第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)3 OK

5.3.2調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能

調(diào)頻系統(tǒng)抗噪聲性能的分析方法和分析模型與線性調(diào)制系統(tǒng)相似；調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種，相干解調(diào)僅適用于窄帶調(diào)頻信號(hào)，且需同步信號(hào)；而非相干解調(diào)適用于窄帶和寬帶調(diào)頻信號(hào)，而且不需同步信號(hào)，因而是FM系統(tǒng)的主要解調(diào)方式，其分析模型如下圖所示。

2/5/20231第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)

帶通濾波器用于抑制帶外噪聲，設(shè)信道引入的高斯白噪聲的單邊功率譜密度為no

均值為零，單邊功率譜密度為n0的AWGN

消除接收信號(hào)在幅度上可能出現(xiàn)的畸變

抑制信號(hào)帶寬以外的噪聲

2/5/20232第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)解調(diào)器的輸入信噪比：

設(shè)輸入調(diào)頻信號(hào)為：計(jì)算輸出信噪比時(shí)，由于非相干解調(diào)不滿足疊加性，無法分別計(jì)算信號(hào)與噪聲功率，因此，也和AM信號(hào)的非相干解調(diào)一樣，考慮兩種極端情況，即大信噪比情況和小信噪比情況，使計(jì)算簡化。2/5/20233第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)

（1）大信噪比情況

在大信噪比條件下，信號(hào)和噪聲的相互作用可以忽略，這時(shí)可以把信號(hào)和噪聲分開來算，經(jīng)過分析，我們直接給出解調(diào)器的輸出信噪比2/5/20234第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)

設(shè)m(t)為單一頻率余弦波時(shí)的情況，即m(t)=cosωmt這時(shí)的調(diào)頻信號(hào)為sFM(t)=Acos［ωct+mfsinωmt］2/5/20235第四章模擬調(diào)制系統(tǒng) 鑒頻器前、后的噪聲功率譜密度如下圖所示2/5/20236第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)可得解調(diào)器的制度增益：在單頻調(diào)制下：上式表明，大信噪比時(shí)寬帶調(diào)頻系統(tǒng)的制度增益是很高的，它與調(diào)制指數(shù)的立方成正比。例如調(diào)頻廣播中常取mf=5，則制度增益GFM=450。也就是說，加大調(diào)制指數(shù)mf，可使調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速改善。2/5/20237第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)例5-5設(shè)調(diào)頻與常規(guī)調(diào)幅信號(hào)均為單頻調(diào)制，調(diào)頻指數(shù)為，調(diào)幅指數(shù),調(diào)制信號(hào)頻率為。當(dāng)信道條件相同、接收信號(hào)功率相同時(shí)比較它們的抗噪聲性能。解：調(diào)頻波的輸出信噪比常規(guī)調(diào)幅波的輸出信噪比則兩種信號(hào)輸出信噪比之比為2/5/20238第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)

由給定條件可列出以下表達(dá)式：將以上結(jié)果代入的表達(dá)式，得：

分析當(dāng)信道條件相同、接收信號(hào)功率相同時(shí)，調(diào)頻系統(tǒng)輸出信噪比是常規(guī)調(diào)幅系統(tǒng)的4.5mf2倍，與調(diào)頻指數(shù)的平方成正比。2/5/20239第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)

若不是接收信號(hào)功率相同，而是系統(tǒng)輸入的A相同：

2/5/202310第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)討論調(diào)頻系統(tǒng)的這一優(yōu)越性是以增加其傳輸帶寬來換取的。因?yàn)?，?duì)于AM信號(hào)而言，傳輸帶寬是2fm，而對(duì)WBFM信號(hào)而言，相應(yīng)于mf=5時(shí)的傳輸帶寬為12fm

，是前者的6倍。2/5/202311第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)

若（寬帶調(diào)頻），則寬帶調(diào)頻輸出信噪比相對(duì)于調(diào)幅的改善與它們帶寬比的平方成正比。調(diào)頻是以帶寬換取信噪比的改善。2/5/202312第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)結(jié)論：在大信噪比情況下，調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能將比調(diào)幅系統(tǒng)優(yōu)越，且其優(yōu)越程度將隨傳輸帶寬的增加而提高。但是，F(xiàn)M系統(tǒng)以帶寬換取輸出信噪比改善并不是無止境的。隨著傳輸帶寬的增加，輸入噪聲功率增大，在輸入信號(hào)功率不變的條件下，輸入信噪比下降，當(dāng)輸入信噪比降到一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)門限效應(yīng)，輸出信噪比將急劇惡化。2/5/202313第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)

（2）小信噪比情況與門限效應(yīng)

應(yīng)該指出，以上分析都是在Si/Ni足夠大的條件下進(jìn)行的。當(dāng)Si/Ni減小到一定程度時(shí)，解調(diào)器的輸出中不存在單獨(dú)的有用信號(hào)項(xiàng)，信號(hào)被噪聲擾亂，因而So/No急劇下降。這種情況與AM包檢時(shí)相似，我們稱之為門限效應(yīng)。出現(xiàn)門限效應(yīng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的Si/Ni值被稱為門限值，記為(Si/Ni)b。2/5/202314第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)非湘干解調(diào)的門限效應(yīng)2/5/202315第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)門限效應(yīng)是FM系統(tǒng)存在的一個(gè)實(shí)際問題。尤其在采用調(diào)頻制的遠(yuǎn)距離通信和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中，對(duì)調(diào)頻接收機(jī)的門限效應(yīng)十分關(guān)注，希望門限點(diǎn)向低輸入信噪比方向擴(kuò)展。降低門限值（也稱門限擴(kuò)展）的方法有很多，例如，可以采用鎖相環(huán)解調(diào)器和負(fù)反饋解調(diào)器，它們的門限比一般鑒頻器的門限電平低6~10dB。還可以采用“預(yù)加重”和“去加重”技術(shù)來進(jìn)一步改善調(diào)頻解調(diào)器的輸出信噪比。這也相當(dāng)于改善了門限。2/5/202316第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)

采用預(yù)加重和去加重改善信噪比原因：鑒頻器輸出噪聲功率譜隨f呈拋物線形狀增大。但在調(diào)頻廣播中所傳送的語音和音樂信號(hào)的能量卻主要分布在低頻端，且其功率譜密度隨頻率的增高而下降。在信號(hào)高頻端的信號(hào)譜密度最小，而噪聲譜密度卻是最大，致使高頻端的輸出信噪比明顯下降，這對(duì)解調(diào)信號(hào)質(zhì)量會(huì)帶來很大的影響。采用降低輸出噪聲功率N0的方法提高S0/N0。2/5/202317第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)采用預(yù)加重和去加重改善信噪比目的：為了進(jìn)一步改善調(diào)頻解調(diào)器的輸出信噪比，針對(duì)鑒頻器輸出噪聲譜呈拋物線形狀這一特點(diǎn)，在調(diào)頻系統(tǒng)中廣泛采用了加重技術(shù)，包括“預(yù)加重和“去加重”措施?！邦A(yù)加重”和“去加重”的設(shè)計(jì)思想是保持輸出信號(hào)不變，有效降低輸出噪聲，以達(dá)到提高輸出信噪比的目的。2/5/202318第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)加重技術(shù)框圖可以使輸出信噪比提高6dB左右

傳輸特性隨頻率增加而滾降，將高端的噪聲衰減，則總的噪聲功率可以減?。▽?duì)調(diào)頻尤為明顯）抵消去加重網(wǎng)絡(luò)的影響，使傳輸信號(hào)不失真

預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)去加重網(wǎng)絡(luò)2/5/202319第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)

原理“去加重”：就是在解調(diào)器輸出端接一個(gè)傳輸特性隨頻率增加而滾降的線性網(wǎng)絡(luò)Hd(f)，將調(diào)制頻率高頻端的噪聲衰減，使總的噪聲功率減小。由于去加重網(wǎng)絡(luò)的加入，在有效地減弱輸出噪聲的同時(shí)，必將使傳輸信號(hào)產(chǎn)生頻率失真?！邦A(yù)加重”：在調(diào)制器前加入一個(gè)預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)Hp(f)，人為地提升調(diào)制信號(hào)的高頻分量，以抵消去加重網(wǎng)絡(luò)的影響。顯然，為了使傳輸信號(hào)不失真，應(yīng)該有

這是保證輸出信號(hào)不變的必要條件。

2/5/202320第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)例5-6已知調(diào)制信號(hào)是8MHz的單頻余弦信號(hào)，若要求輸出信噪比為40dB，試比較調(diào)制效率為1/3的常規(guī)調(diào)幅系統(tǒng)和調(diào)頻指數(shù)為5的調(diào)頻系統(tǒng)的帶寬和發(fā)射功率。設(shè)信道噪聲的單邊功率譜密度為，信道損耗為60dB。解：調(diào)頻系統(tǒng)的帶寬和信噪比增益分別為：常規(guī)調(diào)幅系統(tǒng)的帶寬和信噪比增益分別為：

2/5/202321第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)

調(diào)頻系統(tǒng)的發(fā)射功率為：常規(guī)調(diào)幅系統(tǒng)的發(fā)射功率為：2/5/202322第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.4各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能比較同等條件下比較：在相同的解調(diào)器輸入信號(hào)功率Si、相同噪聲功率譜密度n0、相同基帶信號(hào)帶寬Bb（fm）的條件下，AM為100%調(diào)制，調(diào)制信號(hào)為均值為0的單頻正弦信號(hào)。2/5/202323第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)5、各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較結(jié)論：當(dāng)輸入信噪比較高時(shí)，采用FM方式可以得到更大好處。出現(xiàn)門限效應(yīng)時(shí)的曲線拐點(diǎn)門限電平以下，曲線將迅速跌落比AM優(yōu)越4.7dB以上比AM優(yōu)越22dB2/5/202324第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制方式傳輸帶寬優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用DSB2Bb功率利用率高要求有相干解調(diào)，設(shè)備較復(fù)雜模擬數(shù)據(jù)傳輸；低帶寬信號(hào)多路復(fù)用系統(tǒng)AM2Bb調(diào)制與解調(diào)簡單功率利用率低抗干擾能力差中波和短波的調(diào)幅無線廣播SSBBb功率利用率和頻帶利用率都較高發(fā)送和接收設(shè)備都復(fù)雜話音通信；話音頻分多路復(fù)用系統(tǒng)中VSB略大于Bb綜合了AM、SSB和DSB三者的優(yōu)點(diǎn)調(diào)制器需要對(duì)稱濾波，要求相干解調(diào)，設(shè)備復(fù)雜電視廣播系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸FM2（mf＋1）Bb寬帶FM的抗干擾能力和抗快衰落能力強(qiáng)調(diào)制器較復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸；無線電廣播；微波中繼；2/5/202325第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)5.5頻分復(fù)用(FrequencydivisionMultiplexing)FDM頻分復(fù)用是指按照頻率的不同來復(fù)用多路信號(hào)的方法。在頻分復(fù)用中，信道的帶寬被分成若干個(gè)相互不重疊的頻段，每路信號(hào)占用其中一個(gè)頻段，因而在接收端可以采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號(hào)分開，從而恢復(fù)出所需要的信號(hào)。2/5/202326第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)圖4–13頻分復(fù)用系統(tǒng)組成原理圖2/5/202327第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)SSB將所給的信道帶寬分割成互不重疊的許多小區(qū)，每個(gè)小區(qū)能順利通過一路信號(hào)防護(hù)頻帶濾波器截止特性問題收發(fā)載波同步問題優(yōu)點(diǎn)：可以在給定的信道內(nèi)同時(shí)傳輸許多路信號(hào)，提高信號(hào)傳輸?shù)挠行?/p>

缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜，因?yàn)V波器特性不夠理想和信道內(nèi)存在非線性而產(chǎn)生路間干擾2/5/202328第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)例：調(diào)頻立體聲廣播(FMStereoBroadcasting)

調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)占用頻段為88~108MHz，采用FDM方式。在調(diào)頻之前，首先采用抑制載波雙邊帶調(diào)制將左右兩個(gè)聲道信號(hào)之差(L-R)與左右兩個(gè)聲道信號(hào)之和(L+R)實(shí)行頻分復(fù)用。2/5/202329第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)立體聲廣播信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)圖2/5/202330第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)發(fā)送與接收原理圖2/5/202331第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)例：設(shè)有一個(gè)10路模擬話音信號(hào)的頻分復(fù)用系統(tǒng)，每路話音信號(hào)的頻率范圍在，副載波調(diào)制用SSB，主載波調(diào)制用FM。（1）請(qǐng)問副載波調(diào)制之后合成信號(hào)的帶寬是多少？（2）如果最大頻偏是600kHz，試求信道的傳輸帶寬。解：（