第七章 振幅调制与解调PPT幻灯片课件.ppt

9振幅调制与解调 9 1概述 9 2调幅波的性质 9 3平方律调幅 9 4斩波调幅 9 5模拟乘法器调幅 9 6单边带信号的产生 1 End 9 7残留边带调幅 9 8高电平调幅 9 9包络检波 9 10同步检波 9 11单边带信号的接收 9振幅调制与解调 2 9 1概述 9 1 1振幅调制简述 9 1 2检波简述 3 9 1 1振幅调制简述 将要传送的信息装载到某一高频载频信号上去的过程 声音 1 定义 4 2 调制的原因 从切实可行的天线出发 为使天线能有效地发送和接收电磁波 天线的几何尺寸必须和信号波长相比拟 一般不宜短于1 4波长 音频信号 20Hz 20kHz 波长 15 15000km 天线长度 3 75 3750km 9 1 1振幅调制简述 5 2 调制的原因 便于不同电台相同频段基带信号的同时接收 频谱搬移 9 1 1振幅调制简述 6 2 调制的原因 可实现的回路带宽 基带信号特点 频率变化范围很大 高频窄带信号 频谱搬移 低频 音频 20Hz 20kHz 高频 射频 AM广播信号 535 1605kHz BW 20kHz 9 1 1振幅调制简述 7 3 调制的方式和分类 调幅 调相 调制 连续波调制 脉冲波调制 脉宽调制 振幅调制 编码调制 调频 脉位调制 9 1 1振幅调制简述 8 End 4 调幅的方法 平方律调幅 斩波调幅 调幅方法 低电平调幅 高电平调幅 集电极调幅 基极调幅 9 1 1振幅调制简述 9 9 1 2检波简述 从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号 1 定义 10 图9 1 1检波器的输入输出波形 9 1 2检波简述 11 图9 1 2检波器检波前后的频谱 9 1 2检波简述 12 图9 1 3检波器的组成部分 9 1 2检波简述 2 组成 13 End 3 检波的分类 二极管检波器 三极管检波器 检波 器件 信号大小 小信号检波器 大信号检波器 工作特点 包络检波器 同步检波器 9 1 2检波简述 14 9 2调幅波的性质 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 9 2 2调幅波中的功率关系 15 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 1 普通调幅波的数学表示式 首先讨论单音调制的调幅波 载波信号 调制信号 调幅信号 已调波 由于调幅信号的振幅与调制信号成线性关系 即有 即 式中ma为调制度 常用百分比数表示 16 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 调幅波形特点 1 调幅波的振幅 包络 变化规律与调制信号波形一致 2 调幅度ma反映了调幅的强弱度 17 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 18 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 图9 2 2由非正弦波调制所得到的调幅波 峰值调幅度 谷值调幅度 19 电压表达式 普通调幅波 载波被抑制双边带调幅波 单边带信号 波形图 频谱图 信号带宽 三种振幅调制信号 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 20 2 普通调幅波的频谱 1 由单一频率信号调幅 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 21 信号带宽 2 限带信号的调幅波 调制信号 载波 End 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 22 例子 End 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 23 9 2 2调幅波中的功率关系 如果将普通调幅波输送功率至电阻R上 则载波与两个边频将分别得出如下的功率 载波功率 上边频或下边频 在调幅信号一周期内 AM信号的平均输出功率是 24 载波本身并不包含信号 但它的功率却占整个调幅波功率的绝大部分 当ma 1时 PoT 2 3 Po 当ma 0 5时 PoT 8 9 Po 从调幅波的频谱图可知 唯有它的上 下边带分量才实际地反映调制信号的频谱结构 而载波分量仅是起到频谱搬移的作用 不反映调制信号的变化规律 End 9 2 2调幅波中的功率关系 25 9 3平方律调幅 9 3 1工作原理 9 3 2平衡调幅器 26 9 3 1工作原理 调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量 也就是说都需要用非线性器件来完成频率变换 这里将调制信号v 与载波信号v 0相加后 同时加入非线性器件 然后通过中心频率为 0的带通滤波器取出输出电压vo中的调幅波成分 图9 3 1非线性调幅方框图 27 9 3 1工作原理 设非线性器件为二极管 它的特性可表示为 式中 输入电压为 则输出电压 滤波前 为 产生调幅作用的是 故称为平方律调幅 28 9 3 1工作原理 29 9 3 1工作原理 频谱图 30 9 3 1工作原理 滤波后输出电压为 显然 调幅度ma的大小由调制信号电压振幅V 及调制器的特性曲线决定 亦即由a1 a2所决定 通常a2 a1 因此用这种方法所得到的调幅度是不大的 结论 End 31 图9 3 2串联双二极管平衡调幅器简化电路 9 3 2平衡调幅器 平衡调幅器的输出电压只有两个上 下边带 没有载波 亦即平衡调幅器的输出是载波被抑止的双边带 32 图9 3 2串联双二极管平衡调幅器简化电路 9 3 2平衡调幅器 由于两个二极管是相同的 可以假定它们的特性曲线能用同一个平方律公式来表示 证明如下 式中 33 串联双二极管平衡调幅器简化电路 9 3 2平衡调幅器 参阅图中电流与电压正方向 即可求得输出电压为 34 9 3 2平衡调幅器 平衡调幅频谱图 可见 平衡调幅器的输出是载波被抑止的双边带 以 DSB SC表示 End 35 9 4斩波调幅 9 4 1工作原理 9 4 2实现斩波调幅的两种电路 36 9 4 1工作原理 图9 4 1斩波调幅器方框图 37 9 4 1工作原理 图9 4 1斩波调幅器方框图 则斩波后电压为 滤波后电压为 38 图9 4 2斩波调幅器工作图解 9 4 1工作原理 调制信号 开关信号 斩波后信号 滤波后信号 39 图9 4 3平衡斩波调幅器方框图 9 4 1工作原理 平衡斩波调幅 40 图9 4 3平衡斩波调幅器方框图 9 4 1工作原理 则斩波后电压为 平衡斩波调幅 滤波后电压为 可见 平衡斩波调幅没有低频分量 而且高频分量振幅也提高了一倍 41 图9 4 3平衡斩波调幅及其图解 End 9 4 1工作原理 42 9 4 2实现斩波调幅的两种电路 图9 4 4二极管电桥斩波调幅电路 43 End 图9 4 5环形调幅器电路 9 4 2实现斩波调幅的两种电路 44 图9 5 1模拟乘法器电路 9 5模拟乘法器调幅 输出电压VO与两个信号电压V1 V2的关系式为 式中 K1为常数 适用条件 V1 V2很小 45 9 5模拟乘法器调幅 令 可见 模拟乘法器的输出为载波被抑止的调幅波 亦即实现了振幅调制 则 46 图9 5 2限幅特性 9 5模拟乘法器调幅 V1 V2很小时 当输入信号大时 式中 当v1很小时 V1与v1成线性关系 但这线性放大区很窄 室湿下几十mV 当v1足够大时 V1趋近于定值 模拟乘法器起到限幅作用 V2与v2的关系同 47 图9 5 1模拟乘法器电路 9 5模拟乘法器调幅 T7 T8的作用 实际电路中 T7与T8几何尺寸一致 工艺相同 因此有 即 48 图9 5 1模拟乘法器电路 9 5模拟乘法器调幅 T7 T8的作用 End 49 9 6单边带信号的产生 9 6 1单边带通信的优缺点 9 6 2产生单边带信号的方法 50 End 9 6 1单边带通信的优缺点 使所容纳的频道数目增加倍 大大提高波段利用率 单边带制能获得更好的通信效果 单边带制的选择性衰落现象要轻得多 接收端必须先恢复原来失去的载波 才能检出原来的信号 因此 要求收 发设备的频率稳定度高 设备复杂 技术要求高 优点 缺点 51 9 6 2产生单边带信号的方法 1 滤波器法 图9 6 1滤波器法原理方框图 52 9 6 2产生单边带信号的方法 1 滤波器法 为什么对滤波器提出很高的要求 为什么第一次的载波频率不能取得太高呢 最低调制频率 载波频率为 则两边带间的相对距离为 设 可见 两个边带相距很近 要滤除一个边带 通过另一个边带 就必须对滤波器提出很高的要求 53 9 6 2产生单边带信号的方法 1 滤波器法 为什么对滤波器提出很高的要求 为什么第一次的载波频率不能取得太高呢 若降低载频为 则两边带间的相对距离为 设 这时 对滤波器的要求虽然低了 但f0又嫌太低 滤波器的通频带可能不够宽 可见 载频f0既不能太高 也不能太低 一般取为100kHz 为了使载波频率提高到所需要的值 必须经过多次平衡调幅与滤波 54 图9 6 2滤波器法单边带发射机方框图 9 6 2产生单边带信号的方法 55 图9 6 2滤波器法单边带发射机方框图 9 6 2产生单边带信号的方法 必须强调指出 提高单边带的载波频率决不能用倍频的方法 因为倍频后 音频频率 也跟着成倍增加 使原来的调制信号变了样 产生严重的失真 这是绝对不允许的 56 图9 6 2滤波器法单边带发射机方框图 9 6 2产生单边带信号的方法 优点 性能稳定可靠 缺点 需要多次平衡调幅与滤波 因此设备复杂昂贵 用途 目前干线通信标准形式 57 图9 6 3单边带发射机方框图举例 9 6 2产生单边带信号的方法 58 2 相移法 图9 6 4相移法单边带调制器方框图 9 6 2产生单边带信号的方法 59 2 相移法 图9 6 4相移法单边带调制器方框图 9 6 2产生单边带信号的方法 由图得 则输出电压为 60 2 相移法 图9 6 4相移法单边带调制器方框图 9 6 2产生单边带信号的方法 优点 原则上能把相距很近的两个边频带分开 缺点 调制信号和载波的移相网络在整个频带范围内 都要准确地移相90o 这一点很难实现 用途 要求不高的小型电台 61 End 3 第三种方法 修正的移相滤波法 图9 6 5产生单边带信号的第三种方法 9 6 2产生单边带信号的方法 2 62 End 3 第三种方法 修正的移相滤波法 图9 6 5产生单边带信号的第三种方法 9 6 2产生单边带信号的方法 2 特点 此方法中 移相网络工作于固定频率 因此制造和维护都比较简单 特别适用于小型轻便设备 是一种有发展前途的方法 63 9 7残留边带调幅 在单边带调幅与双边带调幅之间 有一种折衷方式 即残留边带调幅 它传送被抑制边带的一部分 同时又将被传送边带也抑制掉一部分 为了保证信号无失真地传输 传送边带中被抑制部分和抑制边带中的被传送部分应满足互补对称关系 特点 所占频带比单边带略宽一些 它在 附近的一定范围内具有两个边带 因此在调制信号 例如电视信号 含有直流分量时 这种调制方式可以适用 残留边带滤波器比单边带滤波器易于实现 64 End 图9 7 1各种调幅制式的频谱示意图 9 7残留边带调幅 65 9 8高电平调幅 9 8 1集电极调幅 9 8 2基极调幅 66 9 8高电平调幅 高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大 即用调制信号v 去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度Vcm来实现调幅的 67 集电极调幅电路 9 8 1集电极调幅 End 优点 集电极效率高 晶体管获得充分的应用 缺点 已调波的边频带功率由调制信号供给 因而需要大功率的调制信号源 68 9 8 2基极调幅 基极调幅电路 End 优点 所需调制功率很小 对整机的小型化有利 缺点 基极调幅的集电极效率不高 69 9 9包络检波 9 9 1包络检波器的工作原理 9 9 2包络检波器的质量指标 70 9 9 1包络检波器的工作原理 从已调波中检出包络信息 只适用于AM信号 输入AM信号 检出包络信息 71 End 9 9 1包络检波器的工作原理 72 9 9 2包络检波器的质量指标 下面讨论这种检波器的几个主要质量指标 电压传输系数 检波效率 输入电阻和失真 1 电压传输系数 检波效率 定义 73 1 电压传输系数 检波效率 用分析高频功放的折线近似分析法可以证明 其中 是二极管电流通角 为检波器负载电阻 d为检波器内阻 9 9 2包络检波器的质量指标 即 电压传输系数Kd是不随信号电压而变化的常数 它仅取决于二极管内阻Rd与负载电阻R的比值 包络检波器的主要优点 74 2 等效输入电阻 考虑到包络检波电路一般作为谐振回路的负载 它势必影响回路选频特性 Q 下面分析其等效电阻 其中 Vim是输入高频电压振幅 Iim是输入高频电流基波振幅 9 9 2包络检波器的质量指标 75 2 等效输入电阻 如果忽略二极管导通电阻上的损耗功率 则由能量守恒的原则 输入到检波器的高频功率 应全部转换为输出端负载电阻上消耗的功率 注意为直流 9 9 2包络检波器的质量指标 由于二极管输入电阻的影响 使输入谐振回路的Q值降低 消耗一些高频功率 这是二极管检波器的主要缺点 76 3 失真 产生的失真主要有 惰性失真 负峰切割失真 非线性失真 频率失真 如果检波电路的时间常数RC太大 当调幅波包络朝较低值变化时 电容上的电荷来不及释放以跟踪其变化 所造成的失真称作惰性失真 惰性失真 对角线切割失真 9 9 2包络检波器的质量指标 77 惰性失真 对角线切割失真 调幅波包络 如图所示 在某一点 如果电容两端电压的放电速度小于包络的下降速度 就可能发生惰性失真 包络变化率 电容放电 9 9 2包络检波器的质量指标 78 惰性失真 对角线切割失真 放电速率 假定此时 为避免失真 9 9 2包络检波器的质量指标 79 惰性失真 对角线切割失真 实际上 调制波往往是由多个频率成分组成 即 min max 为了保证不产生失真 必须满足 或 9 9 2包络检波器的质量指标 工程上可按下式计算 80 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 负峰切割失真 底边切割失真 隔直电容Cc数值很大 可认为它对调制频率 交流短路 电路达到稳态时 其两端电压VC Vim 失真最可能在包络的负半周发生 假定二极管截止 Cc将通过R和RL缓慢放电 相对于高频载波一个周期内 其电压VC Vim将在R和RL上分压 直流负载电阻R上的电压为 9 9 2包络检波器的质量指标 81 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 负峰切割失真 底边切割失真 9 9 2包络检波器的质量指标 82 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 负峰切割失真 底边切割失真 要避免二极管截止发生 包络幅度瞬时值必须满足 交 直流负载电阻越悬殊或ma越大 越容易发生该失真 9 9 2包络检波器的质量指标 83 非线性失真 这种失真是由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的 此时 检波器输出低频电压不能完全和调幅波的包络成正比 如果负载电阻R选得足够大 则检波管非线性特性影响越小 它所引起的非线性失真即可以忽略 9 9 2包络检波器的质量指标 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 84 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 频率失真 所谓频率失真 线性失真 是指由阻抗随频率变化的线性电抗元件电容 电感引起的失真 如左图所示 检波器中存在检波电容C和隔直电容Cc两个电容 检波电容C用于跟踪调幅波包络变化 隔直电容Cc用于去除载波分量对应的直流输出 对调制频率 min max 要求检波电容C对高频载波短路但不能对低频调制波旁路 隔直电容Cc对低频调制波短路 End 9 9 2包络检波器的质量指标 85 9 10同步检波 同步检波器用于对载波被抑止的双边带或单边带信号进行解调 它的特点是必须外加一个频率和相位都与被抑止的载波相同的电压 同步检波的名称即由此而来 图9 10 1同步检波器方框图 86 载波信号相位对检波结果的影响 1 乘积检波器 9 10同步检波 低通滤波后 87 图9 10 2输入双边带信号时乘积检波器的有关波形和频谱 9 10同步检波 88 2 叠加型同步检波器 9 10同步检波 89 2 叠加型同步检波器 9 10同步检波 可见 合成信号的包络Vm和相角 都受到调制信号的控制 因而由包络检波器构成的同步检波器检出的调制信号显然有失真 为使失真减小到充许值 就必须使 90 证明 9 10同步检波 泰勒展开 91 End 证明 续 9 10同步检波 式中二次谐波与基波振幅之比定义为 保证失真减小到充许值 92 9 11单边带信号的接收 图9 11 1单边带接收机方框图 93 单边带接收有如下的特点 9 11单边带信号的接收 接收机的本振频率与发射机的频率严格保持一致 对接收机的线性要求高 检波器不能用包络检波器 而应采用同步检波器 94 End 图9 11 2单边带接收机方框图举例 9 11单边带信号的接收 95 第9章小结 1