第九章调制与解调

1、2021-7-25 1 第九章 调制与解调 了解调制与解调的概念与相关技术指标； 重点掌握调幅波、调角波的数学表达式与频谱 分析,以及功率关系；掌握平方律调幅器、平 衡调幅器、变频二极管调频的基本工作原理； 了解高电平调幅的两种调制方法；重点掌握包 络检波器、相位鉴频器的工作原理。 2021-7-25 2 9.1 9.1 概述概述 通信通信 有线通信双线对电缆、同轴电缆、光纤等有线通信双线对电缆、同轴电缆、光纤等 无线通信无线通信自由空间自由空间 地波地波 天波天波 地面波地面波 空间波空间波 1、天线理论、天线理论实际天线尺寸与电信号波长可以比拟时，电信号实际天线尺寸与电信号波长可以比拟时，

2、电信号 才能以电磁波形式有效辐射，即天线辐射功率、效率较高。才能以电磁波形式有效辐射，即天线辐射功率、效率较高。 声音声音20-20000Hz 1KHz-300km 2、发射、接收采用天线和选频网络。、发射、接收采用天线和选频网络。 3、发射声音信号，发射机工作于同一频率。、发射声音信号，发射机工作于同一频率。 有线通信要将各路语音信号搬移到不同频率，实现多路复用。有线通信要将各路语音信号搬移到不同频率，实现多路复用。 2021-7-25 3 调制调制过程是用被传送的低频信号去控制高频振荡器，使高频振荡过程是用被传送的低频信号去控制高频振荡器，使高频振荡 的输出信号的参数的输出信号的参数(振幅

3、、频率、相位振幅、频率、相位)相应于低频信号变化而变相应于低频信号变化而变 化。从而实现低频信号搬移到高频段，被高频信号携带传播。化。从而实现低频信号搬移到高频段，被高频信号携带传播。 调制解调器调制解调器 频谱搬移电路频谱搬移电路: 频率变换前后，信频率变换前后，信 号的频谱结构不变，号的频谱结构不变， 只是将信号频谱无只是将信号频谱无 失真在频率轴上搬失真在频率轴上搬 移，具有这种特性移，具有这种特性 的电路称之为频谱的电路称之为频谱 搬移电路。搬移电路。 2021-7-25 4 在模拟系统里在模拟系统里, , 按照载波波形的不同按照载波波形的不同, , 可分为脉冲调制和可分为脉冲调制和连

4、续连续 波调制两种方式。波调制两种方式。 连续波调制以单频正弦波为载波，受控参数可以是载连续波调制以单频正弦波为载波，受控参数可以是载 波的幅度波的幅度A，频率，频率 或相位或相位 。因而有调幅。因而有调幅(AM)、调频、调频(FM) 和调相和调相(PM)三种方式。三种方式。 脉冲调制以矩形脉冲为载波，受控参数可以是脉冲高脉冲调制以矩形脉冲为载波，受控参数可以是脉冲高 度、脉冲频率、脉冲宽度或脉冲位置。相应地，就有脉冲度、脉冲频率、脉冲宽度或脉冲位置。相应地，就有脉冲 调幅调幅(PAM，包括脉冲编码调制，包括脉冲编码调制PCM)，脉冲调频，脉冲调频(PFM)， 脉冲调宽脉冲调宽(PWM)和脉冲

5、调位和脉冲调位(PPM)。 2021-7-25 5 解调解调是调制的逆过程，即从高频载波上把低频信号接收下来是调制的逆过程，即从高频载波上把低频信号接收下来 并恢复的过程。并恢复的过程。 2021-7-25 6 9.2 调幅波的性质调幅波的性质 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，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。使载波的振幅随调制信号成正比地变化。 通常调制要传送的信号波形是复杂的，但无论多么复杂通常调制要传送的信号波形是复杂的，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。为分析方的信号都可用傅氏级数分解

6、为若干正弦信号之和。为分析方 便，一般把调制信号看成一简谐信号。便，一般把调制信号看成一简谐信号。 调幅波调幅波 普通调幅波（普通调幅波（AMAM调制）调制） 抑制载波的双边带调幅波（抑制载波的双边带调幅波（DSB/SC-AMDSB/SC-AM） 抑制载波的单边带调幅波（抑制载波的单边带调幅波（SSB/SC-AMSSB/SC-AM） 2021-7-25 7 1 1、普通调幅波表达式与波形、普通调幅波表达式与波形 。调幅指数或调幅度 为：因此，已调波瞬时表示 为比例常数。 幅为：情况下，已调幅波的振 进行调幅，理想，用它对载波假定调制信号 ) 1( coscos1 coscoscos)()( c

7、os)( coscos 00 000 0 00 aa a mm ttmV ttVkVttVtv ktVkVtV tVvtVv 是调幅波的主要参数之一，表示载波电压振幅受 调制信号控制后改变的程度,一般0ma1。 o Q a V VK m 2021-7-25 8 000 00 V Vk VkVVkV VkVVkV ba ba m a 当时当时ma 1时，调幅达到最大值，称为百分之百调幅。时，调幅达到最大值，称为百分之百调幅。 若若ma 1，AM信号波形某一段时间振幅为将为零，称为过调信号波形某一段时间振幅为将为零，称为过调 制。制。 2021-7-25 9 波形图波形图 当载波频率当载波频率 调

8、制信号频率调制信号频率 ，0ma1，可画出和，可画出和 已调幅波形分别如下图所示。调幅波是一个载波振幅按照调已调幅波形分别如下图所示。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。率不变。 o o mino o omax o minmax a V VV V VV V )VV( 2 1 m 2021-7-25 10 2、调幅波的频谱和带宽、调幅波的频谱和带宽 tcosVmtcosVmtcosV tcostcosVmtcosV tcostcosmV)t ( v aa a a 1 002 1 002 1

9、00 0000 00 上边频 下边频 . coscos coscoscos cos.coscos1)( cos.coscos 20022 1 20022 1 10012 1 10012 1 00 022110 002211 已调波 调幅，用它对载波若 tVmtVm tVmtVmtV ttmtmVtv tVvtVtVv 2021-7-25 11 0 0 1 0 V 0 V 0 2 a m 2 1 0 0 0 a m 2 1 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、下边搬移到载波附近，

10、成为对称排列在载波频率两侧的上、下边 频，幅度均等于频，幅度均等于 02 1 Vma 2021-7-25 12 (b) uAM(t) f (t) t t (a) 包络 未调制 0 0 振 幅 0 (a) f / Hz 3003 400 振 幅 0 (b) f / Hz fc 3 400fc 3 400fc 单音信号经调制后，已调波占据的频带宽度单音信号经调制后，已调波占据的频带宽度B=2 或或B=2F ( =2 F)，多音频的调制信号，已调信号的频带宽度等于调，多音频的调制信号，已调信号的频带宽度等于调 制信号最高频率的两倍。制信号最高频率的两倍。 2021-7-25 13 3 3、调幅波的功

11、率、调幅波的功率 2 1 4 1 8 1 2 1 4 1 8 1 2 1 2 1 2 )()( 2 2 0 2 2 2 )( 2 2 0 2 2 2 )( 2 0 00 0 0 0 0 a oT oTo oTa L a L Vm oTa L a L Vm L oT L m P PPPP Pm R Vm R P Pm R Vm R P R V P R a a ：调幅波平均输出功率为 上边频功率： 下边频功率： 载波分量功率： 功率之和。正弦分量单独作用时的 于各项上，则负载吸收功率等负载电阻如果将调幅波电压加于 ma1，所以边频功率之和最多占总输出功率的，所以边频功率之和最多占总输出功率的1/3

12、 2021-7-25 14 9.3 平方律调幅平方律调幅 + 非线性 器件 带通 滤波器 v i v o v)(tv v tVtVVtVVtVa VVatVatVaa tVttVVtVa tVatVaa tVtVatVtVaav tVtVvvv vavaav o i iio 2cos)cos()cos(2cos coscos coscoscos2cos coscos coscoscoscos coscos 2 2 1 00000 2 02 1 2 2 2 1 2 02 1 210010 2 2 000 2 2 02 10010 2 0020010 00 2 210 则： 非线性器件特性： 20

13、21-7-25 15 0 min0 0 0max 0 minmax 1 2 0010 1 2 01 002001 0002001 : 2 coscos1coscos 2 1 coscos2cos )cos()cos(cos)( V VV m V VV m V VV V a a m ttmVattV a a Va ttVVatVa ttVVatVatv a a 谷值调幅度峰值调幅度 幅度为非正弦调制时，定义调 调幅度： 压：经带通滤波后，输出电 下上 2021-7-25 16 为了克服普通调幅波效率低的缺点，提高设备的功率利用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

14、，而只发送边带信号。率，可以不发送载波，而只发送边带信号。 抑制载波的双边带调幅波抑制载波的双边带调幅波(DSB-AM)，其数学表达式为，其数学表达式为 t )cos(Vm 2 1 t )cos(Vm 2 1 ) t (V ooaooaDSB tcostcosV) t (V ooDSB 其所占据的频带宽度仍为调制信号频谱中最高频率的两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，即倍，即 抑制载波的双边带调幅波与单边带调幅波抑制载波的双边带调幅波与单边带调幅波 max 2QBWDSB 2021-7-25 17 o v v 1 D 2 D 1 i 2 i v v 1 v 2 v R R

15、平衡调幅器抑制载波双边带调幅平衡调幅器抑制载波双边带调幅 tVVbtVVbtVbR vvbvbRRiiv tVtVvvv tVtVvvv vbvbbivbvbbi o )cos()cos(cos2 22 coscos coscos: 0020021 2121 002 001 2 222102 2 121101 其中 2021-7-25 18 9.6 单边带信号产生单边带信号产生 1、波段利用率高。 2、节约发射功率。 2 1 4 1 8 1 2 1 4 1 8 1 2 1 2 1 2 )()( 2 2 0 2 2 2 )( 2 2 0 2 2 2 )( 2 0 00 0 0 0 0 a oTo

16、To oTa L a L Vm oTa L a L Vm L oT m PPPPP Pm R Vm R P Pm R Vm R P R V P a a ：调幅波平均输出功率为 上边频功率： 下边频功率： 载波分量功率： 普通调幅抑制载波双边带调幅单边带调幅 2021-7-25 19 单边带调幅波单边带调幅波 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，称之为单边带通信可以只发送单个边带信号，称之为单边带通信(SSB)。 t )cos(Vm 2 1 ) t (V ooa t )cos(Vm 2 1 ) t (V ooa 其

17、表达式为：其表达式为： 或或 max QBWSSB 其频带宽度为：其频带宽度为： 2021-7-25 20 单边带信号产生方法单边带信号产生方法 1、滤波器法、滤波器法 载波被抑制双边带信号载波被抑制双边带信号 乘法器乘法器 平衡调幅器平衡调幅器 0 0 1 0 V 0 V 0 2 a m 2 1 0 0 0 a m 2 1 2021-7-25 21 2021-7-25 22 2、移相法、移相法 3、修正的移相滤波法、修正的移相滤波法 2021-7-25 23 高电平调幅电路高电平调幅电路 置于发射机最后一级，是在功率电平较高的情况下进行调制。置于发射机最后一级，是在功率电平较高的情况下进行调

18、制。 低电平调幅电路低电平调幅电路 置于发射机的前级，再由线性功率放大器放大已调幅信号，得置于发射机的前级，再由线性功率放大器放大已调幅信号，得 到所要求功率的调幅波。到所要求功率的调幅波。 按调制电路输出功率的高低可分为：按调制电路输出功率的高低可分为： 原理框图如下：原理框图如下： 2021-7-25 24 9.7 高电平调幅高电平调幅 1、集电极调制、集电极调制 (1(1）、大信号）、大信号 (2(2）、过压区）、过压区 2021-7-25 25 00 ( a )( b ) 欠压状态过压状态V C C 欠压状态过压状态V C C I c 0 I c m 1 P o P = P c (a)

19、 过 压 状 态欠 压 状 态V b m IC 0 O Icm 1 (b) 过 压 状 态欠 压 状 态V b m P o O P = P c ip 2021-7-25 26 2、基极调制、基极调制 (1(1）、大信号）、大信号 (2(2）、欠压区）、欠压区 2021-7-25 27 三种振幅调制信号三种振幅调制信号 2021-7-25 28 振幅解调振幅解调( (检波检波) )原理与电路原理与电路 振幅解调振幅解调( (又称检波又称检波) )是振幅调制的逆过程。它的作用是是振幅调制的逆过程。它的作用是 从已调制的高频振荡中恢复出原来的调制信号。从已调制的高频振荡中恢复出原来的调制信号。 从频

20、谱上看，检波就是将幅度调制波中的边带信号不从频谱上看，检波就是将幅度调制波中的边带信号不 失真地从载波频率附近搬移到零频率附近失真地从载波频率附近搬移到零频率附近, ,因此，检波器也因此，检波器也 属于频谱搬移电路。属于频谱搬移电路。 检波器的组成应包括三部分，高频已调信号源，非线检波器的组成应包括三部分，高频已调信号源，非线 性器件，性器件，RC低通滤波器。其组成原理框图如下图所示，它低通滤波器。其组成原理框图如下图所示，它 适于解调普通调幅波。适于解调普通调幅波。 2021-7-25 29 包络检波包络检波 同步检波同步检波 检波器分类检波器分类: : 载波被抑制的已调波解调原理载波被抑制

21、的已调波解调原理 2021-7-25 30 9.8 包络检波包络检波 二是作为检波器的负载，在其两二是作为检波器的负载，在其两 端输出已恢复的调制信号端输出已恢复的调制信号 一是起高频滤波作用一是起高频滤波作用 CRRC d RL、C为检波器的负载，为检波器的负载， 同时起低通滤波作用。同时起低通滤波作用。 要求的输入大于要求的输入大于0.5V0.5V， 称为大信号检波器。称为大信号检波器。 2021-7-25 31 2021-7-25 32 失真失真 惰性失真惰性失真 惰性失真惰性失真 由于负载电阻由于负载电阻R与负载电容与负载电容 C的时间常数的时间常数RC太大所引起太大所引起 的。这时电

22、容的。这时电容 C上的电荷不上的电荷不 能很快地随调幅波包络变化能很快地随调幅波包络变化, 从而产生失真。从而产生失真。 为了防止惰性失真，只要适当选择为了防止惰性失真，只要适当选择RC的数值，使检波器能的数值，使检波器能 跟上高频信号电压包络的变化。跟上高频信号电压包络的变化。 即要求即要求 dt d c v dt Vd m 或写成或写成 a 2 a max m m1 RC 在工程上可按在工程上可按 maxRC1.5 计算。计算。 2021-7-25 33 负峰切割失真负峰切割失真(底部切割失真底部切割失真) 检波器输出常用隔直流电检波器输出常用隔直流电 容容Cc与下级耦合，如图所示。与下级耦合，如图所示。 Rg代表下级电路的输入电阻。代表下级电路的输入电阻。 考虑了耦合电容考虑了耦合电容Cc和低放和低放 输入电阻输入电阻Rg后的检波电路后的检波电路 为了有效地传送低频信号，要求为了有效地传送低频信号，要求 g c R C 1 则检波过程中，则检波过程中，Cc两端建立了直流电压经电阻两端建立了直流电压经电阻R和和Rg分压，在分压，在 R上得到的直流电压为：上得到的直流电压为： im g R V RR R V 2021-7-25 34 对于二极管来说，对于二极管来说，VR是是 反偏压，它有可能阻止二极反偏压，它有可能阻止二极 管导通，从而产生失真。管导通，从而产生失真。