通信电子线路：第9章 振幅调制与解调

1、第9章振幅调制与解调9.1 调幅信号分析9.2 调幅电路9.3 振幅解调电路9.4 正交平衡调幅19.1 调幅信号分析9.1.1 普通调幅普通调幅的载波振幅与调制信号瞬时变化规律相同，简称为调幅( Amplitude Modulation，AM )调制信号为单频正弦波载波2调幅波表示为普通调幅波的振幅(9-1)3调幅系数或调幅度Sa ：比例系数，也称调幅灵敏度，大小由调制电路的参数决定图9-1 普通调幅电路数学模型4(a) 调制信号(b) 载波(c) 已调波图9-2 调制信号、载波和已调波波形5已调波振幅的最大值Vmax 和最小值Vmin 与调幅系数ma 的关系(9-2)(9-3)(9-4)未

2、调制状态：Vmax=Vmin =Vc， ma =0最大调制状态：Vmax=2Vc，Vmin=0， ma =1过调幅状态：Vmax2Vc，Vmin16已调波振幅变化的包络与调制信号不同，出现失真。为不失真，普通调幅时取过调幅状态：Vmax2Vc，Vmin 17普通调幅波频谱将式(9-1)用三角函数展开单频调制时的普通调幅波有三个频率分量；载波频率c上边频c+下边频c (9-5)8(a) 调制信号(b) 载波(c) 已调波图9-3 调制信号、载波和已调波频谱9多频调制情况(a) 多频调制的调制信号和AM波(b) 多频调制的调制信号和AM信号频谱图9-4 多频调制的AM波形和频谱10图9-5 语音信

3、号及已调信号频谱(a) 多频调制的调制信号和AM波(b) 多频调制的调制信号和AM信号频谱调制信号包含连续频谱11上边带的频谱是将调制信号频谱由以零点为中心搬移到以载频为中心的位置，各频率分量的相对位置和相对振幅不变，下边带是上边带相对载频的镜像。线性调制实现频谱线性搬移的调制方式12AM波的带宽单频调制时，调制信号频率为F =/2调幅波占用的带宽为B = 2F非单频调制，调制信号频谱的最高频率为Fmax，已调信号占用的带宽为B = 2Fmax 13调制信号为单频正弦波，将调幅波电压加到负载电阻R上，根据式(9-5) 中载频、上下边频分量的幅度关系，可以写出在负载上消耗的功率，包括三部分：(1

4、) 载波功率(2) 上边频功率(3) 下边频功率14上、下边频的总功率为调幅波的总功率为ma = 1 时，边频功率最大，PSB = 0.5Pc =Po 33% ma = 0.4， PSB = 0.08Pc系统所传送的调制信号信息都包含在边频之中，整个调幅波的功率中真正有用的是边频功率。普通调幅波的功率利用率非常低。15调幅波的旋转矢量图表示(9-7)图9-6 调幅波旋转矢量图169.1.2 双边带调幅抑制调幅波中的载波分量，仅传送上、下边带，称为抑制载波的双边带(Double Sideband, DSB) 调幅，或称为双边带调幅。直接将调制信号与载波信号相乘得到电路数学模型，KM 为相乘器增益

5、。图9-7 双边带调幅电路数学模型(9-8)17单频调制时(9-9)式中Vo = KMVVc图9-8 双边带调幅信号波形18多频调制时的双边带调幅波形和频谱图(a) 多频调制的DSB信号波形(b) 多频调制的DSB信号频谱图9-9 多频调制的DSB信号波形和频谱199.1.3 单边带调幅提高频带利用率将双边带调幅信号经边带滤波器滤除其中一个边带在调制过程中直接抵消一个边带单频调制：下边带上边带20(Single Sideband，SSB)(a) 调制信号和SSB信号波形(b) SSB信号频谱图9-10 SSB信号波形和频谱219.2 调幅电路分类高电平调制：功率放大和调制合二为一，调制后的信号

6、不再需要放大就可以直接发射出去。主要用于产生普通调幅波。低电平调制：将调制和功率放大分开，调制后的信号功率较低，还需要经功率放大后达到一定的发射功率再发射出去。普通调幅、双边带调幅、单边带调幅都可以采用低电平调制。229.2.1 高电平调制1. 基极调幅图9-11 基极调幅电路以载波振荡为激励信号的高频谐振功率放大器，但工作点受调制信号的控制而发生变动。高频载波振荡通过高频变压器加到晶体管的基极电路上。23基极调幅和集电极调幅图9-12 基极调幅波形低频调制电压增大时集电极电流iC的最大值ICm 和流通角C 都变大。基波电流的振幅IC1 = ICm1(C ) 变大。低频调制电压减小时， ICm

7、 、 C 、 IC1也随之减小，使输出载波振幅发生变化。24研究调制特性，改变基极偏置电压VBB。基极调幅静态调制特性曲线，与高频功放的基极调制特性相同。 VBB 随调制信号发生变化，基波电流iC1的振幅IC1 随之变化，从而得到调幅信号。为了使IC1受VBB的控制明显，基极调幅时功放管工作在欠压状态。图9-13 基极调幅静态调制特性与集电极基波电流波形252. 集电极调幅(9-10)图9-14 集电极调幅电路图9-15 集电极调幅波形26图9-16 集电极调幅静态调制特性279.2.2 二极管调制电路载波调制信号不考虑输出信号的反作用，当 时图9-17 单二极管调制电路(9-11)28图9-

8、18 二极管平衡调制电路图9-19 二极管环形调制电路产生DSB 信号299.2.3 模拟乘法器调制电路采用MC1496图9-20 MC1496内部电路30图9-21 模拟乘法器调幅电路319.2.4 单边带调制电路1. 滤波法图9-22 滤波法单边带调幅电路方框图调制信号载波下边带上边带32滤波法在结构上很简单，在理论上可行。在实际应用中上、下边带之间的频差f 很小(等于两倍的最低调制信号频率)。当f fc时，要实现这样的滤波器要求矩形系数接近1，这是十分困难的。如果采用多次调制和滤波的方法，将使电路结构变得复杂。332. 移相法(9-14)图9-23 移相法单边带调幅原理框图349.3 振

9、幅解调电路9.3.1 振幅解调电路的质量指标振幅解调电路又称振幅检波电路。可分为包络检波和同步检波。包络检波是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法，只适用于普通调幅波的解调。振幅检波器的质量指标主要有：电压传输系数输入阻抗检波失真3536电压传输系数又称为检波效率。包络检波器的电压传输系数可分为直流电压传输系数和交流电压传输系数。直流电压传输系数定义为输入单频载波信号时输出直流电压Vdc 与输入载波振幅Vc之比：(9-15)Kdc即节7.4.1中式(7-33)所定义的KD。交流电压传输系数定义为检波器输出低频电压振幅Vac与输入高频已调波包络振幅maVc之比：(9-16)37(2

10、) 输入阻抗检波器输入端看进去的等效阻抗称为输入阻抗，包括输入电阻Ri 和输入电容Ci。38图9-24 检波器的输入阻抗(3) 失真检波失真是指输出低频电压波形和输入已调波包络形状的符合程度，应尽量避免或减少失真。399.3.2 二极管包络检波器讨论检波器中的几种失真产生的原因及减小方法。1. 检波器非线性引起的失真图9-25 二极管检波特性检波负载R 越大，输入电压振幅越高，检波器的线性越好，失真越小。二极管包络检波器的输入电压必须足够大，以保证检波器始终工作在大信号检波状态。402. 惰性失真检波负载R 增大：提高电压传输系数和减少检波特性的非线性失真。检波负载时间常数RC 增大。电容C上

11、的电压：二极管导通期间，检波负载电容C 被充电时，电压增大。二极管截止期间，检波负载电容C 对电阻R 放电，电压缓慢地减小。电容C 上电压减小的速度取决于检波负载时间常数RC。时间常数增大到一定程度，电容器的放电速度低于输入电压包络的变化速度时，电容上的电压就不能跟随包络的变化，使二极管的负极电位比正极电位高而不能导通，从而出现失真。41图9-26 惰性失真在t1 到t2 期间，检波输出电压vo(t)不再按输入高频调幅波vAM(t)的包络变化，而是按电容C对电阻R 放电的规律变化，二极管在载波周期正半周均不能导通，引起失真。这种由于检波负载时间常数过大使电容上电荷来不及放电而引起的失真叫惰性失

12、真，又称对角线切割失真。42为了不产生惰性失真，要求在一个高频周期内，电容C通过R放电的速度大于或等于包络的变化速度，应满足(9-17)调制信号为单频正弦信号时，普通调幅波：包络：包络的变化速度：(9-18)(9-19)(9-20)43二极管截止期间，电容C对电阻R放电，电容两端电压vo(t)的变化速度与通过R的电流i(t)关系：(9-21)电阻R上的电压vR(t) = i(t)R即电容两端电压vo(t) ，在开始产生惰性失真的瞬间，此电压等于输入调幅波的包络，式(9-21) 可以写为(9-22)44将式(9-22)与式(9-20)代入式(9-17)：经变换得到当cost = ma时，式(9-

13、24)左边有最大值 ，因此为了在任意时刻都不产生惰性失真，必须满足(9-23)(9-24)(9-25)453. 底边切割失真检波器与下级电路级联工作时，下级只取检波器输出的交流电压，检波器输出端接一个隔直流电容Cd，如图9-27(a)中所示，Rd 为下级电路的输入电阻。图9-27 底边切割失真(a) 取出交流电压的二极管包络检波器46RC的值必须大于载波周期以期能滤除高频电压，但RC 的值不能太大(避免惰性失真)。要使解调出的低频信号顺利传输到下级，RdCd 的值必须远大于解调信号最低频率一个周期。必有RC RdCd。检波器的交流负载为R 与Rd 并联后的总电阻直流负载为R，两个负载值不相等。

14、当调幅系数ma 较大时会引起失真，称为底边切割失真或负峰切割失真。47隔直电容Cd 上的电压在工作期间基本不变，可看成直流电压，以Vd表示，其数值近似等于输入调幅波的载波振幅的平均值Vc，电压方向如图9-27(a) 所示。电压Vd 作为电阻R 和Rd 构成的串联电路的电压源，在R上产生直流电压(9-26)VR为反偏电压，有可能影响二极管的导通。当二极管正极输入的调幅波包络大于VR 时，这个电压不会影响二极管的工作。但当调幅波包络小于VR 时，二极管将不能导通。48当调幅波包络小于VR 时，二极管将不能导通。这时检波负载电容上的电压vo(t)不能跟随输入调幅波的包络变化，而是保持为VR ，如图9

15、-27(b)所示。图9-27 底边切割失真(b)底边切割失真波形49Rd 上的输出电压v(t) 大小为负值VR Vd。为避免这种失真，必须满足即 当ma较大时，应使检波器的直流负载和交流负载接近相等，直流负载R不能太大。(9-27)509.3.3 同步检波1. 双边带乘积型同步检波图9-28 双边带乘积型检波器原理框图5152本地载波信号表示本地载波与原载波的总相位差。检波器输入的双边带信号(9-28)(9-29)乘法器的输出信号(9-30)低通滤波器输出(9-31)当本地载波与原载波同频同相，即(t) = 0时(9-32)能够无失真还原调制信号。53若(t)是时变的，vo(t) 对原调制信号

16、将产生振幅失真。当c = 0而不变时， (t)为常数，输出vo(t) =Vocoscost 当 =/2时，vo=0。利用这一特性，可以实现二路不同信号的复用，称为正交平衡调幅。542. 叠加型同步检波在双边带或单边带调幅波中插入载波，使信号近似为普通调幅波，再采用包络检波器恢复调制信号。图9-29 叠加型同步检波器原理框图55对双边带信号采用叠加型同步检波方法时，加法器输出表示为若可以得到不失真的普通调幅波，通过包络检波可以取出调制信号。56(9-33)单边带信号，如上边带信号，与本地载波相加后得到(9-34)式中(9-35)(9-36)57设时，利用泰勒级数展开并只取前两项，有(9-37)经

17、包络检波器后，输出(9-38)(9-39)583. 本地同步信号的获取普通调幅波中携带载波频率分量，因此可以直接从信号中提取载波同步信号。对于DSB信号，采取将信号平方的办法，可以取出频率为2c 的信号，再分频后得到原载波频率的信号。对于SSB信号，无法从信号中提取同步载波，一般在发射机发射的单边带信号中插入低功率载频信号，称为导频信号。在接收机中从输入信号中提取导频信号，并放大后将其作为本地载波信号。599.4 正交平衡调幅图9-30 正交平衡调幅信号形成原理60图9-31 正交平衡调幅信号的解调61本章小结本章介绍了调幅信号特点、振幅调制电路和解调电路。(1) 调幅波的载波振幅随调制信号变化，在普通调幅(AM)、抑制载波双边带调幅(DSB)和单边带调幅(SSB)三种调幅信号中，只有AM 信号的振幅包络与调制信号成正比，在接收端可以通过包络检波恢复原始调制信号。AM 信号的绝大部分功率用于发射载波信息，其他三种调幅波抑制载波分量。AM和DSB的带宽是调制信号最高频率的2 倍，SSB信号只传送其中一个边带。普通调幅波的调幅系数不能大于1。62(2) 调幅电路分为高电平调制和低电平调制。高电平调制用于产生普通调幅波，直接在功率放大器上调制，调制后的信号可以直接发射出去，有基极调幅、集电极调