通信电子线路ch5调制与解调1

5.1振幅调制与解调5.2角度调制与解调笫5章调制与解调

5.1

振幅信号的分析5.1.1概述什么是调制？就是在传送信号的一方（发送端）将所要传送的信号（它的频率一般是比较低的）“附加”在高频振荡上，在由天线发射出去。这个高频振荡波就是“运载工具”，也叫载波。那么调制即利用信号来控制载波的某一参数，使这个参数随信号变化。什么是解调？ 解调就是在接收信号的一方（接收端）经过反调制，把载波所携带的信号提取出来，得到原有的信息的过程。 调制和解调都是频谱变换的过程，必须用非线性元件才能完成。为什么一定要经过调制的过程？ 由于所要传送的信号频率或者太低，或者频带很宽，这些都不利于直接采用电磁波的形式传送信号。 （1）天线要将低频信号有效地辐射出去，它的尺寸就必须很大。 （2）为了使发射和接收效率高，在发射机和接收机方面都必须采用天线和谐振回路。要想使天线和谐振回路的参数在很宽的范围内变化，这是很难办到的。 （3）如果直接发射音频信号，则发射机将工作于同一频率范围。这样，接收机将同时收到许多电台的节目，无法加以选择。调制方式（1）连续波调制 调幅、调频、调相。（2）脉冲波调制 先用信号来控制脉冲波的振幅、宽度、

位置等，然后再用这已调脉冲对载波进行调制。 脉冲振幅调制、脉宽调制、脉位调制、 脉冲编码调制。

选择调制方式的几项指标（1）抗干扰性

PCM的抗干扰能力最强；调频与调相次之；调幅最弱。（2）实现调制的简便程度 调幅最容易实现，PCM要复杂多了。（3）已调波信号所占的频带宽度 窄带调制、宽带调制（4）电子器件的效率和输出功率

（5）保真度 对相同的保真度，实施调制的简便程度、发射机的大小和重量有所不同。5.1幅度调制(AM)

幅度调制（AmplitudeModulation）是指载波的幅度随调制信号的变化规律而变化，而其角频率和初相位均为常数。

幅度调制有如下方式：

标准幅度调制（StandardAM）。

双边带幅度调制（DoubleSidebandAM，记为DSBAM），这种调幅方式又称抑制载波调幅（SuppressedCarrierAM，简记为SCAM）。

单边带幅度调制（SingleSidebandAM，记为SSBAM）。5.1.1振幅调制信号的分析1.标准调幅波信号

信号的数学表示式。

波形图。

频谱函数与频谱。

信号所具有的功率在各频率分量之间的分配关系等。（1）标准调幅波信号的数学表示式假定调制信号为：载波信号为：进行标准调幅后的表示式为：从定义角度从画波形角度从调幅波产生与频谱角度式中，称为调幅指数，在标准幅度调制中，为保证不出现过调制，要求。调幅波由三个不同频率的正弦波组成：

对于任意信号调幅波为（2）标准调幅波信号的波形与频谱

单频余弦波调幅上边频下边频（2）标准调幅波信号的波形与频谱（续）

任意波形调幅（3）标准调幅波信号的功率分配关系

载波功率为：

边带所占有的功率为：

调幅波所具有的总功率为：载波功率和边带功率一起发送，效率低。（4）讨论标准调幅波的性质

已调信号的幅度随调制信号而变化。因此，调幅信号幅度的包络线近似为调制信号的波形。只要能取出这个包络信号就可实现解调。

调幅波的频谱由两部分组成。一部分是未调载波的频谱，另一部分是分别平移至处的调制信号的频谱。标准调幅信号所占的频带宽度为，即它是调制信号频带宽度的两倍。但从传递信息的角度看，标准调幅信号所占的频带宽度中有一半是多余的，因此，这种调幅方式在频率资源利用上是有缺点的。

幅度调制是一种非线性过程，因为它将调制信号的各频率分量变换为载波频率与这些频率的和频和差频分量。但都是将信号的频谱在频率轴上平移。因此，又称幅度调制为线性调制。

在调幅波中，欲传送的信息包含在边带内，载波分量并不包含欲传送的信息。而它所占有的功率却为总功率的一半以上。因此，从有效地利用发射机功率的角度考虑，标准幅度调制是有缺点的。对标准调幅信号的分析曾经得出：

从传输信息的角度看，载波分量是多余的，而且它还占去了调幅波总功率的一半以上，这对充分利用发射机功率不利。

由于载波分量的存在，有时还会对其它信号形成干扰。

从传输信号的角度看，它所占的带宽多一半是多余的，这对节省频率资源不利。2.双边带信号（DSB）

在调幅过程中，将载频抑制掉就形成了双边带信号。信号的数学表示式

可正可负，是双边带高频的振幅。则包络为

单音调制的DSB波形图

抑制载波调幅信号的波形图

从图中可以看出：

抑制载波调幅信号中不含固定的载波分量。

调制信号是正值时的载波相位与调制信号是负值时的载波相位是反相的。

已调信号的幅度仍随调制信号变化，但其包络不能反映调制信号的形状。

由于抑制载波调幅信号的幅度包络不反映调制信号的波形，因而也不能应用峰值包络检波方法。所以，对这类调幅信号，只能使用同步解调方法。SSB信号是由DSB信号经窄带滤波器滤除一个边带或在调制过程中直接将一个边带抵消掉而得到的。单频调制时，取上边带，得：下边带：3.单边带信号（SSB）双音调制的SSB信号受调制的双边带信号为:

取上边带的SSB信号SSB信号特点

单边带调幅信号的幅度包络不反映调制信号的波形。双音调制时每一个调制分量产生一个相应的单边带信号分量，频率为线性搬移。

对单边带调幅信号，只能使用同步解调方法。SSB信号的包络与调制信号的形状相同，填充频率为。5.2

调幅信号的产生(教材:P120)5.2.1AM信号的产生

采用高电平调幅 基极调幅，集电极调幅，发射极调幅，组合调幅。调制器工作在乙类或丙类的高频功率放大器中，在发射极的后级进行。基极调幅原理

电路组成 图5-2-4。P121

基极调幅的原理分析 图5-2-5。P122

受调放大器工作于欠压状态。

优缺点 由于工作于欠压区，集电极效率低，但所需调制信号的功率小，有利于整机小型化。集电极调幅原理

电路组成 图5-2-6。P122

集电极调幅的原理分析 图5-2-7。P123

受调放大器工作于过压状态。

优缺点 由于工作于过压区，集电极效率高，但所需调制信号的功率大，电路复杂，体积大。5.2.2SSB信号的产生边带滤波器

滤波法 原理:首先将载波和调制信号通过乘法器产生DSB信号,再通过边带滤波器得到SSB信号.二极管平衡调制器

实质上就是实现乘法运算P125图5-2-11平衡调制器的等效原理图返回1返回2

设载波电压较大,二极管处于大信号状态,其特性曲线可近似为通过原点的折线.

二极管可等效为一个开关和一个电阻的串联形式.

则二极管可用下式表示:其中,

若二极管两端的电压为,那么通过它的电流为:对于平衡调制器的等效原理图,可以得到:返回

在次级产生的电流分别为:

这两个电流方向相反.返回则有:将用付氏级数展开:则有:

由上式可见:输出电流中包含调制分量及边带分量，无载频及其载频的倍频分量输出。这是由于两个相等的载频电流在中产生的磁通互相抵消了,利用电路的对称抑制了载频.考虑的反射电阻:输出电压为:调制器的效率

实际情况下,由于电路的完全对称很难做到,因此在输出端可能出现部分载波分量,称做载漏.桥式平衡调制器 图5-2-14.P1272.二极管环形调制器原理电路图5-2-16，P128D1、D2在载波的正半周导通,负半周截止,这两个二极管组成一个平衡调制器,在负载上产生电流,则有:同理:D3、D4在载波的负半周导通,正半周截止,它们也组成一个平衡调制器,在负载上产生电流.则有:得出总电流为:

其中将用付氏级数展开:则得:特点

无调制频率分量.这是由于两次平衡抵消的结果.一个平衡调制器抵消载波,两个平衡调制器抵消调制频率分量.这样滤波器无须滤除调制分量,所以环形调制器更接近于理想相乘器.调制效率:比平衡调制器大一倍.5.3

调幅信号的解调

一.AM信号的解调

解调 从调幅波中提取、恢复调制信号的过程，称为解调或检波。从频域来讲，解调的作用是将已调波的边频或边带信号频谱搬移到原调制信号的频谱处。这一过程采用检波器来完成。

大信号峰值包络解调 当载波频率比调制信号的最高频率高得多时，调幅信号幅度的包络线近似为调制信号的波形。因此，只要能取出这个包络信号就可实现解调。 （要求，其中是调制信号最高频率。）二极管包络检波器的工作原理

包络检波器的组成组成：输入信号回路二极管DRC低通滤波器要求：二极管采用导通电压小，正向电阻小的锗管。RC电路：检波的暂态过程分析条件：输入信号为高频等幅波（即载波），且加信号之前电容C上的电荷量为零。分析：1.当从零开始增大，此时电容C的高频阻抗很小，则输入电压全部加在二极管D的两端，D导通，C被充电，由于很小，充电时间常数很小，则充电很快，C上的电压很快跟随输入信号建立。2.C上的电压在建立的同时，也反向地加在了二极管上，则二极管上的电压。随着输入电压的减小，当电容两端的电压到达的时候，，D开始截止，在继续下降的时间内，电容开始向R放电。3.由于放电常数RC很大，电容向电阻R放电很慢，在下降不多的时候，下一个输入电压的正半周到来。当时，D再次导通，电容C又继续充电，进一步提高。然后继续上面的放充电过程，直到二极管导通时电容的充电量等于D截止时电容的放电量，便达到了动态平衡。检波的暂态过程结论1.检波过程就是信号源通过二极管给电容充电与电容给电阻R放电的过程。2.由于RC之积远大于载频周期，使D的负极总是处于正的较高的电位，对D形成了一个较大的负偏压，使D只有载波输入电压峰值附近才导通。这个时间很短，即电流流通角很小，二极管电流是一个窄脉冲序列。3.二极管电流包括直流分量和高频分量。其中大部分高频分量被电容旁路，没有输出，只有直流分量和少量高频分量经电阻R形成电压输出： 在元件选择适当的时候，检波器直流输出电压接近但小于输入电压峰值。AM信号在包络检波器的工作过程结论电阻R上输出电压为直流分量和调制分量在电阻上形成的电压。根据输出要求不同，可以采用不同的RC滤波器作为负载，取出直流分量或低频分量 如图5-3-7，P1323.RC数值的选择需要根据具体情况而定。若RC过小，放电过快，高频波纹大；RC过大，放电过慢，出现失真。二极管包络检波器的性能分析对检波器的技术要求：1.传输系数要大；2.输入电阻也要大；3.保真度要高；4.高频滤波性能要好。传输系数传输系数也称检波效率，用于表示检波器将载波电压转换为直流电压的能力。其定义为：其中为载波电压的振幅。

检波效率也指检波器输出信号的幅度与输入调幅信号中包络的幅度之比。对于单频正弦信号调幅，这时的检波效率为：

在大信号检波的情况下，二极管的分析可以采用折线法，则有：P131由于解得

结论：

1.在大信号检波的情况下，二极管的电流通角是固定的，与输入信号大小无关，则传输系数也与输入信号大小无关。所以检波器输入输出关系是线性关系。当输入AM信号时，

2.越小，越接近于1，随增加而增加。当，输入电阻输入电阻为输入载波电压的振幅与检波器电流的基波分量振幅之比。当时，很小，因此：代入上式，得：检波器的非线性失真1.惰性失真

如果检波器的数值选择过大，当载波幅度下降到某一时刻时，由于电路放电速度慢，以致下一个载波周期的正半周最大值仍低于该时刻的，则二极管不能导通。

现象：

将按决定的自身的放电规律变化，而不反映输入调幅信号的包络。

直到某一时刻，输入信号幅度又增长到超过该时刻的值后，检波器才恢复正常工作。

这种失真现象，好像是沿正弦波的对角切了一刀，因此叫做“对角切割”失真。为避免这种失真，要求的放电速度较调幅信号包络下降速度快。P134

不失真的条件为：

设计时，应该将最大调幅度和最高调制

频率代入上式，以检验是否出现惰性失真。2.底部切割失真

底部切割失真是由于检波器的直流负载电阻R与交流负载电阻相差太大引起的一种失真。

底部切割失真(续)无底部切割失真条件（P130）：假设则即：：载波幅值DSB和SSB信号的解调DSB和SSB信号的包络不同于AM信号，不能直接用包络检波器解调，需要采用同步解调，也叫相干解调。同步解调包括叠加性同步检波和乘积型同步检波。叠加性同步检波是指DSB信号或SSB信号加上适当的载波电压，构成AM信号，再利用包络检波器解调出原信号。乘积型同步检波是指利用相乘器对DSB信号或SSB信号进行解调。1.高频电压的叠加设两个高频电压分别为：根据矢量图，可以得到合成电压的振幅：而且当，合成电压矢量与相差不大，则有：

可见，两个不同频率的高频电压叠加后是振幅和相位都随时间变化的调幅调相波。合成波振幅按两者频差规律变化的现象称为差拍现象。再通过包络检波器，检波输出电压为:这种检波方式称做差拍检波。同步检波原理（1）SSB信号的解调叠加型解调设输入电压恢复载频包络检波器

若根据高频电压的叠加的分析可知，合成电压的振幅为：经包络检波后，低频输出电压为：

乘积型解调乘法器的输出电压为：

低通滤波器再经过低通滤波后，得到输出电压为： 注意：乘积型解调并不要求，并且理想乘积解调器也没有失真，因此这点比叠加型更优越。（2）DSB信号的解调

叠加型解调 在DSB信号中加入载波电压，当可以得到没有过调失真的AM波，再通过包络检波器，就可以解调出原调制信号。乘积型解调相乘器的输出：插入载频不同步引起的失真(1)