考研西北工业大学《825通信原理》强化精讲模拟调制系统市公开课一等奖省赛课获奖

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第5讲模拟调制系统（二）1第1页5.3角度调制（非线性调制）原理及抗噪声性能

引言：非线性调制：已调信号频谱不再是原基带信号频谱线性搬移，而是频谱非线性变换，会产生与频谱搬移不一样新频率成份。实现方法：经过改变载波频率和相位－－角度来实现。即载波幅度保持不变，而载波频率或相位随基带信号改变。

分类：角调制可分为频率调制（FM）和相位调制（PM）。2第2页5.3.1角度调制基本概念

1.普通表示式2.PM调制－－是指瞬时相位偏移随基带信号而线性改变，即调相信号可表示为：名词：瞬时相位－－瞬时相位偏移－－瞬时角频率－－瞬时角频偏－－3第3页则可得调频信号：可见：FM和PM非常相同，假如预先不知道调制信号详细形式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。

3.FM调制－－是指瞬时频率偏移随基带信号而线性改变，即4第4页2.FM、PM关系●PM较FM仅少了一个积分！●实现方法:可见：调频与调相并无本质区分，二者之间能够交换－－缩减研究内容；为FM、PM信号实现（调制、解调）提供了新方法。5第5页5.3.2窄带调频与宽带调频

定义/分类：依据调制后载波瞬时相位偏移大小，可将频率调制分为宽带调频（WBFM）与窄带调频（NBFM）。当

时，称为NBFM

。不然，称为WBFM

。

1.窄带调频（NBFM）

6第6页将上式与AM信号频谱比较很相同经推导可得NBFM信号频域表示式：进行比较，它们带宽相同，即

7第7页2.宽带调频（WBFM）分析思绪：为使问题简化，先研究单音调制情况，然后把分析结果推广到多音情况。（1）单频调制时宽带调频信号频域表示设单频调制信号为则单音调频信号时域表示式为：

式中：调频指数：最大频偏：8第8页对应频谱：式中：Jn(mf)为第一类n阶贝塞尔函数，它是调频指数函数。可见：调频信号频谱中含有没有穷多个频率分量。－－带宽？特点：各次边频幅度Jn(mf)伴随n增大而减小！结论：FM信号各次边频幅度Jn(mf)伴随n增大而减小！9第9页（2）单频调制时频带宽度理论上：调频信号带宽为无限宽。实际上：因各次边频幅度n增大而减小，只要取适当n值，使边频分量小到能够忽略程度，调频信号能够近似认为含有有限频谱。卡森公式：－－大于n=mf+1次边频分量，其幅度小于未调载波幅度10％。10第10页（3）FM信号功率调频信号即使频率在不停地改变，但振幅不变!而功率仅由幅度决定，与频率无关，故：11第11页（4）任意限带信号调制时宽带调频信号带宽调制信号最高频率:

最大频率偏移:频偏比:12第12页5.3.3调频信号产生与解调

1.调频信号产生（1）直接法

就是利用调制信号直接控制振荡器频率，使其按调制信号规律线性改变。压控振荡器（VCO）：输出频率偏移正比于所加控制电压：13第13页（2）间接法－－阿姆斯特朗（Armstrong）法

原理：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个窄带调频(NBFM)信号，再经n次倍频器得到宽带调频(WBFM)信。方框图：

14第14页NBFM实现方法：NBFM→WBFM：经N次倍频后能够使调频信号载频和调制指数增为N倍。问：载波过高？15第15页经典实例：调频广播发射机 载频：f1=200kHz

调制信号最高频率：fm=15kHz

间接法产生最大频偏：

f1=25Hz－－NBFM

调频广播要求最终频偏：

f

=75kHz－－WBFM

发射载频：在88-108MHz频段内－－fc

需要倍频：但：倍频器在提升相位偏移同时，也使载波频率提升到：(nf1)＝600MHz，不符合fc=88-108MHz要求，需用混频器进行下变频。16第16页详细方案：17第17页【例5-1】在上述宽带调频方案中，设调制信号是fm=15kHz单频余弦信号，NBFM信号载频f1=200kHz，最大频偏

f1=25Hz；混频器参考频率f2=10.9MHz，选择倍频次数n1=64，n2=48。 （1）求NBFM信号调频指数；（2）求调频发射信号（即WBFM信号）载频、最大频偏和调频指数。【解】（1）NBFM信号调频指数为 （2）调频发射信号载频为（3）最大频偏为（4）调频指数为18第18页2.调频信号解调

（1）非相干解调

最简单解调器是含有频率-电压转换作用鉴频器。

特点：鉴频器输出电压与输入信号瞬时频偏成正比。组成：理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器级联。19第19页“理想鉴频器可看成是微分器与包络检波器级联”。证实：用包络检波器取出其包络，并滤去直流后输出：Kd称为鉴频器灵敏度。微分器输出：

20第20页（2）相干解调

－－适于窄带调频21第21页证：设NBFM信号为：

则乘法器输出为：再经微分，得输出信号：取相干载波：经LPF，得22第22页

5.4调频系统抗噪声性能

－－与解调方法相关，这里只讨论非相干解调系统抗噪性能。1.输入信噪比

设输入调频信号为：输入信号功率：输入噪声功率：输入信噪比：23第23页2.输出信噪比及调制制度增益－－因为非相干解调不是线性叠加处理过程，因而无法分别计算信号与噪声功率。解调器输入波形是调频信号和窄带高斯噪声混合波形:经限幅器限幅去除包络起伏后，得鉴频器输入为24第24页此处，V0为常数。对于鉴频器输出信号来说，仅关心合成波瞬时相移ψ(t)。能够证实，合成波瞬时相移为。问题：以上两式皆是携带信息φ(t)和表示噪声V(t)、θ(t)

复杂函数。考虑两种极端情况：大信噪比；小信噪比。25第25页（1）大信噪比情况大信噪比:此时鉴频器输出其中此时，信号和噪声已经分开。26第26页经深入分析，可得解调器输出信噪比为：WBFM系统制度增益为：27第27页下面考虑单频调制时情况，设调制信号为：则这时调频信号为：式中解调器输出信噪比：解调器制度增益：所以：WBFM信号带宽为：28第28页上式表明:在大信噪比情况下，宽带调频解调器制度增益是很高，与调制指数三次方成正比。比如：调频广播中常取mf=5，则GFM=450。可见，加大调制指数mf，可使系统抗噪性能大大改进。代价？6、1229第29页（2）小信噪比情况与门限效应

可知：解调器输出中已没有单独存在有用信号，解调器输出几乎完全由噪声决定，因而输出信噪比急剧下降－－门限效应。出现门限效应时所对应输入信噪比值被称为门限值（点）。小信噪比:此时30第30页对FM系统而言:●未发生门限效应时，在相同输入信噪比情况下，FM输出信噪比优于AM输出信噪比；●当输入信噪比降到某一门限（α）时，FM便开始出现门限效应；●若继续降低输入信噪比，则FM解调器输出信噪比将急剧变坏，甚至比DSB性能还要差.讨论：输入-输出信噪比性能对DSB系统而言:

信号同时检测时性能曲线是经过原点直线。31第31页例：已知某调频波振幅是10V，瞬时频率为试确定：（1）此调频波表示式；（2）此调频波最大频偏、调频指数和频带宽度；（3）若调制信号频率提升到2×103Hz，则调频波最大频偏、调频指数和频带宽度怎样改变？32第32页例：调频波振幅是10V，瞬时频率为试确定：（1）sFM(t)；（2）△f、mf、BFM；（3）若调制信号频率提升到2×103Hz，重求（2）。解：（1）该调频波瞬时角频率 （rad/s）瞬时相位调频波表示式33第33页（2）调频波最大频偏、调频指数和频带宽度：（3）调制信号频率提升到2×103Hz，即加倍，则最大频偏仍为而调频指数变为对应地，频带宽度变为34第34页

5.5各种模拟调制系统比较

1.各种模拟调制方式总结（见表5-1）前提：假定全部调制系统含有相等输入信号功率；噪声背景相同（均值为0、双边功率谱密度为n0/2高斯白噪声）；基带信号m(t)带宽为fm，且比如，m(t)为正弦型信号。综前：可总结各种模拟调制方式信号带宽、制度增益、输出信噪比、设备（调制与解调）复杂程度、主要应用等如表3-1所表示。表中还深入假设了AM为100%调制。35第35页调制方式信号带宽制度增益设备复杂度主要应用DSB2中等：要求相干解调点对点专用通信，低带宽信号多路复用系统SSB1较大：要求相干解调，调制器也较复杂短波无线电广播，话音频分多路通信VSB近似SSB近似SSB较大：要求相干解调，调制器需要对称滤波数据传输；商用电视广播AM较小：调制与解调（包络检波）简单中短波无线电广播FM中等：调制器有点复杂，解调器较简单微波中继、超短波小功率电台（窄带）；卫星通信、调频立体声广播（宽带）略大于表5-1各种模拟调制方式总结36第36页2.各种模拟调制方式性能比较

抗噪性能，WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM与AM靠近。

频带利用率，SSB最好，VSB与SSB靠近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。

3.各种模拟调制方式特点与应用37第37页5.6频分复用（FDM）1.复用概念

“复用”是一个将若干个彼此独立信号，合并为一个可在同一信道上同时传输复合信号方法。2.复用方式有三种基本多路复用方式：频分复用（FDM）、时分复用（TDM）与码分复用（CDM）。3.复用目标提升频带利用率。4.FDM实现思绪：带限、调制（频率分配）、合成、信道、分路、解调38第38页5.带宽单边带信号总频带宽度为：

39第39页经典例子：多路载波电话系统每路电话信号频带限制在300—3400Hz，在各路已调信号间留有防护频带，每路电话信号取4kHz作为标准带宽层次结构：12