第5章模拟调制系统3 OK

5.3.2调频系统的抗噪声性能

调频系统抗噪声性能的分析方法和分析模型与线性调制系统相似；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，因而是FM系统的主要解调方式，其分析模型如下图所示。

2/5/20231第四章模拟调制系统

带通滤波器用于抑制带外噪声，设信道引入的高斯白噪声的单边功率谱密度为no

均值为零，单边功率谱密度为n0的AWGN

消除接收信号在幅度上可能出现的畸变

抑制信号带宽以外的噪声

2/5/20232第四章模拟调制系统解调器的输入信噪比：

设输入调频信号为：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AM信号的非相干解调一样，考虑两种极端情况，即大信噪比情况和小信噪比情况，使计算简化。2/5/20233第四章模拟调制系统

（1）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，这时可以把信号和噪声分开来算，经过分析，我们直接给出解调器的输出信噪比2/5/20234第四章模拟调制系统

设m(t)为单一频率余弦波时的情况，即m(t)=cosωmt这时的调频信号为sFM(t)=Acos［ωct+mfsinωmt］2/5/20235第四章模拟调制系统 鉴频器前、后的噪声功率谱密度如下图所示2/5/20236第四章模拟调制系统可得解调器的制度增益：在单频调制下：上式表明，大信噪比时宽带调频系统的制度增益是很高的，它与调制指数的立方成正比。例如调频广播中常取mf=5，则制度增益GFM=450。也就是说，加大调制指数mf，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。2/5/20237第四章模拟调制系统例5-5设调频与常规调幅信号均为单频调制，调频指数为，调幅指数,调制信号频率为。当信道条件相同、接收信号功率相同时比较它们的抗噪声性能。解：调频波的输出信噪比常规调幅波的输出信噪比则两种信号输出信噪比之比为2/5/20238第四章模拟调制系统

由给定条件可列出以下表达式：将以上结果代入的表达式，得：

分析当信道条件相同、接收信号功率相同时，调频系统输出信噪比是常规调幅系统的4.5mf2倍，与调频指数的平方成正比。2/5/20239第四章模拟调制系统

若不是接收信号功率相同，而是系统输入的A相同：

2/5/202310第四章模拟调制系统讨论调频系统的这一优越性是以增加其传输带宽来换取的。因为，对于AM信号而言，传输带宽是2fm，而对WBFM信号而言，相应于mf=5时的传输带宽为12fm

，是前者的6倍。2/5/202311第四章模拟调制系统

若（宽带调频），则宽带调频输出信噪比相对于调幅的改善与它们带宽比的平方成正比。调频是以带宽换取信噪比的改善。2/5/202312第四章模拟调制系统结论：在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能将比调幅系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而提高。但是，FM系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。随着传输带宽的增加，输入噪声功率增大，在输入信号功率不变的条件下，输入信噪比下降，当输入信噪比降到一定程度时就会出现门限效应，输出信噪比将急剧恶化。2/5/202313第四章模拟调制系统

（2）小信噪比情况与门限效应

应该指出，以上分析都是在Si/Ni足够大的条件下进行的。当Si/Ni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，信号被噪声扰乱，因而So/No急剧下降。这种情况与AM包检时相似，我们称之为门限效应。出现门限效应时所对应的Si/Ni值被称为门限值，记为(Si/Ni)b。2/5/202314第四章模拟调制系统非湘干解调的门限效应2/5/202315第四章模拟调制系统门限效应是FM系统存在的一个实际问题。尤其在采用调频制的远距离通信和卫星通信等领域中，对调频接收机的门限效应十分关注，希望门限点向低输入信噪比方向扩展。降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如，可以采用锁相环解调器和负反馈解调器，它们的门限比一般鉴频器的门限电平低6~10dB。还可以采用“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。这也相当于改善了门限。2/5/202316第四章模拟调制系统

采用预加重和去加重改善信噪比原因：鉴频器输出噪声功率谱随f呈抛物线形状增大。但在调频广播中所传送的语音和音乐信号的能量却主要分布在低频端，且其功率谱密度随频率的增高而下降。在信号高频端的信号谱密度最小，而噪声谱密度却是最大，致使高频端的输出信噪比明显下降，这对解调信号质量会带来很大的影响。采用降低输出噪声功率N0的方法提高S0/N0。2/5/202317第四章模拟调制系统采用预加重和去加重改善信噪比目的：为了进一步改善调频解调器的输出信噪比，针对鉴频器输出噪声谱呈抛物线形状这一特点，在调频系统中广泛采用了加重技术，包括“预加重和“去加重”措施。“预加重”和“去加重”的设计思想是保持输出信号不变，有效降低输出噪声，以达到提高输出信噪比的目的。2/5/202318第四章模拟调制系统加重技术框图可以使输出信噪比提高6dB左右

传输特性随频率增加而滚降，将高端的噪声衰减，则总的噪声功率可以减小（对调频尤为明显）抵消去加重网络的影响，使传输信号不失真

预加重网络去加重网络2/5/202319第四章模拟调制系统

原理“去加重”：就是在解调器输出端接一个传输特性随频率增加而滚降的线性网络Hd(f)，将调制频率高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。由于去加重网络的加入，在有效地减弱输出噪声的同时，必将使传输信号产生频率失真。“预加重”：在调制器前加入一个预加重网络Hp(f)，人为地提升调制信号的高频分量，以抵消去加重网络的影响。显然，为了使传输信号不失真，应该有

这是保证输出信号不变的必要条件。

2/5/202320第四章模拟调制系统例5-6已知调制信号是8MHz的单频余弦信号，若要求输出信噪比为40dB，试比较调制效率为1/3的常规调幅系统和调频指数为5的调频系统的带宽和发射功率。设信道噪声的单边功率谱密度为，信道损耗为60dB。解：调频系统的带宽和信噪比增益分别为：常规调幅系统的带宽和信噪比增益分别为：

2/5/202321第四章模拟调制系统

调频系统的发射功率为：常规调幅系统的发射功率为：2/5/202322第四章模拟调制系统5.4各种模拟调制系统的性能比较同等条件下比较：在相同的解调器输入信号功率Si、相同噪声功率谱密度n0、相同基带信号带宽Bb（fm）的条件下，AM为100%调制，调制信号为均值为0的单频正弦信号。2/5/202323第四章模拟调制系统5、各种模拟调制系统的比较结论：当输入信噪比较高时，采用FM方式可以得到更大好处。出现门限效应时的曲线拐点门限电平以下，曲线将迅速跌落比AM优越4.7dB以上比AM优越22dB2/5/202324第四章模拟调制系统调制方式传输带宽优点缺点应用DSB2Bb功率利用率高要求有相干解调，设备较复杂模拟数据传输；低带宽信号多路复用系统AM2Bb调制与解调简单功率利用率低抗干扰能力差中波和短波的调幅无线广播SSBBb功率利用率和频带利用率都较高发送和接收设备都复杂话音通信；话音频分多路复用系统中VSB略大于Bb综合了AM、SSB和DSB三者的优点调制器需要对称滤波，要求相干解调，设备复杂电视广播系统；数据传输FM2（mf＋1）Bb宽带FM的抗干扰能力和抗快衰落能力强调制器较复杂数据传输；无线电广播；微波中继；2/5/202325第四章模拟调制系统5.5频分复用(FrequencydivisionMultiplexing)FDM频分复用是指按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中，信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。2/5/202326第四章模拟调制系统图4–13频分复用系统组成原理图2/5/202327第四章模拟调制系统SSB将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区，每个小区能顺利通过一路信号防护频带滤波器截止特性问题收发载波同步问题优点：可以在给定的信道内同时传输许多路信号，提高信号传输的有效性

缺点：设备复杂，因滤波器特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰2/5/202328第四章模拟调制系统例：调频立体声广播(FMStereoBroadcasting)

调频立体声广播系统占用频段为88~108MHz，采用FDM方式。在调频之前，首先采用抑制载波双边带调制将左右两个声道信号之差(L-R)与左右两个声道信号之和(L+R)实行频分复用。2/5/202329第四章模拟调制系统立体声广播信号频谱结构图2/5/202330第四章模拟调制系统调频立体声广播系统发送与接收原理图2/5/202331第四章模拟调制系统例：设有一个10路模拟话音信号的频分复用系统，每路话音信号的频率范围在，副载波调制用SSB，主载波调制用FM。（1）请问副载波调制之后合成信号的带宽是多少？（2）如果最大频偏是600kHz，试求信道的传输带宽。解：（