1、1通通 信信 原原 理理冯冯 熳熳东南大学信息科学与工程学院东南大学信息科学与工程学院2通信原理第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统3)(2)1(2mmfFMfffmB卡森公式卡森公式调频信号带宽：调频信号带宽：fBFM 2:1fm（WBFM）调频信号的带宽：调频信号的带宽：设设fm是调制信号的最高频率，是调制信号的最高频率，mf是最大频偏是最大频偏 f 与与 fm之比之比。5.3 非线性调制(角度调制)的原理n宽带调频（宽带调频（WBFM）mFMfB2:1fm（NBFM）4【例例5.1】调频广播中规定的最大频偏调频广播中规定的最大频偏 f为为75kHz，最高调制频率，最高调制频率fm为为15
2、kHz，求调频指数求调频指数mf和和FM信号的频带宽度？信号的频带宽度？【解解】调频指数调频指数mf 5，FM信号的频信号的频带宽度为带宽度为180kHz。5.3 非线性调制(角度调制)的原理5l 调频信号的产生调频信号的产生p直接调频法直接调频法：用调制信号直接去控制载波：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振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。性地变化。方框图方框图：LC振荡器：用变容二极管实现直接调频。振荡器：用变容二极管实现直接调频。0()()iftK m t5.3 非线性调制(角度调制)的原理6直接调频法的主要优缺点：直接调频法的主要优缺点：优点优点：
3、可以获得较大的频偏。：可以获得较大的频偏。缺点缺点：频率稳定度不高：频率稳定度不高改进途径改进途径：采用如下锁相环（：采用如下锁相环（PLLPLL）调制器）调制器 5.3 非线性调制(角度调制)的原理7p间接法调频间接法调频 阿姆斯特朗（阿姆斯特朗（Armstrong）法）法 原理原理：先将调制信号积分，然后对载波进行：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调相，即可产生一个窄带调频(NBFM)信号，信号，再经再经n次倍频器得到宽带调频次倍频器得到宽带调频(WBFM)信。信。方框图方框图 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间接法产生窄带调频信号()
4、os()sintNBFMcfcstActAKmdt()m t 载波coscAt 积分器 NBFM()St 2/5.3 非线性调制(角度调制)的原理9 经经n n次倍频后可以使调频信号的载频和调频次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为指数增为n n倍。倍。)()(2tastsio 倍频器的倍频器的作用作用是提高调频指数是提高调频指数mf，可以用，可以用非线性器件实现，然后用带通滤波器滤去不需非线性器件实现，然后用带通滤波器滤去不需要的频率分量。要的频率分量。以理想平方律器件为例，其输入以理想平方律器件为例，其输入/输出特性为：输出特性为：)(cos)(ttAtsci若若)(22cos121)
5、(2ttaAtsco则则5.3 非线性调制(角度调制)的原理105.3 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，因此需要用提高了，因此需要用混频器混频器进行下变频来解进行下变频来解决此问题。决此问题。间接调频法的主要优缺点：间接调频法的主要优缺点：优点优点：频率稳定度高：频率稳定度高 缺点缺点：需要多次倍频和混频，因此电：需要多次倍频和混频，因此电 路较复杂。路较复杂。11tfcFMmKtAtsd)(cos)(p 非相干解调非相干解调)()(tmKtmfo 由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号由于调频信号的瞬时频率正比于调
6、制信号的幅度，因而调频信号的解调器必须能产生正的幅度，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。（比于输入频率的输出电压。（鉴频器鉴频器）5.3 非线性调制(角度调制)的原理l 调频信号的解调调频信号的解调12输出电压O输入频率fc斜率为 Kd(a)限幅器及带通微分器包 络检 波低 通滤波器sFM(t)sd(t)鉴频器mo(t)(b)tfcfcdmKttmKAtsd)(sin)()()()(tmKKtmfdo5.3 非线性调制(角度调制)的原理Kd为鉴频器灵敏度为鉴频器灵敏度振幅鉴频器振幅鉴频器135.3 非线性调制(角度调制)的原理限幅器限幅器的作用是消除信道中噪声和其他原因引
7、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；起的调频波的幅度起伏；带通滤波器带通滤波器是让调频信号顺利通过，同时滤除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；带外噪声及高次谐波分量；微分器微分器的作用是把幅度恒定的调频波变成幅度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和频率都随调制信号m(t)m(t)变化的调幅调频波；变化的调幅调频波；包络检波器包络检波器则将幅度变化检出并滤去直流，再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。经低通滤波后即得解调输出。14()cos()sintNBFMcfcstAtA Kmdtttccsin)()sin2()(
8、1 cos2)22tpcfcAAsttKmdt tFddmKAts)(2)()(2)(0tmAKtmF NBFM()st LPF BPF)(tSi o()mt()c t 微分)(tSp()dst 5.3 非线性调制(角度调制)的原理p 相干解调相干解调155.4 调频系统的抗噪声性能l调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。p相干解调仅适用于窄带调频信号相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步，且需同步信号，故应用范围受限；信号，故应用范围受限；p非相干解调适用于窄带和宽带调频信号非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而，而且不需同步信号，因而是且不需同
9、步信号，因而是FMFM系统的主要解系统的主要解调方式。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165.4 调频系统的抗噪声性能调频信号调频信号tfcFMmKtAtsd)(cos)(输入功率输入功率22ASi输入噪声功率输入噪声功率FMiBnN0输入输入SNRSNRFMiiBnANS022u 输入信噪比计算：输入信噪比计算：17302222008)(3mffntmKANS5.4 调频系统的抗噪声性能u输出信噪比计算输出信噪比计算p大信噪比情况大信噪比情况 为简化结果，考虑单一频率余弦波的情为简化结果，考虑单一频率余弦波的情况，即况，即:则调频信号
10、为：则调频信号为：其中：其中：ttmmcos)(tmtAtsmfcFMsincos)(mmmffffKm18输出输出SNRSNRmfoofnAmNS0222/23mFMfiiFMfBmNSNSG20023/SNRSNR增益增益)(2)1(2mmfFMfffmB 当宽带调频时当宽带调频时)1(32ffFMmmGSNRSNR增益增益5.4 调频系统的抗噪声性能当当 时时1fm33fFMmG19 上式结果表明，在大信噪比情况下，宽上式结果表明，在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益是很高的，即抗噪声带调频系统的制度增益是很高的，即抗噪声性能好。性能好。例如，调频广播中常取例如，调频广播中常取mf=
11、5，则制度增，则制度增益益GFM=450。也就是说，。也就是说，加大调制指数，可加大调制指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善使调频系统的抗噪声性能迅速改善。5.4 调频系统的抗噪声性能20【例例5.2】设调频与调幅信号均为单音调制，调制信设调频与调幅信号均为单音调制，调制信号频率为号频率为fm，调幅信号为，调幅信号为100%调制。当两者的接收调制。当两者的接收功率功率Si相等，相等，信道噪声功率谱密度信道噪声功率谱密度n0相同时，比较调相同时，比较调频系统与调幅系统的抗噪声性能。频系统与调幅系统的抗噪声性能。【解解】FM的输出信噪比为的输出信噪比为AM的输出信噪比为的输出信噪比为FMiFMF
12、MiiFMFMBnSGNSGNS000AMiAMAMiiAMAMBnSGNSGNS0005.4 调频系统的抗噪声性能21 则两者输出信噪比的比值为则两者输出信噪比的比值为FMAMAMFMAMFMBBGGNSNS)/()/(0000 已知已知32),1(32AMffFMGmmGmAMmfFMfBfmB2,)1(2200005.4)/()/(fAMFMmNSNS5.4 调频系统的抗噪声性能22 由此可见，由此可见，在高调频指数时，调频系统的输在高调频指数时，调频系统的输出信噪比远大于调幅系统出信噪比远大于调幅系统。例如，。例如，mf=5 时，宽时，宽带调频的带调频的So/No是调幅时的是调幅时的1
13、12.5倍。这也可理解倍。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率可减小到调幅信号的1/112.5。应当指出，应当指出，调频系统的这一优越性是以增加调频系统的这一优越性是以增加传输带宽来换取的传输带宽来换取的。AMfmfFMBmfmB)1()1(25.4 调频系统的抗噪声性能23200005.4)/()/(AMFMAMFMBBNSNS 在调幅调制中，由于信号带宽是固定的，无法在调幅调制中，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
14、系统的重要原因。能方面调频系统优于调幅系统的重要原因。AMfFMBmB:1fm5.4 调频系统的抗噪声性能24 应该指出，以上分析都是在应该指出，以上分析都是在(Si/Ni)FM足够大足够大的条件下进行的。当的条件下进行的。当(Si/Ni)FM减小到一定程度时，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，因而号被噪声扰乱，因而(So/No)FM急剧下降。这种情急剧下降。这种情况与况与AM包检时相似，我们称之为包检时相似，我们称之为门限效应门限效应。出。出现门限效应时所对应的现门限效应时所对应的(Si/Ni)FM值被称为门限值值
15、被称为门限值（点），记为（点），记为(Si/Ni)b。5.4 调频系统的抗噪声性能p小信噪比情况与门限效应小信噪比情况与门限效应256050403020100051015202010743FM2()FM/dBSiNi()FM/dBS0N0 非相干解调的门限效应非相干解调的门限效应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（相当无止境的。随着传输带宽的增加（相当mf加加大），输入噪声功率增大，在输入信号功率不大），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，当输入信噪比变的条件下，输入信
16、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。比将急剧恶化。希望在接收到最小信号功率时仍能满意地希望在接收到最小信号功率时仍能满意地工作，这工作，这要求门限点向低输入信噪比方向扩展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27p降低门限值（也称门限扩展）的方法有降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如，可以采用很多，例如，可以采用锁相环解调器锁相环解调器和和负反馈解调器负反馈解调器，它们的门限比一般鉴频，它们的门限比一般鉴频器的门限电平低器的门限电平低610dB610dB。p还可以采用还可以采用“预加
17、重预加重”和和“去加重去加重”技技术来进一步改善调频解调器的输出信噪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。比。这也相当于改善了门限。5.4 调频系统的抗噪声性能285.4 调频系统的抗噪声性能鉴频器输出噪声功率谱鉴频器输出噪声功率谱调频广播所传送的话音调频广播所传送的话音和音乐信号能量主要分和音乐信号能量主要分布在低频端，且其功率布在低频端，且其功率谱密度随频率增高而下谱密度随频率增高而下降。因此在高频端信号降。因此在高频端信号谱密度最小，而噪声谱谱密度最小，而噪声谱密度最大，使高频端输密度最大，使高频端输出信噪比明显下降，对出信噪比明显下降，对解调质量带来很大影响。解调
18、质量带来很大影响。预加重和去加重预加重和去加重295.4 调频系统的抗噪声性能l 去加重和预加重去加重和预加重 设计思想设计思想：保持输出信号不变，有效降低输出噪声，：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。以达到提高输出信噪比的目的。去加重去加重：在解调器输出端接一个传输特性随频率增加：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而滚降的线性网络Hd(f)，其目的是将调制频率，其目的是将调制频率 高频高频端的端的噪声衰减，使总噪声功率减小。但在减弱噪声的噪声衰减，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。因此在调制器前加同时，使传输信号产
19、生频率失真。因此在调制器前加入一个入一个预加重预加重网络网络Hp(f)，目的是人为的提升调制信号，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。的高频分量，以抵消去加重网络的影响。30l预加重网络预加重网络-高通滤波器高通滤波器Hp(f)l去加重网络去加重网络-低通滤波器低通滤波器Hd(f)5.4 调频系统的抗噪声性能)(1)(fHfHdp315.5 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。表中的如下表所示。表中的So/No是在是在相同的解调器输入相同的解调器输入信号功率信号功率Si、相同噪声功率谱密度、
20、相同噪声功率谱密度n0、相同基带信、相同基带信号带宽号带宽fm的条件的条件下。其中下。其中AM为为100%调制，调制调制，调制信号为单音正弦。信号为单音正弦。l 性能性能比较比较 WBFM抗噪声性能最好，抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗抗噪声性能次之，噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。抗噪声性能最差。NBFM和和AM的性能接近。的性能接近。32调制调制方式方式信号带宽信号带宽制度增益制度增益设备复设备复杂度杂度主要应用主要应用DSBDSB2 2中等中等较少应用较少应用SSBSSB1 1复杂复杂短波无线电广播，短波无线电广播，话音频分多路话音频分多路VSBVSB略大于略大于 近似近似SS
21、BSSB近似近似SSBSSB复杂复杂商用电视广播商用电视广播AMAM2/32/3简单简单中短波无线电广中短波无线电广播播FMFM中等中等超短波小功率电超短波小功率电台台(窄带窄带FM)FM)，调，调频立体声广播频立体声广播(宽宽带带FM)FM)mffm)1(2)1(32ffmmmfmiffnSm0223mifnS031mifnS0mfooNSmf2mifnS0/mf25.5 各种模拟调制系统的性能比较33l 各种模拟调制系统的性能曲线各种模拟调制系统的性能曲线7060504030201001020304050AMDSBSSBFM mf 3FM mf 6 /dBSin0 fm/dBSoNo5.5
22、 各种模拟调制系统的性能比较34l特点与应用特点与应用uAMAM：优点优点：接收设备简单。：接收设备简单。缺点缺点：功率利用率低，抗干扰能力差。：功率利用率低，抗干扰能力差。应用应用：主要用：主要用在中波和短波调幅广播。在中波和短波调幅广播。uDSBDSB调制调制：优点优点：功率利用率高，且带宽与：功率利用率高，且带宽与AMAM相同。相同。缺点缺点：接收要求同步解调，设备较复杂。：接收要求同步解调，设备较复杂。应用应用：较少：较少用，一般用于点对点专用通信。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35uSSBSSB调制调制：优点优点：功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能
23、力：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和抗选择性衰落能力均优于AMAM，且带宽只有，且带宽只有AMAM的一的一半；半；缺点缺点：发送和接收设备都复杂。：发送和接收设备都复杂。应用应用：SSBSSB常用于频分多路复用系统中。常用于频分多路复用系统中。uVSBVSB调制调制：优点优点：抗噪声性能和频带利用率与：抗噪声性能和频带利用率与SSBSSB相当。相当。应用应用：VSBVSB部分抑制了发送边带，同时又利用平缓滚降部分抑制了发送边带，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
24、电视广播、数传等系统中基带信号特别适合，因此在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。得到了广泛应用。5.5 各种模拟调制系统的性能比较365.5 各种模拟调制系统的性能比较uFMFM：p宽带宽带FMFM：优点优点：抗干扰能力强，可实现带宽与信噪比的互：抗干扰能力强，可实现带宽与信噪比的互换。换。缺点缺点：频带利用率低，存在门限效应。：频带利用率低，存在门限效应。应用应用：广泛应用于长距离高质量通信系统中，如：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、超短波电台空间和卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等。等。p窄带窄带FMFM：用于接收：用于接收信号信号弱、干扰弱、干
25、扰大的情况，因此小大的情况，因此小型通信型通信机常采用机常采用窄带调频。窄带调频。375.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声l频分复用（频分复用（FDMFDM）u目的目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率u应用应用：主要用于模拟信号的多路传输，也可用于数：主要用于模拟信号的多路传输，也可用于数 字信号。字信号。u原理原理：信道带宽被分成多个相互不重叠的频段，每：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）进行必须留有未被使用的频带（防护
26、频带）进行 分隔，以防止信号重叠。在接收端，采用适分隔，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。出所需要的信号。385.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声频分复用系统原理框图频分复用系统原理框图39u典型例子：多路载波电话系统典型例子：多路载波电话系统5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声40u FDM FDM 技术主要用于模拟信号，普遍应用在多技术主要用于模拟信号，普遍应用在多路载波电话系统中。其主要路载波电话系统中。其主要优点优点是信道利用率是信道利用率高，技术成熟；高，技术成熟；缺点缺点是
27、设备复杂，滤波器难以是设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和传输过程中，调制、解调制作，并且在复用和传输过程中，调制、解调等过程会不同程度地引入非线性失真，而产生等过程会不同程度地引入非线性失真，而产生各路信号的相互干扰。各路信号的相互干扰。5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声41n调频立体声广播调频立体声广播u原理原理：一个左声道信号：一个左声道信号L L，一个右声道信号，一个右声道信号R R。左声。左声道与右声道相加形成道与右声道相加形成和信号和信号(L+R)(L+R)，相减形成，相减形成差信号差信号(L-R)(L-R)。在调频之前，。在调频之前，差信号差信号(L-R)(L-R)先
28、对先对38kHz38kHz的副载波的副载波进行抑制载波双边带进行抑制载波双边带 (DSB-SC)(DSB-SC)调制，然后与调制，然后与和信号和信号(L+R)(L+R)进行频分复用，作为进行频分复用，作为FMFM立体声广播的基带信号：立体声广播的基带信号：5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声42u频谱结构频谱结构 p在在19kHz处发送一个单频信号（导频），用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。于接收端提取相干载波和立体声指示。p在普通调频广播中，只发送在普通调频广播中，只发送015kHz的的(L+R)信号。信号。5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声
29、43u立体声广播信号的解调立体声广播信号的解调p 接收立体声广播后先进行鉴频，得到频分复用信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，以恢复出号。对频分复用信号进行相应的分离，以恢复出左声道信号左声道信号L和右声道信号和右声道信号R。5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声44 5.7 小结l线性调制（线性调制（AMAM、DSBDSB、SSBSSB和和VSBVSB）原理）原理（表示式、频谱、带宽、产生与解调）（表示式、频谱、带宽、产生与解调）l线性调制系统的抗噪声性能，门限效应线性调制系统的抗噪声性能，门限效应l调频（调频（FMFM）、调相（）、调相（PMPM）的基本概念）的基本概念l调频信号的产生、解调方法，频带宽度的调频信号的产生、解调方法，频带宽度的计算，抗噪性能分析等计算，抗噪性能分析等l频分复用的概念频分复用的概念45作 业1 1、已知某单频调频波的振幅是、已知某单频调频波的振幅是10V10V，瞬时，瞬时频率为：频率为：试求：试求：（1 1）此调频波的表达式；）此调频波的表达式；（2 2）此调频波的频率偏移、调频指数和）此调频波的频率偏移、调频指数和频带宽度。频带宽度。)(102cos1010)(346Hzttf
