第七章 振幅调制与解调.ppt

第七章振幅调制与解调 载波uc 调制信号u 已调波uAM 7 1概述 在无线电通信系统中 将信号从发射端传输到接收端时 信号的原始形式一般不适合传输 必须进行调制和解调 所谓调制是将需要传送的信息装载到某一高频振荡信号 载波 上去的过程 在接收端收到了已调波信号后 需要将载波去掉 还原成原有的信息 即调制信号 这个过程是与调制相反的过程 称为解调 调制可分为振幅调制 频率调制和相位调制 简称为调幅 调频和调相 分别对应的解调有检波 鉴频和鉴相 只有天线实际长度与电信号的波长相比拟时 这时电信号才能以电磁波形式有效地辐射 若信号频率为1kHz 其相应波长300km 若采用波1 4波长的天线 就需要75km 制造这样的天线是很困难的 这就要求原始电信号必须有足够高的频率 2 为什么要调制 调幅1 含意 振幅调制就是用低频调制信号去控制高频载波信号的振幅 使载波的振幅随调制信号成正比地变化 对于有线通信虽然可以传输语音之类的低频信号 但一条信道只传输一路信号太不经济 利用率太低 所以有线通信也需要将各路语音信号搬移到不同的频段 以实现多路信号一线传输而又不互相干扰 采用调幅1 由于频率高 可以无线传输 2 可以实现多路信号一线传输而又不互相干扰 预备知识 符号 高频 低频 预备知识 三角函数复习 预备知识 数学分析方法 1 幂级数分析法 小信号 2 折线近似分析法 大信号 正弦波一般可表示为 1 AM调幅波的数学表达式 设 单音调制信号 载波 调幅信号 已调波 包络函数 7 2调幅波的性质 7 2 1普通调幅波 普通AM波 包络函数 称为调幅度 调幅指数或调制系数 k为比例系数 称为调制灵敏度 2 调幅信号的波形 包络函数 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 过调幅失真 a 调制信号 b 已调波形 载波分量 上边带分量 下边带分量 3 AM调幅波的频谱及带宽 单音调幅波频谱宽度等于调制信号频率的二倍即 2 多音调幅波的频谱 频谱宽度是最高频率的二倍即 将单音调幅波电压加到电阻R两端 得调幅波各频率分量在R上消耗的功率分别是 7 2 2AM调幅波的功率分配 载波功率 当Ma最大为1时 边带功率只占整个调幅波功率的1 3 上边频功率 在调幅信号一周期内 AM信号的平均输出功率 下边频功率 在AM调制过程中 如果将载波分量抑制掉 就可形成双边带信号 DSB波数学表达式 7 2 3抑制载波的双边带调幅信号 DSB 结论 能量传送时 由AM传送改为边带传送可节约能量 是否能抑制掉载波 只保留两个边带呢 DSB波的波形与频谱 DSB的特点 1 DSB信号的幅值仍随调制信号而变化 但与普通调幅波不同 DSB的包络不再反映调制信号的形状 仍保持调幅波频谱搬移的特征 2 在调制信号的正负半周 载波的相位反相 即高频振荡的相位在U t 0瞬间有1800的突变 3 信号仍集中在载频附近 所占频带为BWDSB 2Fmax 双边带调幅波的包络已不再反映调制信号的变化规律 由于调制抑制了载波 输出功率是有用信号 它比普通调幅经济 但在频带利用率上没有什么改进 为进一步节省发送功率 减小频带宽度 提高频带利用率 下面介绍单边传输方式 双边带调制波的上下边带包含的信息相同 两个边带发射是多余的 为节省频带 提高系统的功率和频带的利用率 常采用单边带调制系统 SSB的数学表达式 上边带 下边带 7 2 4 抑制载波的单边带调幅信号 SSB 或 SSB的波形图与频谱图 残留边带 VSB 调制方式 VSB发射一个完整边带和载频及另一边带低频部分电视图像传送中常用 三种振幅调制信号 例 某调幅广播电台的发射机 输出载波功率为1000W 试求它可能输出的的最大边带功率和最大输出总功率 以及平均调幅系数为0 3时的输出总功率 例 已知两个信号电压的频谱如图所示 要求 1 写出两个信号电压的数学表达式 并指出已调波的性质 2 计算在单位电阻上消耗的边带功率和总功率 以及已调波的带宽 例 己知调幅波 v 若将加在1 的电阻上 求 1 调幅指数 2 载波功率 上下边频功率和总功率 3 画出该调幅波的电压频谱图 非线性调幅原理框图如下 7 3平方律调幅 小信号调幅 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v0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 7 3 1简单的二极管调幅电路 二极管调幅电路 当vi很小时 级数可只取前四项 经分类整理可知 0 是我们所需要的上 下边频 这对边频是由平方项产生的 故称为平方律调幅 其中最为有害的分量是 0 2 项 由于二极管不容易得到较理想的平方特性 因而调制效率低 无用成分多 目前较少采用平方律调幅器 图7 3 2串联双二极管平衡调幅器简化电路 7 3 2平衡调幅器 而 如果两个二极管参数完全一样 则 等频率分量被抵消了 混频效率有所提高 无载波分量 输出为DSB波 开关函数调幅的数学分析 不考虑调制信号载波正半周载波负半周 7 4斩波调幅 开关函数 7 4 1工作原理 图9 4 1斩波调幅器方框图 图9 4 2斩波调幅器工作图解 7 4 1工作原理 关注 和频 差频 有无载波分量 普通AM DSB 7 4 1工作原理 7 4 2实现斩波调幅的电路 图9 4 4二极管电桥斩波调幅电路 图5 33二极管环形调制器 1 二极管环形调制器电路图 它是由四个二极管环接构成 载波从变压器的原边接入 调制信号则接到变压器T1的副边中点和T2的原边中点之间 变压器的副边T2输出已调信号 设调制信号为单频余弦信号 即载波信号为 一般情况下 载波信号幅值很强 控制二极管工作在开关状态 为了分析二极管电流 分别画出其相应的电路 2 工作原理 图5 34环形调制器各二极管工作情况 用节点电流定律 可得到 电流在输出变压器副边引起的感应电势就是输出电压u 它的波形也与同 可见 环形调制器输入电流是输入信号和的乘积 频谱是载频的上 下边频 没有载波分量 所以称其为抑制载波调幅电路 变压器T1和T2的中心抽头必须严格对称 四个二极管的特性也应一致 否则就不能把载波抑制掉 从而造成不希望有的 载漏 输出 载漏是环形调制器输出电流成分中含有载波成分的简称 7 5模拟乘法器调幅电路 普通振幅调制电路 载波电压加在4端 输入压调零电路接在8端 调制电压加在9端 外加可调直流电压加在12端 双边带调幅 DSB 电路 例 7 6单边带调幅电路 一 可在左图所示电路后面使用适当的滤波器以得到单边带调幅信号 即滤波法 滤波法要求带通滤波器具有极为陡峭的 接近于矩形的衰减特性 解决方法之一为采用移相法 单边带调幅电路 二 单音调制的上边带信号可以表示为 移相法不再需要制作衰减特性极其陡峭的滤波器 移相法的缺点 要求移相网络在整个频带范围内都要准确地移相90 7 8高电平调幅 集电极调幅 要求 普通调幅 高频载波信号从基极加入 而调制信号加在集电极 调制信号与Vcc串接在一起 故可将二者合在一起看作一个缓慢变化的综合电源Vcc 所以 集电极调制电路就是一个具有缓慢变化电源的调谐放大器 1 电路特点 2 基本工作原理 放大器需工作在过压状态 基极调幅 要求 普通调幅 调制信号和Vbb串联在一起 故可将二者合在一起看作一个缓慢变化的综合基极偏压Vbb 所以 基极调制电路就是一个具有缓慢变化基极偏压的调谐放大器 思路 1 电路特点 放大器应工作于欠压状态 2 基本工作原理 7 9普通调幅波的解调电路 调幅波的解调又称作振幅检波 把高频已调波还原为低频信号的装置叫做幅度检波器 简称为检波器 检波器必须利用非线性元件来完成 检波器的技术指标 检波效率要高 检波器的输入电阻要大 检波失真要小 7 9 1大信号峰值包络检波的工作原理 大信号检波的工作原理 快充慢放 大信号二极管检波的物理过程 大信号峰值包络检波的工作原理 由于电容上的波动电压略小于载波电压的峰值 只要设法把波动的高频部分滤除掉 就可以得到有用的检波输出信号电压 如选择较大的时间常数 输出电压既包含低频分量 直流分量 也包含锯齿型电压 7 9 2大信号峰值包络检波的性能指标 电压传输系数 峰值包络检波时 输出电压的大小接近于输入电压的振幅 一般地说 这种检波方式电压传输系数较大 可达0 9以上 输入电阻 对于串联检波电路来说 在大信号检波时 当负载电阻远大于二极管正向导通时的等效电阻时 检波器的输入电阻大约等于负载电阻的一半 因此负载电阻越大 则检波器的输入电阻也越大 它对前级的影响也越小 决定电压传输系数的因素为和 大信号峰值包络检波的失真 惰性失真 对角切割失真 产生原因 防止方法 必须在任何一个高频信号周期内输入信号包络下降最快的时刻 保证电容器通过负载的放电速度大于包络下降速度 大信号峰值包络检波的失真 负峰切割失真 割底失真 电路结构说明 7 10乘积型同步检波器 其特点为在接收端提供一个与载波同步的本地振荡信号 又称相干信号 可使用由模拟乘法器构成的乘积检波电路 7 10乘积型同步检波器 普通AM波 时 乘积型同步检波器 普通AM波 为保证同步信号和高频载波频率相等相位差为零可使用限幅器 从普通AM信号中提取同步信号 乘积型同步检波器 DSB SSB 模拟乘法器检波的优