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1、第四章第四章 模拟调制系统模拟调制系统n调制的定义和分类调制的定义和分类n幅度调制的原理及抗噪声性能幅度调制的原理及抗噪声性能n角度调制的原理及抗噪声性能角度调制的原理及抗噪声性能n各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较n频分复用频分复用(FDM)11 调制的定义和分类调制的定义和分类(1)n调制调制n目的：将原始电信号变换成频带适合信道传输的信号目的：将原始电信号变换成频带适合信道传输的信号n方式：按调制信号的变化规律去改变载波的某些参数方式：按调制信号的变化规律去改变载波的某些参数n作用：作用：n频谱搬移频谱搬移n影响系统的传输有效性和可靠性影响系统的传输有效性和可靠性n调制信号：原
2、始基带信号调制信号：原始基带信号n载波：携带调制信号的信号载波：携带调制信号的信号n 正弦波调制：正弦型信号作为载正弦波调制：正弦型信号作为载波波n 脉冲调制：脉冲串作为载波脉冲调制：脉冲串作为载波n 模拟调制：调制信号取值连续模拟调制：调制信号取值连续n 数字调制：调制信号取值离散数字调制：调制信号取值离散 正弦波模拟调制正弦波模拟调制 正弦波数字调制正弦波数字调制 脉冲模拟调制脉冲模拟调制 脉冲数字调制脉冲数字调制21 调制的定义和分类调制的定义和分类(2)n正弦波模拟调制正弦波模拟调制n调制信号：模拟信号：调制信号：模拟信号：n载波：连续正弦波：载波：连续正弦波：n 已调信号已调信号 线
3、性调制线性调制角度调制角度调制/非线性调制非线性调制32.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(1)n幅度调制：正弦型载波的幅度随调制信号作线幅度调制：正弦型载波的幅度随调制信号作线性变化的过程性变化的过程已调信号的频谱是调制信号频谱的线性搬移。已调信号的频谱是调制信号频谱的线性搬移。已调信号的频谱是调制信号频谱的线性搬移。已调信号的频谱是调制信号频谱的线性搬移。线性调制线性调制线性调制线性调制n 时域时域n 频域频域42.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(2)n幅度调制器的一般模型幅度调制器的一般模型 双边带调幅双边带调幅(DSB) 标准调幅标准调幅(AM) 单边带调幅单边带调幅(SSB) 残留
4、边带调幅残留边带调幅(VSB)5n常规调幅常规调幅AM：H()为全通网络，为全通网络，m(t) 有直流成有直流成分。分。n抑制载波双边带调制抑制载波双边带调制DSB： H()为全通网络，为全通网络， m(t)无直流成分。无直流成分。n单边带调制单边带调制SSB：H()是截止频率是截止频率为为 c的高通或的高通或低通滤波器。低通滤波器。n残留边带调制残留边带调制VSB： H()是特定的互补特性滤波是特定的互补特性滤波器。器。62.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(3)n双边带双边带(DSB)信号信号72.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(4)n已调信号的包络与已调信号的包络与m(t)不同不同n反
5、相点：当载波与反相点：当载波与m(t)同时改变极性时出现同时改变极性时出现(不影响性能不影响性能)提取提取提取提取包络包络包络包络tsm(t)T反相点反相点反相点反相点反相点反相点反相点反相点82.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(5)nDSB信号的频谱特点信号的频谱特点n上下边带分别包含调制信号的全部信息上下边带分别包含调制信号的全部信息.9通信中的两种解调方法通信中的两种解调方法相干解调：接收机能复制载波并利用其解调的相干解调：接收机能复制载波并利用其解调的方法方法非相干解调：不用复制载波的解调方法非相干解调：不用复制载波的解调方法性能：性能： ( (1)1)相干解调信噪比可低于相干解调信
6、噪比可低于0 0dBdB； (2) (2)非相干解调信噪比需大于非相干解调信噪比需大于1010dB dB ； ( (3)3)相干解调的信噪比性能优于非相干解调，而非相干解调的信噪比性能优于非相干解调，而非相干解调对移动、大动态信噪比环境下的适应性相干解调对移动、大动态信噪比环境下的适应性更好。更好。102.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(6)nDSB信号的解调信号的解调相干解调相干解调n载波提取：发端加小功率导频载波提取：发端加小功率导频112.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(7)n调幅调幅(AM)信号信号载波分量载波分量载波分量载波分量DSBDSB分量分量分量分量122.1 幅度调制的原
7、理幅度调制的原理(8)n调幅系数调幅系数包络包络包络包络已调信号的包络与调已调信号的包络与调制信号成比例变化制信号成比例变化.过调制过调制过调制过调制132.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(9)nAM信号的解调信号的解调去直流去直流去直流去直流n相干解调相干解调142.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(10)包络提取方式：半波整流包络提取方式：半波整流低通低通n非相干解调非相干解调 包络检波包络检波 + 隔直隔直 包络包络包络包络检波的理解：检波的理解：152.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(10)nAM信号的功率信号的功率载波载波载波载波功率功率功率功率边带边带边带边带功率功率功率功率1
8、62.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(11)n单边带单边带(SSB)信号信号 定义：单边带调制信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而定义：单边带调制信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的。形成的。产生产生SSB信号的方法有滤波法和移相法。信号的方法有滤波法和移相法。1. 滤波法及滤波法及SSB信号的频域表示：信号的频域表示：nDSB信号通过一个边带滤波器滤除不要的边带，即可得到信号通过一个边带滤波器滤除不要的边带，即可得到SSB信号。信号。滤波法滤波法SSB信号调制器：信号调制器：17USBUSBLSBLSB信号频谱图：信号频谱图：182.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(12)-1920
9、 21n2. 滤波法及滤波法及SSB信号的频域表示：信号的频域表示：n设单频调制信号为设单频调制信号为 载波为载波为DSB信号的时域表示式为信号的时域表示式为22n上、下边带上、下边带 分别为：分别为：23n上、下边带公式合并起来写，可以写成上、下边带公式合并起来写，可以写成 n式中：式中：“”表示上边带信号，表示上边带信号，“+”表示下边带信号表示下边带信号n 可以看成是可以看成是 相移相移/2的结果的结果，而且幅度保持不变，把这一过程称为希尔波特变换，即：，而且幅度保持不变，把这一过程称为希尔波特变换，即：24故故上、下边带公式上、下边带公式可以改写为：可以改写为：n 任意一个基带波形总可
10、以表示成许多正弦信号之和，任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和，推广可得到调制信号为任意信号时推广可得到调制信号为任意信号时SSB信号的时域表信号的时域表示式：示式：式中的式中的 是是m(t)希尔伯特变换希尔伯特变换 25若若M()为的为的m(t)傅里叶变换，则傅里叶变换，则 的傅里叶变换为的傅里叶变换为 n物理意义为：物理意义为：m(t)通过传递函数为通过传递函数为-jsgn的滤波的滤波器即可得到其希尔伯特变换。器即可得到其希尔伯特变换。 26n由此可知，由此可知，-jsgn即是希尔伯特滤波器的传递函数，记即是希尔伯特滤波器的传递函数，记为为 上式表明，希尔伯特滤波器实质上是一个宽带
11、相移网上式表明，希尔伯特滤波器实质上是一个宽带相移网络，对络，对m(t)中的任意频率分量均相移中的任意频率分量均相移/2/2。 272.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(13)nSSB信号的产生信号的产生n滤波法：频域滤波法：频域n相移法：时域相移法：时域n 相移法是利用相移网络，将载波和调制信号进行相移，在相移法是利用相移网络，将载波和调制信号进行相移，在合成时抵消其中一个边带，获得合成时抵消其中一个边带，获得SSB信号。信号。28nSSB信号的实现的优缺点信号的实现的优缺点nSSB调制方式在传输信息时节省发射功率调制方式在传输信息时节省发射功率n所占用带宽比所占用带宽比AM、DSB减少一半
12、减少一半n实现比实现比AM、DSB要复杂要复杂n是短波通信中的一种重要方式。是短波通信中的一种重要方式。nSSB的解调不能用包络检波，要用相干解的解调不能用包络检波，要用相干解调。调。29nSSB信号的解调信号的解调相干解调相干解调30n单边带调制频带利用率比单边带调制频带利用率比DSBDSB调制高；调制高；n普通调幅接收机不能接收普通调幅接收机不能接收SSBSSB信号。信号。n其主要缺点是接收机需要复杂且精度高的自动其主要缺点是接收机需要复杂且精度高的自动频率控制系统来稳定本地载波的频率和相位。频率控制系统来稳定本地载波的频率和相位。n对于低通型调制信号（含有直流或低频分量的对于低通型调制信
13、号（含有直流或低频分量的信号）用滤波法的时候，要求滤波器的过渡带信号）用滤波法的时候，要求滤波器的过渡带非常窄，即滤波器的边缘必须很陡峭，理想状非常窄，即滤波器的边缘必须很陡峭，理想状态是一根垂直线。在实际工程中，滤波器很难态是一根垂直线。在实际工程中，滤波器很难达到这样的要求。达到这样的要求。总结：31n用滤波器产生的单边带信号，要么频带不完整，用滤波器产生的单边带信号，要么频带不完整，要么多出一部分上边带（对下边带信号而言）要么多出一部分上边带（对下边带信号而言）或下边带（对上边带信号而言）。或下边带（对上边带信号而言）。n对于带通型调制信号而言，只要载频相对于调对于带通型调制信号而言，只
14、要载频相对于调制信号最低频率分量的频率不要太大，滤波法制信号最低频率分量的频率不要太大，滤波法就可以实现就可以实现SSBSSB调制，否则，就必须采用调制，否则，就必须采用多级多级调制调制的方法降低每一级调制对滤波器过渡带的的方法降低每一级调制对滤波器过渡带的要求，从而完成要求，从而完成SSBSSB信号的产生。信号的产生。nSSBSSB主要用于远距离固定业务通信系统，在特主要用于远距离固定业务通信系统，在特高频散射通信、车辆和航空通信方面也有应用。高频散射通信、车辆和航空通信方面也有应用。322.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(14)n残留边带残留边带(VSB)信号信号克服了克服了DSB信号占
15、用频带宽的缺点，又解决了信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号调信号调制与解调中的困难。制与解调中的困难。VSB调制调制33 LPF LPF LPF LPFVSB解调解调342.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(15)352.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(16)n只要残留边带滤波器的截止特性在载频处具有只要残留边带滤波器的截止特性在载频处具有互补对称互补对称特性，那么采用相干解调法就能准确恢复原有的基带信特性，那么采用相干解调法就能准确恢复原有的基带信号。号。n残留边带滤波器的衰减特性有很大的选择自由度，但这残留边带滤波器的衰减特性有很大的选择自由度，但这并不等于对滤波器的衰减特性没有限
16、制。并不等于对滤波器的衰减特性没有限制。n滤波器的衰减特性又称滚降特性，目前应用最多的就是滤波器的衰减特性又称滚降特性，目前应用最多的就是直线滚降和余弦滚降。直线滚降和余弦滚降。n例如，在电视信号传输和数据信号传输中就分别使用了例如，在电视信号传输和数据信号传输中就分别使用了直线滚降和余弦滚降。直线滚降和余弦滚降。362.1 幅度调制的原理幅度调制的原理(17)n随机调制信号的功率谱密度特性随机调制信号的功率谱密度特性372.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(1)n实际中，任何通信系统都避免不了噪声的影响。由有关实际中，任何通信系统都避免不了噪声的影响。由有关信道与噪声的内
17、容可知，各种信道中的加性高斯白噪声信道与噪声的内容可知，各种信道中的加性高斯白噪声是普遍存在的一种噪声。是普遍存在的一种噪声。n本节将要研究的问题是，在信道加性高斯白噪声的背景本节将要研究的问题是，在信道加性高斯白噪声的背景下，各种线性调制系统的抗噪声性能。下，各种线性调制系统的抗噪声性能。n由于加性噪声被认为只对已调信号的接收产生影响，因由于加性噪声被认为只对已调信号的接收产生影响，因而通信系统的抗噪声性能可以用解调器的抗噪声性能来而通信系统的抗噪声性能可以用解调器的抗噪声性能来衡量。衡量。38n图中，图中，s sm m(t(t) )为已调信号，为已调信号，n(tn(t) )为信道加性高斯白
18、噪声。为信道加性高斯白噪声。n带通滤波器的作用是滤除已调信号频带以外的噪声，因带通滤波器的作用是滤除已调信号频带以外的噪声，因此，经过带通滤波器后到达解调器输入端的信号仍可认此，经过带通滤波器后到达解调器输入端的信号仍可认为是为是s sm m(t(t) )，而噪声为，而噪声为n ni i(t(t) )。n解调器输出的有用信号为解调器输出的有用信号为m m0 0(t)(t)，噪声为，噪声为n n0 0(t)(t)。2.2 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)n性能分析模型性能分析模型( B BPF带宽带宽/已调信号带宽已调信号带宽 )392.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制
19、系统的抗噪声性能(3)n解调器输入端噪声解调器输入端噪声n ni i(t(t) )是由平稳高斯白噪声是由平稳高斯白噪声n(tn(t) )经经过带通滤波器得到。当带通滤波器的带宽远小于其中过带通滤波器得到。当带通滤波器的带宽远小于其中心频率时，可视为窄带滤波器，故心频率时，可视为窄带滤波器，故n ni i(t(t) )为平稳窄带为平稳窄带高斯噪声，可表示为：高斯噪声，可表示为：n由随机过程的知识可知，窄带噪声由随机过程的知识可知，窄带噪声n ni i(t(t) )及其同相分及其同相分量量n nc c(t(t) )和正交分量和正交分量n ns s(t(t) )的均值都为的均值都为0 0，且具有相同
20、，且具有相同的方差，即：的方差，即：402.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(4)n若白噪声的单边功率谱密度为若白噪声的单边功率谱密度为n n0 0，带通滤波器是高度为，带通滤波器是高度为1 1、带宽为、带宽为B B的理想矩形函数，则解调器的输入噪声功率的理想矩形函数，则解调器的输入噪声功率为：为：n带宽带宽B B等于已调信号的频带宽度。等于已调信号的频带宽度。n模拟通信系统的主要质量指标是解调器的输出信噪比。模拟通信系统的主要质量指标是解调器的输出信噪比。其定义为：其定义为：412.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(5)n为了便于比较同类调制系统采用不
21、同解调器时的性能，为了便于比较同类调制系统采用不同解调器时的性能，还可采用还可采用调制制度增益调制制度增益或或信噪比增益信噪比增益G G表示：表示：n式中，式中，S Si i/N/Ni i为输入信噪比，定义为：为输入信噪比，定义为：422.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(6)nDSB调制系统的性能调制系统的性能n设解调器输入信号为：设解调器输入信号为：n与相干载波与相干载波cosct 相乘后，得：相乘后，得：n经低通滤波器后，输出信号为：经低通滤波器后，输出信号为：n解调器输出端有用信号功率为：解调器输出端有用信号功率为：432.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的
22、抗噪声性能(7)噪声经相干解调、低通滤波器后输出为：噪声经相干解调、低通滤波器后输出为：输出噪声功率为：输出噪声功率为：442.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(8)n 解调器输入信号平均功率为：解调器输入信号平均功率为：n输入信噪比为：输入信噪比为：n输出信噪比为：输出信噪比为：452.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(9)n依此类推：依此类推：SSB调制系统的性能调制系统的性能(B=W )462.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(10) 比较比较DSB-SC与与SSB-SC 系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能是否说明是否说明DSB系
23、统的抗噪声性能比系统的抗噪声性能比SSB系统好呢？答案是系统好呢？答案是否定的。否定的。因为两者的输入信号功率不同、带宽不同，在相同的噪声因为两者的输入信号功率不同、带宽不同，在相同的噪声功率谱密度功率谱密度n0条件下，输入噪声功率也不同，所以两者的条件下，输入噪声功率也不同，所以两者的输出信噪比是在不同条件下得到的。输出信噪比是在不同条件下得到的。若在相同的输入信号功率若在相同的输入信号功率Si，相同的输入噪声功率谱密度，相同的输入噪声功率谱密度n0，相同的基带信号带宽条件下，可得出输出信噪比相等，相同的基带信号带宽条件下，可得出输出信噪比相等的结论。表明：两者的抗噪声性能是相同的。的结论。
24、表明：两者的抗噪声性能是相同的。472.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(11)nAM包络检波的性能包络检波的性能n设解调器输入信号为：设解调器输入信号为：n解调器输入噪声为：解调器输入噪声为：n则解调器输入的信号功率则解调器输入的信号功率Si和噪声功率和噪声功率Ni分别为：分别为：482.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(12)n由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即：由于解调器输入是信号加噪声的混合波形，即：n其中：其中：nE(t)便是所求的合成包络。由于便是所求的合成包络。由于E(t)中的信号和噪声存中的信号和噪声存在非线性关系。因此，分为两种特
25、殊情况来考虑。在非线性关系。因此，分为两种特殊情况来考虑。492.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(13)n 大信噪比情况大信噪比情况:有用信号有用信号有用信号有用信号 噪声噪声噪声噪声注：大信噪比下，包络检注：大信噪比下，包络检波的性能与相干解调相同波的性能与相干解调相同502.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能(14)n 小信噪比情况小信噪比情况:门限效应：小信噪比下，包络检波器把有用信号扰乱门限效应：小信噪比下，包络检波器把有用信号扰乱成噪声，输出信噪比急剧恶化。成噪声，输出信噪比急剧恶化。513.1 角度调制的原理角度调制的原理(1)n正弦载波有三
26、个参量：幅度、频率和相位。不仅仅可以正弦载波有三个参量：幅度、频率和相位。不仅仅可以把调制信号的信息载荷于载波的幅度变化中，还可以载把调制信号的信息载荷于载波的幅度变化中，还可以载荷于载波的频率或相位中。荷于载波的频率或相位中。n若载波的频率随调制信号变化，称为频率调制或调频若载波的频率随调制信号变化，称为频率调制或调频(Frequency Modulation, FM)；n若载波的相位随调制信号变化，称为相位调制或调相若载波的相位随调制信号变化，称为相位调制或调相(Phase Modulation, PM)；n在这两种调制过程中，载波的幅度都保持恒定不变，而在这两种调制过程中，载波的幅度都保
27、持恒定不变，而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化，故把频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化，故把调频和调相统称为角度调制或调角。调频和调相统称为角度调制或调角。523.1 角度调制的原理角度调制的原理(2)n角度调制信号的一般表达式为：角度调制信号的一般表达式为：n所谓相位调制所谓相位调制(PM)，是指瞬时相位偏移随调制信号，是指瞬时相位偏移随调制信号m(t)线线性变化，即性变化，即nKp的含义是的含义是单位调制信号幅度单位调制信号幅度引起引起PM信号的相位偏移量。信号的相位偏移量。n所以，调相信号为：所以，调相信号为：533.1 角度调制的原理角度调制的原理(3)n频率调制频率
28、调制(FM)，是指瞬时频率偏移随调制信号，是指瞬时频率偏移随调制信号m(t)成比成比例变化，即例变化，即n此时，相位偏移为：此时，相位偏移为：n则调频信号为：则调频信号为：nPM与与FM的区别：的区别：PM是相位偏移随调制信号是相位偏移随调制信号m(t)线性变线性变化，化，FM是相位偏移随是相位偏移随m(t)的积分呈线性变化。的积分呈线性变化。543.1 角度调制的原理角度调制的原理(4)n单音调制单音调制FM与与PMn设调制信号设调制信号m(t)为单一频率的正弦波：为单一频率的正弦波：nPM信号为：信号为：nmp为为调相指数调相指数，表示，表示最大的相位偏移最大的相位偏移。nFM信号为：信号
29、为：nmF为为调频指数调频指数：553.1 角度调制的原理角度调制的原理(5)nPM与与FM的关系的关系n 直接调频和间接调频直接调频和间接调频n 直接调相和间接调相直接调相和间接调相563.1 角度调制的原理角度调制的原理(6)如果如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足以下条件：信号的最大瞬时相位偏移满足以下条件：FM信号的频谱宽度比较窄，称为窄带调频信号的频谱宽度比较窄，称为窄带调频(NBFM)；否则，为宽带调频否则，为宽带调频(WBFM)。在窄带调频的情况下：在窄带调频的情况下：573.1 角度调制的原理角度调制的原理(7)n由由AM信号的频谱：信号的频谱： 区别：区别：AM中两个边频的合成
30、矢量与载波同相，所以只有幅度变化；中两个边频的合成矢量与载波同相，所以只有幅度变化；而而NBFM由于下边频为负，有相位变化及很小的幅度变化。由于下边频为负，有相位变化及很小的幅度变化。583.1 角度调制的原理角度调制的原理(8)n宽带调频：宽带调频： 调制指数调制指数/最大相偏最大相偏 第一类第一类 n 阶贝塞尔函数阶贝塞尔函数593.1 角度调制的原理角度调制的原理(9)n由由FM时域、频域表达式可知：时域、频域表达式可知：n调频信号的频谱由载波分量调频信号的频谱由载波分量c和无数边频组成。和无数边频组成。n当当n=0时是载波分量时是载波分量c，其幅度为其幅度为AJ0(mf)；n当当n不等
31、于不等于0时，为对称分布在载频两侧的边频分量，时，为对称分布在载频两侧的边频分量，其幅度为其幅度为AJn(mf)，相邻边频之间的，相邻边频之间的间隔为间隔为m；n当当n为奇数时，上下边频极性相反；当为奇数时，上下边频极性相反；当n为偶数时极性为偶数时极性相同。相同。n由此可知：由此可知：FM信号的频谱不再是调制信号频谱的信号的频谱不再是调制信号频谱的线性搬移。线性搬移。603.1 角度调制的原理角度调制的原理(10) 窄带调频窄带调频613.1 角度调制的原理角度调制的原理(11)623.1 角度调制的原理角度调制的原理(12)n调频信号的带宽调频信号的带宽n调频信号的频谱包含无穷多个频率分量
32、，因此理论上调频信调频信号的频谱包含无穷多个频率分量，因此理论上调频信号的频带宽度为无限宽。但由于号的频带宽度为无限宽。但由于Jn(mf)随随n的增大而逐渐减的增大而逐渐减小，因此只要取适当的小，因此只要取适当的n值使边频分量小到可以忽略的程度，值使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可近似认为具有有限频谱。调频信号可近似认为具有有限频谱。n调频波的有效带宽为：调频波的有效带宽为：n这就是广泛用于计算调频信号带宽的这就是广泛用于计算调频信号带宽的卡森公式卡森公式。nNBFM时：时：nWBFM时：时：633.1 角度调制的原理角度调制的原理(13)n已调信号总功率：已调信号总功率：n载频功率：载
33、频功率：n边频功率：边频功率：调制信号不提供功率，但可以控制功率的分布调制信号不提供功率，但可以控制功率的分布.643.1 角度调制的原理角度调制的原理(14)n调频的方法主要有两种：直接调频和间接调频。调频的方法主要有两种：直接调频和间接调频。n直接调频就是用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使直接调频就是用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。其按调制信号的规律线性地变化。n由外部电压控制振荡频率的振荡器叫做压控振荡器由外部电压控制振荡频率的振荡器叫做压控振荡器(VCO)。n在直接调频法中，振荡器与调制器合二为一。优点：在实现在直接调频法中，振荡器与调制器合
34、二为一。优点：在实现线性调制的要求下，可以获得较大的频偏；缺点：频率稳定线性调制的要求下，可以获得较大的频偏；缺点：频率稳定度不高。度不高。653.1 角度调制的原理角度调制的原理(15)n间接调频法（简称间接法）是先将调制信号积分，然间接调频法（简称间接法）是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个后对载波进行调相，即可产生一个NBFM信号，再经过信号，再经过n次倍频器得到次倍频器得到WBFM信号，原理图如下：信号，原理图如下：663.1 角度调制的原理角度调制的原理(16)n调频信号的解调调频信号的解调n分为相干解调和非相干解调。相干解调仅适用于分为相干解调和非相干解调。相干解调
35、仅适用于NBFM信号；信号；而非相干解调对而非相干解调对NBFM信号和信号和WBFM信号均适用。信号均适用。n1）非相干解调）非相干解调n调频信号的一般表达式为：调频信号的一般表达式为：n解调器的输出应该为：解调器的输出应该为：n完成这种频率电压转换关系的器件是完成这种频率电压转换关系的器件是频率检波器频率检波器，简称，简称鉴鉴频器频器。673.1 角度调制的原理角度调制的原理(17)n调频信号的解调调频信号的解调 振幅鉴频器振幅鉴频器鉴频器鉴频器FM信号信号FM至至AM变变换器换器AM信号信号包络包络检波器检波器输出输出n调频到调幅的变换调频到调幅的变换1 微分微分 包络包络包络包络683.
36、1 角度调制的原理角度调制的原理(18)调调频频到到调调幅幅的的变变换换2：使使用用调调谐谐电电路路的的上上升升频频率率特特性性(线线性区性区)平衡鉴频器：展宽频率特性的线性范围（如下图所示）平衡鉴频器：展宽频率特性的线性范围（如下图所示）693.1 角度调制的原理角度调制的原理(19)n2）相干解调）相干解调n由于由于NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调。可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调。n设窄带调频信号为：设窄带调频信号为：n相干载波为：相干载波为：n相乘器输出信号，经低通滤波器后为：相乘器
37、输出信号，经低通滤波器后为：703.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(1)n如前所述如前所述, ,调频信号的解调有相干解调和非相干解调两调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种；种；n相干解调仅适用于窄带调频信号相干解调仅适用于窄带调频信号, ,且需同步信号且需同步信号, ,故应用故应用范围受限；范围受限；n而非相干解调不需同步信号而非相干解调不需同步信号, ,且对于且对于NBFMNBFM信号和信号和WBFMWBFM信信号均适用号均适用, ,因此以下将重点讨论因此以下将重点讨论FMFM非相干解调时的抗噪非相干解调时的抗噪声性能。声性能。713.2 角度调制系统的抗噪声性能角
38、度调制系统的抗噪声性能(2)n性能分析模型性能分析模型( B BPF带宽带宽/已调信号带宽已调信号带宽 )n输入信噪比：输入信噪比：723.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(3)n大信噪比：在输入信噪比足够大的条件下，信号和大信噪比：在输入信噪比足够大的条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略噪声的相互作用可以忽略,这时可以把信号和噪声分这时可以把信号和噪声分开来计算。开来计算。n设输入噪声为设输入噪声为0，由包络检波器的输出，可知输出信，由包络检波器的输出，可知输出信号为号为:则输出信号平均功率为则输出信号平均功率为:式中式中Kd为鉴频器灵敏度。为鉴频器灵敏度。733.2 角
39、度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(4)n那如何计算解调器输出端噪声的平均功率呢那如何计算解调器输出端噪声的平均功率呢? ?假设调假设调制信号制信号 m(tm(t)=0,)=0,则加到解调器输入端的是未调载波与则加到解调器输入端的是未调载波与窄带高斯噪声之和窄带高斯噪声之和, ,即即: :n其中其中, ,相位偏移可进一步的简化为相位偏移可进一步的简化为: :743.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(5)n由于鉴频器的输出正比于输入的频率偏移由于鉴频器的输出正比于输入的频率偏移, ,故输出噪声故输出噪声( (在在假设调制信号为假设调制信号为0 0时时, ,解调结果
40、只有噪声解调结果只有噪声) )为为: :n其实是其实是n ns s(t(t) )通过理想微分电路的输出通过理想微分电路的输出, ,故它的功率谱密度为故它的功率谱密度为: :n则最终解调器输出则最终解调器输出(LPF(LPF输出输出) )的噪声功率为的噪声功率为: :753.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(6)n大信噪比下，调频信号解调器的输出信噪比：大信噪比下，调频信号解调器的输出信噪比：G = 450.763.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(7)n大信噪比下，大信噪比下，FM系统与系统与AM系统的性能比较系统的性能比较结论：在大信噪比情况下，调频系
41、统的抗噪声性能比调幅结论：在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能比调幅系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。773.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(8)n以上分析结果都是在输入信噪比以上分析结果都是在输入信噪比S Si i/N/Ni i足够大的条件足够大的条件下得到的，但如果此条件不满足下得到的，但如果此条件不满足, ,如如S Si i/N/Ni i低于一定低于一定数值时数值时, ,解调器的输出信噪比解调器的输出信噪比S So o/N/No o急剧恶化，这种急剧恶化，这种现象称为调频信号解调的门限效应。现象称为调频
42、信号解调的门限效应。n出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值。出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值。n理论分析如下理论分析如下: :783.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(9)n小信噪比：小信噪比：n 有用信号已被噪声淹没，无法单独提取，引起有用信号已被噪声淹没，无法单独提取，引起门限效应。门限效应。793.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(10)n由图由图5-32调频解调器的输出信噪比与输入信噪比的关调频解调器的输出信噪比与输入信噪比的关系曲线系曲线, ,可知可知: :1.1.门限值与调制指数门限值与调制指数mf有关。有关。mf越大越大
43、, ,门限值越高。不门限值越高。不过不同过不同mf时时, ,门限值在门限值在8dB11dB的范围内变化的范围内变化, ,一般一般认为门限值为认为门限值为10dB左右。左右。2.2.在门限值以上时在门限值以上时, ,So o/No o与与Si i/Ni i呈线性关系呈线性关系, ,且且mf越大越大, ,输出信噪比的改善越明显。输出信噪比的改善越明显。3.3.在门限值以下时在门限值以下时, , So o/No o将随将随Si i/Ni i的下降而急剧下降，的下降而急剧下降，且且mf越大越大, , So o/No o下降越快。下降越快。803.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(1
44、1) 带宽限制带宽限制 功率限制功率限制813.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(12)n由以上分析可知由以上分析可知, ,门限效应是门限效应是FMFM系统存在的一个实际问系统存在的一个实际问题，希望门限点向低输入信噪比方向扩展。题，希望门限点向低输入信噪比方向扩展。n降低门限值降低门限值( (也称门限扩展也称门限扩展) )的方法很多的方法很多, ,如可采用锁相如可采用锁相环解调器和负反馈解调器环解调器和负反馈解调器n本节重点介绍通过采用预加重和去加重技术来进一步改本节重点介绍通过采用预加重和去加重技术来进一步改善调频解调器的输出信噪比，相当于改善了门限值。善调频解调器的输
45、出信噪比，相当于改善了门限值。823.2 角度调制系统的抗噪声性能角度调制系统的抗噪声性能(13)n改善门限效应的方法改善门限效应的方法n由于鉴频器输出噪声功率谱随由于鉴频器输出噪声功率谱随f呈抛物线形状增大呈抛物线形状增大,但话音信但话音信号的能量却主要分布在低频端号的能量却主要分布在低频端,且功率谱密度随且功率谱密度随f增大而减小增大而减小.n 接收端加入去加重网络，衰减高频分量，减小输出噪声功率接收端加入去加重网络，衰减高频分量，减小输出噪声功率n 发送端加入预加重网络，加重高频分量，以消除信号失真发送端加入预加重网络，加重高频分量，以消除信号失真频率解频率解调器调器频率调频率调制器制器
46、834 各种模拟调制系统的性能比较各种模拟调制系统的性能比较(1)844 各种模拟调制系统的性能比较各种模拟调制系统的性能比较(2)n由理论推导可知由理论推导可知: :1.WBFM抗噪声性能最好抗噪声性能最好, ,DSB,SSB,VSB抗噪声性能次之抗噪声性能次之, ,AM抗噪声性能最差抗噪声性能最差. .当输入信噪比较高时当输入信噪比较高时, ,FM的调频的调频指数指数mf越大越大, ,抗噪声性能越好抗噪声性能越好. .2.SSB的带宽最窄的带宽最窄, ,其频带利用率最高其频带利用率最高; ;FM占用的带宽随占用的带宽随调频指数调频指数mf的增大而增大的增大而增大, ,其频带利用率最低其频带
47、利用率最低. .可以说可以说, ,FM是以牺牲有效性来换取可靠性的是以牺牲有效性来换取可靠性的. .因此因此, ,mf值的选择值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑要从通信质量和带宽限制两方面考虑. .854 各种模拟调制系统的性能比较各种模拟调制系统的性能比较(3)调制调制方式方式传输传输带宽带宽直流直流响应响应设备设备复杂性复杂性主要主要应用应用DSB无无中等：要求相干解调，中等：要求相干解调，常传输小导频常传输小导频模拟数据传输；低带模拟数据传输；低带宽多路复用系统宽多路复用系统AM有有较小：调制与解调简较小：调制与解调简单单无线电广播无线电广播SSB无无较大：要求相干解调，较大：要求
48、相干解调，调制器也较复杂调制器也较复杂话音通信，话音频分话音通信，话音频分多路通信多路通信VSB有有较大：要求相干解调，较大：要求相干解调，调制器需要对称滤波调制器需要对称滤波数据传输，宽带数据传输，宽带(电电视视)系统系统FM有有中等：调制器有点复中等：调制器有点复杂，解调器较简单杂，解调器较简单数据传输，无线电广数据传输，无线电广播，微波中继播，微波中继865 频分复用频分复用(1)n当一条物理信道的传输能力高于一路信号的需求时当一条物理信道的传输能力高于一路信号的需求时,该该信道就可以被多路信号共享信道就可以被多路信号共享.n例如例如:电话系统的干线通常有数千路信号在一根光纤中电话系统的
49、干线通常有数千路信号在一根光纤中传输传输.n复用就是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技复用就是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术术,其目的是为了充分利用信道的频带其目的是为了充分利用信道的频带/时间时间/空间资源空间资源,提高信道的利用率提高信道的利用率.n两种常用的方法两种常用的方法:频分复用频分复用(FDM)和时分复用和时分复用(TDM).875 频分复用频分复用(2)n频分复用频分复用(FDM)：按频率区分信号按频率区分信号n时分复用时分复用(TDM)：按时间区分信号按时间区分信号1 1时间时间时间时间频率频率频率频率2 23 34 41 1时间时间时间时间频率频率频率频率
50、2 23 34 41 1885 频分复用频分复用(3)n频分复用是一种按频率来划分信道的复用方式频分复用是一种按频率来划分信道的复用方式.n在在FDM中中,信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段(子子通道通道),每路信号占据其中一个子通道每路信号占据其中一个子通道,并且各路之间留有并且各路之间留有未被使用的频带未被使用的频带(保护频带保护频带)进行分隔进行分隔,以防止信号重叠以防止信号重叠.在接收端在接收端,采用适当的带通滤波器将多路信号分开采用适当的带通滤波器将多路信号分开,从而从而恢复出所需要的信号恢复出所需要的信号.895 频分复用频分复用(4)n频分复
51、用电话系统频分复用电话系统905 频分复用频分复用(5)n优点：信道复用率高，允许复用的路数多，分路方便优点：信道复用率高，允许复用的路数多，分路方便n缺点：设备生产较为复杂；滤波器特性不理想和信道内缺点：设备生产较为复杂；滤波器特性不理想和信道内存在非线性会产生路间干扰。存在非线性会产生路间干扰。916 应用实例应用实例(1)n调频立体声广播调频立体声广播(FM Stereo Broadcasting)系统是一个系统是一个FDM系统系统的例子的例子.n单声道广播纵然可以用特殊的扬声器将信息频率分开单声道广播纵然可以用特殊的扬声器将信息频率分开(如用于低音如用于低音的低音扬声器的低音扬声器,用
52、于高音的高音扬声器用于高音的高音扬声器),但不能在空间上将单声道声但不能在空间上将单声道声音分开音分开.整个信息信号好像都来自于同一个方向整个信息信号好像都来自于同一个方向.nFM立体声广播中立体声广播中,声音在空间上被分成两路音频信号声音在空间上被分成两路音频信号,一个左声道信一个左声道信号号L,一个右声道信号一个右声道信号R.n在调频之前在调频之前,差信号差信号(L-R)先对先对38kHz的副载波进行抑制载波双边带的副载波进行抑制载波双边带调制调制,然后与和信号然后与和信号(L+R)进行频分复用后进行频分复用后,作为作为FM立体声广播的基立体声广播的基带信号带信号.n接收端在收到立体声广播
53、后接收端在收到立体声广播后,先进行鉴频先进行鉴频,得到频分复用信号得到频分复用信号.对频分对频分复用信号进行相应的分离复用信号进行相应的分离,以恢复出左声道信号以恢复出左声道信号L和右声道信号和右声道信号R.926 应用实例应用实例(2)n调频立体声广播原理图调频立体声广播原理图936 应用实例应用实例(3)n黑白广播电视黑白广播电视946 应用实例应用实例(4)95思考题和作业思考题和作业n什么是线性调制？常见的线性调制方式？什么是线性调制？常见的线性调制方式？n残留边带滤波器的传输特性应如何？残留边带滤波器的传输特性应如何？n什么是调制制度增益？其物理意义如何？什么是调制制度增益？其物理意义如何？n如何比较两个系统的抗噪声性能？如何比较两个系统的抗噪声性能？DSB和和SSB调制系统的抗噪声性能是否相同？调制系统的抗噪声性能是否相同？n什么是门限效应？何种情况下产生？什么是门限效应？何种情况下产生？nFM系统调制制度增益和信号带宽的关系如何？系统调制制度增益和信号带宽的关系如何？说明什么问题？说明什么问题？n什么是频分复用？什么是频分复用？n作业：作业：5-1，5-3，5-6，5-8，5-10，5-1896
