5.4 调频系统的抗噪声性能.ppt

1 5 0基本概念 5 1幅度调制的原理 5 3非线性调制的原理 5 5各种模拟系统的比较 5 6频分复用 FDM 5 2线性调制系统的抗噪性能 5 4调频系统的抗噪性能 第五章模拟调制系统 2 分析模型n t 均值为零 单边功率谱密度为n0的高斯白噪声分析方法和线性调制系统的一样 先分别计算调制器的输入信噪比和输出信噪比 然后通过信噪比增益来反映系统的抗噪声性能 5 4调频系统的抗噪声性能 重点讨论FM非相干解调时的抗噪声性能 消除信道中噪声和其他原因引起的调频波的幅度起伏 抑制调频信号带宽以外的噪声 1 大信噪比条件下 包络检波可以近似分离出信号与噪声 2 小信噪声比条件下 无法分离出信号与噪声 且有明显的门限效应 3 5 4 1输入信噪比设输入调频信号为故其输入信号功率为输入噪声功率为BFM 调频信号的带宽 即带通滤波器的带宽输入信噪比为 5 4 1输入信噪比 4 5 4 2大信噪比时的解调增益在输入信噪比足够大的条件下 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计算 1 输出信号的平均功率输入噪声为0时 解调输出信号为故输出信号平均功率为 5 4 2大信噪比时的解调增益 5 2 噪声的平均功率假设调制信号m t 0 则加到解调器输入端的是未调制的载波与窄带高斯噪声之和 即 包络 相位偏移 5 4 2大信噪比时的解调增益 6 在大信噪比时 即A nc t 和A ns t 时 相位偏移鉴频器的输出正比于输入的频率偏移 故鉴频器的输出噪声 在假设调制信号为0时 解调结果只有噪声 为 5 4 2大信噪比时的解调增益 7 由于dns t dt实际上就是ns t 通过理想微分电路的输出 故它的功率谱密度应等于ns t 的功率谱密度乘以理想微分电路的功率传输函数 设ns t 的功率谱密度为Pi f n0理想微分电路的功率传输函数为鉴频器输出噪声nd t 的功率谱密度为 5 4 2大信噪比时的解调增益 8 鉴频器输出噪声的功率谱密度已不再是均匀分布 而是与f2成正比 5 4 2大信噪比时的解调增益 9 3 输出信噪比 5 4 2大信噪比时的解调增益 10 4 单一频率余弦波调频信号为调频指数 输出信噪比为 5 4 2大信噪比时的解调增益 解调器的调制增益 输入信噪比为 11 在宽带调频时 信号带宽为当mf 1时有近似式 调制的增益很大 抗噪声性能好 5 4 2大信噪比时的解调增益 12 5 调频系统与调幅系统比较在大信噪比情况下 AM信号包络检波器的输出信噪比为若设AM信号为100 调制 且m t 为单频余弦波信号 则m t 的平均功率为B为AM信号的带宽 它是基带信号带宽的两倍 B 2fm将两者相比 得到 5 4 2大信噪比时的解调增益 13 讨论 在大信噪比情况下 若系统接收端的输入A和n0相同 则宽带调频系统解调器的输出信噪比是调幅系统的3mf2倍 例如 mf 5时 宽带调频的S0 N0是调幅时的75倍 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 WBFM信号的传输带宽BFM与AM信号的传输带宽BAM之间的一般关系为 5 4 2大信噪比时的解调增益 14 当mf 1时 上式可近似为故有可见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 5 4 2大信噪比时的解调增益 15 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 mf增大 BFM增大 GFM增大带宽增加 输入噪声功率增大 输入信噪比下降 出现门限效应 5 4 2大信噪比时的解调增益 16 例5 12 已知调制信号是8MHz的单频余弦信号 若要求输出信噪比为40 试比较调制效率为1 3的常规调幅系统和mf 5调频系统的带宽和发射功率 设信道噪声单边功率普密度为no 5 10 15W Hz 信道损耗为 60dB 解 5 4 2大信噪比时的解调增益 17 调频系统的发射功率为 调幅系统的发射功率为 发射机 信道衰减 解调器 SO NO 40dB no 5 10 15W Hz 60dB 5 4 2大信噪比时的解调增益 18 例题5 13 单音调频幅度为10V 载波频率为10MHz 调制信号fm 1kHz 信号带宽为20kHz 信道噪声功率谱为n0 10 10W Hz 试求 1 调频波的调制指数和最大频偏 2 求鉴频解调器的输入信噪比Si Ni和输出信噪比So No 解 1 B 2 mf 1 fm即2 mf 1 103 20 103得mf 9 f mffm 9kHz2 Si 102 2 50W Ni n0B 20 103 10 10 2 10 6WSi Ni 50 2 10 6 2 5 107So No 3 mf3 Si Ni 3 93 2 5 107 5 47 1010 107 4dB 5 4 2大信噪比时的解调增益 19 例题5 14 用于传输调频波的信道为100 150kHz 调制信号为f t Amcos104 t 信道衰减为50dB 信道噪声单边功率谱为n0 10 9W Hz 试求1 确定调频波的频偏 f和调频指数mf 2 确定载波幅度以保证能够正常解调 3 写出发送的调频波表达式 解 1 fm 5kHz BFM 2 f fm 50kHz所以 f 20kHz mf f fm 20 5 4 5 4 2大信噪比时的解调增益 20 2 Ni n0 BFM 10 9 5 104 5 10 5W取Si Ni 100 鉴频解调门限信噪比取为20dB Si 100Ni 5 10 3W A2 2 5 10 3所以A 0 1V 3 SFM t Acos 0t mfAmsin 104 t 5 4 2大信噪比时的解调增益 0 1cos 0t 4Amsin 104 t 21 5 4 3小信噪比时的门限效应 当 Si Ni 低于一定数值时 解调器的输出信噪比 So No 急剧恶化 这种现象称为调频信号解调的门限效应 门限值 出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值 记为 Si Ni b 单音调制时在不同调制指数下 调频解调器的输出信噪比与输入