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1、主要内容基本概念FM方法解调方法抗噪声性能分析预加重/去加重技术压扩技术第1页/共78页3.1 基本概念角调制信号的时域表达式FMPMFM的频谱窄带FM窄带PM第2页/共78页3.1 基本概念角调制信号的时域表达式(t t)是载波的相位。若使它随调制信号是载波的相位。若使它随调制信号f f(t t)以某种方式变化，则称其为角度调制。以某种方式变化，则称其为角度调制。载波信号：频率调制相位调制第3页/共78页相位调制的定义：若使相位(t)随f(t)线性变化，即令则称为相位调制。这时，已调信号的表示式为 此已调载波的瞬时频率为：上式表示，在相位调制中瞬时频率随调制信号的导函数线性地变化。第4页/共
2、78页频率调制的定义：若使瞬时频率直接随调制信号线性地变化，则称为频率调制。这时，瞬时角频率为 及瞬时相位为这时，已调信号的表示式为：上式表明，载波相位随调制信号的积分线性地变化。第5页/共78页如果将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫间接调频；同样，如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相。第8页/共78页单频调制调制信号调相信号 其中，叫调相指数，代表调相波的最大相位偏移第9页/共78页调频信号其中，叫调频指数，代表调频波的最大相位偏移调频波最大频率偏移：则 （最大频偏与调制信号角频率之比）第10页/共78页当 Am一定，m由小增大时
3、：FM 中的 max不变，而 Mf 则成反比地减小。PM 中的 Mp 不变，而 max 呈正比地增加。FMPM第11页/共78页第12页/共78页FM的频谱 设m(t)=Amcosmt SFM(t)=Acos(ct+mfsinmt)，频谱 无穷多个频率分量，其幅度正比于Jn(mf)n阶贝赛尔函数 第13页/共78页第14页/共78页 (1)(1)单音调频信号的频谱由载波分量和无数对边频分量所组成(已不是调制信号频谱的不失真搬移)。其中，n 为奇数的上、下边带分量的振幅相等，极性相反；而 n 为偶数的上、下边频分量的振幅相等，极性相同。(2)(2)载波和各边频分量的振幅均随 Mf 而变化。当 M
4、f=2.40，5.52，8.65时，载波分量振幅等于零；而当 Mf 为某些其它特定值时，又可使某些边频分量振幅等于零。第15页/共78页 调角信号的频带宽度1、一个调角信号除了载波频率 以外，还包含无穷多的边频，相邻边频之间的频率间隔仍是 。第n条谱线与载频之差为 。可见，其频谱无限宽！2、每一个分量的幅度等于AmJn(mf)，而Jn(mf)由贝塞尔函数决定。3、贝塞尔函数的特点：当阶数nmf+1时，Jn(mf)的数值随着n的增加而迅速减小。实际上可认为n=mf+1，即高低边频的总数为2n=2(mf+1)，则调频波的频谱有效宽度为2(mf+1)m，即频带宽度：BFM=2(mf+1)m 卡森公式
5、第16页/共78页mFJ0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10J11J12J13J140.0010.250.980.120.500.940.240.031.000.770.440.110.021.500.510.560.230.060.012.000.220.580.350.130.032.400.000.520.430.200.060.022.50-.050.500.450.220.070.020.013.00-.260.340.490.310.130.040.014.00-.40-.070.360.430.280.130.050.025.00-.18-.330.050.360.390
6、.260.130.050.025.450.00-.34-.120.260.400.320.190.090.030.016.000.15-.28-.240.110.360.360.250.130.060.027.000.300.00-.30-.170.160.350.340.230.130.060.028.000.170.23-.11-.29-.100.190.340.320.220.130.060.038.650.000.270.06-.24-.230.030.260.340.280.180.100.050.029.00-.090.250.14-.18-.27-.060.200.330.310
7、.210.120.060.030.0110.0-.250.050.250.06-.22-.23-.010.220.320.290.210.120.060.030.01对于某一固定的 ，有如下近似关系：忽略了小于 0.1的分量。注意：载频分量有可能小于旁频分量。注意：载频分量有可能小于旁频分量。第17页/共78页 由于调频和调相的幅度不变，则调角波在调制后总功率不变，只是将原来载波功率中的一部分转入边频中。载波成分的系数Jo(mf)小于1，表示载波功率减少了。因此调制过程不需要外界供给边频功率，只是高频信号本身载频功率与边频功率的重新分配。mf=1:宽带调频（无穷级贝塞尔函数）BFM=2(mf+
8、1)fm=2(fmax+fm)mf 1:BFM=2fmax调相信号同理第18页/共78页重要结论：从所占频带的利用率来讲，调相波不如调频波好。因为实际的调制信号包含有许多的频率成份，调相波所占的频带变化就很大，而载频的选取和对发射机、接收机通频带的要求又是根据频带最宽的情况而定，这对于调制频率低的情况，显然不经济。因此，PM一般只作为产生FM的一种间接手段。(将基带信号积分再进行PM调制)第20页/共78页练习（1）2MHz载波受10KHz单频正弦调频，峰值频偏为10KHz，求：（1）调频信号的带宽（2）调制信号幅度加倍时，调频信号的带宽（3）调制信号频率加倍时，调频信号的带宽（4）若峰值频偏
9、减为1KHz，重复计算（1）、（2）、（3）第21页/共78页调频信号带宽 BFM=2(Mf+1)fm=2(fm+fmax)调频指数 Mf=KFMA/m=fmax/fm(1)fmax/fm=Mf=10KHz/10KHz=1所以，BFM=2(1+1)x10KHz=40KHz(2)当调制信号幅度A加倍时，则Mf加倍，即Mf=2,BFM=2(2+1)x10KHz=60KHz(3)当调制信号频率fm 加倍时，fm=20KHz Mf=2(fm+fmax)=2(20KHz+10KHz)=60KHz(4)峰值频偏减为1KHz，fmax=1KHz (1)BFM=22KHz (2)BFM=24KHz (3)BF
10、M=42KHz第22页/共78页练习2第23页/共78页第24页/共78页第25页/共78页同相分量正交分量窄带角调制第26页/共78页窄带调频n前提条件n时域表达式同相分量正交分量窄带近似1第27页/共78页窄带调相 当 时为窄带调相|Kpmf(t)|/6第29页/共78页直接法倍频法：窄带调频+倍频3.2 FM方法 第30页/共78页直接法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。电路简单，性能良好，频偏较大，问题：载频fc发生飘移，需附加稳频电路 VCO一般为LC、RC振荡器第31页/共78页间接法 先对调制信号积分后再对载波进行相位调制，从而产生窄带调频信号(NBF
11、M)。然后，利用倍频器把NBFM变换成宽带调频信号(WBFM)。第32页/共78页滤除直流成分后可得到一个新的调频信号，其载频和相位偏移均增为2倍，由于相位偏移增为2倍，因而调频指数也必然增为2倍。同理，经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍。倍频器可以用非线性器件实现，然后用带通滤波器滤去不需要的频率分量。平方律若则第33页/共78页3.2 FM方法 第34页/共78页3.2 FM方法 第35页/共78页3.2 FM方法 两者都含有一个载波和位于 处的两个边带，所以它们的带宽相同()。不同的是，NBFM的两个边频分别乘了因式 和 ，频率加权的结果引起调制信号频谱的失真。另外，有一
12、边频和AM反相。第36页/共78页则NBFM信号为下面以单音调制为例。设调制信号第37页/共78页AM信号为在AM中，两个边频的合成矢量与载波同相，只发生幅度变化；而在NBFM中，由于下边频为负，两个边频的合成矢量与载波则是正交相加，因而NBFM存在相位变化，当最大相位偏移远小于/6时，幅度基本不变。这正是两者的本质区别。第38页/共78页单音调制的AM与NBFM频谱第39页/共78页矢量图分析n常规调幅n窄带调频第40页/共78页3.2 FM方法 窄带调相第41页/共78页3.3 解调方法 非相干解调：限幅鉴频器 锁相鉴频器相干解调 第42页/共78页微分包络检波LPF信号鉴频器鉴频器带通带
13、通限幅器限幅器微分器微分器包络包络检波器检波器LPFLPFS SFMFM(t)(t)n ni i(t)(t)mmo o(t)(t)非相干解调：限幅鉴频器第43页/共78页非相干解调：锁相鉴频 第44页/共78页相干解调窄带调频第45页/共78页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；而非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是FM系统的主要解调方式。3.4调频系统的抗噪声性能第46页/共78页非相干解调的输入信噪比 输入信号：输入噪声 输入信噪比 计算输出信噪比时，由于非相干解调不是 线性叠加处理过程，因此不能分别计算其信号和噪声
14、的功率第47页/共78页鉴频器输入第48页/共78页矢量合成图a a2 2a a1 1a a 1 1C CB B任意参考基线O O 2 2 2 2-1 1-1 1a a2 2第49页/共78页鉴频特性噪声噪声 有用信号有用信号 第50页/共78页噪声功率？噪声功率？功率谱功率谱 噪声功率噪声功率 鉴频器鉴频器(微分网络输出微分网络输出)第51页/共78页输出信噪比输出信噪比 第52页/共78页例设调频与调幅信号均为单音调制，调制信号频率为fm，调幅信号为100%调制。当两者的接收功率Si相等，信道噪声功率谱密度n0相同时，比较调频系统与调幅系统的抗噪声性能。解：FM的输出信噪比为AM的输出信噪
15、比为第53页/共78页 由此可见，在高调频指数时，调频系统的输出信噪比远大于调幅系统。例如，mf=5 时，宽带调频的So/No是调幅时的112.5倍。这也可理解成当两者输出信噪比相等时，调频信号的发射功率可减小到调幅信号的1/112.5。应当指出，调频系统的这一优越性是以增加传输带宽来换取的。第54页/共78页 这说明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。这就意味着，对于调频系统来说，增加传输带宽就可以改善抗噪声性能。调频方式的这种以带宽换取信噪比的特性是十分有益的。在调幅制中，由于信号带宽是固定的，无法进行带宽与信噪比的互换，这也正是在抗噪声性能方面调频系统优于调幅系统
16、的重要原因。第55页/共78页各种模拟调制系统的性能曲线各种模拟调制系统的性能曲线7060504030201001020304050FM:m m=6 6 m=3DSB/SSBAM第56页/共78页2.小信噪比情况与门限效应 应该指出，以上分析都是在(Si/Ni)FM足够大的条件下进行的。当(Si/Ni)FM减小到一定程度时，解调器的输出中不存在单独的有用信号项，信号被噪声扰乱，因而(So/No)FM急剧下降。这种情况与AM包检时相似，我们称之为门限效应。出现门限效应时所对应的(Si/Ni)FM值被称为门限值（点），记为(Si/Ni)b。第57页/共78页小信噪比情况 门限效应 第58页/共78
17、页非相干解调的门限效应1)Mf不同，门限值不同。Mf越大，门限点(Si/Ni)b越 高。(Si/Ni)FM(Si/Ni)b时，(So/No)FM与(Si/Ni)FM呈线性关系，且Mf越大，输出信噪比的改善越明显。2)(Si/Ni)FM(Si/Ni)b时，(So/No)FM将 随(Si/Ni)FM的下降而急剧下降。且Mf越大，(So/No)FM下降得越快，甚至比DSB或SSB更差。第59页/共78页这表明，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（相当Mf加大），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
18、出信噪比将急剧恶化。希望在接收到最小信号功率时仍能满意地工作，这就要求门限点向低输入信噪比方向扩展。第60页/共78页调制方式信号带宽制度增益设备复杂度主要应用DSB2中等较少应用SSB1复杂短波无线电广播，话音频分多路VSB略大于 近似SSB近似SSB复杂商用电视广播AM2/3简单中短波无线电广播FM中等超短波小功率电台(窄带FM)，微波中继，调频立体声广播(宽带FM)各种模拟调制方式的性能第61页/共78页3.5 预加重/去加重技术一、一、一、一、为什么要采用为什么要采用为什么要采用为什么要采用预加重、去加重技术预加重、去加重技术预加重、去加重技术预加重、去加重技术 因为鉴频器的因为鉴频器
19、的 随随 的增加而急剧增加的增加而急剧增加 ，而信号功率谱密度却集中于低频，而信号功率谱密度却集中于低频端，必将导致端，必将导致 下降。下降。二、二、二、二、何谓何谓何谓何谓预加重预加重预加重预加重/去加重去加重去加重去加重 1 1、去加重网络去加重网络 方法方法：“低压低压”提高了的高频分量，采用低通特性网提高了的高频分量，采用低通特性网络。络。鉴频器输出端加入一个具有低通特性鉴频器输出端加入一个具有低通特性(但截止特性但截止特性第62页/共78页3.5 预加重/去加重技术较平缓较平缓)的网络，对较高频率的网络，对较高频率(低于低于 )的噪声分量的噪声分量予较大的衰减从而减小予较大的衰减从而
20、减小 ，改善系统噪声性能。，改善系统噪声性能。该网络称为该网络称为去加重网络去加重网络。2 2、预加重网络预加重网络 ：“提升提升”信号的高频分量，采用高通特性的网信号的高频分量，采用高通特性的网络。络。为了不使信号因为了不使信号因 的插入而产生幅频失的插入而产生幅频失真，在发送端调频前应加入一个与真，在发送端调频前应加入一个与 互补的互补的高通特性的预加重网络。该网络称为高通特性的预加重网络。该网络称为预加重网络预加重网络。第63页/共78页3.5 预加重/去加重技术三、预三、预/去加重如何改善信噪去加重如何改善信噪比 1 1、调频系统中的加重与去重、调频系统中的加重与去重 互补互补：(或常
21、数或常数)第64页/共78页2 2、加重改善系数、加重改善系数 用于恒量系统加重后对噪声性能的改善程度，用于恒量系统加重后对噪声性能的改善程度，用加重与不加重的系统输出信噪比来表示，记为用加重与不加重的系统输出信噪比来表示，记为 3.5 预加重/去加重技术第65页/共78页n预加重网络-高通滤波器n去加重网络-低通滤波器第66页/共78页n增益：n n用于恒量系统加重后对噪声性能的改善程度，用加重与不加重的用于恒量系统加重后对噪声性能的改善程度，用加重与不加重的系统输出信噪比来表示系统输出信噪比来表示，记为，记为n例子：调频广播，f m=15kHz，f 1=2.1kHz，采用加重和去加重的信噪
22、比改善约为13dB。n衰减因子n调频广播，f m=15kHz，f 1=2.1kHz，K为-7dB。采用加重和去加重得到的实际信噪比改善约为6dB。第67页/共78页3.5 预加重/去加重技术改善第68页/共78页3.6 压扩技术改善小信号无信号时，n10(t)一般较小，第69页/共78页练习（1）第70页/共78页(1)调频波的频偏为调幅波带宽的4倍，而调幅波带宽为2fm，所以 fmax=2fmx4=8fm调频指数Mffmax/fm=8(2)调幅波s(t)=A0+f(t)cosct=A0(1+AMcos2fmt)cosctAM=Am/A0。根据题意，两种调制中在距载频+(-)fm的边频分量有相
23、等的幅度。因为调频波在距载频+(-)fm的边频分量的幅度为(A0/2)J1(8)，调幅波在距载频+(-)fm的边频分量的幅度为Am/2，所以，(A0/2)J1(8)Am/2AM=Am/A0J1(8)=0.23第71页/共78页设晶体振荡器振荡频率fg=300kHz，间接调频器所产生的最大频偏f1=25Hz，混频器输出差频，本振频率fL=81MHz。若要求系统输出载波频率fc=90MHz，频偏f=75kHz，试求两个倍频器的倍频系数n1，n2。练习（2）第72页/共78页间接调频输出端：fc1=fg=300kHz，频偏f1=25Hz,倍频器1输出端：fc2=n1fc1，f2=n2f1混频器输出端
24、：fc3=fc2-fL，f3=f2倍频器2输出端：fc=n2fc3，f=n2f3于是，f=n2f3=n2f2=n1n2f1n1n2=f/f1=75*103/25=3000fc=n2fc3=n2fc2-n2fL=n1n2fc1-n2fL所以，n1=300，n2=10第73页/共78页复习思考题1、什么是频率调制？什么是相位调制？两者的关系如何？2、FM信号有哪几种生成方式？有哪几种解调方式？3、为什么调频系统可以进行带宽与信噪比的互换，而调幅不能？4、FM系统的调制制度增益和信号带宽的关系如何？这一关系说明什么问题？5、FM系统产生门限效应的主要原因是什么？6、FM系统中采用加重技术的原理和目的
25、是什么？7、比较调幅系统和调频系统的抗噪声性能。第74页/共78页作业1、设一宽带FM系统，载波振幅为100V，频率为100MHz，调制信号m(t)的频带限制在5kHz，Em2(t)=5000V2,Kf=500rad/(s.V)，最大频偏为f=75kHz，并设信道噪声功率谱密度是均匀的，其单边谱密度为Pn(f)=10-3W/Hz，试求：（1）接收机输入端理想带通滤波器的传输特性H(w)；（2）解调器输入端的信噪功率比；（3）解调器输出端的信噪功率比；（4）若m(t)以AM调制方法传输，并以包络检波器进行解调，试比较在输出信噪比和所需带宽方面与FM系统有什么不同。第75页/共78页作业2、已知调制信号 ，它所产生的调角波具有 形式，试做下列各题：（1）若它是FM波，且要求最大频偏 ，求Mf，BFM，KFM，及FM波表达式；（2）若它是FM波，且要求最大频偏 ，求Mp，BPM，KPM，及PM波表达式；（3）若m增大为原先的2倍，而保持Am以及KFM或KPM不变，再计算FM波、PM波的带宽。由此可说明什么？第76页/共78页作业3、4.114、4.21第77页/共78页感谢您的观看！第78页/共78页