通信原理CH模拟角调制学习教案VIP

1、会计学1通信原理通信原理(yunl)CH模拟角调制模拟角调制第一页，共78页。第1页/共78页第二页，共78页。第2页/共78页第三页，共78页。载波载波(zib)信信号：号：)cos()(cos)(cctAtAtc频率调制频率调制相位调制相位调制第3页/共78页第四页，共78页。n上式表示，在相位调制中瞬时频率随调制信号的导函数线性地变化。)()(00tfKttPM)(cos)(00tfKtAtSPMPM)(t)0tfdtdKPMi（第4页/共78页第五页，共78页。)()(0tfKtFMi000)()()(dttfKtdtttFMi)(cos)(00dttfKtAtSFMFM第5页/共78

2、页第六页，共78页。( )PMKf t PMK：相移常数( )( )PMootKf t为起始相位( )cos( )PMcPMStAw tKf t第6页/共78页第七页，共78页。( )FMwKf tFMK：频移常数( )( )( )FMcdtw tKf twdt( )( )cFMtwdtw tKf t dt( )cos( )FMcFMStAw tKf t dt第7页/共78页第八页，共78页。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(jin ji)调频；同样，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(jin ji)调相。d()dtm(t)

3、gFMsPM(t)(b)PMsPM(t)m(t)(a) ()d tm(t)gPMsFM(t)(b)FMsFM(t)m(t)(a)第8页/共78页第九页，共78页。tAtfmmcos)(tMtAtAKtAtSmPcmmPMcPMcoscoscoscos)( 其中，其中， 叫调相指数，代表叫调相指数，代表(dibio)调相波的最大调相波的最大相位偏移相位偏移mPMPAKMmPMpmPMAKtfKmaxmax)()(第9页/共78页第十页，共78页。tMtAtAKtAdAKtAtSmfcmmmFMcmmFMtcFMsincossincoscoscos)(其中其中(qzhng)， 叫调频指数，代表调频

4、波的最大相叫调频指数，代表调频波的最大相位偏移位偏移FMmmFMfAKM调频调频(dio pn)波最大频率偏移：波最大频率偏移：mFMFMAKtfKmaxmax)(则则 （最大频偏最大频偏与与调制信号调制信号角频率之比）角频率之比）mfMmax第10页/共78页第十一页，共78页。mfMmaxmaxmPMpAKM当当 Am一定，一定， m由小增大时：由小增大时： FM 中的中的 max不变，而不变，而 Mf 则成反比地减小。则成反比地减小。 PM 中的中的 Mp 不变，而不变，而 max 呈正比呈正比(zhngb)地增加。地增加。mpMmaxFMPM第11页/共78页第十二页，共78页。调频波

5、和调相波的主要参数调频波和调相波的主要参数 频率调制频率调制 相位调制相位调制 已调信号已调信号 S( )Acos( )FMFtt S( )Acos( )PMptt 瞬时角频率瞬时角频率 0( )( )FFMtKf t 0( )( )/pPMtKdf tdt 瞬时瞬时相位相位偏移偏移 0( )( )tFMFMtKfd ( )( )PMPMtKf t 瞬时相位瞬时相位 M0 0( )( )tFcFMttKfd PM0( )( )cPMttKf t 最大最大频率偏移频率偏移 max( )FMKf tmax max( )PMdf tKdtmax 最大最大相位偏移相位偏移 0max( )tFMKfdm

6、ax max( )PMKf tmax 调制指数调制指数 （单音调制）（单音调制） fMmaxm pPMmMKA 第12页/共78页第十三页，共78页。nmmFfAKmnmcmcfnFMnn)m(JA)(S第13页/共78页第十四页，共78页。第14页/共78页第十五页，共78页。 (1) (1)单音调频信号的频谱由载波分单音调频信号的频谱由载波分量和无数量和无数(wsh)(wsh)对边频分量所组成对边频分量所组成( (已已不是调制信号频谱的不失真搬移不是调制信号频谱的不失真搬移) )。其。其中，中，n n 为奇数的上、下边带分量的振幅为奇数的上、下边带分量的振幅相等，极性相反；而相等，极性相反

7、；而 n n 为偶数的上、为偶数的上、下边频分量的振幅相等，极性相同。下边频分量的振幅相等，极性相同。 (2) (2)载波和各边频分量的振幅均随载波和各边频分量的振幅均随 Mf Mf 而变化。当而变化。当 Mf = 2.40 Mf = 2.40，5.525.52，8.658.65时，载波分量振幅等于零；而当时，载波分量振幅等于零；而当 Mf Mf 为某些其它特定值时，又可使某些为某些其它特定值时，又可使某些边频分量振幅等于零。边频分量振幅等于零。第15页/共78页第十六页，共78页。 调角调角(dio jio)信号的频带宽度信号的频带宽度1、一个调角信号除了载波频率、一个调角信号除了载波频率

8、以外，还包含无穷多以外，还包含无穷多的边频，相邻边频之间的频率间隔仍是的边频，相邻边频之间的频率间隔仍是 。第。第n条谱线条谱线与载频之差为与载频之差为 。可见，其。可见，其频谱无限宽频谱无限宽！ 2、每一个分量的幅度等于、每一个分量的幅度等于AmJn(mf)，而，而Jn(mf)由贝塞尔由贝塞尔函数决定。函数决定。 3、贝塞尔函数的特点：当阶数、贝塞尔函数的特点：当阶数nmf +1时，时，Jn(mf)的数值的数值随着随着n的增加而迅速减小。实际上可认为的增加而迅速减小。实际上可认为n= mf +1，即高，即高低边频的总数为低边频的总数为2n=2 (mf +1)，则调频波的频谱有效宽，则调频波的

9、频谱有效宽度为度为2 (mf +1) m ，即频带宽度：，即频带宽度： BFM= 2 (mf +1) m 卡森公式卡森公式c m mn 第16页/共78页第十七页，共78页。mFJ0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10J11J12J13J140.0010.250.980.120.500.940.240.031.000.770.440.110.021.500.510.560.230.060.012.000.220.580.350.130.032.400.000.520.430.200.060.022.50-.050.500.450.220.070.020.013.00-.260.340.4

10、90.310.130.040.014.00-.40-.070.360.430.280.130.050.025.00-.18-.330.050.360.390.260.130.050.025.450.00-.34-.120.260.400.320.190.090.030.016.000.15-.28-.240.110.360.360.250.130.060.027.000.300.00-.30-.170.160.350.340.230.130.060.028.000.170.23-.11-.29-.100.190.340.320.220.130.060.038.650.000.270.06-.2

11、4-.230.030.260.340.280.180.100.050.029.00-.090.250.14-.18-.27-.060.200.330.310.210.120.060.030.0110.0-.250.050.250.06-.22-.23-.010.220.320.290.210.120.060.030.01对于某一固定(gdng)的 ，有如下近似关系：Fm10)(FFnmnmJ忽略(hl)了小于 0.1的分量。注意：载频注意：载频(zi pn)分量有可能小于旁频分分量有可能小于旁频分量。量。第17页/共78页第十八页，共78页。 由于调频和调相的幅度不变，则调角波在调制后由于调频

12、和调相的幅度不变，则调角波在调制后总功率不变，只是将原来载波功率中的一部分转入边总功率不变，只是将原来载波功率中的一部分转入边频中。载波成分的系数频中。载波成分的系数Jo(mf)小于小于1，表示载波功率，表示载波功率减少减少(jinsho)了。因此调制过程不需要外界供给边了。因此调制过程不需要外界供给边频功率，只是高频信号本身载频功率与边频功率的重频功率，只是高频信号本身载频功率与边频功率的重新分配。新分配。mf =1: 宽带调频（无穷级贝塞尔函数）宽带调频（无穷级贝塞尔函数） BFM= 2 (mf +1)fm =2(fmax+fm)mf 1: BFM= 2fmax调相信号(xnho)同理第1

13、8页/共78页第十九页，共78页。fcfc+fmfc+2fmf第19页/共78页第二十页，共78页。重要结论：重要结论： 从所占频带的利用率来讲，调相波不如调频波好。因为实际的调制信号包含有许多的频率成份，调相波所占的频带变化就很大，而载频的选取和对发射机、接收机通频带的要求又是根据频带最宽的情况而定，这对于调制频率低的情况，显然从所占频带的利用率来讲，调相波不如调频波好。因为实际的调制信号包含有许多的频率成份，调相波所占的频带变化就很大，而载频的选取和对发射机、接收机通频带的要求又是根据频带最宽的情况而定，这对于调制频率低的情况，显然(xinrn)不经济。因此，不经济。因此，PM一般只作为产

14、生一般只作为产生FM的一种间接手段。的一种间接手段。(将基带信号积分再进行将基带信号积分再进行PM调制调制)第20页/共78页第二十一页，共78页。第21页/共78页第二十二页，共78页。n(3)当调制(tiozh)信号频率fm 加倍时，fm =20KHznMf=2(fm+fmax)=2(20KHz+10KHz)=60KHzn(4)峰值频偏减为1KHz，fmax=1KHzn (1) BFM=22KHz (2) BFM=24KHz (3) BFM=42KHz第22页/共78页第二十三页，共78页。求调制信号波，且）若它是（求调制信号波，且）若它是（已知某调角波表达式)(,/4PM2);(,/20

15、00FM1(V) 102cos10102cos10)(PMFM36tmVradKtmVHzKtttSmsradMKHzfsradradMMHzfsradVAmmmcc/102102101 ,/10210 ,101 ,/1021043max3max6第23页/共78页第二十四页，共78页。)(102sin(5)(.)102sin()(,)102cos()()(54000102K )/(4000/2000K )/(K),(/K) 1 (3334maxVttmttttVAVsradVHzVsradtmFMFMmFMFMFM形式具有故形式具有单位为因而定义为波中，在第24页/共78页第二十五页，共78

16、页。)(102cos(5 . 2)()(5 . 2410K )2(3VttmVMAPMm第25页/共78页第二十六页，共78页。max6|窄带调制条件：最大瞬时相移：宽带调制)(sinsin)(coscos)(cos)(dttfKtwAdttfKtwAdttfKtwAtSFMcFMcFMcFM展开 同相分量同相分量正交分量正交分量第26页/共78页第二十七页，共78页。窄带(zhi di)调频n前提条件n时域表达式max6|( )|FMKf t dt同相分量(fn ling)正交分量(fn ling)窄带近似1dttfKFM)( )cos( ) sinNBFMcFMcStAw tAKf t d

17、tw t第27页/共78页第二十八页，共78页。( )cos( ) sinNBFMcFMcStAw tAKf t dtw t)()(21)()()()()(2)()()()()(21sin)(0)( )()()(sin)()(cos)(ccccAMccccFMccNBFMcccccjFccccccFFASFFAKASFFtdttftfdttfjtt）的均值为（设第28页/共78页第二十九页，共78页。ttfAKtAtScPMcNBPMsin)(cos)(|Kpmf(t)|/6第29页/共78页第三十页，共78页。第30页/共78页第三十一页，共78页。电路简单，性能良好(lingho)，频偏较

18、大，问题：载频fc发生飘移，需附加稳频电路 VCO一般为LC、RC振荡器m(t)VCOdt) t (mKtcosAFc第31页/共78页第三十二页，共78页。tdttfKttScFcNBFMsin)(cos)(第32页/共78页第三十三页，共78页。滤除直流成分后可得到一个新的调频信号， 其载频和相位偏移均增为2倍，由于相位偏移增为2倍，因而调频指数(zhsh)也必然增为2倍。同理，经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数(zhsh)增为n倍。 )()(2tastsio倍频器可以用非线性器件实现(shxin)，然后用带通滤波器滤去不需要的频率分量。平方(pngfng)律)(cos)(ttAt

19、sci若)(22cos121)(2ttaAtsco则第33页/共78页第三十四页，共78页。tdttfAKtAtScFMcNBFMsin)(cos)(1)(cos)()(sin)(sinsin)(coscos)(dttfKdttfKdttfKdttfKtAtfKtAtSFMFMFMFMcFMcFM( )6FK m t dt当ttcosAtScm）（）（dttfKtFM)()(第34页/共78页第三十五页，共78页。)()(2)()()()()(21sin)(0)( )()()(sin)()(cos)(ccccFMccNBFMcccccjFccccccFFAKASFFtdttftfdttfjtt

20、）的均值为（设tdttfAKtAtScFMcNBFMsin)(cos)(第35页/共78页第三十六页，共78页。)()(2)()()(ccccFMccNBFMFFAKAS)()(21)()()(0ccccAMFFAS w SNBFM (w) -wc wc 两者都含有一个载波和位于 处的两个边带，所以它们的带宽相同( )。不同的是，NBFM的两个边频分别乘了因式 和 ，频率加权的结果引起调制信号频谱的失真。另外，有一边频和AM反相。 cHfB2)/(1c)/(1c第36页/共78页第三十七页，共78页。则NBFM信号(xnho)为下面(xi mian)以单音调制为例。 设调制信号ttKAtttK

21、AttfKttsmcmcmFMmccmmFMmcctFMcNBFM)cos()cos(2cossinsincossind)(cos)(tAtfmmcos)(第37页/共78页第三十八页，共78页。AM信号(xnho)为ttAtttAtttAtsmcmcmccmmccmmAM)cos()cos(2coscoscoscoscoscos1)(在AM中，两个边频的合成矢量与载波同相，只发生幅度变化；而在NBFM中，由于下边频为负，两个边频的合成矢量与载波则是正交相加，因而NBFM存在相位变化， 当最大相位偏移远小于/6时， 幅度基本(jbn)不变。这正是两者的本质区别。第38页/共78页第三十九页，共

22、78页。sAM()OmmF()OcmccmcmccmsNBFM()Ocmccmcmccm第39页/共78页第四十页，共78页。矢量图分析(fnx)n常规(chnggu)调幅n窄带调频 wc Am/2 -wm wm 2A2A2A2mmA最小：最大： wc Am/2 -wm wm 主要表现在相位的变化幅度有变化第40页/共78页第四十一页，共78页。( )cos( )cos( )sincosNBPMcPMcPMcStAt Kf tAt AKf tt)()(2)()()(ccPMccNBPMFFjAKAS第41页/共78页第四十二页，共78页。第42页/共78页第四十三页，共78页。微分微分(wi

23、fn)包络检波包络检波LPF信号信号(xnho)tfcFMfKtAtsd)(cos)(tfcfcdfKttfKAtsd)(sin)()()()(tmKKtmfdo第43页/共78页第四十四页，共78页。)()()()()(cos)()(cos)(tfKKtudttuKdttfKffdttuKtUtudttfKtAtuVFMccvFMHncvcooFMci时，当锁相后第44页/共78页第四十五页，共78页。ttccsin)(tdfKAtAtsctcNBFMsin)(cos)(FMdfKAtstd)(2)(FM)(2)(FMtfKAtSo第45页/共78页第四十六页，共78页。调频信号的解调有相干

24、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(xtng)的主要解调方式。sFM(t)带通n(t)si(t)鉴频ni(t)低通mo(t)解调器no(t)限幅第46页/共78页第四十七页，共78页。2222iiioFMioFMASSANn BNn B tFMcFMdfKtttAtS)(cos)(，)(cos)()(tttVtnci第47页/共78页第四十八页，共78页。 )(cos)()(cos)()(tttVttAtntSScciFMit )(costttVc )(?t 第48页/共78页第四十九页，共

25、78页。 信号矢量信号矢量11cos)(cos attAc矢量矢量(shling)合成图合成图a a2 2a a1 1a a 1 1C CB B任意参考基线任意参考基线O O 2 2 2 2- - 1 1 - - 1 1a a2 2噪噪声声矢矢量量22cos)(cos)( atttVc 合合成成波波矢矢量量 coscoscos221aaa ?1 第49页/共78页第五十页，共78页。)t () t (cos) t (VA)t () t (sin) t (Varctan) t (t) t (tcc )()(sin)()()(ttAtVtt dttdnAdttddttdtVdo)(21)(21)(

26、21)( tV0dttd)(21 鉴频鉴频特性特性 )()(sin)()(21,)(tttVtAddndttdntn其中 2224tfKSFo tfKtFM21S0第50页/共78页第五十一页，共78页。)()(sin)()(tttVtdn )(sin)()(tttVtcin FMidBntntn022 2,0FMsfnfPB mmmffAndffPAN233002201241 2,202204FMBffnPfPHfs f f m -f m 2FMB 2FMB 第51页/共78页第五十二页，共78页。 )42( 302023022200mFMiimFfnABnANSntfKANS cos 2

27、| )(|)(M3 2| )(|)(M3)()| )(|3( 4)(38)(3022max22022max2202222maxmax02222232022222tAtfiffBBnAtftffnAtftffnftftfffnftfKfnAtfKmmFMFMfmfmAmmAmFmFmfiifffBNSFM) 1M(21MM321MM3200ffiiFMNSNSG第52页/共78页第五十三页，共78页。例设调频与调幅信号均为单音调制，调制信号频率为fm，调幅信号为100%调制。当两者的接收功率Si相等， 信道噪声功率谱密度(md)n0相同时，比较调频系统与调幅系统的抗噪声性能。 解：FM的输出信噪

28、比为AM的输出(shch)信噪比为FMiFMFMiiFMFMBnSGNSGNS000AMiAMAMiiAMAMBnSGNSGNS0000220003(1)2922(1)23ffFMAMmFMfAMFMmfAMSMMNGBfMSGBfMN第53页/共78页第五十四页，共78页。 由此可见，在高调频指数时，调频系统的输出信噪比远大于调幅系统。例如，mf=5 时，宽带调频的So/No是调幅时的112.5倍。这也可理解成当两者输出信噪比相等时，调频信号的发射功率可减小到调幅信号的1/112.5。 应当指出，调频系统的这一优越性是以增加传输带宽(di kun)来换取的。 AMfmfFMBmfmB) 1(

29、) 1(2第54页/共78页第五十五页，共78页。200005 . 4)/()/(AMFMAMFMBBNSNS 这说明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。这就意味着，对于调频系统来说，增加传输带宽就可以改善抗噪声性能。调频方式的这种以带宽换取信噪比的特性是十分有益的。在调幅制中，由于信号带宽是固定的， 无法进行带宽与信噪比的互换，这也正是在抗噪声性能方面(fngmin)调频系统优于调幅系统的重要原因。 AMfFMBmB:1fm第55页/共78页第五十六页，共78页。7060504030201001020304050FM:m m=6 6 m=3DSB/SSBAM 00NS

30、 biBnS0dBdB第56页/共78页第五十七页，共78页。2. 小信噪比情况与门限效应小信噪比情况与门限效应 应该应该(ynggi)指出，以上分析都是在指出，以上分析都是在(Si/Ni)FM足够大的条件下进行的。当足够大的条件下进行的。当(Si/Ni)FM减小到一定程减小到一定程度时，解调器的输出中不存在单独的有用信号项，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，因而信号被噪声扰乱，因而(So/No)FM急剧下降。这种急剧下降。这种情况与情况与AM包检时相似，我们称之为门限效应。出包检时相似，我们称之为门限效应。出现门限效应时所对应的现门限效应时所对应的(Si/Ni)FM

31、值被称为门限值（值被称为门限值（点），记为点），记为(Si/Ni)b。 第57页/共78页第五十八页，共78页。第58页/共78页第五十九页，共78页。非相干(xinggn)解调的门限效应6050403020100051015202010743FM2( )FM / dBSiNi( )FM / dBS0N01)Mf不同，门限值不同。Mf越大，门限点( S i / N i ) b 越 高 。(Si/Ni)FM(Si/Ni)b时， ( S o / N o ) F M 与(Si/Ni)FM呈线性关系，且Mf越大，输出信噪比的改善越明显。2)(Si/Ni)FM(Si/Ni)b时，(So/No)FM将随(

32、 S i / N i ) F M 的 下 降(xijing)而急剧下降(xijing)。且Mf越大，(So/No)FM下降(xijing)得越快，甚至比DSB或SSB更差。 第59页/共78页第六十页，共78页。这表明，FM系统以带宽换取输出信噪比改善并不是无止境的。随着(su zhe)传输带宽的增加（相当Mf加大），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。 希望在接收到最小信号功率时仍能满意地工作，这就要求门限点向低输入信噪比方向扩展。第60页/共78页第六十一页，共78页。调制方式信号带宽制度增益设备

33、复杂度主要应用DSB2中等较少应用SSB1复杂短波无线电广播，话音频分多路VSB略大于 近似SSB近似SSB复杂商用电视广播AM2/3简单中短波无线电广播FM中等超短波小功率电台(窄带FM)，微波中继，调频立体声广播(宽带FM)各种模拟调制方式(fngsh)的性能mffm) 1(2) 1(32ffmmmfmiffnSm0223mifnS031mifnS0mfooNSmf2mifnS0mf2第61页/共78页第六十二页，共78页。“低压低压”提高了的高频分量，采用提高了的高频分量，采用低通特性网络。低通特性网络。鉴频器输出端加入一个具有低通特性鉴频器输出端加入一个具有低通特性(但截止特性但截止特

34、性)(0nPmf)(20mnfP00/ NS)(fHd第62页/共78页第六十三页，共78页。mf)(0nP)(fH)(fHd)(fHd第63页/共78页第六十四页，共78页。1)()(fHfHd第64页/共78页第六十五页，共78页。I0000/ NNISSmmmmffnoffnodffHfPdffPI2)()()(即20)(nfPno第65页/共78页第六十六页，共78页。n预加重(jizhng)网络-高通滤波器n去加重(jizhng)网络-低通滤波器第66页/共78页第六十七页，共78页。n增益：n用于恒量系统加重后对噪声性能的改善程度，用加重与不加重的系统输出信噪比来表示，记为n例子：调频广播，f m=15kHz，f 1=2.1kHz，采用加重和去加重的信噪比改善约为13dB。n衰减(shui jin)因子n调频广播， f m=15kHz， f 1=2.1kHz，K为-7dB。采用加重和去加重得到的实际信噪比改善约为6dB。)arctan()()(311131ffffffNNmmmoo)(