振幅调制与解调 (5)

1、关于振幅调制与解调 (5)1现在学习的是第一页，共96页2本章知识点及结构振幅调制与解调调幅波的性质 5.2节 （数学表达式、波形及频谱特征、功率计算） 调幅波的解调（电路，评价指标，检波失真） 5.5，5.6调幅波的产生（原理，电路，评价指标） 5.3，5.4现在学习的是第二页，共96页35.1 概 述回顾问题：（第一章 调制系统概念）3. “调制”与“解调”的方式？2. “调制”与“解调”的过程？1. 什么是“调制”与“解调”？现在学习的是第三页，共96页4“调制调制”与与“解调解调”的过程：的过程： 用用被传送的被传送的低频信号低频信号去去控制高频信号（载波）控制高频信号（载波）的参数的

2、参数（幅度、频率、相位），实现低频（幅度、频率、相位），实现低频信号搬移到高频段。信号搬移到高频段。是调制的反过程。即：把低频信号从高频段搬移下来，还原被传送的低频信号。调制：解调：现在学习的是第四页，共96页5信号 载波信号（高频信号）：被传输信息的载体 （等幅）高频正弦波振荡信号 调制信号（低频信号）： 真正需要传输的信息已调(波)信号（高频信号）： 经过调制后的高频信号区分：现在学习的是第五页，共96页65.1 概 述1、调制器、解调器在无线电收发系统中的位置？2、为什么要通过调制来发送信号？本节问题：3、调幅与检波的典型电路现在学习的是第六页，共96页71、调制器在发射机中位置、调制器

3、在发射机中位置现在学习的是第七页，共96页81、解调器在接收机中的位置现在学习的是第八页，共96页92.为什么要通过为什么要通过调制调制来发送信号？来发送信号？n天线尺寸的限制天线尺寸的限制 只有天线实际长度与电信号的波长可比拟时，电信号才只有天线实际长度与电信号的波长可比拟时，电信号才能以电磁波形式有效辐射。能以电磁波形式有效辐射。 可实现的回路带宽可实现的回路带宽 低频信号（语言、音乐、图像等）频率变化范围很大低频信号（语言、音乐、图像等）频率变化范围很大，很难做出参数在如此宽范围内变化的天线和调谐回路。很难做出参数在如此宽范围内变化的天线和调谐回路。 区别不同的音频信号区别不同的音频信号

4、 有利于接收来自不同发射机的信号（因为不同发射有利于接收来自不同发射机的信号（因为不同发射机有不同的载波频率）机有不同的载波频率）。现在学习的是第九页，共96页104、调幅与检波的典型电路（乘法器实现）现在学习的是第十页，共96页115.2 调幅信号的分析(重点)调幅有三种方式： 含载波的普通调幅（AM）（重点） 抑制载波的双边带调幅（DSB/SC-AM） 抑制载波的单边带调幅（SSB/SC-AM）5.2小结现在学习的是第十一页，共96页125.2.1 普通调幅波(AM)一、调幅波数学表达式及波形特征如何？(时域分析)二、调幅波的频谱有什么特征？ (频域分析) 如何根据频谱计算频带宽度？三、如

5、何计算调幅波的功率？问题：现在学习的是第十二页，共96页131、AM波数学表达式调制信号载波信号的幅度控制（线性控制）载波信号调幅波的幅度已调信号(调幅波)cos()ccmcuUttUumcos( ) cos()AMAMcuUtttUkUtUmacmAMcos)(cmU(1cos)cos()cmacUmttcmmaaUUkm现在学习的是第十三页，共96页142、AM信号波形特征 (1)调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致。 (2)调幅波频率（即变化快慢）与载波频率一致。ttmUucacmAMcos)cos1 (tUuccmccostUu cos 注意： *调幅波的包络是表示调幅波幅度

6、的变化规律，不是实际存在的波形，因此，画图时要用虚线。 *调幅波的正、负包络，关于横轴对称。现在学习的是第十四页，共96页15示波器上看到的调幅波(ma1)现在学习的是第十五页，共96页16 (3 )调幅度macmaUUUmminmax21ma反映了调幅的强弱程度，值越大表示调幅越深。因此取名“调幅度”。 )1 (maxacmmUUcmU)1 (minacmmUU 实实际际电电路路中中必必须须避避免免包包络络失失真真过过调调幅幅时时百百分分之之百百最最大大调调幅幅时时未未调调幅幅时时,1)(10aaammm1ma 1ma )cos1()(tmUtUacmAM2、AM信号波形特征(续)现在学习的

7、是第十六页，共96页17示波器上看到的调幅波(ma=1)现在学习的是第十七页，共96页18*包络的深浅反映调制度ma应用例：已知调制信号波形如图a所示，载波信号波形为等幅正弦波，画出ma=1时的普通调幅波的波形。 2、AM信号波形特征(总结)*调幅波包络反映调制信号变化规律， 用虚线画，正、负包络横轴对称。现在学习的是第十八页，共96页19一般，实际中传送的调制信号并非单一频率的信号，常为一个连续频谱的限带信号 。) t ( f若将 ()f t分解为： 1( )( )cos()mnnnf tutUt( ) cosAMcmacuUk f tt则有 11cos() cosAMcmanncnuUmt

8、t 其中： amnancmk UmU应用例：写出调制信号为限带信号的调幅波表达式现在学习的是第十九页，共96页201、调幅波的频谱特征画频谱图的方法： 将调幅（电压）信号的数学表达式展开成 余弦（或正弦）项之和的形式，即 iiimitA)cos(2) 以每一余弦（或正弦）项的频率 或 为横坐标上的点，其幅度 为纵坐标上 的点，画出频谱分布图。iifmiA现在学习的是第二十页，共96页21(1cos)cos11 coscos()cos()22AMcmaccmcacmcacmcuUmttUtm Utm Ut() :ccc 载 波 分 量不 含 传 输 信 息上 边 频 分 量含 传 输 信 息下

9、边 频 分 量含 传 输 信 息 1、调幅波的频谱特征（续）调制信号载波调幅波c +上边频cmaUm21下边频c - cmaUm21cmUc 0mUccmU现在学习的是第二十一页，共96页22调幅的过程（实质）就是在频谱上 将低频调制信号 从低频段 搬移到 高频载波分量两侧 的过程。 *包括上边频、下边频、载频三种频谱分量 *上、下边频关于载频对称 1、调幅波的频谱特征（总结）现在学习的是第二十二页，共96页23含有三种频率成份1coscos11coscos()cos()2211coscos()cos()22AMcmanncncmcancmcnancnncmcancmcnancnnnuUmtt

10、Utm UtmtUtm Utmt 含含信信息息下下边边带带含含信信息息上上边边带带不不含含信信息息载载波波分分量量)()(:ncncc 应用例：画出限带信号的调幅波频谱max c限带信号 c载波调幅波c-max 下边频带c+max上边频带max max max 现在学习的是第二十三页，共96页242. 普通调幅波带宽普通调幅波带宽(B, Bandwidth)（1）调制信号为单一频率（）调制信号为单一频率（ =2 F）的正弦波，的正弦波，则， B=2Fmax即 已调波频谱所占频带宽度（2）实际上，调制信号是包含若干频率分量的 复杂波 (F =FminFmax) -多频调制情况则 B=2F现在学习

11、的是第二十四页，共96页25调幅波的功率计算方法：(设调幅波电压加于负载电阻R上）(1) 将调幅（电压）信号的数学表达式展开成余弦（或正弦）项之和的形式，即iiimitA)cos(imiiiRAPP22总(2) 总功率=各项正弦分量单独作用功率之和现在学习的是第二十五页，共96页26此时表明: 对单频调制的调幅波，最大调制时的 功率为载波功率的1.5倍。 其中边频功率是载波功率的一半。1.5cPP总当 时，边频功率最大， 。1 am调幅波的功率(总结)22accmPPP总0.5cPP边现在学习的是第二十六页，共96页27 在普通调幅波信号中，有用信息只携带在边频带内，而载波本身并不携带信息，但

12、它的功率却占了整个调幅波功率的绝大部分，因而调幅波的功率浪费大，效率低。 抑制载波的双边带调幅波 （DSB/SC-AM）可见：现在学习的是第二十七页，共96页28结论变吗？此节讲述及学习方法比较法5.2.2 抑制载波的双边带调幅波 （DSB/SC-AM）与普通调幅波相比： 对DSB/SC-AM的数学表达式、波形、频谱、带宽、功率的分析及计算方法不变。现在学习的是第二十八页，共96页295.2.2 抑制载波的双边带调幅波 （DSB/SC-AM）一、数学表达式、波形二、频谱、带宽三、功率现在学习的是第二十九页，共96页30)cos()cos(21coscosttUAUttUAUuAuucccmmc

13、cmmcDSB 1、 DSB/SC-AM波数学表达式tUtmtUttmUuccacccacAM coscoscoscos)cos1( 抑制载波后现在学习的是第三十页，共96页31( )utDSB信号的包络正比于调制信号的绝对值 (2) DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性，即在调制信号负半周时，已调波高频与原载波反相。因此严格地说，DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。2、 DSB/SC-AM波形特征(3)高频振荡的相位在u(t)=0瞬间有180o突变。结论1：现在学习的是第三十一页，共96页32 DSB波的频谱成份中抑制了载波分量调制信号 载波c 3、 DSB/SC-

14、AM波频谱特征)cos()cos(21coscosttUAUttUAUuAuucccmmccmmcDSB 结论2：上边频c下边频c现在学习的是第三十二页，共96页33max 限带信号 c载波调幅波c-max 下边频带c+max上边频带max max max 4、 DSB/SC-AM波带宽即 已调波频谱所占频带宽度BDSB=2Fmax在频域上，DSB 与普通调幅波AM，所占带宽相同 。结论3：现在学习的是第三十三页，共96页345、 DSB/SC-AM波功率比普通调幅波节省了发射功率，即不发射载波。结论4：全部功率为边带占有，功率利用率高于AM波。调制信号 载波c 上边频c下边频c现在学习的是第

15、三十四页，共96页35 在现代电子通信系统的设计中，为节约频带，提高系统的功率和带宽效率，常采用单边带（SSB）调制系统 抑制载波的单边带调幅波（SSB/SC-AM）单边带(SSB)信号是由双边带(DSB)调幅信号中取出其中的任一个边带部分而成。现在学习的是第三十五页，共96页36此节主要为自学，学习方法比较法 对SSB/SC-AM的数学表达式、波形、频谱、带宽、功率进行分析及计算5.2.3 抑制载波的单边带调幅波（SSB/SC-AM）单边带(SSB)信号是由双边带(DSB)调幅信号中取出其中的任一个边带部分而成。根据：现在学习的是第三十六页，共96页375.2.3 抑制载波的单边带调幅波（S

16、SB/SC-AM）一、数学表达式二、调幅波的频谱三、调幅波的功率与普通AM波、DSB/SC-AM相比， SSB/SC-AM不同的地方。注意总结：现在学习的是第三十七页，共96页38)cos()cos(21ttUAUucccmmDSB 由通过边带滤波器提示一、数学表达式现在学习的是第三十八页，共96页39tUAUuccmmSSBL)cos(21 tUAUuccmmSSBH)cos(21 上边带信号下边带信号可得)cos()cos(21ttUAUucccmmDSB 现在学习的是第三十九页，共96页40提示二总结： SSB/SC-AM波1. 比普通调幅波、抑制载波的双边带调幅波，都要节省发射功率，即

17、只发送一个边带的功率。2. 在频域上，所占带宽仅为一个边带的宽度，节约了频带。3. 但在电路实现上，单边带的产生和接收，比普通调幅波和DSB/SC-AM要复杂。现在学习的是第四十页，共96页41调制信号载波已调波tUtucos)(调幅器tUtuccccos)()(tuAM5.2节小结：现在学习的是第四十一页，共96页42 指出下列电压是什么已调波？写出已调波电压的表达式，并指出它们在单位电阻上消耗的平均功率Pav及频谱宽度BWAM633( )2cos4 100.1cos3996 100.1cos4004 10( )u tttt V5.2节综合例：现在学习的是第四十二页，共96页43 了解调幅波

18、的物理过程，说明各种频率成分出现的规律，为设计功能更为完善的电路提供方向。即：实现调幅电路的理论基础调幅波产生的理论分析现在学习的是第四十三页，共96页445.3 调幅波产生的理论分析根据调幅波的数学表达式，可知：产生调幅波的电路应具有相乘运算的功能,必须由非线性器件才能实现。问题：2.线性器件可否用来产生调幅波？1.举例说明，哪些器件是非线性器件，哪些是线性器件？现在学习的是第四十四页，共96页455.3 调幅波产生的理论分析1.幂级数分析法2.线性时变分析法3.指数函数分析法4.开关函数近似分析法对调幅波产生电路进行分析的方法：实质：同一个非线性器件，由于其外加电压不同，使其工作在伏安特性

19、的不同区域，从而可以用不同的函数来表示此工作区域。现在学习的是第四十五页，共96页46非线性器件伏安特性：i=f(u) 其中u=VQ+u1+u21、幂级数分析法i=f(VQ+u1+u2) =a0+a1(u1+u2)+a2 (u1+u2) 2+ an (u1+u2) n+在静态工作点电压VQ上展开成泰勒级数0021nnmmmnnmnuuaC输入信号频谱1 2 输出电流信号频谱1 12 13 2 12 12 122 122 22 123 122 122 1222 1222 ttammnnmn21mn,00coscos（1） u1 、u2的幅度要小，以减小高阶相乘项及其组合频率分量的强度。 （2）

20、选用平方特性好的非线性器件，并选择合适的工作点，使它工作在特性接近平方律的区域。现在学习的是第四十六页，共96页47应用举例： 当非线性器件具有以下伏安特性时，能否用它实现调幅？55331uauauai 其中u=u1+u2现在学习的是第四十七页，共96页481、幂级数分析法 续典型电路： 平方律调幅器 平衡调幅器(DSB/SC-AM产生电路)现在学习的是第四十八页，共96页492.线性时变分析法非线性器件伏安特性：i=f(u) 其中u=VQ+u1+u2 在VQ+ u1上展开成泰勒级数： (u2足够小) i=f(VQ+u1+u2) =I0(t)+g(t) u2g(t): 时变跨导,是时变参量.2

21、coscos)()(1021010010tItIIuVftIQ.2coscos)( )(121101tgtgguVftgQtUtgtggtItIIio22121110210100cos.)2coscos(.)2coscos( u1(载波)的幅度要大,u2(调制信号)的幅度要小，使器件工作在线性时变状态。20)()(utgtIi现在学习的是第四十九页，共96页502.线性时变分析法 续典型电路： 基极调幅电路 模拟乘法器调幅电路 -指数函数分析法 斩波电路（二极管环形调制器） -开关函数近似分析法现在学习的是第五十页，共96页51模拟乘法器MC1596(MC1496)外围电路 。现在学习的是第五

22、十一页，共96页52MC1496内部电路内部电路现在学习的是第五十二页，共96页531()(coscos)Dccmcmigkt UtUt二极管环形调制器单向周期方波开关函数c1222()coscos3cos5.235cccktttt1()(coscos)Dccmcmigkt UtUt经带通滤波后，输出有用项（AM波）：012( )coscoscos2mmccgUAgUitttt现在学习的是第五十三页，共96页545.4 普通调幅波的产生电路问题：2.两种产生调幅波的电路在发射机中的位置有什么不同？1.调幅波产生电路有哪两种？3.比较两种电路的优缺点。现在学习的是第五十四页，共96页555.4

23、普通调幅波的产生电路按功率电平的高低分为：高电平调幅电路 （发射机的最后一级，丙类功放）低电平调幅电路 （发射机功放的前级,线性功放）现在学习的是第五十五页，共96页56现在学习的是第五十六页，共96页57特点：电路简单，输出功率小 常用在双边带调制，低电平输出系统（如信号 发生器）。一、低电平调幅电路一般用模拟乘法器产生 。现在学习的是第五十七页，共96页58二、高电平调幅电路特点：输出功率大，可提高整机效率。 一般以调谐功率放大器为基础。分为： 基极调幅 集电极调幅 现在学习的是第五十八页，共96页591.基极调幅电路（1）工作原理调制信号相当于一个缓慢变化的偏压。tUEtuEtEmbbb

24、cos)()(即：输出电压幅度受调制信号控制的调谐功率放大器调谐功放的调制特性现在学习的是第五十九页，共96页60优点：对调制信号只要求很小的功率，电路简单，有利于整机的小型化。缺点：因工作在欠压状态，电压利用系数和集电极效率较低，管耗很大。基极调幅特点：现在学习的是第六十页，共96页612.集电极调幅电路（1）工作原理 集电极调幅电路可以看为一个电源电压随调制信号变化的调谐功率放大器。 * 综合电源电压为：)()(tuEtEcc现在学习的是第六十一页，共96页62放大器工作状态：过压2.集电极调幅 续优点：集电极效率高，晶体管获得充分的应用。缺点：已调波的边带功率由调制信号供给，因而 需要大

25、功率的调制信号源。集电极调幅特点：现在学习的是第六十二页，共96页635.5 普通调幅波的解调电路从调幅信号中检出调制信号问题回顾：1、解调器在无线电接收系统中的位置？2、解调前后信号波形的变化？现在学习的是第六十三页，共96页64检波器输入信号波形检波器输出信号波形现在学习的是第六十四页，共96页655.5 普通调幅波的解调电路（重点）从调幅信号中检出调制信号调幅信号的解调（又名检波）：非相干解调大信号峰值包络检波（重点）小信号平方律检波相干解调同步解调现在学习的是第六十五页，共96页662.非相干解调检波器电路的组成框图调幅波非线性器 件低通滤波为什么检波电路必须由非线性器件才能实现？问题

26、：理由：输出信号中产生了，输入信号中所没有的、 新的频率成分。现在学习的是第六十六页，共96页671. 电路与工作原理2. 性能指标（检波效率、输入阻抗、 检波失真（重点）调幅信号的解调：非相干解调大信号峰值包络检波（重点）小信号平方律检波（输入调幅波的幅度在500mV以上）现在学习的是第六十七页，共96页681. 电路 与 工作原理ui(t)uo(t) u i(t)与uo(t)tUDCu(t)tuo(t)检波器的输出电压：uo(t)=u(t)+UDC一、大信号峰值包络检波现在学习的是第六十八页，共96页692）输出电压u0的成分低频成分u有用,输出；高频成分无用,旁路电容滤除；直流成分无用,

27、隔直电容滤除。 1）输出电压uo的大小与输入电压ui的峰值(包络)接近相等，故称为峰值包络检波。注：uo(t)=u(t)+UDC现在学习的是第六十九页，共96页70（1 1）检波失真）检波失真( (重点）重点）n对角线失真（惰性失真、放电失真）对角线失真（惰性失真、放电失真）n割底失真割底失真( (负峰切割失真负峰切割失真) )n频率失真频率失真2. 性能指标（检波效率、输入阻抗、检波失真）现在学习的是第七十页，共96页71ttUtuAMC )(tui(t)与uc(t)uc(t)ui(t)失真原因：（a）对角线失真（惰性失真、放电失真） 放电时间常数RLC太大，放电慢，以致电容C上的电荷跟不上

28、调幅波包络的变化.不失真条件：电容放电的速度 包络线下降速度现在学习的是第七十一页，共96页72（a）对角线失真（惰性失真、放电失真） 续aaLmmCR2max1 表明： ，则包络变化大； 或 RLC大，放电慢，都易产生对角线失真。2max)(11LaCRm或不失真条件：大或am工程上可按下式计算:5 . 1maxCRL现在学习的是第七十二页，共96页73 Uim(1-ma) Ui mttmUucaimi cos)cos1( URL后级放大器ui+-CriRLVDCd+UDC -+-URL+u(t)-（b）割底失真(负峰切割失真)ui(t)uo(t) u i(t)与uo(t)tUDCu(t)t

29、uo(t)现在学习的是第七十三页，共96页74 Uim(1-ma) Ui mttmUucaimi cos)cos1( URL后级放大器ui+-CriRLVDCd+UDC -+-URL+u(t)-（b）割底失真(负峰切割失真)失真原因：iLLrRR/(低频)交流负载电阻:直流负载电阻:LLRR 且由于检波器的交流、直流负载电阻不同，而且调幅度 ma 又过大引起的。RL现在学习的是第七十四页，共96页75解调器在接收机中的位置现在学习的是第七十五页，共96页76（b）割底失真(负峰切割失真) 续不失真条件为：）时时（或或1 dLLaRRm LRU )1 (acmmUiLLdarRRm1表明: ri

30、越小, RL分压越大, 越易产生此类失真; ma越大, 调幅波振幅maUcm越大, 越易产 生此类失真.KKRL105 现在学习的是第七十六页，共96页77典型检波电路（检波实验电路）现在学习的是第七十七页，共96页78（c c）频率失真频率失真由隔直耦合电容由隔直耦合电容 C1 和滤波电容和滤波电容 C 引起的引起的.irC1min1LRCmax1n为使频率在min时,C1上压 降不大, 不产生频率失真: n为使频率在max时, C断开, 不把低频电流旁路掉:综上,一般,隔直耦合电容 C1 取几个微法 (F),滤波电容 C 取0.005 F0.02 F 。现在学习的是第七十八页，共96页79

31、应用例：二极管峰值包络检波器，原电路正常工作（1）若检波电容C加倍，易产生（ ），（2）若电路参数保持正常工作时的值不变，加大输入调幅波的调制度ma时，易产生（ ）。 A、底部切割失真（负峰切割失真） B、惰性失真（对角线切割失真） C、惰性和底部切割失真 现在学习的是第七十九页，共96页80（2）检波效率若输入等幅波cmodUU cmamdUmU 2. 性能指标（检波效率、输入阻抗、检波失真）若输入调幅波现在学习的是第八十页，共96页81电路参数和载频对检波效率的影响（2）检波效率 续100 LcCR 10 LcCR 1 LcCR 一定RL下， 大 高 时，可达0.86。 过大，会引起检波失

32、真.因此，LcCRd100 LcCR10010 LcCRLcCR 一定时， dLR LcCR 现在学习的是第八十一页，共96页82 检波管对检波效率的影响： （2）检波效率 续 检波管导通电阻rD越小，充电时间越短，电容C上充的电压高,使输出低频信号幅度大,检波效率提高.现在学习的是第八十二页，共96页83 输入信号幅度对检波效率的影响：输入信号幅度大,检波效率高（2）检波效率 续现在学习的是第八十三页，共96页84 对高频信号源来说，检波器相当于一个负载，即为检波器的输入电阻。式中,Ucm为输入载波分量的电压振幅, I1m为输入高频电流的基波(载频)振幅.2. 性能指标（检波效率、输入阻抗、

33、检波失真）（3）输入阻抗（对载波频率而言）可见，大信号检波器比小信号检波器的输入电阻大.因而，大信号检波器对前一级电路的影响小。mcmiIUR1dLR2现在学习的是第八十四页，共96页85检波电路参数的选取检波电路参数的选取 检波二极管检波二极管D- 选点接触型选点接触型(2AP系列系列) 正向导通电阻小正向导通电阻小,反向电阻大反向电阻大. 直流负载电阻直流负载电阻RL- 5k10k 兼顾检波效率、避免割底失真兼顾检波效率、避免割底失真 滤波电容滤波电容C-0.005 F0.02 F 兼顾检波效率、避免对角线失真、频率失真兼顾检波效率、避免对角线失真、频率失真 输出隔直耦合电容输出隔直耦合电容C1-5 F10 F 避免频率失真避免频率失真现在学习的是第八十五页，共96页86调幅信号的解调：非相干解调大信号峰值包络检波小信号平方律检波1. 电路3. 性能指标（检波效率、输入阻抗）2. 工作原理（输入调幅波的幅度在几十mV, 或更小）现在学习的是第八十六页，共96页87高频输入非线性器 件低通滤波二、小信号平方律检波1.