第7章 振幅调制、解调及混频1.ppt

第7章振幅调制 解调及混频 7 1概述 7 1 1调制的基本概念7 1 2振幅调制信号分析一 普通调幅波二 双边带调幅波和单边带调幅波三 残留边带调幅波 POET 通信系统中信号的三种形式 1 基带信号 也称消息信号或调制信号 表示信息的电信号 例如 话音 图象信号 2 高频载波信号 确知的单一频率的正弦波信号 3 已调波信号 已载有基带信号的高频载波信号 POET 调制 用需要传输的基带信号去控制高频载波信号的某一参数 振幅 角频率或相位 使其随基带信号的变化而变化 这一过程称为调制 通俗地说 就是用高频振荡信号作为运载工具 将携带信息的低频信号 装载 到高频振荡信号上 解调 从已调信号中还原出基带信号的过程 7 1 1调制的基本概念 POET 将低频消息信号直接发射是不现实的 因此 信号的无线传播必须进行调制 由振荡电路产生一个高频载波信号 可将其加到适当高度的天线上发射出去 作为传输信息的运载工具 不同的电台可采用不同的载波 避免了信号的相互干扰 高频载波信号可表示为 uc Uccos ct c 其中 Uc 振幅 c 角频率 c 初相 为什么要进行调制 POET 调制的主要作用 进行频谱搬移 将原来不适宜传输的基带信号搬移到适合传输的某一个频段上 再送入信道 实现信道复用 把多个信号分别安排在不同的频段上同时进行传输 提高通信系统抗干扰能力 POET 无线电广播的发射与接收 1 低频部分 信息变换与放大 2 高频部分 高频信号产生 放大 调制 高频谐振放大器 消息信号 1 发送设备 POET 无线电广播的发射与接收 2 接收设备 fo fs fi POET 振幅调制 振幅调制是用调制信号控制高频载波的振幅 使高频载波的振幅按调制信号的规律变化 振幅调制的实质是将的频谱线性地搬移到的两侧 按照调幅方式 可分为普通调幅 AM 双边带调幅 DSB 单边带调幅 SSB 残留边带调幅 VSB 本章先讲各类调幅波的基本性质 然后介绍几种不同的调幅电路 7 1 2振幅调制信号分析 设调制信号载波信号 1 调幅波的数学表达式和波形 通常调制要传送的信号波形是比较复杂的 但无论多么复杂的信号都可用傅氏级数分解为若干正弦信号之和 为了分析方便起见 我们设调制信号为单一频率信号 一 普通调幅波 通常满足 c 称为调幅指数即调幅度 是调幅波的主要参数之一 它表示载波电压振幅受调制信号控制后改变的程度 一般0 ma 1 则已调信号为 根据振幅调制信号的定义 已调信号的振幅随调制信号u 线性变化 由此可得振幅调制信号振幅Ucm t 为Ucm t UCm UC t UCm kaU t 2 普通调幅波的波形图 当载波频率调制信号频率 0 ma 1 则可画出和已调幅波形分别如下图所示 从图中可看出调幅波是一个载波振幅按照调制信号的大小线性变化的高频振荡 其振荡频率保持载波频率不变 a 调制信号 b 已调波形 因此 普通调幅信号的振幅由直流分量 和交流分量迭加而成 其中交流分量与调制信号成正比 或者说 普通调幅信号的包络 信号振幅各峰值点的连线 完全反映了调制信号的变化 当时ma 1时 调幅达到最大值 称为百分之百调幅 若ma 1 AM信号波形某一段时间振幅为将为零 称为过调制 过调制波形图 3 调幅信号的频谱及带宽 将调幅波的数学表达式展开 可得到 正弦波调幅信号的频谱图 由图看出调幅过程实际上是一种频谱搬移过程 即将调制信号的频谱搬移到载波附近 成为对称排列在载波频率两侧的上 下边频 幅度均等于 对于单音信号调制已调幅波 从频谱图上可知其占据的频带宽度B 2 根据信号分析理论 一般非周期调制信号的频谱是一连续频谱 假设其频率范围是 min max 如载频仍是 0 则这时的普通调幅信号可看成是调制信号中所有频率分量分别与载频调制后的迭加 各对上 下边频的迭加组成了上 下边带 相应的波形和频谱如图所示 可见 这时普通调幅信号的包络仍然反映了调制信号的变化 上边带与下边带呈对称状分别置于载频的两旁 且都是调制信号频谱的线性搬移 上 下边带的宽度与调制信号频谱宽度分别相同 总频带宽度仍为调制信号带宽的两倍 即BW 2 max 对于单音信号调制已调幅波 从频谱图上可知其占据的频带宽度B 2 对于多音频的调制信号 若其频率范围是0 max 则已调信号的频带宽度等于调制信号最高频率的两倍 非正弦波调幅信号的频谱图 4 普通调幅波的功率关系 将 载波功率 每个边频功率 上边频或下边频 作用在负载电阻R上 在调幅信号一周期内 AM信号的平均输出功率是 因为ma 1 所以边频功率之和最多占总输出功率的1 3 调幅波中至少有2 3的功率不含信息 从有效地利用发射机功率来看 普通调幅波是很不经济的 在实际系统中 平均调幅指数很小 所以边频功率占的比例更小 功率利用率更低 为了提高功率利用率 可以只发送两个边频分量而不发送载频分量 或者进一步仅发送其中一个边频分量 同样可以将调制信息包含在调幅信号中 这两种调幅方式分别称为抑制载波的双边带调幅 简称双边带调幅 和抑制载波的单边带调幅 简称单边带调幅 在以下两小节将分别给予介绍 三 抑制载波的双边带调幅波与单边带调幅波 1 抑制载波的双边带调幅波 为了克服普通调幅波效率低的缺点 提高设备的功率利用率 可以不发送载波 而只发送边带信号 这就是抑制载波的双边带调幅波 DSBAM 其数学表达式为 其所占据的频带宽度仍为调制信号频谱中最高频率的两倍 即 2 单边带调幅波 上边频与下边频的频谱分量对称含有相同的信息 也可以只发送单个边带信号 称之为单边带通信 SSB 其表达式为 或 其频带宽度为 可以节省一半的带宽 表9 1三种振幅调制信号 3 残留边带调幅 残留边带调幅 记为VSBAM 它在发射端发送一个完整的边带信号 载波信号和另一个部分被抑制的边带信号 这样它既保留了单边带调幅节省频带的优点 且具有滤波器易于实现 解调电路简单的特点 单边带调幅具有节约频带和节约发射功率的优点 但其调制和解调电路都比较复杂 因此 常采用残留边带调幅 2 AM波的频谱 单频调制频谱 复杂信号调制频谱 2 AM波的频谱 AM波的带宽单频调制 或复杂信号调制 或 注 两个式子的区别 单位不同 2 AM波的功率 上边频 或下边频 功率 总边频功率 调幅波输出的总平均功率为 载波功率 2 实现AM调制的电路模型 模型一 模型二 二 双边带调幅波和单边带调幅波 单频调制时 DSB波的数学表达式 DSB电路模型 DSB信号的带宽 BWDSB 2 与AM波一样 c c DSB波的频谱 c max c min c min c max SSB调制 单频调制时 SSB波的数学表达式 SSB电路模型 三 残留边带调制 先进行AM调制 让AM波通过斜切滤波器 得到VSB波 电路模型 7 2振幅调制电路 7 2 1AM调制电路7 2 2DSB调制电路 7 2 1AM调制电路 AM调制 常用高电平调制电路高电平调制 将谐振功率放大器与调制电路合在一起 在较大功率电平的基础上进行调制 常用电路 基极调幅 集电极调幅 一 基极调幅 uBB t UBB U mcos t 工作在欠压状态 优点 对调制信号源所能提供的功率要求不高缺点 线性度不好 效率较低 二 集电极调幅 uCC t UCC U mcos t 工作在过压状态 优点 效率高缺点 所需要的调制信号的功率较大 7 2 2DSB调制电路 二极管平衡调制器二极管环形调制器模拟乘法器调制器 一 二极管平衡调制器 二极管平衡调制器 uc t 正半周 uc t 负半周 等效电路 二 二极管环形调制器 模拟乘法器实现AM DSB调制 调制信号从管脚1输入 载波从管脚7输入 RW为载波分量调零电位器 它的作用是调节1和4的直流电位差为零 保证输出为DSB调幅波 若1和4的直流电位差不为零 则有载波分量输出 就成为普通调幅了 7 3调幅信号的解调 7 3 1二极管峰值包络检波 一 工作原理 它由一个二极管与一个电阻 电容并联网络构成 电路中电阻 电容并联网络为低通滤波器 电路的输入电压较大 一般在500mV以上 二 性能分析 1 二极管的通角 理论上讲 越小 输出电压越接近调幅波的包络 失真越小 通角 的分析方法类似于丙类功率放大器的折线分析法 为只有在大信号时 二极管的伏安特性才能用折线近似 故包络检波适宜大信号 可见RL越大 越小 2 检波效率Kd定义 输出低频电压振幅与输入高频电压包络的振幅之比 3 输入电阻Ri当gDRL 50时 三 检波器的失真 1 惰性失真又称对角切割失真 是由于检波器输出端时间常数RLC太大而引起的 也可以说是由于电容的较大的惰性造成的 故称为惰性失真 峰值包络检波器存在两种典型的失真 惰性失真与负峰切割失真 避免出现惰性失真 在任何一个高频信号的周期内 使用电容器C放电速度大于或等于包络下降速度 即计算得实际电路设计中 要用最大调制度和最高调制频率计算 2 负峰切割失真检波器输出一般要通过隔直电容C 与下级放大器耦合 如右图 如果RL和RL 取直不当就有可能出现负峰切割失真 要防止负峰切割失真