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4.3 角度调制

杨鸿文 主编(北京邮电大学通信原理课程组)北京邮电大学出版社《通信原理(第5版)》大学本科 · 教材与微课双语助读 (Alt+Y)

在角度调制(Angle Modulation)中,带通信号的包络为常数,基带信息 m(t) 携带在已调载波的瞬时相位或瞬时频率中。因为包络保持恒定,角度调制属于恒包络调制,对信道中的非线性失真具有极强的抵抗能力。


在角度调制中,已调信号的复包络为:

s_L(t) = A_ce^(jθ(t))

不妨取 A_c = 1,可将复包络理解为一个在复平面单位圆上连续旋转运动的点,如图 4.3.1 所示。单位时间内 s_L(t) 扫过的弧长等于旋转角度,线速度就是角速度。相位的一阶导数 θ'(t) 是复包络的瞬时角速度(瞬时角频率),复包络的瞬时频率为 (1)/(2π)θ'(t)。

带通信号的时域表达式为:

s(t) = operatornameRe{s_L(t)e^(j2π f_c t)} = A_ccos[2π f_c t + θ(t)]

其总瞬时相位为 Φ(t) = 2π f_c t + θ(t),瞬时频率为:

f(t) = (1)/(2π)(dΦ(t))/(dt) = f_c + (1)/(2π)(dθ(t))/(dt)

其中 Δ f(t) = (1)/(2π)θ'(t) 称为瞬时频偏。

flowchart LR
    orig((原点)) -->|"$$A_c = 1$$"| pt["$$s_L(t) = \\mathrm{e}^{\\mathrm{j}\\theta(t)}$$"]
    pt --> arc["在单位圆上旋转\n线速度 = 角速度 $$\\theta'(t)$$"]

图 4.3.1 单位圆上的运动

图 4.3.1 单位圆上的运动(原书影印参考)

根据基带信号 m(t) 控制角度参量的不同方式,角度调制分为调相与调频:

调相(PM)与调频(FM)的基本定义
  1. 调相(Phase Modulation, PM): 瞬时相位偏移 θ(t) 与基带信号 m(t) 成正比:

    θ(t) = Kₚ m(t) (4.3.1)

    其中 Kₚ 称为调相灵敏度(Phase Sensitivity),单位为 rad/V。PM 已调信号表达式为:

    s_(PM)(t) = A_ccos[2π f_c t + Kₚ m(t)] (4.3.3)
  2. 调频(Frequency Modulation, FM): 瞬时频偏与基带信号 m(t) 成正比:

    (1)/(2π)(dθ(t))/(dt) = K_f m(t) (4.3.2)

    其中 K_f 称为调频灵敏度(Frequency Sensitivity),单位为 Hz/V。对上式两端积分,得瞬时相位:

    θ(t) = 2π K_f ∫_(-∞)^t m(τ) dτ

    FM 已调信号表达式为:

    s_(FM)(t) = A_ccos[2π f_c t + 2π K_f ∫_(-∞)^t m(τ) dτ] (4.3.4)

从式 (4.3.3) 和式 (4.3.4) 可以看出 PM 与 FM 之间的密切对应关系,如图 4.3.2 所示:

  • 若将基带信号 m(t) 先经过积分器,再送入调相器,输出即为调频信号;
  • 若将基带信号 m(t) 先经过微分器,再送入调频器,输出即为调相信号。
flowchart LR
    subgraph FM产生["调频信号的调相产生法"]
        m1["$$m(t)$$"] --> int["积分器\n$$\\int (\\cdot)\\,\\mathrm{d}t$$"] --> pmMod["PM 调相器"] --> fmOut["FM 信号"]
    end

    subgraph PM产生["调相信号的调频产生法"]
        m2["$$m(t)$$"] --> diff["微分器\n$$\\mathrm{d}/\\mathrm{d}t$$"] --> fmMod["FM 调频器"] --> pmOut["PM 信号"]
    end

图 4.3.2 调频与调相之间的关系

图 4.3.2 调频与调相之间的关系(原书影印参考)

设基带调制信号为单音频正弦信号 m(t) = Aₘcos(2π fₘ t),代入 FM 表达式可得:

θ(t) = 2π K_f ∫₀^t Aₘcos(2π fₘτ) dτ = (K_f Aₘ)/(fₘ)sin(2π fₘ t)

定义最大频偏(Maximum Frequency Deviation) Δ f_(max) 和调频指数(Modulation Index) β_f:

Δ f_(max) = K_f Aₘ, β_f = fracΔ f_(max)fₘ (4.3.10)

则单音调频信号的复包络(设 A_c = 1)为:

s_L(t) = e^(jβ_fsin(2π fₘ t))

由于 s_L(t) 是以 Tₘ = 1/fₘ 为周期的复周期信号,可展开为复指数傅里叶级数:

s_L(t) = ∑ₙ=-∞^∞ Jₙ(β_f)e^(j2π n fₘ t) (4.3.11)

其中 Jₙ(β_f) 为第一类 n 阶贝塞尔函数(Bessel Function of the First Kind)。相应的功率谱密度为:

Pₛ_L(f) = ∑ₙ=-∞^∞ Jₙ²(β_f)δ(f - n fₘ) (4.3.12)

式 (4.3.12) 表明,单音调频信号由载频 f_c 以及对称分布在两边无穷多对间隔为 fₘ 的离散边频分量构成。因此,FM 信号的理论频谱带宽是无穷大。

图 4.3.3 给出了 fₘ = 200 Hz, β_f = 3 时的功率谱密度图。从图中可以看到,尽管数学上有无穷项,但当 |n| > β_f + 1 时,贝塞尔函数 Jₙ(β_f) 的幅值迅速衰减。在 1 600 Hz 频带范围内集中的功率已占总功率的 99.6% 以上。

图 4.3.3 单音调频信号复包络的功率谱密度示例

图 4.3.3 单音调频信号复包络的功率谱密度示例(原书影印参考)

对于任意多频或连续模拟基带信号 m(t),研究表明其大部分能量集中在载频附近的一定范围内,有效传输带宽可由工程著名的**卡松公式(Carson’s Rule)**估计:

FM 信号带宽的卡松公式(Carson's Rule)
B ≈ 2(β_f + 1)W = 2(Δ f_(max) + W) (4.3.13)

其中:

  • W 是模拟基带信号的最高截止频率;
  • Δ f_(max) = K_f max|m(t)| 是最大瞬时频偏;
  • β_f = fracΔ f_(max)W 是调频指数。
复合多音 FM 信号的频偏与卡松带宽估计

已知某 FM 信号为:

s(t) = cos[2π f_c t + 4sin(100π t) + 2.5sin(160π t) + sin(200π t)]

试求:(1) 瞬时频偏表达式与最大频偏;(2) 基带信号的最高频率与调频指数;(3) 卡松带宽。

解

(1) 瞬时相位偏移为:

θ(t) = 4sin(100π t) + 2.5sin(160π t) + sin(200π t)

瞬时频偏为相位的微分除以 2π:

Δ f(t) = (1)/(2π)θ'(t) = 200cos(100π t) + 200cos(160π t) + 100cos(200π t) (Hz)

因此最大瞬时频偏为各余弦幅度之和:

Δ f_(max) = 200 + 200 + 100 = 500 Hz

(2) 相位中所含最高角频率为 200π rad/s,对应的基带信号最高频率为:

W = (200π)/(2π) = 100 Hz

调频指数为:

β_f = fracΔ f_(max)W = (500)/(100) = 5

(3) 由卡松公式计算有效带宽:

B ≈ 2(β_f + 1)W = 2 × (5 + 1) × 100 = 1 200 Hz

当调频指数 β_f ll 1 时,瞬时相位偏移量非常微弱(|θ(t)| ll 1),称为窄带调频(Narrowband Frequency Modulation, NBFM)。

此时复包络可作一阶泰勒近似展开:

s_L(t) = A_ce^(jθ(t)) = A_c[cosθ(t) + jsinθ(t)] ≈ A_c[1 + jθ(t)]

相应的已调实信号为:

s(t) = operatornameRe{s_L(t)e^(j2π f_c t)} ≈ A_ccos(2π f_c t) - A_cθ(t)sin(2π f_c t) (4.3.14)

其中 θ(t) = 2π K_f ∫_(-∞)^t m(τ) dτ。上式表明:窄带调频信号可近似分解为正交载波与一个 Q 路 DSB-SC 信号的线性叠加。其带宽与 DSB 相同:

B_(NBFM) ≈ 2W
  • 直接调频法: 直接使用压控振荡器(VCO),让基带信号 m(t) 直接控制振荡器回路的变容二极管电容,使振荡瞬时频率随 m(t) 线性改变(图 4.3.4(a))。优点是频偏大、电路简单;缺点是中心频率易受温度和器件老化影响而产生漂移。
  • 间接调频法(阿姆斯特朗法): 先利用高稳定度的石英晶体振荡器生成晶振载波,按式 (4.3.14) 产生微弱的窄带调频信号(β_(f1) ll 1),然后通过多级**倍频器(Frequency Multiplier)**将载频与调频指数同时放大 n 倍(图 4.3.4(b)):
f_c' = n f_c, β_f' = nβ_f

最后通过混频器(超外差上变频)搬移到最终发射频段。

flowchart LR
    subgraph 直接调频["(a) 直接调频"]
        m1["$$m(t)$$"] --> vco["压控振荡器 (VCO)"] --> s1["$$s(t)$$"]
    end

    subgraph 间接调频["(b) 间接调频 (阿姆斯特朗法)"]
        m2["$$m(t)$$"] --> nbfm["窄带调频器 (NBFM)\n(高稳定度晶振)"]
        nbfm -->|"$$\\beta_{f1} \\ll 1$$"| mult["$$n$$ 倍频器"]
        mult -->|"$$\\beta_f = n\\beta_{f1}$$"| mixer["上变频混频器"] --> s2["$$s(t)$$"]
    end

图 4.3.4 FM 调制

图 4.3.4 FM 调制(原书影印参考)

FM 解调器称为鉴频器(Frequency Discriminator),典型实现方法包括:

  • 微分包络检波法: 先通过微分网络将瞬时频率变化转换为包络振幅变化,再用包络检波器检测出基带信号(图 4.3.5(a))。将式 (4.3.4) 送入理想微分器:
v(t) = fracds_(FM)(t)dt = -A_c[2π f_c + 2π K_f m(t)]sin[2π f_c t + 2π K_f∫ m(τ) dτ] (4.3.17)

其包络为 A_c 2π[f_c + K_f m(t)]。经包络检波并隔去直流分量后,直接输出正比于 m(t) 的解调信号。

  • 锁相鉴频法: 利用锁相环(PLL)跟踪 FM 信号的瞬时频率变化(图 4.3.5(b))。环路锁定时,VCO 的控制电压 v(t) 必须实时跟踪输入信号的频偏,因此 VCO 的控制电压直接就是解调后的基带输出:
yₒ(t) = v(t) propto m(t) (4.3.18)

锁相鉴频具有极优良的门限扩展性能,能显著抑制低信噪比下的脉冲噪声。

flowchart LR
    subgraph 微分法["(a) 微分包络检波法"]
        s1["$$s(t)$$"] --> diff["微分网络\n$$\\mathrm{d}/\\mathrm{d}t$$"]
        diff --> ed["包络检波器"]
        ed --> dc["隔直电路"] --> out1["$$y_o(t) \\propto m(t)$$"]
    end

    subgraph 锁相法["(b) 锁相鉴频法"]
        s2["$$s(t)$$"] --> pd["鉴相器 (PD)"]
        pd --> lf["环路滤波器 (LF)"]
        lf --> out2["$$y_o(t) \\approx m(t)$$"]
        out2 --> vco["本地 VCO"] --> pd
    end

图 4.3.5 FM 解调

图 4.3.5 FM 解调(原书影印参考)

现代无线电全面采用数字信号处理(DSP)与软件无线电架构。如图 4.3.6 所示,基带信号 m(t) 经 ADC 采样后,直接由数字处理器实时计算复包络样值 s_L[n] = A_ce^(jθ[n]),通过数字 I/Q 调制送入 DAC 产生模拟射频输出;接收端则经高速 ADC 数字正交下变频后,在数字域直接通过反正切相位求导算法提取 m(t)。

图 4.3.6 FM 调制解调的数字化实现

图 4.3.6 FM 调制解调的数字化实现(原书影印参考)
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