第二章-模拟调制系统案例优秀PPT.ppt

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1、其次章其次章 模拟调制系统模拟调制系统2.1 调制的功能及分类调制的功能及分类2.2 幅度调制的原理幅度调制的原理2.3 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能2.4 角度调制的原理角度调制的原理2.5 非线性调制系统的抗噪声性能非线性调制系统的抗噪声性能2.6 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较2.1 调制的功能及分类调制的功能及分类 调制是指按原始电信号的变更规律调制是指按原始电信号的变更规律去变更载波某些参量的过程。调制在通去变更载波某些参量的过程。调制在通信过程中具有特别重要的作用，不仅能信过程中具有特别重要的作用，不仅能将调制信号的频谱搬移到所希望的位置将调制信号

2、的频谱搬移到所希望的位置上，转换为适合信道传输的已调信号；上，转换为适合信道传输的已调信号；而且对于系统传输的有效性和牢靠性有而且对于系统传输的有效性和牢靠性有着很大的影响。着很大的影响。调制方式往往确定了通信系统的性调制方式往往确定了通信系统的性能，通常可分为模拟调制和数字调制。能，通常可分为模拟调制和数字调制。2.2 幅度调制的原理幅度调制的原理 幅度调制是用调制信号去限制高频幅度调制是用调制信号去限制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而载波的振幅，使其按调制信号的规律而变更的过程。幅度调制器的一般模型如变更的过程。幅度调制器的一般模型如图图 2-1所示。所示。图图2-1 幅度调制的一般

3、模型幅度调制的一般模型 则该模型输出已调信号的时域和频则该模型输出已调信号的时域和频域表示式分别为：域表示式分别为：h(t)基带信号基带信号m(t)sm(t)Cosct 此为高频载波此为高频载波 由由以以上上表表示示式式可可见见，对对于于幅幅度度调调制制信信号号，在在波波形形上上，它它的的幅幅度度随随基基带带信信号号的的规规律律而而变变更更；在在频频谱谱结结构构上上，它它的的频频谱谱完完全全是是基基带带信信号号频频谱谱结结构构在在频频域域内内的的简简洁洁搬搬移移。由由于于这这种种搬搬移移是是线线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制。性的，因此幅度调制通常又称为线性调制。图图2-1之之所所以以称

4、称为为幅幅度度调调制制的的一一般般模模型型，是是因因为为在在该该模模型型中中，适适当当选选择择滤滤波波器器的的频频率率特特性性H()，便便可可以以得得到到各各种种幅幅度度调调制制信信号号。例例如如：常常规规双双边边带带调调制制信信号号、抑抑制制载载波波的的双双边边带带调调制制信信号号、单边带调制信号以及残留边带调制信号。单边带调制信号以及残留边带调制信号。2.2.1 常规双边带调制（常规双边带调制（AM）图图2-2 常规双边带调制模型常规双边带调制模型 如如图图2-2所所示示，调调制制信信号号m(t)先先叠叠加加直直流流重重量量A0以以后后，再再与与载载波波相相乘乘，则则输输出出信信号号就就是

5、是常常规规双双边边带带调调制制信号，其时域和频域表示式分别为：信号，其时域和频域表示式分别为：m(t)sAM(t)A0+cosct图图2-3 AM信号的波形和频谱信号的波形和频谱 由由图图2-3的的时时间间波波形形可可知知，当当满满足足条条件件：|m(t)|max A0 时时，AM信信号号的的包包络络与与调调制制信信号号成成正正比比，所所以以用用包包络络检检波波就就可可以以很很简简洁洁的的复复原原出出原原始始的的调调制制信信号号；否否则则，将将会会出出现现过过调调幅幅现现象象而而产产生生包包络络失失真真，这这时时不不能能用用包包络络检检波波进进行行解解调调，为为保保证证无无失失真真解调，可以接

6、受相干解调。解调，可以接受相干解调。由由图图2-3的的频频谱谱图图可可知知，AM信信号号的的频频谱谱SAM()由由载载频频重重量量和和上上、下下两两个个边边带带组组成成。上上边边带带的的频频谱谱结结构构与与原原调调制制信信号号的的频频谱谱结结构构相相同同，下下边边带带是是上上边边带带的的镜镜像像。因因此此，AM信信号号是是带带有有载载波波的的双双边边带带信信号号，它它的的带带宽宽是是基基带带信信号号带带宽宽fH的的两两倍倍，即即BAM=2fH。AM信号的平均功率应等于信号的平均功率应等于sAM(t)的均方值，即：的均方值，即：通常假设调制信号没有直流重量，即通常假设调制信号没有直流重量，即 。

7、此外，。此外，式中，式中，Pc为载波功率，为载波功率，Ps为边带功率。为边带功率。小结：小结：AM信信号号的的总总功功率率包包括括载载波波功功率率和和边边带带功功率率两两部部分分，只只有有边边带带功功率率才才与与调调制制信信号号有有关关，也也就就是是说说，载载波波重重量量不不携携带带信信息息。即即使使在在“满满调调幅幅”（|m(t)|max=A0，也也称称100调调制制）条条件件下下，载载波波重重量量仍仍占占据据大大部部分分功功率率，而而含含有有用用信信息息的的两两个个边边带带占占有有的的功功率率较较小小。因因此此，从从功功率率上上讲讲，AM信信号号的的功功率率利利用用率比较低。率比较低。2.

8、2.2 抑制载波的双边带调制（抑制载波的双边带调制（DSB-SC）图图2-4 抑制载波的双边带调制模型抑制载波的双边带调制模型 如如图图2-4所所示示，调调制制信信号号m(t)干干脆脆与与载载波波相相乘乘，则则输输出出信信号号就就是是无无载载波波重重量量的的双双边边带带调调制制信信号号，即即抑抑制制载波的双边带调制信号，其时域和频域表示式分别为：载波的双边带调制信号，其时域和频域表示式分别为：m(t)sDSB(t)cosct图图2-5 DSB信号的波形和频谱信号的波形和频谱 由由图图2-5的的时时间间波波形形可可知知，DSB信信号号的的包包络络不不再再与与调调制制信信号号的的变变更更规规律律一

9、一样样，因因而而不不能能接接受受简简洁洁的的包包络络检检波波来来复复原原调调制制信信号号，而而须须要要接接受受相相干干解解调调。另另外外，在在调调制制信信号号m(t)的的过过零零点点处，高频载波的相位有处，高频载波的相位有180 的突变。的突变。由由图图2-5的的频频谱谱图图可可知知，DSB信信号号虽虽然然节节约约了了载载波波功功率率，功功率率利利用用率率得得到到提提高高，但但它它的的频频带带宽宽度度仍仍是是调调制制信信号号带带宽宽的的两两倍，即倍，即BAM=2fH，与，与AM信号带宽相同。信号带宽相同。2.2.3 单边带调制（单边带调制（SSB）由由于于DSB信信号号包包含含上上、下下两两个

10、个边边带带，同同时时这这两两个个边边带带包包含含的的信信息息相相同同，因因而而，从从信信息息传传输输的的角角度度考考虑虑，只只传传输输其其中中一一个个边边带带就就够够了了。这这种种只只传传输输一一个个边边带带的的通通信信方方式式称称为为单单边边带带通通信信。相相应应的的，只只产产生生一一个个边边带带的的调调制制方方式式称称为为单单边边带带调调制制，SSB信信号号的的产产生生方方法法通通常有滤波法和相移法。常有滤波法和相移法。1.滤波法滤波法 产产生生单单边边带带信信号号最最直直观观的的方方法法是是让让双双边边带带信信号号通通过过一一个个单单边边带带滤滤波波器器，保保留留所所须须要要的的一一个个

11、边边带带，滤滤除除不不要要的的边边带带，这这种种方方法法就就称称为为滤滤波波法法，它它是是最最简简洁洁也也是最常用的方法。是最常用的方法。图图2-6 滤波法产生滤波法产生SSB信号的模型信号的模型 如图如图2-6所示，图中所示，图中HSSB()为单边带滤波器，其具有两种为单边带滤波器，其具有两种形式，即上边带滤波器和下边带滤波器。形式，即上边带滤波器和下边带滤波器。单边带滤波器从理论上来说应具有志向的低通或高通特性，单边带滤波器从理论上来说应具有志向的低通或高通特性，但是志向的滤波特性是不行能实现的。因此，通常接受多级滤但是志向的滤波特性是不行能实现的。因此，通常接受多级滤波来保证滤波器的实现

12、。波来保证滤波器的实现。HSSB()m(t)sSSB(t)cosct图图2-7 产生产生SSB信号的单边带滤波器信号的单边带滤波器-(a)高通高通滤波器滤波器 （b）低通滤波器）低通滤波器图图2-8 滤波法产生滤波法产生SSB信号的频谱变换信号的频谱变换 2.相移法相移法图图2-9 相移法产生相移法产生SSB信号的模型信号的模型 上式中，上式中，“”对应对应上边带信号上边带信号；“”对应对应下边带信号下边带信号。从从理理论论上上讲讲，用用相相移移法法可可以以无无失失真真的的产产生生单单边边带带信信号号，但但是是具具体体实实现现起起来来特特别别困困难难。一一方方面面要要求求载载波波的的/2相相移

13、移必必需需特特别别稳稳定定和和精精确确；另另一一方方面面要要求求对对调调制制信信号号m(t)的的全全部部频频率率重重量量都都必必需需相相移移/2，这这一一点点即即使使近近似似达达到到也也很很困困难难。为为解解决决这个难题，可以接受混合法（也叫维弗法）。这个难题，可以接受混合法（也叫维弗法）。总总之之，SSB信信号号不不但但可可以以节节约约载载波波功功率率，而而且且它它所所占占用用的的频频带带宽宽度度只只有有AM、DSB的的一一半半，即即BSSB=fH。因因此此，它它已已经成为短波通信中的一种重要调制方式。经成为短波通信中的一种重要调制方式。同同时时，SSB信信号号的的解解调调和和DSB信信号号

14、一一样样不不能能接接受受简简洁洁的的包包络检波，而须要接受相干解调。络检波，而须要接受相干解调。2.2.4 残留边带调制（残留边带调制（VSB）图图2-10 残留边带调制模型残留边带调制模型 残残留留边边带带调调制制是是介介于于SSB与与DSB之之间间的的一一种种调调制制方方式式，它它既既克克服服了了DSB信信号号占占用用频频带带宽宽的的缺缺点点，又又解解决了决了SSB信号实现困难的问题。信号实现困难的问题。残残留留边边带带调调制制通通常常接接受受滤滤波波法法来来实实现现。如如图图2-10所示，图中所示，图中HVSB()为残留边带滤波器。为残留边带滤波器。HVSB()m(t)sVSB(t)co

15、sct 在在VSB中中，不不是是完完全全抑抑制制一一个个边边带带（犹犹如如SSB那那样样），而是渐渐切割，使其残留一小部分，如图而是渐渐切割，使其残留一小部分，如图2-11(d)所示。所示。图图2-11 DSB、SSB和和VSB信号的频谱比较信号的频谱比较 VSB信信号号明明显显也也不不能能接接受受简简洁洁的的包包络络检检波波，而而必必需需接接受受相相干解调。干解调。为为使使相相干干解解调调时时无无失失真真的的得得到到调调制制信信号号，残残留留边边带带滤滤波波器器在载频分割处必需具有互补对称性，即：在载频分割处必需具有互补对称性，即：因因此此，残残留留边边带带滤滤波波器器通通常常具具有有两两种

16、种形形式式，即即残残留留上上边边带带滤波器和残留下边带滤波器。滤波器和残留下边带滤波器。图图2-12 残留边带滤波器残留边带滤波器图图2-13 残留边带滤波器的互补对称性残留边带滤波器的互补对称性2.2.5 包络检波（包络检波（AM）图图2-14 包络检波包络检波 为使包络检波器工作在最佳状态，为使包络检波器工作在最佳状态，RC应满足：应满足：这这时时，包包络络检检波波器器的的输输出出与与输输入入信信号号的的包包络络特特别别相近，即：相近，即：检检波波后后的的信信号号经经过过低低通通滤滤波波器器，滤滤除除直直流流和和其其它它高频重量，即可得到高频重量，即可得到m(t)。DRC2.2.6 相干解

17、调（相干解调（AM、DSB、SSB、VSB）图图2-15 相干解调相干解调 如如图图2-15所所示示，解解调调时时所所运运用用的的载载波波与与调调制制载载波波同同频频同同相相，称称之之为为相相干干载载波波，相相应应的的解解调调方方式式称称为为相相干干解解调调。相相干干解解调调的的过过程程是是将将已已调调信信号号乘乘以以相相干干载载波波，然然后后用用低低通通滤滤波波器器滤滤除除高高频频重重量量，即即可可无无失失真真的的复复原原出原始的调制信号。出原始的调制信号。相相干干解解调调的的关关键键是是相相干干载载波波的的产产生生，假假如如得得不不到到保证，将会对原始调制信号的复原产生不利影响。保证，将会

18、对原始调制信号的复原产生不利影响。LPFsm(t)mo(t)cosct 1.AM信号的相干解调信号的相干解调 2.DSB信号的相干解调信号的相干解调 3.SSB信号的相干解调信号的相干解调 4.VSB信号的相干解调信号的相干解调 经过经过LPF滤波后，可得滤波后，可得输出频谱输出频谱为：为：常数常数 2.3 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 前前面面的的分分析析都都是是在在没没有有干干扰扰的的条条件件下下进进行行的的，而而在在实实际际当当中中，任任何何通通信信系系统统都都避避开开不不了了干干扰扰的的影影响响，这这里里将将加加性性干干扰中的起伏干扰作为主要探讨对象。扰中的起伏干扰

19、作为主要探讨对象。起起伏伏干干扰扰依依据据其其物物理理特特性性又又可可称称之之为为高高斯斯白白噪噪声声。“高高斯斯”是是指指它它的的概概率率密密度度函函数数是是高高斯斯分分布布；“白白噪噪声声”是是指指它它的功率谱密度为匀整分布。的功率谱密度为匀整分布。本本节节将将要要探探讨讨的的问问题题是是信信道道中中存存在在加加性性高高斯斯白白噪噪声声时时，各各种种线线性性调调制制系系统统的的抗抗噪噪声声性性能能。由由于于加加性性噪噪声声只只对对已已调调信信号号的的接接收收产产生生影影响响，因因而而调调制制系系统统的的抗抗噪噪声声性性能能可可以以用用解解调调器的抗噪声性能来衡量。器的抗噪声性能来衡量。2.

20、3.1 解调器抗噪声性能分析模型解调器抗噪声性能分析模型 图图2-16 解调器抗噪声性能分析模型解调器抗噪声性能分析模型 sm(t)：已调信号；：已调信号；n(t)：高斯白噪声；：高斯白噪声；BPF：带通滤波器（滤除已调信号频带以外的噪声）；：带通滤波器（滤除已调信号频带以外的噪声）；ni(t)：高斯窄带噪声，：高斯窄带噪声，；mo(t)：解调器输出的有用基带信号；：解调器输出的有用基带信号；no(t)：解调器输出的噪声。：解调器输出的噪声。BPFsm(t)n(t)+解调器解调器sm(t)ni(t)mo(t)no(t)相加器表示信道；相加器表示信道；BPF的带宽为的带宽为B。评评价价一一个个通

21、通信信系系统统质质量量的的好好坏坏，最最终终是是要要看看解解调调器器的的输输出出信信噪噪比比。只只要要解解调调器器输输出出端端的的有有用用信信号号和和噪噪声声能能够够分分开开，输输出出信信噪噪比比就就能能确确定定。影影响响输输出出信信噪噪比比的的因因素素是是调调制制方方式式和和解解调调方方式式。因因此此，输输出出信信噪噪比比可可以以用用来来衡衡量量相相同同调调制制方方式式解解调器的抗噪声性能，其定义为：调器的抗噪声性能，其定义为：另另外外，还还用用信信噪噪比比增增益益G来来衡衡量量不不同同调调制制方方式式解解调调器器的的抗抗噪声性能，其定义为：噪声性能，其定义为：2.3.2 线性调制相干解调的

22、抗噪声性能线性调制相干解调的抗噪声性能 图图2-17 线性调制相干解调的模型线性调制相干解调的模型 如如图图2-17所所示示，在在分分析析DSB、SSB和和VSB系系统统的的抗抗噪噪声声性性能能时时，图图2-16分分析析模模型型中中的的解解调调器器为为相相干干解解调调器器。由由于于相相干干解解调调属属于于线线性性解解调调，所所以以在在解解调调过过程程中中，已已调调信信号号sm(t)和和高高斯斯窄窄带噪声带噪声ni(t)可以可以单独进行解调单独进行解调。BPFsm(t)n(t)+sm(t)ni(t)mo(t)no(t)LPFcosct相干解调器相干解调器 1.DSB调制系统的性能调制系统的性能L

23、PF滤除滤除高斯白噪声的高斯白噪声的功率谱密度功率谱密度 2.SSB调制系统的性能调制系统的性能 3.VSB调制系统的性能调制系统的性能 VSB调调制制系系统统抗抗噪噪声声性性能能的的分分析析方方法法与与DSB和和SSB相相像像。但但是是，由由于于接接受受的的残残留留边边带带滤滤波波器器的的频频率率特特性性形形态态可可能能不不同同，所所以以VSB调调制制系系统统抗抗噪噪声声性性能能的的计计算算是是比比较较困困难难的的。但但是是当当残残留留边边带带不不是是太太大大的的时时候候，可可以以近近似似认认为为与与SSB调调制制系系统统的的抗抗噪噪声性能相同。声性能相同。小结：小结：比比较较DSB调调制制

24、系系统统和和SSB调调制制系系统统的的信信噪噪比比增增益益可可知知，GDSB=2GSSB，这这是是否否能能说说明明DSB调调制制系系统统的的抗抗噪噪声声性性能能优优于于SSB调制系统？答案是否定的。调制系统？答案是否定的。这这是是因因为为在在上上述述探探讨讨中中，双双边边带带已已调调信信号号的的平平均均功功率率是是单单边边带带已已调调信信号号的的2倍倍，所所以以两两者者的的输输出出信信噪噪比比是是在在不不同同的的输输入入信信号号功功率率状状况况下下得得到到的的。假假如如在在相相同同输输入入信信号号功功率率、相相同同输输入入噪噪声声功功率率谱谱密密度度和和相相同同调调制制信信号号带带宽宽条条件件

25、下下，对对这这两两种种调调制制方方式进行比较，就可以发觉它们的输出信噪比是相等的。式进行比较，就可以发觉它们的输出信噪比是相等的。因因此此，DSB调调制制系系统统和和SSB调调制制系系统统的的抗抗噪噪声声性性能能相相同同，但双边带信号所需的传输带宽是单边带信号的但双边带信号所需的传输带宽是单边带信号的2倍。倍。2.3.3 常规调幅包络检波的抗噪声性能常规调幅包络检波的抗噪声性能 图图2-18 AM包络检波的模型包络检波的模型 AM信信号号的的解解调调既既可可接接受受相相干干解解调调，也也可可接接受受包包络络检检波波。在在实实际际应应用用中中，AM信信号号常常用用简简洁洁的的包包络络检检波波法法

26、解解调调。此此时时，图图2-16分分析析模模型型中中的的解解调调器器为为包包络络检检波波器器，包包络络检检波波器器的的输输出出信信号号正正比比于于输输入入信信号号的的包包络络变变更更。须须要要留留意意的的是是，包包络络检检波波器器的的输输入入信信号号是是sAM(t)加加ni(t)的合成包络，即：的合成包络，即：BPFsAM(t)n(t)+包包 络络检波器检波器sAM(t)ni(t)mo(t)no(t)1.大信噪比状况（大信噪比状况（）mo(t)no(t)包络检波器滤除包络检波器滤除 2.小信噪比状况（小信噪比状况（）由由以以上上分分析析可可得得如如下下结结论论：在在大大信信噪噪比比状状况况下下

27、，AM信信号号包包络络检检波波器器的的性性能能几几乎乎与与相相干干解解调调器器相相同同；但但随随着着信信噪噪比比的的减减小小，包包络络检检波波器器将将在在一一个个特特定定输输入入信信噪噪比比值值上上出出现现门门限限效效应应；一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化。一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化。有有必必要要指指出出，用用相相干干解解调调的的方方法法解解调调各各种种线线性性调调制制信信号号时时不不存存在在门门限限效效应应。缘缘由由是是信信号号和和噪噪声声可可以以分分别别进进行行解解调调，解解调调器的输出端总是单独存在有用信号项。器的输出端总是单独存在有用信号项。2.4 角

28、度调制的原理角度调制的原理 幅度调制属于线性调制，它是通过幅度调制属于线性调制，它是通过变更载波的幅度，以实现调制信号频谱变更载波的幅度，以实现调制信号频谱的线性搬移。一个正弦载波有幅度、频的线性搬移。一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量，因此，不仅可以把率和相位三个参量，因此，不仅可以把调制信号的信息寄予在载波的幅度变更调制信号的信息寄予在载波的幅度变更中，还可以寄予在载波的频率或相位变中，还可以寄予在载波的频率或相位变更中。这种使高频载波的频率或相位按更中。这种使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变更而振幅保持恒定的调制信号的规律变更而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制（调制方式，称

29、为频率调制（FM）和相位）和相位调制（调制（PM），简称为调频和调相。因为），简称为调频和调相。因为频率或相位的变更都可以看成是载波角频率或相位的变更都可以看成是载波角度的变更，故调频和调相又统称为角度度的变更，故调频和调相又统称为角度调制。调制。角度调制与幅度调制不同，已调信角度调制与幅度调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬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，故又称频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。为非线性调制。2.4.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念 1.角度调

30、制信号的一般表达式角度调制信号的一般表达式 其中，其中，ct+(t)为瞬时相位；为瞬时相位；(t)为瞬时相位偏移；为瞬时相位偏移；dct+(t)/dt为瞬时频率；为瞬时频率；d(t)/dt为瞬时频率偏移。为瞬时频率偏移。由由于于频频率率和和相相位位之之间间存存在在微微分分和和积积分分的的关关系系，故故调调频频与与调调相相之之间间存存在在亲亲密密联联系系，即即调调频频必必调调相相，调调相相必必调调频频。鉴鉴于于调调频频在在实实际际当当中中应应用用较较多多，这这里里将将主主要要探讨频率调制。探讨频率调制。2.相位调制相位调制 所所谓谓相相位位调调制制是是指指幅幅度度和和频频率率保保持持不不变变，而

31、而瞬瞬时时相相位位偏偏移移(t)随调制信号随调制信号m(t)成线性变更，即：成线性变更，即：则调信任号可表示为：则调信任号可表示为：3.频率调制频率调制 所所谓谓频频率率调调制制是是指指幅幅度度和和相相位位保保持持不不变变，而而瞬瞬时时频频率率偏偏移移d(t)/dt随调制信号随调制信号m(t)成线性变更，即：成线性变更，即：则调频信号可表示为：则调频信号可表示为：4.相位调制和频率调制的转换相位调制和频率调制的转换 由由调调信信任任号号和和调调频频信信号号的的表表达达式式可可以以看看出出，PM和和FM特特别别相相像像，假假如如预预先先不不知知道道调调制制信信号号m(t)的的具具体体形形式式，则

32、则无无法法推推断断已调信号是调信任号还是调频信号。已调信号是调信任号还是调频信号。同同时时，由由调调信信任任号号和和调调频频信信号号的的表表达达式式还还可可以以看看出出，假假如如将将调调制制信信号号先先微微分分，而而后后进进行行调调频频，则则可可以以得得到到调调信信任任号号，这这种种调调制制方方式式叫叫做做间间接接调调相相；同同样样，假假如如将将调调制制信信号号先先积积分分，而而后后进进行行调调相相，则则可可以以得得到到调调频频信信号号，这这种种调调制制方方式式叫叫做做间间接接调调频频。干干脆脆调调相相和和间间接接调调相相如如图图2-19(a)所所示示，干干脆脆调调频频和和间间接接调调频如频如

33、2-19(b)所示。所示。由由于于实实际际相相位位调调制制器器的的调调制制范范围围不不大大，所所以以干干脆脆调调相相和和间间接接调调频频仅仅适适用用于于相相位位偏偏移移和和频频率率偏偏移移不不大大的的窄窄带带调调制制状状况况，而而干脆调频和间接调相常用于宽带调制状况。干脆调频和间接调相常用于宽带调制状况。m(t)FMsPM(t)m(t)PMsPM(t)m(t)PMsFM(t)m(t)FMsFM(t)(a)(b)图图2-19 直接和间接调相、调频直接和间接调相、调频2.4.2 窄带调频和宽带调频窄带调频和宽带调频 前前面面已已经经指指出出，频频率率调调制制属属于于非非线线性性调调制制，其其频频谱

34、结构特别困难，难以表述。谱结构特别困难，难以表述。但但是是，当当最最大大瞬瞬时时相相位位偏偏移移较较小小时时，即即一一般般认认为为满足：满足：调调信信任任号号表表达达式式：可可以以得得到到简简化化，因因此此可可求求出出它它的的随随意意调调制制信信号号的的频频域域表表达达式式。这这时时，信信号号占占据据带带宽宽较较窄窄，称称之之为为窄窄带带调调频频（NBFM）。）。反之，称之为宽带调频（反之，称之为宽带调频（WBFM）。）。1.窄带调频窄带调频 将将NBFM的频谱和的频谱和AM的频谱进行比较的频谱进行比较。图图2-20 AM和和NBFM的频谱的频谱 如如图图2-20所所示示，NBFM的的频频谱谱

35、和和AM的的频频谱谱很很相相像像，但但也也有重要区分。有重要区分。相相同同的的是是，两两者者在在c处处都都有有载载波波重重量量；而而且且在在c两两侧侧都都有有两两个个边边带带，所所以以它它们们的的带带宽宽相相同同，都都是是调调制制信信号号最最高高频频率率的的两倍，即：两倍，即：不不同同的的是是，NBFM的的两两个个边边带带分分别别乘乘了了因因式式1/(+c)和和1/(c)，由由于于因因式式是是频频率率的的函函数数，所所以以这这种种加加权权是是频频率率加加权权，加加权权的的结结果果引引起起调调制制信信号号的的频频谱谱失失真真；另另外外，有有一一边边带带和和AM的对应边带反相。的对应边带反相。2.

36、宽带调频宽带调频 当当不不满满足足窄窄带带条条件件时时，调调频频信信号号的的时时域域表表达达式式不不能能简简化化，因因而而给给宽宽带带调调频频的的频频谱谱分分析析带带来来了了困困难难。为为使使问问题题简简化化，这这里里先探讨单频调制的状况，然后把分析的结论推广到多频状况。先探讨单频调制的状况，然后把分析的结论推广到多频状况。设单频调制信号为：设单频调制信号为：m(t)=Amcosmt 则单频调制调频信号的时域表达式为：则单频调制调频信号的时域表达式为：调频指数调频指数 上上式式中中，Jn(mf)为为第第一一类类n阶阶贝贝塞塞尔尔函函数数，它它是是调调频频指指数数mf的函数。图的函数。图2-21

37、给出了给出了Jn(mf)随随mf变更的关系曲线。变更的关系曲线。从从SFM()的的表表达达式式可可以以看看出出，调调频频信信号号的的频频谱谱包包含含无无穷穷多个频率重量。图多个频率重量。图2-22给出了某单频调制调频信号的频谱。给出了某单频调制调频信号的频谱。由由于于调调频频信信号号的的频频谱谱包包含含无无穷穷多多个个频频率率重重量量，因因此此，理理论论上上调调频频信信号号的的带带宽宽为为无无限限宽宽。然然而而，如如图图2-21所所示示，边边频频幅幅度度Jn(mf)随随着着n的的增增大大而而渐渐渐渐减减小小。因因此此，只只要要选选取取适适当当的的n值值，使使边边频频重重量量小小到到可可以以忽忽

38、视视的的程程度度，调调频频信信号号就就可可近近似似认认为为具具有有有限频谱。有限频谱。依依据据阅阅历历认认为为：当当mf 1时时，取取边边频频数数n=mf+1，调调频频信信号号就就可可近近似似认认为为具具有有有有限限频频谱谱。因因为为nmf+1时时，边边频频幅幅度度Jn(mf)均均小小于于0.1，相相应应产产生生的的功功率率均均小小于于总总功功率率的的2%，可可以以忽视不计。依据以上原则，调频信号的带宽为：忽视不计。依据以上原则，调频信号的带宽为：上上式式说说明明：调调频频信信号号的的带带宽宽取取决决于于最最大大频频偏偏和和调调制制信信号号的的频率，该式称为卡森公式。频率，该式称为卡森公式。以

39、以上上探探讨讨的的是是单单频频调调制制调调频频信信号号，假假如如调调制制信信号号是是随随意意限限带信号，用带信号，用D代替卡森公式中代替卡森公式中mf的即可。的即可。图图2-21 Jn(mf)mf关系曲线关系曲线图图2-22 单频调制调频信号的频谱（单频调制调频信号的频谱（mf=5）2.4.3 调频信号的产生调频信号的产生 产产生生调调频频信信号号的的方方法法通通常常有有两两种种：干干脆脆法法和和间间接接法。法。1.干脆法干脆法 干干脆脆法法就就是是用用调调制制信信号号干干脆脆限限制制振振荡荡器器的的频频率率，使使其其按按调调制制信信号号的的规规律律线线性性变变更更。在在实实际际中中，常常用用

40、压压控控振振荡荡器器（VCO）作作为为FM调调制制器器，它它的的输输出出频频率率正正比于所加的限制电压，即：比于所加的限制电压，即：图图2-23 干脆法原理图干脆法原理图 干干脆脆法法的的优优点点是是简简洁洁实实现现，且且可可以以获获得得较较大大的的频频偏偏；缺缺点点是是频频率率稳稳定定度度不不高高，因因此此还还须须要要附附加加的的稳稳频频电路。电路。VCOm(t)载波发生器载波发生器sFM(t)2.间接法间接法 间间接接法法就就是是先先产产生生窄窄带带调调频频信信号号，然然后后用用倍倍频频器器把把窄窄带带调调频信号变换为宽带调频信号。频信号变换为宽带调频信号。图图2-24 间接法原理图间接法

41、原理图 间间接接法法的的优优点点是是频频率率稳稳定定度度高高；缺缺点点是是须须要要多多次次倍倍频频和和混混频，因此电路较为困难。频，因此电路较为困难。积分器积分器m(t)sWBFM(t)Acosct+倍频器倍频器提高调频提高调频指数指数mf2.4.4 调频信号的解调调频信号的解调 调调频频信信号号的的解解调调方方法法通通常常有有两两种种：相相干干解解调调和和非非相相干干解解调调。相相干干解解调调仅仅适适用用于于窄窄带带调调频频信信号号；而而非非相相干干解解调调既既适适用用于于窄窄带带调调频频信信号号，又又适适用用于于宽宽带带调调频频信信号。号。1.非相干解调非相干解调 最最简简洁洁的的解解调调

42、器器是是具具有有频频率率电电压压转转换换作作用用的的鉴鉴频器。志向鉴频器可看成是带微分器的包络检波器。频器。志向鉴频器可看成是带微分器的包络检波器。图图2-25 非相干解调原理图非相干解调原理图限幅器限幅器及带通及带通sFM(t)微分器微分器鉴频器鉴频器包包 络络检波器检波器低低 通通滤波器滤波器mo(t)sd(t)如图如图2-25所示，微分器的输出为：所示，微分器的输出为：用包络检波器取出其包络，并滤除直流重量后输出为：用包络检波器取出其包络，并滤除直流重量后输出为：以以上上解解调调过过程程是是先先用用微微分分器器将将调调频频信信号号转转换换为为调调幅幅调调频频信信号号，再再用用包包络络检检

43、波波器器提提取取其其包包络络，因因此此上上述述解解调调方方法法又又称称为为包包络络检检测测。其其缺缺点点之之一一是是包包络络检检波波器器对对于于由由信信道道噪噪声声和和其其他他缘缘由由引引起起的的幅幅度度起起伏伏也也有有反反应应，为为此此，须须要要在在微微分分器器前前加加一一个个限限幅幅器器和和一一个个带带通通滤滤波波器器。其其中中限限幅幅器器将将调调频频信信号号在在传传输输过过程程中中引引起起的的幅幅度度变变更更部部分分削削去去，变变成成固固定定幅幅度度的的调调频频波波；带带通通滤滤波波器器让调频信号顺当通过，而滤除带外噪声及高次谐波重量。让调频信号顺当通过，而滤除带外噪声及高次谐波重量。2

44、.相干解调相干解调图图2-26 相干解调原理图相干解调原理图带带 通通滤波器滤波器sNBFM(t)微分器微分器相干解调器相干解调器低低 通通滤波器滤波器mo(t)sp(t)sd(t)sinct2.5 非非线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 调调频频系系统统的的抗抗噪噪声声性性能能分分析析与与解解调调方方法法有有关关。相相干干解解调调仅仅适适用用于于窄窄带带调调频频信信号号，且且须须要要同同步步信信号号；而而非非相相干干解解调调既既适适用用于于窄窄带带调调频频信信号号，又又适适用用于于宽宽带带调调频频信信号号，而而且且不不须须要要同步信号。因而，非相干解调是调频系统的主要解调方式。

45、同步信号。因而，非相干解调是调频系统的主要解调方式。图图2-27 FM非相干解调的模型非相干解调的模型BPFsFM(t)n(t)+非相干非相干解调器解调器sFM(t)ni(t)mo(t)no(t)限幅器限幅器鉴频器鉴频器LPF 1.大信噪比状况大信噪比状况 在在大大信信噪噪比比状状况况下下，信信号号和和噪噪声声的的相相互互作作用用可可以以忽忽视视，因因此可以把信号和噪声分开进行计算。此可以把信号和噪声分开进行计算。为为使使问问题题简简化化，这这里里只只探探讨讨单单频频调调制制，宽宽带带调调频频的的状状况况，即：即：m(t)=Amcosmt。例例2-1 设设宽宽带带调调频频与与常常规规调调幅幅信

46、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mf 1，调调幅幅指指数数为为AM=1，调调制制信信号号频频率率为为fm。当当信信道道条条件件相相同，接收信号功率也相同时，比较它们的抗噪声性能。同，接收信号功率也相同时，比较它们的抗噪声性能。结论：结论：宽宽带带调调频频信信号号的的抗抗噪噪声声性性能能明明显显优优于于常常规规调调幅幅信信号号。例例如如，当当mf=5时时，宽宽带带调调频频信信号号的的输输出出信信噪噪比比是是常常规规调调幅幅信信号号的的112.5倍倍。这这也也可可理理解解为为，当当两两者者输输出出信信噪噪比比相相等等时时，宽宽带带调调频频信号的放射功率可以减小到常规调幅信号的信

47、号的放射功率可以减小到常规调幅信号的1/112.5。但但是是，宽宽带带调调频频信信号号的的这这一一优优越越性性是是以以增增加加传传输输带带宽宽换换取取的。即：的。即：例例2-2 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40dB，试试比比较较100%调调制制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。设设信信道道噪噪声声的的单单边边功功率率谱谱密密度度为为n0=5 10-15W/Hz，信道损耗，信道损耗为为60dB。2.小信噪比状况小信噪比状况 在在小小信信噪噪比比状状况

48、况下下，调调频频系系统统解解调调器器的的输输出出中中不不存存在在单单独独的的有有用用信信号号项项，信信号号被被噪噪声声扰扰乱乱，因因而而输输出出信信噪噪比比急急剧剧下下降降。这这种种状状况况与与AM包包络络检检波波时时相相像像，也也就就是是说说调调频频系系统统的的解解调调器器也存在门限效应。也存在门限效应。因因此此，调调频频系系统统以以增增加加传传输输带带宽宽来来换换取取输输出出信信噪噪比比性性能能改改善善并并不不是是无无止止境境的的。随随着着传传输输带带宽宽的的增增加加，输输入入噪噪声声功功率率增增大大；在在输输入入信信号号功功率率不不变变的的条条件件下下，输输入入信信噪噪比比下下降降；当当

49、输输入入信信噪噪比比下下降降到到确确定定程程度度时时就就会会出出现现门门限限效效应应，此此时时输输出出信信噪噪比比将将急急剧恶化。剧恶化。实实践践表表明明，应应用用一一般般鉴鉴频频器器解解调调调调频频信信号号时时，其其门门限限效效应应与输入信噪比有关，一般发生在输入信噪比大约为与输入信噪比有关，一般发生在输入信噪比大约为10dB处。处。2.6 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较 抗噪声性能：抗噪声性能：WBFM最好，最好，DSB、SSB和和VSB次之，次之，AM和和NBFM最差。最差。频带利用率：频带利用率：SSB最好，最好，VSB与与SSB接近，接近，AM、DSB和和NBFM次之，

50、次之，WBFM最差。最差。调制方式调制方式传输带宽传输带宽直流响应直流响应设备复杂性设备复杂性主要应用主要应用AM2fm有有较小：调制器简单；较小：调制器简单；包络检波简单包络检波简单无线电广播无线电广播DSB2fm无无中等：调制器简单；中等：调制器简单；相干解调相干解调模拟数据传输；低带模拟数据传输；低带宽信号多路复用系统宽信号多路复用系统SSBfm无无较大：调制器复杂；较大：调制器复杂；相干解调相干解调语音频分多路通信语音频分多路通信VSBfm2fm有有较大：调制器复杂；较大：调制器复杂；相干解调相干解调数据传输；宽带系统数据传输；宽带系统FM2(1+mf)fm有有中等：调制器有点中等：调