第二章_模拟调制系统

1、第二章第二章 模拟调制系统模拟调制系统2.1 调制的功能及分类调制的功能及分类2.2 幅度调制的原理幅度调制的原理2.3 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能2.4 角度调制的原理角度调制的原理2.5 非线性调制系统的抗噪声性能非线性调制系统的抗噪声性能2.6 各种模拟调制系统的比较各种模拟调制系统的比较2.1 调制的功能及分类调制的功能及分类 调制调制是指按原始电信号的变化规律去改变载波某些参量是指按原始电信号的变化规律去改变载波某些参量的过程。调制在通信过程中具有十分重要的作用，不仅能将的过程。调制在通信过程中具有十分重要的作用，不仅能将调制信号的调制信号的频谱搬移频谱搬移到所

2、希望的位置上，转换为适合信道传到所希望的位置上，转换为适合信道传输的已调信号；而且对于系统传输的输的已调信号；而且对于系统传输的有效性有效性和和可靠性可靠性有着很有着很大的影响。大的影响。 调制方式往往决定了通信系统的性能，通常可分为调制方式往往决定了通信系统的性能，通常可分为模拟模拟调制调制和和数字调制数字调制。 ）角度调制（调频、调相角度调制（调频、调相幅度调制幅度调制）角度调制（调频、调相角度调制（调频、调相幅度调制幅度调制数字调制数字调制模拟调制模拟调制调制调制2.2 幅度调制的原理幅度调制的原理 幅度调制幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按是用调制信号去控制高频载波的振幅

3、，使其按调制信号的规律而变化的过程。幅度调制器的一般模型如图调制信号的规律而变化的过程。幅度调制器的一般模型如图 2-1所示。所示。图图2-1 幅度调制的一般模型幅度调制的一般模型 则该模型输出已调信号的时域和频域表示式分别为：则该模型输出已调信号的时域和频域表示式分别为：时域)(cos)()(thttmtscm频域)()()(21)(HMMSccmh(t)基带信号基带信号m(t)sm(t)Cosct 此为高频载波此为高频载波 由以上表示式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的由以上表示式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号的规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全幅度随基带信号

4、的规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为性的，因此幅度调制通常又称为线性调制线性调制。 图图2-1之所以称为幅度调制的一般模型，是因为在该模型之所以称为幅度调制的一般模型，是因为在该模型中，适当选择滤波器的频率特性中，适当选择滤波器的频率特性H()，便可以得到各种幅度调，便可以得到各种幅度调制信号。例如：制信号。例如：常规双边带调制信号常规双边带调制信号、抑制载波的双边带调制抑制载波的双边带调制信号信号、单边带调制信号单边带调制信号以及以及残留边带调制信号残留

5、边带调制信号。 )(cos)()(mthttmtsc )()()(21)(m HMMScc 2.2.1 常规双边带调制（常规双边带调制（AM） 图图2-2 常规双边带调制模型常规双边带调制模型 如图如图2-2所示，调制信号所示，调制信号m(t)先叠加直流分量先叠加直流分量A0以后，再与以后，再与载波相乘，则输出信号就是载波相乘，则输出信号就是常规双边带调制信号常规双边带调制信号，其时域和频，其时域和频域表示式分别为：域表示式分别为：m(t)sAM(t)A0+cosctttmtAttmAtsccc cos)(coscos)()(00AM )()()(0AMccAS )()(21ccMM 图图2-

6、3 AM信号的波形和频谱信号的波形和频谱m(t)OtA0 m(t)OtOOttcosc(t)sAM(t)1M()A0HHccA0SAM()0210 由图由图2-3的时间波形可知，当满足条件：的时间波形可知，当满足条件：|m(t)|max A0 时，时，AM信号的包络与调制信号成正比，所以用信号的包络与调制信号成正比，所以用包络检波包络检波就可以很就可以很容易的恢复出原始的调制信号；容易的恢复出原始的调制信号；否则否则，将会出现过调幅现象而，将会出现过调幅现象而产生包络失真，这时不能用包络检波进行解调，为保证无失真产生包络失真，这时不能用包络检波进行解调，为保证无失真解调，可以采用解调，可以采用

7、相干解调相干解调。 由图由图2-3的频谱图可知，的频谱图可知，AM信号的频谱信号的频谱SAM()由由载频分量载频分量和和上、下两个边带上、下两个边带组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号是带有信号是带有载波的双边带信号，它的载波的双边带信号，它的带宽带宽是基带信号带宽是基带信号带宽fH的两倍，即的两倍，即BAM = 2fH。 AM信号的信号的平均功率平均功率应等于应等于sAM(t)的均方值，即：的均方值，即： 通常假设调制信号没有直流分量，即通常假设调制信号没有直流分量

8、，即 。此外，。此外， 式中，式中，Pc为为载波功率载波功率，Ps为为边带功率边带功率。ttmAtsPc 2202AMAMcos)()( ttmAttmtAccc 2022220cos)(2cos)(cos 0)( tm）（ttcc 2cos121cos2 scPPtmAP 2)(2220AM小结：小结： AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分，只有信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分，只有边带功率才与调制信号有关，也就是说，载波分量不携带信边带功率才与调制信号有关，也就是说，载波分量不携带信息。即使在息。即使在“满调幅满调幅”（|m(t)|max = A0，也称，也称100调制）条

9、调制）条件下，载波分量仍占据大部分功率，而含有用信息的两个边件下，载波分量仍占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有的功率较小。因此，从功率上讲，带占有的功率较小。因此，从功率上讲，AM信号的功率利用信号的功率利用率比较低率比较低。)()(2202AMAMtmAtmPPPPPscss 调调制制效效率率：2.2.2 抑制载波的双边带调制（抑制载波的双边带调制（DSB - SC） 图图2-4 抑制载波的双边带调制模型抑制载波的双边带调制模型 如图如图2-4所示，调制信号所示，调制信号m(t)直接与载波相乘，则输出信号直接与载波相乘，则输出信号就是无载波分量的双边带调制信号，即就是无载波分量的双边

10、带调制信号，即抑制载波的双边带调制抑制载波的双边带调制信号信号，其时域和频域表示式分别为：，其时域和频域表示式分别为：m(t)sDSB(t)cosctttmtsc cos)()(DSB )()(21)(DSBccMMS 图图2-5 DSB信号的波形和频谱信号的波形和频谱cos0tOttOm(t)sDSB(t)OtOccM()OHHSDSB()Occ载波反相点2H 由图由图2-5的时间波形可知，的时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，而需要采用信号，而需要采

11、用相干解调相干解调。另外，在调制信号。另外，在调制信号m(t)的过零点的过零点处，高频载波的相位有处，高频载波的相位有180 的突变。的突变。 由图由图2-5的频谱图可知，的频谱图可知，DSB信号虽然节省了载波功率，信号虽然节省了载波功率，功率利用率得到提高功率利用率得到提高，但它的，但它的频带宽度频带宽度仍是调制信号带宽的两仍是调制信号带宽的两倍，即倍，即BAM = 2fH，与，与AM信号带宽相同。信号带宽相同。scPtmttmtsP 2)(cos)()(2222DSBDSB 1DSBDSB PPs 2.2.3 单边带调制（单边带调制（SSB） 由于由于DSB信号包含上、下两个边带，同时这两

12、个边带包含信号包含上、下两个边带，同时这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度考虑，只传输其中一个的信息相同，因而，从信息传输的角度考虑，只传输其中一个边带就够了。这种只传输一个边带的通信方式称为边带就够了。这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信单边带通信。相应的，只产生一个边带的调制方式称为相应的，只产生一个边带的调制方式称为单边带调制单边带调制，SSB信信号的产生方法通常有号的产生方法通常有滤波法滤波法和和相移法相移法。 1. 滤波法滤波法 产生单边带信号最直观的方法是让双边带信号通过一个单产生单边带信号最直观的方法是让双边带信号通过一个单边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除

13、不要的边带，这种边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带，这种方法就称为方法就称为滤波法滤波法，它是，它是最简单最简单也是也是最常用最常用的方法。的方法。)()()(SSBDSBSSB HSS 图图2-6 滤波法产生滤波法产生SSB信号的模型信号的模型 如图如图2-6所示，图中所示，图中HSSB()为单边带滤波器，其具有两种为单边带滤波器，其具有两种形式，即形式，即上边带滤波器上边带滤波器和和下边带滤波器下边带滤波器。 单边带滤波器从理论上来说应具有理想的低通或高通特性，单边带滤波器从理论上来说应具有理想的低通或高通特性，但是理想的滤波特性是不可能实现的。因此，通常采用但是理想的滤波特

14、性是不可能实现的。因此，通常采用多级滤多级滤波波来保证滤波器的实现。来保证滤波器的实现。 ccccHH 01)(01)(LSBUSBHSSB()m(t)sSSB(t)cosct图图2-7 产生产生SSB信号的单边带滤波器信号的单边带滤波器-(a)高高通滤波器通滤波器 （b）低通滤波器）低通滤波器图图2-8 滤波法产生滤波法产生SSB信号的频谱变换信号的频谱变换M()HHSM()ccOO 上边带 下边带 下边带 上边带ccO上边带频谱Occ下边带频谱 2. 相移法相移法图图2-9 相移法产生相移法产生SSB信号的模型信号的模型 上式中，上式中， “”对应对应上边带信号上边带信号；“”对应对应下边

15、带信号下边带信号。2 )(H H)(21tm)(21tm)(SSBtsttmc cos)(21ttmc sin)(21tc costc sinttmttmtscc sin)(21cos)(21)(SSB 从理论上讲，用相移法可以无失真的产生单边带信号，但从理论上讲，用相移法可以无失真的产生单边带信号，但是具体实现起来非常困难。一方面要求是具体实现起来非常困难。一方面要求载波载波的的/2相移必须相移必须十分稳定和准确；另一方面要求对十分稳定和准确；另一方面要求对调制信号调制信号m(t)的所有频率分的所有频率分量都必须相移量都必须相移/2，这一点即使近似达到也很困难。为解决，这一点即使近似达到也很

16、困难。为解决这个难题，可以采用这个难题，可以采用混合法（也叫维弗法）混合法（也叫维弗法）。 总之，总之，SSB信号不但可以节省载波功率，而且它所占用的信号不但可以节省载波功率，而且它所占用的频带宽度只有频带宽度只有AM、DSB的一半，即的一半，即BSSB = fH。因此，它已经。因此，它已经成为短波通信中的一种重要调制方式。成为短波通信中的一种重要调制方式。 同时，同时，SSB信号的解调和信号的解调和DSB信号一样不能采用简单的包信号一样不能采用简单的包络检波，而需要采用络检波，而需要采用相干解调相干解调。4)(212DSBSSBtmPP 2.2.4 残留边带调制（残留边带调制（VSB） 图图

17、2-10 残留边带调制模型残留边带调制模型 残留边带调制残留边带调制是介于是介于SSB与与DSB之间的一种调制方式，它之间的一种调制方式，它既克服了既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现信号实现困难的问题。困难的问题。 残留边带调制通常采用残留边带调制通常采用滤波法滤波法来实现。如图来实现。如图2-10所示，图所示，图中中HVSB()为残留边带滤波器。为残留边带滤波器。 HVSB()m(t)sVSB(t)cosct)()()(VSBDSBVSB HSS 在在VSB中，不是完全抑制一个边带（如同中，不是完全抑制一个边带（如同SSB那样），那样），

18、而是而是逐渐切割逐渐切割，使其残留一小部分，如图，使其残留一小部分，如图2-11(d) 所示。所示。图图2-11 DSB、SSB和和VSB信号的频谱比较信号的频谱比较M()2B2BODSB()ccO(a)(b)SSB()OccccVSB()O(c)(d) VSB信号显然也不能采用简单的包络检波，而必须采用信号显然也不能采用简单的包络检波，而必须采用相相干解调干解调。 为使相干解调时无失真的得到调制信号，残留边带滤波器为使相干解调时无失真的得到调制信号，残留边带滤波器在在载频分割处载频分割处必须具有必须具有互补对称性互补对称性，即：，即： 因此，残留边带滤波器通常具有两种形式，即因此，残留边带滤

19、波器通常具有两种形式，即残留上边带残留上边带滤波器滤波器和和残留下边带滤波器残留下边带滤波器。图图2-12 残留边带滤波器残留边带滤波器HccHH 常常数数，)()(VSBVSB图图2-13 残留边带滤波器的互补对称性残留边带滤波器的互补对称性cOcHVSB()HVSB(c)cOcHVSB(c)HVSB(c) HVSB(c)OOcc(a)(b)(c)(d)2.2.5 包络检波包络检波（AM） 图图2-14 包络检波包络检波 为使包络检波器工作在最佳状态，为使包络检波器工作在最佳状态，RC应满足：应满足： 这时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即：这时，包络检波器的输出与输入信号的包络

20、十分相近，即： 检波后的信号经过低通滤波器，滤除直流和其它高频分量，检波后的信号经过低通滤波器，滤除直流和其它高频分量，即可得到即可得到m(t)。H1 RCc)()(0otmAtm DRC2.2.6 相干解调相干解调（AM、DSB、SSB、VSB） 图图2-15 相干解调相干解调 如图如图2-15所示，解调时所使用的载波与调制载波同频同相，所示，解调时所使用的载波与调制载波同频同相，称之为称之为相干载波相干载波，相应的解调方式称为，相应的解调方式称为相干解调相干解调。相干解调的。相干解调的过程过程是将已调信号乘以相干载波，然后用低通滤波器滤除高频是将已调信号乘以相干载波，然后用低通滤波器滤除高

21、频分量，即可无失真的恢复出原始的调制信号。分量，即可无失真的恢复出原始的调制信号。 相干解调的相干解调的关键关键是相干载波的产生，如果得不到保证，将是相干载波的产生，如果得不到保证，将会对原始调制信号的恢复产生不利影响。会对原始调制信号的恢复产生不利影响。LPFsm(t)mo(t)cosct 1. AM信号的相干解调信号的相干解调 2. DSB信号的相干解调信号的相干解调ttmAttscc 20AMcos)(cos)( 滤滤除除LPFtmttmAtmAc)(2cos)(21)(21o00 ttmttscc 2DSBcos)(cos)( 滤滤除除LPFtmttmtmc)(2cos)(21)(21

22、o 3. SSB信号的相干解调信号的相干解调tttmttmttscccc cossin)(21cos)(21cos)(SSB tttmttmccc cossin)(21cos)(212 滤滤除除滤滤除除LPFLPFtmttmttmtmcc)(2sin)(412cos)(41)(41o 4. VSB信号的相干解调信号的相干解调 经过经过LPF滤波后，可得滤波后，可得输出频谱输出频谱为：为： 常数常数 )()(21cos)(VSBVSBVSBcccSStts F F)()()(21)(VSBVSB HMMScc )()()2(41)(21VSBVSBcccHMMS )()2()(41)(21VSB

23、VSBcccHMMS cos)(VSBttsc F F)()()(41)(VSBVSBoccHHMM )(4 MK 2.3 线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 前面的分析都是在没有干扰的条件下进行的，而在实际前面的分析都是在没有干扰的条件下进行的，而在实际当中，任何通信系统都避免不了干扰的影响，这里将加性干当中，任何通信系统都避免不了干扰的影响，这里将加性干扰中的扰中的起伏干扰起伏干扰作为主要研究对象。作为主要研究对象。 起伏干扰根据其物理特性又可称之为起伏干扰根据其物理特性又可称之为高斯白噪声高斯白噪声。“高高斯斯”是指它的概率密度函数是高斯分布；是指它的概率密度函数是高斯分布

24、；“白噪声白噪声”是指它是指它的功率谱密度为均匀分布。的功率谱密度为均匀分布。 本节将要讨论的问题是信道中存在本节将要讨论的问题是信道中存在加性高斯白噪声加性高斯白噪声时，时， 各种线性调制系统的各种线性调制系统的抗噪声性能抗噪声性能。由于加性噪声只对已调信。由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可以用号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可以用解调解调器的抗噪声性能器的抗噪声性能来衡量。来衡量。2.3.1 解调器抗噪声性能分析模型解调器抗噪声性能分析模型 图图2-16 解调器抗噪声性能分析模型解调器抗噪声性能分析模型 sm(t)：已调信号；：已调信号； n(t)

25、：高斯白噪声；：高斯白噪声； BPF：带通滤波器（滤除已调信号频带以外的噪声）；：带通滤波器（滤除已调信号频带以外的噪声）； ni(t)：高斯窄带噪声，：高斯窄带噪声， ； mo(t)：解调器输出的有用基带信号；：解调器输出的有用基带信号； no (t)：解调器输出的噪声。：解调器输出的噪声。 BPFsm(t)n(t)+解调器解调器sm(t)ni(t)mo(t)no(t)相加器表示信道；相加器表示信道；BPF的带宽为的带宽为B。ttnttntncc sin)(cos)()(sci 评价一个通信系统质量的好坏，最终是要看解调器的输评价一个通信系统质量的好坏，最终是要看解调器的输出信噪比。只要解调

26、器输出端的出信噪比。只要解调器输出端的有用信号和噪声能够分开有用信号和噪声能够分开，输出信噪比就能确定。影响输出信噪比的因素是调制方式和输出信噪比就能确定。影响输出信噪比的因素是调制方式和解调方式。因此，解调方式。因此，输出信噪比输出信噪比可以用来衡量可以用来衡量相同调制方式相同调制方式解解调器的抗噪声性能，其定义为：调器的抗噪声性能，其定义为： 另外，还用另外，还用信噪比增益信噪比增益G来衡量来衡量不同调制方式不同调制方式解调器的抗解调器的抗噪声性能，其定义为：噪声性能，其定义为：)()(2i2miitntsNS 功功率率解解调调器器输输入入噪噪声声的的平平均均平平均均功功率率解解调调器器输

27、输入入已已调调信信号号的的iiooNSNSG )()(2o2oootntmNS 功率功率解调器输出噪声的平均解调器输出噪声的平均平均功率平均功率解调器输出有用信号的解调器输出有用信号的2.3.2 线性调制相干解调的抗噪声性能线性调制相干解调的抗噪声性能 图图2-17 线性调制相干解调的模型线性调制相干解调的模型 如图如图2-17所示，在分析所示，在分析DSB、SSB和和VSB系统的抗噪声性系统的抗噪声性能时，图能时，图2-16分析模型中的解调器为分析模型中的解调器为相干解调器相干解调器。由于相干解。由于相干解调属于调属于线性解调线性解调，所以在解调过程中，已调信号，所以在解调过程中，已调信号s

28、m(t)和高斯窄和高斯窄带噪声带噪声ni(t)可以可以单独进行解调单独进行解调。BPFsm(t)n(t)+sm(t)ni(t)mo(t)no(t)LPFcosct相干解调器相干解调器 1. DSB调制系统的性能调制系统的性能)(21cos)()(222DSBitmttmtsSc )(41)(21)(222ootmtmtmS ttnttntncc sin)(cos)()(sci BnNtntntntnNoi2i2c2c2oo4141)(41)(41)(21)( tttnttnttncccc cossin)(cos)(cos)(sci 2sin)(2cos)(21)(21sccttnttntncc

29、 2)(iiooDSBo2oo NSNSGBntmNS故：故：LPF滤除滤除高斯白噪声的高斯白噪声的功率谱密度功率谱密度 2. SSB调制系统的性能调制系统的性能BnNNoio4141 14)(iiooSSBo2oo NSNSGBntmNS故故：22SSBisin)(21cos)(21)(ttmttmtsScc )(41 )()(81222tmtmtm )(161)(41)(222ootmtmtmS 3. VSB调制系统的性能调制系统的性能 VSB调制系统抗噪声性能的分析方法与调制系统抗噪声性能的分析方法与DSB和和SSB相似。相似。 但是，由于采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同，但是

30、，由于采用的残留边带滤波器的频率特性形状可能不同， 所以所以VSB调制系统抗噪声性能的计算是比较复杂的。但是当残调制系统抗噪声性能的计算是比较复杂的。但是当残留边带不是太大的时候，可以留边带不是太大的时候，可以近似认为与近似认为与SSB调制系统的抗噪调制系统的抗噪声性能相同声性能相同。小结：小结： 比较比较DSB调制系统和调制系统和SSB调制系统的信噪比增益可知，调制系统的信噪比增益可知，GDSB = 2GSSB，这是否能说明，这是否能说明DSB调制系统的抗噪声性能优于调制系统的抗噪声性能优于SSB调制系统？答案是否定的。调制系统？答案是否定的。 这是因为在上述讨论中，双边带已调信号的平均功率

31、是单这是因为在上述讨论中，双边带已调信号的平均功率是单边带已调信号的边带已调信号的2倍，所以两者的输出信噪比是在倍，所以两者的输出信噪比是在不同的输入不同的输入信号功率信号功率情况下得到的。如果在相同输入信号功率、相同输入情况下得到的。如果在相同输入信号功率、相同输入噪声功率谱密度和相同调制信号带宽条件下，对这两种调制方噪声功率谱密度和相同调制信号带宽条件下，对这两种调制方式进行比较，就可以发现它们的输出信噪比是相等的。式进行比较，就可以发现它们的输出信噪比是相等的。 因此，因此，DSB调制系统和调制系统和SSB调制系统的抗噪声性能相同，调制系统的抗噪声性能相同， 但双边带信号所需的传输带宽是

32、单边带信号的但双边带信号所需的传输带宽是单边带信号的2倍。倍。2.3.3 常规调幅包络检波的抗噪声性能常规调幅包络检波的抗噪声性能 图图2-18 AM包络检波的模型包络检波的模型 AM信号的解调既可采用信号的解调既可采用相干解调相干解调，也可采用，也可采用包络检波包络检波。在实际应用中，在实际应用中，AM信号常用简单的包络检波法解调。此时，信号常用简单的包络检波法解调。此时，图图2-16分析模型中的解调器为包络检波器，分析模型中的解调器为包络检波器，包络检波器的输出包络检波器的输出信号正比于输入信号的包络变化信号正比于输入信号的包络变化。需要注意的是，。需要注意的是，包络检波器包络检波器的输入

33、信号是的输入信号是sAM(t)加加ni(t)的合成包络的合成包络，即：，即：BPFsAM(t)n(t)+包包 络络检波器检波器sAM(t)ni(t)mo(t)no(t)ttnttntmAtntscc sin)(cos)()()()(sc0iAM )()()()(2s2c0tntntmAtA 1. 大信噪比情况（大信噪比情况（ ）)()(2)(2202iiooAMo2ootmAtmNSNSGBntmNS 故故：)(2121cos)()(220202AMitmAttmAtsSc )()(22ootmtmS )()()(2s2c0tntntmA )()()(2s2c0tntntmA )()()()(

34、)()(c02s2c0tntmAtntntmAtA BnNtntntnNoi2i2c2oo)()()( mo(t)no(t)包络检波器滤除包络检波器滤除）（或（或调制，即：调制，即：对于对于1)(%100AM0max Atm32222)()(22020202202AM AAAtmAtmG 2. 小信噪比情况（小信噪比情况（ ） 由以上分析可得如下结论：在由以上分析可得如下结论：在大信噪比情况大信噪比情况下，下，AM信号信号包络检波器的性能包络检波器的性能几乎与相干解调器相同几乎与相干解调器相同；但随着；但随着信噪比的减信噪比的减小小，包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应；，包络检波

35、器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应；一旦出现门限效应，解调器的一旦出现门限效应，解调器的输出信噪比将急剧恶化输出信噪比将急剧恶化。 有必要指出，用有必要指出，用相干解调相干解调的方法解调各种线性调制信号时的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应不存在门限效应。原因是信号和噪声可以分别进行解调，解调。原因是信号和噪声可以分别进行解调，解调器的输出端总是单独存在有用信号项。器的输出端总是单独存在有用信号项。)()()(2s2c0tntntmA )()()(2s2c0tntntmA )()()()()()(2s2c2s2c0tntntntntmAtA 2.4 角度调制的原理角度调制的原理 幅

36、度调制幅度调制属于属于线性调制线性调制，它是通过改变，它是通过改变载波的幅度载波的幅度，以，以实现调制信号频谱的线性搬移。一个正弦载波有幅度、频率实现调制信号频谱的线性搬移。一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量，因此，不仅可以把调制信号的信息寄托在和相位三个参量，因此，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。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。这种使高频这种使高频载波的频率或相位载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为保持恒定的调制方式，称为频率调制（频率调制（FM）和和相位调制

37、相位调制（PM），简称为调频和调相。因为频率或相位的变化都可，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。 角度调制角度调制与幅度调制不同，已调信号频谱不再是原调制与幅度调制不同，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，故又称为谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制非线性调制。2.4.1 角度调制的基本概念角度调制的基本概念 1. 角度调制信号的一般表达式角度调制信号的一般

38、表达式 其中，其中，ct + (t)为瞬时相位；为瞬时相位； (t)为为瞬时相位偏移瞬时相位偏移； dct + (t)/dt为瞬时频率；为瞬时频率； d(t)/dt为为瞬时频率偏移瞬时频率偏移。 由于频率和相位之间存在微分和积分的关系，故调频与调由于频率和相位之间存在微分和积分的关系，故调频与调相之间存在密切联系，即调频必调相，调相必调频。鉴于调频相之间存在密切联系，即调频必调相，调相必调频。鉴于调频在实际当中应用较多，这里将主要讨论频率调制。在实际当中应用较多，这里将主要讨论频率调制。)(cos)(mttAtsc 2. 相位调制相位调制 所谓所谓相位调制相位调制是指幅度和频率保持不变，而瞬时

39、相位偏移是指幅度和频率保持不变，而瞬时相位偏移(t)随调制信号随调制信号m(t)成线性变化，即：成线性变化，即： 则调相信号可表示为：则调相信号可表示为： 3. 频率调制频率调制 所谓所谓频率调制频率调制是指幅度和相位保持不变，而瞬时频率偏移是指幅度和相位保持不变，而瞬时频率偏移d(t)/dt随调制信号随调制信号m(t)成线性变化，即：成线性变化，即： 则调频信号可表示为：则调频信号可表示为：)()(PtmKt )(cos)(PPMtmKtAtsc tdmKttmKdttd )()()()(FF)(cos)(FFM tcdmKtAts 4. 相位调制和频率调制的转换相位调制和频率调制的转换 由

40、调相信号和调频信号的表达式可以看出，由调相信号和调频信号的表达式可以看出，PM和和FM非常非常相似相似，如果预先不知道调制信号，如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。已调信号是调相信号还是调频信号。 同时，由调相信号和调频信号的表达式还可以看出，如果同时，由调相信号和调频信号的表达式还可以看出，如果将调制信号先微分，而后进行调频，则可以得到调相信号，这将调制信号先微分，而后进行调频，则可以得到调相信号，这种调制方式叫做种调制方式叫做间接调相间接调相；同样，如果将调制信号先积分，而；同样，如果将调制信号先积分，而后进行调相，则可

41、以得到调频信号，这种调制方式叫做后进行调相，则可以得到调频信号，这种调制方式叫做间接调间接调频频。直接调相和间接调相如图。直接调相和间接调相如图2-19(a)所示，直接调频和间接调所示，直接调频和间接调频如频如2-19(b)所示。所示。 由于实际相位调制器的调制范围不大，所以由于实际相位调制器的调制范围不大，所以直接调相和间直接调相和间接调频接调频仅适用于相位偏移和频率偏移不大的仅适用于相位偏移和频率偏移不大的窄带调制窄带调制情况，而情况，而直接调频和间接调相直接调频和间接调相常用于常用于宽带调制宽带调制情况。情况。)(cos)(PPMtmKtAtsc 调调相相信信号号：m(t)FMsPM(t

42、)dtd)( m(t)PMsPM(t)m(t)PMsFM(t) dt)(m(t)FMsFM(t)(a)(b)图图2-19 直接和间接调相、调频直接和间接调相、调频)(cos)(FFM tcdmKtAts 调频信号：调频信号：2.4.2 窄带调频和宽带调频窄带调频和宽带调频 前面已经指出，频率调制属于前面已经指出，频率调制属于非线性调制非线性调制，其频谱结构非，其频谱结构非常复杂，难以表述。常复杂，难以表述。 但是，当但是，当最大瞬时相位偏移最大瞬时相位偏移较小时，即一般认为满足：较小时，即一般认为满足： 调相信号表达式：调相信号表达式： 可以得可以得到简化，因此可求出它的任意调制信号的频域表达

43、式。这时，到简化，因此可求出它的任意调制信号的频域表达式。这时，信号占据带宽较窄，称之为信号占据带宽较窄，称之为窄带调频（窄带调频（NBFM）。 反之，称之为反之，称之为宽带调频（宽带调频（WBFM）。)(cos)(FFM tcdmKtAts 6)(maxF tdmK 1. 窄带调频窄带调频 将将NBFM的频谱和的频谱和AM的频谱进行比较的频谱进行比较。1FFM)(cos)( AtcdmKtAts )(sinsin)(coscosFF tctcdmKtdmKt 6)(maxF tdmKtdmKttsctc sin)(cos)(FNBFM )()()(NBFMccS )()(2FccccMMK

44、)()()(0AMccAS )()(21ccMM 图图2-20 AM和和NBFM的频谱的频谱 如图如图2-20所示，所示，NBFM的频谱和的频谱和AM的频谱很相似，但也的频谱很相似，但也有重要区别。有重要区别。 相同相同的是，两者在的是，两者在c处处都有载波分量都有载波分量；而且在；而且在c两侧两侧都有两个边带，所以它们的都有两个边带，所以它们的带宽相同带宽相同，都是调制信号最高频率，都是调制信号最高频率的两倍，即：的两倍，即： 不同不同的是，的是，NBFM的两个边带分别乘了因式的两个边带分别乘了因式1/(+c)和和1/(c)，由于因式是频率的函数，所以这种加权是，由于因式是频率的函数，所以这

45、种加权是频率加权频率加权，加权的结果加权的结果引起调制信号的频谱失真引起调制信号的频谱失真；另外，有一边带和；另外，有一边带和AM的对应的对应边带反相边带反相。mmAMNBFM22fBBB 2. 宽带调频宽带调频 当不满足窄带条件时，调频信号的时域表达式不能简化，当不满足窄带条件时，调频信号的时域表达式不能简化，因而给宽带调频的频谱分析带来了困难。为使问题简化，这里因而给宽带调频的频谱分析带来了困难。为使问题简化，这里先研究先研究单频调制单频调制的情况，然后把分析的结论推广到多频情况。的情况，然后把分析的结论推广到多频情况。 设单频调制信号为：设单频调制信号为：m(t) = Amcosmt 则

46、单频调制调频信号的时域表达式为：则单频调制调频信号的时域表达式为： 调频指数调频指数)(cos)(FFM tcdmKtAts coscosmmF tcdAKtA sincosmmmFtAKtAc mmFfmfsincos AKmtmtAc 其其中中： 上式中，上式中，Jn(mf)为第一类为第一类n阶贝塞尔函数，它是调频指数阶贝塞尔函数，它是调频指数mf的函数。图的函数。图2-21给出了给出了Jn(mf)随随mf变化的关系曲线。变化的关系曲线。 从从SFM()的表达式可以看出，的表达式可以看出，调频信号的频谱包含无穷多调频信号的频谱包含无穷多个频率分量个频率分量。图。图2-22给出了某单频调制调

47、频信号的频谱。给出了某单频调制调频信号的频谱。 由于调频信号的频谱包含无穷多个频率分量，因此，由于调频信号的频谱包含无穷多个频率分量，因此，理论理论上调频信号的带宽为无限宽上调频信号的带宽为无限宽。然而，如图。然而，如图2-21所示，边频幅度所示，边频幅度Jn(mf)随着随着n的增大而逐渐减小。因此，只要的增大而逐渐减小。因此，只要选取适当的选取适当的n值值，使边频分量小到可以忽略的程度，使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号就可近似认为具有调频信号就可近似认为具有有限频谱有限频谱。sincos)(mfFMtmtAtsc )()( )()(mmfnFM nnmJASccn 根据经验认为：根据经

48、验认为：当当mf 1时，取边频数时，取边频数n=mf+1，调频信号，调频信号就可近似认为具有有限频谱就可近似认为具有有限频谱。因为。因为nmf+1时，边频幅度时，边频幅度Jn(mf)均小于均小于0.1，相应产生的功率均小于总功率的，相应产生的功率均小于总功率的2%，可以忽略不，可以忽略不计。根据以上原则，计。根据以上原则，调频信号的带宽调频信号的带宽为：为： 上式说明：调频信号的带宽取决于最大频偏和调制信号的上式说明：调频信号的带宽取决于最大频偏和调制信号的频率，该式称为卡森公式。频率，该式称为卡森公式。 以上讨论的是单频调制调频信号，如果调制信号是以上讨论的是单频调制调频信号，如果调制信号是

49、任意限任意限带信号带信号，用，用D代替卡森公式中代替卡森公式中mf的即可。的即可。）（）（mmfFM212fffmB fBmfBm 2121FMfmFMf时时（宽宽带带调调频频）：当当时时（窄窄带带调调频频）：当当。，其其中中）（maxmaxmaxFM12ffDfDB 图图2-21 Jn(mf) mf关系曲线关系曲线1.00.80.60.40.200.20.4Jn(mf )mf1234567891011J0J1J2J3J4J5图图2-22 单频调制调频信号的频谱（单频调制调频信号的频谱（mf = 5）65432 101 234562J2(mf )12J1(mf )12J3(mf )12J0(m

50、f )12J1(mf )12J3(mf )1f fcfm2J2(mf )12.4.3 调频信号的产生调频信号的产生 产生调频信号的方法通常有两种：直接法和间接法。产生调频信号的方法通常有两种：直接法和间接法。 1. 直接法直接法 直接法直接法就是用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调就是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。在实际中，常用制信号的规律线性变化。在实际中，常用压控振荡器（压控振荡器（VCO）作为作为FM调制器，它的输出频率正比于所加的控制电压，即：调制器，它的输出频率正比于所加的控制电压，即：图图2-23 直接法原理图直接法原理图 直接法的直接法的优点优

51、点是容易实现，且可以获得较大的频偏；是容易实现，且可以获得较大的频偏；缺点缺点是频率稳定度不高，因此还需要附加的稳频电路。是频率稳定度不高，因此还需要附加的稳频电路。)()(FotmKtc VCOm(t)载波发生器载波发生器sFM(t) 2. 间接法间接法 间接法间接法就是先产生窄带调频信号，然后用倍频器把窄带调就是先产生窄带调频信号，然后用倍频器把窄带调频信号变换为宽带调频信号。频信号变换为宽带调频信号。图图2-24 间接法原理图间接法原理图 间接法的间接法的优点优点是频率稳定度高；是频率稳定度高；缺点缺点是需要多次倍频和混是需要多次倍频和混频，因此电路较为复杂。频，因此电路较为复杂。积分器

52、积分器m(t)sWBFM(t)Acosct移相移相90 +倍频器倍频器tdmKAtAtsctc sin)(cos)(FNBFM 提高调频提高调频指数指数mf2.4.4 调频信号的解调调频信号的解调 调频信号的解调方法通常有两种：相干解调和非相干解调。调频信号的解调方法通常有两种：相干解调和非相干解调。相干解调相干解调仅适用于窄带调频信号；而仅适用于窄带调频信号；而非相干解调非相干解调既适用于窄带既适用于窄带调频信号，又适用于宽带调频信号。调频信号，又适用于宽带调频信号。 1. 非相干解调非相干解调 最简单的解调器是具有频率电压转换作用的最简单的解调器是具有频率电压转换作用的鉴频器鉴频器。理。理

53、想鉴频器可看成是带微分器的包络检波器。想鉴频器可看成是带微分器的包络检波器。图图2-25 非相干解调原理图非相干解调原理图限幅器限幅器及带通及带通sFM(t)微分器微分器鉴频器鉴频器包包 络络检波器检波器低低 通通滤波器滤波器mo(t)sd(t) 如图如图2-25所示，微分器的输出为：所示，微分器的输出为： 用包络检波器取出其包络，并滤除直流分量后输出为：用包络检波器取出其包络，并滤除直流分量后输出为： 以上解调过程是先用微分器将调频信号转换为调幅调频信以上解调过程是先用微分器将调频信号转换为调幅调频信号，再用包络检波器提取其包络，因此上述解调方法又称为号，再用包络检波器提取其包络，因此上述解

54、调方法又称为包包络检测络检测。其。其缺点缺点之一是包络检波器对于由信道噪声和其他原因之一是包络检波器对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应，为此，需要在微分器前加一个限幅引起的幅度起伏也有反应，为此，需要在微分器前加一个限幅器和一个带通滤波器。其中器和一个带通滤波器。其中限幅器限幅器将调频信号在传输过程中引将调频信号在传输过程中引起的幅度变化部分削去，变成固定幅度的调频波；起的幅度变化部分削去，变成固定幅度的调频波；带通滤波器带通滤波器让调频信号顺利通过，而滤除带外噪声及高次谐波分量。让调频信号顺利通过，而滤除带外噪声及高次谐波分量。 )(cos)(FFMtcdmKtAts 为鉴频器的

55、灵敏度。为鉴频器的灵敏度。，其中，其中dFdo)()(KtmKKtm )(sin)()(FFd tccdmKttmKAts 2. 相干解调相干解调图图2-26 相干解调原理图相干解调原理图带带 通通滤波器滤波器sNBFM(t)微分器微分器相干解调器相干解调器低低 通通滤波器滤波器mo(t)sp(t)sd(t)sincttdmKAtAtsctc sin)(cos)(FNBFM )2cos1()(22sin2)(FptdmKAtAtsctc tdmKAts )(2)(Fd)(2)(FotmKAtm 2.5 非非线性调制系统的抗噪声性能线性调制系统的抗噪声性能 调频系统的抗噪声性能分析与解调方法有关

56、。调频系统的抗噪声性能分析与解调方法有关。相干解调相干解调仅适用于窄带调频信号，且需要同步信号；而仅适用于窄带调频信号，且需要同步信号；而非相干解调非相干解调既既适用于窄带调频信号，又适用于宽带调频信号，而且不需要适用于窄带调频信号，又适用于宽带调频信号，而且不需要同步信号。因而，同步信号。因而，非相干解调是调频系统的主要解调方式非相干解调是调频系统的主要解调方式。图图2-27 FM非相干解调的模型非相干解调的模型BPFsFM(t)n(t)+非相干非相干解调器解调器sFM(t)ni(t)mo(t)no(t)限幅器限幅器鉴频器鉴频器LPF 1. 大信噪比情况大信噪比情况 在大信噪比情况下，信号和

57、噪声的相互作用可以忽略，因在大信噪比情况下，信号和噪声的相互作用可以忽略，因此可以把信号和噪声分开进行计算。此可以把信号和噪声分开进行计算。FMo2ii2BnANS 22F2FMi21)(cos)(AdmKtAtsStc FMoiBnN 3mo222F2oo8)(3fntmKANS 经经推推导导：3m22FM2FiiooFM4)(3ftmBKNSNSG 故故： 为使问题简化，这里只研究为使问题简化，这里只研究单频调制，宽带调频单频调制，宽带调频的情况，的情况，即：即： m(t) = Amcosmt。)(cos)(FFM tcdmKtAts coscosmF tcdKtA sincosmmFtK

58、tAc mFmFfmf2sincosfKKmtmtAc 其其中中：）（故故：134)(3f2f3m22FM2FiiooFM mmftmBKNSNSG 21)(2 tmmfFM12fmB）（ 1fm宽带调频时：宽带调频时：3f3m 例例2-1 设设宽带调频宽带调频与与常规调幅常规调幅信号均为信号均为单频调制单频调制，调频指数为，调频指数为mf 1，调幅指数为，调幅指数为AM=1，调制信号频率为，调制信号频率为fm。当信道条件。当信道条件相同，接收信号功率也相同时，比较它们的抗噪声性能。相同，接收信号功率也相同时，比较它们的抗噪声性能。iAMiAMAMAMooiFMiFMFMFMooNSGNSNS

59、GNS ）（）（解：解： iFMiAMAMiAMiFMFMAMooFMoo)()(NSGNSGNSNS iAMiFMSS 又又moAMoiAMmfoFMoiFM2)1(2fnBnNfmnBnN 32)()(2)1(32202AMf2fFM tmAtmGmmG2fiFMiAMAMiAMiFMFMAMooFMoo29)()(mNSGNSGNSNS 故故：结论：结论： 宽带调频信号的抗噪声性能明显优于常规调幅信号。宽带调频信号的抗噪声性能明显优于常规调幅信号。例如，例如，当当mf =5时，宽带调频信号的输出信噪比是常规调幅信号的时，宽带调频信号的输出信噪比是常规调幅信号的112.5倍。这也可理解为，当两者输出信噪比相等时，宽带调频倍。这也可理解为，当两者