考研西北工业大学《825通信原理》强化精讲模拟调制系统(二).ppt

考试点专业课强化精讲课程第5讲,模拟调制系统（二）,1,5.3角度调制（非线性调制）的原理及抗噪声性能,引言：非线性调制：已调信号频谱不再是原基带信号频谱的线性搬移，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。实现方法：通过改变载波的频率和相位角度来实现。即载波的幅度保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。分类：角调制可分为频率调制（FM）和相位调制（PM）。,2,5.3.1角度调制的基本概念1.一般表达式,2.PM调制是指瞬时相位偏移随基带信号而线性变化，即,调相信号可表示为：,名词：瞬时相位瞬时相位偏移瞬时角频率瞬时角频偏,3,则可得调频信号：,可见：FM和PM非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。,3.FM调制是指瞬时频率偏移随基带信号而线性变化，即,4,2.FM、PM的关系PM较FM仅少了一个积分！实现方法:,可见：调频与调相并无本质区别，两者之间可以互换缩减研究内容；为FM、PM信号的实现（调制、解调）提供了新的方法。,5,5.3.2窄带调频与宽带调频定义/分类：根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（WBFM）与窄带调频（NBFM）。当时，称为NBFM。否则，称为WBFM。1.窄带调频（NBFM）,6,将上式与AM信号的频谱比较很相似,经推导可得NBFM信号的频域表达式：,进行比较，它们的带宽相同，即,7,2.宽带调频（WBFM）分析思路：为使问题简化，先研究单音调制的情况，然后把分析的结果推广到多音情况。（1）单频调制时宽带调频信号的频域表达设单频调制信号为,则单音调频信号的时域表达式为：,式中：调频指数：最大频偏：,8,相应频谱：,式中：Jn(mf)为第一类n阶贝塞尔函数，它是调频指数的函数。可见：调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。带宽？,特点：各次边频幅度Jn(mf)随着n的增大而减小！结论：FM信号各次边频幅度Jn(mf)随着n的增大而减小！,9,（2）单频调制时的频带宽度理论上：调频信号的带宽为无限宽。实际上：因各次边频幅度n的增大而减小，只要取适当的n值，使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可以近似认为具有有限频谱。,卡森公式：大于n=mf+1次的边频分量，其幅度小于未调载波幅度的10。,10,（3）FM信号的功率,调频信号虽然频率在不停地变化，但振幅不变!而功率仅由幅度决定，与频率无关，故：,11,（4）任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽,调制信号的最高频率:最大频率偏移:频偏比:,12,5.3.3调频信号的产生与解调1.调频信号的产生（1）直接法就是利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。压控振荡器（VCO）：输出频率偏移正比于所加的控制电压：,13,（2）间接法阿姆斯特朗（Armstrong）法原理：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个窄带调频(NBFM)信号，再经n次倍频器得到宽带调频(WBFM)信。方框图：,14,NBFM实现方法：,NBFMWBFM：经N次倍频后可以使调频信号的载频和调制指数增为N倍。问：载波过高？,15,典型实例：调频广播发射机载频：f1=200kHz调制信号最高频率：fm=15kHz间接法产生的最大频偏：f1=25HzNBFM调频广播要求的最终频偏：f=75kHzWBFM发射载频：在88-108MHz频段内fc需要倍频：但：倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提高到：(nf1)600MHz，不符合fc=88-108MHz的要求，需用混频器进行下变频。,16,具体方案：,17,【例5-1】在上述宽带调频方案中，设调制信号是fm=15kHz的单频余弦信号，NBFM信号的载频f1=200kHz，最大频偏f1=25Hz；混频器参考频率f2=10.9MHz，选择倍频次数n1=64，n2=48。（1）求NBFM信号的调频指数；（2）求调频发射信号（即WBFM信号）的载频、最大频偏和调频指数。【解】（1）NBFM信号的调频指数为（2）调频发射信号的载频为,（3）最大频偏为（4）调频指数为,18,2.调频信号的解调（1）非相干解调最简单的解调器是具有频率-电压转换作用的鉴频器。,特点：鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频偏成正比。组成：理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联。,19,“理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器的级联”。证明：,用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出：,Kd称为鉴频器灵敏度。,微分器输出：,20,（2）相干解调适于窄带调频,21,证：设NBFM信号为：,则乘法器输出为：,再经微分，得输出信号：,取相干载波：,经LPF，得,22,5.4调频系统的抗噪声性能与解调方法有关，这里只讨论非相干解调系统的抗噪性能。1.输入信噪比,设输入调频信号为：,输入信号功率：输入噪声功率：,输入信噪比：,23,2.输出信噪比及调制制度增益,由于非相干解调不是线性叠加处理过程，因而无法分别计算信号与噪声功率。,解调器输入波形是调频信号和窄带高斯噪声的混合波形:,经限幅器限幅去除包络起伏后，得鉴频器输入为,24,此处，V0为常数。对于鉴频器输出信号来说，仅关心合成波瞬时相移(t)。可以证明，合成波的瞬时相移为,。,问题：以上两式皆是携带信息(t)的和表示噪声的V(t)、(t)的复杂函数。考虑两种极端情况：大信噪比；小信噪比。,25,（1）大信噪比情况,大信噪比:,此时,鉴频器输出,其中,此时，信号和噪声已经分开。,26,经进一步分析，可得解调器的输出信噪比为：,WBFM系统制度增益为：,27,下面考虑单频调制时的情况，设调制信号为：则这时的调频信号为：式中解调器输出信噪比：解调器制度增益：,所以：,WBFM信号带宽为：,28,上式表明:在大信噪比的情况下，宽带调频解调器的制度增益是很高的，与调制指数的三次方成正比。例如：调频广播中常取mf=5，则GFM=450。可见，加大调制指数mf，可使系统抗噪性能大大改善。代价？6、12,29,（2）小信噪比情况与门限效应,可知：解调器输出中已没有单独存在的有用信号，解调器输出几乎完全由噪声决定，因而输出信噪比急剧下降门限效应。出现门限效应时所对应的输入信噪比的值被称为门限值（点）。,小信噪比:,此时,30,对FM系统而言:未发生门限效应时，在相同输入信噪比情况下，FM输出信噪比优于AM输出信噪比；当输入信噪比降到某一门限（）时，FM便开始出现门限效应；若继续降低输入信噪比，则FM解调器的输出信噪比将急剧变坏，甚至比DSB的性能还要差.,讨论：输入-输出信噪比性能对DSB系统而言:信号同步检测时的性能曲线是通过原点的直线。,31,例：已知某调频波的振幅是10V，瞬时频率为,试确定：（1）此调频波的表达式；（2）此调频波的最大频偏、调频指数和频带宽度；（3）若调制信号频率提高到2103Hz，则调频波的最大频偏、调频指数和频带宽度如何变化？,32,例：调频波的振幅是10V，瞬时频率为,试确定：（1）sFM(t)；（2）f、mf、BFM；（3）若调制信号频率提高到2103Hz，重求（2）。解：（1）该调频波的瞬时角频率（rad/s）瞬时相位调频波的表达式,33,（2）调频波的最大频偏、调频指数和频带宽度：,（3）调制信号频率提高到2103Hz，即加倍，则最大频偏仍为而调频指数变为相应地，频带宽度变为,34,5.5各种模拟调制系统的比较1.各种模拟调制方式总结（见表5-1）,前提：假定所有调制系统具有相等的输入信号功率；噪声背景相同（均值为0、双边功率谱密度为n0/2的高斯白噪声）；基带信号m(t)带宽为fm，且,例如，m(t)为正弦型信号。综前：可总结各种模拟调制方式的信号带宽、制度增益、输出信噪比、设备（调制与解调）复杂程度、主要应用等如表3-1所示。表中还进一步假设了AM为100%调制。,35,略大于,表5-1各种模拟调制方式总结,36,2.各种模拟调制方式性能比较抗噪性能，WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM与AM接近。频带利用率，SSB最好，VSB与SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。3.各种模拟调制方式的特点与应用,37,5.6频分复用（FDM）,1.复用的概念“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。2.复用方式有三种基本的多路复用方式：频分复用（FDM）、时分复用（TDM）与码分复用（CDM）。3.复用的目的提高频带利用率。4.FDM的实现思路：带限、调制（频率分配）、合成、信道、分路、解调,38,5.带宽单边带信号的总频带宽度为：,39,典型例子：多路载波电话系统每路电话信号的频带限制在3003400Hz，在各路已调信号间留有防护频带，每路电话信号取4kHz作为标准带宽层次结构：12路电话复用为一个基群；5个基群复用为一个超群，共60路电