非线性调制.doc

第章 模拟角调制幅度调制属于线性调制，它是通过改变载波的幅度，以实现调制信号频谱的平移及线性变换的。一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量，因此，我们不仅可以把调制信号的信息寄托在载波的幅度变化中，还可以寄托在载波的频率或相位变化中。这种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，称为频率调制（FM）和相位调制(PM)， 分别简称为调频和调相。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。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，故又称为非线性调制。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。 鉴于FM用的较多，本节将主要讨论频率调制。.1角调制的基本概念 角调制的一般表达式、均为常数 瞬时相位移瞬时频偏瞬时相位 PM：当A、为常数，时（为移相常数）（）瞬时相位瞬时频率 FM当（为频偏常数）瞬时频率 瞬时相位 则 4. 单频余弦波调制的PM 调相指数 5单频余调制的FM 调频指数 最大偏频 4.2 窄带角调制 窄带角调制条件：调频或调相引起的瞬时相位偏移远小于30度 NBFM： NBPM： 一 窄带调频（NBFM）调频 依窄带条件： 故 设 =0， 即F（0）=0 且 可得窄带调频信号频域表达式：单频调制情况 上式与常规调幅相似，且带宽相等，因为频谱图： 二、窄带调相。 也与常规调幅相似，且带宽相等。43宽带调频一 单频信号的宽带调频。1 调频信号表达式。 设调制信号 = 调频信号时域表达式 =将两因子展开成傅氏级数，其中偶函数因子 奇函数因子 因第一类n阶贝塞尔函数 故 利用 则 对上式傅氏变换可得频域表达式2 调频信号的带宽卡森公式 . 调制信号最高频 最大频偏当 当 3 调频信号的功率分配 调频信号幅度和未调制载波幅度相同，故已调信号总功率等于载波功率 载波功率 边带功率 调频信号总功率 例：当调频指数=3时，求各次边频的幅度，并画出频谱图，求出载波分量功率和边频分量功率。设未调载波幅度为A。解：依据卡森公式知，取到4次边频即可，查贝塞尔函数得 画出频谱图如下：载波分量功率 4次边频分量功率和为调频信号总功率说明已达载波功率的99.6%，被忽略的高次边频分量仅占0.4%二、 多频信号的调频 n个频正弦调制信号调频时域表达式三 、周期信号调频 设f(t)为周期性调制信号g(t)= 调频波（复形式） 上式中为调制信号f(t)的基频 的实部为调频波的时域表达式 式中是的幅值为相位四任意限带信号调制时的频带宽度 频偏比 式中=频带估算 当时，44宽带调相一 宽带调相信号表达式若调相信号上式中调相信号最大角频偏 二 调相信号频带宽度 当时， 随调制信号频率变化，不利于充分利用信道频带。45 调频信号的产生与解调一 调频信号的产生1 直接调频法 振荡器频率由电抗元件参数决定，若用调制信号改变电抗元件参数，可得调频信号f(t)优点：易实现。可得到大频偏 缺点：频漂大。要加稳频电路2 倍频法先产生NBFM信号。然后倍频和混频成WBFM信号（1）NBFM（2） 用倍频法增大调频指数设平方律器件输入一输出特性 当为调频信号时 平方律器件输出 滤直流后，得到一个载频和相位偏移均增为2倍的新宽带调频信号。 同理，一个n次律器件，可使调频信号载频和调频指数增n倍。(3)、用混频器降低载频。倍频提高了调频指数，也提高了载频，给电路提出了高要求，混频后，中心频率搬到位置，去掉和频（上变频），取差频（下变频）例：先产生窄带调频信号，再用一级倍频产生宽带调频信号。调制信号是频率为15 的单频余弦信号，窄带调制载频，最大偏频，若要求最后输出调频信号最大偏频，载频。求倍频器倍频次数n和参考信号频率。解：NBFM的最大偏频。输出调频最大频偏。故倍频后载频用下变频将频率降到90，其参考频率为 （4） 阿姆斯特朗（Armstrong）倍频法。 上例计算知，一级倍频后将NBFM变成WBFM，但载频过高。解决办法：Armstrong法。若：NBFM产生器，窄带载频，最大偏频，调频指数。WBFM产生器，宽带载频，最大偏频，调频指数。则有如下关系：联立上式可求出例：用Armstrong法构成调频发射机，设调制信号是的单频余弦信号，窄带调频信号的载频，最大频偏，混频器参考信号频率，倍频次数，（1） 求窄带调频信号的调频指数；（2） 求调频发射信号的载频，最大频偏，调频指数。解：（1）由窄带调频信号的最大频偏和调制信号频率可求出调频指数 (2) 调频发射信号的载频可由、求出。 调频信号最大频偏： 调频指数 二、调频信号的解调1、 非相干解调适用窄带和宽带调频信号解调具有线性频率电压转换关系的鉴频器 上式为调幅调频信号。当 时。可看成幅度为的常规调幅信号。滤去直流得 为鉴频器灵敏度2、 相干解调适应对NBFM信号解调 4。6 调频系统的抗噪声性能一. 非相干解调的抗噪声性能模型 1 解调器的输入信噪比 输入信号平均功率 鉴频器输入噪声平均功率 (滤波器带宽=信号带宽)输入信噪比 2 解调器的输出信噪比 鉴频器输入信号 = 式中：调频信号瞬时偏移。：窄带高斯噪声的瞬时幅度：窄带高期噪声的瞬时相位偏移。 （1） 求： 令 大信号加小噪声 小信号加大噪声从图（a）知，则 注意到式，得当输入信噪比高时AV(t)，(2)求输出。 理想鉴频器的输出应与输入信号瞬时频偏成正比，（设比例系数为1） （信号） （噪声）依调频波的定义 故解调器输出信号 输出信号平均功率可以证明：解调器输出噪声功率谱密度为 为抛物线分布，随输出频率的增加而平方地增大。噪声功率 （为调频信号最高频）输出信噪比 （噪声双边带功率谱密度）考虑到最大偏频故 3. 信噪比增益 （1） 当时 ，则(2) 在单频调制时，频偏比且，故 当 时 （大）例：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： 调频波输出信噪比 常规调幅波输出信噪比 两信号输出信噪比之比为 依题中条件有： ， ， 则 若为宽带调频信号 则 结论：大信噪比情况下，调频系统抗噪声性能比调幅系统优越，其优越程度随传输带宽的增加而提高。例：已知调频信号是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。设信道噪声的单边带功率谱密度为。信道损耗为60dB解： 调频系统的带宽和信噪比增益常规调幅系统的带宽和信噪音比增益调频与常规调幅系统的发射功率 二调频系统中的门限效应调频系统中的以带宽换取性能改善不是无止境的，随着带宽增加，噪声功率会增大，信噪比会下降。当输入信噪比下降到一定程度时，输出信噪比急剧恶化门限效应。普通鉴频器a=10dB左右改善门限效应的方法： 锁相环路鉴频调频负回授鉴频“预加重”与“去加重”技术三、相干解调的抗噪音声性能解调模型（只适合窄带调频信号）带通滤波器的输出信号 相干解调后得：（信号项） （噪声项）输出信号功率为 的功率谱密度是功率谱密度的2倍，微分后变为。故噪声项的功率谱密度为 设低通滤波器的截止频率为，则输出噪声功率为 故 窄带调频信号输入信噪比 信噪比增益 最大频偏 故 单频调制时 NBFM调频指数 常取 则 结论： NBFM相干解调比WBFM非相干解调信噪比增益低得多。NBFM相干解调不存在门限效应。4。7采用预加重和去加重改善信噪比分析知，鉴频器输出噪声功率谱密度与成正比，故噪声中高频分量功率大。在解调后用滚降特性的去加重网络，可减小噪声。 可改善 6 各种模拟调制系统性能比较有关结论如下：类别BGSo/NoG、So/No成立的条件AM2fH正弦基带信号，相干解调或工作在门限以上的包络检波解调DSB2fH2相干解调SSBfH1相干解调VSBfH2fH-FM2（）=2（mf +1）fH正弦基带信号，鉴频器工作在门限以上 性能比较: 可靠性 优劣:FM，SSB（DSB），AM 有效性 优劣:SSB，VSB，AM（DSB），FM VSB的可靠性，无分析结论。 虽然 GSSB=1，GDSB=2，但两者输出信噪比相同。因BDSB=2BSSB ， 故，两者抗噪性能相同。 FM与AM抗噪性能比较:mA=1时 SAM(t)=A(1+cosmt)cosct 即 以带宽换取信噪比当Si /n0相同时，由于BFMBAM，调频系统的输出信噪比大于调幅系统的输出信噪比，即调频系统丢失的信源信息量少，它的信道容量大于调幅系统。48频分复用（FDM）复用：若干独立的信号在同一信道中传送，可提高信道利用率。复用 一 、频分复用原理FDM：是对信道进行频域分割，每路信号占一个频段，接收端用滤波器将多路信号分开，分别解调和终端处理。 优点：信道利用率高缺点：设备复杂。（要大量的调制器、解调器、滤波器） 抗干扰性能差（有路际干扰）二、 多级调制。 目 的：减少载频数量、部件类型，并使滤波器制作容易。多级调制：在一个复用系统内，对同一基带信号进行两次或两次以上同种方式的调制。 两级单边带调制复用系统只用7种载频，7种类型滤波器。若用单级调制：则要12种载频，12种滤波器。三、 复合调制两种或两种以上的调制方式形成的复用系统。SSB/FM复合调制系统49 模拟通信系统的应用举例一 载波电话系统1 载波电话：在一对传输线上同时传输多路模拟电话，使用SSB的FDM方式，其设备（载波机）用于长途通信。2 系统模型：多路载波电话分群等级二 调幅广播调幅广播采用常规调幅方式中波载频 535kHz-1605kHz 自由空间传播 地区性广播短波载频 3.9MHz-18MHz 电离层反射 数千公里调制信号最高频电台间隔 三 调频广播1 单声道调频广播调频广播载频87MHz-108MHz频带 电台间隔 200kHz2 双声道立体声调频广播（1） 调制：（2） 解调：四 广播电视1 标准频道 载频范围49。75MHZ-951。25MHZ 2 伴音调频调制信号最高频最大频偏 调频信号带宽 双边带发射3 图像调幅调制信号带宽 06MHz用残留边带发射方式4 电视信号频谱五 卫星直播电视1图像传输。调频 。