2.3　模拟调制系统的抗噪声性能分析

由通信系统的一般模型可知，已调信号在信道的传输过程中会受到加性噪声的干扰，通常认为加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因此模拟调制系统的抗噪声性能可以由解调器的抗噪声性能来衡量。具体来说，用解调器输出端信噪比来衡量。信噪比指信号的平均功率与噪声平均功率的比值。解调器输出端信噪比不仅与解调器输入端信噪比有关，而且与调制及解调方式有关。在相同的条件下，输出信噪比越高，表明该系统的抗噪声能力越强，系统可靠性越好。

由前面的分析可知AM可以采用包络检波或相干解调方式进行解调，DSB、SSB、VSB可以采用相干解调方式进行解调，解调器原理框图可表示成一般形式如图2-39所示。图中，sm（t）为已调信号，n（t）为传输过程中叠加的高斯白噪声。带通滤波器的作用是保证已调信号顺利通过的同时滤除已调信号频带以外的噪声，因此，经过带通滤波器后到达解调器输入端的信号仍可认为是sm（t），噪声为ni（t）。解调器输出的有用信号为mo（t），噪声为no（t）。

解调器输入端的噪声ni（t）形式是相同的，当带通滤波器带宽远小于其中心频率ω0时，ni（t）即为平稳高斯窄带噪声，可写成同相分量与正交分量相加的形式：

ni（t）=nc（t）cosω0t-ns（t）sinω0t　　（2-3-1）

或者包络与相位相加的形式ni（t）=V（t）cos[ω0t+θ（t）]， ，θ（t）=arctan[ns（t）/nc（t）]。设窄带噪声ni（t）均值为零，方差为 ，则其同相分量nc（t）和正交分量ns（t）的均值都为0，且具有相同的方差，即

式中，Ni为解调器输入端噪声ni（t）的平均功率。若白噪声的双边功率谱密度为n0/2，带通滤波器传输特性是高度为1，带宽为B的理想矩形函数，则

Ni=n0B　　（2-3-3）

式中，B是理想带通滤波器的带宽。

为了使已调信号无失真地进入解调器，同时又最大限度地抑制噪声，带宽B应等于已调信号的频带宽度。

评价一个模拟通信系统质量的好坏，最终是要看解调器的输出信噪比。解调器输出信噪比定义为

输出信噪比反映了系统的抗噪声性能。

为了便于衡量同类调制系统不同解调器对输入信噪比的影响，还可用输出信噪比和输入信噪比的比值G来表示，G称为调制制度增益。G也反映了这种调制制度的优劣，G越大，性能越好，调制制度增益定义为

显然，输出信噪比和G不仅与调制方式有关，也与解调方式有关。在相同的Si和n0的条件下，输出信噪比越高，则解调器的抗噪声性能越好。显然，G越大，表明解调器的抗噪声性能越好。这里Si/Ni为输入信噪比，定义为

各种模拟调制方式的性能如表2-1所示。表中的So/No是在相同的解调器输入信号功率Si、相同噪声功率谱密度n0、相同基带信号带宽fm的条件下得到的结果。其中，AM为100％调制，调制信号为单音余弦。

1.抗噪声性能

从表2-1可以看到，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。

图2-40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，曲线迅速下降；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。

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。门限值定义为出现门限效应时所对应的输入信噪比值，记为（Si/Ni）b。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，在8～11dB的范围内变化，一般认为门限值为10dB左右。

图2-41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。由图可见，在门限值以上时，（So/No）FM与（Si/Ni）FM成线性关系，且mf越大，输出信噪比的改善越明显。另外，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。这也相当于改善了门限。

由于解调信号在解调器（鉴频器）输出端噪声功率谱随f成抛物线形状增大（与f的二次方成正比），即解调器输出噪声随着调制信号频率的升高而增强。而且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，m（t）中比较弱的高频分量被淹没在较强的输出噪声中，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。

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。最简单的去加重网络是RC低通滤波器，预加重电路具有高通性质，对调制信号的高端频率分量起到提升的作用，从而提高了高频段的信噪比。

2.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。可以说，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。

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BFM=2（mf+1）fm=（mf+1）BAM。当mf≫1时，近似有BFM≈mfBAM，故有mf≈BFM/BAM，在上述条件下，变为（So/No）FM/（So/No）AM=3（BFM/BAM）2。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二次方成正比。调频是以带宽换取信噪比的改善。

所以，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。mf增大→BFM增大→GFM增大，这说明，调频系统可以通过增加传输带宽来改善抗噪声性能。

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，当输入信噪比下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。

3.特点与应用

AM调制：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。在传输中如果载波受到信道影响选择性衰落，则在包络检波时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高。因此AM调制用于通信质量要求不高的场合，目前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，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。鉴于这些特点，SSB调制普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中。

VSB调制：优点是部分抑制了发送边带，同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分。VSB的抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。VSB解调原则上也需同步解调，但在某些VSB系统中，附加一个足够大的载波，就可用包络检波法解调合成信号（VSB+C），这种（VSB+C）方式综合了AM、SSB和DSB三者的优点。所有这些特点，使VSB对商用电视广播系统特别具有吸引力。

FM调制：FM波的幅度恒定不变，这使它对非线性器件不甚敏感，给FM带来了抗快衰落能力。利用自动增益控制和带通限幅还可以消除快衰落造成的幅度变化效应。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，如空间和卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等；缺点是频带利用率低，存在门限效应。