第4章 模拟角调制PPT讲稿.ppt

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1、第4章 模拟角调制2008年1月1第1页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月2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)。v这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的变化这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化。都表现为载波瞬时相位的变化。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。v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的新的频率成分，故又称非线性变换，会

2、产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为为非线性调制非线性调制。v与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高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。的抗噪声性能。第2页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月3本章目录本章目录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 采用预加重和去加重改善信噪比采用预加重和去加

3、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第3页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月44.1 角调制的基本概念 对任意正弦信号，若有：对任意正弦信号，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。第4页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月5v相位调制相位调制(

4、PM)：瞬时相位偏移随调制信号：瞬时相位偏移随调制信号作线性变化。作线性变化。式中式中KPM 调相灵敏度，含义是单位调制信号调相灵敏度，含义是单位调制信号幅度引起幅度引起PM信号的相位偏移量，单位是信号的相位偏移量，单位是rad/V。将上式代入一般表达式将上式代入一般表达式得到得到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第5页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月6v频率调制频率调制(FM)：瞬时频率偏移随调制信号成比：瞬时频率偏移随调制信号成比例变化。例变化。式中式中 KFM 调频灵敏度，单位是调频灵敏度，单位是rad/s V。瞬时角频率瞬时角频率 瞬时相位瞬时相

5、位得到得到FM信号表达式信号表达式第6页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月7vPM与与 FM的区别的区别 PM是相位偏移随调制信号是相位偏移随调制信号f(t)线性变化，线性变化，FM是相位偏移随是相位偏移随f(t)的积分呈线性变化。的积分呈线性变化。如果预先不知道调制信号如果预先不知道调制信号f(t)的具体形式，的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。号。第7页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月8v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

6、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。第8页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月9 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/s第9页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月10 瞬时频率瞬时频率调相波调频波第10页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月1

7、1FM与与PM之间的关系之间的关系v由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，所以所以FM与与PM之间是可以相互转换的。之间是可以相互转换的。v比较下面两式可见比较下面两式可见如果将调制信号先微分，而后进行调频，则如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；得到的是调相波，这种方式叫间接调相；如果将调制信号先积分，而后进行调相，则如果将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫间接调频。得到的是调频波，这种方式叫间接调频。第11页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月12v方框图方框图 （a a）直

8、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)间间接接调调相相第12页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月13 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：v 满足上述条件，则称之为窄带调频（或调相），记满足上述条件，则称之为窄带调频（或调相），记为为NBFM（或（或NBPM）；）；v不满足上述条件的，则称之为宽带调频（或调相），不满足上述条件的，则称之为宽带调频（或调相），记为记为WBFM（或（或WBPM）。）。物理意义：物理意义：角调制信号带宽取决于相位偏角调制信号带宽取决于相位偏移的大小；移的大小；调频或调相所引

9、起的最大调频或调相所引起的最大 瞬瞬时相位偏移远小于时相位偏移远小于3030o o；调制后信号带宽变化不大。调制后信号带宽变化不大。第13页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月14 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：第14页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月15NBFM和和AM信号频谱的比较信号频谱的比较相同点：相同点：v两者都含有载波分量和两个边带，所以它们的带宽相同两者都含有载波分量和两个边带，所以它们的带宽相同不

10、同点：不同点：vNBFM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，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失真。调制信号频谱的失真。vNBFM的正负频率分量的符号相反。的正负频率分量的符号相反。FF第15页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月16vNBFM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 第16页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月1

11、7 v AM与与NBFM频谱图：频谱图：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。第17页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月18矢量图矢量图(a)AM (b)NBFM区别：区别：v在在AM中，两个边频的合成矢量与载波同相，所以只有幅中，两个边频的合成矢量与载波同相，所以只有幅度的变化，无相位的变化；度的变化，无相位的变化；v在在NBFM中，由于下边频为负，两个边频的合成矢量与载波则是中，由于下边频为负，两个边频的合成矢量与载

12、波则是正交相加，所以正交相加，所以NBFM不仅有相位的变化，幅度也有很小的变化。不仅有相位的变化，幅度也有很小的变化。应用：应用：v由于由于NBFM信号最大频率偏移较小，占据的带宽较窄，但是其抗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干扰性能比AM系统要好得多，因此得到较广泛的应用。系统要好得多，因此得到较广泛的应用。第18页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月19 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：vNBPM与与AM比较：比较：相似：频谱中有载频和边频，所以相似：频谱中有载频和边频，所以二者带宽二者带宽相等相等

13、区别：区别：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。第19页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月20 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偏；调制信号对载波进行频率调制将产生较大频偏；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：利用三角公式展开：利用三角公式展开：第20页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月21 将上式两个因子分别展

14、开成付氏级数，则有：将上式两个因子分别展开成付氏级数，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：第21页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月22 利用三角公式和贝塞尔函数的性质，可得调频信号级数利用三角公式和贝塞尔函数的性质，可得调频信号级数展开式：展开式：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

15、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。第22页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月23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实际上，边频幅度随着实际上，边频幅度随着n的增大而逐渐减小，因此调的增大而逐渐减小，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。通常采用的原则是，信号的频带宽度应包括通常采用的原则是，信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波的10%以上的边频分量。的边频分量。当当FM 1以后，取边频

16、数以后，取边频数n=FM+1即可。因为即可。因为n FM+1以上以上的边频幅度均小于的边频幅度均小于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，相邻边频之间个，相邻边频之间的频率间隔为的频率间隔为fm，所以调频波的有效带宽为，所以调频波的有效带宽为卡森（卡森（Carson）公式）公式第23页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月24 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：第24页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月25 FMFM信号的功率分配信号的功率分配v

17、 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。v 设设 ，分别代表分别代表载波功率载波功率、边频功率边频功率和和总功率总功率，则有：则有：，其中，其中 v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与调制信号的幅度和频率有关，关，调制信号虽不提供功率，但却控制着功率的分布。即调制后总的功率不变，只是将原调制信号虽不提供功率，但却控制着功率的分布。即调制后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。第25页，共80页，

18、编辑于2022年，星期一2008年1月26 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，求求出出载载波波分分量量功功率率和和边边频频分分量量功功率率。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：载波分量功率为：载波分量功率为：4次边频分量的功率和为：次边频分量的功率和为：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%，被忽略的仅占，被忽略的仅占0.6%。第26页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月27 设设 ，则

19、调相信号为：，则调相信号为：其中其中 为为调相指数调相指数。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：最大相位偏移调相指数：最大相位偏移数量；对相位偏移求导得数量；对相位偏移求导得最大角频偏最大角频偏 第27页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月28 4.5.1 调频信号的产生调频信号的产生 直接调频法直接调频法和和间接调频法（倍频法）间接调频法（倍频法）v 直接调频法（参数变值法）直接调频法（参

20、数变值法）用调制信号直接控制电抗元件的参数，改变输出信号瞬时频率来实现用调制信号直接控制电抗元件的参数，改变输出信号瞬时频率来实现调频。调频。实际中，常采用实际中，常采用VCO作为调制器。电抗元件可由作为调制器。电抗元件可由变容二极管变容二极管、电抗管、电抗管、集成集成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第28页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月29直接调频法的主要优缺点：直接调频法的主要优缺点：v优点：可以获得较大的频偏优点：可以获得较大的频偏v缺点：频率稳定度不高缺点：频率稳定度不高改进途径：用自动频率控制系统稳定中

21、心频率改进途径：用自动频率控制系统稳定中心频率v采用如下锁相环（采用如下锁相环（PLL）调制器）调制器 直接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第29页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月30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：第30页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月

22、311.产生窄带调频信号产生窄带调频信号v窄带调频公式窄带调频公式v窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成的。所以可以用下图产生窄带调频信号：的。所以可以用下图产生窄带调频信号：第31页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月32 2.倍频：倍频：v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。v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。v原理：以理想平方律器件为例，其输出原理：以理想平方律器件为例，其输出-输入特输入特性为性为 当输入信号为调频信号时，有当输入信号为调频信号时，

23、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号，其载频和相位偏移滤除直流成分后，可得到一个新的调频信号，其载频和相位偏移均增为均增为2倍，由于相位偏移增为倍，由于相位偏移增为2倍，因而调频指数也必然增为倍，因而调频指数也必然增为2倍。倍。经经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍。倍。第32页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月33v典型实例：调频广播发射机典型实例：调频广播发射机载频：载频：f1=200kHz 调制信号最高频率调制信号最高频率 fm=15kHz 间接法产生的最大频偏间接法产生的最大频偏 f1=2

24、5 Hz 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，发射载频在，发射载频在88-108 MHz频段内，所以需要经过频段内，所以需要经过次的倍频，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。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新的载波频率(nf1)高达高达600MHz，不符合，不符合 fc=88-108MHz的要求，的要求，因此需用混频器进行下变频来解决这个问题。因此需用混频器进行下变频来解决这个问题。第33页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月34阿姆斯

25、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：第34页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月35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。若若要要求求最最后后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，试试求求倍倍频器的倍频次数频器的倍频次数n和变频器参考信号的频率和变

26、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，最最后后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)发使用下变频方法将频率降到发使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)第35页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月36例例4-3用倍频法构成调频发射机。设调制信号是频率用倍频法构成调频发射机。设调制信号是频率为为 的单

27、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)求调频发射信号的载频、最大频偏、调频指数。求调频发射信号的载频、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)发射机载频可发射机载频可 ，求出，即求出，即发射机最大频偏发射机最大频偏调频指数调频指数 第36页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月37 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

28、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，再进行包络检波。波，再进行包络检波。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：使用微分器，输出为：使用微分器，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第37页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月38 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

29、组成如下图所示。鉴频特性及其组成如下图所示。第38页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月39 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：第39页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月40 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

30、：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第40页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月41 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：有用信号项噪声项第41页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月42 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

31、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第42页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月43 是窄带噪声的正交分量是窄带噪声的正交分量 ,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。第43页，共80页，编辑于2022年，星期

32、一2008年1月44窄带噪声窄带噪声鉴频器输入噪鉴频器输入噪声声鉴频器输出鉴频器输出噪声噪声解调过程中噪声功率谱的变化解调过程中噪声功率谱的变化低通滤波后的输低通滤波后的输出功率出功率第44页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月45 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：第45页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月46 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

33、：所以，所以，。当当 时，时，。第46页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月47调频性能分析v在大信噪比情况下，宽带调频系统的信噪比增益是很高在大信噪比情况下，宽带调频系统的信噪比增益是很高的，即抗噪声性能好。的，即抗噪声性能好。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，可使调频系统的抗。也就是说，加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。噪声性能迅速改善。v调频系统性能优于线性调制系统的原因：调频系统性能优于线性调制系统的原因：以带宽换取信噪比；以带宽换取信噪比；以带宽换取信噪比有一定的限制：以带宽换取信噪比

34、有一定的限制：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。第47页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月48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

35、种信号输出信噪比之比为第48页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月49 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、接收信号功率当信道条件相同、接收信号功率相同时，调频系统输出信噪比是相同时，调频系统输出信噪比是常规调幅系统的常规调幅系统的4.54.5FMFM2 2倍，与倍，与调频指数的平方成正比。调频指数的平方成正比。第49页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月50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

36、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发发射射功功率率。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sTsTso第50页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月51 调频系统的发射功率为：调频系统的发射功率为：常规调幅系统的发射功率为：常规调幅系统的

37、发射功率为：第51页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月52 4.6.2 调频系统中的门限效应调频系统中的门限效应v 以上所讨论的是以大信噪比为前提的。以上所讨论的是以大信噪比为前提的。v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。急剧下降的一种效应。门限值门限值 出现门限效应时所对应的输入信噪比值出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值，记为称为门限值，记为(Si/Ni)b。第52页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月53例：例：

38、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，门限值的变化不大，大时，门限值的变化不大，大约在约在811dB的范围内变化，一般认为的范围内变化，一般认为门限值为门限值为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，且呈线性关系，且FM越大，输出信噪越大，输出信噪比的改善越明显。比的改善越明显。4.门限值之下，门限值之下，FM越大，越大，(So/No)FM下下降越快。降越快。第53页，共80页，编辑于2022年

39、，星期一2008年1月54v门限效应是门限效应是FM系统存在的一个实际问题。尤其在采系统存在的一个实际问题。尤其在采用调频制的远距离通信和卫星通信等领域中，对调用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十分关注，希望门限点向低输频接收机的门限效应十分关注，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，可以采用锁相环解调器和负反馈解调器，它们的门可以采用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还可以采用还可以采用“

40、预加重预加重”和和“去加重去加重”技术来进一步改技术来进一步改善调频解调器的输出信噪比。这也相当于改善了门善调频解调器的输出信噪比。这也相当于改善了门限。限。第54页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月55 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：第55页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月56 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

41、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：第56页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月57 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，并且对窄带调频而言，并且对窄带调频而言，常取，常取 。所以，有：所以，有：。注意：相干解调虽信噪比增益很低，但不存在非相干解注意：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。调的门限效应。第57页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月584.7 4.7 采用预加重和去加重改善信噪比采用预加重和去加重改善信噪比v原因：原因：鉴频器输出噪声功率谱随鉴频

42、器输出噪声功率谱随f呈抛物线形状增大。但在调频广播中呈抛物线形状增大。但在调频广播中所传送的语音和音乐信号的能量却主要分布在低频端，且其功率谱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降。密度随频率的增高而下降。在信号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，这对解调信号质量会带来很大的影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。响。v目的：目的：为了进一步改善调频解调器的输出信噪比，针对鉴频器输出噪为了进一步改善调频解调器的输出信噪比，针对鉴频器

43、输出噪声谱呈抛物线形状这一特点，在调频系统中广泛采用了加重技声谱呈抛物线形状这一特点，在调频系统中广泛采用了加重技术，包括术，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不变，有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的目的。效降低输出噪声，以达到提高输出信噪比的目的。第58页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月59v原理原理“去加重去加重”：就是在解调器输出端接一个传输特：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性随频率增加而滚降的线性网络Hd(f)，将调制，将调制频

44、率高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。频率高频端的噪声衰减，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由于去加重网络的加入，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。的同时，必将使传输信号产生频率失真。“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分量，以抵，人为地提升调制信号的高频分量，以抵消去加重网络的影响。显然，为了使传输信号不消去加重网络的影响。显然，为了使传输信号不失真，应该有失真，应该有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。第59页，共80页，编辑于202

45、2年，星期一2008年1月60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v由于采用由于采用预加重预加重/去加重去加重系统的输出信号功率与系统的输出信号功率与没有采用没有采用预加重预加重/去加重去加重系统的功率相同，所以系统的功率相同，所以调频解调器的输出信噪比的改善程度可用加重调频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前的输出噪声功率与加重后的输出噪声功率的比值确定，即比值确定，即上式进一步说明，输出信噪比的改善程度取上式进一步说明，输出信噪比的改善程度取决于去加重网络的特性。决于去加重网络的特性。第60页，共80页，

46、编辑于2022年，星期一2008年1月61v实用电路：下图给出了一种实际中常采用的预加重实用电路：下图给出了一种实际中常采用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第61页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月62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，主要用于单独

47、应用较少，主要用于复合调制中复合调制中 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第62页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月63 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

48、、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，曲线迅速下跌；门限点以上，门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上，DSB、SSB的信噪的信噪比比比比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，抗噪声性能越好。的调频指数越大，抗噪声性能越好。第63页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月64 二、频带利用率二、频带利用

49、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。vFM是以牺牲有效性来换取可靠性的是以牺牲有效性来换取可靠性的.vFM值的选择要从通信质量和带宽限制两方面值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑考虑:对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用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，带宽窄些，对于一般通

50、信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用噪声影响小，常选用FM较小的调频方式。较小的调频方式。第64页，共80页，编辑于2022年，星期一2008年1月65 三、特点与应用三、特点与应用AM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。能力差。主要用在中波和短波调幅广播。DSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与调制：优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备相同，但设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。SSB调制：优点是功率利用率和频带利用率都较