调频信号解调中的门限效应优化建议：门限效应在调频信号解调中的作用

与AM信号采用包络检波法解调时一样,调频信号非相干解调时,也存在着门限效应,现象是当输入信噪比较大时,解调器输出信噪比较高,此时信号清晰,噪声很小,输出信噪比与输入信噪比成线性关系,主要为起伏噪声。随着输入信噪比的下降,在某一个值以下时,解调器输出信噪比严重恶化,噪声突然明显增大,且有时会变为脉冲噪声,这种现象称为门限效应。下面对其原因加以分析。

为了分析简单,设信号未被调制,φc(t)=0,即

窄带高斯白噪声可以写成

FM信号加噪声可以写成

输入噪声幅度矢量Vn(t)、载波幅度A0以及FM信号和噪声的合成矢量A(t)的矢量图如图4.6.1所示。当大输入信噪比时,如图4.6.1(a)所示,Vn(t)在大多数时间里小于A0,噪声随机相位φn(t)在0～2π内变化,合成矢量A(t)的矢量端点轨迹如图4.6.1(a)中虚线所示。这时信号和噪声合成矢量的相位φ(t)的变化范围不大,输出噪声为起伏噪声,没有脉冲噪声输出,故输出信噪比是足够高的。当小输入信噪比时,因在大多数时间里Vn(t)大于载波幅度A0,因此当噪声的随机相位在0～2π范围内任意变化时,信号与噪声的合成矢量A(t)的矢量端点轨迹如图4.6.1(b)所示。合成矢量的相位φ(t)围绕原点作0～2π范围内的变化,因为φ(t)变化范围大,且是随机的,所以产生脉冲噪声。

图4.6.1　FM信号加噪声的矢量图

设随机相位φ(t)变化如图4.6.2(a)所示,利用鉴频器将相位的变化率dφ(t)/dt提取出来作为输出,如图4.6.2(b)所示。可见φ(t)从0～2π变化时,它的变化率最大,dφ(t)/dt产生一个正脉冲输出;在φ(t)从2π～0变化时,dφ(t)/dt产生一个负脉冲输出。由于φ(t)是随机变化的,所以正负脉冲的出现也是随机的。

当小输入信噪比时,产生脉冲噪声,使输出信噪比恶化,从而产生门限效应。由于小信噪比输入时,解调器输出信噪比的计算很复杂,这里只给出在单音调制下输出信噪比公式:(www.xing528.com)

图4.6.2　随机脉冲噪声的产生

式中,r是解调器输入信噪比,即

如果输入信噪比足够大时,公式(4.6.3)分母中的第二项趋近零,输出信噪比与输入信噪比成线性关系,其结果同式(4.5.17)。

图4.6.3(a)是调频指数分别为20、7、3、2时,在单音调制时门限值附近的输出信噪比和输入信噪比的关系。从图中可以看出,输入信噪比在门限值以上时,输出信噪比和输入信噪比成线性关系,即输出信噪比随着输入信噪比的大小作线性变化;在门限值以下时,输出信噪比急剧下降;不同的调频指数mf有着不同的门限值,mf大的门限值相对高,mf小的门限值相对低,但是门限值的变化范围不大。mf与输入信噪比的关系如图4.6.3(b)所示。从图中可以看出信噪比门限一般在8～11dB的范围内变化,通常认为门限值为10dB左右。

图4.6.3　调频信号的门限

门限效应是FM系统存在的一个实际问题,降低门限值是提高通信系统性能的措施之一。通常改善门限效应的解调方法是采用反馈解调器和锁相环解调器。

对于FM系统,它的抗噪声性能明显优于其他线性调制系统的抗噪声性能,这是通过牺牲系统的有效性(增加传输带宽)为代价换取的。但如果输入信噪比下降到门限值以下时,调频系统抗噪声性能严重恶化。在远距离电话通信或卫星通信中,由于信道噪声比较大或发送功率不可能很大等原因,接收端不能得到较大的信噪比。此时应采用门限电平较低的环路解调器解调,它们的门限电平比一般鉴频器的门限电平低6～10dB,可以在0dB附近的输入信噪比情况下工作,但设备比较复杂,实现起来也有一定的困难。

由于调频信号的抗噪声性能好,因此广泛应用于高质量的,或信道噪声大的场合。如调频广播、空间通信、移动通信以及模拟微波中继通信等。