[信息与通信]通信原理 5-3.ppt

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1、1 调频信号的产生与解调 n5.3.4 调频调频 信号的产产生与解调调 u调频调频 信号的产产生 p直接调频调频 法：用调调制信号直接去控制载载波振荡荡器的 频频率，使其按调调制信号的规规律线线性地变变化。 压压控振荡荡器：每个压压控振荡荡器(VCO)自身就是一 个FM调调制器，因为为它的振荡频荡频 率正比于输输入控 制电压电压 ，即 方框图图 LC振荡荡器：用变变容二极管实现实现 直接调频调频 。 2 角度调制原理 直接调频调频 法的主要优优缺点： 优优点：可以获获得较较大的频频偏。 缺点：频频率稳稳定度不高 改进进途径：采用如下锁锁相环环（PLL）调调制器 3 角度调制原理 p间间接法调频

2、调频 阿姆斯特朗（Armstrong）法 原理：先将调调制信号积积分，然后对载对载 波进进行调调相，即 可产产生一个窄带调频带调频 (NBFM)信号，再经经n次倍频频器得 到宽带调频宽带调频 (WBFM) 信。 方框图图 4 角度调制原理 u间间接法产产生窄带调频带调频 信号 由窄带调频带调频 公式 可知，窄带调频带调频 信号可看成由正交分量与同相分量合成的。 所以可以用下图产图产 生窄带调频带调频 信号： 5 角度调制原理 p倍频频： 目的：为为提高调频调频 指数，从而获获得宽带调频宽带调频 。 方法：倍频频器可以用非线线性器件实现实现 。 原理：以理想平方律器件为为例，其输输出-输输入特性

3、为为 当输输入信号为调频为调频 信号时时，有 由上式可知，滤滤除直流成分后，可得到一个新的 调频调频 信号，其载频载频 和相位偏移均增为为2倍，由于相位偏 移增为为2倍，因而调频调频 指数也必然增为为2倍。 同理，经经n次倍频频后可以使调频调频 信号的载频载频 和调调 频频指数增为为n倍。 6 角度调制原理 u典型实实例：调频调频 广播发发射机 载频载频 ：f1 = 200kHz 调调制信号最高频频率 fm = 15kHz 间间接法产产生的最大频频偏 f1 = 25 Hz 调频调频 广播要求的最终频终频 偏 f =75 kHz，发发射载频载频 在88-108 MHz频频段内，所以需要经过经过

4、次的倍频频，以满满足最终频终频 偏=75kHz的要求。 但是，倍频频器在提高相位偏移的同时时，也使载载波频频率提高了， 倍频频后新的载载波频频率(nf1 )高达600MHz，不符合 fc =88-108MHz 的要求，因此需用混频频器进进行下变频变频 来解决这这个问题问题 。 7 角度调制原理 u具体方案 8 角度调制原理 u【例】 在上述宽带调频宽带调频 方案中，设调设调 制信号是fm =15 kHz的单单 频频余弦信号，NBFM信号的载频载频 f1 =200 kHz，最大频频偏f1 =25 Hz；混频频器参考频频率f2 = 10.9 MHz，选择选择 倍频频次数n1 = 64，n2 =48

5、。 (1) 求NBFM信号的调频调频 指数； (2) 求调频发调频发 射信号（即WBFM信号）的载频载频 、最大频频偏和 调频调频 指数。 【解】（1）NBFM信号的调频调频 指数为为 （2）调频发调频发 射信号的载频为载频为 9 角度调制原理 (3) 最大频频偏为为 (4) 调频调频 指数为为 10 调频信号的解调 u 调频调频 信号的解调调 p非相干解调调：调频调频 信号的一般表达式为为 解调调器的输输出应为应为 完成这这种频频率-电压转换电压转换 关系的器件是频频率检检波器， 简简称鉴频鉴频 器。 鉴频鉴频 器的种类类很多，例如振幅鉴频鉴频 器、相位鉴频鉴频 器、比例鉴频鉴频 器、正交鉴

6、频鉴频 器、斜率鉴频鉴频 器、频频率 负负反馈馈解调调器、锁锁相环环(PLL)鉴频鉴频 器等。 下面以振幅鉴频鉴频 器为为例介绍绍： 11 角度调制原理 振幅鉴频鉴频 器方框图图 图图中，微分电电路和包络检络检 波器构成了具有近似理 想鉴频鉴频 特性的鉴频鉴频 器。 限幅器的作用是消除信道中噪声等引起的调频调频 波 的幅度起伏 。 12 角度调制原理 微分器的作用是把幅度恒定的调频调频 波sFM (t)变变成幅度 和频频率都随调调制信号m(t)变变化的调调幅调频调频 波sd (t)，即 包络检络检 波器则则将其幅度变变化检检出并滤滤去直流，再经经低 通滤滤波后即得解调输调输 出 式中Kd 为鉴

7、频为鉴频 器灵敏度，单单位为为V/rad/s 13 角度调制原理 p相干解调调：相干解调仅调仅 适用于NBFM信号 由于NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和， 因而可以采用线线性调调制中的相干解调调法来进进行解调调，如下 图图所示。 14 角度调制原理 设设窄带调频带调频 信号 并设设相干载载波 则则相乘器的输输出为为 经经低通滤滤波器取出其低频频分量 再经经微分器，即得解调输调输 出 可见见，相干解调调可以恢复原调调制信号。 15 调频系统的抗噪声性能 l5.4调频调频 系统统的抗噪声性能 n重点讨论讨论 FM非相干解调时调时 的抗噪声性能 n分析模型： n(t) 均值为值为 零，单边

8、单边 功率谱谱密度为为n0的高斯白噪 声 16 调频系统的抗噪声性能 n输输入信噪比 设输设输 入调频调频 信号为为 故其输输入信号功率为为 输输入噪声功率为为 式中，BFM 调频调频 信号的带宽带宽 ，即带带通滤滤波器的带宽带宽 因此输输入信噪比为为 17 调频系统的抗噪声性能 n5.4.2 大信噪比时时的解调调增益 u在输输入信噪比足够够大的条件下，信号和噪声的相互作 用可以忽略，这时这时 可以把信号和噪声分开来计计算。 u计计算输输出信号平均功率 输输入噪声为为0时时，解调输调输 出信号为为 故输输出信号平均功率为为 18 调频系统的抗噪声性能 u计计算输输出噪声平均功率 假设调设调 制

9、信号m(t) = 0，则则加到解调调器输输入端的是未调调 载载波与窄带带高斯噪声之和，即 式中 包络络 相位偏移 19 调频系统的抗噪声性能 在大信噪比时时，即A nc (t)和A ns (t)时时，相位偏移 可近似为为 当x 1时时有近似式 上式结结果表明，在大信噪比情况下，宽带调频宽带调频 系 统统的制度增益是很高的，即抗噪声性能好。例如，调调 频频广播中常取mf ，则则制度增益GFM =450。也就是说说， 加大调调制指数，可使调频调频 系统统的抗噪声性能迅速改 善。 25 调频系统的抗噪声性能 u调频调频 系统统与调调幅系统统比较较 在大信噪比情况下，AM信号包络检络检 波器的输输出信

10、噪比为为 若设设AM信号为为100%调调制。且m(t)为单频为单频 余弦波信号，则则 m(t)的平均功率为为 因而 式中，B为为AM信号的带宽带宽 ，它是基带带信号带宽带宽 的两倍， 即B = 2fm，故有 将两者相比，得到 26 调频系统的抗噪声性能 p讨论讨论 在大信噪比情况下，若系统统接收端的输输入A和n0相同， 则宽带调频则宽带调频 系统统解调调器的输输出信噪比是调调幅系统统的 3mf2倍。例如，mf =5时时，宽带调频宽带调频 的S0 /N0是调调幅时时的 75倍。 调频调频 系统统的这这一优优越性是以增加其传输带宽传输带宽 来换换取 的。因为为，对对于AM 信号而言，传输带宽传输带

11、宽 是2fm，而对对 WBFM信号而言，相应应于mf = 5时时的传输带宽为传输带宽为 12fm ， 是前者的6倍。 WBFM信号的传输带宽传输带宽 BFM与AM 信号的传输带宽传输带宽 BAM 之间间的一般关系为为 27 调频系统的抗噪声性能 当mf 1时时，上式可近似为为 故有 在上述条件下， 变为变为 可见见，宽带调频输宽带调频输 出信噪比相对对于调调幅的改善与它们们 带宽带宽 比的平方成正比。调频调频 是以带宽换带宽换 取信噪比的改善。 28 调频系统的抗噪声性能 p结论结论 ： 在大信噪比情况下，调频调频 系统统的抗噪声性能将比调调幅 系统优统优 越，且其优优越程度将随传输带宽传输带

12、宽 的增加而提 高。 但是，FM系统统以带宽换带宽换 取输输出信噪比改善并不是无止 境的。随着传输带宽传输带宽 的增加，输输入噪声功率增大，在 输输入信号功率不变变的条件下，输输入信噪比下降，当输输 入信噪比降到一定程度时时就会出现门现门 限效应应，输输出信 噪比将急剧恶剧恶 化。 29 调频系统的抗噪声性能 n5.4.3 小信噪比时时的门门限效应应 u当(Si /Ni)低于一定数值时值时 ，解调调器的输输出信噪比(So /No)急剧恶剧恶 化，这这种现现象称为调频为调频 信号解调调的门门限效 应应。 u门门限值值 出现门现门 限效应时应时 所对应对应 的输输入信噪比值值 称为门为门 限值值，

13、记为记为 (Si /Ni) b。 30 调频系统的抗噪声性能 u右图图画出了单单音调调制时时在不同 调调制指数下，调频调频 解调调器的输输 出信噪比与输输入信噪比的关系 曲线线。 u由此图图可见见 p门门限值值与调调制指数mf 有关。 mf 越大，门门限值值越高。不过过 不同mf 时时，门门限值值的变变化不 大，大约约在811dB的范围围内 变变化，一般认为门认为门 限值为值为 10 dB左右。 p在门门限值值以上时时， (So /No)FM与(Si /Ni)FM呈线线性关系，且 mf 越大，输输出信噪比的改善越明显显。 31 调频系统的抗噪声性能 n在门门限值值以下时时， (So /No)F

14、M将随(Si /Ni)FM的下降而急剧剧下降。 且mf越大， (So /No)FM下降越快。 n门门限效应应是FM系统统存在的一个实际问题实际问题 。尤其在采用调频调频 制 的远远距离通信和卫卫星通信等领领域中，对调频对调频 接收机的门门限效 应应十分关注，希望门门限点向低输输入信噪比方向扩扩展。 n降低门门限值值（也称门门限扩扩展）的方法有很多，例如，可以采用 锁锁相环环解调调器和负负反馈馈解调调器，它们们的门门限比一般鉴频鉴频 器的 门门限电电平低610dB。 n还还可以采用“预预加重”和“去加重”技术术来进进一步改善调频调频 解调调器 的输输出信噪比。这这也相当于改善了门门限。 32 预

15、加重和去加重 n目的： u鉴频鉴频 器输输出噪声功率谱谱随f呈抛物线线形状增大。但 在调频调频 广播中所传传送的语语音和音乐乐信号的能量却主 要分布在低频频端，且其功率谱谱密度随频频率的增高而 下降。 u因此，在调调制频频率高频频端的信号谱谱密度最小，而噪 声谱谱密度却是最大，致使高频频端的输输出信噪比明显显 下降，这对这对 解调调信号质质量会带带来很大的影响。 u为为了进进一步改善调频调频 解调调器的输输出信噪比，针对针对 鉴频鉴频 器输输出噪声谱谱呈抛物线线形状这这一特点，在调频调频 系统统中广泛采用了加重技术术，包括“预预加重和“去加 重”措施。 预加重和去加重 n“预预加重”和“去加重

16、”的设计设计 思想： u保持输输出信号不变变，有效降低输输出噪声，以达到 提高输输出信噪比的目的。 u其基本思想是在发发送端调调制器输输入端接入预预加重 滤滤波器，在接收端解调调器输输出端接入去加重滤滤波 器。预预加重滤滤波器的特性和去加重滤滤波器的特性 应应是互补补关系。 33 34 具有预加重和去加重滤波器的调频系统 去加重滤波器的传输特性随频率的增大而滚降，目的是使 调制频率高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。 去加重滤波器的加入也使传输信号产生频率失真，所以加 入预加重网络来人为的提升调制信号的高频分量，使传输信 号不失真。 去加重滤波器与预加重滤波器传输函数的关系： 35 去加重电

17、路 预加重电路 36 预加重和去加重 u性能 由于采用预预加重/去加重系统统的输输出信号功率与没有采 用预预加重/去加重系统统的功率相同，所以调频调频 解调调器的 输输出信噪比的改善程度可用加重前的输输出噪声功率与加 重后的输输出噪声功率的比值值确定，即 上式进进一步说说明，输输出信噪比的改善程度取决于去加 重网络络的特性。 37 调制 方式 传输带宽 设备复 杂程度 主要应用 AM 2fm 简单 中短波无线电广播 DSB 2fm 中等 应用较少 SSB fm 复杂 短波无线电广播、话音 频分复用、载波通信、 数据传输 VSB 略大于fm 近似SSB 复杂 电视广播、数据传输 FM中等 超短波

18、小功率电台（窄 带FM）；调频立体声广 播等高质量通信（宽带 FM） 各种模拟调制系统的比较 l5.5 各种模拟调拟调 制系统统的比较较 38 各种模拟调制系统的比较 n抗噪声性能 u 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。 u右图图画出了各种模拟调拟调 制 系统统的性能曲线线,图图中的圆圆 点表示门门限点。 u门门限点以下，曲线线迅速下跌；门门限点以上，DSB、 SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（mf = 6）的 信噪比比AM高22dB。 u当输输入信噪比较较高时时，FM的调频调频 指数mf越大，抗噪 声性能越好。 39 各种模拟

19、调制系统的比较 n频带频带 利用率 u SSB的带宽带宽 最窄，其频带频带 利用率最高；VSB 与SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差 。 u FM的调频调频 指数越大，抗噪性能越好，但占据 带宽带宽 越宽宽，频带频带 利用率越低。 可以说说，FM是以牺牺牲有效性来换换取可靠性的。 40 各种模拟调制系统的比较 n特点与应应用 uAM：优优点是接收设备简单设备简单 ；缺点是功率利用率低，抗 干扰扰能力差。主要用在中波和短波调调幅广播。 uDSB调调制：优优点是功率利用率高，且带宽带宽 与AM相同， 但设备较设备较 复杂杂。应应用较较少，一般用于点对对点专专用通 信。 uSSB调

20、调制：优优点是功率利用率和频带频带 利用率都较较高，抗 干扰扰能力和抗选择选择 性衰落能力均优优于AM，而带宽带宽 只有 AM的一半；缺点是发发送和接收设备设备 都复杂杂。SSB常用 于频频分多路复用系统统中。 uVSB调调制：抗噪声性能和频带频带 利用率与SSB相当。 在电视电视 广播、数传传等系统统中得到了广泛应应用。 uFM： FM的抗干扰扰能力强，广泛应应用于长长距离高 质质量的通信系统统中。缺点是频带频带 利用率低，存在 门门限效应应。 41 频分复用 n5.6.1 频频分复用（FDM） u目的：充分利用信道的频带资频带资 源，提高信道利用率 u原理： p按频频率划分信号的方式 p信

21、道的带宽带宽 被分为为多个不重叠的频带频带 ，每路信号占 据其中一个子通道，且各路之间间需留有未使用的防 护频带进护频带进 行分隔，防止信号重叠。 p接收端采用适当的带带通滤滤波器将多路信号分开，恢 复原信号。 42 设已知低通滤波器的截止频率为2KHz，采用DSB调制，相 干解调， （1）带通滤波器的带宽应为多大？ （2）若信号带宽为40KHz，保证信号相互无干扰并且 充分使用信道，求此信道最多能够支持多少个用户？ 43 频分复用 n典型例子：多路载载波电话电话 系统统 u每路电话电话 信号的频带频带 限制在3003400Hz，在各路已 调调信号间间留有防护频带护频带 ，每路电话电话 信号取

22、4 kHz作为为 标标准带宽带宽 u层层次结结构：12路电话电话 复用为为一个基群；5个基群复用 为为一个超群，共60路电话电话 ；由10个超群复用为为一个主 群，共600路电话电话 。如果需要传输传输 更多路电话电话 ，可以将 多个主群进进行复用，组组成巨群。 u基群频谱结频谱结 构图图 u 载载波频频率 44 频分复用 uFDM 技术术主要用于模拟拟信号，普遍应应用在多路载载波 电话电话 系统统中。 u其主要优优点是信道利用率高，技术术成熟； u缺点是设备设备 复杂杂，滤滤波器难难以制作，并且在复用和传传 输过输过 程中，调调制、解调调等过过程会不同程度地引入非线线 性失真，而产产生各路信

23、号的相互干扰扰。 45 调频立体声广播 n5.6.2 调频调频 立体声广播 u原理：是一个FDM系统统的例子 FM立体声广播中，声音在空间间上被分成两路音频频信 号，一个左声道信号L，一个右声道信号R，频频率都在 50Hz到15kHz之间间。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)。在调频调频 之前，差信号 (L-R)先对对38kHz的副载载波进进行抑制载载波双边带边带 (DSB- SC) 调调制，然后与和信号(L+R)进进行频频分复用后，作为为 FM立体声广播的基带带信号，其形成过过程如下图图所示： 46 调频立体声广播 u频谱结频谱结 构 p015kHz用于传传送(L+R)信号 p 23kHz53kHz用于传传送(L-R)信号 p 59kHz75kHz则则用作辅辅助通道 p (L-R)信号的载载波频频率为为38kHz p在19kHz处发处发 送一个单频单频 信号（导频导频 ） p在普通调频调频 广播中，只发发送015kHz的(L+R)信 号。 47 调频立体声广播 u立体声广播信号的解调调 p接收立体声广播后先进进行鉴频鉴频 ，得到频频分复用信号。对对 频频分复用信号进进行相应应的分离，以恢复出左声道信号L和 右声道信号R。 48 习题 l5-1 （2） l5-4 l5-7 l5-8 l5-13 l5-17