通信原理-第5章模拟调制系统2

5.3 角度调制与解调原理,频率调制和相位调制合称为角度调制，又称为非线性调制。频率调制和相位调制二者都是用基带信号控制载波的相角变化，频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化。频率调制（Frequency Modulation)是已调信号的瞬时角频率受调制信号的控制 。相位调制(Phase Modulation)则是已调信号的瞬时相位受调制信号的控制。角度调制其频谱特性难以用精确的数学表达式描述。仅仅对这些简单调制信号进行研究，并且进行某种程度上的近似，然后推广到一些复杂信号。,线性调制与非线性调制：,对调幅信号而言，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移（精确到常数因子）。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。对调频信号和调相信号而言，它们的频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是一种非线性变换，因而将频率调制和相位调制统称为非线性调制。与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。,模拟角度调制说明：,角度调制：频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化。角度调制（角调制）中的已调信号的频谱与调制信号的频谱之间不存在线性关系， 而是产生出与频谱搬移不同的新的频率分量，因而呈现出非线性特性。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，称为频率调制（FM）和相位调制（PM）， 分别简称为调频和调相。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关系，即调频必调相，调相必调频。在实际应用中频率调制已经得到广泛应用，故重点讲解频率调制。,主要内容：,模拟非线性调制窄带调相窄带调频宽带调相宽带调频模拟调制的抗噪声性能分析相干解调非相干解调门限效应,5.3.1 角度调制的基本概念,任何一个正弦波信号，如果幅度不变而角度可变，则称为角度调制信号，可表示为 s(t)=Acos(t)= Acosct+ c +(t) 式中(t)为正弦波的瞬时相位（相角），总相位（相角）。 将(t)对时间t求导可得瞬时角频率 (t) = d(t)/dt =c+ d(t)/dt 瞬时相位和瞬时角频率又可表示为 (t)=t- ()d (t)=d(t)/dt =(t)-c称为瞬时角频率偏移（角偏移），相对于载频c的偏移。,(1) 角度调制信号的一般表示式,s(t)=Acosct+ c +(t)或： s(t)=Acosct+(t)式中A、c、c均为常数，它们分别是载波的幅度、角频率和初始相位。 (t)= ct+ (t)， (t)为瞬时相位偏移（相移），其导数d(t)/dt为瞬时角频率偏移（即相对于c）。,例：单频正弦波信号,它的表示式为f(t)=Acos(ct+c)显而易见，其瞬时相位为(t)=ct+c而瞬时角频率则为(t)=d(t)/dt=c,(2)相位调制（PM）,当幅度A和角频率c保持不变，而瞬时相位偏移是调制信号的线性函数时，即为相位调制。此时瞬时相位偏移可表示为 (t)=KPm(t) 式中KP称为相移常数（调制常数），表示调相器的灵敏度，单位为rad/V。调相信号的时域表达式为 sPM(t)=Acosct+Kpm(t),调相信号的瞬时相位和瞬时频率：,调相信号的瞬时相位为 PM(t)= ct +Kpm(t) 其最大相位偏移（又称调相指数） PM=PM= Kpm(t)max调相信号的瞬时频率为 PM(t)=dPM(t)/dt= c +Kp dm(t)/dt 其最大频率偏移 PM=Kp dm(t)/dtmax,例：单频信号PM,设调制信号为单频余弦波， m(t)=Amcosmt则 sPM(t) = Acosct+KpAmcosmt = Acosct+PMcosmt其中 PM =PM=KpAm PM=KpAmm可见， PM只取决于调制信号m(t)的幅度，而与调制频率无关。,单频信号PM的波形图：,m(t) =AmcosmtPM(t) = ct+KpAmcosmtPM(t)=c- KpAmmsin mt,c,t,(t),0,（3）频率调制（FM）,若角调信号的瞬时频率与基带信号呈线性关系，即为频率调制。此时(t)记为FM (t)。 FM(t)=c+ Kfm(t)或dFM(t)/dt= Kfm(t) 式中Kf为频偏常数（调制常数），表示调频器的调制灵敏度，单位为rad/(Vs)。此时， FM(t)=FM(t)dt= ct+Kfm(t)dt 则调频信号的时域表达式为sFM(t)=Acosct+Kfm(t)dt,调频信号的最大相位偏移和最大频率偏移：,调频信号的最大频率偏移 FM=Kfm(t)max调频信号的最大相位偏移FM （又称调频指数FM） FM=FM= Kfm(t)dtmax,例：单频信号FM,设调制信号为单频余弦波， m(t)=Amcosmt则 sFM(t)=Acosct+Kf Amcosmt dt = Acosct+KfAm/ m sinmt = Acosct+FMsinmt其中FM=Kf Am FM=FM =KfAm/m=FM/m =fFM/fm,单频信号FM的波形图：,m(t)=AmcosmtFM(t)= Kfm(t) = m+ KfAmcosmt,sFM(t),(t),m(t),单频信号PM 单频信号FM,(t),(t),m(t),m(t),sFM(t),sPM(t),(4) FM与PM信号的转换关系,sPM(t)=Acosct+Kpm(t)sFM(t)=Acosct+Kfm(t)dt,PM,FM,(.)dt,d(.)/dt,m(t),m(t),FM信号,PM信号,积分器,调相器,调频器,微分器,PM与 FM的区别：,PM是相位偏移随调制信号m(t)线性变化，FM是相位偏移随m(t)的积分呈线性变化。如果预先不知道调制信号m(t)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。如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；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，这种方式叫间接调频。,PM与 FM的区别：,调频与调相并无本质区别，两者之间可相互转换。鉴于在实际应用中多采用FM波，下面将集中讨论频率调制。,5.3.2 频率调制,频率调制属于非线性调制，其频谱结构非常复杂，难于表述。窄带调频(Narrow-Band Frequency Modulation) 如果FM信号的调频指数满足Kfm(t)dtmax/6（或0.5），则称为窄带调频，记作NBFM。反之，称为宽带调频(Wide-Band Frequency Modulation),(1) 窄带调频（NBFM）,假定Kfm(t)dtmaxFM + 1以上的边频幅度均小于0.1。被保留的上、下边频数共有2n = 2(FM + 1)个，相邻边频之间的频率间隔为fm。,调频信号FM的带宽：,BFM2nmaxfm ，式中nmax为最高边频次数，它取决于实际应用中对信号失真的要求。一个常用的原则是将最大边频数取到（1+FM）次。则（fFM=FMfm）BFM2 （1+FM） fm=2fm+2fFM （卡松Carson公式 ）在FM1（10，宽带调频）的情况下， BFM2fFM =2FMfm,调频信号FM的带宽计算：,当任意限带信号调制（多音频情况）时，上式中fm是调制信号的最高频率， FM是最大频偏 f 与 fm之比。例：调频广播中规定的最大频偏f为75kHz，最高调制频率fm为15kHz，故调频指数 FM 5，由上式可计算出此FM信号的频带宽度为180kHz。,调频信号的功率分配：,调频信号的平均功率为由帕塞瓦尔定理可知 利用贝塞尔函数的性质得到上式说明，调频信号的平均功率等于未调载波的平均功率，即调制后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分分配给每个边频分量。,5.3.3 相位调制（略讲或不讲）,窄带调相(Narrow-Band Phase Modulation) 如果PM信号的调相指数满足Kpm(t)max nc (t)和A ns (t)时，相位偏移 可近似为当x 1时有近似式上式结果表明，在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益很高，即抗噪声性能好。如调频广播中常取FM=5.3，则制度增益GFM =450。即加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能改善。,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 因而B为AM信号的带宽，它是基带信号带宽的两倍，即B = 2fm，故有将两者相比，得到,调频系统与调幅系统比较：,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3FM2倍。例如，FM =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FM= 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,调频系统与调幅系统比较：,当FM 1时，上式可近似为故有在上述条件下，变为宽带调频输出信噪比相对于调幅的改善与其带宽比的平方成正比。调频是以带宽换取信噪比的改善。,调频系统与调幅系统比较：,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。,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，记为(Si /Ni) b。,小信噪比时的门限效应：,右图画出了单音调制时不同调制指数下，调频解调器输出信噪比与输入信噪比的关系曲线。 由图可见门限值与调制指数FM 有关。 FM越大，门限值越高。不同FM 时，门限值的变化不大，大约在811dB的范围内变化，一般认为门限值为10 dB左右。在门限值以上时， (So /No)FM与(Si /Ni)FM呈线性关系，且FM 越大，输出信噪比的改善越明显。,小信噪比时的门限效应：,在门限值以下时， (So /No)FM将随(Si /Ni)FM的下降而急剧下降。且FM越大， (So /No)FM下降越快。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，需要对调频接收机的门限效应关注，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，如可以采用锁相环解调器和负反馈解调器，其门限比一般鉴频器的门限电平低610dB。也还可以采用“预加重”和“去加重”技术进一步改善调频解调器的输出信噪比。相当于改善了门限。,5.4 各种模拟调制系统的比较,下表为模拟调制系统性能比较，表中B为传输带宽，G为调制制度增益，So/No为输出信噪比，设备复杂性主要指调制与解调器。,模拟调制系统比较说明：,DSB与SSB的抗噪声性能相同，即两种信号解调器输出信噪比相同。非相干解调器存在门限效应，包括包络检波器、各种鉴频器；相干解调器无门限效应。模拟调制系统的有效性优劣排序：SSB、VSB、AM(DSB)、FM；可靠性优劣排序： FM、SSB (DSB)、VSB、AM；功率利用率优劣排序：FM、SSB (DSB)、VSB、AM；设备复杂性优劣排序： AM、FM(DSB)、VSB、SSB。大输入信噪比条件下，FM系统性能较高。宽带FM输出信噪比的改善，以增加带宽为代价，即有效性换取可靠性，这也正是香农公式的意义所在。,模拟调制系统频带利用率：,SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数FM 的增大而增大，其频带利用率最低。FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。 FM值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用WBFM， FM 值选大些；对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用FM 较小的调频方式。,模拟调制系统特点与应用：,AM：优点接收设备简单；缺点功率利用率低，抗干扰能力差。在传输中如果载波受到信道的选择性衰落，则在包检时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高。因此AM制式用于通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波调幅广播。DSB调制：优点功率利用率高，且带宽与AM相同，但接收要求同步解调，设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。 SSB调制：优点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；缺点发送和接收设备都复杂。SSB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。,模拟调制系统特点与应用：,VSB调制：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。抗噪声性能和频带利用率与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。在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。FM：幅度恒定不变，这使它对非线性器件不甚敏感，给FM带来了抗快衰 落能力。窄带FM对微波中继系统颇具吸引力。宽带FM的抗干扰能力强，可以实现带宽与信噪比的互换，广泛应用于长距离高质量的通信系统，如空间和卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等。宽带FM的缺点是频带利用率低，存在门限效应，在接收信号弱，干扰大的情况下宜采用窄带FM，这就是小型通信机常采用窄带调频的原因。另外，窄带FM采用相干解调时不存在门限效应。,5.5 频分复用,若干路彼此独立的信号，先组合为一个复合信号，再在同一信道中传输的技术称为复用。在一个信道传输多路信号而互不干扰，可以提高信道的利用率。频分复用(Frequency Division Multiplexing) 是按频率分割多路信号的方法，即将信道的可用频带分成若干互不交叠的频段，每路信号占据其中的一个频段。在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理。,复用技术分类：,空分复用（SDM）：利用不同波束，在空间域上复用，可同时同频。频分复用（FDM）：在频率域上复用，可同时。时分复用（TDM）：在时间域上复用，可同频。码分复用（CDM）：利用相互正交的不同码型复用，可同时同频。,频分复用说明：,频分复用主要用于模拟信号，是复用技术中较早使用的成熟技术。频分复用技术的实施基于：(a) 调制技术，实现频谱搬移，可以将处于相同频带的多路基带信号搬到不同载频上。(b) 通常信道带宽远大于单路已调信号带宽。FDM实现：调制合成传输分路 解调。 FDM的目的是充分利用信道的频带资源，为了提高信道的利用率。应用广泛：中短波AM广播，FM广播，TV广播， SSB多路载波电话系统，OFDM等。OFDM是4G无线通信系统采用的技术。,频分多路复用系统原理：,FDM的特点：,相邻载波之间的间隔为 B=Bs+Bg 式中Bs为已调信号带宽，Bg为防护带宽间隔。FDM的优点是技术成熟，易于实现。信道利用率高，允许复用的路数多，分路也很方便。FDM的缺点是设备复杂，不仅需要大量的调制器、解调器和带通滤波器，而且还要求接收端提供相干载波，同时往往存在路间干扰。在给定频段内，采用单边带调制的频分复用(SSB-FDM)最节省频带。,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4 kHz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路电话；由10个超群复用为一个主群，共600路电话。如果需要传输更多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群。 基群频谱结构图载波频率,频分多路复用系统：,FDM 主要优点是信道利用率高，技术成熟；缺点是设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和传输过程中，调制、解调等过程会不同程度地引入非线性失真，从而产生各路信号的相互干扰。,5.6 复合调制及多级调制的概念,多级调制是指在一个复用系统内，对同一个基带信号进行两次以上同一种方式的调制。多级调制可减少载频种类数和部件的类型数，使设备的实现比较容易。采用两种或两种以上调制方式形成的复用系统称为复合调制系统。在模拟调制中，通常先形成频分复用信号，然后再进行第二种调制。在数字调制中，通常先形成时分复用信号，然后再进行第二种调制。复合调制系统在通信系统中应用广泛。,例：两级单边带调制复用系统,例：SSB/FM复合调制系统,复合调制及多级调制说明：,多级调制是对同一个基带信号进行多次调制。彩色电视系统采用DSB/VSB调制方式；载波电话采用SSB/SSB调制方式；频分多路微波通信采用SSB/FM调制方式；卫星通信采用FM/FM调制方式等。复合调制是对同一载波进行多种调制。载波信号是同一个，而调制信号可以多个。,5.7 应用举例,5.7.1 载波电话系统5.7.2 调幅广播5.7.3 调频广播5.7.4 广播电视5.7.5 卫星直播电视5.7.6 模拟移动电话,5.7.1 载波电话系统,在一对传输线上同时传输多路模拟电话称为载波电话。载波电话使用单边带SSB调制的频分复用方式，相应的复用设备称为载波机。载波电话分群等级标准(CCITT：国际电话与电报咨询委员会) 基群 12路4kHz=48kHz 60108kHz 超群 60路 312552kHz基本主群 300路 8122044kHz基本超主群 900路 851612388kHz,载波通信系统示意图：,5.7.2 调幅广播（ AM无线电广播）,调幅广播采用常规调幅（AM）方式，使用的波段分为中波和短波两种。中波调幅广播的载频为535kHz1605kHz，一般用于地区性广播。短波调幅广播的载频为3.9MHz18MHz。短波传播靠电离层反射实现，传播距离可达数千公里。调制信号的带宽约为5kHz（最高频率4.5kHz左右），电台之间的频道（频率）间隔B9kHz（10kHz）。,5.7.3 调频广播（ FM无线电广播）,调频广播使用载频为88MHz108MHz，与地面电视的载频同处于甚高频（VHF）频段。普通单声道的调频广播中，取调制信号的最高频率fH=15kHz，最大频偏固定在fmax=75kHz，调频信号的带宽B=180kHz，各电台频道间隔B= 200kHz。双声道立体声与单声道是兼容的，左声道信号L和右声道信号R占用0 15kHz频带（最高频率为15kHz）。在立体声的调频广播中，10的频偏分配给19kHz导频，其余90分配给（L+R）和（L-R）两个声道（与FM立体声发送和接收原理有关）。,双声道立体声调频广播信号的形成：,双声道立体声调频广播信号的频谱：,双声道立体声调频广播信号的解调：,5.7.4 电视广播,由电视塔发射的电视节目称电视广播，也称地面电视广播。电视的载频处于甚高频（VHF：Very High Frequency）和超高频（UHF：UltraHigh Frequency）频段，与无线电广播相反，电视广播标准各个国家互不相同，主要制式有NTSC（美、加、日）、PAL（德、中、西欧）、SECAM（法、俄、东欧）。图象信号是06MHz带宽的视频信号，采用残留边带调制（VSB），并插入很强的载波。接收端可用包络检波的方法恢复图象信号。伴音信号则采用宽带调频方式，最高频率fH= 15kHz，最大频偏fmax=50kHz，频带宽度为B=130kHz。,黑白电视信号的频谱：,彩色电视信号的频谱：,我国彩色电视使用PAL制（PAL/NTSC），两路色差信号（R-Y，B-Y）对4.43MH彩色副载波进行正交的抑制载波双边带调制（DSB-SC）。,5.7.5 卫星直播电视,卫星直播电视是由卫星发送或转发电视信号，利用天线收看的电视广播技术。与地面广播电视相比，卫星直播电视可以以较小的功率服务于广大地区。若要覆盖一个地域辽阔的国家，发射功率只需1kW以上，而且接收质量较高。但地面广播电视的发射功率一般在10kW以上，服务半径约100km之内。图象传输采用调频方式，伴音信号的传输可以是单路伴音，也可以是多路伴音，而且调制方式不同。多路伴音用以同时传送多种语言。,卫星直播电视系统示意图：,卫星直播电视的调制技术：,图象信号的最高频率为6MHz，最大频偏为7MHz，再留有1MH的保护间隔，图象信号的总带宽为27MHz。在和图象基