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1、考试点专业课强化精讲课程考试点专业课强化精讲课程第第5 5讲讲模拟调制系统（二）模拟调制系统（二）15.3 5.3 角度调制（非线性调制）的原理及抗噪声性能角度调制（非线性调制）的原理及抗噪声性能 引言：引言：非非线线性性调调制制：已已调调信信号号频频谱谱不不再再是是原原基基带带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谱搬搬移移不不同同的的新新的的频率成分。频率成分。实现方法：通过改变载波的频率和相位角度来实现。即实现方法：通过改变载波的频率和相位角度来实现。即载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。载波的幅度保持不变
2、，而载波的频率或相位随基带信号变化。 分类：角调制可分为频率调制（分类：角调制可分为频率调制（FM）和相位调制（）和相位调制（PM）。）。25.3.1 5.3.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念 1. 1. 一般表达式一般表达式 2. PM调制调制是指瞬时相位偏移随基带信号而线性变化，即是指瞬时相位偏移随基带信号而线性变化，即调相信号可表示为调相信号可表示为 ：名词：名词：瞬时相位瞬时相位瞬时相位偏移瞬时相位偏移瞬时角频率瞬时角频率瞬时角频偏瞬时角频偏3则可得调频信号：则可得调频信号：可见：可见：FM和和PM非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形
3、式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。 3. FM调制调制是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化，即是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化，即42. FM、PM的关系的关系PM较较FM仅少了一个积分！仅少了一个积分！ 实现方法实现方法: :可见：调频与调相并无本质区别，两者之间可以互换缩减研可见：调频与调相并无本质区别，两者之间可以互换缩减研究内容；究内容； 为为FM、PM信号的实现（调制、解调）提供了新的方法。信号的实现（调制、解调）提供了新的方法。55.3.2 5.3.2 窄带调频与宽带调频窄带调频与宽带调频 定义定义/ /分类：根据调制后
4、载波瞬时相位偏移的大小，可将频率分类：根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（调制分为宽带调频（WBFM）与窄带调频（）与窄带调频（NBFM）。当）。当 时，称为时，称为NBFM 。否则，称为。否则，称为WBFM 。 1. 窄带调频（窄带调频（NBFM） 6将上式与将上式与AM信号的频谱比较很相似信号的频谱比较很相似经推导可得经推导可得NBFM信号的频域表达式：信号的频域表达式：进行比较，它们的带宽相同，即进行比较，它们的带宽相同，即 72. 2. 宽带调频宽带调频（WBFM） 分析思路：为使问题简化，先研究单音调制的情况，然后把分析思路：为使问题简化，先研究单音调制的情况
5、，然后把分析的结果推广到多音情况。分析的结果推广到多音情况。（1 1）单频调制时宽带调频信号的频域表达）单频调制时宽带调频信号的频域表达设单频调制信号为设单频调制信号为则单音调频信号的时域表达式为：则单音调频信号的时域表达式为： 式中：式中： 调频指数：调频指数： 最大频偏：最大频偏：8相应频谱：相应频谱：式中式中：Jn(mf)为第一类为第一类n阶贝塞尔函数，它是调频指数的函数阶贝塞尔函数，它是调频指数的函数 。可见：调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。带宽？可见：调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。带宽？特点：各次边频幅度特点：各次边频幅度Jn(mf) 随着随着n的增大的增大而减小！而减
6、小！结论：结论：FM信号各次信号各次边频幅度边频幅度Jn(mf) 随着随着n的增大而减小！的增大而减小！9（2）单频调制时的频带宽度）单频调制时的频带宽度 理论上：调频信号的带宽为无限宽。理论上：调频信号的带宽为无限宽。实际上：因各次边频幅度实际上：因各次边频幅度n的增大而减小，只要取适当的的增大而减小，只要取适当的n值，值，使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可以近似认为具有使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可以近似认为具有有限频谱。有限频谱。卡森公式卡森公式：大于大于n= =mf+1次的边频分量，其幅度小于未调载波幅度的次的边频分量，其幅度小于未调载波幅度的10。10（3 3）FM信
7、号的功率信号的功率调频信号虽然频率在不停地变化，但振幅不变调频信号虽然频率在不停地变化，但振幅不变!而功率仅由幅度决定，与频率无关，故：而功率仅由幅度决定，与频率无关，故：11（4）任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽）任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽 调制信号的最高频率调制信号的最高频率: 最大频率偏移最大频率偏移:频偏比频偏比:125.3.3 5.3.3 调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调 1. 1. 调频信号的产生调频信号的产生 （1 1）直接法）直接法 就是利用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号就是利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。的规
8、律线性变化。 压控振荡器（压控振荡器（VCO）：输出频率偏移正比于所加的控制电压：）：输出频率偏移正比于所加的控制电压：13（2 2）间接法）间接法阿姆斯特朗（阿姆斯特朗（Armstrong）法）法 原理：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生原理：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一个窄带调频(NBFM)信号，再经信号，再经n次倍频器得到宽带调频次倍频器得到宽带调频 (WBFM) 信。信。方框图：方框图： 14NBFM实现方法：实现方法：NBFMWBFM：经：经N次倍频后可以使调频信号的载频和调制次倍频后可以使调频信号的载频和调制指数增为指数增为N倍。倍。问：
9、载波过高？问：载波过高？15典型实例：调频广播发射机典型实例：调频广播发射机载频：载频： f1 = 200kHz 调制信号最高频率：调制信号最高频率： fm = 15kHz 间接法产生的最大频偏：间接法产生的最大频偏： f1 = 25 Hz NBFM调频广播要求的最终频偏：调频广播要求的最终频偏： f =75 kHz WBFM 发射载频：在发射载频：在88-108 MHz频段内频段内 fc 需要倍频：需要倍频：但：倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提高到：但：倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提高到：(nf1 )600MHz，不符合，不符合 fc =88-108MHz的要求，需用混
10、频的要求，需用混频器进行下变频。器进行下变频。16具体方案：具体方案：17【例例5-1】 在上述宽带调频方案中，设调制信号是在上述宽带调频方案中，设调制信号是fm =15 kHz的单频的单频余弦信号，余弦信号，NBFM信号的载频信号的载频f1 =200 kHz，最大频偏，最大频偏 f1 =25 Hz；混频器参考频率混频器参考频率f2 = 10.9 MHz，选择倍频次数，选择倍频次数n1 = 64，n2 =48。 （1）求）求NBFM信号的调频指数；信号的调频指数； （2）求调频发射信号（即）求调频发射信号（即WBFM信号）的载频、最大频偏和调信号）的载频、最大频偏和调频指数。频指数。【解解】（
11、1）NBFM信号的调频指数为信号的调频指数为（2）调频发射信号的载频为）调频发射信号的载频为（3）最大频偏为）最大频偏为（4）调频指数为）调频指数为182. 2. 调频信号的解调调频信号的解调 （1 1）非相干解调）非相干解调 最简单的解调器是具有频率最简单的解调器是具有频率- -电压转换作用的鉴频器。电压转换作用的鉴频器。 特点：鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频偏成正比。特点：鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频偏成正比。组成：理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。组成：理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。19“理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联理想鉴频器可看成是微分器与包
12、络检波器的级联”。 证明：证明：用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出：用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出：Kd称为鉴频器灵敏度。称为鉴频器灵敏度。微分器输出：微分器输出： 20（2）相干解调）相干解调 适于窄带调频适于窄带调频21证：设证：设NBFM信号为信号为 ： 则乘法器输出为：则乘法器输出为：再经微分，得输出信号：再经微分，得输出信号：取相干载波：取相干载波：经经LPF，得，得22 5.4 5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能 与解调方法有关，这里只讨论非相干解调系统的抗噪性与解调方法有关，这里只讨论非相干解调系统的抗噪性能。能。1. 1. 输入信噪比输入信噪比 设
13、输入调频信号为：设输入调频信号为：输入信号功率：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：232. 2. 输出信噪比及调制制度增益输出信噪比及调制制度增益由于非相干解调不是线性叠加处理过程，因而无法分别计由于非相干解调不是线性叠加处理过程，因而无法分别计算信号与噪声功率。算信号与噪声功率。解调器输入波形是调频信号和窄带高斯噪声的混合波形解调器输入波形是调频信号和窄带高斯噪声的混合波形: : 经限幅器限幅去除包络起伏后，得鉴频器输入为经限幅器限幅去除包络起伏后，得鉴频器输入为24此处，此处，V0为常数。对于鉴频器输出信号来说，仅关心合成波为常数。对于鉴频器输出信号来说，仅
14、关心合成波瞬时相移瞬时相移(t)。可以证明，合成波的瞬时相移为可以证明，合成波的瞬时相移为。问题：以上两式皆是携带信息问题：以上两式皆是携带信息(t)的和表示噪声的的和表示噪声的V(t)、(t) 的复杂函数。的复杂函数。考虑两种极端情况：大信噪比；考虑两种极端情况：大信噪比； 小信噪比。小信噪比。25（1 1）大信噪比情况）大信噪比情况 大信噪比大信噪比:此时此时鉴频器输出鉴频器输出其中其中此时，信号和噪声已经分开。此时，信号和噪声已经分开。 26经进一步分析，可得解调器的输出信噪比为经进一步分析，可得解调器的输出信噪比为 ： WBFM系统制度增益为：系统制度增益为：27下面考虑单频调制时的情
15、况，设调制信号为：下面考虑单频调制时的情况，设调制信号为：则则这时的调频信号为：这时的调频信号为：式中式中解调器输出信噪比：解调器输出信噪比：解调器制度增益解调器制度增益：所以：所以：WBFM信号带宽为：信号带宽为：28上式表明上式表明: 在大信噪比的情况下，宽带调频解调器的制度增在大信噪比的情况下，宽带调频解调器的制度增益是很高的，与调制指数的三次方成正比。益是很高的，与调制指数的三次方成正比。例如：调频广播中常取例如：调频广播中常取mf=5，则，则GFM=450。可见，加大调制。可见，加大调制指数指数mf，可使系统抗噪性能大大改善。，可使系统抗噪性能大大改善。代价？代价？ 6、1229（2
16、 2）小信噪比情况与门限效应）小信噪比情况与门限效应 可知：解调器输出中已没有单独存在的有用信号，解调器输可知：解调器输出中已没有单独存在的有用信号，解调器输出几乎完全由噪声决定，因而输出信噪比急剧下降门限出几乎完全由噪声决定，因而输出信噪比急剧下降门限效应。效应。 出现门限效应时所对应的输入信噪比的值被称为门限出现门限效应时所对应的输入信噪比的值被称为门限值（点）。值（点）。 小信噪比小信噪比:此时此时30对对FM系统而言系统而言: :未发生门限效应时，在相同输入信噪比情况下，未发生门限效应时，在相同输入信噪比情况下，FM输出信输出信噪比优于噪比优于AM输出信噪比；输出信噪比； 当输入信噪比
17、降到某一门限（当输入信噪比降到某一门限（）时，）时，FM便开始出现门限效便开始出现门限效应；应； 若继续降低输入信噪比，则若继续降低输入信噪比，则FM解调器的输出信噪比将急剧解调器的输出信噪比将急剧变坏，甚至比变坏，甚至比DSB的性能还要差的性能还要差 .讨论：输入讨论：输入- -输出信噪比性能输出信噪比性能对对DSB系统而言系统而言: 信号同步检测信号同步检测时的性能曲线时的性能曲线是通过原点的直线。是通过原点的直线。31例：已知某调频波的振幅是例：已知某调频波的振幅是10 V，瞬时频率为，瞬时频率为试确定：试确定： （1）此调频波的表达式；）此调频波的表达式； （2）此调频波的最大频偏、调
18、频指数和频带宽度；）此调频波的最大频偏、调频指数和频带宽度； （3）若调制信号频率提高到）若调制信号频率提高到2103Hz，则调频波的最大频，则调频波的最大频偏、调频指数和频带宽度如何变化？偏、调频指数和频带宽度如何变化？32例：调频波的振幅是例：调频波的振幅是10 V，瞬时频率为，瞬时频率为试确定：试确定： （1）sFM(t)； （2）f、mf、BFM； （3）若调制信号频率提高到）若调制信号频率提高到2103Hz，重求（，重求（2）。）。解：（解：（1）该调频波的瞬时角频率）该调频波的瞬时角频率 （rad/s）瞬时相位瞬时相位调频波的表达式调频波的表达式33（2）调频波的最大频偏、调频指数
19、和频带宽度：）调频波的最大频偏、调频指数和频带宽度：（3）调制信号频率提高到）调制信号频率提高到2103Hz，即加倍，则，即加倍，则最大频偏仍为最大频偏仍为而调频指数变为而调频指数变为相应地，频带宽度变为相应地，频带宽度变为345.5 5.5 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较1. 1. 各种模拟调制方式总结各种模拟调制方式总结（见表（见表5-1）前提：假定所有调制系统具有相等的输入信号功率；噪声背景前提：假定所有调制系统具有相等的输入信号功率；噪声背景相同（均值为相同（均值为0、双边功率谱密度为、双边功率谱密度为n0/2的高斯白噪声）；基带的高斯白噪声）；基带信号信号m(t)带宽为
20、带宽为fm ，且，且例如，例如，m(t)为正弦型信号。为正弦型信号。综前：可总结各种模拟调制方式的信号带宽、制度增益、输出信噪比、综前：可总结各种模拟调制方式的信号带宽、制度增益、输出信噪比、设备（调制与解调）复杂程度、主要应用等如表设备（调制与解调）复杂程度、主要应用等如表3-1所示。表中还进所示。表中还进一步假设了一步假设了AM为为100%调制。调制。35略大于略大于表表5-1 5-1 各种模拟调制方式总结各种模拟调制方式总结362. 2. 各种模拟调制方式性能比较各种模拟调制方式性能比较 抗噪性能，抗噪性能，WBFM最好，最好，DSB、SSB、VSB次之，次之，AM最差。最差。NBFM与
21、与AM接近。接近。 频带利用率，频带利用率，SSB最好，最好，VSB与与SSB接近，接近，DSB、AM、NBFM次次之，之，WBFM最差。最差。3. 3. 各种模拟调制方式的特点与应用各种模拟调制方式的特点与应用375.6 5.6 频分复用（频分复用（FDMFDM）1.1.复用的概念复用的概念 “复用复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。2.2.复用方式复用方式 有三种基本的多路复用方式：频分复用（有三种基本的多路复用方式：频分复用（FDM）、时）、时分复用（分复用（
22、TDM）与码分复用（）与码分复用（CDM）。）。3.3.复用的目的复用的目的 提高频带利用率。提高频带利用率。4.4.FDM的实现的实现思路：思路：带限、调制（频率分配）、合成、信道、分路、解调带限、调制（频率分配）、合成、信道、分路、解调385.带宽带宽单边带信号的总频带宽度为：单边带信号的总频带宽度为： 39典型例子：多路载波电话系统典型例子：多路载波电话系统每路电话信号的频带限制在每路电话信号的频带限制在3003400Hz，在各路已调信，在各路已调信号间留有防护频带，每路电话信号取号间留有防护频带，每路电话信号取4 kHz作为标准带宽作为标准带宽 层次结构：层次结构：12路电话复用为一个
23、基群；路电话复用为一个基群；5个基群复用为一个基群复用为一个超群，共个超群，共60路电话；由路电话；由10个超群复用为一个主群，共个超群复用为一个主群，共600路电话。如果需要传输更多路电话，可以将多个主群路电话。如果需要传输更多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群。进行复用，组成巨群。 基群频谱结构图基群频谱结构图载波频率载波频率 406. 优缺点优缺点 优点：是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方优点：是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。 缺点缺点：设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。信道内存在非线性而产生路间干扰。41对于单频调制的特殊情况，可以得到频谱如下。对于单频调制的特殊情况，可以得到频谱如下。 42
