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1、1,通 信 原 理,冯 熳东南大学信息科学与工程学院,2,通信原理,第5章 模拟调制系统,3,卡森公式,调频信号带宽：,（WBFM）,调频信号的带宽：设fm是调制信号的最高频率，mf是最大频偏f 与 fm之比。,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,宽带调频（WBFM）,（NBFM）,4,【例5.1】调频广播中规定的最大频偏f为75kHz，最高调制频率fm为15kHz，求调频指数mf和FM信号的频带宽度？【解】调频指数mf 5，FM信号的频带宽度为180kHz。,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,5,调频信号的产生,直接调频法：用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性
2、地变化。方框图：LC振荡器：用变容二极管实现直接调频。,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,6,直接调频法的主要优缺点：优点：可以获得较大的频偏。缺点：频率稳定度不高改进途径：采用如下锁相环（PLL）调制器,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,7,间接法调频 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,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,8,间接法产生窄带调频信号,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,9,经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍。,倍频器
3、的作用是提高调频指数mf，可以用非线性器件实现，然后用带通滤波器滤去不需要的频率分量。,以理想平方律器件为例，其输入/输出特性为：,若,则,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,10,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,倍频器在提高相位偏移的同时，使载波频率提高了，因此需要用混频器进行下变频来解决此问题。间接调频法的主要优缺点：优点：频率稳定度高 缺点：需要多次倍频和混频，因此电 路较复杂。,11,非相干解调,由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号的幅度，因而调频信号的解调器必须能产生正比于输入频率的输出电压。（鉴频器）,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,调频信号的解调,12,5.3 非线
4、性调制(角度调制)的原理,Kd为鉴频器灵敏度,振幅鉴频器,13,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,限幅器的作用是消除信道中噪声和其他原因引起的调频波的幅度起伏；带通滤波器是让调频信号顺利通过，同时滤除带外噪声及高次谐波分量；微分器的作用是把幅度恒定的调频波变成幅度和频率都随调制信号m(t)变化的调幅调频波；包络检波器则将幅度变化检出并滤去直流，再经低通滤波后即得解调输出。,14,5.3 非线性调制(角度调制)的原理,相干解调,15,5.4 调频系统的抗噪声性能,调频信号的解调有相干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，故应用范围受限；非相干解调适用于窄带和宽带调
5、频信号，而且不需同步信号，因而是FM系统的主要解调方式。,16,5.4 调频系统的抗噪声性能,调频信号,输入功率,输入噪声功率,输入SNR,输入信噪比计算：,17,5.4 调频系统的抗噪声性能,输出信噪比计算大信噪比情况,为简化结果，考虑单一频率余弦波的情况，即:则调频信号为：其中：,18,输出SNR,SNR增益,当宽带调频时,SNR增益,5.4 调频系统的抗噪声性能,当 时,19,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是很高的，即抗噪声性能好。例如，调频广播中常取mf=5，则制度增益GFM=450。也就是说，加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。,5.4 调频系统的
6、抗噪声性能,20,【例5.2】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的输出信噪比为,AM的输出信噪比为,5.4 调频系统的抗噪声性能,21,则两者输出信噪比的比值为,已知,5.4 调频系统的抗噪声性能,22,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
7、输带宽来换取的。,5.4 调频系统的抗噪声性能,23,在调幅调制中，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调频系统优于调幅系统的重要原因。,5.4 调频系统的抗噪声性能,24,应该指出，以上分析都是在(Si/Ni)FM足够大的条件下进行的。当(Si/Ni)FM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，信号被噪声扰乱，因而(So/No)FM急剧下降。这种情况与AM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(Si/Ni)FM值被称为门限值（点），记为(Si/Ni)b。,5.4 调频系统的抗噪声性能,小信噪比情况与门限效应,25,非相干解
8、调的门限效应,5.4 调频系统的抗噪声性能,26,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（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，这要求门限点向低输入信噪比方向扩展。,5.4 调频系统的抗噪声性能,27,降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如，可以采用锁相环解调器和负反馈解调器，它们的门限比一般鉴频器的门限电平低610dB。还可以采用“预加重”和“去加重”技术来进一步改善调频解调器的输出信噪比。这也相当于改善了门限。
9、,5.4 调频系统的抗噪声性能,28,5.4 调频系统的抗噪声性能,鉴频器输出噪声功率谱,调频广播所传送的话音和音乐信号能量主要分布在低频端，且其功率谱密度随频率增高而下降。因此在高频端信号谱密度最小，而噪声谱密度最大，使高频端输出信噪比明显下降，对解调质量带来很大影响。,预加重和去加重,29,5.4 调频系统的抗噪声性能,去加重和预加重 设计思想：保持输出信号不变，有效降低输出噪声，以达到提高输出信噪比的目的。去加重：在解调器输出端接一个传输特性随频率增加而滚降的线性网络Hd(f)，其目的是将调制频率 高频端的噪声衰减，使总噪声功率减小。但在减弱噪声的同时，使传输信号产生频率失真。因此在调制
10、器前加入一个预加重网络Hp(f)，目的是人为的提升调制信号的高频分量，以抵消去加重网络的影响。,30,预加重网络-高通滤波器Hp(f)去加重网络-低通滤波器Hd(f),5.4 调频系统的抗噪声性能,31,5.5 各种模拟调制系统的性能比较,综合前面的分析，各种模拟调制方式的性能如下表所示。表中的So/No是在相同的解调器输入信号功率Si、相同噪声功率谱密度n0、相同基带信号带宽fm的条件下。其中AM为100%调制，调制信号为单音正弦。性能比较 WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。NBFM和AM的性能接近。,32,5.5 各种模拟调制系统的性能比较,
11、33,各种模拟调制系统的性能曲线,5.5 各种模拟调制系统的性能比较,34,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。应用：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。缺点：接收要求同步解调，设备较复杂。应用：较少用，一般用于点对点专用通信。,5.5 各种模拟调制系统的性能比较,35,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，且带宽只有AM的一半；缺点：发送和接收设备都复杂。应用：SSB常用于频分多路复用系统中。VSB调制：优点：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。应用：VSB部分抑制了
12、发送边带，同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分，对包含低频和直流分量的基带信号特别适合，因此在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。,5.5 各种模拟调制系统的性能比较,36,5.5 各种模拟调制系统的性能比较,FM：宽带FM：优点：抗干扰能力强，可实现带宽与信噪比的互换。缺点：频带利用率低，存在门限效应。应用：广泛应用于长距离高质量通信系统中，如空间和卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等。窄带FM：用于接收信号弱、干扰大的情况，因此小型通信机常采用窄带调频。,37,5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,频分复用（FDM）目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率应用：主要用于
13、模拟信号的多路传输，也可用于数 字信号。原理：信道带宽被分成多个相互不重叠的频段，每 路信号占据其中一个子通道，并且各路之间 必须留有未被使用的频带（防护频带）进行 分隔，以防止信号重叠。在接收端，采用适 当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复 出所需要的信号。,38,5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,频分复用系统原理框图,39,典型例子：多路载波电话系统,5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,40,FDM 技术主要用于模拟信号，普遍应用在多路载波电话系统中。其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
14、度地引入非线性失真，而产生各路信号的相互干扰。,5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,41,调频立体声广播原理：一个左声道信号L，一个右声道信号R。左声道与右声道相加形成和信号(L+R)，相减形成差信号(L-R)。在调频之前，差信号(L-R)先对38kHz的副载波进行抑制载波双边带(DSB-SC)调制，然后与和信号(L+R)进行频分复用，作为FM立体声广播的基带信号：,5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,42,频谱结构 在19kHz处发送一个单频信号（导频），用于接收端提取相干载波和立体声指示。在普通调频广播中，只发送015kHz的(L+R)信号。,5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,43,立体声广播信号的解调 接收立体声广播后先进行鉴频，得到频分复用信号。对频分复用信号进行相应的分离，以恢复出左声道信号L和右声道信号R。,5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声,44,5.7 小结,线性调制（AM、DSB、SSB和VSB）原理（表示式、频谱、带宽、产生与解调）线性调制系统的抗噪声性能，门限效应调频（FM）、调相（PM）的基本概念调频信号的产生、解调方法，频带宽度的计算，抗噪性能分析等频分复用的概念,45,作 业,1、已知某单频调频波的振幅是10V，瞬时频率为：试求：（1）此调频波的表达式；（2）此调频波的频率偏移、调频指数和频带宽度。,
