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1、第三章第三章 模拟调制系统模拟调制系统引言引言1幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能2非线性调制的原理及抗噪声性能非线性调制的原理及抗噪声性能3各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较4本章内容本章内容:频分复用频分复用(FDM)5复合调制及多级调制的概念复合调制及多级调制的概念62本章重点本章重点 模拟通信系统的原理，各种模拟调制模拟通信系统的原理，各种模拟调制方式及抗噪声性能比较！方式及抗噪声性能比较！模拟调制模拟调制:线性调制线性调制:AM,DSB,SSB,VSB:AM,DSB,SSB,VSB 非线性调制非线性调制:FM,PM:FM,PM35.1 5.1 引言引言调制
2、：用调制信号去控制载波某个参数调制：用调制信号去控制载波某个参数(幅度、频率、相位幅度、频率、相位)。调制信号调制信号 m(t)（信息信号）（信息信号）调制器调制器已调信号已调信号s(t)（传输信号）（传输信号）载波信号载波信号c(t)(单音正弦波单音正弦波)连续变化的模拟量连续变化的模拟量模拟调制模拟调制离散的数字量离散的数字量(二进制数字脉冲二进制数字脉冲)数字调制数字调制(单频正弦波单频正弦波)连续波形连续波形连续波调制连续波调制脉冲波形脉冲波形脉冲调制脉冲调制(矩形周期脉冲矩形周期脉冲)4调制的分类调制的分类载波信号不同：载波信号不同：调制信号不同：调制信号不同：模拟调制：调制信号是连
3、续变化的模拟信号模拟调制：调制信号是连续变化的模拟信号数字调制：调制信号是离散的数字信号数字调制：调制信号是离散的数字信号连续波调制：载波信号是连续波形连续波调制：载波信号是连续波形脉冲调制：载波信号是脉冲波形脉冲调制：载波信号是脉冲波形5调制的分类调制的分类被调制载波参数不同：被调制载波参数不同：幅度调制：载波幅度随调制信号变化幅度调制：载波幅度随调制信号变化频率调制：载波频率随调制信号变化频率调制：载波频率随调制信号变化相位调制：载波相位随调制信号变化相位调制：载波相位随调制信号变化频谱的变化：频谱的变化：已调信号与输入信号频谱之已调信号与输入信号频谱之间间呈线性搬移呈线性搬移已调信号与输
4、入信号频谱之间已调信号与输入信号频谱之间呈非线性搬移呈非线性搬移线性调制：线性调制：非线性调制：非线性调制：sm(f)线性调制非线性调制m(f)sm(f)频谱之间呈线性搬移关系：频谱之间呈线性搬移关系：AM、ASK频谱之间没有线性对应关系：频谱之间没有线性对应关系：FM、PM、FSK 65.2.1 5.2.1 幅度调制的原理幅度调制的原理设正弦型载波为设正弦型载波为:式中，式中，A A 载波幅度；载波幅度；c c 载波角频率；载波角频率；0 0 载波初始相位。载波初始相位。幅度调制信号幅度调制信号(已调信号已调信号)可表示成可表示成:式中，式中，m m(t t)基带调制信号基带调制信号。7假设
5、假设m m(t t)M M()，则已调信号的频谱为，则已调信号的频谱为:结论结论:已调信号的幅度随基带信号正比变化已调信号的幅度随基带信号正比变化,频谱是基带信号频谱的简单搬移。频谱是基带信号频谱的简单搬移。由于这种搬移由于这种搬移是线性的，因此幅度调制又称为线性调制。是线性的，因此幅度调制又称为线性调制。注意注意:“:“线性线性”并不意味着已调信号与调制并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。信号之间符合线性变换关系。8Otm(t)调制信号调制信号叠加直流叠加直流m0Ot0 0m0+m(t)OtAmaxOts sAM(t t)Amin时域表示时域表示（1）标准调幅）标准调幅 AM9
6、时域波形时域波形 当当m m0 0|mm(t t)|)|maxmax时已时已调信号包络与调制信调信号包络与调制信号波形相同，用包络号波形相同，用包络检波法可以恢复出原检波法可以恢复出原始调制信号。始调制信号。否则否则,出现出现“过调过调幅幅”现象现象，包络检波，包络检波失效。失效。Amin A max10 m(t)max m0将会出现过调幅现象而产生包络失真将会出现过调幅现象而产生包络失真,不能用包不能用包络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用相干解调络检波器进行解调，为保证无失真解调，可以采用相干解调 当满足条件当满足条件 m(t)max m0时，时，AM信号的包络与调制信号成正信号的
7、包络与调制信号成正比，比，可以用包络检波法很容易恢复出原始的调制信号可以用包络检波法很容易恢复出原始的调制信号重要参数：调幅指数AMAM调制波形分析调制波形分析Otm(t)AmaxOts sAMAM(t t)Amin满调幅满调幅,=1，此时，此时m=m0 欠调幅欠调幅，一般一般 小于小于1过调幅过调幅，大于大于1，Amin为负值为负值11频谱频谱AM信号的频谱包含信号的频谱包含:载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带 上边带与原调制上边带与原调制信号的频谱结构相信号的频谱结构相同，下边带是上边同，下边带是上边带的镜像。带的镜像。载频分量载频分量下边带下边带上边带上边带单音调制单音调制12带宽
8、与功率分配带宽与功率分配调制信号功率：调制信号功率：调制信号带宽是基带信号带宽调制信号带宽是基带信号带宽f fH H的两倍：的两倍：所以所以载波功率载波功率边带功率边带功率13调制效率调制效率 有用功率（用于传输有用信息的边带功率）有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例称为调制效率。占信号总功率的比例称为调制效率。AM调制方式调制效率低！调制方式调制效率低！“满调幅满调幅”时，如果时，如果m(t)为矩形波形，则最大可得到为矩形波形，则最大可得到 AM=50%，而，而m(t)为正弦波时可得到为正弦波时可得到 AM=33.3%。一般情况下，一般情况下，调幅指数调幅指数都小于都小于
9、1，调制效率很低，即，调制效率很低，即载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占载波分量占据大部分信号功率，有信息的两个边带占有的功率较小。有的功率较小。14优点：可以采用包络检波法解调，不需本：可以采用包络检波法解调，不需本地同步载波信号，接收机成本很低。地同步载波信号，接收机成本很低。缺点：AM信号的调制效率比较低信号的调制效率比较低AMAM调制的优缺点调制的优缺点问题：能否去掉不带信息的载波，问题：能否去掉不带信息的载波，提高调制效率？提高调制效率？抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制15（2 2）双边带调制（）双边带调制（DSBDSB）时域表示式：无直流分量时域表示式：无直流分量A
10、 A0 0频域表达式：无载频分量频域表达式：无载频分量 16 时域表示时域表示抑制载波OtOtm(t)DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致信号的包络不再与调制信号的变化规律一致需采用相干解调（同步检波）需采用相干解调（同步检波）调制信号调制信号m(t)的过零点处高频载波相位有的过零点处高频载波相位有180o突变突变（2 2）双边带调制（）双边带调制（DSBDSB）17DSBDSB信号频谱分析信号频谱分析DSB信号节省了载波功率，调制效率为信号节省了载波功率，调制效率为100频带宽度仍是调制信号带宽的两倍频带宽度仍是调制信号带宽的两倍上、下两个边带是完全对称的上、下两个边带是完全对称的问
11、题：能否只传输其中一个边带，问题：能否只传输其中一个边带，节省带宽？节省带宽？单边带调制单边带调制18（3 3）单边带调制（）单边带调制（SSBSSB）双边带信号两个边带中的任意一个双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱都包含了调制信号频谱M M()的所有频谱的所有频谱信息，因此可以信息，因此可以只传输其中一个边带只传输其中一个边带。既节省发送功率，还可节省一半传输频既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制。带，这种方式称为单边带调制。19F+(w)/2F-(w)/2F+(w-wc)/4F-(w+wc)/4F+(w+wc)/4F-(w-wc)/4低通滤波器低通滤
12、波器高通滤波器高通滤波器20SSBSSB信号的频域表示式信号的频域表示式滤除下边带滤除下边带:滤除上边带滤除上边带:21以下边带为例：以下边带为例：其中，其中，22SSBSSB信号的时域表示信号的时域表示SSB的时域表示式：的时域表示式：所以所以:上边带上边带下边带下边带23SSBSSB时域波形时域波形一般情况：一般情况：单音调制：单音调制：24SSBSSB调制小结调制小结 SSB SSB信号信号DSBDSB一样，不能采用简单的包络检一样，不能采用简单的包络检波，因为它的包络不能直接反映调制信号的变波，因为它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以需采用相干解调。化，所以需采用相干解调。工程实现
13、困难？工程实现困难？25（4 4）残留边带调制（）残留边带调制（VSBVSB）残留边带调制是介于残留边带调制是介于SSBSSB与与DSBDSB之间的一种折之间的一种折中方式，它克服了中方式，它克服了DSBDSB信号占用频带宽的缺点，信号占用频带宽的缺点，又解决了又解决了SSBSSB信号实现中的困难。信号实现中的困难。损失部分损失部分残留部分残留部分26滤波法实现残留边带调制滤波法实现残留边带调制 滤波器的特性应按残留边带调制的要求进滤波器的特性应按残留边带调制的要求进行设计，不需要十分陡峭的截止特性，因而它行设计，不需要十分陡峭的截止特性，因而它比单边带滤波器容易设计。比单边带滤波器容易设计。
14、残留边带信号的频谱残留边带信号的频谱:27残留边带滤波器设计残留边带滤波器设计 从接收端分析滤从接收端分析滤波器的设计条件波器的设计条件!乘法器输出乘法器输出:对应频谱对应频谱:搬移到搬移到2 c c的高频分量的高频分量,低通滤波后去除低通滤波后去除!28残留边带滤波器设计残留边带滤波器设计:低通滤波器的输出低通滤波器的输出:若输出无失真地恢复调制信号若输出无失真地恢复调制信号m(t)，则传递，则传递函数必须满足：函数必须满足：其中，其中，H 调制信号的截止角频率。调制信号的截止角频率。29 残留边带滤波器的特性残留边带滤波器的特性H H()在在 c c处必须具有处必须具有互补对称（奇对称）互
15、补对称（奇对称）特性特性,相干解调时才能无失真地从相干解调时才能无失真地从残留边带信号中恢复所需的调制信残留边带信号中恢复所需的调制信号。号。30残留边带滤波器特性的两种形式残留边带滤波器特性的两种形式残留残留“部分上边带部分上边带”残留残留“部分下边带部分下边带”31VSBVSB时域波形时域波形一般情况：一般情况：单音调制：单音调制：32AMDSBSSBVSB2fH时域表达式时域表达式带宽带宽2fHfHfH2fH调制方式调制方式各种线性调制方式各种线性调制方式33例例5-15-1已知调幅信号的表达式为已知调幅信号的表达式为SAM(t)=1.25cos2(104)t+4cos2(1.1104)
16、t+1.25 cos2(1.2104)t试求：试求：1)载频为多少？载频为多少？2)调幅指数为多少？调幅指数为多少？3)调制频率为多少？调制频率为多少？1)载频为：载频为：2)调幅指数为调幅指数为:3)调制频率为：调制频率为：解：解：34幅度调制都属于线性调制，它的解调方式有两种：幅度调制都属于线性调制，它的解调方式有两种：非相干解调：非相干解调：利用信号的幅度信息。仅适用于标准利用信号的幅度信息。仅适用于标准 调幅信号的解调。调幅信号的解调。相干解调：有本地载波参与解调，利用信号的幅度相干解调：有本地载波参与解调，利用信号的幅度 信息和相位信息，可适用于各种幅度调信息和相位信息，可适用于各种
17、幅度调 制方式信号的解调。制方式信号的解调。(6)(6)线性调制的解调线性调制的解调35 原理：为了无失真地恢复基带信号，接收端原理：为了无失真地恢复基带信号，接收端必须提供必须提供与发送端载波严格同步（同频同相）的与发送端载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），本地载波（称为相干载波），它与接收信号相乘它与接收信号相乘低通滤波后，可得到原始的调制信号。低通滤波后，可得到原始的调制信号。相干解调器的一般模型相干解调器的一般模型 I I、相干解调、相干解调 36相干解调器时域分析相干解调器时域分析已调信号的表达式已调信号的表达式:与相干载波相乘与相干载波相乘:低通滤波低通滤波:各种线
18、性调制方式各种线性调制方式sI(t)都包含了都包含了m(t)信息信息!37 经乘法器后：经乘法器后：低通滤波：低通滤波：相干解调利用了已调信号中的幅度和相位信息。提取相干解调利用了已调信号中的幅度和相位信息。提取同相分量而抑制正交分量，能够无失真的恢复出原调制信同相分量而抑制正交分量，能够无失真的恢复出原调制信号，可用于各种调制方式。号，可用于各种调制方式。相干解调器频域分析相干解调器频域分析输入信号输入信号：38不同调制方式的相干解调不同调制方式的相干解调低通滤波和隔直后，低通滤波和隔直后，2 2）双边带信号）双边带信号与本地载波与本地载波c(tc(t)相乘相乘,低通滤波后，低通滤波后，1
19、1）标准调幅信号）标准调幅信号393 3、单边带信号、单边带信号 本地载波本地载波c(tc(t)相乘相乘经低通滤波后，经低通滤波后，4 4、残留边带信号、残留边带信号与本地载波与本地载波c(tc(t)相乘相乘经低通滤波后，经低通滤波后，40标准调幅信号的包络检波输入信号是AM信号且满足条件则经包络检波和低通后取出的幅度为 再经隔直流电路，得到包络检波非相干解调的最常用电路。具有电路简单、检波效率高等优点。但只能用于AM波的解调。DCRsd(t)sAM(t)II II、非相干解调、非相干解调(包络检波包络检波)415.2.2 5.2.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能AWGN平
20、稳窄带高斯噪声同相分量正交分量平均功率为N i若白噪声的单边功率谱密度为n0带宽应等于已调信号的频带宽度，当然也是窄带噪声ni(t)的带宽，若（AM/DSB）带通滤波器的带宽是2fH42噪声分析噪声分析n ni i(t t)为平稳窄带高斯噪声为平稳窄带高斯噪声:解调器输入噪声功率解调器输入噪声功率:带通滤波器带宽带通滤波器带宽单边功率谱密度单边功率谱密度43信噪比增益信噪比增益(制度增益制度增益)用用G G便于比较同类调制系统采用不同解调器时便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能的性能,也反映了调制制度的优劣。也反映了调制制度的优劣。信噪比增益定义信噪比增益定义:其中其中,44（1 1）D
21、SBDSB调制系统的性能调制系统的性能 由于相干解调器是线性系统，可以分别计由于相干解调器是线性系统，可以分别计算解调器输出的信号功率和噪声功率。算解调器输出的信号功率和噪声功率。45DSBDSB系统信噪比增益系统信噪比增益DSBDSB调制系统的信噪比增益为调制系统的信噪比增益为2,2,即解调器即解调器使信噪比改善一倍。使信噪比改善一倍。原因是采用相干解调，使输入噪声中的正原因是采用相干解调，使输入噪声中的正交分量被抑制。交分量被抑制。49SSBSSB系统信噪比增益系统信噪比增益 SSB SSB系统中，信号和噪声有相同表示形系统中，信号和噪声有相同表示形式，相干解调过程中，式，相干解调过程中，
22、信号和噪声中的正信号和噪声中的正交分量均被抑制交分量均被抑制，故信噪比没有改善。，故信噪比没有改善。52DSBDSB和和SSBSSB两者的输出信噪比是在不同的输入信两者的输出信噪比是在不同的输入信号功率情况下得到的号功率情况下得到的。如果我们在相同的输入信号功率如果我们在相同的输入信号功率Si，相同输入，相同输入噪声功率谱密度噪声功率谱密度n0，相同基带信号带宽条件下，相同基带信号带宽条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比输出信噪比是相等的。是相等的。结论：结论：DSBDSB和和SSBSSB信号的抗噪声性能是相同的，但双边带信信号的抗
23、噪声性能是相同的，但双边带信号所需的传输带宽是单边带的号所需的传输带宽是单边带的2 2倍倍 53m0为载波幅度，m(t)为调制信号。这里仍假设m(t)的均值为0，解调器的输入信号解调器的输入信号解调器的输入噪声解调器的输入噪声解调器的输入信噪比解调器的输入信噪比解调器的输出信号解调器的输出信号解调器的输出噪声解调器的输出噪声解调器的输出信噪比解调器的输出信噪比(3)AM(3)AM相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能54（4 4）AMAM包络检波的性能包络检波的性能检波输出电压正比于输入信号的包络变化检波输出电压正比于输入信号的包络变化 55解调器输入信噪比计算解调器输入信噪比计算输入信号功
24、率输入信号功率:输入噪声功率输入噪声功率:输入信噪比输入信噪比:带通滤波器带宽带通滤波器带宽2f2fH H56解调器输入是信号加噪声的混合波形解调器输入是信号加噪声的混合波形:当包络检波器的传输系数为当包络检波器的传输系数为1 1时，则检波器时，则检波器的输出就的输出就E(t)。输出信号包络的计算输出信号包络的计算其中其中,57输出信噪比计算输出信噪比计算大信噪比情况大信噪比情况有用信号与噪声独立分成两项有用信号与噪声独立分成两项58输出信号功率输出信号功率:输出噪声功率输出噪声功率:输出信噪比输出信噪比:信噪比增益信噪比增益:59小信噪比情况小信噪比情况小信噪比情况小信噪比情况其中其中R(t
25、)和和 (t)代表噪声的包络及相位：代表噪声的包络及相位：60输出信噪比不随着输入信噪比按比例下降，输出信噪比不随着输入信噪比按比例下降，而是急剧恶化，这种现象称为解调器的而是急剧恶化，这种现象称为解调器的门限效应门限效应,出现门限效应的输入信噪比称为出现门限效应的输入信噪比称为门限值门限值。因为因为输出没有单独的信号项，有用信号被噪声扰乱输出没有单独的信号项，有用信号被噪声扰乱61n在在小小信信噪噪比比情情况况下下，包包络络检检波波无无法法提提取取有有用用信信号的现象称为解调器的号的现象称为解调器的“门限效应门限效应”。n开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。开始出现门限效应的输入信噪比称
26、为门限值。n门门限限效效应应是是由由包包络络检检波波器器的的非非线线性性解解调调作作用用所所引起的。引起的。n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。原原因因是是信信号号与与噪噪声声可可分分别别进进行行解解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。门限效应门限效应62门限效应小结门限效应小结1.1.门限效应是由包络检波器的非线性解调作用门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。相干解调不存在门限效应引起的。相干解调不存在门限效应,因为信号与因为信号与噪声分别进行解调，解调器输出端总是存在单噪
27、声分别进行解调，解调器输出端总是存在单独的信号项。独的信号项。2.2.大信噪比情况下，大信噪比情况下，AMAM信号包络检波器的性能信号包络检波器的性能与相干解调基本相同。当输入信噪比低于门限与相干解调基本相同。当输入信噪比低于门限值时，包络检波将会出现门限效应，输出信噪值时，包络检波将会出现门限效应，输出信噪比急剧恶化，系统无法正常工作。比急剧恶化，系统无法正常工作。63讨论讨论 1.AM 1.AM信号的调制制度增益信号的调制制度增益G GAMAM随随m m0 0的减小而增加。的减小而增加。2.G 2.GAMAM总是小于总是小于1 1，这说明对输入信噪比没有改善，这说明对输入信噪比没有改善，反
28、而恶化了。反而恶化了。3.AM 3.AM调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调制系统，在大信噪比时，采用包络检波器解调时的性能与同步检测器时几乎一样。但随着信噪比调时的性能与同步检测器时几乎一样。但随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出的减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应；一旦出现门限效应，解调器的输出信噪现门限效应；一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化。比将急剧恶化。例如：对于例如：对于100%的调制，且的调制，且m(t)是单频正弦信号，这是单频正弦信号，这时时AM 的最大信噪比增益为的最大信噪比增益为2/3。64调制的作用调制的作用、调制
29、的分类调制的分类AM、DSB、SSB和和VSB调制调制（时域、频域、功率分析）（时域、频域、功率分析）线性调制的一般模型（线性调制的一般模型（滤波法和相移法）相干相干/非相干解调非相干解调调幅指数、调制效率调幅指数、调制效率VSB滤波器需满足的特性滤波器需满足的特性滤波法和相移法产生滤波法和相移法产生抗噪声性能分析抗噪声性能分析AM信号相干信号相干/非相干解调非相干解调制度增益制度增益 小信噪比门限效应小信噪比门限效应频率相位误差的影响频率相位误差的影响655.35.3非线性调制的原理及抗噪声性能非线性调制的原理及抗噪声性能角度调制时间域上的特点：角度调制时间域上的特点：幅度始终不变；幅度始终
30、不变；角度（频率、相位）在变化。角度（频率、相位）在变化。载波的相位角受调制信号的控制而变化，产生具有恒载波的相位角受调制信号的控制而变化，产生具有恒定振幅和瞬时相角定振幅和瞬时相角(t)的正弦波，称之为角度调制。的正弦波，称之为角度调制。相位调制相位调制 PM 频率调制频率调制 FM非线性调制m(f)sm(f)频谱之间没有线性对应关系 角度调制方式调制前后频率分量不是线性对应关系，角度调制方式调制前后频率分量不是线性对应关系，经调制后将原来的频谱扩展到非常宽的频率范围之内经调制后将原来的频谱扩展到非常宽的频率范围之内传输，所以属于非线性调制。传输，所以属于非线性调制。665.3.1 5.3.
31、1 非线性调制的原理非线性调制的原理1 1、未调制载波、未调制载波2、角调制后、角调制后瞬时相位瞬时相位瞬时相位偏移瞬时相位偏移瞬时频率瞬时频率瞬时频率偏移瞬时频率偏移m(t)A(t)幅度调制幅度调制 m(t)角度调制角度调制固有相位固有相位固有频率固有频率67相位调制相位调制(PM)(PM)定义定义:瞬时相位偏移瞬时相位偏移随调制信号作线性变化，即随调制信号作线性变化，即 式中式中K KPMPM-调相灵敏度，单位是调相灵敏度，单位是rad/Vrad/V。时域表达式时域表达式:68瞬时相位：瞬时相位：调相波的表达式：调相波的表达式：KPM称为调相灵敏度，单位为弧度称为调相灵敏度，单位为弧度/伏
32、伏瞬时相位偏移瞬时相位偏移:瞬时相位偏移瞬时相位偏移随调制信号随调制信号m(t)而线性变化；而线性变化；最大相移：最大相移：69调相波的表达式：调相波的表达式：瞬时频率：瞬时频率：瞬时频率偏移：瞬时频率偏移：最大频偏：最大频偏：70瞬时频率：瞬时频率：最大频偏：最大频偏：最大相偏：最大相偏：调相指数调相指数瞬时相位：瞬时相位：单音调相单音调相 71 定义定义:瞬时频率偏移瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，随调制信号成比例变化，频率调制频率调制(FM)(FM)相位偏移相位偏移:时域表达式时域表达式:式中式中K KFMFM-调频灵敏度，单位是调频灵敏度，单位是rad/srad/s V V。72瞬时
33、频率：KFM称为调频灵敏度，单位为弧度/秒/伏瞬时频率偏移:瞬时频率偏移随调制信号m(t)而线性变化；最大频偏：调频波的表达式：调频波的表达式：73调频波的表达式：调频波的表达式：瞬时相位：瞬时相位：瞬时相位偏移：瞬时相位偏移：最大相移：最大相移：74调频指数调频指数教材为教材为mf 最大相偏：最大相偏：瞬时频率：瞬时频率：最大频偏：最大频偏：瞬时相位：瞬时相位：单音调频单音调频75PMPM与与 FMFM的关系的关系 1.PM 1.PM的的相位偏移随调制信号相位偏移随调制信号m(t)m(t)线性变化，线性变化，FMFM的的相位偏移随相位偏移随m(tm(t)的积分的积分呈线性变化。呈线性变化。2
34、.2.如果不知道调制信号如果不知道调制信号m(tm(t)，则，则无法从已调无法从已调信号判断是调相信号还是调频信号信号判断是调相信号还是调频信号。76FMFM与与PMPM之间的联系之间的联系 （a a）直接调频）直接调频 （b b）间接调频）间接调频 (c)(c)直接调相直接调相 (d)(d)间接调相间接调相适用于宽带调制 适用于宽带调制 适用于窄带调制适用于窄带调制 实际相位调制器的调制范围有限 772.2.调频信号的带宽调频信号的带宽卡森（卡森（CarsonCarson）公式）公式 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!边频幅度随边频幅度随n n增大而减小，所以
35、认为频谱有增大而减小，所以认为频谱有限。限。通常信号频带宽度应包括幅度大于未调载通常信号频带宽度应包括幅度大于未调载波波10%10%以上的边频分量以上的边频分量。当。当FMFM 1 1时时,nnFMFM+1+1以以上的边频幅度均小于上的边频幅度均小于0.10.1。有效带宽有效带宽:78 调频信号所有频率分量的平均功率之和为常数且等于原来未调调频信号所有频率分量的平均功率之和为常数且等于原来未调制的载波功率。制的载波功率。调制前后总的功率不变，只是将原来载波功调制前后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。率中的一部分分配给每个边频分量。调制的过程使功率进行调制的过程使功率
36、进行了再分配。了再分配。不同时将有不同的分配。不同时将有不同的分配。3 3、调频信号的功率分配、调频信号的功率分配信号功率：信号功率：第第n n对边频功率：对边频功率：载波功率：载波功率：79 100MHz的载波，受振幅为的载波，受振幅为1v的的10KHz的单频正弦调的单频正弦调频，最大频偏为频，最大频偏为1MHz，求求:1)FM信号的带宽信号的带宽；2)调制信号幅度加倍时，调制信号幅度加倍时，FM信号的带宽；信号的带宽；3)调制信号频率加倍时，调制信号频率加倍时，FM信号的带宽；信号的带宽；1)调制信号幅度增大，使最大频偏增加，带宽也增加；调制信号幅度增大，使最大频偏增加，带宽也增加；2)调
37、制信号频率增大，由于不改变最大频偏，因此带宽增加很少。调制信号频率增大，由于不改变最大频偏，因此带宽增加很少。讨论：讨论：1)2)3)例例5-55-580直接法就是用调制信号直接控制振荡器的频率，直接法就是用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化使其按调制信号的规律线性变化 优点优点:在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。缺点缺点:频率稳定度不高。频率稳定度不高。锁相环（锁相环（PLL）调制器，可）调制器，可以获得高质量的以获得高质量的FM或或PM信号。其载频稳定度很高，信号。其载频稳定度很高，可以达到晶体振荡器的频可以达到
38、晶体振荡器的频率稳定度率稳定度 1、直接法直接法压控振荡器自身就是一个压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即：正比于输入控制电压，即：i(t)=c+Kf m(t)5.3.4 5.3.4 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调81间接法调频间接法调频 阿姆斯特朗阿姆斯特朗ArmstrongArmstrong法法 原理原理:先将调制信号积分，然后对载波进行调先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个窄带调频相，即可产生一个窄带调频(NBFM)(NBFM)信号，再经信号，再经n n次次倍频得到宽带调频倍频得到宽带调频(WBFM)(W
39、BFM)信。信。倍频器的作用是提高调频指倍频器的作用是提高调频指数，从而获得宽带调频数，从而获得宽带调频 82相干解调：只适用于相干解调：只适用于NBFMNBFM、NBPMNBPM信号信号非相干解调：适用于所有非相干解调：适用于所有FMFM和和PMPM信号信号 窄带调频信号可以分解成为正交分量和同相分量，窄带调频信号可以分解成为正交分量和同相分量，而相干解调则是抑制一种分量提取一种分量。而相干解调则是抑制一种分量提取一种分量。带通滤波器带通滤波器低通滤波器低通滤波器微分器微分器SNBFM(t)si(t)sp(t)sd(t)so(t)c(t)=-sin ct 一、相干解调一、相干解调5.3.5
40、5.3.5 角度调制信号的解调角度调制信号的解调83带通滤波器低通滤波器微分器SNBFM(t)si(t)sp(t)sd(t)so(t)c(t)=-sin ct 1、相干解调、相干解调(只适用于只适用于NBFM、NBPM信号信号)相乘后，低通后，微分后，m(t)调制信号存在于调制信号存在于正交分量中正交分量中84注意：相干解调仅适用于窄带角度调制信号的解调注意：相干解调仅适用于窄带角度调制信号的解调带通滤波器带通滤波器低通滤波器低通滤波器SNBPM(t)si(t)sp(t)so(t)c(t)=-sin ct 窄带调相信号相干解调原理框图窄带调相信号相干解调原理框图窄带调相与窄带调频类似，只是不需
41、要微分器。窄带调相与窄带调频类似，只是不需要微分器。85削去调频波在传输过程中引起削去调频波在传输过程中引起的幅度变化部分，变成固定幅的幅度变化部分，变成固定幅度度 将幅度恒定的将幅度恒定的调频波变成调调频波变成调幅调频波幅调频波 从幅度变化中从幅度变化中检出调制信号检出调制信号 缺点：对于由信缺点：对于由信道噪声和其他原道噪声和其他原因引起的幅度起因引起的幅度起伏也有反应伏也有反应 a)FM信号限幅限幅带通带通滤波器滤波器低通低通滤波器滤波器微分器微分器si(t)sd(t)sp(t)so(t)包络包络检波器检波器sFM(t)鉴频器1、鉴频器、鉴频器二、非相干解调二、非相干解调(适用于所有调角
42、信号适用于所有调角信号)三种方法：鉴频器解调、环路解调器、频率反馈解调器三种方法：鉴频器解调、环路解调器、频率反馈解调器 87SPM(t)=A0cos ct+KPMm(t)sp(t)=dsPM(t)/dt=-A0 c+KPMdm(t)/dt sin ct+KPMm(t)sd(t)=KDKPMA0dm(t)/dtso(t)=sd(t)dt=KDKPMA0m(t)m(t)带通带通滤波器滤波器限幅器限幅器鉴频器鉴频器LPFsPM(t)si(t)sd(t)so(t)积分器积分器sP(t)增加一个积分器增加一个积分器各点信号表示：各点信号表示：b)PMb)PM信号非相干解调信号非相干解调 调频信号的解调
43、有相干解调和非相干解调两种。相干解调仅适用调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号；于窄带调频信号，且需同步信号；非相干解调适用于窄带和宽带调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是频信号，而且不需同步信号，因而是FM系统的主要解调方式。系统的主要解调方式。88相干解调的抗噪声性能小结相干解调的抗噪声性能小结窄带调频信号相干解调的抗噪声性能窄带调频信号相干解调的抗噪声性能窄带调相信号相干解调的抗噪声性能窄带调相信号相干解调的抗噪声性能 信噪比增益为：信噪比增益为：输出信噪比为：输出信噪比为：对于单音调制对于单音调制:输出信噪比为：输出信噪比
44、为：信噪比增益为：信噪比增益为：对于单音调制对于单音调制:89 单音调制时在不同调制指数下，调频解调器的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。输出信噪比与输入信噪比的关系曲线。1 1、门限值与调制指数有关，、门限值与调制指数有关，调制指调制指 数越大，门限值越高数越大，门限值越高。一般认为。一般认为 门限值为门限值为10dB10dB左右。左右。2 2、在门限值以上时，在门限值以上时，(S So o/N No o)FMFM与与(S Si i/N Ni i)FMFM呈线性关系呈线性关系，且调制指，且调制指数越大，输出信噪比的改善越明数越大，输出信噪比的改善越明显
45、。显。90 门限效应是门限效应是FMFM系统存在的一个实际问题系统存在的一个实际问题,尤尤其在远距离通信和卫星通信等领域中。实际中其在远距离通信和卫星通信等领域中。实际中降低门限值（门限扩展）降低门限值（门限扩展）有两类方法：有两类方法：1、采用锁相环解调器和负反馈解调器，门、采用锁相环解调器和负反馈解调器，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。2、采用、采用“预加重预加重”和和“去加重去加重”技术改善技术改善调频解调器的输出信噪比，相当于改善了门限。调频解调器的输出信噪比，相当于改善了门限。91预加重和去加重预加重和去加重 鉴频器输出噪声功率谱随频率呈抛物线形鉴频
46、器输出噪声功率谱随频率呈抛物线形状增大，但在调频广播中所传送的语音信号能状增大，但在调频广播中所传送的语音信号能量却主要分布在低频端，所以高频端输出信噪量却主要分布在低频端，所以高频端输出信噪比明显较小。比明显较小。去加重：在解调器输出端接一个传输特性随频率去加重：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增加而滚降的线性网络Hd(f)，将调制频率高频端的，将调制频率高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。噪声衰减，使总的噪声功率减小。预加重：在调制器前加入一个预加重网络预加重：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，以抵消去加重网人为地提升调制信号的高
47、频分量，以抵消去加重网络的影响。络的影响。92实现框图实现框图 由于信号功率没有发生变化，调频解调器的输出信由于信号功率没有发生变化，调频解调器的输出信噪比的改善程度用加重前后输出噪声功率的比值确定。噪比的改善程度用加重前后输出噪声功率的比值确定。在保持信号传输带宽不变的条件下，可使输出信在保持信号传输带宽不变的条件下，可使输出信噪比提高噪比提高6dB6dB左右。左右。935.4 5.4 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较 WBFM WBFM抗噪声性能最抗噪声性能最好，好，DSBDSB、SSBSSB、VSBVSB抗噪声性能次之，抗噪声性能次之，AMAM抗噪声性能最差。抗噪声性能最差。
48、94调频系统与调幅系统比较调频系统与调幅系统比较 设设调调频频与与调调幅幅信信号号均均为为单单音音调调制制，调调制制信信号号频频率率为为fmfm，调调幅幅信信号号为为100%100%调调制制。当当两两者者的的接接收收功功率率S Si i相相等等，信信道道噪噪声声功功率率谱谱密密度度n n0 0相相同同时时，比比较较调调频频系系统统与与调调幅幅系系统的抗噪声性能。统的抗噪声性能。调频系统以带宽换取抗噪声性能！调频系统以带宽换取抗噪声性能！95频带利用率频带利用率 1 1）SSBSSB系统和基带系统频带利用率最高；系统和基带系统频带利用率最高；2 2）FMFM系统频带利用率最低。系统频带利用率最低
49、。96AM：优点：接收设备简单；优点：接收设备简单；缺点：频带利用率低，功率利用率低，抗干扰能力缺点：频带利用率低，功率利用率低，抗干扰能力差；差；应用：通信质量要求不高的场合，目前主要用在中应用：通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中波和短波的调幅广播中。DSB：优点：功率利用率高；优点：功率利用率高；缺点：接收要求同步解调，设备较复杂缺点：接收要求同步解调，设备较复杂；应用：只用于点对点的专用通信，运用不太广泛。应用：只用于点对点的专用通信，运用不太广泛。各种调制方式小结各种调制方式小结97SSB：优点：功率利用率和频带利用率都较高优点：功率利用率和频带利用率都较高；缺
50、点：发送和接收设备都复杂缺点：发送和接收设备都复杂；应用：频带比较拥挤的场合，如短波波段的的无线应用：频带比较拥挤的场合，如短波波段的的无线电广播和频分多路复用系统中。电广播和频分多路复用系统中。VSB：在在VSB系统中，附加一个足够大的载波，用包络检系统中，附加一个足够大的载波，用包络检波法解调合成信号（波法解调合成信号（VSB+C）。）。优点：综合了优点：综合了AM、SSB和和DSB三者的优点三者的优点；应用：商用电视广播系统应用：商用电视广播系统。98WBFM：优点：幅度恒定不变，对非线性器件不甚敏感，抗优点：幅度恒定不变，对非线性器件不甚敏感，抗干扰能力强干扰能力强；缺点：频带利用率低