通信原理模擬調(diào)制系統(tǒng)3課件

第五章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.0一些基本概念5.1幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理5.2線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能5.3非線性調(diào)制（角度調(diào)制）原理5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能5.5各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較5.6頻分復(fù)用5.7廣播與電視5.7小結(jié)2023/12/615.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理一、一些基本概念二、角度調(diào)制的基本概念三、窄帶調(diào)頻（NBFM）四、寬帶調(diào)頻五*、寬帶調(diào)相六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/625.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理頻率調(diào)制簡稱調(diào)頻（FM），相位調(diào)制簡稱調(diào)相（PM）。這兩種調(diào)制中，載波的幅度都保持恒定，而頻率和相位的變化都表現(xiàn)為載波瞬時相位的變化。角度調(diào)制：頻率調(diào)制和相位調(diào)制的總稱。已調(diào)信號頻譜不再是原調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。角度調(diào)制最突出的優(yōu)勢：與幅度調(diào)制技術(shù)相比，有較高的抗噪聲性能。一、一些基本概念2023/12/635.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(1)FM和PM信號的一般表達式角度調(diào)制信號的一般表達式為：二、角度調(diào)制的基本概念2023/12/645.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(2)相位調(diào)制（PM）：瞬時相位偏移隨調(diào)制信號作線性變化，即：Kp—調(diào)相靈敏度，是單位調(diào)制信號幅度引起PM信號的相位偏移量，單位是rad/V。將上式代入一般表達式：得到：二、角度調(diào)制的基本概念2023/12/655.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(3)頻率調(diào)制（FM）：瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號成比例變化，即：Kf

—調(diào)頻靈敏度，單位是rad/s

V這時相位偏移為：將其代入一般表達式：得到FM信號表達式：二、角度調(diào)制的基本概念2023/12/665.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(4)PM與FM的區(qū)別:比較上兩式可見，PM是相位偏移隨調(diào)制信號m(t)線性變化，F(xiàn)M是相位偏移隨m(t)的積分呈線性變化。如果預(yù)先不知道調(diào)制信號m(t)的具體形式，則無法判斷已調(diào)信號是調(diào)相信號還是調(diào)頻信號。二、角度調(diào)制的基本概念2023/12/675.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(5)單音調(diào)制FM與PM設(shè)調(diào)制信號為單一頻率的正弦波，即：用它對載波進行相位調(diào)制時，將上式代入：

得到：式中，mp=KpAm—調(diào)相指數(shù)，表示最大的相位偏移。二、角度調(diào)制的基本概念2023/12/685.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(5)單音調(diào)制FM與PM設(shè)調(diào)制信號為單一頻率的正弦波，即：用它對載波進行頻率調(diào)制時：將上式代入：

得到FM信號的表達式：二、角度調(diào)制的基本概念2023/12/695.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(5)單音調(diào)制FM與PM

式中：二、角度調(diào)制的基本概念調(diào)頻指數(shù)，表示最大的相位偏移最大角頻偏最大頻偏2023/12/6105.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(5)單音調(diào)制FM與PM二、角度調(diào)制的基本概念2023/12/6115.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(6)FM與PM之間的關(guān)系由于頻率和相位之間存在微分與積分的關(guān)系，所以FM與PM之間是可以相互轉(zhuǎn)換的。比較下面兩式可見：如果將調(diào)制信號先微分，而后進行調(diào)頻，則得到的是調(diào)相波，這種方式叫間接調(diào)相；二、角度調(diào)制的基本概念2023/12/6125.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(6)FM與PM之間的關(guān)系由于頻率和相位之間存在微分與積分的關(guān)系，所以FM與PM之間是可以相互轉(zhuǎn)換的。比較下面兩式可見：同樣，如果將調(diào)制信號先積分，而后進行調(diào)相，則得到的是調(diào)頻波，這種方式叫間接調(diào)頻。二、角度調(diào)制的基本概念2023/12/6135.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(1)定義：如果FM信號的最大瞬時相位偏移滿足下式條件：

則稱為窄帶調(diào)頻；反之，稱為寬帶調(diào)頻。三、窄帶調(diào)頻（NBFM）2023/12/6145.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(2)時域表示式：將FM信號一般表示式展開得到：當滿足窄帶調(diào)頻條件時：故上式可簡化為：三、窄帶調(diào)頻（NBFM）≈12023/12/6155.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(3)頻域表示式：利用傅里葉變換對：可得NBFM信號的頻域表達式：三、窄帶調(diào)頻（NBFM）（設(shè)m(t)的均值為0）2023/12/6165.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(4)NBFM和AM信號頻譜的比較都含有一個載波和位于±ωc處的兩個邊帶，帶寬相同；不同：NBFM的兩個邊頻分別乘了因式[1/(

+

c)]和[1/(

-

c)]，由于因式是頻率的函數(shù)，所以這種加權(quán)是頻率加權(quán)，加權(quán)的結(jié)果引起調(diào)制信號頻譜的失真；NBFM的一個邊帶和AM反相。三、窄帶調(diào)頻（NBFM）2023/12/6175.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(5)NBFM和AM信號頻譜的比較舉例以單音調(diào)制為例：設(shè)調(diào)制信號：NBFM信號為：AM信號為：

三、窄帶調(diào)頻（NBFM）2023/12/6185.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(5)NBFM和AM信號頻譜的比較舉例按照上兩式畫出的頻譜圖和矢量圖如下：三、窄帶調(diào)頻（NBFM）2023/12/6195.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(5)NBFM和AM信號頻譜的比較舉例

NBFM和AM的本質(zhì)區(qū)別

AM：兩個邊頻的合成矢量與載波同相，所以只有幅度的變化，無相位的變化；

NBFM：由于下邊頻為負，兩個邊頻的合成矢量與載波則是正交相加，所以NBFM不僅有相位的變化，幅度也有很小的變化。這正是兩者的本質(zhì)區(qū)別。三、窄帶調(diào)頻（NBFM）(a)AM(b)NBFM2023/12/6205.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(5)NBFM和AM信號頻譜的比較舉例

結(jié)論：由于NBFM信號最大頻率偏移較小，占據(jù)的帶寬較窄，但是其抗干擾性能比AM系統(tǒng)要好得多，因此得到較廣泛的應(yīng)用。三、窄帶調(diào)頻（NBFM）2023/12/6215.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(1)調(diào)頻信號時域表達式設(shè)：單音調(diào)制信號為：單音調(diào)制FM信號的時域表達式為：將上式利用三角公式展開，有：將上式中的兩個因子分別展成傅里葉級數(shù)：式中：Jn(mf)—第一類n階貝塞爾函數(shù)四、寬帶調(diào)頻2023/12/6225.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(1)調(diào)頻信號時域表達式四、寬帶調(diào)頻2023/12/6235.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(1)調(diào)頻信號時域表達式貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)：四、寬帶調(diào)頻2023/12/6245.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(1)調(diào)頻信號時域表達式將：代入：則得到FM信號的級數(shù)展開式如下：四、寬帶調(diào)頻2023/12/6255.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(2)調(diào)頻信號的頻域表達式對上式進行傅里葉變換，即得FM信號的頻域表達式：四、寬帶調(diào)頻2023/12/6265.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(2)調(diào)頻信號的頻域表達式

結(jié)論：調(diào)頻信號的頻譜由載波分量

c和無數(shù)邊頻(

c

n

m)組成；當n=0時是載波分量

c，其幅度為AJ0(mf)；

當n

0時是對稱分布在載頻兩側(cè)的邊頻分量(

c

n

m)，其幅度為AJn(mf)，相鄰邊頻之間的間隔為

m；且當n為奇數(shù)時，上下邊頻極性相反；當n為偶數(shù)時極性相同。由此可見，F(xiàn)M信號的頻譜不再是調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是一種非線性過程。

四、寬帶調(diào)頻2023/12/6275.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(2)調(diào)頻信號的頻域表達式某單音寬帶調(diào)頻波的頻譜：

四、寬帶調(diào)頻2023/12/6285.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(3)調(diào)頻信號的帶寬理論上調(diào)頻信號的頻帶寬度為無限寬。實際的頻譜：n增大，Jn(mf)的值逐漸下降。適當選擇n值，當邊頻分量小到一定程度時便可以忽略不計。因此調(diào)頻信號可近似認為具有有限頻譜。通常的原則：信號的頻帶寬度應(yīng)包括幅度大于未調(diào)載波的10%以上的邊頻分量。當mf

1以后，取邊頻數(shù)n=mf+1即可，因為n>mf+1以上的邊頻幅度均小于0.1。四、寬帶調(diào)頻2023/12/6295.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(3)調(diào)頻信號的帶寬被保留的上、下邊頻數(shù)共有2n=2(mf+1)個，相鄰邊頻之間的頻率間隔為fm，所以調(diào)頻波的有效帶寬為：

它稱為卡森（Carson）公式。四、寬帶調(diào)頻2023/12/6305.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(3)調(diào)頻信號的帶寬當mf<<1時，上式可以近似為：，這就是窄帶調(diào)頻的帶寬。當mf>>1時，上式可以近似為：，這就是寬帶調(diào)頻的帶寬。當任意限帶信號調(diào)制時，上式中fm是調(diào)制信號的最高頻率，mf是最大頻偏

f與fm之比。四、寬帶調(diào)頻2023/12/6315.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(3)調(diào)頻信號的帶寬例如：調(diào)頻廣播中規(guī)定的最大頻偏

f為75kHz，最高調(diào)制頻率fm為15kHz，故調(diào)頻指數(shù)mf

=5，由上式可計算出此FM信號的頻帶寬度為180kHz。四、寬帶調(diào)頻2023/12/6325.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(4)調(diào)頻信號的功率分配調(diào)頻信號的平均功率為：由帕塞瓦爾定理可知：利用貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)：得到：結(jié)論：調(diào)頻信號的平均功率等于未調(diào)載波的平均功率，即調(diào)制后總的功率不變，只是將原來載波功率中的一部分分配給每個邊頻分量。四、寬帶調(diào)頻調(diào)制過程只是功率的重新分配，分配的原則與mf有關(guān)！2023/12/6335.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(1)調(diào)相信號的數(shù)學表達式單頻調(diào)制信號：m(t)=Amcosωmt調(diào)相信號的時域表達式：sPM(t)=Acos(ωct+KPMAmcosωmt)

=Acos(ωct+mPcosωmt)φ(t)=KPMm(t)調(diào)相指數(shù)mP是最大相位偏移的數(shù)量，即：mP=│φ(t)│max=│KPMAmcosωmt│max=KPMAm調(diào)相信號最大角頻偏：Δωmax=mPωm五*、寬帶調(diào)相2023/12/6345.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(2)寬帶調(diào)相信號的帶寬單頻調(diào)制信號時調(diào)相與調(diào)頻的對比：sPM(t)=Acos(ωct+mPcosωmt)sFM(t)=Acos(ωct+mfsinωmt)用mP代替mf，有關(guān)調(diào)頻信號的結(jié)論同樣適用于調(diào)相信號。與寬帶調(diào)頻相比，調(diào)相信號各邊頻分量的相移不同。調(diào)相信號帶寬：BPM=2(mP+1)fm當mP>>1時，BPM≈2mPfm五*、寬帶調(diào)相2023/12/6355.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(3)寬帶調(diào)相信號的特性調(diào)相中的mP與調(diào)頻中的mf相比，其變化規(guī)律和對帶寬的影響有明顯的差別。調(diào)相指數(shù)與帶寬的關(guān)系：由于mP=KPMAm，所以mP與調(diào)制信號頻率fm無關(guān)。當KPM保持不變，fm提高，mP并不變化。調(diào)相信號的帶寬隨著fm的增加成比例增大（BPM≈2mPfm）。五*、寬帶調(diào)相2023/12/6365.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(3)寬帶調(diào)相信號的特性結(jié)論：調(diào)相信號的帶寬隨調(diào)制信號頻率的變化而變化，這對于充分利用傳輸信道的頻帶是很不利的（這一點和調(diào)制技術(shù)的困難使它沒有調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用廣泛）。★五*、寬帶調(diào)相2023/12/6375.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(1)調(diào)頻信號的產(chǎn)生①直接調(diào)頻法：用調(diào)制信號直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號的規(guī)律線性地變化。壓控振蕩器：每個壓控振蕩器（VCO）自身就是一個FM調(diào)制器，因為它的振蕩頻率正比于輸入控制電壓，即：LC振蕩器：用變?nèi)荻O管實現(xiàn)直接調(diào)頻。六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6385.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(1)調(diào)頻信號的產(chǎn)生①直接調(diào)頻法：直接調(diào)頻法的主要優(yōu)缺點：

優(yōu)點：可以獲得較大的頻偏。

缺點：頻率穩(wěn)定度不高

改進途徑：采用如下鎖相環(huán)（PLL）調(diào)制器

六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6395.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理②間接法調(diào)頻[阿姆斯特朗（Armstrong）法]：先將調(diào)制信號積分，然后對載波進行調(diào)相，即可產(chǎn)生一個窄帶調(diào)頻（NBFM）信號，再經(jīng)n次倍頻器得到寬帶調(diào)頻（WBFM）信號。六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6405.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理②間接法調(diào)頻[阿姆斯特朗（Armstrong）法]：間接法產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號：窄帶調(diào)頻信號可看成由正交分量與同相分量合成的。所以可以用下圖產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號：六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6415.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理②間接法調(diào)頻[阿姆斯特朗（Armstrong）法]：

倍頻：

目的：為提高調(diào)頻指數(shù)，從而獲得寬帶調(diào)頻。

方法：倍頻器可以用非線性器件實現(xiàn)。

原理：以理想平方律器件為例，其輸出－輸入特性為：當輸入信號為調(diào)頻信號時，有：六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6425.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理②間接法調(diào)頻[阿姆斯特朗（Armstrong）法]：

結(jié)論：濾除直流成分后，可得到一個新的調(diào)頻信號，其載頻和相位偏移均增為2倍，由于相位偏移增為2倍，因而調(diào)頻指數(shù)也必然增為2倍。同理,經(jīng)n次倍頻后可以使調(diào)頻信號的載頻和調(diào)頻指數(shù)增為n倍。六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6435.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理②間接法調(diào)頻[阿姆斯特朗（Armstrong）法]：典型實例：調(diào)頻廣播發(fā)射機載頻：f1=200kHz

調(diào)制信號最高頻率：fm=15kHz

間接法產(chǎn)生的最大頻偏：

f1=25Hz

調(diào)頻廣播要求的最終頻偏

f=75kHz，發(fā)射載頻在88-108MHz頻段內(nèi)，所以需要經(jīng)過：次的倍頻，以滿足最終頻偏=75kHz的要求。六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6445.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理②間接法調(diào)頻[阿姆斯特朗（Armstrong）法]：典型實例：倍頻器在提高相位偏移的同時，也使載波頻率提高了，倍頻后新的載波頻率(nf1)高達600MHz，不符合fc=88～108MHz的要求，因此需用混頻器進行下變頻來解決這個問題。

六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6455.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理②間接法調(diào)頻[阿姆斯特朗（Armstrong）法]：典型實例：六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6465.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理②間接法調(diào)頻[阿姆斯特朗（Armstrong）法]：【例5-1】在上述寬帶調(diào)頻方案中，設(shè)調(diào)制信號是fm=15kHz的單頻余弦信號，NBFM信號的載頻f1=200kHz，最大頻偏

f1=25Hz；混頻器參考頻率f2=10.9MHz，選擇倍頻次數(shù)n1=64，n2=48。(1)求NBFM信號的調(diào)頻指數(shù)；(2)求調(diào)頻發(fā)射信號（即WBFM信號）的載頻、最大頻偏和調(diào)頻指數(shù)。六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6475.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理②間接法調(diào)頻[阿姆斯特朗（Armstrong）法]：【例5-1】【解】(1)NBFM信號的調(diào)頻指數(shù)為：(2)調(diào)頻發(fā)射信號的載頻為：(3)最大頻偏為：(4)調(diào)頻指數(shù)為：六、調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)2023/12/6485.3非線性調(diào)制(角度調(diào)制)原理(2)