第五章模拟调制系统3 OK讲解

3
（ 1） 大信噪比情况
在大信噪比条件下，信号和噪声的相互作
用可以忽略， 这时可以把信号和噪声分开来
算，经过分析，我们直接给出解调器的输出
信噪比
S0 N0

3A2K 2FM E[m2 (t)]
8
2n0
f
3 m

3

f m a x fm

2
E[m2 (t)] m(t) 2max
A2 / 2 n0 fm
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第四章 模拟调制系统
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图 4 – 13 频分复用系统组成原理图
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第四章 模拟调制系统
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X1( f )
f fX1
X2(f )
f fX2
X3(f )
f fX3
X(f)
将所给的信道带宽分割成互不 重叠的许多小区，每个小区能
顺利通过一路信号
Bg1
Bg2
SSB
f c1
调幅指数 AM 1 ,调制信号频率为 fm 。当信道
• 条件相同、接收信号功率相同时比较它们的抗噪声性能。
• 解：调频波的输出信噪比
S o FM N o FM
GFM
Si FM Ni FM
• •
常规调幅波的输出信噪比 则两种信号输出信噪比之比为
SoAM NoAM
GAM
Si AM N i AM
同噪声功率谱密度n0、相同基带信号带宽 Bb（fm）的条件下，AM为100%调制， 调制信号为均值为0的单频正弦信号。
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第四章 模拟调制系统
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5、各种模拟调制系统的比较
So
/
No
DSB

Si
/
n0Bb

出现门限效应时的曲 线拐点

So No
SSB


1
•
均值为零，单 边功率谱密度 为n 0的AWGN
抑制信号带宽 以外的噪声
消除接收信号 在幅度上可能
出现的畸变
• 带通滤波器用于抑制带外噪声，设信道引入的高斯
白噪声的单边功率谱密度为no •
•
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设输入调频信号为：
t
s fm (t) A cos[ct
输入
R
r 输出
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去加重网第络四章 模拟调制系统
(a)
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(b) 预加重网络
•
原理
“去加重”：就是在解调器输出端接一个传输特 性随频率增加而滚降的线性网络Hd (f) ，将调制 频率高频端的噪声衰减，使总的噪声功率减小。
由于去加重网络的加入，在有效地减弱输出噪声
的同时，必将使传输信号产生频率失真。
GFM 3m2f (1 mf ) 3m3f
上式表明，大信噪比时宽带调频系统的制度增益 是很高的，它与调制指数的立方成正比。
例如调频广播中常取mf=5，则制度增益GFM=450。 也就是说，加大调制指数mf，可使调频系统的抗噪声 性能迅速改善。
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第四章 模拟调制系统
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• 例5-5 设调频与常规调幅信号均为单频调制，调频指数为 m f ，
比AM优越 4.7dB以上
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调制方式 传输带宽
DSB
2Bb
AM
2Bb
优点
缺点
应用
功率利用率高
要求有相干解调， 设备较复杂
模拟数据传输；低带 宽信号多路复用系 统
调制与解调简 功率利用率低抗 中波和短波的调幅无
单
干扰能力差
线广播
SSB
Bb
功率利用率和 频带利用 率都较高
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HT ( f )
x(t)
预加重
K
加重技术框图
调制器
信道
解调器
HR(f )
x(t)
去加重
抵消去加重网络的影响， 使传输信号不失真
传输特性随频率增加而滚降，将高端 的噪声衰减，则总的噪声功率可以减
小（对调频尤为明显）
可以使输出信噪比提 高6dB左右
R
C
输入
C
输出
f c1 f X1
防护频带
f
fc2 fc2 fX2
fc3
fc3 fX 3
滤波器截止特性问题 收发载波同步问题
优点：可以在给定的信道内同时传输许多路信号，提高信号传输的有效性 缺点：设备复杂，因滤波器特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰
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例：调频立体声广播(FM Stereo Broadcasting)
“预加重”：在调制器前加入一个预加重网络
Hp(f) ，人为地提升调制信号的高频分量，以抵 消去加重网络的影响。显然，为了使传输信号不
失真，应该有
Hp(
f
)

1 Hd (
f
)
– 这是保证输出信号不变的必要条件。
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5.4 各种模拟调制系统的性能比较
• 同等条件下比较： 在相同的解调器输入信号功率Si、相
)FM

3 2


fmax fm
2
A2 / 2 n0 fm
（ So ）

No FM （ So ）

3m
2 f
No AM
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–讨论
调频系统的这一优越性是以增加其传输带宽来 换取的。因为，对于AM 信号而言，传输带宽
是2fm，而对WBFM信号而言，相应于mf = 5 时的传输带宽为12fm ，是前者的6倍。
GAM

2
2 AM
2
2 AM

2 3
GFM 3m2f (1 m f )
信噪比是常规调幅系统的
4.5mf2倍，与调频指数的平
方成正比。
• 将以上结果代入 的表达式，得：
•
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3mf2 2 3
1 2n0
mf 2n0 fm
1 mf fm
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60 20
50
10
7
40
4
3
＝2
30
FM
)FM/ dB
Si Ni
(
20
10
0
0
5
10 15 20
(
Si Ni
)FM / d B
非湘干解调的门限效应
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第四章 模拟调制系统
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门限效应是FM系统存在的一个实际问题。尤其在采 用调频制的远距离通信和卫星通信等领域中，对调频 接收机的门限效应十分关注，希望门限点向低输入信 噪比方向扩展。
调频立体声广播系统占用频段为88~108 MHz， FDM方式。在调频之前，首先采用抑
制载波双边带调制将左右两个声道信号之差 (L-R)与左右两个声道信号之和(L+R)实行频分 复用。
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DSB-SC
导频
载频
L＋R
L－R
L－R
下边带
上边带
辅助 通 信 通道
0
15 19 23
K m( )d ]
F
解调器的输入信噪比：
Si A2 Ni 2n0 BFM
计算输出信噪比时，由于非相干解调不满足叠加 性，无法分别计算信号与噪声功率，因此，也和AM 信号的非相干解调一样，考虑两种极端情况，即大信 噪比情况和小信噪比情况，使计算简化。
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宽带调频输出信噪比相对于调幅的改善与它们带宽比的
平方成正比。调频是以带宽换取信噪比的改善。
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» 结论：
在大信噪比情况下，调频系统的抗噪声性能 将比调幅系统优越，且其优越程度将随传输 带宽的增加而提高。
但是，FM系统以带宽换取输出信噪比改善并 不是无止境的。随着传输带宽的增加，输入 噪声功率增大，在输入信号功率不变的条件 下，输入信噪比下降，当输入信噪比降到一 定程度时就会出现门限效应，输出信噪比将 急剧恶化。
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• 采用预加重和去加重改善信噪比目的：
为了进一步改善调频解调器的输出信噪比，针 对鉴频器输出噪声谱呈抛物线形状这一特点， 在调频系统中广泛采用了加重技术，包括“预 加重和“去加重”措施。
“预加重”和“去加重”的设计思想是保持输 出信号不变，有效降低输出噪声，以达到提高 输出信噪比的目的。
第四章 模拟调制系统
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5.5 频分复用
(Frequency division Multiplexing)
FDM频分复用是指按照频率的不同来复 用多路信号的方法。在频分复用中，信道的带 宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号 占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适 当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出 所需要的信号。
Si n0 Bb


So No
AM

1 3

Si n0 Bb
ห้องสมุดไป่ตู้

结论：当输入信噪比较 高时，采用FM方式可 以得到更大好处。

So No
FM

3 2
m2f

Si n0 Bb

比AM优越 22dB
门限电平以下， 曲线将迅速跌落
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BFM 2 (1 mf ) fm BAM (1 mf )
若 mf 1 （宽带调频）， 则
BFM BAM (1 mf ) BAMmf

（ So ） No FM （ So ）
3m2f

3

BFM BAM
2
No AM
9 2
mf2
9
若不是接收信号功率相同，而是系统输入的A相同：
sFM (t) Acos ct KFM
f
(t)dt

sAM(t) A f (t) cosct
•
(
So No
)
AM

E f 2 (t) 2n0 fm
A2 / 2 2n0 fm
(
So No
5.3.2
调频系统抗噪声性能的分析方法和分析模 型与线性调制系统相似；调频信号的解调有相 干解调和非相干解调两种，相干解调仅适用于 窄带调频信号，且需同步信号； 而非相干解调 适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信 号，因而是FM系统的主要解调方式，其分析 模型如下图 所示。
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发送和接收设备 都复杂
话音通信；话音频分 多路复用系统中
综合了AM、 调制器需要对称
VSB
略大于Bb
SSB和DSB 三者的优
滤波，要求相 电视广播系统；数据 干解调，设备 传输
点
复杂
宽带FM的抗
FM
2（mf＋1） Bb
干扰能力 和抗快衰
调制器较复杂
数据传输；无线电广 播；微波中继；
落能力强
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降低门限值（也称门限扩展）的方法有很多，例如， 可以采用锁相环解调器和负反馈解调器，它们的门限 比一般鉴频器的门限电平低 6~10dB。
还可以采用“预加重”和“去加重”技术来进一步改 善调频解调器的输出信噪比。这也相当于改善了门限。
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•
采用预加重和去加重改善信噪比原因：
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设m(t)为单一频率余弦波时的情况，
m(t)=cosωmt 这时的调频信号为
sFM(t)=Acos［ωct+mfsinωmt］
mf

kf wm

w wm

f fm
S0 N0

3 2
m2f
A2 / 2 n0 fm
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•
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（2 ）小信噪比情况与门限效应
应该指出，以上分析都是在Si/Ni足够大的 条件下进行的。当Si/Ni 减小到一定程度时， 解调器的输出中不存在单独的有用信号项， 信号被噪声扰乱，因而So/No 急剧下降。这种 情况与AM包检时相似，我们称之为门限效应。 出现门限效应时所对应的Si/Ni值被称为门限 值，记为(Si/Ni)b。
S o FM
NoFM GFM SiFM NiAM
SoAM GAMSi AMNi FM NoAM
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•
由给定条件可列出以下表达式：
SiFM SiAM
NiAM 2n0 fm
分析 当信道条件相同、接收信号
NiFM 2n0 (1 mf ) fm 功率相同时，调频系统输出
鉴频器前、后的噪声功率谱密度如下图所示
Pi f
n0
BFM / 2
0
BFM / 2
f
Pd f
BFM / 2 fm 0 fm BFM / 2
f
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可得解调器的制度增益：
GFM

S0 / N0 Si / Ni

3 2
m
2 f
BFM fm
在单频调制下：
38
53 59
75 f / kHz
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左声道 L
右声道 R
＋ ＋ L－R × －
38 kHz 振荡器
＋ ＋＋
L＋R
LPF 0 ~ 15 kHz
鉴频器输出噪声功率谱随f呈抛物线形状增大。但 在调频广播中所传送的语音和音乐信号的能量却 主要分布在低频端，且其功率谱密度随频率的增 高而下降。
在信号高频端的信号谱密度最小，而噪声谱密度 却是最大，致使高频端的输出信噪比明显下降， 这对解调信号质量会带来很大的影响。
采用降低输出噪声功率N0的方法提高S0/N0。