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1、第二章第二章 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 调调制制是是指指按按原原始始电电信信号号的的变变化化规规律律去去改改变变载载波波某某些些参参量量的的过过程程。调调制制在在通通信信过过程程中中具具有有十十分分重重要要的的作作用用，不不仅仅能能将将调调制制信信号号的的频频谱谱搬搬移移到到所所
2、希希望望的的位位置置上上，转转换换为为适适合合信信道道传传输输的的已已调调信信号号；而而且且对对于于系系统统传传输输的的有有效效性性和和可可靠靠性性有有着着很很大的影响。大的影响。调调制制方方式式往往往往决决定定了了通通信信系系统统的的性性能能，通通常常可可分分为为模模拟拟调制调制和和数字调制数字调制。2.2 幅度调制的原理幅度调制的原理 幅幅度度调调制制是是用用调调制制信信号号去去控控制制高高频频载载波波的的振振幅幅，使使其其按按调调制制信信号号的的规规律律而而变变化化的的过过程程。幅幅度度调调制制器器的的一一般般模模型型如如图图 2-1所示。所示。图图2-1 幅度调制的一般模型幅度调制的一
3、般模型 则该模型输出已调信号的时域和频域表示式分别为：则该模型输出已调信号的时域和频域表示式分别为：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化化；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单单搬搬移移。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性的，因此幅度调制通常又称为线性调制线性调制。图图2-1之之所所以以称称为为幅幅度度调调
4、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、单边带调制信号单边带调制信号以及以及残留边带调制信号残留边带调制信号。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分分量量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是常常规规双双边边带
5、带调调制制信信号号，其其时时域域和和频频域表示式分别为：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容容易易的的恢恢复复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，可以采用解调，可以采用相干解
6、调相干解调。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()由由载载频频分分量量和和上上、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信号的信号的平均功率平均功率应等于应等于sAM(t)的均方值，即：的均方值，即：通常假设调制信号没有直流分量，即通常假设调制信号没有直流分量，即 。此外，。此外，式中，式中
7、，Pc为为载波功率载波功率，Ps为为边带功率边带功率。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，载载波波分分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，载载波波分分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。2.2.2 抑制载波的双边带调制（
8、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)直直接接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分分量量的的双双边边带带调调制制信信号号，即即抑抑制制载载波波的的双双边边带带调调制制信号信号，其时域和频域表示式分别为：，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化化规规律律一一致致，因因而而不不能能采采用
9、用简简单单的的包包络络检检波波来来恢恢复复调调制制信信号号，而而需需要要采采用用相相干干解解调调。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省省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、下下两两个个边边带带，同同时时这这两两个
10、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信信号的产生方法通常有号的产生方法通常有滤波法滤波法和和相移法相移法。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，保保留留所所需需要要的的一一个个边边带带，滤滤除除不不要要的的边
11、边带带，这这种种方法就称为方法就称为滤波法滤波法，它是，它是最简单最简单也是也是最常用最常用的方法。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 如如图图2-6所所示示，图图中中HSSB()为为单单边边带带滤滤波波器器，其其具具有有两两种种形式，即形式，即上边带滤波器上边带滤波器和和下边带滤波器下边带滤波器。单单边边带带滤滤波波器器从从理理论论上上来来说说应应具具有有理理想想的的低低通通或或高高通通特特性性，但但是是理理想想的的滤滤波波特特性性是是不不可可能能实实现现的的。因因此此，通通常常采采用用多多级级滤滤波波来保证滤波器的实现。来保证滤波器的实现。HSSB()m(t
12、)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非非常常困困难难。一一方方面面要要求求载载波波的的/2相相移移必必须须十十分分稳稳定定和和准准确确；另
13、另一一方方面面要要求求对对调调制制信信号号m(t)的的所所有有频频率率分分量量都都必必须须相相移移/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。为为解解决决这这个个难题难题，可以采用，可以采用混合法（也叫混合法（也叫维维弗法）弗法）。总总之之，SSB信信号号不不但但可可以以节节省省载载波波功功率率，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，它它已已经经成为短波通信中的一种重要调制方式。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信信号号一一样样不不能能采采用用简简单单的的包包络检
14、波，而需要采用络检波，而需要采用相干解调相干解调。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，又又解解决决了了SSB信信号号实实现现困难的问题。困难的问题。残残留留边边带带调调制制通通常常采采用用滤滤波波法法来来实实现现。如如图图2-10所所示示，图图中中HVSB()为残留边带滤波器。为残留边带滤波器。HVSB()m(t)sVSB(t)cosct 在在VSB中中，不不是是完完全全抑抑制制
15、一一个个边边带带（如如同同SSB那那样样），而是而是逐渐切割逐渐切割，使其残留一小部分，如图，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信信号号显显然然也也不不能能采采用用简简单单的的包包络络检检波波，而而必必须须采采用用相相干解调干解调。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在载频分割处载频分割处必须具有必须具有互补对称性互补对称性，即：，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种形形式式，即即残残留留上上边边带带滤波器滤波器和
16、和残留下边带滤波器残留下边带滤波器。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：这时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即：这时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，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高频频分分量量，即可得到即可得到m(t)。DRC2.2.6 相干解调相干解调（AM、DSB、SSB、VSB）图图2-15
17、 相干解调相干解调 如如图图2-15所所示示，解解调调时时所所使使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分量，即可无失真的恢复出原始的调制信号。分量，即可无失真的恢复出原始的调制信号。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，如如果果得得不不到到保保证证，将将会对原始调制信号的恢复产生不利影响。会对原始调制信号的恢复产生不利影响。LPFsm(t)mo(
18、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免免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扰中的起伏干扰起伏干扰作为主要研究对象。作为主要研究对象。起起伏伏干干扰扰根根据据其其物物理理特
19、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均匀分布。的功率谱密度为均匀分布。本本节节将将要要讨讨论论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器的抗噪声性能来衡量。来衡量。2.3.1 解调器抗噪声性能分析模型解调器抗噪声性能分析模型
20、 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
21、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抗噪声性能线性调制相干解调的抗噪声性能 图图2-17 线
22、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LPF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
23、 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相相似似。但但是是，由由于于采采用用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状状可可能能不不同同，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复复杂杂的的。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
24、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讨讨论论中中，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情情况况下下得得到到的的。如如果果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，就可以发现它
25、们的输出信噪比是相等的。式进行比较，就可以发现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采采用用相相干干解解调调，也也可可采采用用包包络络检检波波。在在实实际际应应用用中中，AM信信号号常常用用简简单单的的包包络络检检波波法法解解调调。此此时时，图图2-16分分析析模模型型中中的的解
26、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化化。需需要要注注意意的的是是，包包络络检检波波器器的输入信号是的输入信号是sAM(t)加加ni(t)的合成包络的合成包络，即：，即：BPFsAM(t)n(t)+包包 络络检波器检波器sAM(t)ni(t)mo(t)no(t)1.大信噪比情况（大信噪比情况（）mo(t)no(t)包络检波器滤除包络检波器滤除 2.小信噪比情况（小信噪比情况（）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情情况况下下，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
27、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，解调器的一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化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。原原因因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 角度调制的原理角度调制的原理 幅幅度度调调制制属属于于线线性性
28、调调制制，它它是是通通过过改改变变载载波波的的幅幅度度，以以实实现现调调制制信信号号频频谱谱的的线线性性搬搬移移。一一个个正正弦弦载载波波有有幅幅度度、频频率率和和相相位位三三个个参参量量，因因此此，不不仅仅可可以以把把调调制制信信号号的的信信息息寄寄托托在在载载波波的的幅幅度度变变化化中中，还还可可以以寄寄托托在在载载波波的的频频率率或或相相位位变变化化中中。这这种种使使高高频频载载波波的的频频率率或或相相位位按按调调制制信信号号的的规规律律变变化化而而振振幅幅保保持持恒恒定定的的调调制制方方式式，称称为为频频率率调调制制（FM）和和相相位位调调制制（PM），简简称称为为调调频频和和调调相相
29、。因因为为频频率率或或相相位位的的变变化化都都可可以以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制角度调制。角角度度调调制制与与幅幅度度调调制制不不同同，已已调调信信号号频频谱谱不不再再是是原原调调制制信信号号频频谱谱的的线线性性搬搬移移，而而是是频频谱谱的的非非线线性性变变换换，会会产产生生与与频频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制非线性调制。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
30、为瞬时相位偏移瞬时相位偏移；dct+(t)/dt为瞬时频率；为瞬时频率；d(t)/dt为为瞬时频率偏移瞬时频率偏移。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密密切切联联系系，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实际当中应用较多，这里将主要讨论频率调制。在实际当中应用较多，这里将主要讨论频率调制。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)成线性变化，即：成线性变化，即：则调相信号
31、可表示为：则调相信号可表示为：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)成线性变化，即：成线性变化，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 由由调调相相信信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非非常常相相似似，如如果果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，则则无无法法判判断断已调信号是调相信号还是调频信号。已调信号是调相信号还是调频信号。同同时时，由由调调相
32、相信信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，如如果果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相相信信号号，这这种种调调制制方方式式叫叫做做间间接接调调相相；同同样样，如如果果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。直直接接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，直直接接调调频频和和间间接接调调频如频如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，所所以以直
33、直接接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情情况况，而而直接调频和间接调相直接调频和间接调相常用于常用于宽带调制宽带调制情况。情况。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，其其频频谱谱结结构构非非常复杂，难以表述。常复杂，难以表述。但是，当但是，当最大瞬时相位偏移最大瞬时相位偏移较小
34、时，即一般认为满足：较小时，即一般认为满足：调调相相信信号号表表达达式式：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任任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，信号占据带宽较窄，称之为信号占据带宽较窄，称之为窄带调频（窄带调频（NBFM）。反之，称之为反之，称之为宽带调频（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的的频频谱谱和和AM的的频频谱谱很很相相似似，但但也也有重要区别。有重要区别。相相同同的的是是，两两者者在在c处处
35、都都有有载载波波分分量量；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的对应的对应边带反相边带反相。2.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
36、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，这这里里先研究先研究单频调制单频调制的情况，然后把分析的结论推广到多频情况。的情况，然后把分析的结论推广到多频情况。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给出了给出了Jn(mf)随随mf变化的关系曲线。变化的关系曲线。从从SFM()的的表表达达式式可可以以看
37、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多个频率分量个频率分量。图。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分分量量，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的的增增大大而而逐逐渐渐减减小小。因因此此，只只要要选选取取适适当当的的n值值，使使边边频频分分量量小小到到可可以以忽忽略略的的程程度度，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。根根据据经经验验认认
38、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%，可可以以忽忽略不计。根据以上原则，略不计。根据以上原则，调频信号的带宽调频信号的带宽为：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。以以上上讨讨论论的的是是单单频频调调制制调调频频信信号号，如如果果调调制制信信号号是是任任意意限限带信号带信
39、号，用，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 产生调频信号的方法通常有两种：直接法和间接法。产生调频信号的方法通常有两种：直接法和间接法。1.直接法直接法 直直接接法法就就是是用用调调制制信信号号直直接接控控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化化。在在实实际际中中，常常用用压压控控振振荡荡器器（VCO）作为作为FM调制器，它的输出频率正比于所加的控制电压，即：调制器，它的输出
40、频率正比于所加的控制电压，即：图图2-23 直接法原理图直接法原理图 直接法的直接法的优点优点是容易实现，且可以获得较大的频偏；是容易实现，且可以获得较大的频偏；缺点缺点是频率稳定度不高，因此还需要附加的稳频电路。是频率稳定度不高，因此还需要附加的稳频电路。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原理图 间接法的间接法的优点优点是频率稳定度高；是频率稳定度高；缺点缺点是需要多次倍频和混是需要
41、多次倍频和混频，因此电路较为复杂。频，因此电路较为复杂。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频信号，又适用于宽带调频信号。调频信号，又适用于宽带调频信号。1.非相干解调非相干解调 最最简简单单的的解解调调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频器器。理理想鉴频器可看成是带微分
42、器的包络检波器。想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，并滤除直流分量后输出为：用包络检波器取出其包络，并滤除直流分量后输出为：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
43、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原原因因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，需需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化化部部分分削削去去，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利通过，而滤除带外噪声及高次谐波分量。让调频信号顺利通过，而滤除带外噪声及高次谐波分量。2.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(
44、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，且且需需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，而而且且不不需需要要同步信号。因而，同步信号。因而，非相干解调是调频系统的主要解调方式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
45、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.大信噪比情况大信噪比情况 在在大大信信噪噪比比情情况况下下，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略略，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，这这里里只只研研究究单单频频调调制制，宽宽带带调调频频的的情情况况，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
46、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发射功率可以减小到常规调幅信号的信号的发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
47、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。的。即：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发发射射功功率率。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.小信噪比情况小信噪比情况 在在小小信信噪噪比比情情况况下下，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
48、，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。这这种种情情况况与与AM包包络络检检波波时时相相似似，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；当当输输入入信信噪噪比比下下降降到到一一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
49、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，应应用用普普通通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，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
50、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：调制器有点复杂；解调器简单复杂；解调器简单数据传输；无线电广数据传输；无线电广播；微波中继播；微波中