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第四章模拟角调制2008年1月1通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）引 言频率调制简称调频频率调制简称调频(FM)，相位调制简称调相，相位调制简称调相(PM)。这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的变更都表现为载波瞬时相位的变更。和相位的变更都表现为载波瞬时相位的变更。角度调制：频率调制和相位调制的总称。角度调制：频率调制和相位调制的总称。已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。的新的频率成分，故又称为非线性调制。与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。其较高的抗噪声性能。2008年1月2通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）本章书目本章书目v4.1 4.1 角调制的基本概念角调制的基本概念v4.2 4.2 窄带角调制窄带角调制v4.3 4.3 宽带调频宽带调频v4.4 4.4 宽带调相宽带调相v4.5 4.5 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调v4.6 4.6 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能v4.7 4.7 接受预加重和去加重改善信噪比接受预加重和去加重改善信噪比v4.8 4.8 频分复用频分复用(FDM)(FDM)v4.9 4.9 模拟通信系统举例模拟通信系统举例2008年1月3通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）4.1 角调制的基本概念 对随意正弦信号，若有：对随意正弦信号，若有：则称之为调角信则称之为调角信号。号。瞬时相角：瞬时相角：瞬时频率：瞬时频率：角度调制信号的一般表达式为：角度调制信号的一般表达式为：其中：其中：A，c和和0均为常数均为常数。为瞬时相位偏移，为瞬时相位偏移，为瞬时频率偏移，为瞬时频率偏移，为瞬时相位，或相为瞬时相位，或相位。位。2008年1月4通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）v相位调制相位调制(PM)：瞬时相位偏移随调制信：瞬时相位偏移随调制信号作线性变更。号作线性变更。v式中式中KPM 调相灵敏度，含义是单调相灵敏度，含义是单位调制信号幅度引起位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移信号的相位偏移量，单位是量，单位是rad/V。v将上式代入一般表达式将上式代入一般表达式v得到得到PM信号表达式信号表达式瞬时相角瞬时相角瞬时频率瞬时频率2008年1月5通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）v频率调制频率调制(FM)：瞬时频率偏移随调制信号：瞬时频率偏移随调制信号成比例变更。成比例变更。v式中式中 KFM 调频灵敏度，单位是调频灵敏度，单位是rad/s V。v瞬时角频率瞬时角频率v 瞬时相位瞬时相位v得到得到FM信号表达式信号表达式2008年1月6通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）vPM与与 FM的区分的区分v PM是相位偏移随调制信号是相位偏移随调制信号f(t)线性变更，线性变更，FM是相位偏移随是相位偏移随f(t)的积分呈线性变更。的积分呈线性变更。v假如预先不知道调制信号假如预先不知道调制信号f(t)的具体形式，的具体形式，则无法推断已调信号是调信任号还是调则无法推断已调信号是调信任号还是调频信号。频信号。2008年1月7通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）v单频调制的单频调制的FM与与PM 设调制信号为单频的余弦波，即设调制信号为单频的余弦波，即 用它对载波进行相位调制时，将上式代入用它对载波进行相位调制时，将上式代入 得到得到其中，其中，为调相指数，表示最大的相位为调相指数，表示最大的相位偏移。偏移。2008年1月8通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）若对载波调频，则有：若对载波调频，则有：其中，其中，称为调频指数。称为调频指数。为最大角频偏为最大角频偏 为最大频偏。为最大频偏。KFM 调频灵敏度，单位是调频灵敏度，单位是rad/s VKFMAm 最大角频率偏移，单位是最大角频率偏移，单位是rad/s2008年1月9通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）瞬时频率瞬时频率调相波调频波2008年1月10通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）FM与与PM之间的关系之间的关系由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，所由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，所以以FM与与PM之间是可以相互转换的。之间是可以相互转换的。比较下面两式可见比较下面两式可见假如将调制信号先微分，而后进行调频，则得到假如将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；的是调相波，这种方式叫间接调相；假如将调制信号先积分，而后进行调相，则得到假如将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫间接调频。的是调频波，这种方式叫间接调频。2008年1月11通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）v方框图方框图 （a a）直接）直接调频调频 （b b）间间接接调频调频(c)(c)直接直接调调相相 (d)(d)间间接接调调相相2008年1月12通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）4.2 窄带角调制窄带角调制 窄带角调制条件为：窄带角调制条件为：满足上述条件，则称之为窄带调频（或满足上述条件，则称之为窄带调频（或调相），记为调相），记为NBFM（或（或NBPM）；）；不满足上述条件的，则称之为宽带调频不满足上述条件的，则称之为宽带调频（或调相），记为（或调相），记为WBFM（或（或WBPM）。）。物理意义：物理意义：角调制信号带宽取决于相角调制信号带宽取决于相位偏移的大小；位偏移的大小；调频或调相所引起的最大调频或调相所引起的最大 瞬时相位偏移远小于瞬时相位偏移远小于30o30o；调制后信号带宽变更不大。调制后信号带宽变更不大。2008年1月13通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）4.2.1 窄带调频窄带调频 FM信号为：信号为：当满足窄带调制条件时，有：当满足窄带调制条件时，有：因此：因此：设设 的频谱为的频谱为 ，且均值为，且均值为0，即，即 则有：则有：2008年1月14通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）NBFM和和AM信号频谱的比较信号频谱的比较相同点：相同点：两者都含有载波重量和两个边带，所以它们的带两者都含有载波重量和两个边带，所以它们的带宽相同宽相同不同点：不同点：NBFM的两个边频分别乘了因式的两个边频分别乘了因式1/(-c)和和1/(+c)，由于因式是频率的函数，所以这种，由于因式是频率的函数，所以这种加权是频率加权，加权的结果引起调制信号频谱的加权是频率加权，加权的结果引起调制信号频谱的失真。失真。NBFM的正负频率重量的符号相反。的正负频率重量的符号相反。FF2008年1月15通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）vNBFM和和AM信号频谱的比较举例信号频谱的比较举例 以单音调制为例。设调制信号以单音调制为例。设调制信号 则则NBFM信号为信号为AM信号为信号为 2008年1月16通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）v AM与与NBFM频谱图：频谱图：v v 为使为使AM波不致过调，边频幅度不得超过载频幅度之半；波不致过调，边频幅度不得超过载频幅度之半；v为使为使NBFM满足窄带条件，边频幅度应远小于载频幅度。满足窄带条件，边频幅度应远小于载频幅度。2008年1月17通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）矢量图矢量图(a)AM (b)NBFM区分：区分：在在AM中，两个边频的合成矢量与载波同相，所中，两个边频的合成矢量与载波同相，所以只有幅度的变更，无相位的变更；以只有幅度的变更，无相位的变更；在在NBFM中，由于下边频为负，两个边频的合成中，由于下边频为负，两个边频的合成矢量与载波则是正交相加，所以矢量与载波则是正交相加，所以NBFM不仅有相不仅有相位的变更，幅度也有很小的变更。位的变更，幅度也有很小的变更。应用：应用：由于由于NBFM信号最大频率偏移较小，占据的带宽信号最大频率偏移较小，占据的带宽较窄，但是其抗干扰性能比较窄，但是其抗干扰性能比AM系统要好得多，因系统要好得多，因此得到较广泛的应用。此得到较广泛的应用。2008年1月18通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）4.2.2 窄带调相窄带调相 窄带调相可表示为：窄带调相可表示为：其频谱为：其频谱为：NBPM与与AM比较：比较：相像：频谱中有载频和边频，所以二者带宽相等相像：频谱中有载频和边频，所以二者带宽相等区分：区分：NBPM信号频谱的正负边频要分别移相正负信号频谱的正负边频要分别移相正负90度。度。2008年1月19通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）4.3 宽带调频宽带调频不满足窄带条件的为宽带调频；不满足窄带条件的为宽带调频；调制信号对载波进行频率调制将产生较大频调制信号对载波进行频率调制将产生较大频偏；偏；已调信号在传输时要占用较宽频带。已调信号在传输时要占用较宽频带。4.3.1 单频信号的宽带调频单频信号的宽带调频 设设 则宽带调频信号为：则宽带调频信号为：利用三角公式绽开：利用三角公式绽开：2008年1月20通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）将上式两个因子分别绽开成付氏级数，则有：将上式两个因子分别绽开成付氏级数，则有：其中：其中：称为第一类称为第一类n阶贝塞尔函数，它是阶贝塞尔函数，它是n和和 函数。且：函数。且：2008年1月21通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）利用三角公式和贝塞尔函数的性质，可得调频信利用三角公式和贝塞尔函数的性质，可得调频信号级数绽开式：号级数绽开式：其频谱为：其频谱为：v频谱具有非线性的特点频谱具有非线性的特点v有载频，有上下边频有载频，有上下边频 ，边频幅度为，边频幅度为 ，n为奇数为奇数时，上下边频极性相反；时，上下边频极性相反；v当当 时，只有时，只有 和和 有值，其它有值，其它n值时值时 都接近于零，此时的信号只有载频和上下边频，这就是窄带都接近于零，此时的信号只有载频和上下边频，这就是窄带调频。调频。v当当 时，对应宽带调频。时，对应宽带调频。2008年1月22通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）调频信号的带宽v理论上，调频信号的频带宽度为无限宽。理论上，调频信号的频带宽度为无限宽。v事实上，边频幅度随着事实上，边频幅度随着n的增大而渐渐减小，因此调的增大而渐渐减小，因此调频信号可近似认为具有有限频谱。频信号可近似认为具有有限频谱。v通常接受的原则是，信号的频带宽度应包括幅度大通常接受的原则是，信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波的于未调载波的10%以上的边频重量。以上的边频重量。v当当FM 1以后，取边频数以后，取边频数n=FM+1即可。因为即可。因为n FM+1以上的边频幅度均小于以上的边频幅度均小于0.1Ac。v被保留的上、下边频数共有被保留的上、下边频数共有2n=2(FM+1)个，相个，相邻边频之间的频率间隔为邻边频之间的频率间隔为fm，所以调频波的有效带，所以调频波的有效带宽为宽为卡森（卡森（Carson）公式）公式2008年1月23通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）v 当当 ，有：，有：。这就是。这就是NBFM的带宽。的带宽。v 当当 ，有：，有：。调频指数与带宽的关系：2008年1月24通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）FM信号的功率安排信号的功率安排 对于对于FM信号，已调信号和未调载波信号的功率均为信号，已调信号和未调载波信号的功率均为 ，与调制过程及调频指数无关。，与调制过程及调频指数无关。设设 ，分别代表载波功率、边频功率和总功率，则分别代表载波功率、边频功率和总功率，则有：有：，其中，其中 功率分布与功率分布与 有关，而有关，而 与调制信号的幅度和频率有关，与调制信号的幅度和频率有关，调制信号虽不供应功率，但却限制着功率的分布。即调制调制信号虽不供应功率，但却限制着功率的分布。即调制后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分安排后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分安排给每个边频重量。给每个边频重量。2008年1月25通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）例例4-1当当调调频频指指数数 时时，求求各各次次边边频频的的幅幅度度，并并画画出出频频谱谱图图，求求出出载载波波重重量量功功率率和和边边频频重重量量功功率率。设设未未调调载载波波幅度为幅度为A。解解：由由卡卡森森公公式式可可知知，取取到到4次次边边频频即即可可。查查贝贝塞塞尔尔函函数数表可得：表可得：载波重量功率为：载波重量功率为：4次边频重量的功率和为：次边频重量的功率和为：总功率为：总功率为：为未调载波功率的为未调载波功率的99.4%，被忽视的仅占，被忽视的仅占0.6%。2008年1月26通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）设设 ，则调信任号为：，则调信任号为：其中其中 为调相指数。为调相指数。其最大角频偏为：其最大角频偏为：带宽为：带宽为：当当 时，时，。注意注意：，与，与 无关。即无关。即PM信号带宽随信号带宽随 的的变化而变化，而变化而变化，而FM信号则基本不变。信号则基本不变。4.4 宽带调相宽带调相调相指数：最大相位调相指数：最大相位偏移数量；对相位偏偏移数量；对相位偏移求导得最大角频偏移求导得最大角频偏 2008年1月27通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）4.5.1 调频信号的产生调频信号的产生 干脆调频法和间接调频法（倍频法）干脆调频法和间接调频法（倍频法）干脆调频法（参数变值法）干脆调频法（参数变值法）用调制信号干脆限制电抗元件的参数，变更输出信号瞬用调制信号干脆限制电抗元件的参数，变更输出信号瞬时频率来实现调频。时频率来实现调频。实际中，常接受实际中，常接受VCO作为调制器。电抗元件可由变容二作为调制器。电抗元件可由变容二极管、电抗管、集成极管、电抗管、集成VCO及微波速调管等充当。及微波速调管等充当。4.5 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调2008年1月28通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）干脆调频法的主要优缺点：干脆调频法的主要优缺点：优点：可以获得较大的频偏优点：可以获得较大的频偏缺点：频率稳定度不高缺点：频率稳定度不高改进途径：用自动频率限制系统稳定中心频率改进途径：用自动频率限制系统稳定中心频率接受如下锁相环（接受如下锁相环（PLL）调制器）调制器 干脆调频法分析相位相位检测器检测器环路环路滤波器滤波器2008年1月29通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）间接法调频间接法调频倍频法倍频法 阿姆斯特朗（阿姆斯特朗（Armstrong）法）法 v原理：原理：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个窄带调频即可产生一个窄带调频(NBFM)信号信号再经再经n次倍频器得到宽带调频次倍频器得到宽带调频(WBFM)信号信号v方框图方框图：2008年1月30通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）1.产生窄带调频信号产生窄带调频信号窄带调频公式窄带调频公式窄带调频信号可看成由正交重量与同相重量合窄带调频信号可看成由正交重量与同相重量合成的。所以可以用下图产生窄带调频信号：成的。所以可以用下图产生窄带调频信号：2008年1月31通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）2.倍频：倍频：目的：为提高调频指数，从而获得宽带调频。目的：为提高调频指数，从而获得宽带调频。方法：倍频器可以用非线性器件实现。方法：倍频器可以用非线性器件实现。原理：以志向平方律器件为例，其输出原理：以志向平方律器件为例，其输出-输入特性输入特性为为 当输入信号为调频信号时，有当输入信号为调频信号时，有 分析与推广分析与推广滤除直流成分后，可得到一个新的调频信滤除直流成分后，可得到一个新的调频信号，其载频和相位偏移均增为号，其载频和相位偏移均增为2 2倍，由于倍，由于相位偏移增为相位偏移增为2 2倍，因而调频指数也必定倍，因而调频指数也必定增为增为2 2倍。倍。经经n n次倍频后可以使调频信号的载频和调次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为频指数增为n n倍。倍。2008年1月32通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）v典型实例：调频广播放射机典型实例：调频广播放射机v载频：载频：f1=200kHz v调制信号最高频率调制信号最高频率 fm=15kHz v间接法产生的最大频偏间接法产生的最大频偏 f1=25 Hz v调频广播要求的最终频偏调频广播要求的最终频偏 f=75 kHz，放射载，放射载频在频在88-108 MHz频段内，所以须要经过频段内，所以须要经过v次的倍频，以满足最终频偏次的倍频，以满足最终频偏=75kHz的要求。的要求。v倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提高了，倍频后新的载波频率高了，倍频后新的载波频率(nf1)高达高达600MHz，不符合，不符合 fc=88-108MHz的要求，因此需用混频的要求，因此需用混频器进行下变频来解决这个问题。器进行下变频来解决这个问题。2008年1月33通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）阿姆斯特朗（阿姆斯特朗（Armstrong）法具体方案）法具体方案f混频取下变频：混频取下变频：2008年1月34通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）例例4-2用用先先产产生生窄窄带带调调频频信信号号，再再用用一一级级倍倍频频法法产产生生宽宽带带调调频频信信号号。调调制制信信号号是是频频率率为为15kHz 的的单单频频余余弦弦信信号号，窄窄带带调调频频的的载载频频f1=200kHz，最最大大频频偏偏f1=25Hz。若若要要求求最最终终输输出出的的调调频频信信号号的的最最大大频频偏偏f2=75kHz，载载频频fc=90MHz，试试求求倍频器的倍频次数倍频器的倍频次数n和变频器参考信号的频率和变频器参考信号的频率fr。解解：窄窄带带调调频频信信号号的的最最大大频频偏偏f1=25kHz，最最终终输输出出信信号号的的最大频偏最大频偏f2=75kHz，倍频的次数，倍频的次数 n=f2f1=751000 25=3000 倍频后的载频倍频后的载频 f2=n f1=3000200103=600(MHz)发运用下变频方法将频率降到发运用下变频方法将频率降到90MHz，参考信号频率，参考信号频率 fr=f2f1=60090=510(MHz)2008年1月35通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）例例4-3用倍频法构成调频放射机。设调制信号是频率用倍频法构成调频放射机。设调制信号是频率为为 的单频余弦信号，的单频余弦信号，NBFM载频载频 ，最大，最大频偏频偏 ，混频器参考频率，混频器参考频率 ，倍频次，倍频次数数 。(1)求窄带调频信号的调频指数；求窄带调频信号的调频指数；(2)求调频放射信号的载频、最大频偏、调频指数。求调频放射信号的载频、最大频偏、调频指数。解：解：(1)由由NBFM最大频偏最大频偏 和调制信号和调制信号 频率可求出调频率可求出调频指数频指数 (2)放射机载频可放射机载频可 ，求出，即求出，即放射机最大频偏放射机最大频偏调频指数调频指数 2008年1月36通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）调频信号的解调有相干与非相干解调两种方法。调频信号的解调有相干与非相干解调两种方法。相干解调适合于窄带调频相干解调适合于窄带调频非相干解调既适合于窄带调频，也适合于宽带调频。非相干解调既适合于窄带调频，也适合于宽带调频。1.非相干解调：非相干解调：用线性频率用线性频率-电压转换特性产生电压转换特性产生AMFM波，再进行包波，再进行包络检波。络检波。设输入信号为：设输入信号为：则解调器输出应为：则解调器输出应为：运用微分器，输出为：运用微分器，输出为：上式即为上式即为AMFM信号。信号。4.5.2 调频信号的解调调频信号的解调2008年1月37通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）包络检波后滤除直流，便可得包络检波后滤除直流，便可得 。鉴频特性及其组成如下图所示。鉴频特性及其组成如下图所示。2008年1月38通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）设设 及及 。则乘法器的输出为：则乘法器的输出为：经低通后输出为：经低通后输出为：经微分器后输出为：经微分器后输出为：2.相干解调：相干解调：2008年1月39通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）4.6.1 非相干解调的抗噪声性能非相干解调的抗噪声性能 分析模型见下图。分析模型见下图。带通滤波器用于抑制带外噪声，设信道引入的高斯白噪带通滤波器用于抑制带外噪声，设信道引入的高斯白噪声的单边功率谱密度为声的单边功率谱密度为no 解调器输入信号为：解调器输入信号为：输入信号平均功率为：输入信号平均功率为：4.6 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能2008年1月40通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）输入噪声的平均功率为：输入噪声的平均功率为：所以，输入信噪比为：所以，输入信噪比为：由于：由于：或写成合成矢量形式：或写成合成矢量形式：在高输入在高输入SNR时，有时，有 ，可得近似简化形式，可得近似简化形式 经微分器后，输出为：经微分器后，输出为：这里：这里：有用信号项噪声项2008年1月41通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）由于由于 ，所以，所以 所以输出信号功率为：所以输出信号功率为：v输出噪声项分析输出噪声项分析：由于由于 ，而，而 、和和 的平均功率相等的平均功率相等 ，带宽相差，带宽相差2倍，所以它们倍，所以它们 的功率谱密度如右图所示。的功率谱密度如右图所示。输出有用项分析输出有用项分析n0/2n0n0双边功率谱密度双边功率谱密度2008年1月42通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）是窄带噪声的正交重量是窄带噪声的正交重量 ,所以其功率谱密度为所以其功率谱密度为n0。微分网络功率传递函数为微分网络功率传递函数为 所以，经过微分网络后，噪声输出功率谱密度为：所以，经过微分网络后，噪声输出功率谱密度为：可见，输出噪声与输出频率的平方成正比。可见，输出噪声与输出频率的平方成正比。2008年1月43通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）窄带噪声窄带噪声鉴频器输鉴频器输入噪声入噪声鉴频器输鉴频器输出噪声出噪声解调过程中噪声功率谱的变更解调过程中噪声功率谱的变更低通滤波后的低通滤波后的输出功率输出功率2008年1月44通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）所以输出噪声功率为：所以输出噪声功率为：因此，输出信噪比为：因此，输出信噪比为：由于由于 ，所以，所以 所以，有：所以，有：所以，信噪比增益为：所以，信噪比增益为：2008年1月45通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）当当 时，有时，有 此时，有下式成立：此时，有下式成立：v 在单频调制时，在单频调制时，同时还有下式成立：，同时还有下式成立：所以，所以，。当当 时，时，。2008年1月46通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）调频性能分析v在大信噪比状况下，宽带调频系统的信噪比增益是在大信噪比状况下，宽带调频系统的信噪比增益是很高的，即抗噪声性能好。很高的，即抗噪声性能好。v例如，调频广播中常取例如，调频广播中常取 ，则制度增益，则制度增益GFM=450。也就是说，加大调制指数，可使调频系统的。也就是说，加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能快速改善。抗噪声性能快速改善。v调频系统性能优于线性调制系统的缘由：调频系统性能优于线性调制系统的缘由：v以带宽换取信噪比；以带宽换取信噪比；v以带宽换取信噪比有确定的限制：以带宽换取信噪比有确定的限制：v带宽增大，噪声功率增大，信噪比下降，门限效应，带宽增大，噪声功率增大，信噪比下降，门限效应，输出信噪比急剧恶化。输出信噪比急剧恶化。2008年1月47通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）例例4-4 设设调调频频与与常常规规调调幅幅信信号号均均为为单单频频调调制制，调调频频指指数数为为 ，调幅指数，调幅指数 ，调制信号频率为，调制信号频率为 。当信道。当信道条件相同、接收信号功率相同时比较它们的抗噪声性能。条件相同、接收信号功率相同时比较它们的抗噪声性能。解：调频波的输出信噪比解：调频波的输出信噪比常规调幅波的输出信噪比常规调幅波的输出信噪比则两种信号输出信噪比之比为则两种信号输出信噪比之比为2008年1月48通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）由给定条件可列出以下表达式：由给定条件可列出以下表达式：将以上结果代入将以上结果代入 的表达式，得：的表达式，得：分分 析析 当信道条件相同、接收信号当信道条件相同、接收信号功率相同时，调频系统输出功率相同时，调频系统输出信噪比是常规调幅系统的信噪比是常规调幅系统的4.54.5FMFM2 2倍，与调频指数的倍，与调频指数的平方成正比。平方成正比。2008年1月49通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）例例4-5已已知知调调制制信信号号是是8MHz的的单单频频余余弦弦信信号号，若若要要求求输输出出信信噪噪比比为为40 dB，试试比比较较调调制制效效率率为为1/3的的常常规规调调幅幅系系统统和和调调频频指指数数为为5的的调调频频系系统统的的带带宽宽和和放放射射功功率率。设设信信道噪声的单边功率谱密度为道噪声的单边功率谱密度为 ，信道损，信道损 耗耗 为为60 dB。解：调频系统的带宽和信噪比增益分别为：解：调频系统的带宽和信噪比增益分别为：常规调幅系统的带宽和信噪比增益分别为：常规调幅系统的带宽和信噪比增益分别为：信信 道道 接收机接收机sTsTso2008年1月50通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）调频系统的放射功率为：调频系统的放射功率为：常规调幅系统的放射功率为：常规调幅系统的放射功率为：2008年1月51通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）4.6.2 调频系统中的门限效应调频系统中的门限效应 以上所探讨的是以大信噪比为前提的。以上所探讨的是以大信噪比为前提的。随着信噪比的降低，将出现门限效应。随着信噪比的降低，将出现门限效应。所谓门限效应是指随输入信噪比降低，输出信噪比急剧所谓门限效应是指随输入信噪比降低，输出信噪比急剧下降的一种效应。下降的一种效应。门限值门限值 出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值，记为门限值，记为(Si/Ni)b。2008年1月52通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）例：例：单音调制时输入输出信噪比的关系单音调制时输入输出信噪比的关系门限值与调制指数有关：门限值与调制指数有关：1.FM越大，门限值越高。越大，门限值越高。2.不同不同FM 时，门限值的变更时，门限值的变更不大，大约在不大，大约在811dB的范围内的范围内变更，一般认为门限值为变更，一般认为门限值为10 dB左右。左右。3.在门限值以上时，在门限值以上时，(So/No)FM与与(Si/Ni)FM呈线性关系，呈线性关系，且且FM越大，输出信噪比的改越大，输出信噪比的改善越明显。善越明显。4.门限值之下，门限值之下，FM越大，越大，(So/No)FM下降越快。下降越快。2008年1月53通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）v门限效应是门限效应是FM系统存在的一个实际问题。尤其在接系统存在的一个实际问题。尤其在接受调频制的远距离通信和卫星通信等领域中，对调受调频制的远距离通信和卫星通信等领域中，对调频接收机的门限效应特别关注，希望门限点向低输频接收机的门限效应特别关注，希望门限点向低输入信噪比方向扩展。入信噪比方向扩展。v降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如，降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如，可以接受锁相环解调器和负反馈解调器，它们的门可以接受锁相环解调器和负反馈解调器，它们的门限比一般鉴频器的门限电平低限比一般鉴频器的门限电平低 610dB。v还可以接受还可以接受“预加重预加重”和和“去加重去加重”技术来进一步技术来进一步改善调频解调器的输出信噪比。这也相当于改善了改善调频解调器的输出信噪比。这也相当于改善了门限。门限。2008年1月54通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）4.6.3 相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能 窄带相干解调模型如下图所示。窄带相干解调模型如下图所示。经相干解调后，输出：经相干解调后，输出：所以输出信号功率为：所以输出信号功率为：2008年1月55通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）噪声的功率谱密度为：噪声的功率谱密度为：所以输出噪声功率为：所以输出噪声功率为：因而，输出信噪比为：因而，输出信噪比为：由于输入信噪比为：由于输入信噪比为：所以，窄带调频信噪比增益为：所以，窄带调频信噪比增益为：2008年1月56通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）由于由于 ，所以，所以 。故有：故有：对于单频调制信号，对于单频调制信号，并且对窄带调，并且对窄带调频而言，频而言，常取，常取 。所以，有：所以，有：。留意：相干解调虽信噪比增益很低，但不存在非留意：相干解调虽信噪比增益很低，但不存在非相干解调的门限效应。相干解调的门限效应。2008年1月57通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）4.7 4.7 接受预加重和去加重改善信噪比接受预加重和去加重改善信噪比缘由：缘由：鉴频器输出噪声功率谱随鉴频器输出噪声功率谱随f f呈抛物线形态增大。但在呈抛物线形态增大。但在调频广播中所传送的语音和音乐信号的能量却主要调频广播中所传送的语音和音乐信号的能量却主要分布在低频端，且其功率谱密度随频率的增高而下分布在低频端，且其功率谱密度随频率的增高而下降。降。在信号高频端的信号谱密度最小，而噪声谱密度却是在信号高频端的信号谱密度最小，而噪声谱密度却是最大，致使高频端的输出信噪比明显下降，这对解最大，致使高频端的输出信噪比明显下降，这对解调信号质量会带来很大的影响。调信号质量会带来很大的影响。目的：目的：为了进一步改善调频解调器的输出信噪比，针对鉴频为了进一步改善调频解调器的输出信噪比，针对鉴频器输出噪声谱呈抛物线形态这一特点，在调频系统器输出噪声谱呈抛物线形态这一特点，在调频系统中广泛接受了加重技术，包括中广泛接受了加重技术，包括“预加重和预加重和“去加重去加重”措施。措施。“预加重预加重”和和“去加重去加重”的设计思想是保持输出信号的设计思想是保持输出信号不变，有效降低输出噪声，以达到提高输出信噪比不变，有效降低输出噪声，以达到提高输出信噪比的目的。的目的。2008年1月58通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）v原理原理v“去加重去加重”：就是在解调器输出端接一个传输特性：就是在解调器输出端接一个传输特性随频率增加而滚降的线性网络随频率增加而滚降的线性网络Hd(f)，将调制频率，将调制频率高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。由于去高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。由于去加重网络的加入，在有效地减弱输出噪声的同时，加重网络的加入，在有效地减弱输出噪声的同时，必将使传输信号产生频率失真。必将使传输信号产生频率失真。v“预加重预加重”：在调制器前加入一个预加重网络：在调制器前加入一个预加重网络Hp(f)，人为地提升调制信号的高频重量，以抵消去加重，人为地提升调制信号的高频重量，以抵消去加重网络的影响。明显，为了使传输信号不失真，应当网络的影响。明显，为了使传输信号不失真，应当有有v这是保证输出信号不变的必要条件。这是保证输出信号不变的必要条件。2008年1月59通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）方框图：加有预加重和去加重的调频系统方框图：加有预加重和去加重的调频系统性能性能由于接受预加重由于接受预加重/去加重系统的输出信号功率与没去加重系统的输出信号功率与没有接受预加重有接受预加重/去加重系统的功率相同，所以调频去加重系统的功率相同，所以调频解调器的输出信噪比的改善程度可用加重前的输解调器的输出信噪比的改善程度可用加重前的输出噪声功率与加重后的输出噪声功率的比值确定，出噪声功率与加重后的输出噪声功率的比值确定，即即上式进一步说明，输出信噪比的改善程度取决于上式进一步说明，输出信噪比的改善程度取决于去加重网络的特性。去加重网络的特性。2008年1月60通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）v好用电路：下图给出了一种实际中常接受的预加重好用电路：下图给出了一种实际中常接受的预加重和去加重电路，它在保持信号传输带宽不变的条件和去加重电路，它在保持信号传输带宽不变的条件下，可使输出信噪比提高下，可使输出信噪比提高6 dB左右。左右。预加重网络与网络特性预加重网络与网络特性去加重网络与网络特性去加重网络与网络特性2008年1月61通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）调制调制方式方式传输带宽传输带宽设备复杂设备复杂程度程度主要应用主要应用AM2fm简单简单中短波无线电广播中短波无线电广播DSBDSB2fm中等中等单独应用较少，主要用单独应用较少，主要用于复合调制中于复合调制中 SSB SSBfm复杂复杂短波无线电广播、话音频分短波无线电广播、话音频分复用、载波通信、数据传输复用、载波通信、数据传输VSBVSB略大于略大于fm 近似近似SSBSSB复杂复杂电视广播、数据传输电视广播、数据传输 FM复杂复杂超短波小功率电台（窄带超短波小功率电台（窄带FMFM）；调频立体声广播等高）；调频立体声广播等高质量通信（宽带质量通信（宽带FMFM）总结：各种模拟调制系统的比较总结：各种模拟调制系统的比较2008年1月62通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）一、抗噪声性能一、抗噪声性能 WBFM抗噪声性能最好，抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声抗噪声性能次之，性能次之，AM抗噪声性抗噪声性能最差。能最差。右图画出了各种模拟调制右图画出了各种模拟调制系统的性能曲线系统的性能曲线,图中的圆图中的圆点表示门限点。点表示门限点。门限点以下，曲线快速下跌；门限点以上，门限点以下，曲线快速下跌；门限点以上，DSB、SSB的信噪比比的信噪比比AM高高4.7dB以上，而以上，而FM（FM=6）的信噪比比）的信噪比比AM高高22dB。当输入信噪比较高时，当输入信噪比较高时，FM的调频指数越大，抗的调频指数越大，抗噪声性能越好。噪声性能越好。2008年1月63通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）二、频带利用率二、频带利用率SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数的增大而增大，其占用的带宽随调频指数的增大而增大，其频带利用率最低。频带利用率最低。FM是以牺牲有效性来换取牢靠性的是以牺牲有效性来换取牢靠性的.FM值的选择要从通信质量和带宽限制两方值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑面考虑:对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）接受窝电话系统）接受WBFM，FM值选大些。值选大些。对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用窄些，噪声影响小，常选用FM较小的调较小的调频方式。频方式。2008年1月64通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）三、特点与应用三、特点与应用AM：优点是接收设备简洁；缺点是功率利用率低，：优点是接