华理通信原理、第五章(角度调制b)

1、-1-2021-11-5Principles of Modern Communications第五章第五章 模拟调制系统模拟调制系统( (二二) )5.3 角度调制的基本原理角度调制的基本原理v 相位调制相位调制v 频率调制频率调制5.4 调频系统的抗噪声性能调频系统的抗噪声性能5.5 模拟调制系统的比较模拟调制系统的比较5.6 频分复用频分复用FDM5.7 小结小结-2-2021-11-5Principles of Modern Communications5.3 角度调制的基本原理q 角度调制：角度调制：载波相角随基带调制信号变化的调制方式；载波相角随基带调制信号变化的调制方式；v 角度调

2、制包括频率调制角度调制包括频率调制(FM)和相位调制和相位调制(PM)。 频率调制频率调制FM：载波的频率随基带信号变化的调制方式；：载波的频率随基带信号变化的调制方式； 相位调制相位调制PM：载波的相位随基带信号变化的调制方式。：载波的相位随基带信号变化的调制方式。v 角度调制属于非线性调制：除了完成频谱搬移而外，已调信号的角度调制属于非线性调制：除了完成频谱搬移而外，已调信号的频谱频谱( (密度密度) )不再保持原来基带调制信号的频谱不再保持原来基带调制信号的频谱( (密度密度) )结构，即已结构，即已调信号频谱与基带信号频谱之间存在着非线性变换关系。调信号频谱与基带信号频谱之间存在着非线

3、性变换关系。q 角度调制信号的一般表示式角度调制信号的一般表示式 式中，载波的幅度式中，载波的幅度A通常恒定不变；通常恒定不变； : :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。) ) ( ( ) )( (ttAscmcost t)()(tttcdttddttdtc)()()(t)dttdt)()(-3-2021-11-5Principles of Modern Communicationsq 单音调制：单音调制：即即 FMFM信号为：信号为： 调频指数调频指数： PMPM信号为：信号为： 调相指数：调相指数： tAtmmmcost

4、mtAdAKtAtsmfcmmfcFMsincoscoscos)(mmmmffffAKmtmtAtAKtAtsmPcmmPcPMcoscoscoscos)(mPPAKm :f最大角频偏最大角频偏最大频偏最大频偏-4-2021-11-5Principles of Modern Communications最大瞬时相偏需满足：最大瞬时相偏需满足： 窄带调频（窄带调频（NBFM）6)(dmKf则有：则有：)(cos)(dmKtAtsfcFMtdmAKtAtscfcNBFMsin)(cos)(ccccfccNBFMMMAKAs)()(2)()()()()(21)()()(ccccAMMMAs-5-20

5、21-11-5Principles of Modern Communications单音信号单音信号AM调制与调制与NBFM频谱示意图频谱示意图 SAM( )0 c- cM( ) m- m (A ) SNBFM( )0 c- c(mfA /2)-mfA /2)cos()(tAtmmm-6-2021-11-5Principles of Modern CommunicationsODADOAACABOAttAtAtsmcmcmcAM)()(coscos2cos)(0AM与NBFM信号向量合成示意图ODADOAACABOAttmAtAtsmcmcfcNBFM)(-)(coscos2cos)(00DA

6、OBC c- m mO c m- mAm/2Am/2BCDA-7-2021-11-5Principles of Modern Communicationsq 宽带调频（以单音信号为例）宽带调频（以单音信号为例）v 1.1.信号表达式：信号表达式： 单音调频信号可以展开为如下的无穷级数单音调频信号可以展开为如下的无穷级数 其中其中Jn(mf)为为第一类第一类n阶阶Bessel函数（见图函数（见图521和和Pg.475)v 第一类贝塞尔第一类贝塞尔(Bessel)函数性质函数性质nmcfnmfcmtnmJAtmtAtscossincos)()()()(fnnfnmJmJ112)(fnnmJ-8-2

7、021-11-5Principles of Modern Communicationsq 宽带调频频谱宽带调频频谱( (续续) )v 2.2.单音调频信号的频谱单音调频信号的频谱 边频谱线间隔为边频谱线间隔为 ；边频满足对称性：奇数次边频满足奇对称；边频满足对称性：奇数次边频满足奇对称；偶偶数次边频满足偶对称。数次边频满足偶对称。 nmcmcfnFMnnmJAS mmmTFmmAMtAtm .cos)(mc-9-2021-11-5Principles of Modern Communicationsq 宽带调频带宽宽带调频带宽( (续续) )v 3.3.单音调频信号的带宽：单音调频信号的带宽：

8、单音调频信号的单音调频信号的n次次边频幅值为边频幅值为 因为一类因为一类n阶阶Bessel函数取值满足如下近似关系函数取值满足如下近似关系 因此在分析单音调频信号带宽时，可以采用下式估算已调信号带因此在分析单音调频信号带宽时，可以采用下式估算已调信号带宽宽 单音调频信号所占的频带宽度取决于调频指数单音调频信号所占的频带宽度取决于调频指数 和最大频和最大频偏偏 。1, 0ffnmnmJ)(mcmcfnnnmAJ HzfffmBmmfFM212卡森公式卡森公式fmf-10-2021-11-5Principles of Modern Communicationsq 功率分配功率分配v 4.4.单音调

9、频信号的平均功率单音调频信号的平均功率 调频信号的功率未调载波功率；调频信号的功率未调载波功率；从从单音调频信号的平均功率分配来看，调频过程可以等效为功率的单音调频信号的平均功率分配来看，调频过程可以等效为功率的重新分配过程，即由原来集中于载频重新分配过程，即由原来集中于载频 上的功率经过调频变换为分上的功率经过调频变换为分散到多个频率散到多个频率(边频和载频边频和载频) 上上。 22cos21222222APmJAtnmJAtsPFMmJnfnnmcfnmFMnfnmmcn-11-2021-11-5Principles of Modern Communications调频信号的产生和解调调频

10、信号的产生和解调q 调频信号的产生：调频信号的产生：产生调频波的方法有两种，即直接法和间接法产生调频波的方法有两种，即直接法和间接法v 直接法：就是用基带调制信号直接控制振荡器的频率，使其按照直接法：就是用基带调制信号直接控制振荡器的频率，使其按照基带调制信号的规律变化基带调制信号的规律变化。 压控振荡器压控振荡器VCO：VCO的振荡频率正比于输入控制电压；的振荡频率正比于输入控制电压； 直接法的特点：直接法的特点： 优点：在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。优点：在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。 缺点：频率稳定度不高，需要采用自动频率控制系统来稳定缺点：频率稳定度不高，需

11、要采用自动频率控制系统来稳定中心频率。中心频率。 tmKtFci调频器调频器m(t)sFM(t)-12-2021-11-5Principles of Modern Communications调频信号产生方法调频信号产生方法q 调频信号的产生调频信号的产生( (续续) )：v 间接法：先对调制信号积分后再对载波进行相位调制，从而产生间接法：先对调制信号积分后再对载波进行相位调制，从而产生窄带调频信号窄带调频信号NBFM，然后利用倍频器把，然后利用倍频器把NBFM信号变换成信号变换成宽带宽带调频信号调频信号WBFM。NBFM调制器调制器倍频倍频 N1混频混频倍频倍频 N2WBFM输出输出t1co

12、st2cosm(t)11ffffAA1111fNffNfBB11211fNfffNfCC1212112)(fNNfffNNfDDACBD倍频：以平方率为例；混频：以下变频为例倍频：以平方率为例；混频：以下变频为例-13-2021-11-5Principles of Modern CommunicationsNBFM信号的相干解调模型信号的相干解调模型BPFsNBFM(t)sl(t)+ nl(t)n(t)LPF-sin ct微分器微分器sd(t)+nd(t)si(t)+ni(t)sp(t)+np(t) ttnttntncsccisincos tFccNBFMidmKtAtAtstssincos)

13、( ttntntntdmAKtAtscsccpctFcp2cos122sin22cos122sin2-14-2021-11-5Principles of Modern CommunicationsLPF滤掉滤掉2倍频分量倍频分量 22tntndmAKtssltFl微分器微分器 dttdntntmAKtssdFd212-15-2021-11-5Principles of Modern CommunicationsFM信号的非相干解调模型信号的非相干解调模型限幅限幅器和器和BPFsi(t)鉴频器：频率鉴频器：频率-电压电压LPF包络包络检测检测器器so(t)微分微分器器sd(t) envelope

14、detectiondccanceling( )cos( )sinticFMtidcFMcFMcFMFMs tAtKmdds tstAtKmdKm tdtAAKm tKm t 鉴频灵敏度鉴频灵敏度1-16-2021-11-5Principles of Modern Communications5.4 调频系统的抗噪声性能q 调频信号的非相干解调抗噪声性能分析模型调频信号的非相干解调抗噪声性能分析模型限幅限幅器和器和BPFsFM(t)LPF鉴频器鉴频器sd(t)+nd(t)n(t)si(t)+ni(t)mo(t)+no(t) ttnttntndmKtAtscsccitFMcisincoscos)(

15、FMiiBnNAS022/dttdnAKtntmKKtmsdfd)()()()(00230222238)()(AfnKNtmKKSmdofdo-17-2021-11-5Principles of Modern Communicationsv 调频系统的调制制度增益调频系统的调制制度增益 单音宽带调频单音宽带调频(大信噪比情况大信噪比情况)132ffiiooWBFMmmNSNSGq 在宽带调频系统中，可以通过增加调频指数，在适当增加系统带宽在宽带调频系统中，可以通过增加调频指数，在适当增加系统带宽的基础上，显著改善调频系统的抗噪声性能。的基础上，显著改善调频系统的抗噪声性能。q 调频系统以带宽换

16、取输出信噪比改善并不是无止境的。随着调频指调频系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。随着调频指数的增加，调频系统带宽随之增加数的增加，调频系统带宽随之增加(卡森公式卡森公式)，在输入信号功率不变，在输入信号功率不变的情况下，输入信噪比随之下降。当输入信噪比下降到一定程度时将的情况下，输入信噪比随之下降。当输入信噪比下降到一定程度时将会出现会出现门限效应门限效应(p.119)，即输出信噪比将急剧恶化。，即输出信噪比将急剧恶化。 200003)/()/(fAMFMmNSNS-18-2021-11-5Principles of Modern Communicationsv 调频系统的预加重技术

17、调频系统的预加重技术 在窄带调频系统的相干解调或窄带在窄带调频系统的相干解调或窄带/宽带调频系统非相干解调输出宽带调频系统非相干解调输出噪声分量中，都包括对正交高斯随机噪声分量噪声分量中，都包括对正交高斯随机噪声分量ns(t)的导数分量的导数分量(参见参见p.117) 正交高斯随机噪声分量正交高斯随机噪声分量ns(t)的功率谱密度为的功率谱密度为 正交高斯随机噪声分量正交高斯随机噪声分量ns(t) 通过一个理想微分电路后输出通过一个理想微分电路后输出no(t) ，其，其对应输出噪声功率谱密度为对应输出噪声功率谱密度为 dttdntnso elsewhereBfnBtnPBntntnsiis,0

18、2,02022 2,202BfnjPPio-19-2021-11-5Principles of Modern Communications 20nPo2B2Bv 调频系统的预加重技术调频系统的预加重技术(续续) 调频通信系统输出噪声功率谱密度告诉我们：接收端解调输出噪声调频通信系统输出噪声功率谱密度告诉我们：接收端解调输出噪声中，高频端噪声功率强，使得解调器输出的高频信噪比变差中，高频端噪声功率强，使得解调器输出的高频信噪比变差(尤其尤其是基带调制信号的高频分量通常较小是基带调制信号的高频分量通常较小)。 为了提升调频通信系统输出的高频信噪比，可以在发射端采用为了提升调频通信系统输出的高频信噪

19、比，可以在发射端采用预加预加重技术重技术，即在调频之前首先提升基带调制信号的高频分量功率；而，即在调频之前首先提升基带调制信号的高频分量功率；而在接收端的鉴频器输出端附加一个高频衰减量大的低通滤波器去加在接收端的鉴频器输出端附加一个高频衰减量大的低通滤波器去加重重抵消预加重对信号的失真影响。抵消预加重对信号的失真影响。预加重技术削减了输出端的总噪预加重技术削减了输出端的总噪声，改善了输出信噪比，实际上相当于降低了鉴频器门限声，改善了输出信噪比，实际上相当于降低了鉴频器门限。-20-2021-11-5Principles of Modern Communications5.5 模拟调制系统比较q

20、 线性调制和非线性调制系统性能线性调制和非线性调制系统性能v 在接收机输入端输入信号功率相同的条件下在接收机输入端输入信号功率相同的条件下( (Si) )，且加性噪声都，且加性噪声都是均值为零、双边功率谱密度为是均值为零、双边功率谱密度为n0 0/2的高斯白噪声，且基带调制的高斯白噪声，且基带调制信号满足以下条件时，信号满足以下条件时， DSB、SSB相干解调器和相干解调器和AM、FM非相干非相干 解调器的输出信噪比分别为解调器的输出信噪比分别为 1,21, 0max2tmtmtmbifFMoobiAMoobiSSBoobiDSBooBnSmNSBnSNSBnSNSBnSNS0200023,3

21、1,-21-2021-11-5Principles of Modern Communicationsq 线性调制和非线性调制系统性能比较线性调制和非线性调制系统性能比较(续续)v 从频谱效率来看，从频谱效率来看，SSB最好，最好，AM/DSB次之，次之，FM最差；最差；v 从信噪比改善程度来看，从信噪比改善程度来看，FM最好，最好，DSB/SSB次之，次之，AM最差；最差；v 从设备复杂度来看，从设备复杂度来看，AM最简单，最简单，DSB/FM次之，次之，SSB最差；最差；q 非相干解调存在有门限效应：非相干解调存在有门限效应：AM包络检波和包络检波和FM鉴频接收都存在鉴频接收都存在着门限效应

22、，即当输入的信噪比低于某一个门限值时，系统的接着门限效应，即当输入的信噪比低于某一个门限值时，系统的接收性能急剧恶化。对于收性能急剧恶化。对于DSB和和SSB(VSB)的相干解调接收而言，不的相干解调接收而言，不存在门限效应。存在门限效应。q 在调频通信系统中，为改进鉴频器接收性能，降低门限效应，可在调频通信系统中，为改进鉴频器接收性能，降低门限效应，可以采用预加重技术。以采用预加重技术。-22-2021-11-5Principles of Modern Communications特点与应用 AM：接收设备简单；功率利用率低，抗干扰能力差，信号频带较宽，频带利用率不高。主要用在中波和短波的调

23、幅广播中。 DSB：功率利用率高，带宽与AM相同，同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信。SSB：功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM,而带宽只有AM的一半；发送和接收设备都复杂。鉴于这些特点，SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的的无线电广播和频分多路复用系统中。 VSB的诀窍在于部分抑制了发送边带，同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分。VSB的性能与SSB相当。VSB解调原则上也需同步解调，但在某些VSB系统中，附加一个足够大的载波，就可用包络检波法解调合成信号（VSB+C），这种(VSB+C)方式综合了AM、SSB和DSB三者的优点。所有这些特点，使VSB对商用电视广播系统特别具有吸引力。 -23-2021-11-5Principles of Modern Communications FM波的幅度恒定不变。窄带FM常用