第6章(1)幅度调制与解调

1、第第6 6章章 频谱变换电路频谱变换电路 6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 模拟乘法器模拟乘法器 6.3 6.3 普通幅度调制及解调电路普通幅度调制及解调电路 6.4 抑制载波调幅波的产生和解调电路抑制载波调幅波的产生和解调电路 作业：作业：6.3、6.7 6.5 混频电路混频电路 6.6 倍频器倍频器 6.16.1 概概 述述 1.1.什么叫频谱变换电路？什么叫频谱变换电路？ 具备将输入信号频谱进行频谱变换，以获取具具备将输入信号频谱进行频谱变换，以获取具 有所需频谱的输出信号这种功能的电路就叫做频谱有所需频谱的输出信号这种功能的电路就叫做频谱 变换电路。变换电路。 例如，倍频就是将

2、频率较低的信号通过倍频变例如，倍频就是将频率较低的信号通过倍频变 换成频率较高的信号。又如，调幅波就是将频率很换成频率较高的信号。又如，调幅波就是将频率很 低的音频信号或视频信号调制到高频的幅度上去。低的音频信号或视频信号调制到高频的幅度上去。 再如，检波电路就是将载有音频信号或视频信号还再如，检波电路就是将载有音频信号或视频信号还 原成音频信号或视频信号。原成音频信号或视频信号。 频谱变换电路频谱变换电路 频谱搬移电路频谱搬移电路 频谱非线性频谱非线性 变换电路变换电路 调幅及解调电路调幅及解调电路 混频电路混频电路 倍频电路倍频电路 普通调幅及解调电路普通调幅及解调电路 单边带调幅解调电路

3、单边带调幅解调电路 双边带调幅解调电路双边带调幅解调电路 调频电路调频电路 调频波的解调调频波的解调 与电路限幅器与电路限幅器 直接调直接调 频电路频电路 间接调间接调 频电路频电路 变容二极管调频电路变容二极管调频电路 晶体管振荡器直接调频电路晶体管振荡器直接调频电路 电容话筒调频电路电容话筒调频电路 电抗管调频电路电抗管调频电路 斜率鉴频器斜率鉴频器 相位鉴频器相位鉴频器 比例鉴频器比例鉴频器 移相乘积鉴频器移相乘积鉴频器 脉冲均值鉴频器脉冲均值鉴频器 锁相环鉴频器锁相环鉴频器 跟相环鉴频器跟相环鉴频器 2.分类分类 (频谱线性变换频谱线性变换) 6.26.2 模拟乘法器模拟乘法器 本节主

4、要介绍变跨导式模拟乘法器。本节主要介绍变跨导式模拟乘法器。变跨导式变跨导式模拟乘模拟乘 法器是以恒流源式差动放大电路为基础，并采用变跨导的法器是以恒流源式差动放大电路为基础，并采用变跨导的 原理而形成的，其原理而形成的，其符号见下图。符号见下图。 11 21 1 2)1 (2 )1 (2 2 )1 ( )1 ( i T C i T C o T be EQEQEQ bb EQ T EQ EQ T bbbe i be C o Iu U R Iu U R u I U r I III r I U I I U rr u r R u 因此，有 所以， 并假设 大大于很小时，当 )(20 )(10 4 双端

5、输出 单端输出 o o T o m I I U I g 2121 2 1 32 232 2 2 )( iiii eT C e i i T C o BEi e i e BEi ukuuu RU R R u u U R u uu R u R uu I 大大于 乘法器电路中，跨导乘法器电路中，跨导 是随另一输入电压是随另一输入电压ui2而变化。所以而变化。所以 称为变跨导式乘法器。称为变跨导式乘法器。 有有 这种简单的模拟乘法器，只能工作在二个象限内，也叫这种简单的模拟乘法器，只能工作在二个象限内，也叫 做二象限乘法器。即做二象限乘法器。即ui2必须为正（必须为正（ ui1可正可负，因此只有可正可负

6、，因此只有 二个象限），且幅度较小，否则运算误差大。二个象限），且幅度较小，否则运算误差大。 采用双差分对构成的模拟乘法器，可以工作在四象限内，采用双差分对构成的模拟乘法器，可以工作在四象限内， 即即ui1、 ui2可正可负，有四个象限工作范围。可正可负，有四个象限工作范围。 差分放大器的跨导：差分放大器的跨导： 6.3.1 6.3.1 幅度调制幅度调制 n 定义：用调制信号去控制高频振荡器的幅度，使其幅定义：用调制信号去控制高频振荡器的幅度，使其幅 度的变化量随调制信号成正比的变化。度的变化量随调制信号成正比的变化。 n 种类：种类：据频谱结构分为据频谱结构分为普通调幅普通调幅(AM)、双边

7、带调幅、双边带调幅 (DSB/SC AM)和单边带调幅和单边带调幅(SSB/SC AM) 普通调幅普通调幅(AM)波波 载波分量和双边带分量载波分量和双边带分量 双边带调幅双边带调幅(DSB/SC AM)波波 双边带分量双边带分量 单边带调幅单边带调幅(SSB/SC AM)波波 单边带分量单边带分量 6.36.3 普通调幅波的产生和解调电路普通调幅波的产生和解调电路 设调制信号为设调制信号为u(t)=Umcost，其，其0)( tu ，载波为：，载波为： tUtu ccmc cos 根据调幅的定义，已调高频振荡的幅度变化量应和调制根据调幅的定义，已调高频振荡的幅度变化量应和调制 信号成正比，则

8、其信号成正比，则其包络函数包络函数U(t)为为: tUmUtukUtU macmacm cos1)()( 则已调波为：则已调波为： tUmtUttmtU ttmUtt U Uk UttUtu ccmaccmcaccm cacmc cm ma cmcAM )cos( 2 1 coscoscoscos coscos1coscos1)cos()()( 式中式中 cm ma a U Uk m 为调幅系数（或调制指数）为调幅系数（或调制指数） 1、普通幅度调制（、普通幅度调制（ AM ）的特性）的特性 ma表示调幅波幅度的最大变化量与载波振幅之比表示调幅波幅度的最大变化量与载波振幅之比，一般，一般0ma

9、1。 载波信号的载波信号的频谱函数频谱函数为为Uc()，则，则 )()()( ccmccmc UUU6.3.2 则则uAM(t)的的频谱函数频谱函数为为 )()( 2 )()()( cccm a cccmAM UUU m UU 其对应的波形和频谱函数如图所示。其对应的波形和频谱函数如图所示。 6.3.3 调幅信号及其频谱调幅信号及其频谱 （ 单位冲击函数）单位冲击函数）-振幅无穷大，宽度为振幅无穷大，宽度为0，面积为，面积为1的矩形脉冲的矩形脉冲）)(t u 载波分量载波分量 u 上边带调制信号上边带调制信号u(t)频谱分量频谱分量 u 下边带调制信号下边带调制信号u(t)频谱分量频谱分量 u

10、 调幅波的频谱带宽为：调幅波的频谱带宽为： BAM = 2m -调制信号的最高频率的两倍调制信号的最高频率的两倍 由式 由式6.3.3可见，可见，载波分量的振幅与调制信号无关载波分量的振幅与调制信号无关，只有，只有 边带幅度随调制信号的变化而改变边带幅度随调制信号的变化而改变。 普通调幅波的频谱结构普通调幅波的频谱结构： 普通幅度调制波功率利用率（效率）很低，为了克服这普通幅度调制波功率利用率（效率）很低，为了克服这 个缺点个缺点,可以只发射边带而不发射载波。这叫做抑制载波的可以只发射边带而不发射载波。这叫做抑制载波的 双边带调幅双边带调幅(DSB/SC AM)。 6.3.4 其频谱变换为其频

11、谱变换为 )()( 2 1 )( ccDSB UUAU 6.3.5 显然，利用模拟乘法器很容易实现抑制载波的双边带调显然，利用模拟乘法器很容易实现抑制载波的双边带调 幅波。其电路模型、波形和频谱示幅波。其电路模型、波形和频谱示如图所示如图所示。 2、双边带调幅（、双边带调幅（DSB/SC AM）：）： ttUUttUU tututU cmmcmm cDSB coscos 2 1 coscos )()()( 其时域表达式为其时域表达式为 DSB/SC DSB/SC 的电路模型、信号波形及频谱图的电路模型、信号波形及频谱图 2、 DSB/SC AM的特点（与普通的特点（与普通AM 比较）比较） 信

12、号的幅度仍然是随调制信号而变化，信号的幅度仍然是随调制信号而变化，但与普通但与普通AM波波 不同，它的包络不再能反映调制信号的形状不同，它的包络不再能反映调制信号的形状，可是仍然保，可是仍然保 持着持着AM波所具有的频谱搬移特性。波所具有的频谱搬移特性。 相位突变。调制信号从正变为负的过零点，调幅波的相相位突变。调制信号从正变为负的过零点，调幅波的相 位有位有180的突变。的突变。在调制信号正半周区间的载波相位与调在调制信号正半周区间的载波相位与调 制信号负半周的载波相位反相。即高频振荡的相位制信号负半周的载波相位反相。即高频振荡的相位u(t)=0 的瞬间有的瞬间有180的突变。的突变。 信号

13、所占频谱带宽仍为信号所占频谱带宽仍为BDSB=2m。 3、单边带调幅（、单边带调幅（SSB/SC AM） 为了既节省发射功率，又减小频带，可以只发射一个边为了既节省发射功率，又减小频带，可以只发射一个边 带，因为任何一个边带都反映了调制信号全部信息。带，因为任何一个边带都反映了调制信号全部信息。 这种传输一个边带的调制方式称为抑制载波的单边带调这种传输一个边带的调制方式称为抑制载波的单边带调 幅（幅（SSB/SC AM），其频谱如图所示。），其频谱如图所示。 SSB/SC AM信号的频谱图信号的频谱图 4、残留边带调幅（、残留边带调幅（VSB/SC AM） 由于单边带信号的滤波有一定的难度，又

14、要降低带宽，由于单边带信号的滤波有一定的难度，又要降低带宽， 可以采用残留边带的办法，即保留完整的上边带，残留部可以采用残留边带的办法，即保留完整的上边带，残留部 分下边带。分下边带。 u 调幅波的功率调幅波的功率 平均功率（简称功率）是对恒定幅度、恒定频率的正弦波平均功率（简称功率）是对恒定幅度、恒定频率的正弦波 而言。调幅波的幅度是变化的，所以调幅波存在几种状态下的而言。调幅波的幅度是变化的，所以调幅波存在几种状态下的 功率；载波功率、最大功率、最小功率、调幅波的平均功率。功率；载波功率、最大功率、最小功率、调幅波的平均功率。 负载负载R上的载波功率上的载波功率: L c L c c R

15、U td R u P C 22 1 2 2 负载负载R上一个载波周期内调幅波消耗的功率上一个载波周期内调幅波消耗的功率: 2 22 2 )cos1 ( 2 )cos1 ( )( 2 1 tmP R tmU td R tu P C L c L AMC 边频平均功率边频平均功率: C L C P m R mU P 42 ) 2 ( 2 2 边频 （6-9） （6-11） （6-10） 调幅波的平均功率为载波功率与两个边带功率之和。调幅波的平均功率为载波功率与两个边带功率之和。 两个边带功率与载波功率之比为：两个边带功率与载波功率之比为： 2 2 m 载波功率 两边频功率 调幅波的最大功率和最小功率

16、分别为：调幅波的最大功率和最小功率分别为： 2 max 2 max )1 ( )1 ( mPP mPP C C 当当m=1时，两边频功率占整个调幅波功率的时，两边频功率占整个调幅波功率的1/3. 最大功率应小于功率管的额定功率。最大功率应小于功率管的额定功率。 调幅波的平均功率调幅波的平均功率(调制信号周期内调制信号周期内): ) 2 1 ( 2 1 2 m PtdPP CAM （6-12） （6-13） （6-14） 6.3.2 6.3.2 普通调幅波的产生电路普通调幅波的产生电路 在无线电发射机中，按在无线电发射机中，按功率电平功率电平的高低，普通调幅电的高低，普通调幅电 路可分为路可分为

17、高电平调制高电平调制电路和电路和低电平调制低电平调制电路两大类。前者电路两大类。前者 属于属于发射机的最后一级发射机的最后一级，直接产生发射机输出功率要求的，直接产生发射机输出功率要求的 已调波；后者属于已调波；后者属于发射机前级发射机前级产生小功率的已调波，再经产生小功率的已调波，再经 过过线性线性功率放大达到所需的发射机功率电平。功率放大达到所需的发射机功率电平。 现设载波电压为现设载波电压为 uc = Ucmcosct 调制电压为调制电压为 u= Umcost 以上两式相乘得到普通振幅调制信号：以上两式相乘得到普通振幅调制信号： 6.3.6 6.3.7 式中，式中，ma称为调幅系数称为调

18、幅系数(或调制指数或调制指数)，它表示调幅波的幅，它表示调幅波的幅 度的最大变化量与载波振幅之比，即幅度变化量的最大值。度的最大变化量与载波振幅之比，即幅度变化量的最大值。 显然显然0ma1，否则已调波会产生失真。，否则已调波会产生失真。 根据根据6.3.8式，我们可以采用乘法电路实现它。式，我们可以采用乘法电路实现它。 ttmU tt U KU U ttKUUtu cacm c cm m cm cmcms coscos1 coscos1 coscos)( 6.3.8 这是一个通用电路，它对这是一个通用电路，它对AM、 DSB/AM、SSB/AM、VSB/AM 的调制和解调都适用，区别仅在的调

19、制和解调都适用，区别仅在 滤波器的不同而已。滤波器的不同而已。为什么呢为什么呢？ Cm m a U kU m 1、低电平调幅电路、低电平调幅电路 用集成电路用集成电路BG314产生普通调幅波。产生普通调幅波。 4与与8脚为放大差分对脚为放大差分对 的输入，的输入，9与与12为恒为恒 流源差分对的输入。流源差分对的输入。 8与与12外接直流电位外接直流电位 调节平衡。调节平衡。 2、高电平调幅电路、高电平调幅电路 是以高频谐振功率放大器为基础，使输出的高频是以高频谐振功率放大器为基础，使输出的高频 电压的振幅受调制信号的控制。分为集电极调制和电压的振幅受调制信号的控制。分为集电极调制和 基极调制

20、电路。基极调制电路。 VCC=VCC+u (t) (t) 功率放大器工作在功率放大器工作在过压状态过压状态 VBB=Vbb+u (t) (t) 放大器工作在放大器工作在欠压状态欠压状态 6.3.3 6.3.3 普通调幅波的解调电路普通调幅波的解调电路 解调是调制的逆过程。幅度调幅波的解调简称解调是调制的逆过程。幅度调幅波的解调简称检波检波（仅（仅 指普通调幅制），其作用是从幅度调制波中不失真地检出调指普通调幅制），其作用是从幅度调制波中不失真地检出调 制信号来。从频谱上看，就是将幅度调制波的边带信号不失制信号来。从频谱上看，就是将幅度调制波的边带信号不失 真地搬到零频附近。因此幅度调制波的解调

21、电路也属于频谱真地搬到零频附近。因此幅度调制波的解调电路也属于频谱 搬移电路。需要用乘法器来实现这种频谱搬移作用，其电路搬移电路。需要用乘法器来实现这种频谱搬移作用，其电路 模型模型如图所示如图所示。 普通调幅波检波器常采用普通调幅波检波器常采用晶体三极管检波晶体三极管检波，二极管检波二极管检波 和和模拟乘法器解调模拟乘法器解调。目前应用较多的是后两种。目前应用较多的是后两种。 幅度调制波解调电路模型幅度调制波解调电路模型 1.二极管串联型大信号检波器二极管串联型大信号检波器 如图所示如图所示，检波器电路由三部分组成：，检波器电路由三部分组成：信号输入电信号输入电 路，一般是中放末级输出电路；

22、路，一般是中放末级输出电路；检波二极管，利用单向导检波二极管，利用单向导 电性进行检波；电性进行检波；检波器负载电路，即低通滤波器。这种滤检波器负载电路，即低通滤波器。这种滤 波器一般要求输入信号大于波器一般要求输入信号大于0.5V，因此也称大信号检波器。，因此也称大信号检波器。 检波器等效电路检波器等效电路 幅度调制中频信号经过检波二极管后得到的是幅度调制中频信号经过检波二极管后得到的是如图所示如图所示 的波形。再经过低通滤波器后，滤除高次谐波，得到所需的的波形。再经过低通滤波器后，滤除高次谐波，得到所需的 调制信号。其物理解释如下：调制信号。其物理解释如下： 惰性失真，要求：惰性失真，要求

23、： RCmaxmax 负峰失真负峰失真(交直流负载交直流负载 不同所致不同所致)，要求，要求 RL/Rma (式中式中RL=R/ri2) 频率失真，要求：频率失真，要求： 1/ (Cc min) 1/ (ri2 min) 从从C不产生旁路作用考虑，要求：不产生旁路作用考虑，要求： 1/ (Cmax) R a a m m1 经过检波二极管后的输经过检波二极管后的输 出波形是幅度被调制的尖顶出波形是幅度被调制的尖顶 余弦脉冲，由于低通滤波器余弦脉冲，由于低通滤波器 是由滤波电容是由滤波电容C和负载电阻和负载电阻 R组成，充电时间常数由组成，充电时间常数由 RDC决定决定(RD为二极管的正为二极管的

24、正 向电阻向电阻)，其时间常数小而，其时间常数小而 放电时间常数放电时间常数RC大。故调大。故调 制包络可以保留下来，然后经过隔直流耦合电容制包络可以保留下来，然后经过隔直流耦合电容Cc，隔除了，隔除了 直流分量。所以输出信号只有调制的包络信号。实现了幅度直流分量。所以输出信号只有调制的包络信号。实现了幅度 调制波的解调。调制波的解调。 检波过程的波形检波过程的波形 u 检波器的失真检波器的失真 1) 从惰性失真从惰性失真 要求：要求： m m 2 1 RCmax RC tt m tt RC tt m tt RC tt c m tt o etmU RC etmU RC eu t RC tmU

25、t tU t tU t u 11 1 1 1 1 1 )cos1 ( 1 )cos1 ( 1 )( sin )( 1 t )( 1 1 放电的速度为通过电阻电容 为时刻其包络的变化速度单音调幅波，在 按要求，有按要求，有 1 cos1 sin 1 1 tm tmRC A 为保证为保证A最大时也应小于最大时也应小于1，令，令 , 0 1 t A 令 2 11 1sin,cosmtmt得 检波器等效电路检波器等效电路 对于不同的对于不同的t1，有不同的，有不同的A 2) 底部切削失真底部切削失真(即负峰切割失真）即负峰切割失真） 是由是由交直流负载不同所致交直流负载不同所致 C g R U RR

26、R U 调幅波最小幅度为：调幅波最小幅度为： 由图可见，应满足由图可见，应满足: )1 (mU c R R R RR RR RR R m U RR R UmU gg cRc / gg g )1 ( 即 2. 2.普通调幅波的同步解调普通调幅波的同步解调 用模拟乘法器也可以完成对普通调幅波的同步解调。如用模拟乘法器也可以完成对普通调幅波的同步解调。如 图所示。图所示。 普通调幅波的解调电路普通调幅波的解调电路 当放大限幅器放大增益足够大时，当放大限幅器放大增益足够大时，u uy y(t)(t)接近频率为接近频率为c c 的方波。经过傅立叶级数展开可得的方波。经过傅立叶级数展开可得 .3cos 3

27、 4 cos 4 )cos( 2 1 0 tt tna a u cc c n ny )cos( 2 )cos()cos1 ( )()( 1 0 n cncasM yxMo tna a ttmUA tuuAtu 当当n=1时时 ttm UA tm UA tttmUAtu ca sM a sM ccasMo 2cos)cos1 ( 2 )cos1 ( 2 )cos( 4 )cos()cos1 ()( 1 用低通滤波器和隔直流耦合电容就可检出所需的信号。用低通滤波器和隔直流耦合电容就可检出所需的信号。 故故 6.4.1 6.4.1 抑制载波调幅波的产生电路抑制载波调幅波的产生电路 设载波电压为设载波

28、电压为 uc(t)=Ucmcosct 调制电压为调制电压为 u(t)=Umcost 经过经过模拟乘法器模拟乘法器电路后，输出电压为抑制载波双边带振电路后，输出电压为抑制载波双边带振 幅调制信号，即幅调制信号，即 6.46.4 抑制载波调幅波的产生和解调电路抑制载波调幅波的产生和解调电路 6.4.1 6.4.2 6.4.3 coscos 2 1 coscos)()()( ttUKU ttUKUtutKutu ccmcm cmcmco 其其原理图原理图见下图。见下图。 DSB/SC AMDSB/SC AM波产生电路波产生电路 6.4.2 DSB/SC AM6.4.2 DSB/SC AM波的解调电路

29、波的解调电路 要从抑制载波的双边带调幅波检出调制信号要从抑制载波的双边带调幅波检出调制信号u(t)来，来， 从频谱上看，它是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零从频谱上看，它是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零 频附近。因此频附近。因此AM波的解调电路波的解调电路(包括抑制载波的双边带调幅包括抑制载波的双边带调幅 波的解调在内波的解调在内)也属于频谱搬移电路。需要用乘法器来实现也属于频谱搬移电路。需要用乘法器来实现 这种频谱搬移作用，其电路模型如图所示。这种频谱搬移作用，其电路模型如图所示。 DSB同步检波原理同步检波原理 图图 一定要有导频信号，才能实现同步解调一定要有导频信号，才能实现同

30、步解调。 ttKutUtu cDSB cos)()()( DSB/SC AM波的电压波的电压u(t)可表示为可表示为 6.4.4 6.4.5 若若)cos()()()(ttKututu cDSB , 本机载波本机载波 )cos()(tUtu ccmc 两者相乘有两者相乘有 2cos1 2 )( coscos)()()()( t tuKU ttUtKutututu c cm ccmccDSBp 式式6.4.5中第一项包含了所需的调制信号，第二项则是载中第一项包含了所需的调制信号，第二项则是载 频为频为2c的双边带调制信号，用低通滤波器将它滤除，即可的双边带调制信号，用低通滤波器将它滤除，即可 得

31、到所需调制信号。得到所需调制信号。 （此为导频信号）（此为导频信号） 用同步检波器可实现对用同步检波器可实现对DSB/SC AM波进行解调。波进行解调。 同步检波一个关键问题是本机载波的恢复同步检波一个关键问题是本机载波的恢复。 本机载波产生的方法有两种：本机载波产生的方法有两种： (1)在发送端输出的双边带信号中，不是将载波分量完全抑在发送端输出的双边带信号中，不是将载波分量完全抑 制掉，而是保留一个小的载波分量，称为制掉，而是保留一个小的载波分量，称为导频导频，它的作用，它的作用 就是在接收端恢复载波就是在接收端恢复载波(模拟彩电色度信号发送采用的方法模拟彩电色度信号发送采用的方法) 接收端只要用一个窄带滤波器取出载波分量。这种情况与接收端只要用一个窄带滤波器取出载波分量。这种情况与 普通调幅波很类似，只是载波分量比较小而已。普通调幅波很类似，只是载波分量比较小而已。 (2)发射机的载波和接收机本振载波都用频率稳定度很高的频发射机的载波和接收机本振载波都用频率稳定度很高的频 率合成器，使两者的频率保持不变。率合成器，使两者的频率保持不变。 在保持调制类型和