模拟调制系统非线性调制原理.pptx

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1、回顾回顾1、调角波的时域表达式调相信号的一般表达式为：调频信号的一般表达式为：第1页/共53页vWW t0p2p2pW twoq(t)W to(t)o(a)(c)(d)Dwmw可以看到调频波和调相波在当调制信号为单一频率音频信号时，两种已调波的频谱结构是类似的。第2页/共53页是角度调制的两个基本关系式，它说明了瞬时相位是瞬时角速度对时间的积分，同样，瞬时角频率为瞬时相位对时间的变化率。由于频率与相位之间存在着微积分关系，因此不论是调频还是调相，结果使瞬时频率和瞬时相位都发生变化。只是变化规律与调制信号的关系不同。回顾回顾1、调角波的时域表达式第3页/共53页所以FM与PM之间是可以相互转换的

2、先微分再调频得到调相波，称为间接调相先积分再调相则为调频波，称为间接调频对调频而言，对调频而言，对调相而言，对调相而言，频偏频偏 调相指数调相指数频偏 调频指数 第4页/共53页 由此可知，调频波的频偏与调制频率由此可知，调频波的频偏与调制频率 无关，调频指数无关，调频指数m mf f则则与与 成反比；调相波的频偏成反比；调相波的频偏p p与与 成正比，调相指数则与成正比，调相指数则与 无关。无关。这是调频、调相二种调制方法的根本区别。它们之间的关系参这是调频、调相二种调制方法的根本区别。它们之间的关系参见下图。见下图。频偏和调制指数与调制频率的关系频偏和调制指数与调制频率的关系(当当U U

3、恒定时恒定时)(a)(a)调频波；调频波；(b)(b)调相波调相波 回顾回顾第5页/共53页2、窄带调频回顾回顾可以得到NBFM的时域表达：经过傅立叶变换得到NBFM的时域表达频域表达：第6页/共53页回顾回顾窄带调频与普通调幅的比较2、窄带调频相比，可以看出，NBFM和AM相比，两者都含有一个载波和位于处的两个边带，所以他们的带宽相同，都是调制信号最高频率的两倍；第7页/共53页不同的是NBFM的两个边频分别乘以了因式 和 的一个边带与AM反相。，这种频率加权引起调制信号频谱失真，NBFM回顾回顾2、窄带调频第8页/共53页回顾回顾3、宽带调频时域表达式：频域表达式：可见，单音调制的角度调制

4、信号频谱是由载频（对应n=0）wc和无限多对边频 因此，FM信号频谱的搬移不是线性搬移，而是一种非线性过程。第9页/共53页调频信号的带宽回顾回顾3、宽带调频调频波频带宽度（FM）调相波频带宽度（PM）调频信号的功率分配 可见，调频波和调相波的平均功率与调制前的等幅载波功可见，调频波和调相波的平均功率与调制前的等幅载波功率相等。这说明，调制的作用仅是将原来的载频功率重新分配率相等。这说明，调制的作用仅是将原来的载频功率重新分配到各个边频上，而到各个边频上，而总的功率不变总的功率不变。这一点与调幅波完全不同。这一点与调幅波完全不同。第10页/共53页例题例题1有一角度调制信号的表达式为设负载电阻

5、为50，试求（2）若为调频波，则最大频率偏移？调制信号表达式？（1）信号的平均功率第11页/共53页例题例题1（2）若为调频波，则最大频率偏移？调制信号表达式？第12页/共53页例题例题1（3）若为调相波，则最大相位偏移？调制信号表达式？第13页/共53页5.1 幅度调制的原理5.2 线性系统的抗噪声性能5.3 角度调制原理5.4 调频系统的抗噪声性能5.5 各种模拟调制系统的比较5.6 频分复用和调频立体声第14页/共53页5.3 角度调制原理角度调制原理5.3.4 调频信号的产生与解调一、调频信号产生的方法直接调频调制信号直接改变载波振荡回路的谐振频率来获得调频波。间接调频先将调制信号积分

6、，再对载波进行调相C第15页/共53页直接调频直接调频直接调频法：采用压控振荡器（VCO）作为调制器，使VCO输出频率正比于控制电压。优点：可以得到很大的频偏缺点：载频不稳定，会发生漂移（克服的方法：利用锁相环）直接调频电路中需要一个比较特殊的电抗元件，这种电抗直接调频电路中需要一个比较特殊的电抗元件，这种电抗元件的元件参数会受到外加电压的影响，称为元件的元件参数会受到外加电压的影响，称为可变电抗元件可变电抗元件（可变电容或可变电感）（可变电容或可变电感），是非线性元件（变容二极管）。是非线性元件（变容二极管）。第16页/共53页压控振荡器ui鉴相器鉴相器环路滤波器环路滤波器uDuCuOio当

7、环路锁定时，输出电压的频率和输入电压的频率是相等的，而两个电压的相位是不相等的。也就是说，环路有一定的稳态相位差，这个差使鉴相器产生一直流电压输出，以控制VCO的输出频率和输入频率同步 PPL 工作原理：工作原理：第17页/共53页变容管直接调频电路变容管直接调频电路由图可以看出Cj-u特性是非线性函数当外加电压u为正弦波时，Cj的变化并非呈现正弦形状直接调频R第18页/共53页间接调频间接调频先产生窄带调频信号，再用倍频法变换为宽带调频信号第19页/共53页倍频器由非线性器件实现，设理想的平方律器件的输入输出特性为：间接调频间接调频若输入调频信号：则输出为第20页/共53页间接调频间接调频滤

8、除直流分量，得到载频和相移均增为2倍的新调频信号，由于相位偏移增为2倍，因而调频指数也必然增为2倍，频偏 调频指数 同理，经过n倍频后，调频信号的调频指数也将增为n倍！第21页/共53页间接调频间接调频问题：载频和频偏均增为2倍解决方法：混频器间接调频阿姆斯特朗（armstrong）法第22页/共53页间接调频间接调频uL(f L)混频 器us(f s)uI(f I)两个输入信号与输出信号之间的关系：包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心频率：混频器原理示意：只改变载频不改变频偏第23页/共53页间接调频间接调频例题：利用间接调频方法，设调制信号是fm=15KHz的单音余弦信

9、号，NBFM信号的载频f1=200KHz，最大频偏f1=25Hz;混频器参考频率f2=10.9MHz,选择倍频次数n1=64,n2=48。（1）求NBFM信号的调频指数（）求调频发射信号（即WBFM信号）的载频、最大频偏和调频指数第24页/共53页间接调频间接调频例题例题（）求调频发射信号（即WBFM信号）的载频、最大频偏和调频指数间接法优点：频稳度好缺点：电路复杂R第25页/共53页5.3.4 调频信号的产生与解调二、调频信号的解调NBFMWBFMNBFM相干解相干解调非相干解非相干解调解解调鉴频器：完成调频信号解调任务的电路称为频率检波器，简称鉴频器。R第26页/共53页非相干解调非相干解

10、调调频信号的频率变化线性的代表了调制信号m(t)的幅度变化，因此解调器的输出电压必须正比于输入信号的频率正比于输入信号的频率，即，若输入调频波为解调器输出解调器输出鉴频器是调频信号常用的解调器，由微分器与包络检波器级联而成，如图(振幅鉴频器)第27页/共53页非相干解调非相干解调微分器输出微分器输出经包络检波经包络检波鉴频器灵敏度第28页/共53页非相干解调非相干解调鉴频器典型电路微分器实质是一个FMAM的转换器，这种转换的电路可用谐振回路来实现。由两个双失谐回路组成的平衡鉴频器可扩大鉴频特性的线性范围R第29页/共53页相干解调相干解调相干解调-只适用于窄带调频已知NBFM的时域表达：回忆线

11、性调制中的相干解调适用于：AM，DSB，SSB，VSB第30页/共53页相干解调相干解调相干解调相干解调LPF微分微分与相干载波相乘得要求：本地载波与调制载波同步，否则使解调信号失真。R第31页/共53页 5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能重点讨论非相干解调的性能1、原理模型)(tsFM BPF)(tn)(tsi)(tni LPF)(tno)(tmo 限幅 鉴频 2、方法求输入信噪比求输出信噪比求信噪比增益第32页/共53页1.非相干解调的输入信噪比非相干解调的输入信噪比输入信号：输入噪声输入信噪比no为白噪声单边功率谱密度BFM为带通滤波器带宽第33页/共53页2、大信噪比时解

12、调增益、大信噪比时解调增益（1）输入噪声为0时，由式因此输出信号平均功率为（2）设调制信号m(t)=0时，则解调器输入端可表示为：注意注意：非相干解调不是线性叠加处理过程，所以对输出信号功率和噪声功率不能分别计算调频信号调频信号窄带高斯噪声窄带高斯噪声相位偏移相位偏移包络包络第34页/共53页2、大信噪比时解调增益、大信噪比时解调增益大信噪比时参考线相位偏移相位偏移鉴频器的输出电压与输入信号的瞬时频偏瞬时频偏 成正比，若比例常数为 ，则鉴频器的输出噪声：第35页/共53页2、大信噪比时解调增益、大信噪比时解调增益ns(t)通过理想微分电路的输出为了求得输出噪声的功率，可先求得输出噪声的功率谱密

13、度，然后积分即可已知：ns(t)的功率谱密度为n0,即第36页/共53页2、大信噪比时解调增益、大信噪比时解调增益可见，正交分量可见，正交分量ns的功率谱密的功率谱密度与度与f2成正比，即在频带内不是成正比，即在频带内不是均匀的。均匀的。fm解调器中低通滤波器的截止频率第37页/共53页2、大信噪比时解调增益、大信噪比时解调增益所以输出信噪比 简化调频信号为第38页/共53页2、大信噪比时解调增益、大信噪比时解调增益则信噪比增益 又由于宽带调频时：信噪比增益还可写为：第39页/共53页可见可见:大信噪比时，宽带调频系统的解调信噪比增益大信噪比时，宽带调频系统的解调信噪比增益与调频指数的立方成正

14、比与调频指数的立方成正比在大调制指数mf时，G很大，抗噪声性能好 2、大信噪比时解调增益、大信噪比时解调增益也就是说增大调制指数mf，可以提高抗噪声性能第40页/共53页2、大信噪比时解调增益、大信噪比时解调增益AMAM和FMFM比较（1）AM中第41页/共53页2、大信噪比时解调增益、大信噪比时解调增益（2）FM中第42页/共53页2、大信噪比时解调增益、大信噪比时解调增益但应注意，调频系统的这一优越性是以增加其传输带宽来换取的 对于AM而言，传输带宽是2fm 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。随着带宽的增加，输入噪声功率增加，如果

15、输入信号功率不变，则输入信噪比下降，到达一定程度时产生门限效应。第43页/共53页3、小信噪比时的门限效应、小信噪比时的门限效应 信号矢量 噪声矢量 合成矢量 a 2 a a 1 j 1 j j 2 参考线当当信噪比较小时信噪比较小时信噪比较小时信噪比较小时，也可用矢量合成法来分析，与，也可用矢量合成法来分析，与大信噪比相比分析方法相同，由矢量图得大信噪比相比分析方法相同，由矢量图得:输出信噪比急剧下降 门限效应 第44页/共53页3、小信噪比时的门限效应、小信噪比时的门限效应 通过只发载波信号，可以观察到门限效应的产门限效应的产生过程生过程：1、当输入信噪比很高时，鉴频器输出的噪声呈现为高斯

16、噪声形状 2、当输入信噪比下降到某一数值以下时，输出噪声波形会出现尖脉冲，且输入信噪比愈差，尖脉冲就愈多。尖脉冲尖脉冲尖脉冲尖脉冲的产生就意味着门限效应已经发生的产生就意味着门限效应已经发生的产生就意味着门限效应已经发生的产生就意味着门限效应已经发生，由于这种脉冲包含的能量很大，所以发生门由于这种脉冲包含的能量很大，所以发生门限效应时，输出信噪比大为下降限效应时，输出信噪比大为下降.第45页/共53页3、小信噪比时的门限效应、小信噪比时的门限效应理论分析与试验结果均表明：发生门限效应的转折点与调频指数 有关，且 越高，发生门限效应的转折点也越高，即在大输入信噪比时就产生门限效应，但在转折点转折

17、点转折点转折点以上时输出信噪比的改善则愈明显。第46页/共53页3、小信噪比时的门限效应、小信噪比时的门限效应1、门限值以上时：呈线性关系，且mf越大，输出信噪比改善越明显2、门限值以下时：的下降而急剧减小，且mf值越大，下降越快第47页/共53页3、小信噪比时的门限效应、小信噪比时的门限效应降低门限值的方法：降低门限值的方法：1、采用锁相环解调器和负反馈解调器 2、还可以采用预加重（pre-emphasis）和去重(de-emphasis)技术来改善调频解调器的输出信噪比，实际上也相当于改善了门限值。第48页/共53页语音和音乐信号的大部分能量集中在低频端，而调频解调器语音和音乐信号的大部分

18、能量集中在低频端，而调频解调器的输出噪声功率谱密度与频率平方成正比的输出噪声功率谱密度与频率平方成正比4、预加重和去加重 即在信号功率谱最小的频率范围内噪声功率谱密度却是最大，即在信号功率谱最小的频率范围内噪声功率谱密度却是最大，这将使解调器输出信噪比下降这将使解调器输出信噪比下降解决方法：解决方法：1、在发送端调制之前提升调制信号f(t)的高频分量，这一过程称为预加重（加入信道噪声之前）2、在接收端解调之后做反变换，使信号频谱恢复原状，这一过程称为去加重（解调器的输出端）第49页/共53页abcd预加重网络在频率f1和f2之间具有微分特性，小于f1的低频范围是平坦的（调频广播中f1=2.1KHZ)相应的去加重网络及幅频特性曲线如图c，d所示4、预加重和去加重R第50页/共53页 5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较1、抗噪声性能WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB次之，AM抗噪声性能最差。2、频带利用率SSB的带宽最窄，频带利用率最高，FM频带利用率最低，可见，FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。第51页/共53页第52页/共53页感谢您的观看。第53页/共53页