《通信原理》第5章 模擬調(diào)制(52-3)

1、2021-12-251通信原理第5章模擬調(diào)制（5.2-35.2-3）主主 講：江金龍講：江金龍E-mail：九江學(xué)院電子工程學(xué)院九江學(xué)院電子工程學(xué)院第5章模擬調(diào)制2021-12-252概要：概要：5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 5.2.1 分析模型分析模型 5.2.2 DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能調(diào)制系統(tǒng)的性能 5.2.3 SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能調(diào)制系統(tǒng)的性能 5.2.4 AM包絡(luò)檢波的性能包絡(luò)檢波的性能5.3 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）非線性調(diào)制（角度調(diào)制） 5.3.1 角度調(diào)制的概念角度調(diào)制的概念 5.3.2 窄帶調(diào)頻窄帶調(diào)頻 5.3.3 寬帶調(diào)頻寬帶調(diào)頻 5.3.4 調(diào)頻信號(hào)

2、的產(chǎn)生與解調(diào)調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)第5章模擬調(diào)制2021-12-253 5.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 5.2.1 分析模型分析模型 5.2.2 DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能調(diào)制系統(tǒng)的性能 5.2.3 SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能調(diào)制系統(tǒng)的性能 5.2.4 AM包絡(luò)檢波的性能包絡(luò)檢波的性能第5章模擬調(diào)制2021-12-254 5.2.1 分析模型分析模型 通信系統(tǒng)不可避免地會(huì)引入噪聲，通信系統(tǒng)不可避免地會(huì)引入噪聲，加性高斯白噪聲加性高斯白噪聲是最廣是最廣泛、最典型的噪聲。泛、最典型的噪聲。 以下面的模型為例研究線性調(diào)制的性能。以下面的模型為例研究線性調(diào)制的性能。其中，帶通濾波器的帶寬其

3、中，帶通濾波器的帶寬 的帶寬的帶寬.( )mSt( )in t是是（ ）噪聲：噪聲：而而第5章模擬調(diào)制2021-12-255 ( )( )cos( )siniccscn tn tt n tt2220( )( )( )icsin tn tn tn BNiN稱為解調(diào)器輸入的平均噪聲功率稱為解調(diào)器輸入的平均噪聲功率第5章模擬調(diào)制2021-12-256模擬通信系統(tǒng)的模擬通信系統(tǒng)的主要質(zhì)量指標(biāo)主要質(zhì)量指標(biāo)：（1）解調(diào)器輸出信噪比）解調(diào)器輸出信噪比噪聲平均功率信號(hào)平均功率NS22( )( )ooooSm tNn t類似地：解調(diào)器輸入信噪比類似地：解調(diào)器輸入信噪比22( )( )imiiSS tNn t第5

4、章模擬調(diào)制2021-12-257 （2）調(diào)制增益調(diào)制增益 為了比較不同解調(diào)器的性能，定義為了比較不同解調(diào)器的性能，定義/ooiiSNGS N為為調(diào)制增益調(diào)制增益或或信噪比增益信噪比增益。第5章模擬調(diào)制2021-12-258 5.2.2 DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能調(diào)制系統(tǒng)的性能 ?采用采用相干解調(diào)相干解調(diào)。第5章模擬調(diào)制2021-12-259以輸入單頻信號(hào)為例：以輸入單頻信號(hào)為例：( )( )cosmcstm tt與相干載波相乘后：與相干載波相乘后：211( )cos( )cos( )( )cos222mcccsttm ttm tm ttLPF后：后：1( )( )2ostm t第5章模擬調(diào)制2021

5、-12-2510則解調(diào)器輸出的則解調(diào)器輸出的平均有用信號(hào)功率平均有用信號(hào)功率：21( )4oSm t對(duì)解調(diào)器輸入噪聲對(duì)解調(diào)器輸入噪聲( )( )cos( )siniccscn tn tt n tt進(jìn)行解調(diào)：進(jìn)行解調(diào)：第5章模擬調(diào)制2021-12-2511 2( )cos( )cos( )sincos111( )( )cos2( )sin2222icccscccccscn ttn tt n tttn tn ttn tt低通后：低通后：1( )( )2ocn tn t第5章模擬調(diào)制2021-12-2512則解調(diào)器輸出的則解調(diào)器輸出的平均噪聲功率平均噪聲功率： 注意：對(duì)注意：對(duì)DSB調(diào)制，這里的調(diào)制

6、，這里的B =（ ） 可得解調(diào)器輸出信噪比：可得解調(diào)器輸出信噪比：20111( )444ociNn tNn BHf20( )ooSm tNn B21( )4oSm t代入：代入：第5章模擬調(diào)制2021-12-2513再求輸入信噪比，其中再求輸入信噪比，其中 2221( )( )cos( )2imcSstm ttmt有用功率：有用功率：噪聲功率：噪聲功率：0iNn B201( )2iim tSNn B比較：比較：20( )ooSm tNn B第5章模擬調(diào)制2021-12-2514 DSB的制度增益：的制度增益： /ooiiSNGS N？也就是說(shuō)：也就是說(shuō)：DSB信號(hào)的信號(hào)的相干解調(diào)器相干解調(diào)器使

7、使信噪比信噪比改善了一倍改善了一倍。 原因原因：解調(diào)器僅解調(diào)出：解調(diào)器僅解調(diào)出（ ）分量的噪聲，而分量的噪聲，而（ ）分量的噪聲直接去掉。分量的噪聲直接去掉。第5章模擬調(diào)制2021-12-2515附：附：( )Qst( )Is tI1( ) cos( )2mcsttst上支路：上支路：Q1( )sin( )2mcsttst 下支路：下支路：IQ( )( )cos( )sinmccsts ttstt第5章模擬調(diào)制2021-12-2516若：若： 的形式的形式IQ( )( )cos( )sinmccsts ttstt( )cos( )mcstAtt( )cos ( )cossin( )sinmcc

8、stAttAtt展開：展開：記作：記作：第5章模擬調(diào)制2021-12-2517 ( )Qst( )Is t-第5章模擬調(diào)制2021-12-2518 5.2.3 SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能調(diào)制系統(tǒng)的性能?采用采用相干解調(diào)相干解調(diào)。但這里的但這里的BPF帶寬（帶寬（ ）Hf第5章模擬調(diào)制2021-12-2519 01144oiNNn B這里：這里：HBf但：但：SSB11( )( )cos( )sin22ccstm ttm tt與相干載波與相干載波cos相乘，再相乘，再LPF：得解調(diào)輸出：得解調(diào)輸出：1( )( )4ostm t21( )16oSm t第5章模擬調(diào)制2021-12-2520求輸入信號(hào)的平

9、均功率：求輸入信號(hào)的平均功率：21( )cos( )sin4iccSm ttm tt2221 111( )( )( )4 224mtmtmt0iNn B第5章模擬調(diào)制2021-12-2521 SSBG? 分析：在相關(guān)解調(diào)中，信號(hào)和噪聲的分析：在相關(guān)解調(diào)中，信號(hào)和噪聲的（ ）分量）分量均均被抑制被抑制掉了，信噪比沒(méi)有改善。掉了，信噪比沒(méi)有改善。SSB解調(diào)的制度增益：解調(diào)的制度增益：21( )4iSmt0iNn B21( )16oSm t014oNn B第5章模擬調(diào)制2021-12-2522定性比較：定性比較：第5章模擬調(diào)制2021-12-2523 21( )2iSmt( )( )( )cos(

10、)micistn tm ttn t0iNn BDSB解調(diào)器輸入：解調(diào)器輸入：1( )( )2ostm t21( )4oSm t1( )( )2ocn tn t014oNn BDSB解調(diào)器輸出：解調(diào)器輸出：( )( )oostn t2GDSB制度增益：制度增益：第5章模擬調(diào)制2021-12-2524 21( )4iSmt11( )( )( )cos( )sin( )22miccistn tm ttm ttn t0iNn BSSB解調(diào)器輸入：解調(diào)器輸入：1( )( )4ostm t21( )16oSm t1( )( )2ocn tn t014oNn BSSB解調(diào)器輸出：解調(diào)器輸出：( )( )oo

11、stn t1GSSB制度增益：制度增益：第5章模擬調(diào)制2021-12-2525 由于兩者由于兩者輸入功率不同輸入功率不同，帶寬也不同帶寬也不同，不能直接得出，不能直接得出DSB的性能一定優(yōu)于的性能一定優(yōu)于SSB。 在輸入功率相同、噪聲功率譜密度相同及帶寬也相同時(shí)，在輸入功率相同、噪聲功率譜密度相同及帶寬也相同時(shí)，兩者性能是相同兩者性能是相同的。的。 但但SSB比比DSB節(jié)省一半帶寬節(jié)省一半帶寬，應(yīng)用更廣泛。，應(yīng)用更廣泛。 VSB的抗噪聲性能計(jì)算比較復(fù)雜，在殘留邊帶不是很大的的抗噪聲性能計(jì)算比較復(fù)雜，在殘留邊帶不是很大的時(shí)候，與時(shí)候，與SSB近似相同。近似相同。第5章模擬調(diào)制2021-12-25

12、265.2.4 AM包絡(luò)檢波的性能包絡(luò)檢波的性能（1）大信噪比時(shí)大信噪比時(shí)，解調(diào)性能，解調(diào)性能與相干解調(diào)與相干解調(diào)性能性能近似相同近似相同。（2）小信噪比時(shí)小信噪比時(shí)，存在，存在門限效應(yīng)門限效應(yīng)，信噪比急劇下降。，信噪比急劇下降。第5章模擬調(diào)制2021-12-25275.3 非線性調(diào)制（角度調(diào)制）非線性調(diào)制（角度調(diào)制） 5.3.1 角度調(diào)制的概念角度調(diào)制的概念 5.3.2 窄帶調(diào)頻窄帶調(diào)頻 5.3.3 寬帶調(diào)頻寬帶調(diào)頻 5.3.4 調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)第5章模擬調(diào)制2021-12-2528 5.3.1 角度調(diào)制的概念角度調(diào)制的概念 角度調(diào)制分：角度調(diào)制分： （1）頻率調(diào)制頻

13、率調(diào)制（Frequency modulation，F(xiàn)M） 載波的載波的頻率頻率隨輸入信號(hào)的變化而隨輸入信號(hào)的變化而變化變化； （2）相位調(diào)制相位調(diào)制（Phase modulation，PM） 載波的載波的相位相位隨輸入信號(hào)的變化而隨輸入信號(hào)的變化而變化變化； 角度調(diào)制角度調(diào)制會(huì)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生頻譜搬移不同的頻譜搬移不同的新的頻率成分新的頻率成分，已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)的頻譜的頻譜是是調(diào)制信號(hào)頻譜的調(diào)制信號(hào)頻譜的非線性變換非線性變換，稱為非線性調(diào)制。，稱為非線性調(diào)制。第5章模擬調(diào)制2021-12-2529 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：抗噪聲性能好抗噪聲性能好； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：帶寬很大帶寬很大。 應(yīng)用：高保真音樂(lè)廣播、電視伴音

14、、應(yīng)用：高保真音樂(lè)廣播、電視伴音、GSM等。等。第5章模擬調(diào)制2021-12-25305.3.1 角度調(diào)制的概念角度調(diào)制的概念1. FM和和PM信號(hào)的一般表達(dá)式信號(hào)的一般表達(dá)式( )cos( )mcstAtt：信號(hào)：信號(hào)瞬時(shí)相位瞬時(shí)相位，記為：，記為：( )ctt( )( )cttt( ) t：相對(duì)于載波相位的：相對(duì)于載波相位的瞬時(shí)相位偏移瞬時(shí)相位偏移。：信號(hào)：信號(hào)瞬時(shí)頻率瞬時(shí)頻率，記為：，記為：( ) /cdttdt( ) t：相對(duì)載波：相對(duì)載波 的瞬時(shí)的瞬時(shí)頻偏頻偏( )/dtdtc第5章模擬調(diào)制2021-12-2531 PM: 瞬時(shí)相位偏移瞬時(shí)相位偏移 隨調(diào)制信號(hào)隨調(diào)制信號(hào) 作線性變化。

15、作線性變化。( ) t( )m tp( )( )tKm tpK為常數(shù)，稱為調(diào)相靈敏度（為常數(shù)，稱為調(diào)相靈敏度（rad/V.）代入，得代入，得PM信號(hào)信號(hào)：PMp( )cos( )cstAtK m t第5章模擬調(diào)制2021-12-2532 FM: 瞬時(shí)頻率偏移瞬時(shí)頻率偏移 隨調(diào)制信號(hào)隨調(diào)制信號(hào) 作線性變化。作線性變化。( )/dtdt( )m t( )/( )fdtdtKm tfK為常數(shù)，稱為調(diào)頻靈敏度（為常數(shù)，稱為調(diào)頻靈敏度（rad/(s.V) ）FM( )cos( )cfstAtKmd代入，得代入，得FM信號(hào)信號(hào)：寫成積分形式：寫成積分形式：( )( )ftKmd第5章模擬調(diào)制2021-12

16、-2533PM見(jiàn)見(jiàn) p106FM第5章模擬調(diào)制2021-12-25342. 單頻信號(hào)的單頻信號(hào)的FM和和PM 確定確定最大相位偏移最大相位偏移和和最大頻偏。最大頻偏。 設(shè)調(diào)制信號(hào)：設(shè)調(diào)制信號(hào)：( )cosmmm tAtPMp( )coscoscmmstAtK AtppcosmmmpK AtK Ampm稱為稱為最大相位偏移最大相位偏移。調(diào)相調(diào)相時(shí)：時(shí)：第5章模擬調(diào)制2021-12-2535調(diào)頻調(diào)頻時(shí)：時(shí)：FM( )coscoscfmmstAtK Ad fm稱為稱為最大相位偏移最大相位偏移。cossinfmcmmK AAttsinfmfmmfmmK AK Atm第5章模擬調(diào)制2021-12-253

17、6令：令：fmK A fmmfmf則：則：fmm稱稱最大角頻最大角頻（率）（率）偏偏（移）（移） ；fmfmf 稱稱最大頻最大頻（率）（率）偏偏（移）；（移）；第5章模擬調(diào)制2021-12-25373. FM與與PM之間的關(guān)系之間的關(guān)系 頻率的積分為相位，反之，相位的微分為頻率；頻率的積分為相位，反之，相位的微分為頻率； 因此，因此，F(xiàn)M與與PM之間可以相互轉(zhuǎn)換。之間可以相互轉(zhuǎn)換。調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)積分積分PM FM調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)微分微分FM PM下面分別討論窄帶調(diào)頻、寬帶調(diào)頻及實(shí)現(xiàn)。下面分別討論窄帶調(diào)頻、寬帶調(diào)頻及實(shí)現(xiàn)。第5章模擬調(diào)制2021-12-25385.3.2 窄帶調(diào)頻窄帶調(diào)頻如果如

18、果FM信號(hào)：信號(hào)：FM( )cos( )cfstAtKmd( )0.56fKmd稱為稱為窄帶調(diào)頻（窄帶調(diào)頻（NBFM），），否則，稱寬帶調(diào)頻（否則，稱寬帶調(diào)頻（WBFM）在這個(gè)條件下，有些問(wèn)題可以簡(jiǎn)化。在這個(gè)條件下，有些問(wèn)題可以簡(jiǎn)化。第5章模擬調(diào)制2021-12-2539 FM( )cos( )cfstAtKmdcoscos( )sinsin( )cfcfAtKmdAtKmd當(dāng)滿足當(dāng)滿足( )6fKmd時(shí)時(shí)cos( )1fKmdsin( )( )ffKmdKmd第5章模擬調(diào)制2021-12-2540NBFM( )cos( )sincfcstAtAKmdt利用傅立葉變換的性質(zhì)，可得其頻域表達(dá)式：

19、利用傅立葉變換的性質(zhì)，可得其頻域表達(dá)式：NBFM( )()()()()2ccfccccSAAKMM 第5章模擬調(diào)制2021-12-2541其頻譜與其頻譜與AM非常類似：非常類似：AM( )()()1()()2ccccSAMM 圖見(jiàn)圖見(jiàn)p108 圖圖5-19NBFM的幅度基本不變，其抗干擾性能明顯優(yōu)于的幅度基本不變，其抗干擾性能明顯優(yōu)于AM.第5章模擬調(diào)制2021-12-25425.3.3 寬帶調(diào)頻寬帶調(diào)頻 頻譜分析比較困難，先研究單頻調(diào)制，然后推廣到多頻率頻譜分析比較困難，先研究單頻調(diào)制，然后推廣到多頻率調(diào)制。調(diào)制。( )cosmmm tAt設(shè)單頻調(diào)制信號(hào)：設(shè)單頻調(diào)制信號(hào)：則則FM調(diào)制信號(hào)為：

20、調(diào)制信號(hào)為：FM( )cossincfmstAtmt/ffmmmK A其中：其中：第5章模擬調(diào)制2021-12-2543 FM( )cossincfmstAtmt正交展開：正交展開：FM( )cos(sin)cossin(sin)sinfmcfmcstAmttAmtt其同相分量和正交分量再展開成傅立葉級(jí)數(shù)：其同相分量和正交分量再展開成傅立葉級(jí)數(shù)：021cos(sin)()2()cos2fmfnfmnmtJmJmnt211sin(sin)22()sin(21)fmnfmnmtJmnt第5章模擬調(diào)制2021-12-2544 0( )Jx()nfJm式中式中 為第一類為第一類n 階貝賽爾函數(shù)，其中：

21、階貝賽爾函數(shù)，其中：類似衰減的余弦類似衰減的余弦曲線，曲線，其他類似衰減其他類似衰減的的正弦正弦曲線。曲線。第5章模擬調(diào)制2021-12-2545 代入：代入：FM( )cos(sin)cossin(sin)sinfmcfmcstAmttAmtt然后，利用然后，利用11coscoscos()cos()22ABABAB11sinsincos()cos()22ABABAB 第5章模擬調(diào)制2021-12-2546 及貝賽爾函數(shù)的性質(zhì)：及貝賽爾函數(shù)的性質(zhì)：()()nfnfJmJm ()()nfnfJmJmn為奇數(shù)為奇數(shù)n為偶數(shù)為偶數(shù)得得FM的級(jí)數(shù)展開時(shí)：的級(jí)數(shù)展開時(shí)：FM( )()cos()nfcmn

22、stAJmnt第5章模擬調(diào)制2021-12-2547作傅立葉變換：作傅立葉變換： FM( )()()()nfcmcmnSAJmnn （正半邊振幅譜）（正半邊振幅譜）第5章模擬調(diào)制2021-12-2548 從理論上，從理論上，WBFM的頻譜是（的頻譜是（ ）寬度的。）寬度的。但如果但如果忽略幅度很小的頻譜忽略幅度很小的頻譜，則可認(rèn)為是，則可認(rèn)為是有限譜有限譜。一般一般忽略幅度忽略幅度10%以下以下的譜，即的譜，即()0.1nfJm第5章模擬調(diào)制2021-12-2549 理論證明：取邊頻數(shù)理論證明：取邊頻數(shù)1fnm這時(shí)：這時(shí)：FMB2(1)2()fmmmfff 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，就是時(shí)，就是NBFMFMB

23、2mf1fm當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，F(xiàn)MB2 f 1fm（Carson公式）公式）第5章模擬調(diào)制2021-12-2550 當(dāng)調(diào)制信號(hào)為當(dāng)調(diào)制信號(hào)為任意帶限任意帶限信號(hào)時(shí)，信號(hào)時(shí)， Carson公式仍適用公式仍適用FMB2(1)2()fmmmfff 只是符號(hào)只是符號(hào)含義有變含義有變：mf為調(diào)制信號(hào)的為調(diào)制信號(hào)的最高最高頻率；頻率；fm為最大頻偏為最大頻偏 與與 的比值。的比值。fmf第5章模擬調(diào)制2021-12-2551 例：調(diào)頻廣播的音頻范圍：例：調(diào)頻廣播的音頻范圍：0-15kHz，規(guī)定最大頻偏為，規(guī)定最大頻偏為75kHz，求頻帶寬度和調(diào)制指數(shù)。求頻帶寬度和調(diào)制指數(shù)。75kHzf 15kHzmfFMB2

24、()mff ？fmfmf？第5章模擬調(diào)制2021-12-2552 3. 調(diào)頻信號(hào)的功率分配調(diào)頻信號(hào)的功率分配FM( )cossincfmstAtmt( )coscc tAt而未調(diào)制時(shí)：而未調(diào)制時(shí)：2FM2AP可以證明：可以證明：2c2AP 調(diào)制前后功率不變調(diào)制前后功率不變，只是調(diào)制時(shí)，只是調(diào)制時(shí)一部分功率分配一部分功率分配到到邊頻分量。邊頻分量。第5章模擬調(diào)制2021-12-25535.3.4 調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào) 一、調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生一、調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生 （1）直接法）直接法 （2）間接法）間接法 二、調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)二、調(diào)頻信號(hào)的解調(diào) （1）非相干解調(diào)）非相干解調(diào) （2）相干

25、解調(diào)）相干解調(diào)第5章模擬調(diào)制2021-12-2554一、調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生一、調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生 （1）直接法）直接法 方法一：方法一：用用壓控振蕩器壓控振蕩器（VCO）實(shí)現(xiàn)）實(shí)現(xiàn).輸出頻率：輸出頻率：0( )( )ftK m t第5章模擬調(diào)制2021-12-2555變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管+第5章模擬調(diào)制2021-12-2556第5章模擬調(diào)制2021-12-2557 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可獲得較大的頻偏；優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可獲得較大的頻偏； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度不高頻率穩(wěn)定度不高。第5章模擬調(diào)制2021-12-2558 方法二：方法二：PLL實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)第5章模擬調(diào)制2021-12-2559（2）間接調(diào)頻法）間接調(diào)頻法NBFM( )cos( )sincfcstAtAKmdt試畫出實(shí)現(xiàn)框圖。試畫出實(shí)現(xiàn)框圖。-第5章模擬調(diào)制2021-12-2560 對(duì)對(duì)WBFM調(diào)制：調(diào)制：