：tAtmmmcos)( )cos( )sintNBFMcfcstAtAKmdt1cossinsincmfmcmAtAA Kttcoscos()cos()2mFccmcmmAA KAttt(cos)cosAMmmcsAAttscoscoscmmcAcotAtcoscos()cos()2mccmcmAAttt第69頁(yè)/共127頁(yè)70第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 頻譜圖第70頁(yè)/共127頁(yè)71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(wú)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NBF

41、M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(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。 第71頁(yè)/共127頁(yè)72第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 寬帶調(diào)頻 調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式 設(shè)：?jiǎn)我粽{(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(kāi)，有將上式中的兩個(gè)因子分別展成傅里葉級(jí)數(shù)，式中 Jn (mf) 第一類(lèi)n階貝塞爾函數(shù)tfAtAtmmmmm2coscos)(sincos)(tmtAtsmfcFM( )coscos(sin)sinsin(sin)FMcfmcfmstAtmtAtmttnmJmJtmmfnnfmf2c

42、os)(2)()sincos(120tnmJtmmfnnmf) 12sin()(2)sinsin(112第72頁(yè)/共127頁(yè)73第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)Jn (mf)曲線(xiàn)第73頁(yè)/共127頁(yè)74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(kāi)式如下：tnmJmJtmmfnnfmf2cos)(2)()sincos(120tnmJtmmfnnmf) 12sin()(2)sinsin(112( )coscos(sin)sinsin(sin)FMcfmcfmstAtmtAtmt)cos(21)cos(21sinsin)cos(21)cos(21coscosBABABABA

43、BABA為奇數(shù)時(shí)當(dāng)nmJmJfnfn)()(為偶數(shù)時(shí)當(dāng)nmJmJfnfn)()(第74頁(yè)/共127頁(yè)75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01( )()cos()cos()cos() FMfcfcmcmstAJ mtAJ mtt2()cos(2)cos(2) fcmcmAJmtt+2()cos(3)cos(3) fcmcmAJmtt-()cos()nfcmnAJ mnt=( )()()()FMnfcmcmSAJ mnn 第75頁(yè)/共127頁(yè)76第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 討論：由上式可見(jiàn) 調(diào)頻信號(hào)的頻譜由載波分量c和無(wú)數(shù)邊頻(c nm)組成。 當(dāng)

44、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(chēng)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(jiàn)，F(xiàn)M信號(hào)的頻譜不再是調(diào)制信號(hào)頻譜的線(xiàn)性搬移，而是一種非線(xiàn)性過(guò)程。 ( )()()()FMnfcmcmSAJ mnn 第76頁(yè)/共127頁(yè)77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(huà)出了單邊振幅譜。 第77頁(yè)/共127頁(yè)78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

45、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(chēng)為卡森（Carson）公式。 )( 2) 1( 2mmfFMfffmB第78頁(yè)/共127頁(yè)79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

46、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。mFMfB2)( 2) 1( 2mmfFMfffmBfBFM 2第79頁(yè)/共127頁(yè)80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(shuō)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(lái)載波功率中的一部分分配給每個(gè)邊頻分量。 2FMFMPst 2FMFMPst22()2nfnAJm2()1nfnJm22FMcAPP第80頁(yè)/共127頁(yè)81第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào) 調(diào)頻信

47、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(xiàn)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。0( )( )iftK m t第81頁(yè)/共127頁(yè)82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 第82頁(yè)/共127頁(yè)83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(hào)積分，然后對(duì)載波進(jìn)行調(diào)相，即可產(chǎn)生一個(gè)窄帶調(diào)頻(NBFM)信

48、號(hào)，再經(jīng)n次倍頻器得到寬帶調(diào)頻 (WBFM) 信。 方框圖 第83頁(yè)/共127頁(yè)84第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 間接法產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號(hào)由窄帶調(diào)頻公式可知，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)： ( )os( )sintNBFMcfcstActAKmdt ( )m t 載波coscAt 積分器 NBFM( )St 2/ 第84頁(yè)/共127頁(yè)85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(xiàn)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(hào)為調(diào)頻信號(hào)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

49、號(hào)，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(hào)的載頻和調(diào)頻指數(shù)增為n倍。)()(20tastsi)(cos)(ttAtsci)(22cos121)(20ttaAtsc第85頁(yè)/共127頁(yè)86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)載頻：f1 = 200kHz 調(diào)制信號(hào)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(guò)次的倍頻，以滿(mǎn)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

50、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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。300025/1075/31ffn第86頁(yè)/共127頁(yè)87第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 具體方案1212112)(fnnfffnnfc 第87頁(yè)/共127頁(yè)88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)制信號(hào)是fm =15 kHz的單頻余弦信號(hào)，NBFM信號(hào)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(hào)的調(diào)頻指數(shù)； (2)

51、求調(diào)頻發(fā)射信號(hào)（即WBFM信號(hào)）的載頻、最大頻偏和調(diào)頻指數(shù)。 【解】（1）NBFM信號(hào)的調(diào)頻指數(shù)為（2）調(diào)頻發(fā)射信號(hào)的載頻為-3113251.67 1015 10mfmfMHz2 .91)109 .101020064(48)(632112ffnnfc第88頁(yè)/共127頁(yè)89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kHzfnnf8 .7625486412112. 51015108 .7633mfffm第89頁(yè)/共127頁(yè)90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

52、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： ( )cos( )tFMcfstAtKmdo( )( )fm tK m t第90頁(yè)/共127頁(yè)91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 第91頁(yè)/共127頁(yè)92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

53、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 ( )( )sin( )tdcfcfs tAK m ttKmd o( )( )dfm tK K m t第92頁(yè)/共127頁(yè)93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(hào) 由于NBFM信號(hào)可分解成同相分量與正交分量之和，因而可以采用線(xiàn)性調(diào)制中的相干解調(diào)法來(lái)進(jìn)行解調(diào)，如下圖所示。 NBFM( )st LPF BPF )(tSi o( )m t ( )c t 微分 )(tSp ( )dst 第93頁(yè)/共127頁(yè)94第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)窄帶調(diào)頻信號(hào)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

54、，即得解調(diào)輸出可見(jiàn)，相干解調(diào)可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。 ( )cos( ) sintNBFMcfcstAtA Kmdtttccsin)( )sin2( ) (1 cos2)22tpcfcAAsttKmdt tFddmKAts)(2)()(2)(0tmAKtmF NBFM( )st LPF BPF )(tSi o( )mt ( )c t 微分 )(tSp ( )dst 第94頁(yè)/共127頁(yè)95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 FM( )st BPF )(tn )(tSi )(tni

55、 LPF )(tno o( )m t 限幅 鑒頻 第95頁(yè)/共127頁(yè)96第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 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FM( )cos( )tcFstAtKmd2/2ASiFMiBnN0FMiiBnANS022第96頁(yè)/共127頁(yè)97第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 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(kāi)來(lái)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o( )( )dfm tK K m t222oo( )(

56、 )dfSm tK Km t第97頁(yè)/共127頁(yè)98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 s( )s( )cos( )sin( ) cos( )sincicccscccscAcotn tAcotn ttn ttAn ttn tt coscA ttt 22( )( )csA tAn tnt ( )arctan( )scn ttAn t第98頁(yè)/共127頁(yè)99第5章 模擬調(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

57、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 ，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。2ooFMFM/3/2fiimSNBGmSNf)(2) 1(2mmfFMfffmB23(1)FMffGmm33FMfGm第104頁(yè)/共127頁(yè)105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2oo0( )

58、Sm tNn B22( )2Am t 2oo0/2SANn B2oo0/22mSANn foo2FMooAM/3/fSNmSN第105頁(yè)/共127頁(yè)106第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 討論 在大信噪比情況下，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(lái)?yè)Q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。 WBFM信號(hào)的傳輸帶寬BFM與AM 信號(hào)的傳輸帶寬BAM之間的一般關(guān)系為oo

59、2FMooAM/3/fSNmSNFMAM2(1)(1)fmfBmfmB第106頁(yè)/共127頁(yè)107第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 當(dāng)mf 1時(shí)，上式可近似為故有在上述條件下，變?yōu)榭梢?jiàn)，寬帶調(diào)頻輸出信噪比相對(duì)于調(diào)幅的改善與它們帶寬比的平方成正比。調(diào)頻是以帶寬換取信噪比的改善。FMAM2(1)(1)fmfBmfmBFMAMfBm BFMAMfBmB2ooFMFMooAMAM/3/SNBSNBoo2FMooAM/3/fSNmSN第107頁(yè)/共127頁(yè)108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

60、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。第108頁(yè)/共127頁(yè)109第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 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。第109頁(yè)/共127頁(yè)110第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 右圖畫(huà)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(xiàn)。 由此圖可見(jiàn) 門(mén)限值與調(diào)制指

61、數(shù)mf 有關(guān)。 mf 越大，門(mén)限值越高。不過(guò)不同mf 時(shí)，門(mén)限值的變化不大，大約在811dB的范圍內(nèi)變化，一般認(rèn)為門(mén)限值為10 dB左右。 在門(mén)限值以上時(shí)， (So /No)FM與(Si /Ni)FM呈線(xiàn)性關(guān)系，且mf 越大，輸出信噪比的改善越明顯。 第110頁(yè)/共127頁(yè)111第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 在門(mén)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(mén)限效應(yīng)是FM系統(tǒng)存在的一個(gè)實(shí)際問(wèn)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(mén)限效應(yīng)十分關(guān)注，希望門(mén)限點(diǎn)向低輸入信噪比方向擴(kuò)展。 降低門(mén)限值（也稱(chēng)門(mén)

62、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(mén)限比一般鑒頻器的門(mén)限電平低610dB。 還可以采用“預(yù)加重”和“去加重”技術(shù)來(lái)進(jìn)一步改善調(diào)頻解調(diào)器的輸出信噪比。這也相當(dāng)于改善了門(mén)限。 第111頁(yè)/共127頁(yè)112第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 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(xiàn)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

63、出噪聲譜呈拋物線(xiàn)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。 第112頁(yè)/共127頁(yè)113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(xiàn)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，

64、應(yīng)該有這是保證輸出信號(hào)不變的必要條件。 1( )( )pdHfHf第113頁(yè)/共127頁(yè)114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。 2( )( )( )mmmmfdffddfPf dfPfHfdf第114頁(yè)/共127頁(yè)115第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 實(shí)用電路：下圖給出了一種實(shí)際中常采用的預(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

65、，可使輸出信噪比提高6 dB左右。 預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)特性 去加重網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)特性第115頁(yè)/共127頁(yè)116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(xiàn)電廣播DSB2fm中等應(yīng)用較少SSBfm復(fù)雜短波無(wú)線(xiàn)電廣播、話(huà)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oo/SNoo0AM13imSSNn foo0DSBimSSNn foo0SSBimSSNn fmffm) 1(22oo0FM32ifmSSmNn f第116頁(yè)/共

66、127頁(yè)117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(xiàn),圖中的圓點(diǎn)表示門(mén)限點(diǎn)。 門(mén)限點(diǎn)以下，曲線(xiàn)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。第117頁(yè)/共127頁(yè)118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(huà)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。第118頁(yè)/共127頁(yè)119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