現(xiàn)代通信原理(04-1).ppt

1、2020/7/15，1，現(xiàn)代通信原理，第4章模擬角度調(diào)制(1)，2020/7/15，2，單元概述，調(diào)頻信號理論上有一個無限寬的頻帶，在實際應(yīng)用中通常用卡森公式計算。調(diào)頻信號占據(jù)了很寬的頻帶，但其抗噪聲性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性調(diào)制，因此得到了廣泛的應(yīng)用。2020/7/15，3，單元學(xué)習(xí)大綱，(1)單頻調(diào)制下寬帶調(diào)頻信號的時域和頻域表達(dá)；(2)窄帶調(diào)頻信號的時域和頻域表示，以及窄帶調(diào)頻信號與常規(guī)調(diào)幅信號的區(qū)別；(3)調(diào)頻指數(shù)和頻偏的定義和物理意義；(4)調(diào)頻信號的解調(diào)方法；(5)調(diào)頻信號在5)AWGN信道中的抗噪聲性能，了解信噪比增益與調(diào)頻指數(shù)的關(guān)系；2020/7/15，4，(6)調(diào)頻信號非相干解調(diào)中閾值

2、效應(yīng)的物理解釋；(7)通過預(yù)加重/去加重提高信噪比的原理；(8)提高閾效應(yīng)的方法和基本原則；(9)調(diào)頻在廣播電視中的應(yīng)用。2020年7月15日，第4章模擬角度調(diào)制，4.1基本概念1?；靖拍?。非線性調(diào)制：光譜之間的非線性2。相位調(diào)制載波頻率=Acos瞬時相位偏移=KPMF；瞬時相位(t)=KPMf(t) 0，其中KPM相移常數(shù)取決于實現(xiàn)電路的時域表達(dá)式：SPM (t)=acosct kpmf (t)，2020/7/15，6，第4章模擬角度調(diào)制，4.1基本概念1?；靖拍钤诘谌履M線性調(diào)制中，調(diào)制信號的頻譜僅與調(diào)制信號的頻譜成線性關(guān)系。本章介紹的模擬角度調(diào)制是一種非線性調(diào)制。與調(diào)制信號相比，

3、調(diào)制信號具有新的頻率成分。2020/7/15，7，第4章模擬角度調(diào)制，假設(shè)未調(diào)制載波C(t)=Acos(c 0)振幅a、頻率f(角頻率C)和相位角(c 0)(初始相位0)可以攜帶信息，產(chǎn)生三種模擬調(diào)制模式：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。2020/7/15，8，第4章，模擬角度調(diào)制。在模擬通信中，常用調(diào)頻方法，如調(diào)頻廣播、電視伴音、衛(wèi)星通信等。在數(shù)字通信中，經(jīng)常使用相位調(diào)制，如PSK和QPSK。2020/7/15，9，1。調(diào)頻的定義：調(diào)制信號的瞬時角頻率(或頻率)隨著調(diào)制信號的幅度而變化。時間表達(dá)式：SFM=頻率偏移=頻率偏移；瞬時角頻率=kfmf (t)頻率偏移常數(shù)KFM，2020/7/15，

4、10，調(diào)頻波的另一個時域表達(dá)式：由于瞬時角頻率和瞬時相角是微分和積分的，即2020/7/15，11，調(diào)頻波的另一個時域表達(dá)式是：2000時域表達(dá)式：SPM=Acocct KPmf(t)KFM稱為相移常數(shù)，2020/7/15，13，3。間接相位調(diào)制/頻率調(diào)制由于相位和頻率是微分和積分的，所以相位調(diào)制可以通過頻率調(diào)制器來實現(xiàn)，這就是間接相位調(diào)制。您也可以使用相位調(diào)制器來實現(xiàn)頻率調(diào)制，這稱為間接頻率調(diào)制。間接相位調(diào)制，間接頻率調(diào)制，2020/7/15，14，通常相位調(diào)制器的調(diào)節(jié)范圍不能超過(-，)，因此直接相位調(diào)制和間接頻率調(diào)制僅適用于窄帶角度調(diào)制。對于寬帶角度調(diào)制，通常使用直接頻率調(diào)制和間接相位調(diào)

5、制。2020/7/15，15，2。單頻余弦調(diào)制信號f(t)=Amcosmt，相位調(diào)制信號，相位調(diào)制指數(shù)PM=KPMAm，2020/7/15，16，頻率調(diào)制信號，頻率調(diào)制指數(shù)為FM，用瞬時角頻率表示，其中max=KFMAM為最大角頻率偏移。2020/7/15，17，2020/7/15，18，4.2。根據(jù)調(diào)制載波的瞬時相位偏移，角度調(diào)制可分為寬帶和窄帶。，2020/7/15，19，1。窄帶調(diào)頻，1。時域，根據(jù)三角函數(shù)公式，當(dāng)滿足窄帶條件時，有，窄帶調(diào)頻信號可以表示為：2020/7/15，20，2。頻域，如果調(diào)制信號f(t)的頻譜為f()，則窄帶調(diào)頻信號的頻域表達(dá)式為：2020/7/15，22。將窄

6、帶調(diào)頻信號與調(diào)幅信號進(jìn)行比較，以單頻調(diào)制為例，f(t)=AMCOST，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號，2020/7/15，23，2020/7/15，24，兩者都有載波的兩個邊帶，合成矢量始終與載波同相，M旋轉(zhuǎn)的變化不會引起載波頻率的變化，只會引起幅度的變化。2020/7/15，26，(4)窄帶調(diào)頻改變載波頻率。合成矢量總是垂直于載波矢量，并且載波頻率由于M旋轉(zhuǎn)的改變而改變，而不改變載波幅度。2020/7/15，27，2。窄帶相位調(diào)制，時域，頻域，2020/7/15，28，窄帶相位調(diào)制與常規(guī)幅度調(diào)制的比較，窄帶相位調(diào)制與常規(guī)幅度調(diào)制相似，其頻譜包括載波頻率C和C附近的兩個邊帶，在窄帶相位調(diào)制中，F(xiàn)(-c)向C位置

7、偏移應(yīng)偏移90O。通過窄帶相位調(diào)制移動到-c位置的F(c)應(yīng)該移動-90O。2020/7/15，29，4.3寬帶頻率調(diào)制當(dāng)正弦信號被調(diào)制時，讓調(diào)制信號為單頻余弦f(t)=Amcosmt=Amcos2fmt，其中頻率調(diào)制指數(shù)，如果窄帶條件不滿足，三角函數(shù)的近似表達(dá)式不成立，而2020/7/15，30，4.3寬帶當(dāng)正弦信號被調(diào)制時。公式中的系數(shù)稱為貝塞爾函數(shù)，可以用無窮級數(shù)計算。2020/7/15，32，2020/7/15，33，2020/7/15，34。以下公式是用貝塞爾函數(shù)表示的寬帶調(diào)頻信號。貝塞爾函數(shù)具有以下性質(zhì)：奇次諧波關(guān)于=c軸是奇次對稱的，偶次諧波關(guān)于=c軸是偶次對稱的，2020/7/

8、15，35，這相當(dāng)于窄帶頻率調(diào)制。對于任意調(diào)頻值，每階貝塞爾函數(shù)的平方和總是等于1，即調(diào)制波的諧波能量之和等于載波能量，滿足能量守恒。2020/7/15，36，使用cos xcosy=cos(x-y)cos(x-y)/2 sinx siny=cos(x-y)-cos(x-y)/2j-n(FM)=(1)njn(FM)得出結(jié)論。33390.00000000006奇數(shù)諧波關(guān)于=c軸是奇數(shù)對稱的，偶數(shù)諧波關(guān)于=c軸具有無限帶寬偶數(shù)對稱調(diào)頻信號。2020/7/15，37，2。單頻調(diào)頻信號的特性，1。寬帶調(diào)頻信號的頻譜是在載波頻率兩側(cè)對稱分布的無限對邊頻分量。2.由于貝塞爾系數(shù)隨著階數(shù)的增加而減小，所以功

9、率較高的頻率分量主要集中在低階頻譜，只有在調(diào)頻帶寬內(nèi)的信號才能傳輸。通常，|Jn(FM)|0.01A的邊帶頻率被認(rèn)為是有效諧波，其中a是未調(diào)制載波的幅度。2020/7/15，38，2。單頻調(diào)制調(diào)頻信號的特性。能夠傳遞有效諧波的帶寬就是有效帶寬。在BFM=2nmaxfm公式中，nmax是有效諧波數(shù)，即2020/7/15、39、4 . 3 . 2-卡森公式中的單頻調(diào)制帶寬，有效計算帶寬的公式稱為卡森公式。其中調(diào)頻是頻率調(diào)制指數(shù)。Fm是調(diào)制信號的帶寬。2020/7/15，40，4.3.2，單頻調(diào)制帶寬-卡森公式。上述公式表明，邊頻分量只計算到調(diào)頻一次。圖4-8示出了調(diào)頻信號帶寬與調(diào)頻指數(shù)之間的關(guān)系曲

10、線。當(dāng)fm1和BFM=2fm時，這是窄帶頻率調(diào)制的情況。當(dāng)FM1，BFM=2fmax，2020/7/15，41，4.3.3為單頻調(diào)制時，調(diào)頻信號中所有頻率分量(包括載波)的平均功率之和為常數(shù)。當(dāng)調(diào)頻=0時，即無調(diào)制時，J0(N)=1，總功率為載波功率A02/2。當(dāng)FM0，即調(diào)制為J0(N)1時，載波功率下降，能量分配到邊頻，但總功率為A02/2。例4-1，2020/7/15，400一個雙頻和多頻正弦信號調(diào)制雙頻調(diào)制信號f(t)=Am1cosm1t Am2cosm2t，其中頻率調(diào)制指數(shù)2020/7/15，43被引入到復(fù)信號表示中，其中2020/7/15，44，2020/7/15，45，n個頻率正

11、弦信號被調(diào)制，這可以通過相同的方式獲得。在雙頻正弦和多頻正弦調(diào)制的頻譜中，不僅有c nm1和cnkm2的無限線性分量，還有c nm1和cnk m2的無限非線性分量，稱為交叉分量，它們大大增加了頻率分量。2020/7/15/47/4/4/1，周期信號被頻率調(diào)制，并且周期信號可以通過傅立葉級數(shù)分解成無限頻率分量。它可以通過多頻調(diào)制來計算，但是太復(fù)雜了。下面討論一個更簡潔的方法。2020/7/15，48，調(diào)頻波可以表示為：2020/7/15，49，因為調(diào)制信號f(t)是周期信號，所以q(t)也是周期信號，可以用傅里葉級數(shù)展開：2020/7/15，50，調(diào)頻波可以表示為：見例4-3，2020/7/15

12、，51，4.4.2隨機(jī)信號的頻率調(diào)制，隨機(jī)信號f(t)，其概率密度函數(shù)因為調(diào)制信號的頻率與調(diào)制信號的幅度成正比，所以pf(t)和FM(FM。如下圖所示。2020/7/15，52，圖4-11，隨機(jī)信號的幅度概率密度，2020/7/15，53，圖4-12，頻率調(diào)制后隨機(jī)信號的功率譜，2020/7/15，54，4.4.3，帶寬，頻偏比，最大值如何計算任何帶限信號的帶寬。首先，定義頻率偏移比，2020/7/15，55，用DFM代替卡森公式中的調(diào)頻指數(shù)。調(diào)頻帶寬的計算公式為BFM=2(DFM 1)fmax。實際應(yīng)用表明，上述公式計算的帶寬較窄。對于DFM2，由以下公式計算的帶寬通常更好。BFM=2 (D

13、FM 2) fmax，2020/7/。4.5.1單頻寬帶相位調(diào)制的推導(dǎo)與單頻寬帶頻率調(diào)制信號的推導(dǎo)相同，包括：2020/7/15，57，4.5寬帶相位調(diào)制。相位調(diào)制信號的頻譜與頻率調(diào)制信號的頻譜之間的差別在于各邊頻率分量的相移。當(dāng)PM 1為B PM=2PMfm，2020/7/15，58時，相位調(diào)制信號的帶寬為B PM B PM=2(PM 1)fm，與寬帶fm相比，對于寬帶FM: B FM 2FMfm=2(KFMAm/m)*fm當(dāng)調(diào)制信號的頻譜變寬時，調(diào)頻信號的帶寬不會改變。對于寬帶相位調(diào)制：B PM 2PMfm=2(KPMAm)*fm當(dāng)調(diào)制信號的頻譜變寬時，調(diào)制信號的帶寬也會變寬，這對頻分復(fù)用

14、系統(tǒng)非常不利，因此很少使用模擬寬帶相位調(diào)制。2020/7/15，59，4.6調(diào)頻信號生成和解調(diào)，1。調(diào)頻信號產(chǎn)生：兩種方法1。直接方法：利用調(diào)制信號改變壓控振蕩器的頻率。2020/7/15，60，振蕩器的瞬時頻率，其中載波頻率為2020/7/15，61。通常，壓控振蕩器的電容器中只有一個變?nèi)荻O管，調(diào)制信號作為偏置電壓加到變?nèi)荻O管上。當(dāng)信號幅度改變時，偏置電壓的改變將導(dǎo)致變?nèi)荻O管的電容改變，這又將導(dǎo)致本地振蕩器的頻率改變。2020/7/15，62，2020/7/15，63，2。窄帶調(diào)頻信號可以用下面的公式表示：2020/7/15，64，然后用理想的平方律非線性器件實現(xiàn)倍頻。窄帶調(diào)頻調(diào)制器框圖，2020/7/15，65，理想平方律非線性器件So(t)=As2(t)輸入調(diào)頻信號Si (t)=ACOSCT()。經(jīng)過N次倍頻后，調(diào)頻指數(shù)增加了N倍，實現(xiàn)了寬帶調(diào)頻。202