《通信原理项目式教程》课件项目2 构建模拟调制传输系统

项目2构建模拟调制传输系统任务2.1构建AM调幅广播系统任务2.2构建SSB频分复用系统任务2.3构建FM调频广播系统任务2.1构建AM调幅广播系统

广播是人们日常生活中的娱乐方式之一，有调幅广播AM和调频广播FM等多种形式。本小节的任务是首先在头脑中建立调制的概念，然后在掌握AM调制和解调技术原理的前提下，了解AM调幅广播系统的结构组成，并与SC-DSB立体声广播进行对比。子任务1：了解AM调幅广播系统的结构组成，掌握AM调制的技术原理子任务2：掌握AM的非相干解调方法，了解其抗噪声性能子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统任务要求：任务2.1构建AM调幅广播系统子任务1：了解AM调幅广播系统的结构组成，掌握AM调制的技术原理模拟幅度调制：用模拟基带信号去改变正弦型载波的幅度，使载波的幅度随着基带信号的变化而变化。模拟幅度调制标准调幅（AM）抑制载波双边带调幅（SC-DSB）单边带调幅（SSB）残留边带调幅（VSB）任务2.1构建AM调幅广播系统子任务1：了解AM调幅广播系统的结构组成，掌握AM调制的技术原理AM调幅广播：任务2.1构建AM调幅广播系统子任务1：了解AM调幅广播系统的结构组成，掌握AM调制的技术原理1、AM的时、频域计算时域表达式：频域表达式：任务2.1构建AM调幅广播系统子任务1：了解AM调幅广播系统的结构组成，掌握AM调制的技术原理2、AM的波形及频谱任务2.1构建AM调幅广播系统子任务1：了解AM调幅广播系统的结构组成，掌握AM调制的技术原理调幅指数：任务2.1构建AM调幅广播系统子任务1：了解AM调幅广播系统的结构组成，掌握AM调制的技术原理3、AM的平均功率功率信号：具有无限能量，但平均功率为有限值的信号。周期信号都属于功率信号，某些非周期信号也可能属于功率信号。单位电阻上所消耗的平均功率定义为周期信号的归一化平均功率，简称功率。任务2.1构建AM调幅广播系统

任务2.1构建AM调幅广播系统

任务2.1构建AM调幅广播系统

任务2.1构建AM调幅广播系统

任务2.1构建AM调幅广播系统子任务2：掌握AM的非相干解调方法，并了解其抗噪声性能解调：从已调信号中无失真地恢复出基带信号的过程。解调的方法通常分为两种：相干解调与非相干解调。在模拟调幅系统中，相干解调适用于所有线性调制方式（AM、SC-DSB、SSB、VSB），非相干解调只适用于标准调幅AM信号。1、AM信号的非相干解调——包络检波法

电路参数选择：任务2.1构建AM调幅广播系统子任务2：掌握AM的非相干解调方法，并了解其抗噪声性能2、AM非相干解调的抗噪声性能信噪比增益：任务2.1构建AM调幅广播系统子任务2：掌握AM的非相干解调方法，并了解其抗噪声性能2、AM非相干解调的抗噪声性能（1）计算输入信噪比（2）计算输出信噪比及信噪比增益a）输入为大信噪比情况b）输入为小信噪比情况

任务2.1构建AM调幅广播系统子任务2：掌握AM的非相干解调方法，并了解其抗噪声性能2、AM非相干解调的抗噪声性能c）门限效应

当输入信噪比下降到某一值时，输出信噪比会随输入信噪比的下降而快速下降的现象。任务2.1构建AM调幅广播系统子任务2：掌握AM的非相干解调方法，并了解其抗噪声性能案例分析：1、任务2.1构建AM调幅广播系统子任务2：掌握AM的非相干解调方法，并了解其抗噪声性能案例分析：1、任务2.1构建AM调幅广播系统子任务2：掌握AM的非相干解调方法，并了解其抗噪声性能案例分析：3、已知基带信号平均功率为9W，载波振幅A=4V，AM调幅波包络检波器的输入噪声平均功率为0.1W，试求包络检波器的信噪比增益？解：

由已知条件可以判定，AM调幅波包络检波器的输入信号幅度远远大于输入噪声幅度，因此属于输入为大信噪比的情况，再由式2-17可求，包络检波器的信噪比增益：任务2.1构建AM调幅广播系统子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统1、DSB调制的实现任务2.1构建AM调幅广播系统子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统2、DSB信号的相干解调任务2.1构建AM调幅广播系统子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统3、DSB系统的载波同步技术载波同步：接收端提供一个与发送载波同频同相的相干载波。

相干载波通常是从接收到的信号中提取的。

若已调信号本身存在载波分量，就可以从接收信号中直接提取载波同步信息，如AM调幅波；

若已调信号中不存在载波分量（如DSB调制）或者含有载波分量但很难分离出来，就需要采用在发送端插入导频的方法（称为插入导频法，又称外同步法），或者在接收端对信号进行适当的波形变换，以取得载波同步信息的方法（称为自同步法，又称内同步法）任务2.1构建AM调幅广播系统子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统3、DSB系统的载波同步技术（1）插入导频载波同步法发送端接收端任务2.1构建AM调幅广播系统子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统3、DSB系统的载波同步技术（2）载波自同步法

——平方变换法任务2.1构建AM调幅广播系统子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统3、DSB系统的载波同步技术（2）载波自同步法

——同相正交法（科斯塔斯环(Castas)法）

锁定时：任务2.1构建AM调幅广播系统子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统案例分析：1、将DSB与AM信号频谱进行比较。

在基带信号和载波都相同的情况下，DSB信号与AM信号频谱相比少了代表载波成分的冲击信号。任务2.1构建AM调幅广播系统子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统案例分析：2、将DSB与AM信号的时域波形进行比较。

在基带信号和载波都相同的情况下，满调幅AM信号的时域波形的包络刚好为调制信号形状，而DSB信号时域波形的包络不能携带调制信号的完整信息。DSBAM任务2.1构建AM调幅广播系统子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统案例分析：3、仿照DSB信号的相干解调，设计实现AM信号的相干解调系统。任务2.1构建AM调幅广播系统子任务3：构建AM的改进型——SC-DSB系统案例分析：4、试画出采用插入导频法进行载波同步的完整的DSB调制/解调系统结构图。任务2.2构建SSB频分复用系统

相比于AM和DSB调制，单边带调幅SSB和残边带调幅VSB在节省带宽上具有明显优势。本节的任务是在掌握SSB调制和解调方法的基础上，熟悉SSB频分复用系统的构成，并在学习无线电视所采用的VSB调制技术之后，将AM、DSB、SSB和VSB四种模拟调幅技术在相干解调方式下的抗噪声性能进行对比分析。子任务1：掌握SSB调制及解调方法子任务2：构建SSB频分复用系统子任务3：了解电视广播采用的VSB调制的技术原理子任务4：对比几种模拟调制传输技术相干解调方式下的抗噪声性能任务要求：任务2.2构建SSB频分复用系统子任务1：掌握SSB调制及解调方法1、滤波法任务2.2构建SSB频分复用系统子任务1：掌握SSB调制及解调方法2、相移法（希尔伯特变换法）任务2.2构建SSB频分复用系统子任务1：掌握SSB调制及解调方法案例分析：1、SSB的多级调制滤波法任务2.2构建SSB频分复用系统子任务1：掌握SSB调制及解调方法案例分析：2、SSB的相移法任务2.2构建SSB频分复用系统子任务1：掌握SSB调制及解调方法案例分析：3、已知单边带信号

，试证明它不能用平方变换法提取同步载波。任务2.2构建SSB频分复用系统子任务2：构建SSB频分复用系统信道复用频分复用时分复用码分复用空分复用波分复用任务2.2构建SSB频分复用系统子任务2：构建SSB频分复用系统任务2.2构建SSB频分复用系统子任务2：构建SSB频分复用系统案例分析：1、将十路频率范围为0～5kHz的信号进行频分复用传输，邻路间防护频带为300Hz，试求采用下列调试方式时的最小传输带宽：（1）调幅AM；（2）双边带调幅DSB；（3）单边带调幅SSB。AM信号和DSB信号带宽相同，都是基带信号带宽的2倍，因此频分复用系统带宽为：B=10×5×2+(10-1)×0.3=102.7（kHz）；SSB信号带宽与基带信号带宽相同，相应的频分复用系统带宽为：B=10×5+(10-1)×0.3=52.7（kHz）。2、试分别画出上题中的DSB频分复用信号和SSB频分复用信号的频谱图（要求用不同形状和阴影的图形代表不同的信号）。任务2.2构建SSB频分复用系统子任务3：了解电视广播采用的VSB调制的技术原理任务2.2构建SSB频分复用系统子任务3：了解电视广播采用的VSB调制的技术原理案例分析：试通过公式推导证明VSB信号相干解调后能够无失真恢复出原始基带信号。任务2.2构建SSB频分复用系统子任务4：对比几种模拟调制传输技术相干解调方式下的抗噪声性能（1）输入信号的平均功率（2）输入噪声的平均功率任务2.2构建SSB频分复用系统子任务4：对比几种模拟调制传输技术相干解调方式下的抗噪声性能（1）输出信号的平均功率（2）输出噪声的平均功率任务2.2构建SSB频分复用系统子任务4：对比几种模拟调制传输技术相干解调方式下的抗噪声性能案例分析：1、任务2.2构建SSB频分复用系统子任务4：对比几种模拟调制传输技术相干解调方式下的抗噪声性能案例分析：2、任务2.3构建FM调频广播系统

相比于任务2.1和任务2.2学习的模拟线性调幅技术，本节的任务是学习模拟非线性角度调制技术——调频FM和调相PM。首先了解角度调制的基本概念和FM与PM的相互关系，然后重点掌握FM调制和解调技术，构建FM调频广播系统，最后将FM与其他模拟调制系统的抗噪声性能进行对比分析。子任务1：了解模拟角度调制的基本概念子任务2：掌握调频波时频域分析方法子任务3：掌握FM调制的实现方法子任务4：掌握FM的解调方法子任务5：了解FM系统的抗噪声性能并与其他模拟调制系统进行比较分析子任务6：了解调频广播和调频立体声广播系统的结构组成任务要求：任务2.3构建FM调频广播系统子任务1：了解模拟角度调制的基本概念

频率和相位的变化都会影响载波的相角，因此，FM和PM这两种调制方式又统称为角度调制。

载波的一般表达式：

若初相φ不是常数，而是t的函数，则φ(t)称为瞬时相位偏移（简称瞬时相偏）。相应地，

称为瞬时角频率偏移（简称瞬时角频偏）。任务2.3构建FM调频广播系统子任务1：了解模拟角度调制的基本概念

对于基带信号f(t)，为了控制调相程度，给其加一个系数Kp（称为相移常数，单位为弧度/伏）来构成瞬时相偏，即有：则，调相信号的时域表达式为：对于基带信号为f(t)，为了控制调频程度，给其加一个系数Kf（称为频偏常数，单位为弧度/(伏·秒)）来构成瞬时角频偏，即有：则，调频信号的时域表达式为：任务2.3构建FM调频广播系统子任务1：了解模拟角度调制的基本概念任务2.3构建FM调频广播系统子任务1：了解模拟角度调制的基本概念设基带信号

，则有：调相指数：调频指数：任务2.3构建FM调频广播系统子任务1：了解模拟角度调制的基本概念案例分析：1、用列表形式归纳对比调频和调相两种角度调制的不同。任务2.3构建FM调频广播系统子任务1：了解模拟角度调制的基本概念案例分析：2、已知某调频器的输出为sFM(t)=10cos(106πt+8sin103πt)，频偏常数Kf=2rad/(V·s)，求：（1）载频fc；（2）调频指数；（3）最大频偏；（4）调制信号f(t)。任务2.3构建FM调频广播系统子任务1：了解模拟角度调制的基本概念案例分析：任务2.3构建FM调频广播系统子任务2：掌握调频波时频域分析方法1、窄带调频（NBFM）调频信号的表达式可以分解为：当满足窄带调频条件时，有如下近似公式：窄带调频信号的时域近似表达式为：任务2.3构建FM调频广播系统子任务2：掌握调频波时频域分析方法1、窄带调频（NBFM）NBFM信号与AM信号的异同：任务2.3构建FM调频广播系统子任务2：掌握调频波时频域分析方法1、窄带调频（NBFM）设基带信号为

，则相应的NBFM信号为：相应的AM信号为：任务2.3构建FM调频广播系统子任务2：掌握调频波时频域分析方法1、窄带调频（NBFM）NBFM信号与AM信号的异同：任务2.3构建FM调频广播系统子任务2：掌握调频波时频域分析方法2、宽带调频（WBFM）Jn(βf)是第一类n阶贝塞尔（Bessel）函数，它是调频指数βf的函数。Bessel函数的具有如下性质：当n为奇数时，有J-n(βf)=-Jn(βf)，即Bessel函数的取值以n=0为中心呈奇对称；当n为偶数时，有J-n(βf)=Jn(βf)，即Bessel函数的取值以n=0为中心呈偶对称。任务2.3构建FM调频广播系统子任务2：掌握调频波时频域分析方法2、宽带调频（WBFM）将FM表达式按三角公式展开，有：将上式中的两个因子分别展开成傅立叶级数形式，有：代入FM三角表达式，得：任务2.3构建FM调频广播系统

相邻边频之间的间隔为ωm，每个边频的幅度为Jn(βf)。n=1时的边频分量，称为一次边频；n=2时的边频分量，称为二次边频，……依次类推。任务2.3构建FM调频广播系统子任务2：掌握调频波时频域分析方法2、宽带调频（WBFM）单音调频波的带宽计算公式——卡森公式：对上式讨论两种极端情况：

若βf<<1时，则BFM≈2fm，这就是窄带调频波的带宽，与前面的分析相一致；

若βf>>1时，则BFM≈2Δfmax，这说明大调频指数的宽带调频波的带宽主要由最大频偏决定。调频波带宽通用计算公式：任务2.3构建FM调频广播系统子任务2：掌握调频波时频域分析方法2、宽带调频（WBFM）案例分析：1、设基带信号为单频余弦，且已知由此基带信号生成的调频波的部分频谱图如图所示，试根据调频波特性和贝塞尔函数的性质将此图中已标频点处补充完整。部分频谱完整频谱任务2.3构建FM调频广播系统子任务2：掌握调频波时频域分析方法2、宽带调频（WBFM）案例分析：3、有一个10kHz的单频正弦信号进行调频，峰值频偏为10kHz，求：（1）调频信号的频带带宽；（2）调制信号幅度加倍后调频信号的带宽；（3）调制信号频率加倍后调频信号的带宽。任务2.3构建FM调频广播系统子任务2：掌握调频波时频域分析方法2、宽带调频（WBFM）案例分析：4、八路语音信号采用SSB/FM复合调制，假设语音信号的最高频率为4kHz，防护频带为0.5kHz，调频指数βFM=5，则其复合调制的总带宽是多少？解：经第一级SSB调制后的带宽为：BSSB=8×4+(8-1)×0.5=35.5（kHz）经第二级FM调制后的带宽为：BFM=2(β+1)BSSB=2×6×35.5=426（kHz）所以复合调制的总带宽为426kHz。任务2.3构建FM调频广播系统子任务3：掌握FM调制的实现方法1、直接法

就是用基带信号直接去控制振荡器的频率，使其按基带信号的规律进行线性变化的方法。

压控振荡器（VCO）：锁相环调频电路：由VCO、环路滤波器（低通滤波器）、鉴相器等构成。任务2.3构建FM调频广播系统子任务3：掌握FM调制的实现方法2、间接法

不直接用基带信号去控制频率而实现调频波的方法。

实现宽带调频波最常用的方法是在窄带调频波基础上的倍频法。NBFM第间接法实现法：WBFM的阿姆斯特朗倍频法：任务2.3构建FM调频广播系统

任务2.3构建FM调频广播系统

任务2.3构建FM调频广播系统子任务4：掌握FM的解调方法1、非相干解调调频信号的非相干解调主要采用具有频率-电压转换特性的鉴频器。理想鉴频器的特性曲线：调频信号的非相干解调的实现原理框图：任务2.3构建FM调频广播系统

任务2.3构建FM调频广播系统子任务4：掌握FM的解调方法2、相干解调

窄带调频信号可以采用类似线性调制中的相干解调法来进行解调。相干载波取经乘法器后得：经低通滤波器后得：最后经微分器得：任务2.3构建FM调频广播系统子任务4：掌握FM的解调方法2、相干解调案例分析：2、已知窄带调相信号为

，若与相干载波

相乘后再通过一个低通滤波器，问（1）能否实现正确解调？（2）最佳解调θ应为何值？任务2.3构建FM调频广播系统子任务5：了解FM系统的抗噪声性能并与其他模拟调制系统进行比较分析1、FM系统的抗噪声性能带噪声干扰的FM非相干解调系统：鉴频器的输入噪声功率为：鉴频器的输入信号功率为：输入信噪比为：任务2.3构建FM调频广播系统子任务5：了解FM系统的抗噪声性能并与其他模拟调制系统进行比较分析1