通信原理 5-3.ppt

1、1,調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),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 直接調(diào)頻法：用調(diào)制信號(hào)直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性地變化。 壓控振蕩器：每個(gè)壓控振蕩器(VCO)自身就是一個(gè)FM調(diào)制器，因?yàn)樗恼袷庮l率正比于輸入控制電壓，即 方框圖 LC振蕩器：用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻。,2,角度調(diào)制原理,直接調(diào)頻法的主要優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：可以獲得較大的頻偏。 缺點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度不高 改進(jìn)途徑：采用如下鎖相環(huán)（PLL）調(diào)制器,3,角度調(diào)制原理,間接法調(diào)頻 阿姆斯特朗（Armstrong）法 原理：先將調(diào)制信號(hào)積分，然后對(duì)載波進(jìn)行調(diào)相，即可產(chǎn)生一個(gè)窄帶調(diào)頻(NBFM)信號(hào)，再經(jīng)n次

2、倍頻器得到寬帶調(diào)頻 (WBFM) 信。 方框圖,4,角度調(diào)制原理,間接法產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號(hào) 由窄帶調(diào)頻公式 可知，窄帶調(diào)頻信號(hào)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(hào)：,5,角度調(diào)制原理,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(shí)現(xiàn)。 原理：以理想平方律器件為例，其輸出-輸入特性為 當(dāng)輸入信號(hào)為調(diào)頻信號(hào)時(shí)，有 由上式可知，濾除直流成分后，可得到一個(gè)新的調(diào)頻信號(hào)，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(hào)的載頻和調(diào)頻指數(shù)增為n倍。,6,角度調(diào)制原理,典型實(shí)例：調(diào)頻廣播

3、發(fā)射機(jī) 載頻：f1 = 200kHz 調(diào)制信號(hào)最高頻率 fm = 15kHz 間接法產(chǎn)生的最大頻偏 f1 = 25 Hz 調(diào)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(nèi)，所以需要經(jīng)過(guò) 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(shí)，也使載波頻率提高了，倍頻后新的載波頻率(nf1 )高達(dá)600MHz，不符合 fc =88-108MHz的要求，因此需用混頻器進(jìn)行下變頻來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。,7,角度調(diào)制原理,具體方案,8,角度調(diào)制原理,【例】 在上述寬帶調(diào)頻方案中，設(shè)調(diào)制信號(hào)是fm =15 kHz的單頻余弦信號(hào)，NBFM信號(hào)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(hào)的調(diào)頻指數(shù)； (2) 求調(diào)頻發(fā)射信號(hào)（即WBFM信號(hào)）的載頻、最大頻偏和調(diào)頻指數(shù)。 【解】（1）NBFM信號(hào)的調(diào)頻指數(shù)為 （2）調(diào)頻發(fā)射信號(hào)的載頻為,9,角度調(diào)制原理,(3) 最大頻偏為 (4) 調(diào)頻指數(shù)為,10,調(diào)頻信號(hào)的解調(diào),調(diào)頻信號(hào)的解調(diào) 非相干解調(diào)：調(diào)頻信號(hào)的一般表達(dá)式為 解調(diào)器的輸出應(yīng)為 完成這種頻率-電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系的器件是頻率檢波器，簡(jiǎn)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(fù)

5、反饋解調(diào)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(diào)制原理,振幅鑒頻器方框圖 圖中，微分電路和包絡(luò)檢波器構(gòu)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(diào)頻波的幅度起伏 。,12,角度調(diào)制原理,微分器的作用是把幅度恒定的調(diào)頻波sFM (t)變成幅度和頻率都隨調(diào)制信號(hào)m(t)變化的調(diào)幅調(diào)頻波sd (t)，即 包絡(luò)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(diào)輸出 式中Kd 為鑒頻器靈敏度，單位為V/rad/s,13,角度調(diào)制原理,相干解調(diào)：相干解調(diào)僅適用于NBFM信號(hào) 由于NBFM信號(hào)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(diào)制中的相干解調(diào)法來(lái)進(jìn)行解調(diào)，如下圖所示。,14,角度調(diào)制原理,設(shè)窄帶調(diào)頻信號(hào) 并設(shè)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(diào)輸出 可見(jiàn)，相干解調(diào)可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。,15,調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,5.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能 重點(diǎn)討論FM非相干解調(diào)時(shí)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(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,輸入信噪比 設(shè)輸入調(diào)頻信號(hào)為 故其輸入信號(hào)功率為 輸入噪聲功率為 式中，BFM 調(diào)頻信號(hào)的帶寬，即帶通濾波器的帶寬 因此輸入信噪比為,17,調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,5.4.2 大信噪比時(shí)的解調(diào)增益 在輸入信噪比

7、足夠大的條件下，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(kāi)來(lái)計(jì)算。 計(jì)算輸出信號(hào)平均功率 輸入噪聲為0時(shí)，解調(diào)輸出信號(hào)為 故輸出信號(hào)平均功率為,18,調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,計(jì)算輸出噪聲平均功率 假設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t) = 0，則加到解調(diào)器輸入端的是未調(diào)載波與窄帶高斯噪聲之和，即 式中 包絡(luò) 相位偏移,19,調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,在大信噪比時(shí)，即A nc (t)和A ns (t)時(shí)，相位偏移 可近似為 當(dāng)x 1時(shí)，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(shè)調(diào)制信號(hào)為0時(shí)，解調(diào)結(jié)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(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,由于dns(t)/dt實(shí)際上就是ns(t)通過(guò)理想微分電路的輸出，故它的功率譜密度應(yīng)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(shè)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(diào)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(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,由圖可見(jiàn)，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(guò)低 通濾波器的濾波，濾除調(diào)制信號(hào) 帶寬fm以外的頻率分量，故最 終解調(diào)器輸出（LPF輸出）的噪聲 功率（圖中陰

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

10、M信號(hào)包絡(luò)檢波器的輸出信噪比為 若設(shè)AM信號(hào)為100%調(diào)制。且m(t)為單頻余弦波信號(hào)，則m(t)的平均功率為 因而 式中，B為AM信號(hào)的帶寬，它是基帶信號(hào)帶寬的兩倍，即B = 2fm，故有 將兩者相比，得到,26,調(diào)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(diào)頻系統(tǒng)解調(diào)器的輸出信噪比是調(diào)幅系統(tǒng)的3mf2倍。例如，mf =5時(shí)，寬帶調(diào)頻的S0 /N0是調(diào)幅時(shí)的75倍。 調(diào)頻系統(tǒng)的這一優(yōu)越性是以增加其傳輸帶寬來(lái)?yè)Q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。 WBFM信號(hào)的

11、傳輸帶寬BFM與AM 信號(hào)的傳輸帶寬BAM之間的一般關(guān)系為,27,調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,當(dāng)mf 1時(shí)，上式可近似為 故有 在上述條件下， 變?yōu)?可見(jiàn)，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。,28,調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,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(wú)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。,29,調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲

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

13、，且mf 越大，輸出信噪比的改善越明顯。,31,調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能,在門限值以下時(shí)， (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(yīng)是FM系統(tǒng)存在的一個(gè)實(shí)際問(wèn)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610dB。 還可以采用“預(yù)加重”和“去加重”技術(shù)來(lái)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。,32,預(yù)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(diào)頻廣播中所傳送的語(yǔ)音和音樂(lè)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。 因此，在調(diào)制頻率高頻端的信號(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(lái)很大的影響。 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。,預(yù)加重和去加重,“預(yù)加重”和“去加重”的設(shè)計(jì)思想： 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。 其基本思想是在發(fā)送端調(diào)制器輸入端接入預(yù)加重濾波器，在接收端解調(diào)

15、器輸出端接入去加重濾波器。預(yù)加重濾波器的特性和去加重濾波器的特性應(yīng)是互補(bǔ)關(guān)系。,33,34,具有預(yù)加重和去加重濾波器的調(diào)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(diào)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(hào)產(chǎn)生頻率失真，所以加入預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)來(lái)人為的提升調(diào)制信號(hào)的高頻分量，使傳輸信號(hào)不失真。 去加重濾波器與預(yù)加重濾波器傳輸函數(shù)的關(guān)系：,35,去加重電路,預(yù)加重電路,36,預(yù)加重和去加重,性能 由于采用預(yù)加重/去加重系統(tǒng)的輸出信號(hào)功率與沒(méi)有采用預(yù)加重/去加重系統(tǒng)的功率相同，所以調(diào)頻解調(diào)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(jìn)一步說(shuō)明，輸出信噪比的改善程度取決于去加重網(wǎng)絡(luò)的特性。,37,各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較,5.5 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較,38,各種模擬調(diào)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(diào)制 系統(tǒng)的性能曲線,圖中的圓 點(diǎn)表示門限點(diǎn)。 門限點(diǎn)以下，曲線迅速下跌；門限點(diǎn)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(dāng)輸入信噪比較高時(shí)，F(xiàn)M的調(diào)頻指數(shù)mf越大，抗噪聲性能越好。,39,各種模擬調(diào)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(diào)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(shuō)，F(xiàn)M是以犧牲有效性來(lái)?yè)Q取可靠性的。,40,各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較,特點(diǎn)與應(yīng)用 AM：優(yōu)點(diǎn)是接收設(shè)備簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是功率利用率低，抗干擾能力差。主要用在中波和短波調(diào)幅廣播。 DSB調(diào)制：優(yōu)點(diǎn)是功率利用率高，且?guī)捙cAM相同，但設(shè)備較復(fù)雜。應(yīng)用較少，一般用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專用通信。 SSB調(diào)制：優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是發(fā)送和接收設(shè)備都復(fù)雜。SSB常用于頻分多路復(fù)用系統(tǒng)中。 VS

18、B調(diào)制：抗噪聲性能和頻帶利用率與SSB相當(dāng)。在電視廣播、數(shù)傳等系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。 FM： FM的抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離高質(zhì)量的通信系統(tǒng)中。缺點(diǎn)是頻帶利用率低，存在門限效應(yīng)。,41,頻分復(fù)用,5.6.1 頻分復(fù)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(hào)的方式 信道的帶寬被分為多個(gè)不重疊的頻帶，每路信號(hào)占據(jù)其中一個(gè)子通道，且各路之間需留有未使用的防護(hù)頻帶進(jìn)行分隔，防止信號(hào)重疊。 接收端采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號(hào)分開(kāi)，恢復(fù)原信號(hào)。,42,設(shè)已知低通濾波器的截止頻率為2KHz，采用DSB調(diào)制，相干解調(diào)， （1）帶通濾波器的帶寬應(yīng)為多大？ （2）若信號(hào)帶寬為40KHz，保證信號(hào)相互無(wú)干擾并且充分使用信道，求此信道最多能夠支持多少個(gè)用戶？,43,頻分復(fù)用,典型例子：多路載波電話系統(tǒng) 每路電話信號(hào)的頻帶限制在3003400Hz，在各路已調(diào)信號(hào)間留有防護(hù)頻帶，每路電話信號(hào)取4 kHz作為標(biāo)準(zhǔn)帶寬 層次結(jié)構(gòu)：12路電話復(fù)用為一個(gè)基群；5個(gè)基群復(fù)用為一個(gè)超群，共60路電話；由10個(gè)超群復(fù)用為一個(gè)主群，共600路電話。如果需要傳輸更多路電話，可以將多個(gè)主群進(jìn)行復(fù)用，