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1、通信原理课件通信原理课件第三章：模拟调制系统第三章：模拟调制系统3.1 3.1 引言引言3.2 3.2 线性调制的原理线性调制的原理3.3 3.3 线性调制系统的解调线性调制系统的解调3.4 3.4 线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析3.5 3.5 非线性调制系统的原理及抗噪声性能非线性调制系统的原理及抗噪声性能3.6 3.6 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较通信原理课件通信原理课件3.1 引言引言 通信原理课件通信原理课件调调制制在在通通信信系系统统中中具具有有十十分分重重要要的的作作用用。一一方方面面，通通过过调调制制可可以以把把基基带带信信号号的的频频谱
2、谱搬搬移移到到所所希希望望的的位位置置上上去去，从从而而将将调调制制信信号号转转换换成成适适合合于于信信道道传传输输或或便便于于信信道道多多路路复复用用的的已已调调信信号号。另另一一方方面面，通通过过调调制制可可以以提提高高信信号号通通过过信信道道传传输输时时的的抗抗干干扰扰能能力力，同同时时，它它还还和和传传输输效效率率有有关关。具具体体地地讲讲，不不同同的的调调制制方方式式产产生生的的已已调调信信号号的的带带宽宽不不同同，因因此此调调制制影影响响传传输输带带宽宽的的利利用用率率。可可见见，调调制制方方式式往往往往决决定定一一个通信系统的性能。个通信系统的性能。调调制制的的类类型型根根据据调
3、调制制信信号号的的形形式式可可分分为为模模拟拟调调制制和和数数字字调调制制；根根据据载载波波的的不不同同可可分分为为以以正正弦弦波波作作为为载载波波的的连连续续载载波波调调制制和和以以脉脉冲冲串串作作为为载载波波的的脉脉冲冲调调制制；根根据据调调制制器器频频谱谱搬移特性的不同可分为线性调制和非线性调制。搬移特性的不同可分为线性调制和非线性调制。 通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件图图3-1AM信号的数学模型信号的数学模型通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件图图3-2调幅过程的波形及频谱调幅过程的波形及频谱通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信
4、原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件（3.2-14）比比较较式式（3.2-13）和和式式（3.2-6）以以及及式式（3.2-14）和和式式（3.2-7）可可见见，在在调调制制信信号号为为确确知知信信号号和和随随机机信信号号两两种种情情况况下下，分分别别求求出出的的已已调调信信号号功功率率表表达达式式是是相相同同的的。考考虑虑到到本本章章模模拟拟通通信信系系统统的的抗抗噪噪声声能能力力是是由由信信号号平平均均功功率率和和噪噪声声平平均均功功率率之之比比（信信噪噪比比）来来度度量量。因因此此，为为了了后后面面分分析析问问题题的的简
5、简便便，我我们们均假设调制信号（基带信号）为确知信号。均假设调制信号（基带信号）为确知信号。通信原理课件通信原理课件 3.2.2 双边带调制（双边带调制（DSB） 1、DSB信号的模型信号的模型在在AM信信号号中中，载载波波分分量量并并不不携携带带信信息息，信信息息完完全全由由边边带带传传送送。如如果果将将载载波波抑抑制制，只只需需在在图图3-1中中将将直直流流A0去去掉掉，即即可可输输出出抑抑制制载载波波双双边边带带信信号号，简简称称双双边边带带信信号号（DSB）。DSB调制器模型如图调制器模型如图3-3所示。所示。图图3-3DSB调制器模型调制器模型通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信
6、原理课件图图3-4DSB调制过程的波形及频谱调制过程的波形及频谱通信原理课件通信原理课件DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解需采用相干解调调(同步检波同步检波)。另外，在调制信号。另外，在调制信号m(t)的过零点处，高频的过零点处，高频载波相位有载波相位有180的突变。的突变。除除不不再再含含有有载载频频分分量量离离散散谱谱外外，DSB信信号号的的频频谱谱与与AM信信号号的的频频谱谱完完全全相相同同，仍仍由由上上下下对对称称的的两两个个边边带带组组成
7、成。所所以以DSB信信号号的的带带宽宽与与AM信信号号的的带带宽宽相相同同，也也为为基基带带信信号号带带宽的两倍，宽的两倍，即即（3.2-17）式中，式中，f fH H为调制信号的最高频率。为调制信号的最高频率。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件频谱图如图频谱图如图3-5（b）所示。所示。通信原理课件通信原理课件图图3-5波形图和频谱图波形图和频谱图通信原理课件通信原理课件3.2.3 单边带调制（单边带调制（SSB） DSB信号虽然节省了载波功率，调制效率提高了，但信号虽然节省了载波功率，调制效率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，
8、与AM信号带宽信号带宽相同。由于相同。由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，它信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这是单边带调制能解决的问题。带即可，这是单边带调制能解决的问题。产产生生SSB信信号号的的方方法法有有很很多多，其其中中最最基基本本的的方方法法有有滤滤波法和相移法。波法和相移法。通信原理课件通信原理课件一、一、SSB信号的产生信号的产生1、用滤波法形成单边带信号、用滤波法形成单边带信号由于单边带调制只传送双边带调制信号的一个边带。因由于单边带调制只传送双边带调制信号的
9、一个边带。因此产生单边带信号的最直观的方法是让双边带信号通过一此产生单边带信号的最直观的方法是让双边带信号通过一个单边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。个单边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。我们把这种方法称为滤波法，它是最简单的也是最常用的我们把这种方法称为滤波法，它是最简单的也是最常用的方法。滤波法产生方法。滤波法产生SSB信号的数学模型如图信号的数学模型如图3-6所示。所示。 图图3-6SSB信号的滤波法产生信号的滤波法产生通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件图图3-7形成形成SSB信号的滤波特性信号的滤波特性通信原理课件通信原理课件图图3-8单边带信
10、号的频谱单边带信号的频谱通信原理课件通信原理课件用滤波法形成用滤波法形成SSB信号的技术难点是：信号的技术难点是：由于一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得由于一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，这就要求单信号的上、下边带之间的间隔很窄，这就要求单边带滤波器在边带滤波器在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至有时甚至难以实现。为此，在工程中往往采用多级调制滤难以实现。为此，在工程中往往采用多
11、级调制滤波的方法，即在低载频上形成单边带信号，然后通过变频波的方法，即在低载频上形成单边带信号，然后通过变频将频谱搬移到更高的载频。实际上，频谱搬移可以连续分将频谱搬移到更高的载频。实际上，频谱搬移可以连续分几步进行，直至达到所需的载频为止几步进行，直至达到所需的载频为止，如图，如图3-9所示。所示。 通信原理课件通信原理课件图图3-9滤波法产生滤波法产生SSB的多级频率搬移过程的多级频率搬移过程通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件上上述述关关系系虽虽然然是是在在单单频频调调制制下下得得到到的的，但但是是它它不不失失一一般般性性，因因为为任任一一个个基基带带
12、信信号号波波形形总总可可以以表表示示成成许许多多正正弦弦信信号号之之和和。因因此此，将将上上述述表表示示方方法法运运用用到到式式（3.2-23），就就可以得到调制信号为任意信号的可以得到调制信号为任意信号的SSB信号的时域表达式信号的时域表达式（3.2-24）式中，式中， 是是 的希尔伯特变换的希尔伯特变换。为为更更好好地地理理解解单单边边带带信信号号，这这里里有有必必要要简简要要叙叙述述希希尔尔伯伯特特变换的概念及其性质。变换的概念及其性质。（2）、希尔伯特变换）、希尔伯特变换设设f(t)为实函数，称为实函数，称为为f(t)的希尔伯特变换，记的希尔伯特变换，记为为通信原理课件通信原理课件通信
13、原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件图图3-11相移法形成相移法形成SSB信号信号通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件3.2.4 残留边带调制（残留边带调制（VSB） 单单边边带带传传输输信信号号具具有有节节约约一一半半频频谱谱和和节节省省功功率率的的优优点点。但但是是付付出出的的代代价价是是设设备备制制作作非非常常困困难难，如如用用滤滤波波法法则则边边带带滤滤波波器器不不容容易易得得到到陡陡峭峭的的频频率率特特性性，如如用用相相移移法法则则基基带带信信号号各各频频率率成成分分不不可可能能都都做做到到-的的移移相相等等。如如果果传传输输电电视视信信号
14、号、传传真真信信号号和和高高速速数数据据信信号号的的话话，由由于于它它们们的的频频谱谱范范围围较较宽宽，而而且且极极低低频频分分量量的的幅幅度度也也比比较较大大，这这样样边边带带滤滤波波器器和和宽宽带带相相移移网网络络的的制制作作都都更更为为困困难难，为为了了解解决决这这个个问问题题，可可以以采采用用残残留留边边带带调调制制（VSB）。VSB是是介介于于SSB和和DSB之之间间的的一一个个折折中中方方案案。在在这这种种调调制制中中，一一个个边边带带绝绝大大部部分分顺顺利利通通过过，而而另另一一个个边边带带残残留留一一小小部部分分，如如图图3-12（d）所示。所示。通信原理课件通信原理课件图图3
15、-12DSB、SSB和和VSB信号的频谱信号的频谱通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件(a)上边带残留的下边带滤波器特性上边带残留的下边带滤波器特性（b）下边带残留的上边带滤波器下边带残留的上边带滤波器特性特性图图3-14残留边带滤波器特性残留边带滤波器特性通信原理课件通信原理课件3.3线性调制系统的解调线性调制系统的解调 调调制制过过程程是是一一个个频频谱谱搬搬移移的的过过程程，它它是是将将低低频频信信号号的的频频谱谱搬搬移移到到载载频频位位置置。而而解解调调是是将将位位于于载载频频的的信信号号频频谱谱再再搬
16、回来，并且不失真地恢复出原始基带信号。搬回来，并且不失真地恢复出原始基带信号。解解调调的的方方式式有有两两种种：相相干干解解调调与与非非相相干干解解调调。相相干干解解调调适适用用于于各各种种线线性性调调制制系系统统，非非相相干干解解调调一一般般只只适适用用幅幅度度调制（调制（AM）信号。信号。通信原理课件通信原理课件3.3.1 线性调制系统的相干解调线性调制系统的相干解调 所谓相干解调是为了从接收的已调信号中，不失真地所谓相干解调是为了从接收的已调信号中，不失真地恢复原调制信号，要求本地载波和接收信号的载波保证同恢复原调制信号，要求本地载波和接收信号的载波保证同频同相。相干解调的一般数学模型如
17、图频同相。相干解调的一般数学模型如图3-15所示。所示。 图图3-15相干解调器的数学模型相干解调器的数学模型通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件3.3.2 线性调制系统的非相干解调线性调制系统的非相干解调 所谓非相干解调就是在接收端解调信号时不需要本地所谓非相干解调就是在接收端解调信号时不需要本地载波，而是利用已调信号中的包络信息来恢复原基带信号。载波，而是利用已调信号中的包络信息来恢复原基带信号。因此，非相干解调一般只适用幅度调制（因此，非相干解调一般只适用幅度调制（AM）系统。由系统。由于包络解调器电路简单，效率高，所以几乎所有
18、的幅度调于包络解调器电路简单，效率高，所以几乎所有的幅度调制（制（AM）接收机都采用这种电路。图接收机都采用这种电路。图3-16为串联型包络为串联型包络检波器的具体电路。检波器的具体电路。图图3-16串联型包络检波器电路串联型包络检波器电路通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件图图3-17通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件综上所述，可以确定综上所述，可以确定，通信原理课件通信原理课件3.4线性调制系统的抗噪声性能分析线性调制系统的抗噪声性能分析 3.4.1抗噪声性能的分析模型抗噪声性能的分析模型 各各种种线线性性已已调调信信号号在在传传输输过过程程中中不不可可避避免免地
19、地要要受受到到噪噪声声的的干干扰扰，为为了了讨讨论论问问题题的的简简单单起起见见，我我们们这这里里只只研研究究加加性性噪噪声声对对信信号号的的影影响响。因因此此，接接收收端端收收到到的的信信号号是是发发送送信信号号与加性噪声之和。与加性噪声之和。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主主要要用用解解调调器器的的抗抗噪噪声声性性能能来来衡衡量量。为为了了对对不不同同调调制制方方式式下下各各种种解解调调器器性性能能进进行行度度量量，通通常常采采用用信信噪噪比比增增益益G（又又称称调调制制制制度度增增益益）来来表
20、表示示解解调调器器的的抗抗噪噪声性能，即声性能，即（3.4-1）通信原理课件通信原理课件有加性噪声时解调器的数学模型如图有加性噪声时解调器的数学模型如图3-18所示。所示。图图3-18有加性噪声时解调器的数学模型有加性噪声时解调器的数学模型图图中中Sm(t)为为已已调调信信号号，n(t)为为加加性性高高斯斯白白噪噪声声。Sm(t)和和n(t)首首先先经经过过一一带带通通滤滤波波器器，滤滤出出有有用用信信号号，滤滤除除带带外外的的噪噪声声。经经过过带带通通滤滤波波器器后后到到达达解解调调器器输输入入端端的的信信号号为为Sm(t)、噪噪声声为为高高斯斯窄窄带带噪噪声声ni(t)，显显然然解解调调器
21、器输输入入端端的的噪噪声声带带宽宽与与已已调调信信号号的的带带宽宽是是相相同同的的。最最后后经经解解调调器器解解调调输输出出的的有用信号为有用信号为mo(t)，噪声为噪声为no(t)。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件（3.4-5）为了使已调信号无失真地进入解调器，同时又最大限度地抑为了使已调信号无失真地进入解调器，同时又最大限度地抑制噪声，带通滤波器的带宽制噪声，带通滤波器的带宽B应等于已调信号的带宽。应等于已调信号的带宽。图图3-19带通滤波器传输特性带通滤波器传输特性通信原理课件通信原理课件3.4.2 相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能 各种线性调制系统的相干解调模型
22、如图各种线性调制系统的相干解调模型如图3-20所示。图中所示。图中Sm(t)可以是各种调幅信号，如可以是各种调幅信号，如AM、DSB、SSB和和VSB，带带通滤波器的带宽等于已调信号带宽。下面讨论各种线性调制通滤波器的带宽等于已调信号带宽。下面讨论各种线性调制系统的抗噪声性能。系统的抗噪声性能。图图3-20有加性噪声的相干解调模型有加性噪声的相干解调模型通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件3.4.3非相干解调的抗噪声性能非相干解调的抗噪声性能 只有只有AM信号可以
23、直接采用非相干解调。实际中，信号可以直接采用非相干解调。实际中，AM信号常采用包络检波器解调，有噪声时包络检波器的数学信号常采用包络检波器解调，有噪声时包络检波器的数学模型如图模型如图3-21所示。所示。图图3-21有噪声时的包络检波器模型有噪声时的包络检波器模型通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件2、小信噪比情况、小信噪比情况所所谓谓小小信信噪噪比比是是指指噪噪声声幅幅度度远远大大于于信信号号幅幅度度。在在此此情情况况下下，包包络络检检波波器器会会把把有有用用信信号号扰扰乱乱成成噪噪声声，即即有有用用信信号号
24、“淹淹没没”在在噪噪声声中中，这这种种现现象象通通常常称称为为门门限限效效应应。进进一一步步说说，所所谓谓门门限限效效应应，就就是是当当包包络络检检波波器器的的输输入入信信噪噪比比降降低低到到一一个个特特定定的的数数值值后后，检检波波器器输输出出信信噪噪比比出出现现急急剧剧恶恶化化的的一一种种现象。现象。小小信信噪噪比比输输入入时时，包包络络检检波波器器输输出出信信噪噪比比计计算算很很复复杂杂，而而且且详详细细计计算算它它一一般般也也无无必必要要。根根据据实实践践及及有有关关资资料料可可近近似认为似认为（3.4-36）由于在相干解调器中不存在门限效应，所以在噪声条件由于在相干解调器中不存在门限
25、效应，所以在噪声条件恶劣的情况下常采用相干解调。恶劣的情况下常采用相干解调。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件3.5非线性调制系统的原理及抗噪声性能非线性调制系统的原理及抗噪声性能 前前面面所所讨讨论论的的各各种种线线性性调调制制方方式式均均有有共共同同的的特特点点，就就是是调调制制后后的的信信号号频频谱谱只只是是调调制制信信号号的的频频谱谱在在频频率率轴轴上上的的搬搬移移，以以适适应应信信道道的的要要求求，虽虽然然频频率率位位置置发发生生了了变变化化，但但频频谱的结构没有变。谱的结构没有变。非非线线性性调调制制又又称称角角度度调调制制，是是指指调调制制信
26、信号号控控制制高高频频载载波波的的频频率率或或相相位位，而而载载波波的的幅幅度度保保持持不不变变。角角度度调调制制后后信信号号的的频频谱谱不不再再保保持持调调制制信信号号的的频频谱谱结结构构，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频率率成成分分，而而且且调调制制后后信信号号的的带带宽宽一一般般要要比比调制信号的带宽大得多。调制信号的带宽大得多。非线性调制分为频率调制（非线性调制分为频率调制（FM）和相位调制（和相位调制（PM），），它们之间可相互转换，它们之间可相互转换，FM用得较多，因此我们着重讨论用得较多，因此我们着重讨论频率调制。频率调制。 通信原理课件通信原理课件3.5
27、.1非线性调制的基本概念非线性调制的基本概念 前前面面所所说说的的线线性性调调制制是是通通过过调调制制信信号号改改变变载载波波的的幅幅度度来来实实现现的的，而而非非线线性性调调制制是是通通过过调调制制信信号号改改变变载载波波的的角角度度来实现的。来实现的。一、角度调制的基本概念一、角度调制的基本概念1、任一未调制的正弦载波可表示为、任一未调制的正弦载波可表示为（3.5-1）式中，式中，A为载波的振幅，为载波的振幅， 称为载波信号的瞬时相称为载波信号的瞬时相位；位； 称为载波信号的角频率；称为载波信号的角频率； 为初相。为初相。2、调制后正弦载波可表示为、调制后正弦载波可表示为（3.5-2）通信
28、原理课件通信原理课件式中式中 称为信号的瞬时相位；称为信号的瞬时相位； 称为瞬时相位偏移；称为瞬时相位偏移； 称为信号的瞬时角频率，称为信号的瞬时角频率， 称为瞬时角频率偏移。称为瞬时角频率偏移。二、调相波二、调相波PM与调频波与调频波FM的一般表达式的一般表达式1、相位调制（、相位调制（PM）载载波波的的振振幅幅不不变变，调调制制信信号号控控制制载载波波的的瞬瞬时时相相位位偏偏移移，使按的规律变化，则称之为相位调制（使按的规律变化，则称之为相位调制（PM）。）。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件 称为最大角频率偏移。称为最大角频率
29、偏移。因此因此（3.5-9）三、三、PM与与FM之间的关系之间的关系比比较较式式（3.5-3）和和（3.5-5）可可以以得得出出结结论论：尽尽管管PM和和FM是是角角调调制制的的两两种种不不同同形形式式，但但它它们们并并无无本本质质区区别别。PM和和FM只只是是频频率率和和相相位位的的变变化化规规律律不不同同而而已已。在在PM中中，角角度度随随调调制制信信号号线线性性变变化化，而而在在FM中中，角角度度随随调调制制信信号号的的积积分分线线性性变变化化。若若将将先先积积分分而而后后使使它它对对载载波波进进行行PM即即得得FM；而而若若将将先先微微分分而而后后使使它它对对载载波波进进行行FM即即得
30、得PM；所所以以PM与与FM波波的的产产生方法有两种：直接法和间接法，如图生方法有两种：直接法和间接法，如图3-22和图和图3-23所示。所示。通信原理课件通信原理课件图图3-22直接调相和间接调相图直接调相和间接调相图通信原理课件通信原理课件从以上分析可见，调频与调相并无本质区别，两者之间可从以上分析可见，调频与调相并无本质区别，两者之间可相互转换。鉴于在实际应用中多采用相互转换。鉴于在实际应用中多采用FM波，下面将集中讨波，下面将集中讨论频率调制。论频率调制。图图3-23直接调频和间接调频直接调频和间接调频通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件二、宽带调频
31、（二、宽带调频（WBFM）当当式式（3.5-10）不不成成立立时时，调调频频信信号号的的时时域域表表达达式式不不能能简简化化为为式式（3.5-12），此此时时调调制制信信号号对对载载波波进进行行频频率率调调制制将将产产生生较较大大的的频频偏偏，使使已已调调信信号号在在传传输输时时占占用用较较宽宽的的频频带带，所以称为宽带调频。所以称为宽带调频。一般信号的宽带调频时域表达式非常复杂。为使问题简一般信号的宽带调频时域表达式非常复杂。为使问题简化，我们只研究单频调制的情况，然后把分析的结论推广化，我们只研究单频调制的情况，然后把分析的结论推广到一般的情况。到一般的情况。1、单频调制时、单频调制时WB
32、FM的频域特性的频域特性设单频调制信号为设单频调制信号为则由式（则由式（3.5-8）可得）可得（3.5-14）通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件（3.5-17）调频波的频谱如图调频波的频谱如图3-25所示。所示。图图3-24贝塞尔函数曲线贝塞尔函数曲线通信原理课件通信原理课件图图3-25调频波的频谱调频波的频谱通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件3.5.3调频信号的产生与解调调频信号的产生与解调一、调频信号的产生一、调频信号的产生产产生生调调频频波波的的方方法法通通常常有有
33、两两种种：直直接接调调频频法法和和间间接接调调频法。频法。1、直直接接法法。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电电抗抗元元件件参参数数，使使输输出出信信号号的的瞬瞬时时频频率率随随调调制制信信号号呈呈线线性性变变化化。目目前前人人们们多多采采用用压压控控振振荡荡器器（VCO）作作为为产产生生调调频频信信号号的的调调制制器器。振振荡荡频频率率由由外外部部电电压压控控制制的的振振荡荡器器叫叫做做压压控控振振荡荡器器（VCO），它它产产生生的的输输出出频频率率正正比比于于所所加加的的控制电压。控制电压。直直接接法法的的主主要要优优点点是是在在实实现现线线性性调调
34、频频的的要要求求下下，可可以以获获得得较较大大的的频频偏偏。缺缺点点是是频频率率稳稳定定度度不不高高，往往往往需需要要附附加加稳频电路来稳定中心频率。稳频电路来稳定中心频率。通信原理课件通信原理课件2、间接法、间接法间间接接法法又又称称倍倍频频法法，它它是是由由窄窄带带调调频频通通过过倍倍频频产产生生宽宽带带调频信号的方法。调频信号的方法。其原理框图如图其原理框图如图3-26所示。所示。图图3-26间接产生间接产生WBFM的框图的框图通信原理课件通信原理课件二、调频信号的解调二、调频信号的解调1、非相干解调、非相干解调非非相相干干解解调调器器由由限限幅幅器器、鉴鉴频频器器和和低低通通滤滤波波器
35、器等等组组成成，其其方方框框图图如如图图3-27所所示示。限限幅幅器器输输入入为为已已调调频频信信号号和和噪噪声声，限限幅幅器器是是为为了了消消除除接接收收信信号号在在幅幅度度上上可可能能出出现现的的畸畸变变；带带通通滤滤波波器器的的作作用用是是用用来来限限制制带带外外噪噪声声，使使调调频频信信号号顺顺利利通通过。过。鉴鉴频频器器中中的的微微分分器器把把调调频频信信号号变变成成调调幅幅调调频频波波，然然后后由由包络检波器检出包络，最后通过低通滤波器取出调制信号。包络检波器检出包络，最后通过低通滤波器取出调制信号。通信原理课件通信原理课件图图3-27调频信号的非相干解调调频信号的非相干解调通信原
36、理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件2、相干解调、相干解调由由于于窄窄带带调调频频信信号号可可分分解解成成正正交交分分量量与与同同相相分分量量之之和和，因因而而可可以以采采用用线线性性调调制制中中的的相相干干解解调调法法来来进进行行解解调调。其其原原理理框框图图如如图图3-28所所示示。图图中中的的带带通通滤滤波波器器用用来来限限制制信信道道所所引引入入的的噪噪声，但调频信号应能正常通过。声，但调频信号应能正常通过。图图3-28窄带调频信号的相干解调窄带调频信号的相干解调通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件3.5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能 从从前前面面的的
37、分分析析可可知知，调调频频信信号号的的解解调调有有相相干干解解调调和和非非相相干干解解调调两两种种。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，且且需需同同步步信信号号；而而非非相相干干解解调调适适用用于于窄窄带带和和宽宽带带调调频频信信号号，而而且且不不需需同同步步信信号号，因因而而是是FM系系统统的的主主要要解解调调方方式式，所所以以本本节节只只讨讨论论非非相相干干解解调调系系统统的的抗抗噪噪声声性性能能，其其分分析析模模型型如如图图3-29所示。所示。通信原理课件通信原理课件图图3-29调频系统抗噪声性能分析模型调频系统抗噪声性能分析模型图图中中带带通通滤滤波波器器的的作作
38、用用是是抑抑制制信信号号带带宽宽以以外外的的噪噪声声。n(t)是是均均值值为为零零，单单边边功功率率谱谱密密度度为为n0的的高高斯斯白白噪噪声声，经经过过带带通通滤滤波波器器后后变变为为窄窄带带高高斯斯噪噪声声ni(t)。限限幅幅器器是是为为了了消消除除接接收收信信号在幅度上可能出现的畸变。号在幅度上可能出现的畸变。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件二、解调器输出信噪比和信噪比增益二、解调器输出信噪比和信噪比增益计计算算输输出出信信噪噪比比时时，由由于于非非相相干干解解调调不不满满足足叠叠加加性性，无无法法分分别别计计算算信信号号与与噪噪声声功功率率，因因此此，也也和和AM信信号
39、号的的非非相相干干解解调调一一样样，考考虑虑两两种种极极端端情情况况，即即大大信信噪噪比比和和小小信信噪噪比比情况，使计算简化，以便得到一些有用的结论。情况，使计算简化，以便得到一些有用的结论。1、大信噪比情况、大信噪比情况在在大大信信噪噪比比条条件件下下，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，这这时时可可以以把把信信号号和和噪噪声声分分开开来来算算，这这里里，我我们们直直接接给给出出解解调器的输出信噪比调器的输出信噪比（3.5-31）上上式式中中，A为为载载波波的的振振幅幅，Kf为为调调频频器器灵灵敏敏度度，fm为为调调制制信信号号m(t)的最高频率，的最高频率，n0为噪
40、声单边功率谱密度。为噪声单边功率谱密度。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件上上式式表表明明，大大信信噪噪比比时时宽宽带带调调频频系系统统的的信信噪噪比比增增益益是是很很高高的的，它它与与调调频频指指数数的的立立方方成成正正比比。例例如如调调频频广广播播中中常常取取，则则信信噪噪比比增增益益G=450。可可见见，加加大大调调频频指指数数mf，可可使使调调频频系系统统的的抗抗噪声性能迅速改善。噪声性能迅速改善。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件2、小信噪比情况与门限效应、小信噪比情况与门限效应以上分
41、析都是在解调器输入信噪比足够大的条件下进行以上分析都是在解调器输入信噪比足够大的条件下进行的，在此假设条件下的近似分析所得到的解调输出信号与的，在此假设条件下的近似分析所得到的解调输出信号与噪声是相加的。实际上，在解调输入信号与噪声是相加的噪声是相加的。实际上，在解调输入信号与噪声是相加的情况下，由于角调信号解调过程的非线性，使得解调输出情况下，由于角调信号解调过程的非线性，使得解调输出的信号和噪声是以一复杂的非线性函数关系相混合，仅在的信号和噪声是以一复杂的非线性函数关系相混合，仅在大输入信噪比时，此非线性函数才近似为一相加形式。在大输入信噪比时，此非线性函数才近似为一相加形式。在小输入信噪
42、比时，解调输出信号与噪声相混合，以致不能小输入信噪比时，解调输出信号与噪声相混合，以致不能从噪声中分辨出信号来，此时的输出信噪比急剧恶化，这从噪声中分辨出信号来，此时的输出信噪比急剧恶化，这种情况与幅度调制包络检波时相似，也称之为门限效应。种情况与幅度调制包络检波时相似，也称之为门限效应。出现门限效应时所对应的输入信噪比的值被称为门限值。出现门限效应时所对应的输入信噪比的值被称为门限值。通信原理课件通信原理课件图图3-30示示出出了了调调频频解解调调器器输输入入输输出出信信噪噪比比性性能能曲曲线线。为为了了便便于于比比较较，图图中中还还画画出出了了DSB信信号号同同步步检检测测时时的的性性能能
43、曲曲线线。由由前前面面的的讨讨论论可可知知，后后者者是是通通过过原原点点的的直直线线。而而对对FM系系统统而而言言，当当未未发发生生门门限限效效应应时时，FM与与AM的的性性能能关关系系符符合合（3.5-37）的的关关系系式式，在在相相同同输输入入信信噪噪比比情情况况下下，FM输输出出信信噪噪比比优优于于AM输输出出信信噪噪比比；但但是是，当当输输入入信信噪噪比比降降到到某某一一门门限限（例例如如，图图3-30中中的的门门限限值值）时时，FM便便开开始始出出现现门门限限效效应应；若若继继续续降降低低输输入入信信噪噪比比，则则FM解解调调器器的的输出信噪比将急剧变坏，甚至比输出信噪比将急剧变坏，
44、甚至比AM的性能还要差。的性能还要差。通信原理课件通信原理课件图图3-30解调器性能曲线示意图解调器性能曲线示意图通信原理课件通信原理课件3.5.5 调频系统的加重技术调频系统的加重技术 前前面面曾曾提提到到，线线性性调调制制系系统统输输出出信信噪噪比比的的增增加加只只能能靠靠输输入入信信噪噪比比的的增增加加而而增增加加（如如增增加加发发送送信信号号功功率率或或降降低低噪噪声声电电平平）。非非线线性性调调制制系系统统可可以以用用增增加加输输入入信信噪噪比比或或者者用用增增加加调调频频指指数数的的方方法法增增加加输输出出信信噪噪比比。除除此此之之外外，它它们们还还可可采采用用降降低低输输出出噪噪
45、声声功功率率的的方方法法提提高高输输出出信信噪噪比比。总总之之，只只要要能能保保持持输输出出信信号号不不变变的的任任何何降降低低输输出出噪噪声声的的措措施施都都是是有用的。有用的。本本节节的的预预加加重重/去去加加重重技技术术就就是是采采用用保保持持输输出出信信号号功功率率不不变变而而降降低低输输出出噪噪声声的的方方法法来来提提高高输输出出信信噪噪比比。其其基基本本思思想想是是在在接接收收端端解解调调器器输输出出端端接接入入去去加加重重滤滤波波器器和和在在发发送送端端调调制制器器输输入入端端接接入入预预加加重重滤滤波波器器。预预加加重重滤滤波波器器的的特特性性和和去去加加重重滤滤波波器器的的特
46、特性性应应是是互互补补关关系系。该该过过程程的的方方框框图图如如图图3-31所示。所示。通信原理课件通信原理课件图图3-31具有预加重和去加重滤波器的调频系统具有预加重和去加重滤波器的调频系统通信原理课件通信原理课件可可以以证证明明，调调频频信信号号用用鉴鉴频频器器解解调调时时，解解调调器器的的输输出出噪噪声声功率谱密度按频率的平方规律增加。即功率谱密度按频率的平方规律增加。即现在如果在解调器输出端接一个输出特性随现在如果在解调器输出端接一个输出特性随f的增加而滚降的的增加而滚降的线性网络，将高端的噪声衰减，则总的噪声功率可以减小，线性网络，将高端的噪声衰减，则总的噪声功率可以减小，这个网络称
47、为去加重网络，其简单电路如图这个网络称为去加重网络，其简单电路如图3-32所示。所示。图图3-32简单去加重电路简单去加重电路通信原理课件通信原理课件在接收端接入去加重网络后，将会对输出信号带来频率失在接收端接入去加重网络后，将会对输出信号带来频率失真。因此在调制器前加一个预加重网络来抵消去加重网络真。因此在调制器前加一个预加重网络来抵消去加重网络的影响，其简单电路如图的影响，其简单电路如图3-33所示。所示。图图3-33简单预加重电路简单预加重电路通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件在在采采用用图图3-32和和图图3-33所所示示的的简简单单去去加加重重预预加加重重电电路路后后，
48、且且保保持持信信号号传传输输带带宽宽不不变变的的条条件件，经经过过分分析析计计算算，可可以以使使输出信噪比提高输出信噪比提高6dB左右。左右。通信原理课件通信原理课件3.6各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较 本本节节将将对对前前面面所所讨讨论论的的各各种种模模拟拟调调制制系系统统进进行行总总结结、比比较，以便在实际中合理选用。较，以便在实际中合理选用。1、各种模拟调制方式总结、各种模拟调制方式总结假假定定所所有有调调制制系系统统在在接接收收机机输输入入端端具具有有相相同同的的信信号号功功率率，且且加加性性噪噪声声都都是是均均值值为为0、双双边边功功率率谱谱密密度度为为n0/2的的高高
49、斯斯白白噪声，基带信号噪声，基带信号m(t)带宽为带宽为fm，在所有系统中都满足在所有系统中都满足（3.6-1）通信原理课件通信原理课件综综合合前前面面的的分分析析，可可总总结结各各种种调调制制方方式式的的传传输输带带宽宽、信信噪噪比比增增益益、设设备备复复杂杂程程度度、主主要要应应用用等等如如表表3.6-1所所示示，表表中中还进一步假设了还进一步假设了AM为为100%调制。调制。通信原理课件通信原理课件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就就抗抗噪噪性性能能而而言言，WBFM最最好好，DSB、SSB、VSB次次之之，AM最最差差。NBFM与与AM接接近近。图图3-34示示出
50、出了了各各种种模模拟拟调调制制系系统统的的性性能能曲曲线线，图图中中的的圆圆点点表表示示门门限限点点。门门限限点点以以下下，曲曲线线迅迅速速下下跌跌；门门限限点点以以上上，DSB、SSB的的信信噪噪比比比比AM高高4.7dB以上，而以上，而FM(mf=6)的信噪比比的信噪比比AM高高22dB。就频带利用率而言，就频带利用率而言，SSB最好，最好，VSB与与SSB接近，接近，DSB、AM、NBFM次之，次之，WBFM最差。由表最差。由表3.6-1还可看出，还可看出，FM的调频指数越大，抗噪性能越好，但占据带宽越宽，频带的调频指数越大，抗噪性能越好，但占据带宽越宽，频带利用率越低。利用率越低。通信原理课件通信原理课件图图3-34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
