西电《通信原理》课件 第四章

1、西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章第四章第四章 模拟调制系统模拟调制系统西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章2内容提要内容提要4.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理4.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能4.3 非线性调制（角度调制）的原理非线性调制（角度调制）的原理4.4 各种模拟调制的性能比较各种模拟调制的性能比较4.5 频分复用（频分复用（FDM）作业：作业：1、2、5、6、7、8、11、12、13、14、17、10-1、10-2西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章3引言引言调制的目的和分类调制的目的和分类n调制调制n目的：将原

2、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(正弦波调制正弦波调制)：n将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）；号）；n实现信道的多路复用，提高信道利用率；实现信道的多路复用，提高信道利用率；n减小干扰，提高系统抗干扰能力；减小干扰，提高系统抗干扰能力；n实现传输带宽与信噪比之间的互换。实现传输带宽与信噪比之间的互换。n调制信号：原始基带信号调制信号：原始基带信号n模拟

3、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：正弦型信号作为载波正弦波调制：正弦型信号作为载波n脉冲调制：脉冲串作为载波脉冲调制：脉冲串作为载波西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章4正弦波模拟调制正弦波模拟调制西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章4.1 幅度调制幅度调制(线性调制线性调制)的原理的原理返回返回西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章6n幅度调制（线性调制）是用调制信号去控幅度调制（线性调制）是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的

4、规制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程律而变化的过程。 n分类：分类：n调幅（调幅（AM）n双边带抑制载波调幅（双边带抑制载波调幅（DSB-SC）n单边带调制（单边带调制（SSB）n残留边带调制（残留边带调制（VSB）西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章7一、幅度调制器的一般模型一、幅度调制器的一般模型)(cos)()(thttmtscm)()(21)(HMMSccm适当选择，可以得到适当选择，可以得到各种幅度调制信号各种幅度调制信号 西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章8二、二、AM信号信号n调制信号叠加直流后调制信号叠加直流后与载波相乘，就可形与载波相乘，就可

5、形成调幅（成调幅（AM）信号）信号 0)(tmttmtAttmAtscccAMcos)(coscos)()(00)()(21)()()(0ccccAMMMAS西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章9AM信号的波形和频谱信号的波形和频谱上边带上边带max0( )1m taA调幅指数a1 过调幅过调幅西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章10AM调制信号仿真波形调制信号仿真波形(a=0.5)西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章11AM调制信号仿真波形调制信号仿真波形(a=1)西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章12AM调制信号仿真波形调制信号仿真波形(a=1.5)西安电

6、子科技大学西安电子科技大学第四章第四章13结论结论n可以看出当满足条件可以看出当满足条件 时，时，AM信号的包络与调信号的包络与调制信号成制信号成正比正比，所以用包络检波的方法很容易恢复出原始的，所以用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号，否则，将会出现过调幅现象而产生包络失真。调制信号，否则，将会出现过调幅现象而产生包络失真。nAM信号的频谱由信号的频谱由载频分量载频分量和上、下两个边带组成，上边带和上、下两个边带组成，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同。的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同。n 0( )maxm tA2AMHBf22202222200( )( ) coscos(

7、 )cos2( )cosAMAMccccPstAm ttAtm ttA m tt( )0m t =0220( )22SMcAm tAPPP载波功率载波功率 边带功率边带功率 =ScSPPP功率西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章14举例举例n设设 ，满量（，满量（100%）调幅）调幅n也即也即n由此可见，由此可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。载波分量不携带信息，仍占据大部功率两部分。载波分量不携带信息，仍占据大部分功率，因此，分功率，因此，AM信号的功率利用率比较低。信号的功率利用率比较低。( )cosmmm tAt0max( )mAAm

8、 t2211( )24smPm tA2201122cmPAA1=3scSPPP功率西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章15AM信号的解调信号的解调n包络检波包络检波n条件：条件：n特点：不需要同步载波，输出幅度大特点：不需要同步载波，输出幅度大0( )( )om tAm t0( )maxm tA西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章16AM信号的相干解调信号的相干解调n实际中提取载波，会不可避免地存在有载波相位偏实际中提取载波，会不可避免地存在有载波相位偏差，此时解调器的输出为差，此时解调器的输出为0( )( )2oAm tm t0cos( )( )2oAm tm t载波相位偏差

9、载波相位偏差西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章17三、抑制载波双边带调制（三、抑制载波双边带调制（DSB）n在在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。全由边带传送。n如果将载波抑制，只需将直流如果将载波抑制，只需将直流A0去掉，去掉， 即可输即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）( )( )cosDSBcstm tt0)(tm1( )()()2DSBccSMM西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章18DSB信号的波形和频谱信号的波形和频谱DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律

10、一致，因而不能采用简单的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，包络检波来恢复调制信号， 需采用相干解调（同步检波）。需采用相干解调（同步检波）。西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章19DSB信号的调制与解调信号的调制与解调( )( )2om tm t 特点：特点：DSB信号不含载波分量，功率利用率高信号不含载波分量，功率利用率高包络不再正比于调制信号包络不再正比于调制信号m(t)变化，只能采用相干解调变化，只能采用相干解调带宽同带宽同AM信号信号西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章20四、单边带调制四、单边带调制(SSB)nDSB信号

11、包含有两个边带，即信号包含有两个边带，即上、下边带上、下边带。n由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。来考虑，传输一个边带就够了。n这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。n单边带信号的产生方法通常有单边带信号的产生方法通常有滤波法滤波法和和相移法相移法。用用滤波法滤波法形成单边带信号形成单边带信号方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。西安电

12、子科技大学西安电子科技大学第四章第四章21形成形成SSB信号的滤波特性信号的滤波特性H()10ccH()0cc1(a)(b)上边带上边带下边带下边带西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章22SSB信号的频谱信号的频谱特点：特点：SSB信号不含载波信号不含载波分量，功率利用率分量，功率利用率高高只能采用相干解调只能采用相干解调带宽为带宽为AM、DSB信号的一半信号的一半西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章23用相移法形成单边带信号用相移法形成单边带信号n调制信号为任意信号的调制信号为任意信号的SSB信号的时域表示式为信号的时域表示式为n 是是 的希尔伯特变换的希尔伯特变换n它实质上

13、是一个宽带相移网络它实质上是一个宽带相移网络n表示把表示把 幅度不变，幅度不变， 所有的频率分量均相移所有的频率分量均相移 ，n即可得到即可得到 。 11( )( )cos( )sin22SSBccstm ttm tt)(tm)(tm)(tm2)(tm“-”： 上边带上边带“+”：下边：下边带带西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章24相移法形成相移法形成SSB信号示意图信号示意图相移法形成相移法形成SSB信号的困难在于宽带相移网络的制作，信号的困难在于宽带相移网络的制作， 该网络要对调制信号该网络要对调制信号m(t)的所有频率分量严格相移的所有频率分量严格相移/2，这，这一点即使近似达

14、到也是困难的。一点即使近似达到也是困难的。为解决这个难题，可以采用混合法（也叫维弗法）。为解决这个难题，可以采用混合法（也叫维弗法）。西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章25残留边带调制残留边带调制(VSB)n残留边带调制是介于残留边带调制是介于SSB与与DSB之间的一种调制方式，之间的一种调制方式，n它既克服了它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信信号实现上的难题。号实现上的难题。n在在VSB中，不是完全抑制一个边带（如同中，不是完全抑制一个边带（如同SSB中那样），中那样），而是逐渐切割，使其残留一小部分。而是逐渐切割，使其残留一小部分

15、。n从实现上考虑，边带完全抑制从实现上考虑，边带完全抑制 边带逐渐截止边带逐渐截止西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章26残留边带调制残留边带调制(VSB)信号的频谱信号的频谱M()2B2BODSB()ccO(a)(b)SSB()OccccVSB()O(c)(d)西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章27残留边带滤波器特性的确定残留边带滤波器特性的确定n假设假设 是所需的残留边带滤波器的传输特性是所需的残留边带滤波器的传输特性n残留边带信号的频谱为残留边带信号的频谱为nVSB信号必须采用相干解调信号必须采用相干解调 n残留边带信号与相干载波的乘积为残留边带信号与相干载波的乘积为

16、n则低通滤波器的输出为则低通滤波器的输出为 )(VSBH1( )()()( )2VSBccVSBSMMH( )c2osVSBcstt)()(cVSBcVSBSS1( )( )()()2oVSBcVSBcMMHH常数常数西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章28残留边带滤波器特性残留边带滤波器特性HVSB()10.50cccc00.51HVSB()(a)(b)(a) 残留部分上边带的滤波器特性; （b） 残留部分下边带的滤波器特性()()VSBcVSBcHHH常数，在在c处具有处具有互补对称互补对称（奇对称）特性（奇对称）特性 西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章29残留边带滤波器

17、的几何解释残留边带滤波器的几何解释cOcHVSB()HVSB(c)cOcHVSB(c)HVSB(c) HVSB(c)OOcc(a)(b)(c)(d)西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章4.2 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能返回返回西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章31n本节将要研究的问题是信道存在加性高斯白噪声时，各本节将要研究的问题是信道存在加性高斯白噪声时，各种线性调制系统的抗噪声性能。种线性调制系统的抗噪声性能。n解调器抗噪声性能分析模型解调器抗噪声性能分析模型 nn(t)对接收端有影响，对接收端有影响，n(t)为高斯白噪声，双边功率谱为高斯白噪声，双

18、边功率谱密度为密度为n0/2。nni(t)平稳窄带高斯噪声平稳窄带高斯噪声已调信号已调信号 ttnttntnsci00sin)(cos)()(西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章32带通滤波器传输特性带通滤波器传输特性西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章33一、解调器性能的评价一、解调器性能的评价n窄带噪声及其同相分量窄带噪声及其同相分量 和正交分量和正交分量 的均值都为的均值都为0，且具有相同，且具有相同的方差，即的方差，即n n解调器输入端信号功率：解调器输入端信号功率：n解调器输入端噪声功率：解调器输入端噪声功率：n解调器输出端信号功率：解调器输出端信号功率：n解调器输出

19、端噪声功率：解调器输出端噪声功率：n输出信噪比定义为：输出信噪比定义为：)(tnc)(tns2220( )( )( )icsin tn tn tNn B2( )imSst2( )iiNn t2( )ooNn t2( )ooSm t)()(202000tntmNS功率解调器输出噪声的平均平均功率解调器输出有用信号的西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章34n在已调信号平均功率相同，而且信道噪声功率谱密度也相在已调信号平均功率相同，而且信道噪声功率谱密度也相同的情况下，输出信噪比反映了系统的抗噪声性能。同的情况下，输出信噪比反映了系统的抗噪声性能。n为了便于衡量为了便于衡量同类调制系统不同解

20、调器同类调制系统不同解调器对输入信噪比的影对输入信噪比的影响，还可用输出信噪比和输入信噪比的比值响，还可用输出信噪比和输入信噪比的比值G来表示。来表示。 nG越大，表明解调器的抗噪声性能越好。越大，表明解调器的抗噪声性能越好。n不是同等条件，不能简单比较。不是同等条件，不能简单比较。00/iiSNGSN调制制度增益调制制度增益 西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章35二、二、DSB调制系统的性能调制系统的性能 ( )( )cosDSBcStm tt( )0m t 01( )( )2m tm t21( )cos( )cos( )cos21( )22DSBcccSttm ttm tmttt

21、tnttntncsccisin)(cos)( )(tttnttnttnccscccicossin)(cos)(cos)( 01( )( )2cn tn t西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章36n可见：可见：)(21cos)()(222tmttmtsScmi)(41)(2200tmtmS2200011( )(14)44ciNNn tn tn BBnNi0抑制正交载波抑制正交载波对所有相干解调都成立对所有相干解调都成立BntmNSii02)(21BntmNtmNSi02200)(41)(4100/2/DSBiiSNGSN西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章37三、三、SSB调制系

22、统的性能调制系统的性能n单边带信号的解调方法与双边带信号相同，单边带信号的解调方法与双边带信号相同，n其区别仅在于解调器之前的带通滤波器的带宽和中心频其区别仅在于解调器之前的带通滤波器的带宽和中心频率不同。率不同。nSSB的带通滤波器的带宽是的带通滤波器的带宽是DSB的一半。的一半。 西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章38n与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号为：与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调器输出信号为：n可见：可见：11( )( )cos( )sin22SSBccStm ttm tt)(41)(0tmtm2222211 111( ) ( )cos( )sin(

23、 )( )( )44 224iSSBccSstm ttm ttmtmtmt)(161)(2200tmtmSBnNNi004141西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章39n在在SSB系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以，相干系统中，信号和噪声有相同表示形式，所以，相干解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故信噪解调过程中，信号和噪声的正交分量均被抑制掉，故信噪比没有改善。比没有改善。 nGDSB=2GSSBn能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好呢？能否说明双边带系统的抗噪声性能比单边带系统好呢？n回答是否定的回答是否定的BntmBntmNSii02024)()(41Bnt

24、mBntmNS0202004)(41)(16100/1/SSBiiSNGSN西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章40DSB与与SSB抗噪声性能的比较抗噪声性能的比较n在相同的输入信号功率在相同的输入信号功率 ，相同输入噪声功率谱密，相同输入噪声功率谱密度度 ，相同基带信号带宽，相同基带信号带宽 条件下，对这两种调制方条件下，对这两种调制方式进行比较式进行比较n它们的输出信噪比是相等的。因此两者的抗噪声性能是相它们的输出信噪比是相等的。因此两者的抗噪声性能是相同的，但双边带信号所需的传输带宽是单边带的两倍。同的，但双边带信号所需的传输带宽是单边带的两倍。iS0nHf00022()2()2

25、oiiiiDSBDSBoiDSBHHSSSSSNNn Bnfn f00()()oiiiSSBSSBoiSSBHSSSSNNn Bn f西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章41四、四、 AM相干解调的性能相干解调的性能n解调器输入是信号加噪声的混合波形解调器输入是信号加噪声的混合波形 0( )( )cosAMcstAm tt2220( )( )22iAMAm tSstBntnNii02)(BntmANSii02202)(ttnttntmAtntstrcscciAMsin)(cos)()()()()(0西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章42n若采用相干解调若采用相干解调BntmA

26、NSii02202)(20( )4m tS 01( )( )2m tm t01( )( )2cn tn tBnNNi004141200220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm tBntmNtmNSi02200)(41)(41西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章43举例举例n100%调幅，调幅，n这是这是AM系统的最大信噪比增益。这说明解系统的最大信噪比增益。这说明解调器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。调器对输入信噪比没有改善，而是恶化了。( )cosmmm tA0max( )mAm tA2)(202Atm202222200022( )223( )2AMAm tGAAm t

27、A西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章44五、五、AM包络检波的性能包络检波的性能n解调器输入是信号加噪声的混合波形解调器输入是信号加噪声的混合波形 0( )( )cosAMcstAm tt2220( )( )22iAMAm tSstBntnNii02)(BntmANSii02202)(0( )( )( )( )cos( )sin( )cos( )AMiccsccstn tAm tn ttn ttE ttt西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章45n合成包络合成包络n合成相位合成相位n可见，有用信号与噪声无法完全分开。计算输出信噪比是可见，有用信号与噪声无法完全分开。计算输出信噪

28、比是件困难的事。件困难的事。 n考虑两种特殊情况考虑两种特殊情况n大信噪比情况：输入信号幅度远大于噪声幅度大信噪比情况：输入信号幅度远大于噪声幅度 220( )( )( )( )csE tAm tn tn t0( )( )( )( )scn ttarctgAm tn t)()()(220tntntmAsc西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章46大信噪比条件大信噪比条件n可见可见AM的调制制度增益随的调制制度增益随A0的减小而增加。的减小而增加。n但对包络检波器来说但对包络检波器来说,为了不发生过调制现象为了不发生过调制现象,应应有有 ，所以，所以GAM总是小于总是小于1 222000(

29、 )( )2( )( )( )( )( )( )ccscE tAm tAm t n tn tn tAm tn t)(20tmS BntntnNic0220)()(BntmNS0200)(200220/2( )/( )AMiiSNm tGSNAm tmax0)(tmA 西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章47小信噪比条件小信噪比条件nE(t)中没有单独的信号项，只有受到中没有单独的信号项，只有受到 调制的调制的 项。项。n由于由于 是一个随机噪声。因而，有用信号是一个随机噪声。因而，有用信号 被噪声被噪声扰乱，致使扰乱，致使 也只能看作是噪声。也只能看作是噪声。n因此，输出信噪比急剧下降

30、，这种现象称为解调器的因此，输出信噪比急剧下降，这种现象称为解调器的门限效门限效应应。 220( )( )( )csAm tn tn t22200( )( )( )( )2( )( )( )( ) 1cos ( )( )cscE tAm tn tn tn tAm tAm tR ttR t)()()(cos)()()()()()(22tRtnttntnarctgttntntRccssc)(cost)(cos)(ttm)(cost)(cos)(ttm)(tm西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章48结论结论n用用相干解调相干解调的方法解调各种线性调制信号时的方法解调各种线性调制信号时不存不存

31、在门限效应在门限效应。原因是信号与噪声可分别进行解调，。原因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。解调器输出端总是单独存在有用信号项。n在大信噪比情况下，在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的性能几信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同。乎与相干解调法相同。n但随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定但随着信噪比的减小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应。输入信噪比值上出现门限效应。n一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化。恶化。 西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章4.3非线性调制（角度调制）

32、的非线性调制（角度调制）的原理原理返回返回西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章50n使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为持恒定的调制方式，称为频率调制频率调制（FM）和）和相位调制相位调制(PM)， 分别简称为调频和调相。分别简称为调频和调相。n因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制调频和调相又统称为角度调制。n角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频

33、谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制非线性调制。n由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在密切的关系，即调频必调相，调相必调频。相之间存在密切的关系，即调频必调相，调相必调频。 鉴鉴于于FM用的较多，本节将主要讨论频率调制。用的较多，本节将主要讨论频率调制。西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章51一、角调制的基本概念一、角调制的基本概念 n角度调制信号的一般表达式为角度调制信号的一

34、般表达式为 ( )cos( )mcStAtt恒定振幅恒定振幅 ( )( )cttt瞬时相位瞬时相位 )(ttc载波相位载波相位 相对于载波相位相对于载波相位的瞬时相位偏移的瞬时相位偏移 c载波角频率载波角频率 ( )cdttdt瞬时角频率瞬时角频率 ( )dtdt瞬时角频偏瞬时角频偏 西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章52相位调制相位调制 （PM）n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)而线性变化。而线性变化。n调相信号可表示为调相信号可表示为 )()(tmKtp)(cos)(tmKtAtspcPM常数常数调相灵敏度调相灵敏度(rad/V) 最大相偏最大相偏ma

35、x)(tmKP最大角频偏最大角频偏max)(dttdmKP西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章53频率调制频率调制 （FM）n是指瞬时角频率偏移随调制信号是指瞬时角频率偏移随调制信号m(t)而线性变化。而线性变化。n调频信号可表示为调频信号可表示为 )()(tmKdttdftfdmKt)()(tfcFMdmKtAts)(cos)(常数常数调频灵敏度调频灵敏度 可见，可见，FM和和PM非常相似。非常相似。如果预先不知道调制信号如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。信号是调相信号还是调频信号。 西安电子科技大学西安电子科技大学

36、第四章第四章54调频与调相的关系调频与调相的关系n如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫方式叫间接调相间接调相；n同样，如果将调制信号先积分，而后进行调相，同样，如果将调制信号先积分，而后进行调相， 则得到的是调频波，则得到的是调频波，这种方式叫这种方式叫间接调频间接调频。d()dtm(t)gFMsPM(t)(b)PMsPM(t)m(t)(a) ()d tm(t)gPMsFM(t)(b)FMsFM(t)m(t)(a)西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章55二、宽带调频与窄带调频二、宽带调频与窄带调频n当

37、最大相位偏移及相应的最大频率偏移较小时，即一般认当最大相位偏移及相应的最大频率偏移较小时，即一般认为满足为满足 n可求出它的任意调制信号的频谱表示式。这时，信号占据可求出它的任意调制信号的频谱表示式。这时，信号占据带宽窄，属于带宽窄，属于窄带调频（窄带调频（NBFM）。n反之，是反之，是宽带调频（宽带调频（WBFM）。( )(0.5)6tfKmd或西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章56窄带调频窄带调频n单音调制信号单音调制信号n调频信号的瞬时相偏调频信号的瞬时相偏 n单音调频的时域表达式单音调频的时域表达式 tfAtAtmmmmm2coscos)(tmtKAdKAtmfmmFmtmF

38、msinsincos)(mFA K最大频偏最大频偏 调频指数调频指数 mFmmfmfA Kmf( )cossinWBFMcfmstAtmt11ffmNBFMmWBFM( )coscos()cos() 2fNBFMccmcmmStttt西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章57窄带调频窄带调频n有近似式n可简化为 tFctFctFcFMdmKtdmKtdmKtts)(sinsin)(coscos)(cos)(tFtFtFdmKdmKdmK)()(sin1)(costdmKttsctFcNBFMsin)(cos)(西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章58窄带调频窄带调频窄带调频信号的

39、频域表达式 )()(ccNBFMSccccFMMK)()(2西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章59单音调制的单音调制的AM与与NBFM频谱频谱sAM()OmmF()OcmccmcmccmsNBFM()Ocmccmcmccm2NBFMmBf西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章单音调频波形示意图单音调频波形示意图n单频频率单频频率0.5Hz，载波频率，载波频率50Hz，Kf=5， Kp=560西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章n由于由于NBFM信号最大相位偏移较小，占据的信号最大相位偏移较小，占据的带宽较窄，带宽较窄， 使得调制制度的抗干扰性能强使得调制制度的抗干扰性能

40、强的优点不能充分发挥，因此目前仅用于抗的优点不能充分发挥，因此目前仅用于抗干扰性能要求不高的短距离通信中。干扰性能要求不高的短距离通信中。n在长距离高质量的通信系统中，如微波或在长距离高质量的通信系统中，如微波或卫星通信、调频立体声广播、超短波电台卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等多采用宽带调频。等多采用宽带调频。61西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章WBFM信号的频谱信号的频谱n调频波的频谱包含无穷多个分量。调频波的频谱包含无穷多个分量。n理论上调频波的频带宽度为无限宽。理论上调频波的频带宽度为无限宽。n实际上边频幅度实际上边频幅度 随着随着n的增大而逐渐减小，因此调频信号的增

41、大而逐渐减小，因此调频信号可近似认为具有有限频谱。可近似认为具有有限频谱。62)()()()(mcmcfnFMnnmJS1( )cossin()cos()WBFMcfmAnfcmnstAtmtJmnt西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章调频信号的带宽调频信号的带宽n单音单音调频波的带宽调频波的带宽为为n它说明调频信号的带宽取决于最大频偏和调制信号的频率它说明调频信号的带宽取决于最大频偏和调制信号的频率，该式称为，该式称为卡森公式卡森公式。n根据经验把卡森公式推广，即可得到任意带限信号调制时根据经验把卡森公式推广，即可得到任意带限信号调制时的调频信号带宽的估算公式的调频信号带宽的估算公式

42、63)(2) 1(2mmfFMfffmBmFMfDB) 1(2mfDf西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章三、调频信号的产生三、调频信号的产生n直接法：直接法：用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信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。号的规律线性变化。n振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器（压控振荡器（VCO）n每个压控振荡器自身就是一个每个压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即率正比于输入控制电压，即n i(t)=0+Kfm(t)n直接法的主要优点直接法的

43、主要优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较是在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。大的频偏。缺点缺点是频率稳定度不高。因此往往需要采用自动是频率稳定度不高。因此往往需要采用自动频率控制系统来稳定中心频率。直接调频法得到的信号多为频率控制系统来稳定中心频率。直接调频法得到的信号多为窄带调频信号。窄带调频信号。64西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章n间接法：间接法：先对调制信号积分后对载波进行相位调制，从而先对调制信号积分后对载波进行相位调制，从而产生窄带调频信号产生窄带调频信号(NBFM)。然后，利用倍频器把。然后，利用倍频器把NBFM变换成宽带调频信号变换成宽带调频信号(WB

44、FM)。n倍频器的作用是提高调频指数倍频器的作用是提高调频指数 ，从而获得宽带调频，从而获得宽带调频n经经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍。倍。n间接法的优点是频率稳定度好。缺点是需要多次间接法的优点是频率稳定度好。缺点是需要多次倍频和混倍频和混频频，因此电路较复杂。，因此电路较复杂。65积分器N倍频器相位调器m(t)sNBFM(t)sWBFM(t) Acosctfm西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章四、调频信号的解调四、调频信号的解调n非相干解调：非相干解调：n由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号的幅度，由于调频信号的瞬时频

45、率正比于调制信号的幅度， 因而调因而调频信号的解调器必须能产生正比于输入频率的输出电压。频信号的解调器必须能产生正比于输入频率的输出电压。n最简单的解调器是具有频率最简单的解调器是具有频率-电压转换特性的电压转换特性的鉴频器鉴频器n相干解调：相干解调：n由于窄带调频信号可分解成同相分量与正交分量之和，因由于窄带调频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而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调66西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章鉴频器特性与组成鉴频器特性与组成Kd鉴频器灵敏度鉴频器灵敏度67西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章五、调

46、频系统的抗噪声性能五、调频系统的抗噪声性能n大信噪比情况大信噪比情况n对于调频系统来说，增加传输带宽就可以改善抗噪声性能对于调频系统来说，增加传输带宽就可以改善抗噪声性能。调频方式的这种以带宽换取信噪比的特性是十分有益的。调频方式的这种以带宽换取信噪比的特性是十分有益的。n在调幅制中，由于信号带宽是固定的，在调幅制中，由于信号带宽是固定的， 无法进行带宽与信无法进行带宽与信噪比的互换，这也正是在抗噪声性能方面调频系统优于调噪比的互换，这也正是在抗噪声性能方面调频系统优于调幅系统的重要原因。幅系统的重要原因。68)1(32ffFMmmG)(2) 1(2mmfFMfffmB西安电子科技大学西安电子

47、科技大学第四章第四章小信噪比情况与门限效应小信噪比情况与门限效应n当当 减小到一定程度时，解调器的输出减小到一定程度时，解调器的输出中不存在单独的有用信号项，信号被噪声中不存在单独的有用信号项，信号被噪声扰乱，因而扰乱，因而 急剧下降。这种情况与急剧下降。这种情况与AM包检时相似，我们称之为门限效应。包检时相似，我们称之为门限效应。n 不同，门限值不同。不同，门限值不同。 门限门限n小于门限时，小于门限时， 急剧下降。急剧下降。n 下降越快下降越快nFM以带宽换取信噪比的改善不是无止境的以带宽换取信噪比的改善不是无止境的nB Ni 门限效应门限效应69iiFMSNooFMSNfmfmooFMS

48、NfmooFMSNiiFMSN西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章非相干解调的门限效应非相干解调的门限效应70西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章4.4 各种模拟调制系统的性能比各种模拟调制系统的性能比较较返回返回西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章n在相同的解调器输入信号功率在相同的解调器输入信号功率 、相同噪声功率谱密度、相同噪声功率谱密度 、相同基带信号带宽、相同基带信号带宽 的条件下，比较的条件下，比较72iS0nmf西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章结论结论nWBFM抗噪声性能最好，抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次抗噪声性能次之，之

49、，AM抗噪声性能最差。抗噪声性能最差。NBFM和和AM的性能接近的性能接近73西安电子科技大学西安电子科技大学第四章第四章特点与应用特点与应用nAM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。抗干扰能力差。nDSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，相同， 接收要求同步解调，设备较复杂。接收要求同步解调，设备较复杂。nSSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗调制的优点是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干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM, 而带宽只有

50、而带宽只有AM的一半；的一半； 缺点是发送和接收设备都复杂。缺点是发送和接收设备都复杂。nVSB调制的诀窍在于部分抑制了发送边带，调制的诀窍在于部分抑制了发送边带， 同时又利用同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分。平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分。 VSB的性能与的性能与SSB相当。相当。nFM波的幅度恒定不变，波的幅度恒定不变， 这使它对非线性器件不甚敏感这使它对非线性器件不甚敏感， 给给FM带来了抗快衰落能力。宽带带来了抗快衰落能力。宽带FM的缺点是频带利的缺点是频带利用率低，存在门限效应，因此在接收信号弱，干扰大的用率低，存在门限效应，因此在接收信号弱，干扰大的情况下宜采用窄带情况下宜采用窄带FM，窄带，窄带FM采用相干解调时不存在采用相干解