通信原理第六版课件_第5章.ppt

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1、1现代通信原理2现代通信原理第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统3第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.4调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能n重点讨论FM非相干解调时的抗噪声性能n分析模型 n(t)均值为零，单边功率谱密度为n0的高斯白噪声 4第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.4.1 输入信噪比 设输入调频信号为输入信号功率为输入噪声功率为式中，BFM 调频信号的带宽，即带通滤波器的带宽输入信噪比为5第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.4.2 大信噪比时的解调增益u在输入信噪比足够大的条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这时可以把信号和噪声分开来计算。u计算输出信号平

2、均功率输入噪声为0时，解调输出信号为 故输出信号平均功率为6第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u计算输出噪声平均功率假设调制信号m(t)=0，则加到解调器输入端的是未调载波与窄带高斯噪声之和，即 式中 包络 相位偏移 7第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统在大信噪比时，即A nc(t)和A ns(t)时，相位偏移 可近似为当x 1时有近似式 上式结果表明，在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益是很高的，即抗噪声性能好。例如，调频广播中常取 mf=5，则制度增益GFM=450。也就是说，加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。13第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u调频系统与调幅系

3、统比较在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的输出信噪比为 若设AM信号为100%调制。且m(t)为单频余弦波信号，则m(t)的平均功率为 因而式中，B为AM信号的带宽，它是基带信号带宽的两倍，即B=2fm，故有将两者相比，得到14第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p讨论在大信噪比情况下，若系统接收端的输入A和n0相同，则宽带调频系统解调器的输出信噪比是调幅系统的3mf2倍。例如，mf=5时，宽带调频的S0/N0是调幅时的75倍。调频系统的这一优越性是以增加其传输带宽来换取的。因为，对于AM 信号而言，传输带宽是2fm，而对WBFM信号而言，相应于mf=5时的传输带宽为12fm，是前者的6倍。

4、WBFM信号的传输带宽BFM与AM 信号的传输带宽BAM之间的一般关系为15第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统当mf 1时，上式可近似为故有在上述条件下，变为 可见，宽带调频输出信噪比相对于调幅的改善与它们带宽比的平方成正比。调频是以带宽换取信噪比的改善。16第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统结论：在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能将比调幅系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。FM系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。随着传输带宽的增加，输入噪声功率增大，在输入信号功率不变的条件下，输入信噪比下降，当输入信噪比降到一定程度时就会出现门限效应，输出信噪比将急剧恶化。17第

5、第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.4.3 小信噪比时的门限效应u当(Si/Ni)低于一定数值时，解调器的输出信噪比(So/No)急剧恶化，这种现象称为调频信号解调的门限效应。u门限值 出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值，记为(Si/Ni)b。18第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u右图画出了单音调制时在不同调制指数下，调频解调器的输出信噪比与输入信噪比的关系曲线。u由此图可见p门限值与调制指数mf 有关。mf 越大，门限值越高。不过不同mf 时，门限值的变化不大，大约在811dB的范围内变化，一般认为门限值为10 dB左右。p在门限值以上时，(So/No)FM与(Si/Ni)

6、FM呈线性关系，且mf 越大，输出信噪比的改善越明显。19第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统p在门限值以下时，(So/No)FM将随(Si/Ni)FM的下降而急剧下降。且mf越大，(So/No)FM下降越快。p门限效应是FM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。p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，它们的门限比一般鉴频器的门限电平低610dB。p还可以采用“预加重”和“去加重”技术来进一步改善调频解调器的输出信噪比。也相当于改善了门限。20第第5章

7、章 模拟调制系统模拟调制系统n5.4.4 预加重和去加重u目的目的：p鉴频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。因此，在调制频率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响。p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状这一特点，在调频系统中广泛采用了加重技术，包括“预加重和“去加重”措施。p“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，的设计思想是保持输出信号不变，有效降低输出噪声，以达

8、到提高输出信噪比的目的。有效降低输出噪声，以达到提高输出信噪比的目的。21第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u原理原理所谓“去加重”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Hd(f)，将调制频率高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。但是，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。因此，必须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，以抵消去加重网络的影响。显然，为了使传输信号不失真，应该有这是保证输出信号不变的必要条件。22第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u方框图：加有预加重和去加重的调频系统u性能由于采用预

9、加重/去加重系统的输出信号功率与没有采用预加重/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出噪声功率与加重后的输出噪声功率的比值确定，即上式进一步说明，输出信噪比的改善程度取决于去加重网络的特性。23第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u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下，可使输出信噪比提高6 dB左右。预加重网络与网络特性去加重网络与网络特性24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AMAM2f2fm m简单简单中短波无线电广播中短波无线电广播DSBDSB2f2fm m中等

10、中等应用较少应用较少SSBSSBf fm m复杂复杂短波无线电广播、话音短波无线电广播、话音频分复用、载波通信、频分复用、载波通信、数据传输数据传输VSBVSB略大于略大于f fm m 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FMFM中等中等超短波小功率电台（窄超短波小功率电台（窄带带FMFM）；调频立体声广）；调频立体声广播等高质量通信（宽带播等高质量通信（宽带FMFM）第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较25第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n抗噪声性能u WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性

11、能次之，AM抗噪声性能最差。u右图画出了各种模拟调制系统的性能曲线,图中的圆点表示门限点。u门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上，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。u当输入信噪比较高时，FM的调频指数mf越大，抗噪声性能越好。26第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n频带利用率频带利用率 SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，其频带利用率最低。FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。因此，mf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。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

12、和蜂窝电话系统）采用WBFM，mf值选大些。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mf 较小的调频方式。27第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n特点与应用uAM：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。uDSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。uSSB调制：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。SSB常用于频分多路复用系统中。uVSB调制：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广

13、播、数传等系统中得到了广泛应用。uFM：FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。28第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.6 频分复用频分复用(FDM)和调频和调频(FM)立体声立体声n5.6.1 频分复用（FDM）u目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率u原理29第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u典型例子：多路载波电话系统p每路电话信号的频带限制在3003400Hz，在各路已调信号间留有防护频带，每路电话信号取4 kHz作为标准带宽 p层次结构：12路电话复用为一个基群；5个基群复用为一个超群，共60路电话；由10个超群复用为一

14、个主群，共600路电话。如果需要传输更多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群。p基群频谱结构图p载波频率 30第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统uFDM 技术主要用于模拟信号，普遍应用在多路载波电话系统中。其主要优点是信道利用率高，技术成熟；缺点是设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和传输过程中，调制、解调等过程会不同程度地引入非线性失真，而产生各路信号的相互干扰。31第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统n5.6.2 调频立体声广播u原理：FM立体声广播中，声音在空间上被分成两路音频信号，一个左声道信号L，一个右声道信号R，频率都在50Hz到15kHz之间。左声道与右声道相加形成和信号和

15、信号(L+R)，相减形成差信号差信号(L-R)。在调频之前，差信号差信号(L-R)先对38kHz的副载波进行抑制载波双边带(DSB-SC)调制，然后与和信号和信号(L+R)进行频分复用后，作为FM立体声广播的基带信号，其形成过程如下图所示：32第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u频谱结构 p015kHz用于传送(L+R)信号p 23kHz53kHz用于传送(L-R)信号p 59kHz75kHz则用作辅助通道p(L-R)信号的载波频率为38kHzp在19kHz处发送一个单频信号（导频）p在普通调频广播中，只发送015kHz的(L+R)信号。33第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统u立体声广播信号的解调p接收立体声广播后先进行鉴频，得到频分复用信号。对频分复用信号进行相应的分离，以恢复出左声道信号L和右声道信号R。34第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统l5.7 小结 p107 l作业:5-3,5-4,5-8,5-10,5-13,5-16,5-17,5-18