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1、今天的内容n角度调制n幅度调制的抗噪声性能1北邮信号 4.3 角度调制n前面讨论了模拟调制中的幅度调制方式，幅度调制也成为线性调制。n下面我们将讨论调频和调相调制方式。调频调相均属于非线性调制，统称为角度调制。由于它们都是非线性的，分析时较为困难，在许多情况下是近似分析。2北邮信号 4.3 角度调制n角度调制的特点是它占有较宽的信道带宽。加调信号的带宽经常是基带信号带宽的许多倍。其是以牺牲一定的带宽来换取高的抗噪能力。n由于该系统的可靠性好，因而在高逼真度音乐广播系统及发射功率有限的点对点通信系统中广泛应用调频制式。3北邮信号 4.3.1角调制的基本概念相位调制：瞬时相位偏移随调制信号m(t)
2、而线性变化 频率调制：瞬时频率偏移随调制信号m(t)而线性变化 相位偏移常数频率偏移常数4北邮信号 4.3.1角调制的基本概念如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号 实际相位调制器的调制范围有限 适用于窄带调制 适用于宽带调制 适用于宽带调制 5北邮信号 4.3.1 调频与调相信号在调相系统中，最大相位偏移为在调频系统中，最大频率偏移为6北邮信号 4.3.1 调制指数调相系统的调制指数调频系统的调制指数W是模拟基带信号的带宽7北邮信号 4.3.1 窄带角度调制定义：在角度调制系统中，若称此角度调制为窄带角度调制。利用近似公式可得到n频谱与AM信号相类
3、似n抗噪声性能也与AM类似n实际很少使用，用于产生宽带角度调制信号的中间级。8北邮信号 4.3.2 角度调制信号的频谱特性n非线性调制，并非频谱的简单搬移n很难求出精确频谱特性n在非常简单的基带信号情况下，利用近似分析进行频谱研究，然后推广到更复杂的基带信号。9北邮信号 4.3.2 正弦信号的角度调制n正弦信号的调频和调相，其表示式为周期函数第一类n阶贝塞尔函数10北邮信号 4.3.2 正弦信号的角度调制n当调制信号是频率为fm的正弦信号时,其角调信号含有以fc+nfm(n=0, 1, 2, )的频率分量,因而已调信号的带宽应是无穷的.对应于大的n值得fc+nfm分量的幅度是很小的,可忽略,因
4、此包含98%或99%的已调信号总功率的带宽是个有限值.定义为有效带宽.11北邮信号 4.3.2 正弦信号的角度调制n贝塞尔函数的级数展开：值很小时：第一项，n=1，即第一旁瓣，为主要分量12北邮信号 4.3.2 卡松公式n对于基带信号是任意的周期信号或对于一般的非周期信号或对于一般的非周期基带信号的角度调制,其频谱分析复杂.然而,计算角调信号的有效带宽存在一近似关系式,称为卡送公式.n由于宽带调频的值约在5以上,所以宽带调频信号的带宽比调幅信号的带宽宽的多.13北邮信号 4.3.3 角度调制器与解调器产生调频信号有直接调频法和间接调频法下面分别介绍14北邮信号 4.3.3 直接调频n直接调频是
5、利用压控震荡器（VCO）。n定义：当输入电压为零时，振荡器产生一频率为f0的正弦波；当输入基带信号的电压变化时，该振荡频率作相应变化。m(t)VCO15北邮信号 4.3.3 直接调频nVCO可满足宽带调频的大频偏要求,但很难保证中心频率的稳定性晶振分频分频低通VCO输出宽带调频信号16北邮信号 4.3.3 间接调频n间接产生调频或调相信号的方法之一是首先产生窄带角调信号，然后将它变换成宽带角调信号。n框图如下窄带调频器倍频本振带 通滤波器频率频率输入输出17北邮信号 4.3.3 间接调频n若窄带角调信号则倍频器输出为它是宽带角调信号上图中应用的是下变频，本振频率为 ，下变频后的宽带角调信号18
6、北邮信号 4.3.3 间接调频n产生窄带角调信号的方法：n框图如下19北邮信号 4.3.3解调：非相干解调：鉴频器n普通鉴频器解调方法之一是先将调频信号变为调幅调频信号，使该调幅调频信号的幅度比例于调频信号的瞬时频率，然后再利用一调幅解调器取其包络，恢复出原消息信号包 络检波器FM信号AM信号FM至AM变 换 器输出20北邮信号 削去调频波在传输过程中引起的幅度变化部分，变成固定幅度 4.3.3解调：非相干解调：鉴频器m0(t)Kfm(t) 将幅度恒定的调频波变成调幅调频波 从幅度变化中检出调制信号 缺点：对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应 21北邮信号 4.3.3解调：非相干解调
7、：鉴频器调频信号：微分以后：此信号的包络正比于m(t)22北邮信号 4.3.3解调：非相干解调：锁相环输入调频信号：压控振荡器的瞬时频率：VCO的输出：23北邮信号 4.3.3解调：非相干解调：锁相环鉴相器由乘法器和低通构成，其输出：锁相环锁定时，e(t)为一个很小的值24北邮信号 4.4 线性调制系统的抗噪声性能n分析模型nDSB-SC的性能nSSB-SC的性能nAM的性能25北邮信号 分析模型AWGN平稳窄带高斯噪声同相分量正交分量平均功率为N i若白噪声的双边功率谱密度为n0/2 带宽B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 26北邮信号 窄带白高斯噪声n窄带白高斯噪
8、声n(t)的均值为零,双边功率谱密度为窄带噪声表示式之一为的同相分量及正交分量功率谱密度如下27北邮信号 指标n评价指标：解调器的输出信噪比n物理含义：衡量一个模拟通信系统质量的好坏与调制方式有关与解调方式有关不同类调制方式同类调制方式制度增益不同解调方式G越大，表明解调器的抗噪声性能越好 越大，表明解调器的抗噪声性能越好 28北邮信号 4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 输入信号n在接收机中，解调的输入信号为相干解调中，将r(t)与本振相乘，可得29北邮信号 4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 输出信号n低通滤波器抑制二倍频分量，仅通过低通分量设则故解调的输出基带信号与噪声分量式相加
9、的 下面分别求出解调的输入信噪比与输出信噪比30北邮信号 4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 输出噪声的功率(1) 解调输出信号的平均功率其中 是随机过程的平均功率(2)解调输出噪声的平均功率其中 为带通白高斯噪声的平均功率，其值为31北邮信号 4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 输出信噪比(3)解调输出信噪比32北邮信号 4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 输入信号的特性解调器输入信号：(4)输入信号平均功率(5)输入噪声平均功率(6)输入信噪比33北邮信号 4.4.1 双边带调幅系统的抗噪声性能 制度增益n由公式可知DSB-SC AM的解调输出信噪比是解调输入信噪比的2倍,即制
10、度增益：34北邮信号 4.4.2单边带调幅系统的抗噪声性能35北邮信号 4.4.2单边带调幅系统的抗噪声性能 输入信号&输出信号n在接收机中，解调的输入信号为相干解调中，将r(t)与理想恢复的载波相乘,低通滤波器抑制二倍频分量，仅通过低通分量解调的输出基带信号与噪声分量式相加的36北邮信号 4.4.2 单边带调幅系统的抗噪声性能 输出信号的指标(1) 解调输出信号的平均功率(2)解调输出噪声的平均功率其中(3)解调输出信噪比37北邮信号 4.4.2 单边带调幅系统的抗噪声性能 输入信号的指标输入信号：(4)解调输入信号平均功率(5)解调输入噪声平均功率(6)解调输入信噪比38北邮信号 4.4.
11、2 单边带调幅系统的抗噪声性能 性能n由公式可知：SSB-SC AM的解调输出信噪比解调输入信噪比,即制度增益：39北邮信号 比较：当DSB-SC 与 SSB-SC1、解调器输入的信号功率相等2、输入噪声双边功率谱密度相同则：两者的输出信噪比是相同的40北邮信号 4.4.3 AM抗噪声性能 相干解调n在接收机中，解调的输入信号为相干解调中，将r(t)与理想恢复相乘,低通滤波器抑制二倍频分量，仅通过低通分量经过隔直电容的得到输出41北邮信号 4.4.3 AM抗噪声性能 相干解调(1) 解调输入信号的平均功率(2)解调输出信噪比42北邮信号 4.4.3 AM抗噪声性能 相干解调由于,所以AM解调的
12、输出从上述分析看出，AM信号总发射功率中的大部分功率被分配给离散的离散的载波分量，其调制效率相当低，这就是该调制方式的缺点信噪比经常是小于DSB-SC AM的输出信噪比43北邮信号 4.4.3 AM抗噪声性能 包络检波:大信噪比情况r(t)的包络为假设r(t)中的信号分量强的多,因而包络近似为包络检波器输出在滤除直流分量后，得到大信噪比情况下，包络检波于相干解调性能相同大信噪比情况下，包络检波于相干解调性能相同44北邮信号 4.4.3 AM抗噪声性能 包络检波:小信噪比情况其中：利用了：x很小时45北邮信号 4.4.3 AM抗噪声性能 包络检波:小信噪比情况n在解调输入信噪比很低时，包络检波信
13、号和噪声不再是相加的，而是信号分量乘以噪声，这样就不能从中区分出信号来，此时系统工作与门限以下，解调输出信噪比急剧下降。46北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪声性能n调频、调相系统的抗噪声性能n角度调制的门限效应n预加重和去加重47北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪性能 解调器的输入信号n对于一般角调信号的接收解调框图为 带通滤波器等效噪声带宽B解调器理想低通 带宽W解调输出带通滤波器的输出为：其中：解调器输出 48北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪性能解调器输入信号的幅度相角表达49北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪性能 输入信号幅度相角表达近似：50北邮信号 4.5 角度调制系统的
14、抗噪性能 解调器输出信号解调输出PMFM相位相位的导数51北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪特性 解调器输出的噪声部分在解调输入信噪比高时，可证明上式可简化为调相时解调输出噪声为调频时解调输出噪声为为与噪声有关的项：52北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪特性 输出噪声的特性功率谱密度：功率谱密度：53北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪特性 微分器的传递函数n微分器可以看成一个线性系统 其传递函数：的功率谱密度为：54北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪特性 输出噪声的功率谱和输出功率PMFMPMFMPMFM功率谱密度：功率：55北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪特性输出信噪比由输出信号
15、功率可知PMFMPMFMPMFM56北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪特性 输出信噪比的几种表达接收信号功率则：PMFM57北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪特性 输出信噪比的几种表达卡松公式则：PMFM令：58北邮信号 4.5 角度调制系统的抗噪特性 总结n1、前面的近似分析的前提为输入信噪比高，此条件成立，则输出信噪比与平方成正比。即增加带宽可以增加信噪比。n2、 增加，则输入噪声增大，近似分析不成立。在一个门限值附近，输出信噪比急剧下降。n3、调幅，调角增加发射功率都能提高解调输出信噪比，但是机理不同。n4、调频系统，输出噪声功率谱为抛物线。实际系统采用预加重和去加重技术。59北邮信
16、号 4.5.2 角度调制的门限效应定义：当 下降到一定程度时， FM的 急剧下降，这种现象叫门限效应门限效应。门限值的和之间的近似关系为：非相干解调都有这种特点，不过AM包络检波的门限效应表现得不及FM显著60北邮信号 4.5.2 角度调制的门限效应(2)当信噪比降低时，这个假设逐步变得不能成立, 此时的实际情形是，随着 的下降，输出 噪声及失真以更快的速度恶化。(1)非相干解调信噪比时所做的假设(大信噪比)如果始终 成立，则 一定随着 的下降而线性下降。61北邮信号 4.5.3 去加重与预加重滤波产生原因:FM输出的噪声功率谱呈抛物线状,如果FM系统的输入信号具有均匀的功率谱密度，则输出信号
17、在各个频率成分处的信噪比不均衡，加重技术就是为了解决这一问题。具有去加重与预加重滤波的调频系统框图预加重 滤 波调频器带通滤波鉴频器去加重 滤 波加性噪声62北邮信号 4.5.3 去加重与预加重滤波n如上图所示，发送端使用“预加重滤波”提升信号在高频部分的功率，使之能和FM鉴频器输出的噪声功率谱密度相匹配，接收端再用“去加重滤波”还原到原来的频谱。63北邮信号 各种模拟调制系统的比较结论：当输入信噪比较高时，采用FM方式可以得到更大好处。出现门限效应时的曲线拐点门限电平以下，曲线将迅速跌落比AM优越4.7dB以上比AM优越22dB64北邮信号 各种调制方式的性能比较 调制方式信号带宽解调增益设
18、备复杂性通信中应用情况DSB2Bb2中等；要求相干解调，常与DSB信号一起传输一个小导频较少应用SSBBb1较大；要求相干解调，调制器也较复杂短波无线电通信AM2Bb同步解调和大信噪比包络解调包络解调有门限效应较小；调制与解调（包络检波）简单老式军用无线电台中广泛应用VSB略大于Bb较大；要求相干解调，调制器需要对称滤波数据传输；宽带（电视）系统FM带 宽2Bb (mf+1)窄 带2Bb大信噪比时非相干解调有门限效应介于SSB和AM之间数据传输；无线电广播，微波中继65北邮信号 4.6 频分复用（FDM）技术 In定义：若干相互独立的携带消息的信号合成为一复合信号在一公共信道上传输称为复用。n
19、信号复用的方式有很多种： 频分复用:众多信号在频率上分开的技术 时分复用:众多信号在时间上分开的技术一典型的FDM系统中:在发射机中的低通滤波器带宽限于基带信号的带宽WHz,每个基带调制各自的载频,因此要求有k个调制器,将k个调制器的输出信号相加成一合成信号在信道中传输.在接收机中,通过并行的带通滤波支路,将各路信号分离出来,其中每个带通滤波器调谐到其中的载频之一,其带宽足以通过所希望接收的信号,每个带通滤波的输出信号被解调,并通过低通滤波,输出消息信号.66北邮信号 4.6 频分复用（FDM）技术 IISSB将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区，每个小区能顺利通过一路信号 防护频带滤波器
20、截止特性问题收发载波同步问题优点：可以在给定的信道内同时传输许多路信号，提高信号传输的有效性 缺点：因滤波器特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰 67北邮信号 4.6 频分复用（FDM）技术 III低通低通低通低通低通低通调制器调制器调制器频率合成器调制器调制器调制器低通低通低通信 道频率合成器中心频率中心频率中心频率68北邮信号 4.7 超外差接收机 In目前，无论是无线广播系统或是无线通信系统中的接收机均采用超外差接收机。n超外差接收机是由接收天线，射频放大，混频，本地振荡器，中频振荡器，中频放大器，解调器，功放，终端传感器组成音频放大 射频放大器混频器 中频滤波及中频放大包络检波
21、扬声器AGC69北邮信号 4.7 超外差接收机 II令本振则：混频器输出信号频率：镜像频率：镜像信号通过混频器输出信号频率：此输出为干扰，需要设计射频滤波器，抑止镜像信号70北邮信号 4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 I热噪声原理：自由电子的热运动，高斯白噪声物理电阻的热噪声模型：噪声电压源与理想电阻串连物理电阻R的双边功率谱密度：室温，频率10的12次方情况：此时：71北邮信号 4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 II通常，令：网络阻抗匹配时，负载获得最大噪声功率，称为可可获噪声功率获噪声功率，此时负载电阻上的噪声功率密度谱为:则有：72北邮信号 4.8 接收机的噪声系数与等效噪声
22、温度 III等效噪声带宽： 双端口网络，也可定义等效带宽73北邮信号 4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 IV线性双端口网络的可获功率增益：理想线性双端口网络74北邮信号 4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 V线性双端口网络的噪声系数：非理想双端口网络输出噪声：输入噪声，通过网络：网络本身产生的噪声：75北邮信号 4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度 VI等效噪声温度等效噪声温度网络的等效噪声温度Te：把网络产生的噪声看成是输入的电 阻升温Te度网络输出的噪声功率谱密度网络输出的噪声功率谱密度76北邮信号 Homeworkn角度调制 4.8 4.9n幅度调制的性能 4.11 4.12 77北邮信号
