通信电路ch06.ppt

1 笫6章调制与解调 通信系统中最关键模块 6 1调制的基本概念6 2幅度调制6 2 1标准幅度调制与解调6 2 2抑制载波调幅 单边带调幅和残留边带调幅6 2 3正交幅度调制与解调6 2 4数字信号调幅6 3角度调制6 3 1角调调制的基本概念6 3 2频率调制信号的性质6 3 4实现频率调制的方法与电路6 3 5调频波的解调方法与电路6 4数字信号的相位调制 2 调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程 无线传输时调制就是由携带信息的电信号去控制高频振荡信号的某一参数 振幅 频率或相位 使该参数按照电信号的规律而变化的处理方式 载波 用来传送消息的载体叫作载波 高频 调制的作用是把消息置入消息载体 以便于传输和处理 解调是调制的逆过程 从消息载体中还原出原来的消息 调制信号 代表欲传送消息的信号 低频 叫作调制信号 基带信号 已调信号 经调制后的信号叫作已调信号 6 1调制的基本概念 3 载波可以是正弦波 脉冲波和光波等 所欲传送的消息可以是 模拟信号 话音 图象或其它物理量 数字信号 数据 电报和编码信号等 调制的必要性 可用较小天线实现有效地发射 有选择地接收 多路复用 如频分复用 提高通信容量 降低干扰对信号传输的影响 如扩频调制 保密 调制的必要性 4 调制的方式和分类 按载波分 脉冲调制 正弦调制和对光波进行的光强度调制等 按调制信号形式分 模拟调制和数字调制 调制信号为模拟信号的称为模拟调制 调制信号为数字信号的称为数字调制 正弦波调制有幅度调制 频率调制和相位调制三种基本方式 后两者合称为角度调制 调制是一种非线性过程 载波被调制后将产生新的频率分量 通常它们分布在载波频率的两边 并占有一定的频带 衡量调制制式好坏的指标 抗干扰能力 频带利用率 功率有效性 发射机能否使用高效率的非线性功放 调制的方式和分类 5 幅度调制 AM 是指载波的幅度随调制信号的变化规律而变化 而其角频率和初相位均为常数 幅度调制有如下方式 标准 普通 幅度调制 StandardAM 双边带幅度调制 DoubleSidebandAM 记为DSBAM 这种调幅方式又称抑制载波调幅 SuppressedCarrierAM 简记为SCAM 残留边带幅度调制 VestigialSidebandAM 简记为VSBAM 单边带幅度调制 SingleSidebandAM 记为SSBAM 6 2幅度调制 6 正交幅度调制 QuadratureAM 简写为QAM 数字信号调幅 ASK 幅度键控 多电平幅度调制如16QAM 64QAM 128QAM等 现通课 幅度调制还有如下方式 6 2幅度调制 7 说明 标准幅度调制是各种幅度调制中最基本的一种 标准幅度调制因其所占频带宽 功率利用效率低等原因 使用范围受到限制 但它是各种调制形式的基础 标准调幅波信号的性质 时域与频域 信号的数学表示式 波形图 频谱函数与频谱图 占有频带宽度 信号所具有的功率在各频率分量之间的分配关系等 6 2 1 1标准调幅波的基本特性 6 2 1标准幅度调制 8 假定调制信号为 载波信号为 进行标准调幅后的表示式为 从定义 从画波形 从调幅波产生与频谱 称为调幅指数 在标准幅度调制中 为保证不出现过调制 要求 1 标准调幅波信号的数学表示式 9 单频余弦波调幅 m 1包络形状同调制信号 调幅仅将调制信号的频谱搬移到载频两旁 故称幅度调制为线性调制 返回 下边频上边频 2 标准调幅波信号的波形与频谱 时域 频域 10 不同调制度的调幅波形 调幅波形 调制信号 载波 调幅波 100 调幅波 过调 100 11 过调制波形 m 1 特点 已调波包络不反映调制信号规律 且载波有反相 过调制波形 12 2 任意波形调幅的波形与频谱 任意波形调幅 上图 返回 调幅波带宽 13 载波占有功率为 边带 两个 所占有的功率为 调幅波所具有的总功率 调制信号一周内的平均功率 为 3 标准调幅波信号的功率 单位电阻上 分配关系 载波同调制前 不带信息 14 调幅波功率与调制指数关系计算举例 有一标准AM波 未调制载波峰值电压为10V 负载电阻为10 调制指数为1 求载波和上下边带的功率 如果调制指数变化为0 5 载波和上下边带功率 信息功率占 信息功率占 在保证不过调的情况下 要使用尽可能高的调制指数 15 频带宽度 标准调幅信号所占的频带宽度为为即调制信号频带宽度的两倍 最高调制信号频率 从传递信息的角度看 两个边带所携带的信息是相同的 标准调幅信号所占的频带宽度中有一半是多余的 这种调幅方式在频率资源利用上是有缺点的 已调信号的幅度随调制信号而变化 而且当时调幅信号幅度的包络反映了调制信号的规律 只要能取出这个包络信号就可实现解调 调幅波的频谱由两部分组成 一部分是未调载波的频谱 另一部分是分别平移至两旁的调制信号的频谱 频谱搬移 标准调幅波的性质小结 16 调幅波所具有的总功率 总功率 载波功率 边带功率在调幅波中 欲传送的信息包含在边带内 载波分量并不包含欲传送的信息 而它所占有的功率却为总功率的一半以上 从有效地利用发射机功率的角度考虑 标准幅度调制也是有缺点的 标准调幅波的性质小结 续 思考 当调制信号为两个或三个单频信号组成时标准调幅波的数学表示式 频谱 功率 带宽如何表示或计算 17 6 2 1 2实现标准调幅的方法 调幅方法有两大类 高电平调幅 用C类功放实现 调制器必须提供大的边带功率 大约是总功率的33 如广播发射机 低电平调幅 只需很小的调制信号就能得到高的调制度 在大功率应用时 调制器后边加线性功率放大器 效率低 调幅实际上是频谱线性搬移 实现频谱线性搬移最基本方法在时域上是将两个信号相乘 说明 1 高电平调幅不讲 若需要请参考参考书 2 3 2 低电平调幅要求掌握 18 实现低电平调幅 直流电压 调幅波由载波以及载波与调制信号相乘这两部分组成 据此 得到实现标准调幅的两种方案 图A 图B 返回 19 举例1 1496电路图 采用集成模拟相乘器MC1496来构成调幅器 图A方案实现 高频信号为载波信号 低频信号为调制信号 直流电压为1 4脚之间的电压 实现两个信号的相乘 可以应用第4章中讨论的时变参量线性电路 包括模拟相乘器 举例1 集成模拟相乘器MC1496调幅器 20 调幅信号的解调 检波 从调幅信号中恢复出原调制信号 是调幅的逆过程 频域 将调制信号频谱搬回原点附近 直流 直流 调制信号 6 2 1 3标准调幅信号的解调 21 检波效率 指检波器输出信号的幅度与输入调幅信号中包络的幅度之比 对于单频正弦信号调幅 这时的检波效率或称为检波器的传输系数 两个不同频率信号的幅度比 与一般放大器增益概念不同 1 对检波器的技术要求 对检波器的技术要求 22 检波失真 要求检波器的输出信号波形与输入调幅信号的包络之间只有时间延迟或幅度比例上的变化 而不出现新的频率成分或改变原有各频率分量间的相互关系 也即不出现非线性失真或线性失真 输入阻抗 检波电路是前级放大器的负载 它的输入阻抗将影响前级的工作 需合理设计 谐波输出 或载波泄漏 检波器的输出信号中 除有用信号外 还包含有载波及其各次谐波分量 在低通滤波器之前 这些分量就可能通过空间辐射 寄生耦合或电源反馈到前级 影响电路工作的稳定性 1 对检波器的技术要求 续 23 相干解调 将调幅信号与一本地载波信号相乘 经低通后得调制信号分量 这本地载波信号是在接收设备内产生的 并且与调幅信号中的载波相干 或者说是同步的 即本地载波与输入调幅信号中载波的频率相同 二者的相位也应相同或有很小的相位差 所以这种解调方法又称同步解调 低通滤波器 返回 相干解调框图 本地载波 与输入信号载波同频同相 2 两类解调方法 相干解调与非相干解调 24 数学分析 若调幅信号表示为 本地载波信号表示为 则相乘后 它包括低频分量和二倍载频调幅分量两部分 经低通滤波器滤除及附近分量 可得解调输出为 上图 直流 原调制信号 2 相干解调方法 续1 25 结论 当本地载波和输入信号的载波同频同相时相干解调可实现无失真解调 产生和载频信号同频同相的本地载波是相干解调的一个关键问题 载波提取 若相角为常量 则将直接影响解调的输出幅度 极端情况下 则将无解调输出 若相角随t变化 则会引起解调失真 甚至无法恢复出原调制信号 相干解调方法讨论 续 26 同步检波器框图 本地载波恢复方法 若发射的调幅波中含有载波 接收端用选频回路就可滤出载波 用锁相环路提取载波 3 相干解调电路 同步检波器 b 叠加型同步检波器 a 乘积型同步检波器 27 同步检波电路举例 彩电同步检波电路 1 载波恢复 T22 T32 R43 R52 D1D2及外接LC回路38MHZ 2 相乘器 T33 T39 R53 R57 3 预视放 T40 T48 R58 R66 D3 D5 利用T42 T43横向PNP管高频特性差滤除二倍频分量 去 图像中频信号入 28 非相干解调 利用某些元件的非线性特性对标准调幅信号进行非线性变换 也可实现调幅波的解调 它不需要本地载波作为相干信号 因此称之为非相干解调 经常应用的非相干解调方法有 小信号平方律检波 平均包络检波大信号峰值包络检波等 2 标准调幅波解调方法2 非相干解调 29 检波器电路 如右图所示 二极管有偏置电压 二极管电流全周期流通 输入信号很小 电路的技术指标 检波效率 低 输入阻抗 低 检波失真 严重 非线性失真系数为 平方律检波 用于功率指示 低通 检波负载 原理 非线性元件的输出输入特性含有二次方项 在工作点展开幂级数 小信号平方律解调 30 半波整流 相当于将输入信号乘以一个开关信号 整流后的信号可表示为 平均包络检波 31 这是调幅信号通过由表示的时变参量线性电路问题 将展开成付氏级数 可得 经低通取出式中第二项即解调输出中包含直流和调制信号 直流表示载波的幅度 可用于AGC电路 平均包络检波 续 32 小信号平方律解调和平均包络解调的根本原理是因为在数学表示式中出现了与相干解调类似 也是用载波乘调幅信号 不同 这两种解调方法并没有外加本地载波信号 而是靠包含在调幅信号内的载波信号 注意 当调幅信号内不包含载波分量时 如下面将要讨论的抑制载波调幅和单边带调幅 就不能用这两种方法实现解调 平均包络解调只要载波频率高于调制信号频率两倍时 即各频谱分量之间就没有重叠 这就可以用滤波器选择出频率在0 范围内的有用信号 实现无失真解调 与相干解调的区别 33 大信号峰值包络检波 大信号峰值包络检波 当调幅信号幅度的包络线近似为调制信号的波形 载波频率比调制信号的最高频率高得多时 只要能取出这个信号的包络就可实现解调 电路简单 标准调幅波符合此条件 这是标准调幅的最大优点 要求 是调制信号最高频率 34 检波器电路组成 非线性器件 二极管 三极管 和低通滤波器两部分 峰值包络解调器电路特点 二极管无偏置电压 输入信号大 几百mv 二极管电流流通角很小 元件参数满足下列条件 载波信号周期 调制信号周期 充电时间常数 放电时间常数 大信号峰值包络解调器 35 大信号峰值包络解调器指标 电路的技术指标 电流流通角 检波效率 输入阻抗 检波失真 波形失真 对角切割失真 惰性失真 底边切割失真 负峰切割 36 利用二极管的单向导电和RC充 放电特性 大信号峰值包络解调器原理 37 调幅波输入时检波器工作波形 调幅波输入时检波器工作波形 输出中电压中含直流和调制信号分量 直流反映载波信号的大小 可用于AGC 38 检波器的数值选择过大 电路放电速度过慢 跟不上输入调幅波包络的下降速度 1 对角切割 失真 惰性失真 现象 好像是沿正弦波的对角切了一刀 原因 为避免这种失真 要求的放电速度较调幅信号包络下降速度快 大信号峰值包络解调器电路失真 39 底边切割 失真 底边切割 失真现象原因 检波器输出通过一个大电容耦合到下级放大器 该电容隔直流 对低频信号呈短路 造成了检波器交 直流负载不等 当输入调幅波的调制度较大时 在负峰值附近二极管不导通 避免 底边切割 失真条件 检波器交 直流负载阻抗之比不得小于调幅度 直流负载电阻为 交流负载电阻为 40 防止底边切割失真的电路措施 减小交 直流负载值的差别 图 a 缺点 输出电压减小了 图 b 利用射极跟随器高输入阻抗减小交 直流负载值的差别 41 对角切割失真示意图 返回 42 综合性研究课题可以开始了 下堂课 其他幅度调制与解调 43 12 载波信号入 调制信号入 14 5 1496集成片的内部电路图 44 返回 用1496集成片构成的调幅器电路 45 载波信号三种调制方式 幅度调制AM 线性 频率调制FM 非线性 相位调制PM 非线性 返回 46 输入阻抗 上式结论由能量守恒原理证明 设输入信号为等幅载波 幅度 吸取的功率 由于检波器输出的直流