第三章 通信原理

1、现 代 通 信 系 统 原 理 授课教师：杨怡怀 现代通信系统原理现代通信系统原理 第第3 3章章 模拟调制系统模拟调制系统 v3.1 3.1 幅度调制（线性调制）的原理幅度调制（线性调制）的原理 v3.2 3.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 v3.3 3.3 角度调制（非线性调制）原理及抗噪声性能角度调制（非线性调制）原理及抗噪声性能 v3.4 3.4 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较 v3.5 3.5 频分复用（频分复用（FDMFDM） 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 由传感器得到的信号为基带信号，直接传输则为基带传 输

2、，但更多情况下是进行某种方式的变换，然后再传输。 调制的目的： 可实现信道复用和频率分配 利于信号的远距离传输 提高抗干扰性 调制信号 m(t) 调制器 已调信号Sm(t) 载波信号C(t) 调制的一般框图： 3.1 幅度调制的原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 调制的分类 按载波信号不同： 按调制信号不同： 按被调制载波参数不同： 按传输函数不同： 模拟调制：调制信号是连续变化的模拟信号 数字调制：调制信号是离散的数字信号 正弦波波调制：载波信号是连续波形 脉冲调制：载波信号是脉冲波形 幅度调制：载波幅度随调制信号变化 频率调制：载波频率随调制信号变化 相位调制：载波相位随调制信号变化

3、已调信号与输入信号频谱之间 呈线性搬移 已调信号与输入信号频谱之间 呈非线性搬移 线性调制： 非线性调制： 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.1.2 常规双边带调制（AM） 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-1 AM信号的数学模型信号的数学模型 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-2 调幅过程的波形及频谱调幅过程的波形及频谱 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.1.3 双边带调制（DSB） 1、DSB信号的

4、模型信号的模型 在在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由 边带传送。如果将载波抑制，只需在图边带传送。如果将载波抑制，只需在图3-1 中将直流中将直流A0去去 掉掉，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号 （DSB）。）。 DSB调制器模型如图调制器模型如图3-3所示。所示。 图图3-3 DSB调制器模型调制器模型 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-4 DSB3-4 DSB调制过程的波形及频谱调制过程的波形及频谱 现代通信系统原理现代通信系统原理 vDSB信号

5、的包络不再与调制信号的变化规律一致，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，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号， 需需 采用相干解调采用相干解调(同步检波同步检波)。另外，在调制信号。另外，在调制信号m(t)的的 过零点处，高频载波相位有过零点处，高频载波相位有180的突变。的突变。 v除不再含有载频分量离散谱外，除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与信号的频谱与 AM信号的频谱完全相同，仍由上下对称的两个边带信号的频谱完全相同，仍由上下对称的两个边带 组成。所以组成。所以DSB信号的带宽与信号的带宽与AM信号的带宽相同，信号的带宽相同

6、， 也为基带信号带宽的两倍，也为基带信号带宽的两倍， 即即 HAMDSB fBB2 （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。 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 ( ) ()() ()()()() 4 (6 )(6 ) (7 )(7 )(5 )(5 ) 4 AMcc cccc S j j 频谱图如图频谱图如图3-5（b）所示。所示。 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-5 波形图和频谱图波形图和频谱图 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.1.4 单边带调制（SSB） vDSBDSB信号虽然节省了载波功率，调制

7、效率提高了，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，与但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AMAM 信号带宽相同。由于信号带宽相同。由于DSBDSB信号的上、下两个边带信号的上、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带即可，这是单边带息，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。调制能解决的问题。 v 产生产生SSBSSB信号的方法有很多，其中最基本的方信号的方法有很多，其中最基本的方 法有滤波法和相移法。法有滤波法和相移法。 现代通信系统原理现代通信

8、系统原理 一、一、SSBSSB信号的产生信号的产生 1 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。因此由于单边带调制只传送双边带调制信号的一个边带。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个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。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SSBSSB信号的数学模型如图信号的数学模型如图3-

9、63-6所示。所示。 图图3-6 SSB信号的滤波法产生信号的滤波法产生 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-7 形成形成SSB信号的滤波特性信号的滤波特性 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-8 单边带信号的频谱单边带信号的频谱 现代通信系统原理现代通信系统原理 v用滤波法形成用滤波法形成SSBSSB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，由于一般调制信号都具有丰富的低频成分， 经调制后得到的经调制后得到的DSBDSB信号的上、下边带之间的间隔信号的上、下边带之间的间隔 很窄，这就要求单边带滤波器在很窄，这就要

10、求单边带滤波器在f fc c附近具有陡峭附近具有陡峭 的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。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，有时甚至这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难难 以实现。为此，在工程中往往采用多级调制滤波以实现。为此，在工程中往往采用多级调制滤波 的方法，即在低载频上形成单边带信号，然后通的方法，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 搬移可以连续分几步进行，直至达到所需的载频搬移可以连续分几步进行，直至达到所需的载频 为止为止，如图，如图3-93-

11、9所示。所示。 现代通信系统原理现代通信系统原理 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 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 上述关系虽然是在单频调制下得到的，但是它不失一般上述关系虽然是在单频调制下得到的，但是它不失一般 性，因为任一个基带信号波形总可以表示成许多正弦信性，因为任一个基带信号波形总可以表示成许多正弦信 号之和。因此，将上述表示方法运用到式（号之和。因此，将上述表示方法运用到式（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

12、达式信号的时域表达式 ttmttmtS ccSSB sin)( 2 1 cos)( 2 1 )( （3.2-24） 式中，式中， 是是 的希尔伯特变换的希尔伯特变换。 )(tm )(tm 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-11 相移法形成相移法形成SSB信号信号 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.1.5 残留边带调制（VSB） 单边带传输信号具有节约一半频谱和节省功率的优点。单边带传输信号具有节约一半频谱和节省功率的优点。 但是付出的代价是设备制作非常困难，如用滤波法则边带但是付出的代价是设备制作非常困难，如用滤波

13、法则边带 滤波器不容易得到陡峭的频率特性，如用相移法则基带信滤波器不容易得到陡峭的频率特性，如用相移法则基带信 号各频率成分不可能都做到号各频率成分不可能都做到-/2的移相等。如果传输电视的移相等。如果传输电视 信号、传真信号和高速数据信号的话，由于它们的频谱范信号、传真信号和高速数据信号的话，由于它们的频谱范 围较宽，而且极低频分量的幅度也比较大，这样边带滤波围较宽，而且极低频分量的幅度也比较大，这样边带滤波 器和宽带相移网络的制作都更为困难，为了解决这个问题，器和宽带相移网络的制作都更为困难，为了解决这个问题， 可以采用残留边带调制（可以采用残留边带调制（VSB）。）。VSB是介于是介于S

14、SB和和DSB 之间的一个折中方案。在这种调制中，一个边带绝大部分之间的一个折中方案。在这种调制中，一个边带绝大部分 顺利通过，而另一个边带残留一小部分，如图顺利通过，而另一个边带残留一小部分，如图3-12（d） 所示。所示。 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-12 DSB、SSB和和VSB信号的频谱信号的频谱 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 (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特性下边带残留

15、的上边带滤波器特性 图图3-14 3-14 残留边带滤波器特性残留边带滤波器特性 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.1.6 3.1.6 线性调制系统的解调线性调制系统的解调 v调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信 号的频谱搬移到载频位置。而解调是将位于载频号的频谱搬移到载频位置。而解调是将位于载频 的信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原始的信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原始 基带信号。基带信号。 v解调的方式有两种：相干解调与非相干解调。相解调的方式有两种：相干解调与非相干解调。相 干解调适用于各种线性调制系统，非相干解调一干解调适用

16、于各种线性调制系统，非相干解调一 般只适用幅度调制（般只适用幅度调制（AM）信号。信号。 现代通信系统原理现代通信系统原理 1. 1. 线性调制系统的相干解调线性调制系统的相干解调 v 所谓相干解调是为了从接收的已调信号中，不失真地恢复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，原调制信号，要求本地载波和接收信号的载波保证同频同要求本地载波和接收信号的载波保证同频同 相相。相干解调的一般数学模型如图。相干解调的一般数学模型如图3-153-15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 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原

17、理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 2. 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 v 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，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。因此，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（非相干解调一般只适用幅度调制（AM）系统。由于包络系统。由于包络 解调器电路简单，效率高，所以几乎所有的幅度调制解调器电路简单，效率高，所以几乎所有的幅度调制 （AM）接收机都采用这种电路。图接收机都采用这种电路。图3-

18、16为串联型包络检为串联型包络检 波器的具体电路。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 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.2 3.2 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 3.2.13.2.1抗噪声性能的分析模型抗噪声性能的分析模型 各种线性已调信号在传输过程中不可避免地要受到各种线性已调信号在传输过程中不可避免地要受到 噪声的干扰，为了讨论问题的简单起见，我们这里只研噪声的干扰，为了讨论问题的简单起见，我们这里只研 究加性噪声对信号的影响。因此，接收端收到的信号是究加性噪声对信号的影响。因此，接收端

19、收到的信号是 发送信号与加性噪声之和。发送信号与加性噪声之和。 由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而 调制系统的抗噪声性能主要用解调器的抗噪声性能来衡调制系统的抗噪声性能主要用解调器的抗噪声性能来衡 量。为了对不同调制方式下各种解调器性能进行度量，量。为了对不同调制方式下各种解调器性能进行度量， 通常采用信噪比增益通常采用信噪比增益G（又称调制制度增益）又称调制制度增益）来表示解来表示解 调器的抗噪声性能，即调器的抗噪声性能，即 ii NS NS G / / 00 输入信噪比 输出信噪比 （3.4-1） 现代通信系统原理现代通信系统原理 有加

20、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 图中图中Sm(t)为为已调信号，已调信号，n(t)为加性高斯白噪声。为加性高斯白噪声。 Sm(t)和和n(t) 首先经过一带通滤波器，滤出有用信号，滤除带外的噪声。首先经过一带通滤波器，滤出有用信号，滤除带外的噪声。 经过带通滤波器后到达解调器输入端的信号为经过带通滤波器后到达解调器输入端的信号为Sm(t) 、噪声噪声 为高斯窄带噪声为高斯窄带噪声ni(t) ，显然解调器输入端的噪声带宽与已，显然解调器输入端的噪声带宽与已 调信号的带宽是相同

21、的。最后经解调器解调输出的有用信调信号的带宽是相同的。最后经解调器解调输出的有用信 号为号为mo(t)，噪声为噪声为no(t)。 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 BnNi 0 （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 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.2.2 线性调制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如图各种线性

22、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。制系统的抗噪声性能。 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 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.2

23、.3 常规调幅包络检波的抗噪声性能 只有只有AM信号可以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 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 2、小信噪比情况、小信噪比情况 所谓小信噪比是指噪声幅度远大于信号幅度。在此情所谓小信噪比是指噪声幅

24、度远大于信号幅度。在此情 况下，包络检波器会把有用信号扰乱成噪声，即有用信号况下，包络检波器会把有用信号扰乱成噪声，即有用信号 “淹没淹没”在噪声中，这种现象通常称为门限效应。进一步在噪声中，这种现象通常称为门限效应。进一步 说，所谓门限效应，就是当包络检波器的输入信噪比降低说，所谓门限效应，就是当包络检波器的输入信噪比降低 到一个特定的数值后，检波器输出信噪比出现急剧恶化的到一个特定的数值后，检波器输出信噪比出现急剧恶化的 一种现象。一种现象。 小信噪比输入时，包络检波器输出信噪比计算很复杂，小信噪比输入时，包络检波器输出信噪比计算很复杂， 而且详细计算它一般也无必要。根据实践及有关资料可近

25、而且详细计算它一般也无必要。根据实践及有关资料可近 似认为似认为 2 00 /0.925(/)/1 iiii SNSNSN 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。 现代通信系统原理现代通信系统原理 Si/ Ni So/ No (Si/ Ni) TH 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.3 角度调制的原理及抗噪声性能 前面所讨论的各种线性调制方式均有共同的特点，就前面所讨论的各种线性调制方式均有共同的特点，就 是

26、调制后的信号频谱只是调制信号的频谱在频率轴上的搬是调制后的信号频谱只是调制信号的频谱在频率轴上的搬 移，以适应信道的要求，虽然频率位置发生了变化，但频移，以适应信道的要求，虽然频率位置发生了变化，但频 谱的结构没有变。谱的结构没有变。 非线性调制又称角度调制，是指用调制信号控制高频非线性调制又称角度调制，是指用调制信号控制高频 载波的频率或相位，而载波的幅度保持不变。角度调制后载波的频率或相位，而载波的幅度保持不变。角度调制后 信号的频谱不再保持调制信号的频谱结构，会产生与频谱信号的频谱不再保持调制信号的频谱结构，会产生与频谱 搬移不同的新的频率成分，而且调制后信号的带宽一般要搬移不同的新的频

27、率成分，而且调制后信号的带宽一般要 比调制信号的带宽大得多。比调制信号的带宽大得多。 角度调制（非线性调制）分为频率调制（角度调制（非线性调制）分为频率调制（FMFM）和相位和相位 调制（调制（PMPM），），它们之间可相互转换，它们之间可相互转换，FMFM用得较多，因此我用得较多，因此我 们着重讨论频率调制。们着重讨论频率调制。 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.3.1 角度调制的基本概念 前面所说的线性调制是通过调制信号改变载波的幅度前面所说的线性调制是通过调制信号改变载波的幅度 来实现的，而非线性调制是通过调制信号改变载波的角度来实现的，而非线性调制是通过调制信号改变载波的角度 来实

28、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 )cos()( 0 tAtC c（3.3-1） 式中，式中，A为载波的振幅，为载波的振幅， 称为载波信号的瞬称为载波信号的瞬 时相位；时相位； 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。 0 () ct c 0 2、调制后正弦载波可表示为、调制后正弦载波可表示为 ( )cos( )cos ( ) c C tAttAt （3.3-2） 现代通信系统原理现代通信系统原理 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

29、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。 )()(ttt c )(t ( )( ) c dtdt dtdt dt td)( 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） 载波的振幅不变，调制信号控制载波的瞬时相位偏移，载波的振幅不变，调制信号控制载波的瞬时相位偏移， 使基带信号按使基带信号按 的规律变化，则称之为相位调制（的规律变化，则称之为相位调制（PM）。）。)(t 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统

30、原理现代通信系统原理 称为最大角频率偏移。 maxfm K A 因此因此 maxmax f mm f m f 三、三、PM与与FM之间的关系之间的关系 比较式比较式P53（3-60）和（）和（3-63）可以得出结论：尽管）可以得出结论：尽管PM和和 FM是角调制的两种不同形式，但它们并无本质区别。是角调制的两种不同形式，但它们并无本质区别。PM和和 FM只是频率和相位的变化规律不同而已。在只是频率和相位的变化规律不同而已。在PM中，角度随中，角度随 调制信号线性变化，而在调制信号线性变化，而在FM中，角度随调制信号的积分线中，角度随调制信号的积分线 性变化。若将先积分而后使它对载波进行性变化。

31、若将先积分而后使它对载波进行PM即得即得FM；而若而若 将先微分而后使它对载波进行将先微分而后使它对载波进行FM即得即得PM；所以所以PM与与FM波波 的产生方法有两种：直接法和间接法，如图的产生方法有两种：直接法和间接法，如图3-22和图和图3-23所所 示。示。 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-21 直接调相和间接调相图直接调相和间接调相图 现代通信系统原理现代通信系统原理 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，下面将集中波，下面将集中 讨论频率

32、调制。讨论频率调制。 图图3-22 直接调频和间接调频直接调频和间接调频 现代通信系统原理现代通信系统原理 f(t) t C(t) t t t SFM(t) SPM(t) 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 单音调制的单音调制的AMAM与与NBFMNBFM频谱频谱 sAM() O m m F() O c m c c m cm c c m sNBFM() O c m c c m c m c c m 现代通信系统原理现代通信系统原理 AMAM与与NBFMNBFM的矢量表示的矢量表示 m 窄带调频 m 下边频 上边频 载波 调幅 载波

33、 上边频 下边频 m m 现代通信系统原理现代通信系统原理 二、宽带调频（二、宽带调频（WBFM） 当式（当式（3.5-10）不成立时，调频信号的时域表达式不）不成立时，调频信号的时域表达式不 能简化为式（能简化为式（3.5-12），此时调制信号对载波进行频率调），此时调制信号对载波进行频率调 制将产生较大的频偏，使已调信号在传输时占用较宽的频制将产生较大的频偏，使已调信号在传输时占用较宽的频 带，所以称为宽带调频。带，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简化，我们只

34、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。广到一般的情况。 1、单频调制时、单频调制时WBFM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 cmmm tAtm,cos)( 则由式（则由式（3.5-8）可得）可得 ( )cossin FMcfm StAtmt （3.5-14） 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 ( )() ()() FMnfcmcm n SAJ mn 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 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-25 调频波的频谱调频波的频谱 现

35、代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 3.3.3 3.3.3 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 产生调频波的方法通常有两种：直接调频法和间接产生调频波的方法通常有两种：直接调频法和间接 调频法。调频法。 1、直接法。直接法就是用调制信号直接控制振荡器的电、直接法。直接法就是用调制信号直接控制振荡器的电 抗元件参数，使输出信号的瞬时频率随调制信号呈线性变抗元件参数，使输出信号的瞬时频率随调

36、制信号呈线性变 化。目前人们多采用压控振荡器（化。目前人们多采用压控振荡器（VCO）作为产生调频作为产生调频 信号的调制器。振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压信号的调制器。振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压 控振荡器（控振荡器（VCO），），它产生的输出频率正比于所加的控它产生的输出频率正比于所加的控 制电压。制电压。 直接法的主要优点是在实现线性调频的要求下，可以直接法的主要优点是在实现线性调频的要求下，可以 获得较大的频偏。缺点是频率稳定度不高，往往需要附加获得较大的频偏。缺点是频率稳定度不高，往往需要附加 稳频电路来稳定中心频率。稳频电路来稳定中心频率。 现代通信系统原理现代通信系统

37、原理 间接调频框图 积 分 器 N 倍 频 器 相 位 调 器 m(t) sNBFM(t)sWBFM(t) Acos ct 2、间接法、间接法 间接法又称倍频法，它是由窄带调频通过倍频产生宽间接法又称倍频法，它是由窄带调频通过倍频产生宽 带调频信号的方法。带调频信号的方法。 现代通信系统原理现代通信系统原理 窄带调频信号的产生 积分器 90移相 m(t) 调制信号 Acos ct 载波 sNBFM(t) 现代通信系统原理现代通信系统原理 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 非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成，非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组

38、成， 其方框图如图其方框图如图3-27所示。限幅器输入为已调频信号和噪声，所示。限幅器输入为已调频信号和噪声， 限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带通限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带通 滤波器的作用是用来限制带外噪声，使调频信号顺利通过。滤波器的作用是用来限制带外噪声，使调频信号顺利通过。 鉴频器中的微分器把调频信号变成调幅调频波，然后由鉴频器中的微分器把调频信号变成调幅调频波，然后由 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。 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-27 调频信号的非相干解调调频

39、信号的非相干解调 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 2、相干解调、相干解调 由于窄带调频信号可分解成正交分量与同相分量之和，因而由于窄带调频信号可分解成正交分量与同相分量之和，因而 可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调。其原理框图可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调。其原理框图 如图如图3-28所示。图中的带通滤波器用来限制信道所引入的噪所示。图中的带通滤波器用来限制信道所引入的噪 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 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代

40、通信系统原理 3.3.4 调频系统的抗噪声性能 从前面的分析可知，调频信号的解调有相干从前面的分析可知，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，因而窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而 是是FM系统的主要解调方式，所以本节只讨论非相系统的主要解调方式，所以本节只讨论非相 干解调系统的抗噪声性能，其分析模型如图干解调系统的抗噪声性能，其分析模型如图3-29 所示。所示。 现代通信系统原理现代通信系统原

41、理 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 图中带通滤波器的作用是抑制信号带宽以外的噪声。图中带通滤波器的作用是抑制信号带宽以外的噪声。n(t)是是 均值为零，单边功率谱密度为均值为零，单边功率谱密度为n0的高斯白噪声，经过带通滤的高斯白噪声，经过带通滤 波器后变为窄带高斯噪声波器后变为窄带高斯噪声ni(t) 。限幅器是为了消除接收信号。限幅器是为了消除接收信号 在幅度上可能出现的畸变。在幅度上可能出现的畸变。 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 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 计算输出信噪比时，由于

42、非相干解调不满足叠加性，无法计算输出信噪比时，由于非相干解调不满足叠加性，无法 分别计算信号与噪声功率，因此，也和分别计算信号与噪声功率，因此，也和AM信号的非相干信号的非相干 解调一样，考虑两种极端情况，即大信噪比和小信噪比情解调一样，考虑两种极端情况，即大信噪比和小信噪比情 况，使计算简化，以便得到一些有用的结论。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 在大信噪比条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这在大信噪比条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这 时可以把信号和噪声分开来算，这里，我们直接给出解调时可以把信号和噪声分开来算，这里，我们直接给出解调 器

43、的输出信噪比器的输出信噪比 222 0 23 00 3( ) 8 f m A K m t S Nn f （3.5-31） 上式中，上式中，A为载波的振幅，为载波的振幅，Kf为为调频器灵敏度，调频器灵敏度，fm为调制为调制 信号信号m(t)的最高频率，的最高频率，n0为噪声单边功率谱密度。为噪声单边功率谱密度。 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 上式表明，大信噪比时宽带调频系统的信噪比增益是很高的，上式表明，大信噪比时宽带调频系统的信噪比增益是很高的， 它与调频指数的立方成正比。例如调频广播中常取，则信噪它与调频指数的立方成正比

44、。例如调频广播中常取，则信噪 比增益比增益G=450。可见，加大调频指数可见，加大调频指数mf，可使调频系统的抗可使调频系统的抗 噪声性能迅速改善。噪声性能迅速改善。 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 现代通信系统原理现代通信系统原理 2、小信噪比情况与门限效应、小信噪比情况与门限效应 以上分析都是在解调器输入信噪比足够大的条件下进行的，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噪声是相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

45、与噪声是相加的情况下，由于加的。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，使得解调输出的信号和噪声是以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，仅在大输入信噪比时，此非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。在小输入信噪比时，解调输出线性函数才近似为一相加形式。在小输入信噪比时，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，这种情况与幅度调制包络检波时相似，输出信噪比急剧恶化，这种

46、情况与幅度调制包络检波时相似， 也称之为也称之为门限效应门限效应。出现门限效应时所对应的输入信噪比的值。出现门限效应时所对应的输入信噪比的值 被称为门限值。被称为门限值。 现代通信系统原理现代通信系统原理 图图3-30示出了调频解调器输入输出信噪比性能曲线。示出了调频解调器输入输出信噪比性能曲线。 为了便于比较，图中还画出了为了便于比较，图中还画出了DSB信号同步检测时的性能信号同步检测时的性能 曲线。由前面的讨论可知，后者是通过原点的直线。而对曲线。由前面的讨论可知，后者是通过原点的直线。而对 FM系统而言，当未发生门限效应时，系统而言，当未发生门限效应时，FM与与AM的性能关的性能关 系符合（系符合（3.5-37）的关系式，在相同输入信噪比情况下，）的关系式，在相同输入信噪比情况下， FM输出信噪比优于输出信噪比