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1、通信原理课件模拟调制角度调制系统第1页，共92页，编辑于2022年，星期三24.1基本定义基本定义4.2窄带角度调制窄带角度调制4.3宽带调频（宽带调频（WBFM）4.4宽带调相（宽带调相（WBPM）4.5宽带角调波的产生宽带角调波的产生4.6宽带角调的解调方法宽带角调的解调方法4.7窄带角调系统的噪声性能窄带角调系统的噪声性能4.8宽带调频宽带调频(WBFM)的噪声性能的噪声性能4.9宽带调相宽带调相(WBPM)的噪声性能的噪声性能4.10调频调频(FM)的门限效应的门限效应4.11环路解调器环路解调器4.12调频中的预加重和去加重调频中的预加重和去加重4.13小结小结 主要内容主要内容主要
2、内容主要内容第2页，共92页，编辑于2022年，星期三3角度调制角度调制：载波相角受调制信号的控制而变化，振幅不变频率调制频率调制：调频广播、电视伴音、遥测等 相位调制相位调制：移相键控、间接调频，实际中较少采用特点：抗干扰性好、发射机效率高、占用频带宽（宽带FM)、设备复杂角调波：4.1 4.1 基本定义基本定义第3页，共92页，编辑于2022年，星期三4一、调相波一、调相波PM正弦波的瞬时相位 与调制信号 呈线性关系 调相指数调相指数最大频率偏移最大频率偏移第4页，共92页，编辑于2022年，星期三5二、调频波二、调频波FM正弦波的瞬时频率 与调制信号 呈线性关系 第5页，共92页，编辑于
3、2022年，星期三6三、FM和PM之间的关系 PM FM瞬时相角瞬时相位偏移最大相位偏移瞬时频率最大频率偏移返回返回第6页，共92页，编辑于2022年，星期三7nFM和PM之间的关系（P88 图4.1-1)尽尽管管FM和和PM是是角角调调波波的的不不同同形形式式，但但无无本本质质区区别别。载载波波相相位位的的任任何何变变化化都引起频率的变化，反之亦然。都引起频率的变化，反之亦然。FM和和PM只是频率和相位的变化规律不同而已。只是频率和相位的变化规律不同而已。第7页，共92页，编辑于2022年，星期三8FM:调频指数调频指数PM:调相指数调相指数第8页，共92页，编辑于2022年，星期三9n单音
4、调制时各参量间的关系单音调制时各参量间的关系(p88图图4.1-2)保持调制信号幅度不变，改变调制频率的办法可以区别FM与PM返回返回第9页，共92页，编辑于2022年，星期三10nAM、FM和和PM的波形图的波形图(p89图图4.1-3)注意：FM和PM由于它们的变化规律不同，因此系统性能不同第10页，共92页，编辑于2022年，星期三114.2 4.2 窄带角度调制窄带角度调制一、窄带调频一、窄带调频(NBFM)nNBFM数学模型数学模型(p90图图4.2-1)第11页，共92页，编辑于2022年，星期三12NBFM与调幅波的频谱比较与调幅波的频谱比较相同点相同点:(1)两者都有载频分量、
5、和上下边带 (2)频谱宽度相同为不同点：不同点：(1)NBFM的边带频谱有频率特性 (2)NBFM负频域的边带频谱反转180第12页，共92页，编辑于2022年，星期三13单频窄带调频举例：单频窄带调频举例：第13页，共92页，编辑于2022年，星期三14二、窄带调相二、窄带调相(NBPM)NBPM数学模型数学模型p第14页，共92页，编辑于2022年，星期三15NBPM的频谱的频谱NBPM相同点相同点:(1)AM,NBFM,NBPM三者都有载频分量、和上下边带 (2)频谱宽度相同不同点：不同点：(1)与NBFM比较，NBPM的边带频谱没有频率特性 (2)与AM比较，NBPM正频域相移 ，负频
6、域相移第15页，共92页，编辑于2022年，星期三16单频窄带调相举例：单频窄带调相举例：nNBPM的频谱的频谱第16页，共92页，编辑于2022年，星期三17AM、NBFM和和NBPM的频谱比的频谱比较较第17页，共92页，编辑于2022年，星期三18三、窄带角调的解调方法三、窄带角调的解调方法相干解调方法相干解调方法与宽带角调一样，均可采用非相干解调方法与宽带角调一样，均可采用非相干解调方法第18页，共92页，编辑于2022年，星期三194.3 4.3 宽带调频（宽带调频（WBFMWBFM）一、单频信号调频一、单频信号调频可以分别展成以贝塞尔其中和函数为系数三角级数第19页，共92页，编辑
7、于2022年，星期三20单频调制时宽带调频的频谱单频调制时宽带调频的频谱(1)宽带调频频谱由载频分量和无穷多个边频分量组成(2)n为偶数时，上下边频具有相同的符号，n为奇数时，上下边频分量 符号相反讨论：讨论：第20页，共92页，编辑于2022年，星期三21第一类贝塞尔函数第一类贝塞尔函数(1)当 ，FM仅由载频和 一对边频分量组成NBFM (2)当 增大时，载频分量幅度减小，有显著幅度的边频数目增加，增大，贝塞尔函数接近减幅的正弦波，当 ,的幅值迅速减小(3)贝塞尔函数有零点，且分布不均匀特点：第21页，共92页，编辑于2022年，星期三22二、调频信号的带宽二、调频信号的带宽贝塞尔函数趋于
8、0，FM高阶频谱分量忽略通常，按n+1来计算带宽，n+1时，均有Jn()10%，即边频分量幅度未调载波分量幅度的 10%，将FM信号的有效频谱取到 次边频FM带宽带宽(卡森公式卡森公式)第22页，共92页，编辑于2022年，星期三23讨论讨论FM带宽与调频指数带宽与调频指数FM的关系的关系（1）正弦调制信号）正弦调制信号f(t)的的m不变不变,Am变化变化(与与FM变化成正比变化成正比)第23页，共92页，编辑于2022年，星期三24(2)f(t)的的Am不变不变,m变化变化第24页，共92页，编辑于2022年，星期三25三、调频信号的功率分布三、调频信号的功率分布第第n对边频功率对边频功率第
9、25页，共92页，编辑于2022年，星期三26边频功率边频功率第26页，共92页，编辑于2022年，星期三27讨论：讨论：(1)FM信号的总功率信号的总功率=未调频波功率未调频波功率(2)虽然总功率不变，但载波和边带之间虽然总功率不变，但载波和边带之间的功率分配与调频有关，的功率分配与调频有关，增加时，增加时，减小，效率增加，边频数目增多带宽加大减小，效率增加，边频数目增多带宽加大FM波效率可以任意接近波效率可以任意接近100%第27页，共92页，编辑于2022年，星期三28四四、多频调制讨论、多频调制讨论利用三角函数的公式展开频谱：除了包含频谱：除了包含和和的边带的边带以外以外还包括还包括第
10、28页，共92页，编辑于2022年，星期三29与调幅不同，幅度调制边带服从叠加原理，与调幅不同，幅度调制边带服从叠加原理，没有交叉调制或交叉乘积项没有交叉调制或交叉乘积项对于任意调制信号的对于任意调制信号的FM波波结论结论 ：在复合信号调制下带宽取决于幅度最大且在复合信号调制下带宽取决于幅度最大且频率为基带中最高有效频率频率为基带中最高有效频率 的单音的单音 若用若用D D表示最大频偏与表示最大频偏与 的比值的比值(频率偏移率频率偏移率),),则任意则任意调制信号的调制信号的FMFM波带宽仍可用卡森公式近似波带宽仍可用卡森公式近似第29页，共92页，编辑于2022年，星期三304.4 4.4
11、宽带调相（宽带调相（WBPMWBPM）PMPM波的不同频率分量具有不同的相位，波的不同频率分量具有不同的相位，PMPM和和FMFM除了相位差除了相位差 以外，幅度都以外，幅度都与贝塞尔函数成比例，带宽计算仍可用卡森公式与贝塞尔函数成比例，带宽计算仍可用卡森公式第30页，共92页，编辑于2022年，星期三31WBFM和和WBPM的带宽的带宽FM 与 成反比，PM 与 无关当 固定，FM和PM带宽都随调制指数的增加而增加 第31页，共92页，编辑于2022年，星期三324.54.5宽带角调波的产生宽带角调波的产生宽带角调波的产生方法宽带角调波的产生方法:直接法和直接法和间接法间接法1直接法直接法直
12、直第32页，共92页，编辑于2022年，星期三33若回路电容随着信号线性变化，即若回路电容随着信号线性变化，即则瞬时频率则瞬时频率第33页，共92页，编辑于2022年，星期三34直接法优点直接法优点：可以得到很大的频偏：可以得到很大的频偏缺点：频率稳定度不高缺点：频率稳定度不高自动频率控制系统自动频率控制系统鉴频器输出电压与输入信号瞬时频偏成正比鉴频器输出电压与输入信号瞬时频偏成正比第34页，共92页，编辑于2022年，星期三352间接法间接法阿姆斯特朗间接法阿姆斯特朗间接法优点：优点：频率稳定度好频率稳定度好缺点：电路复杂缺点：电路复杂第35页，共92页，编辑于2022年，星期三例子：例子：
13、已知调制信号频率为已知调制信号频率为1KHZ1KHZ，调频指数，调频指数1 1，第一个载频，第一个载频100KHz100KHz，第，第二个载频二个载频9.2MHz9.2MHz。希望输出频率为。希望输出频率为100MHZ100MHZ，频偏为，频偏为80kHZ80kHZ的的FMFM波，波，试确定两个倍频次数？（变频后取和频）试确定两个倍频次数？（变频后取和频）第36页，共92页，编辑于2022年，星期三37 4.6 4.6宽带角调的解调方法宽带角调的解调方法相干解调：窄带角调相干解调：窄带角调非相干解调：窄带角调、宽带角调非相干解调：窄带角调、宽带角调1 1、鉴频器、鉴频器：输出电压瞬时幅度与输入
14、调频波：输出电压瞬时幅度与输入调频波 瞬时频偏成正比瞬时频偏成正比第37页，共92页，编辑于2022年，星期三38鉴频器数学模型鉴频器数学模型第38页，共92页，编辑于2022年，星期三39宽带调相宽带调相:可以用鉴频器来解调可以用鉴频器来解调第39页，共92页，编辑于2022年，星期三402、锁相环锁相环(PLL)解调器：鉴相器解调器：鉴相器(PD)、环路滤波器、环路滤波器(LPF)、VCO锁相环是一个相位误差控制系统，它比较输入信号和锁相环是一个相位误差控制系统，它比较输入信号和VCO的的输出信号之间的相位差，产生误差控制电压来调整输出信号之间的相位差，产生误差控制电压来调整VCO的频率的
15、频率以达到与输入信号同频的目的。以达到与输入信号同频的目的。锁相环有很好的跟踪性能锁相环有很好的跟踪性能第40页，共92页，编辑于2022年，星期三41锁相环鉴频的原理锁相环鉴频的原理认为认为VCO频率频率与输入与输入FM信号瞬时频率信号瞬时频率相等相等经过隔直后经过隔直后锁相环：解调锁相环：解调PM信号，在输出端加一个积分器就可以了信号，在输出端加一个积分器就可以了锁相环具有良好的噪声性能，锁相环具有良好的噪声性能，PLL解调器又叫做门限扩张解调器又叫做门限扩张解调器或低门限解调器解调器或低门限解调器第41页，共92页，编辑于2022年，星期三424.74.7窄带角调系统的噪声性能窄带角调系
16、统的噪声性能1、NBPM的噪声性能的噪声性能BPF的带宽的带宽输入信号功率输入信号功率(1)解调器输入端信噪比解调器输入端信噪比第42页，共92页，编辑于2022年，星期三43输入信噪比输入信噪比求输出噪声功率求输出噪声功率(2)解调器输出端信噪比解调器输出端信噪比输出信噪比输出信噪比第43页，共92页，编辑于2022年，星期三44(3)信噪比增益信噪比增益第44页，共92页，编辑于2022年，星期三452、NBFM的噪声性能的噪声性能BPF的带宽的带宽(1)解调器输入端信噪比解调器输入端信噪比(与与NBPM相同相同)输入信号功率输入信号功率第45页，共92页，编辑于2022年，星期三46(2
17、)解调器输出端信噪比解调器输出端信噪比输出信号功率输出信号功率(2)解调器输出端信噪比解调器输出端信噪比下面求输出噪声功率下面求输出噪声功率P点噪声功率谱密度点噪声功率谱密度为为通过微分电路的结果通过微分电路的结果第46页，共92页，编辑于2022年，星期三47相干解调前后的噪声功率谱相干解调前后的噪声功率谱第47页，共92页，编辑于2022年，星期三48输出噪声功率输出噪声功率输出信噪比输出信噪比(3)信噪比增益信噪比增益第48页，共92页，编辑于2022年，星期三492即即NBFM的噪声性能优于的噪声性能优于NBPM，可以改善输入信噪比，可以改善输入信噪比,相干解调不存在门限效应。相干解调
18、不存在门限效应。第49页，共92页，编辑于2022年，星期三504.8 4.8 宽带调频宽带调频(WBFM)(WBFM)的噪声性能的噪声性能分析模型分析模型BPFBPF带宽带宽第50页，共92页，编辑于2022年，星期三51(1)鉴频器输入端信噪比鉴频器输入端信噪比鉴频器的输入信号功率鉴频器的输入信号功率输入信噪比输入信噪比(2)解调器输出端信噪比解调器输出端信噪比非相干解调是非线性过程，但当非相干解调是非线性过程，但当大信噪比大信噪比时仍可近似线性时仍可近似线性首先计算输出信号功率，不考虑噪声首先计算输出信号功率，不考虑噪声为鉴频增益为鉴频增益第51页，共92页，编辑于2022年，星期三52
19、下面计算输出噪声功率，假设下面计算输出噪声功率，假设f(t)=0鉴频器输入为未调载波信号加窄带噪声鉴频器输入为未调载波信号加窄带噪声1/2第52页，共92页，编辑于2022年，星期三53P43,2.7-10注意与噪声通过注意与噪声通过乘法器区分乘法器区分第53页，共92页，编辑于2022年，星期三54n0第54页，共92页，编辑于2022年，星期三55鉴频器输出噪声功率谱与鉴频器输出噪声功率谱与成正比，是抛物线型成正比，是抛物线型.第55页，共92页，编辑于2022年，星期三56输出信噪比输出信噪比(3)信噪比增益信噪比增益WFM门限效应现象门限效应现象与窄带调频相比与窄带调频相比第56页，共
20、92页，编辑于2022年，星期三57单频调制单频调制WBFM和和AM抗干扰性能比较抗干扰性能比较设载波幅度设载波幅度A，100调制调制(*)第57页，共92页，编辑于2022年，星期三58在高调频指数时，在高调频指数时，所以所以带宽与信噪比的互换带宽与信噪比的互换在在(*)中，若设中，若设是以抗噪性能来区分窄带调频和宽带调频的分界点是以抗噪性能来区分窄带调频和宽带调频的分界点第58页，共92页，编辑于2022年，星期三59 4.9 4.9宽带调相宽带调相(WBPM)(WBPM)的噪声性能的噪声性能(1)鉴频器输入端信噪比鉴频器输入端信噪比(与与FM时相同时相同)鉴频器的输入信号功率鉴频器的输入
21、信号功率输入信噪比输入信噪比第59页，共92页，编辑于2022年，星期三60调相波瞬时频偏调相波瞬时频偏(2)解调器输出端信噪比解调器输出端信噪比计算输出噪声功率，仍假设计算输出噪声功率，仍假设f(t)=0鉴频器输出噪声功率谱为鉴频器输出噪声功率谱为积分器的传递函数积分器的传递函数第60页，共92页，编辑于2022年，星期三61经过积分器后噪声功率谱为经过积分器后噪声功率谱为经过低通经过低通LPF后后输出噪声功率输出噪声功率输出信噪比输出信噪比第61页，共92页，编辑于2022年，星期三62(3)信噪比增益信噪比增益第62页，共92页，编辑于2022年，星期三634.104.10调频调频(FM
22、)(FM)的门限效应的门限效应门限效应是所有非相干解调器都存在的一种性质，当门限效应是所有非相干解调器都存在的一种性质，当FM解调器的输入信噪比在门限值以下，宽带调频改善解调器的输入信噪比在门限值以下，宽带调频改善噪声性能的作用迅速下降。噪声性能的作用迅速下降。一、概念一、概念第63页，共92页，编辑于2022年，星期三64假设输入信号为未调载波信号，假设输入信号为未调载波信号，不同输入信噪比的输出噪声不同输入信噪比的输出噪声尖峰噪声是尖峰噪声是产生门限效应产生门限效应的根源的根源第64页，共92页，编辑于2022年，星期三65二、分析尖峰噪声出现的原因二、分析尖峰噪声出现的原因(向量图定性解
23、释）向量图定性解释）1、无调制信号时、无调制信号时第65页，共92页，编辑于2022年，星期三66向量图向量图R大小和相角变化大小和相角变化都不大，只有平滑噪声都不大，只有平滑噪声AR2，在，在W1和和W2之间具有微分特性，而在较低频率之间具有微分特性，而在较低频率范围内则是平坦的。发送信号低频端范围内则是平坦的。发送信号低频端FM，高频端，高频端PM,W1选在选在f(t)频谱低频值下降频谱低频值下降3dB处处,W2选在选在f(t)最高频率之外最高频率之外.FM广播：广播：f1=W1/2=2.1KHz(R1C=75s)f2=W2/230KHz去加重网络：去加重网络：与预加重网络特性相反，与预加
24、重网络特性相反，RC低通滤波器低通滤波器W1为为3dB带宽，带宽，1/(R1C)第82页，共92页，编辑于2022年，星期三83nFMFM广播：仍应为广播：仍应为 f1=W1/2=2.1KHz(R1C=75s)f1=W1/2=2.1KHz(R1C=75s)第83页，共92页，编辑于2022年，星期三8423第84页，共92页，编辑于2022年，星期三85加重措施的信噪比改善加重措施的信噪比改善 FMFM广播广播 fm=15KHz 3dBfm=15KHz 3dB处处 f1=2.1KHzf1=2.1KHz Wm/W1=fm/f1=7.14 Wm/W1=fm/f1=7.14 代入或通过曲线：代入或通
25、过曲线：R RFMFM=21.3(13.3dB)=21.3(13.3dB)第85页，共92页，编辑于2022年，星期三86n讨论：讨论：1.W1R1.W1RFMFM,但会引起传输带宽增加。因为这时预加重网络趋于理但会引起传输带宽增加。因为这时预加重网络趋于理想微分器，相当于想微分器，相当于PMPM系统，微分过程会使最大频偏增大。系统，微分过程会使最大频偏增大。2.2.不能用不能用PMPM来代替来代替FMFM，预加重网络的传输函数低频段恒定，预加重网络的传输函数低频段恒定(FM(FM波波)，高频段具有微分特性，高频段具有微分特性(PM(PM波波)。第86页，共92页，编辑于2022年，星期三87
26、3、预加重可能引起带宽的增加、预加重可能引起带宽的增加保持预加重后最大频偏不变，设有一个传输系数保持预加重后最大频偏不变，设有一个传输系数K的网络，的网络，加入加入K后接收机输出信号功率是原来的后接收机输出信号功率是原来的K2倍，倍，FM广播：广播：Wm/W1=7.14时，时，K=0.2(10log0.2=-6.989dB)这时，这时，RFM=13.3-6.98=6.32dB(或或4.28倍倍)带限系统带限系统RFM无带宽限制时的无带宽限制时的RFMK K的值可根据加重前后调制信号功率不变来确定，的值可根据加重前后调制信号功率不变来确定，会使信噪比改善下降，如图会使信噪比改善下降，如图4.12
27、-3B4.12-3BR RFM FM=K=K2 2R RFMFM第87页，共92页，编辑于2022年，星期三88一切调制系统都可用加重技术来改善接收机的输出信噪比，一切调制系统都可用加重技术来改善接收机的输出信噪比，但在但在PM和调幅中效果不明显。因为输出噪声功率谱是常量和调幅中效果不明显。因为输出噪声功率谱是常量,不随频率增加。不随频率增加。AM：相干检测时：相干检测时N0/20w0-w0wSni(w)包络检波时，包络检波时，nd(t)=nc(t)第88页，共92页，编辑于2022年，星期三891 1调频广播调频广播 调频广播范围：调频广播范围：88-108MHz88-108MHz，电台间隔
28、，电台间隔200KHz200KHz，最大频偏最大频偏75KHz75KHz、最高调制频率、最高调制频率15KHz 15KHz 2 2 2 2模拟电视广播伴音模拟电视广播伴音模拟电视广播伴音模拟电视广播伴音最大频偏：最大频偏：25KHz25KHz、伴音最高频率一般为、伴音最高频率一般为15KHz15KHz、带宽为、带宽为80KHz80KHz第89页，共92页，编辑于2022年，星期三90 4.13 4.13 角调小结角调小结1 1、角度调制的定义，一般调相波和调频波的、角度调制的定义，一般调相波和调频波的表达式表达式，单单频调制频调制时的各个参量，尤其是调制指数。时的各个参量，尤其是调制指数。2
29、2、窄带角度调制的概念，带宽和解调方式。、窄带角度调制的概念，带宽和解调方式。3 3、宽带角调波的频谱分布，及卡森准则计算有效带宽、宽带角调波的频谱分布，及卡森准则计算有效带宽4 4、宽带调频的解调方法、宽带调频的解调方法:鉴频和锁相环解调鉴频和锁相环解调5 5、角调系统的、角调系统的抗噪性能抗噪性能分析方法分析方法6 6、调频的门限效应现象、调频的门限效应现象7 7、调频的预加重和去加重措施：原因和解决方法、调频的预加重和去加重措施：原因和解决方法第90页，共92页，编辑于2022年，星期三91抗噪声性能抗噪声性能调制方式调制方式参数参数信噪比增益（一般）信噪比增益(单频调制)输入信噪比输出信噪比NBPMNBFMWBPMWBFM第91页，共92页，编辑于2022年，星期三作业作业P1285-7,5-10,5-1392第92页，共92页，编辑于2022年，星期三