通信原理第六版课件_第5章

1现代通信原理2现代通信原理第5章模拟调制系统3第5章模拟调制系统5.4调频系统的抗噪声性能重点讨论FM非相干解调时的抗噪声性能分析模型n(t)－均值为零，单边功率谱密度为n0的高斯白噪声FM()stBPF)(tn)(tSi)(tniLPF)(tnoo()mt限幅鉴频4第5章模拟调制系统5.4.1输入信噪比设输入调频信号为输入信号功率为输入噪声功率为式中，BFM－调频信号的带宽，即带通滤波器的带宽输入信噪比为FM()cos[()]tcFstAtKmd22/ASiFMiBnN0FMiiBnANS0225第5章模拟调制系统5.4.2大信噪比时的解调增益在输入信噪比足够大的条件下，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计算。计算输出信号平均功率输入噪声为0时，解调输出信号为故输出信号平均功率为o()()dfmtKKmt222oo()()dfSmtKKmt6第5章模拟调制系统计算输出噪声平均功率假设调制信号m(t)=0，则加到解调器输入端的是未调载波与窄带高斯噪声之和，即式中－包络－相位偏移s()s()cos()sin()cos()sincicccscccscAcotntAcotnttnttAnttnttcoscAttt22()()csAtAntnt()arctan()scnttAnt7第5章模拟调制系统在大信噪比时，即Anc(t)和Ans(t)时，相位偏移可近似为当x1时，有arctanxx，故由于鉴频器的输出正比于输入的频率偏移，故鉴频器的输出噪声（在假设调制信号为0时，解调结果只有噪声）为式中ns(t)是窄带高斯噪声ni(t)的正交分量。()arctan()scnttAnt()()arctanarctan()sscntnttAntA()snttAsddddtdntKntKdtAdt8第5章模拟调制系统dns(t)/dt是ns(t)通过理想微分电路的输出，其功率谱密度应等于ns(t)的功率谱密度乘以理想微分电路的功率传输函数。设ns(t)的功率谱密度为Pi(f)=n0，理想微分电路的功率传输函数为则鉴频器输出噪声nd(t)的功率谱密度为sddddtdntKntKdtAdt222222Hfjff22222FM02,2dddiKKBPfHfPffnfAA9第5章模拟调制系统鉴频器前、后的噪声功率谱密度如下图所示0iPff0nFM/2BFM/2B0dPffFM/2BFM/2Bmfmf10第5章模拟调制系统由图可见，鉴频器输出噪声的功率谱密度已不再是均匀分布，而是与f2成正比。该噪声再经过低通滤波器的滤波，滤除调制信号带宽fm以外的频率分量，故最终解调器输出（LPF输出）的噪声功率（图中阴影部分）为0iPff0nFM/2BFM/2B0dPffFM/2BFM/2Bmfmf2220o222302483mmmmffddffdmKnNPfdffdfAKnfA11第5章模拟调制系统计算输出信噪比FM非相干解调器输出端的输出信噪比为简明情况考虑m(t)为单一频率余弦波时的情况，即调频信号为式中代入输出信噪比公式，得到：222o23o03()8fmAKmtSNnfttmmcos)(]sincos[)(tmtAtsmfcFMffmmmKfmf22oo03/22fmSAmNnf12第5章模拟调制系统制度增益考虑在宽带调频时，信号带宽为所以，上式还可以写成当mf1时有近似式上式结果表明，在大信噪比情况下，宽带调频系统的制度增益是很高的，即抗噪声性能好。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，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。2ooFMFM/3/2fiimSNBGmSNf)(2)1(2mmfFMfffmB23(1)FMffGmm33FMfGm13第5章模拟调制系统调频系统与调幅系统比较在大信噪比情况下，AM信号包络检波器的输出信噪比为若设AM信号为100%调制。且m(t)为单频余弦波信号，则m(t)的平均功率为因而式中，B为AM信号的带宽，它是基带信号带宽的两倍，即B=2fm，故有将两者相比，得到2oo0()SmtNnB22()2Amt2oo0/2SANnB2oo0/22mSANnfoo2FMooAM/3/fSNmSN22oo03/22fmSAmNnf14第5章模拟调制系统讨论在大信噪比情况下，若系统接收端的输入A和n0相同，则宽带调频系统解调器的输出信噪比是调幅系统的3mf2倍。例如，mf=5时，宽带调频的S0/N0是调幅时的75倍。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。WBFM信号的传输带宽BFM与AM信号的传输带宽BAM之间的一般关系为oo2FMooAM/3/fSNmSNFMAM2(1)(1)fmfBmfmB15第5章模拟调制系统当mf1时，上式可近似为故有在上述条件下，变为可见，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。FMAM2(1)(1)fmfBmfmBFMAMfBmBFMAMfBmB2ooFMFMooAMAM/3/SNBSNBoo2FMooAM/3/fSNmSN16第5章模拟调制系统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。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。17第5章模拟调制系统5.4.3小信噪比时的门限效应当(Si/Ni)低于一定数值时，解调器的输出信噪比(So/No)急剧恶化，这种现象称为调频信号解调的门限效应。门限值－出现门限效应时所对应的输入信噪比值称为门限值，记为(Si/Ni)b。18第5章模拟调制系统右图画出了单音调制时在不同调制指数下，调频解调器的输出信噪比与输入信噪比的关系曲线。由此图可见门限值与调制指数mf有关。mf越大，门限值越高。不过不同mf时，门限值的变化不大，大约在8~11dB的范围内变化，一般认为门限值为10dB左右。在门限值以上时，(So/No)FM与(Si/Ni)FM呈线性关系，且mf越大，输出信噪比的改善越明显。19第5章模拟调制系统在门限值以下时，(So/No)FM将随(Si/Ni)FM的下降而急剧下降。且mf越大，(So/No)FM下降越快。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。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。也相当于改善了门限。20第5章模拟调制系统5.4.4预加重和去加重目的：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。因此，在调制频率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。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。21第5章模拟调制系统原理所谓“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。但是，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。因此，必须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，应该有这是保证输出信号不变的必要条件。1()()pdHfHf22第5章模拟调制系统方框图：加有预加重和去加重的调频系统性能由于采用预加重/去加重系统的输出信号功率与没有采用预加重/去加重系统的功率相同，所以调频解调器的输出信噪比的改善程度可用加重前的输出噪声功率与加重后的输出噪声功率的比值确定，即上式进一步说明，输出信噪比的改善程度取决于去加重网络的特性。omtFM调制器信道mtpHtFM解调器dHt2()()()mmmmfdffddfPfdfPfHfdf23第5章模拟调制系统实用电路：下图给出了一种实际中常采用的预加重和去加重电路，它在保持信号传输带宽不变的条件下，可使输出信噪比提高6dB左右。预加重网络与网络特性去加重网络与网络特性24调制方式传输带宽设备复杂程度主要应用AM2fm简单中短波无线电广播DSB2fm中等应用较少SSBfm复杂短波无线电广播、话音频分复用、载波通信、数据传输VSB略大于fm近似SSB复杂电视广播、数据传输FM中等超短波小功率电台（窄带FM）；调频立体声广播等高质量通信（宽带FM）第5章模拟调制系统5.5各种模拟调制系统的比较oo/SNoo0AM13imSSNnfoo0DSBimSSNnfoo0SSBimSSNnfmffm)1(22oo0FM32ifmSSmNnf25第5章模拟调制系统抗噪声性能WBFM抗噪声性能最好，DSB、SSB、VSB抗噪声性能次之，AM抗噪声性能最差。右图画出了各种模拟调制系统的性能曲线,图中的圆点表示门限点。门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上，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。当输入信噪比较高时，FM的调频指数mf越大，抗噪声性能越好。26第5章模拟调制系统频带利用率SSB的带宽最窄，其频带利用率最高；FM占用的带宽随调频指数mf的增大而增大，其频带利用率最低。FM是以牺牲有效性来换取可靠性的。因此，mf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信（高保真音乐广播，电视伴音、双向式固定或移动通信、卫星通信和蜂窝电话系统）采用WBFM，mf值选大些。对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用mf较小的调频方式。27第5章模拟调制系统特点与应用AM：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。DSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备较复杂。应用较少，一般用于点对点专用通信。SSB调制：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。SSB常用于频分多路复用系统中。VSB调制：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。FM：FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。28第5章模拟调制系统5.6频分复用(FDM)和调频(FM)立体声5.6.1频分复用（FDM）目的：充分利用信道的频带资源，提高信道利用率