通信原理 5-3.ppt

1、1,調頻信號的產(chǎn)生與解調,5.3.4 調頻信號的產(chǎn)生與解調 調頻信號的產(chǎn)生 直接調頻法：用調制信號直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調制信號的規(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調制器，因為它的振蕩頻率正比于輸入控制電壓，即 方框圖 LC振蕩器：用變容二極管實現(xiàn)直接調頻。,2,角度調制原理,直接調頻法的主要優(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）調制器,3,角度調制原理,間接法調頻 阿姆斯特朗（Armstrong）法 原理：先將調制信號積分，然后對載波進行調相，即可產(chǎn)生一個窄帶調頻(NBFM)信號，再經(jīng)n次

2、倍頻器得到寬帶調頻 (WBFM) 信。 方框圖,4,角度調制原理,間接法產(chǎn)生窄帶調頻信號 由窄帶調頻公式 可知，窄帶調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)生窄帶調頻信號：,5,角度調制原理,倍頻： 目的：為提高調頻指數(shù)，從而獲得寬帶調頻。 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 當輸入信號為調頻信號時，有 由上式可知，濾除直流成分后，可得到一個新的調頻信號，其載頻和相位偏移均增為2倍，由于相位偏移增為2倍，因而調頻指數(shù)也必然增為2倍。 同理，經(jīng)n次倍頻后可以使調頻信號的載頻和調頻指數(shù)增為n倍。,6,角度調制原理,典型實例：調頻廣播

3、發(fā)射機 載頻：f1 = 200kHz 調制信號最高頻率 fm = 15kHz 間接法產(chǎn)生的最大頻偏 f1 = 25 Hz 調頻廣播要求的最終頻偏 f =75 kHz，發(fā)射載頻在88-108 MHz頻段內，所以需要經(jīng)過 次的倍頻，以滿足最終頻偏=75kHz的要求。 但是，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。,7,角度調制原理,具體方案,8,角度調制原理,【例】 在上述寬帶調頻方案中，設調制信號是fm =15 kHz的單頻余弦信號，NBFM信號的載頻f1 =

4、200 kHz，最大頻偏f1 =25 Hz；混頻器參考頻率f2 = 10.9 MHz，選擇倍頻次數(shù)n1 = 64，n2 =48。 (1) 求NBFM信號的調頻指數(shù)； (2) 求調頻發(fā)射信號（即WBFM信號）的載頻、最大頻偏和調頻指數(shù)。 【解】（1）NBFM信號的調頻指數(shù)為 （2）調頻發(fā)射信號的載頻為,9,角度調制原理,(3) 最大頻偏為 (4) 調頻指數(shù)為,10,調頻信號的解調,調頻信號的解調 非相干解調：調頻信號的一般表達式為 解調器的輸出應為 完成這種頻率-電壓轉換關系的器件是頻率檢波器，簡稱鑒頻器。 鑒頻器的種類很多，例如振幅鑒頻器、相位鑒頻器、比例鑒頻器、正交鑒頻器、斜率鑒頻器、頻率負

5、反饋解調器、鎖相環(huán)(PLL)鑒頻器等。 下面以振幅鑒頻器為例介紹：,11,角度調制原理,振幅鑒頻器方框圖 圖中，微分電路和包絡檢波器構成了具有近似理想鑒頻特性的鑒頻器。 限幅器的作用是消除信道中噪聲等引起的調頻波的幅度起伏 。,12,角度調制原理,微分器的作用是把幅度恒定的調頻波sFM (t)變成幅度和頻率都隨調制信號m(t)變化的調幅調頻波sd (t)，即 包絡檢波器則將其幅度變化檢出并濾去直流，再經(jīng)低通濾波后即得解調輸出 式中Kd 為鑒頻器靈敏度，單位為V/rad/s,13,角度調制原理,相干解調：相干解調僅適用于NBFM信號 由于NBFM信號可分解成同相分量與正交分量之和，因而可以采用線

6、性調制中的相干解調法來進行解調，如下圖所示。,14,角度調制原理,設窄帶調頻信號 并設相干載波 則相乘器的輸出為 經(jīng)低通濾波器取出其低頻分量 再經(jīng)微分器，即得解調輸出 可見，相干解調可以恢復原調制信號。,15,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,5.4調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能 重點討論FM非相干解調時的抗噪聲性能 分析模型： n(t) 均值為零，單邊功率譜密度為n0的高斯白噪聲,16,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,輸入信噪比 設輸入調頻信號為 故其輸入信號功率為 輸入噪聲功率為 式中，BFM 調頻信號的帶寬，即帶通濾波器的帶寬 因此輸入信噪比為,17,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,5.4.2 大信噪比時的解調增益 在輸入信噪比

7、足夠大的條件下，信號和噪聲的相互作用可以忽略，這時可以把信號和噪聲分開來計算。 計算輸出信號平均功率 輸入噪聲為0時，解調輸出信號為 故輸出信號平均功率為,18,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,計算輸出噪聲平均功率 假設調制信號m(t) = 0，則加到解調器輸入端的是未調載波與窄帶高斯噪聲之和，即 式中 包絡 相位偏移,19,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,在大信噪比時，即A nc (t)和A ns (t)時，相位偏移 可近似為 當x 1時，有arctan x x，故 由于鑒頻器的輸出正比于輸入的頻率偏移，故鑒頻器的輸出噪聲（在假設調制信號為0時，解調結果只有噪聲）為 式中ns(t)是窄帶高斯噪聲ni(t)的正交

8、分量。,20,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,由于dns(t)/dt實際上就是ns(t)通過理想微分電路的輸出，故它的功率譜密度應等于ns(t)的功率譜密度乘以理想微分電路的功率傳輸函數(shù)。 設ns(t)的功率譜密度為Pi (f) = n0，理想微分電路的功率傳輸函數(shù)為 則鑒頻器輸出噪聲nd(t)的功率譜密度為,21,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,鑒頻器前、后的噪聲功率譜密度如下圖所示,22,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,由圖可見，鑒頻器輸出噪聲 的功率譜密度已不再是均勻分布， 而是與 f 2成正比。該噪聲再經(jīng)過低 通濾波器的濾波，濾除調制信號 帶寬fm以外的頻率分量，故最 終解調器輸出（LPF輸出）的噪聲 功率（圖中陰

9、影部分）為,23,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,計算輸出信噪比 于是，F(xiàn)M非相干解調器輸出端的輸出信噪比為 簡明情況 考慮m(t)為單一頻率余弦波時的情況，即 這時的調頻信號為 式中 將這些關系代入上面輸出信噪比公式， 得到：,24,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,制度增益 考慮在寬帶調頻時，信號帶寬為 所以，上式還可以寫成 當mf 1時有近似式 上式結果表明，在大信噪比情況下，寬帶調頻系統(tǒng)的制度增益是很高的，即抗噪聲性能好。例如，調頻廣播中常取mf ，則制度增益GFM =450。也就是說，加大調制指數(shù)，可使調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速改善。,25,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,調頻系統(tǒng)與調幅系統(tǒng)比較 在大信噪比情況下，A

10、M信號包絡檢波器的輸出信噪比為 若設AM信號為100%調制。且m(t)為單頻余弦波信號，則m(t)的平均功率為 因而 式中，B為AM信號的帶寬，它是基帶信號帶寬的兩倍，即B = 2fm，故有 將兩者相比，得到,26,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,討論 在大信噪比情況下，若系統(tǒng)接收端的輸入A和n0相同，則寬帶調頻系統(tǒng)解調器的輸出信噪比是調幅系統(tǒng)的3mf2倍。例如，mf =5時，寬帶調頻的S0 /N0是調幅時的75倍。 調頻系統(tǒng)的這一優(yōu)越性是以增加其傳輸帶寬來換取的。因為，對于AM 信號而言，傳輸帶寬是2fm，而對WBFM信號而言，相應于mf = 5時的傳輸帶寬為12fm ，是前者的6倍。 WBFM信號的

11、傳輸帶寬BFM與AM 信號的傳輸帶寬BAM之間的一般關系為,27,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,當mf 1時，上式可近似為 故有 在上述條件下， 變?yōu)?可見，寬帶調頻輸出信噪比相對于調幅的改善與它們帶寬比的平方成正比。調頻是以帶寬換取信噪比的改善。,28,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,結論： 在大信噪比情況下，調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能將比調幅系統(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，在輸入信號功率不變的條件下，輸入信噪比下降，當輸入信噪比降到一定程度時就會出現(xiàn)門限效應，輸出信噪比將急劇惡化。,29,調頻系統(tǒng)的抗噪聲

12、性能,5.4.3 小信噪比時的門限效應 當(Si /Ni)低于一定數(shù)值時，解調器的輸出信噪比(So /No)急劇惡化，這種現(xiàn)象稱為調頻信號解調的門限效應。 門限值 出現(xiàn)門限效應時所對應的輸入信噪比值稱為門限值，記為(Si /Ni) b。,30,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,右圖畫出了單音調制時在不同 調制指數(shù)下，調頻解調器的輸 出信噪比與輸入信噪比的關系 曲線。 由此圖可見 門限值與調制指數(shù)mf 有關。 mf 越大，門限值越高。不過 不同mf 時，門限值的變化不 大，大約在811dB的范圍內 變化，一般認為門限值為10 dB左右。 在門限值以上時， (So /No)FM與(Si /Ni)FM呈線性關系

13、，且mf 越大，輸出信噪比的改善越明顯。,31,調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,在門限值以下時， (So /No)FM將隨(Si /Ni)FM的下降而急劇下降。且mf越大， (So /No)FM下降越快。 門限效應是FM系統(tǒng)存在的一個實際問題。尤其在采用調頻制的遠距離通信和衛(wèi)星通信等領域中，對調頻接收機的門限效應十分關注，希望門限點向低輸入信噪比方向擴展。 降低門限值（也稱門限擴展）的方法有很多，例如，可以采用鎖相環(huán)解調器和負反饋解調器，它們的門限比一般鑒頻器的門限電平低610dB。 還可以采用“預加重”和“去加重”技術來進一步改善調頻解調器的輸出信噪比。這也相當于改善了門限。,32,預加重和去加重,目

14、的： 鑒頻器輸出噪聲功率譜隨f呈拋物線形狀增大。但在調頻廣播中所傳送的語音和音樂信號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。 因此，在調制頻率高頻端的信號譜密度最小，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，這對解調信號質量會帶來很大的影響。 為了進一步改善調頻解調器的輸出信噪比，針對鑒頻器輸出噪聲譜呈拋物線形狀這一特點，在調頻系統(tǒng)中廣泛采用了加重技術，包括“預加重和“去加重”措施。,預加重和去加重,“預加重”和“去加重”的設計思想： 保持輸出信號不變，有效降低輸出噪聲，以達到提高輸出信噪比的目的。 其基本思想是在發(fā)送端調制器輸入端接入預加重濾波器，在接收端解調

15、器輸出端接入去加重濾波器。預加重濾波器的特性和去加重濾波器的特性應是互補關系。,33,34,具有預加重和去加重濾波器的調頻系統(tǒng),去加重濾波器的傳輸特性隨頻率的增大而滾降，目的是使調制頻率高頻端的噪聲衰減，使總的噪聲功率減小。 去加重濾波器的加入也使傳輸信號產(chǎn)生頻率失真，所以加入預加重網(wǎng)絡來人為的提升調制信號的高頻分量，使傳輸信號不失真。 去加重濾波器與預加重濾波器傳輸函數(shù)的關系：,35,去加重電路,預加重電路,36,預加重和去加重,性能 由于采用預加重/去加重系統(tǒng)的輸出信號功率與沒有采用預加重/去加重系統(tǒng)的功率相同，所以調頻解調器的輸出信噪比的改善程度可用加重前的輸出噪聲功率與加重后的輸出噪聲

16、功率的比值確定，即 上式進一步說明，輸出信噪比的改善程度取決于去加重網(wǎng)絡的特性。,37,各種模擬調制系統(tǒng)的比較,5.5 各種模擬調制系統(tǒng)的比較,38,各種模擬調制系統(tǒng)的比較,抗噪聲性能 WBFM抗噪聲性能最好， DSB、SSB、VSB抗噪聲 性能次之，AM抗噪聲性 能最差。 右圖畫出了各種模擬調制 系統(tǒng)的性能曲線,圖中的圓 點表示門限點。 門限點以下，曲線迅速下跌；門限點以上，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。 當輸入信噪比較高時，F(xiàn)M的調頻指數(shù)mf越大，抗噪聲性能越好。,39,各種模擬調制系統(tǒng)的比較,頻帶利用率 SSB的帶寬最窄，其

17、頻帶利用率最高；VSB與SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。 FM的調頻指數(shù)越大，抗噪性能越好，但占據(jù)帶寬越寬，頻帶利用率越低。 可以說，F(xiàn)M是以犧牲有效性來換取可靠性的。,40,各種模擬調制系統(tǒng)的比較,特點與應用 AM：優(yōu)點是接收設備簡單；缺點是功率利用率低，抗干擾能力差。主要用在中波和短波調幅廣播。 DSB調制：優(yōu)點是功率利用率高，且?guī)捙cAM相同，但設備較復雜。應用較少，一般用于點對點專用通信。 SSB調制：優(yōu)點是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和抗選擇性衰落能力均優(yōu)于AM，而帶寬只有AM的一半；缺點是發(fā)送和接收設備都復雜。SSB常用于頻分多路復用系統(tǒng)中。 VS

18、B調制：抗噪聲性能和頻帶利用率與SSB相當。在電視廣播、數(shù)傳等系統(tǒng)中得到了廣泛應用。 FM： FM的抗干擾能力強，廣泛應用于長距離高質量的通信系統(tǒng)中。缺點是頻帶利用率低，存在門限效應。,41,頻分復用,5.6.1 頻分復用（FDM） 目的：充分利用信道的頻帶資源，提高信道利用率 原理： 按頻率劃分信號的方式 信道的帶寬被分為多個不重疊的頻帶，每路信號占據(jù)其中一個子通道，且各路之間需留有未使用的防護頻帶進行分隔，防止信號重疊。 接收端采用適當?shù)膸V波器將多路信號分開，恢復原信號。,42,設已知低通濾波器的截止頻率為2KHz，采用DSB調制，相干解調， （1）帶通濾波器的帶寬應為多大？ （2）若信號帶寬為40KHz，保證信號相互無干擾并且充分使用信道，求此信道最多能夠支持多少個用戶？,43,頻分復用,典型例子：多路載波電話系統(tǒng) 每路電話信號的頻帶限制在3003400Hz，在各路已調信號間留有防護頻帶，每路電話信號取4 kHz作為標準帶寬 層次結構：12路電話復用為一個基群；5個基群復用為一個超群，共60路電話；由10個超群復用為一個主群，共600路電話。如果需要傳輸更多路電話，可以將多個主群進行復用，