调制解调电路

调制解调电路第一页，共八十七页，编辑于2023年，星期二7.1基本概念

调制

用所要传送的基带信号控制高频振荡信号的某一个参数（如幅度、频率或相位）。即把基带信号“附加”到高频振荡上，使基带信号变换为适合传输的高频带通信号。通常将这个高频带通信号称为已调波信号。振幅调制（AM）：载波信号振幅受控于调制信号。频率调制（FM）：载波信号频率受控于调制信号。相位调制（PM）：载波信号相位受控于调制信号。解调调制的逆过程，将基带信号从载波中提取出来。第二页，共八十七页，编辑于2023年，星期二为什么要调制？原因在于：1、基带信号频率低，如果直接传送，天线的尺寸就要做得很大。2、基带信号所占的频带很宽，如果直接传送，天线和谐振回路频带也要很宽。3、直接传送多路基带信号时，接收无法区分不同的信号。载波：可以是正弦波、脉冲波和光波等。基带信号：话音、图像、文字和数据等。第三页，共八十七页，编辑于2023年，星期二7.2振幅调制电路AM信号的基本特性AM调制也称普通调幅波，已调波幅度将随调制信号的规律变化而线性变化，但载波频率不变。设载波是频率为ωc的余弦波：uc(t)＝Ucmcosωct调制信号是频率为Ω的单频余弦信号，即：uΩ(t)＝UΩmcosΩt，则普通调幅波信号为:uAM(t)＝(Ucm+kUΩmcosΩt)cosωct

＝Ucm(1+MacosΩt)cosωct式中：Ma＝kUΩm/Ucm，称为调幅系数或调幅度第四页，共八十七页，编辑于2023年，星期二AM信号波形图

（P158图7.1）显然AM波正负半周对称时：MaUcm＝Umax－Ucm

＝Ucm－Umin

调幅度为：Ma＝0时，未调幅状态Ma＝1时，满调幅状态（100％）正常Ma值处于0～1之间第五页，共八十七页，编辑于2023年，星期二Ma＞1时，普通调幅波的包络变化与调制信号不再相同,产生了失真，称为过调幅现象。所以,普通调幅要求Ma必须不大于1。第六页，共八十七页，编辑于2023年，星期二频谱将AM波数学表达式用三角函数展开：uAM(t)=Ucmcosωct+［cos(ωc+Ω)t+cos(ωc-Ω)t］显然，AM波的频谱包括三个频率分量：ωc(载波)、ωc+Ω(上边频)和ωc-Ω(下边频)原调制信号的频带宽度是Ω或F（F=）普通调幅将调制信号频谱搬移到了载频的左右两旁，如图所示。带宽：2Ω为上下限频率之差AM波带宽是原调制信号带宽的2倍第七页，共八十七页，编辑于2023年，星期二调制信号为非单一余弦波时的情况一般非周期调制信号uΩ(t)的频谱是一连续频谱,假设其频率范围是Ωmin～Ωmax,如载频仍是ωc，各对上、下边频的迭加组成了上、下边带,相应的波形和频谱如图。总频带宽度为调制信号最高频率（带宽）的两倍，即：

BW=2Ωmax

第八页，共八十七页，编辑于2023年，星期二普通调幅波实现框图采用具有相乘特性的非线性器件和带通滤波器可实现调制功能。第九页，共八十七页，编辑于2023年，星期二功率关系若将单频调幅信号加在负载R上,则载频分量产生的平均功率为：调幅信号总平均功率为：Pav=Pc+2PSB=

Pc=两个边频分量产生的平均功率相同，均为：PSB=第十页，共八十七页，编辑于2023年，星期二小结1、普通调幅波（AM）的输出功率随着Ma的增加而加大，而加大的部分就是两个边带所产生的功率。2、信号都包含在边频里，由于Ma通常较小，所以发射机的有用信号功率就很小。3、AM调制的整机效率非常低，这是普通调幅制本身固有的缺点。

第十一页，共八十七页，编辑于2023年，星期二双边带（DSB）调制DSB调制也称抑制载波的双边带调制，采用具有相乘特性的非线性器件和带通滤波器可实现调制功能。但波形特点与AM调制有很大的不同。DSB信号数学表达式：uDSB(t)=kuΩ(t)uc(t)=kUΩmUcmcosΩtcosωct=［cos(ωc+Ω)t+cos(ωc-Ω)t］其中k为比例系数，双边带调幅信号中仅包含两个边频,无载频分量波形第十二页，共八十七页，编辑于2023年，星期二频谱及带宽频带宽度仍为调制信号带宽的两倍第十三页，共八十七页，编辑于2023年，星期二单边带（SSB）调制SSB调制也称单边带调制，单边带调幅方式是指仅发送上、下边带中的一个。采用具有相乘特性的非线性器件和带通滤波器可实现调制功能。数学表达式：（上边频时）波形及带宽：单边带调幅信号的包络已不能反映调制信号的变化。带宽与调制信号带宽相同,是普通调幅和双边带调幅信号带宽的一半。第十四页，共八十七页，编辑于2023年，星期二

SSB实现框图1、滤波法实现难点：如Ωmin很小,则上、下两个边带相隔很近,用滤波器完全取出一个边带而滤除另一个边带是很困难的。第十五页，共八十七页，编辑于2023年，星期二2、相移法（采用加法网络时得下边带）uSSB(t)=第十六页，共八十七页，编辑于2023年，星期二相移法的实现难点：基带（音频信号）各频率分量同时相移90o3、相移滤波法相移滤波法的关键在于将载频ωc分成ω1和ω2两部分,其中ω1是略高于Ωmax的低频,ω2是高频,即ωc=ω1+ω2,

且ω1<<ωc,

，用低通可得下边带，相移网络只对ω1和ω2二个频点相移90度，较易实现。（P163图7.9）第十七页，共八十七页，编辑于2023年，星期二残留边带调幅方式发送信号中包括一个完整边带、载波及另一个边带的小部分(即残留一小部分)。电视广播系统中,对图像信号采用了残留边带调幅方式,而对于伴音信号则采用了调频方式。第十八页，共八十七页，编辑于2023年，星期二振幅调制电路振幅调制最简单的实现方式是采用乘法器，再后接相应的滤波器得到。1）MC1496/1596构成的振幅调制电路第十九页，共八十七页，编辑于2023年，星期二a、集电极调制2）高电平振幅调制电路第二十页，共八十七页，编辑于2023年，星期二b、基极调制第二十一页，共八十七页，编辑于2023年，星期二3）低电平振幅调制电路适用于发射机前端的小信号DSB和SSB调制，载波为高电平。载漏：输出载波分量低于边带分量的分贝数载漏表示抑制载波能力，一般要求大于20dB用二极管作非线性器件实现调制，与二极管混频相同，可采用平衡及环形调制。第二十二页，共八十七页，编辑于2023年，星期二7.3振幅解调电路振幅解调是振幅调制的逆过程，从频谱的角度看就是将有用信号从高频段搬到低频段。要完成频谱搬移（有新频率产生），电路中必须要有非线性器件。针对不同的调幅波，需采用不同的解调方式：AM波：采用峰值检波（包络检波）方式；DSB和SSB波：采用同步检波（乘积检波）方式。第二十三页，共八十七页，编辑于2023年，星期二检波器的质量指标检波效率（电压传输系数）Kd定义：

检波器的输出电压和输入高频电压振幅之比其中，为输出直流电压，为输入高频载波幅度；为输出解调信号幅度，为包络幅度。

检波效率Kd越大越好直流传输系数：交流传输系数：第二十四页，共八十七页，编辑于2023年，星期二检波器的失真（越小越好）非线性失真系数：Kf＝谐波幅度/基波幅度有二种特殊失真：惰性失真和负峰切割（平底）失真·等效输入电阻（越大越好）Ri＝输入高频电压振幅/输入高频电流的基波振幅·

高频滤波系数（越大越好）F＝输入高频电压振幅/输出高频电压振幅第二十五页，共八十七页，编辑于2023年，星期二包络检波就是从AM中还原出原调制信号的过程包络检波概念第二十六页，共八十七页，编辑于2023年，星期二包络检波电路工作原理利用二极管的单向导电性，对检波负载的充放电过程，且充电时间常数很小，放电时间常数相对较大，得到检波输出信号。第二十七页，共八十七页，编辑于2023年，星期二二极管包络检波过程：利用二极管的单向导电性，对检波负载RC的充放电过程（充电时间常数RDC很小，放电时间常数足够大）。第二十八页，共八十七页，编辑于2023年，星期二主要指标分析传输系数Kd载波时的传输系数：

当输入为调幅波时，同样可得到交流传输系数：

传输系数取决于导通角，

当很小时，可以求得：

与负载R及二极管导通电阻rd有关系密切，显然：

第二十九页，共八十七页，编辑于2023年，星期二输入阻抗因此，二极管包络检波电路的输入阻抗Ri约为负载电阻R的一半。负载越大，输入阻抗越大，检波器对前级影响就越小。第三十页，共八十七页，编辑于2023年，星期二失真惰性失真由时间常数RC太大引起的。当RC太大时，C的放电速度过慢，以致使电容上的电压不能紧跟包络的下降而下降，就产生了惰性失真。原因第三十一页，共八十七页，编辑于2023年，星期二结论惰性失真RC应选择小惰性失真RC应选择小惰性失真通常容易在调制信号的高频端产生不失真的条件第三十二页，共八十七页，编辑于2023年，星期二负峰切割失真原因

由交直流负载不同引起。直流负载为R，交流负载R～是R与RL的并联。不失真的条件结论

R越大，条件越难满足。若R～＝R，就不会产生负峰切割失真。负峰切割失真在整个调制频率范围内都可能出现第三十三页，共八十七页，编辑于2023年，星期二实际二极管检波电路为避免负峰切割失真，常把R分为R1和R2二部分，使直流负载R＝R1+R2，交流负载R～是R2与RL的并联。当R1较大时，交、直流负载更接近，更易避免失真。但R1不可过大，否则会降低实际输出。二极管包络检波器要求输入信号幅度足够大，工程上要求大于500mV以上，输入信号不够大时，需在前级放大。第三十四页，共八十七页，编辑于2023年，星期二检波器实例第三十五页，共八十七页，编辑于2023年，星期二同步检波概念

解调DSB或SSB信号时，可以用信号相乘滤波的方法来实现，但要求接收机能产生与原载频信号同频同相的本振信号，即需要一个与原载波信号同步的参考信号。（教材P166中SSB信号解调，DSB信号解调与其类似）参考信号与接收载波同步时是线性检波，若不同步将产生失真：相位不同步，使解调信号时强时弱；频率不同步，使解调频率有偏离，影响解调信号的可懂度。

采用频率合成技术可使同步信号达到要求第三十六页，共八十七页，编辑于2023年，星期二采用乘法器构成的同步检波电路已调波信号与同步信号相乘后，再通过低通滤波器即可。同步检波适用于解调任何调幅波。

同步检波.exe

包络检波.exe第三十七页，共八十七页，编辑于2023年，星期二7.4角度调制电路角度调制

调频FM:载波频率调制信号载波幅度不变

调相PM:载波相位调制信号载波幅度不变

通信广播系统中，调频制在抗干扰方面比调幅制优越；测量技术中，用调频信号可测试系统的频率特性（如采用扫频法直观地得到幅频特性的扫频仪）。

第三十八页，共八十七页，编辑于2023年，星期二波形数学表达式调制信号：载波：瞬时频率：瞬时相位：FM波的数学表达式：调角信号的基本特性第三十九页，共八十七页，编辑于2023年，星期二

调相时瞬时位：瞬时频率：PM波的数学表达式：第四十页，共八十七页，编辑于2023年，星期二调角信号参数最大频偏FM：PM：显然，当调制信号幅度不变时：FM波的最大频偏不变，与调制信号频率无关，是恒定带宽调制；而PM波的最大频偏与调制信号频率成正比。第四十一页，共八十七页，编辑于2023年，星期二调制系数（调制灵敏度）Kf

表示调制信号对载波瞬时频率的控制能力调频指数mf

是单音调制信号引起的最大瞬时相角偏移量，其数值可以大于1，且常常远大于1第四十二页，共八十七页，编辑于2023年，星期二FM与PM波的比较第四十三页，共八十七页，编辑于2023年，星期二FM与PM的比较调频时影响相位，且瞬时相位按调制信号的时间积分值变化；调相时影响频率，且瞬时频率按调制信号的时间导数值变化。所以，当调制信号是单一频率信号时，FM与PM波难以区分；而调制信号复杂信号（如三角波）时有显著区别。如右图所示。第四十四页，共八十七页，编辑于2023年，星期二FM与PM中三个有关频率的概念载波频率：为零，未被调制时的载波频率，也是调频波的中心频率。调制频率：调频波的瞬时频率在其最大值和最小值之间每秒钟来回变动的次数。最大频偏：调制信号变化时，瞬时频率偏离中心频率的最大数值，与调制振幅成正比。第四十五页，共八十七页，编辑于2023年，星期二调角波的频谱于频带宽度将FM波用傅氏级数展开得表达式（见P168式7.25），其贝塞尔函数如下图，可见是一种非线性调制。第四十六页，共八十七页，编辑于2023年，星期二单音频调制时的FM波频谱特点(1)由载频和无穷多组上、下边频组成,边频分量与载频分量相隔调制频率的整数倍，满足ωc±nΩ；振幅由各阶贝塞尔函数值确定，为Jn(M)Ucm（n=0,1,2,…），,两边对应上、下边频分量振幅相同,n为奇数时相位相反。

(2)M值越大,具有较大振幅的边频分量数目越多。

(3)载频分量振幅呈衰减振荡趋势,对某些M值(如M=2.40、5.52等),载频分量（Jo）为零。所以适当选择M值，可降低载频功率，提高设备利用率及传输效率。(4)调频前后平均功率不变。改变M，只引起载波分量和各边频分量之间功率的重新分配，但总功率不变。第四十七页，共八十七页，编辑于2023年，星期二频带宽度右图为最大频偏不变时的频谱状况。边频分量低于载频分量10％时可忽略，频带为：当或时，为宽带调频：当时，为窄带调频：FM是恒定带宽调制，PM却不然第四十八页，共八十七页，编辑于2023年，星期二调频电路对调频电路的要求线性的调制特性。即已调波的瞬时频率与调制信号成线性变化；载频稳定度。已调波的中心频率具有一定的稳定度；最大频偏与调制频率无关；无寄生调幅或寄生调幅尽可能小（等幅波）；调制灵敏度越高越好，调制信号控制能力强。第四十九页，共八十七页，编辑于2023年，星期二直接调频用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。1、变容管直接调频电路（P169图7.14）振荡角频率为：n=2时，一般n不为2时，利用泰勒级数展开得（忽略高次项）：第五十页，共八十七页，编辑于2023年，星期二变容管直接调频小结：1）频率调制过程中产生非线性失真，为实现线性调频，应选用变容指数n＝2的变容管；2）取较小的m值（即调制信号幅度小），可减小非线性失真，且频稳度高；3）最大频偏：＝m↑→△Wm↑

调制灵敏度：m↑→S↑但最大频偏及调制灵敏度受限于非线性失真。4）电路简单，性能较好，对调制信号功率要求低；但中心频率稳定度差。第五十一页，共八十七页，编辑于2023年，星期二变容管直接调频实用电路第五十二页，共八十七页，编辑于2023年，星期二第五十三页，共八十七页，编辑于2023年，星期二2、晶体振荡器调频电路（P171图7.15）由于晶体的感性区域很窄，晶体振荡器调频电路的频偏较小，须采取扩大频偏措施。第五十四页，共八十七页，编辑于2023年，星期二扩展线性频偏的方法设调频波的瞬时角频率：经n倍频器后：则：相对频偏：倍频器可以不失真地将载波频率和最大频偏同时增大n倍，而相对频偏不变；经过混频器后：相对频偏：混频器可使载波频率和相对频偏改变，而最大频偏不变。第五十五页，共八十七页，编辑于2023年，星期二扩展线性频偏电路框图第五十六页，共八十七页，编辑于2023年，星期二锁相调频电路与锁相调频频率合成器锁相调频是能稳定中心频率的宽带直接调频电路（P171）晶振OSC鉴相器PD滤波器LFVCO直接锁相调频中锁相环仅仅对载频进行跟踪锁定，而调制信号对VCO直接调频，使输出FM波频偏宽且载波频稳度高。当需要多载波切换时，可采用直接锁相调频频率合成器。（P172图7.18）第五十七页，共八十七页，编辑于2023年，星期二间接调频通过调相达到调频的目的（P172图7.19）由于载频没有被直接调制，故中心频率的稳定度很高，关键问题是如何调相。主要的调相方法有：1）可变相移法。即控制LC回路的相移（LC回路失谐时有相移）。2）矢量合成法（窄带时适用）。3）脉冲移相法。第五十八页，共八十七页，编辑于2023年，星期二7.5FM波的解调电路基本概念是从FM信号中恢复出原基带调制信号的电路，也称鉴频电路或鉴频器。要求鉴频特性曲线（即输出电压与输入信号频率之间的关系曲线，也称S曲线）在最大频偏范围内为线性。第五十九页，共八十七页，编辑于2023年，星期二鉴频器的技术指标灵敏度

中心频率附近，S曲线的斜率线性范围

鉴频特性近于直线的频率范围，一般来说应使直线范围大于调频信号的最大频偏。非线性失真在线性范围内鉴频特性只是近似线性，也存在着非线性失真，希望非线性失真尽量小。第六十页，共八十七页，编辑于2023年，星期二解调（鉴频）方法锁相环鉴频过零检测相同的时间内，调频波在瞬时频率高时，过零点的数目多，频率低时过零点的数目就少。利用此特点就可以解调，这就是过零检测。一般用在载波频率较低时的情况，如数据传输终端机中。PDLPFVCOFM解调输出第六十一页，共八十七页，编辑于2023年，星期二调频-调幅变换后检波将等幅调频波变换为“调频－调幅”波，然后进行包络检波。根据变换电路中不同的变换方式，主要有斜率、相位及比例鉴频器第六十二页，共八十七页，编辑于2023年，星期二斜率鉴频电路单失谐斜率鉴频器（P177图7.26）次级LC调谐回路失谐于调频波的中心频率，实现“调频－调幅”变换。其鉴频特性取决于LC回路的谐振特性：1）鉴频灵敏度S∝回路Q值；2）Q值一定时，

S∝谐振点阻抗；3）一般失谐为±0.707

时，S最大；4）鉴频失真大。第六十三页，共八十七页，编辑于2023年，星期二双失谐斜率鉴频器由二个对称失谐、完全独立的单失谐斜率鉴频器组成。性能比单失谐时高：线性范围宽，鉴频灵敏度高。第六十四页，共八十七页，编辑于2023年，星期二实用的斜率鉴频器电路（P178图7.27）Vcc第六十五页，共八十七页，编辑于2023年，星期二相位鉴频器利用谐振回路的相频特性完成调频－调幅变换。根据互感耦合回路知识，当初、次级回路均调谐在同一频率fc上时，U2和U1之间在模值上和相位上均与频率有关：1）当f=fc时，U2超前U1900，UD1m=UD2m其中，UD1m=U1+U2，UD2m=U1-U2U1U2UD1mUD2m第六十六页，共八十七页，编辑于2023年，星期二2）当f﹥fc时，>0>0

，

U2超前U1的相位角小于90度，

UD1m>UD2m，且随频率增加，U2矢量按顺时针旋转，即：

f↑→UD1m↑,UD2m↓

3）当f<fc时，<0<0

，

U2超前U1的相位角大于90度，

UD1m<UD2m，且随频率下降，U2矢量按反时针旋转，即：

f↓

→UD1m

↓,UD2m↑U1U2UD1mUD2m-U2U1U2UD1mUD2m-U2第六十七页，共八十七页，编辑于2023年，星期二相位鉴频器电路二个检波器输入信号电压分别为：UD1＝U1＋(1/2)U2UD2＝U1－(1/2)U2输出电压:Uo＝Kd（UD1m－UD2m）不同频率时的电压分量矢量图：

第六十八页，共八十七页，编辑于2023年，星期二显然，鉴频特性如图：f＝fc时，Uo＝0；f>fc时，Uo>0，且Uom＝KdU2mf<fc时，Uo<0，且Uom＝－KdU2m相位鉴频器电路简单，线性较好，灵敏度较高，但频偏较窄。注意：以上结果中忽略了U2

随频率变化情况在考虑到寄生调幅时，将产生干扰形成失真。实际使用中，在鉴频前应接入限幅器，以保证输入调频波为等幅波。第六十九页，共八十七页，编辑于2023年，星期二比例鉴频器具有自动限幅功能的相位鉴频器。在平衡输出端接一个大电容，使输入电压有变化时保持AB端电压Eo＝Uc1+Uc2不变。将下面一个二极管反接，鉴频输出从OD端输出，为不平衡输出。得到输出电压：

自动限幅过程：

U1m↑→检波电流↑→

电容C的惰性使Eo不变→负载↓→检波输入阻抗↓→U1m↓第七十页，共八十七页，编辑于2023年，星期二移相乘积鉴频电路移相乘积鉴频法第七十一页，共八十七页，编辑于2023年，星期二PLL鉴频电路PDLFVCOFM锁相环路锁定后，输出就为原已调波。采用锁相环MC562组成的鉴频电路（P182图7.32）。第七十二页，共八十七页，编辑于2023年，星期二脉冲计数鉴频电路电压比较器计数器时钟D/A变换器FM对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲的个数。基于这种原理的鉴频器称为零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频器。

第七十三页，共八十七页，编辑于2023年，星期二直接脉冲计数式鉴频器:第七十四页，共八十七页，编辑于2023年，星期二7.6数字调制与解调电路基本概念用离散时间和离散幅度的数字基带信号对载波进行调制。数字调制信号也称键控信号，可以用载波的有、无，频率的跳变及相位的跳变来表示所传送的信息（P183图7.34）；因此，解调时只要对载波振荡的参量进行离散检测，就可判别得到原传送的信息。数字调制传送信息更有效、更可靠，便于小型化，有更好的抗噪性能和安全性，更强的抗信道损耗，更容易复用不同形式的信息，支持更好的信源编码、加密技术及均衡技术，也更易是数字调制解调器用软件来实现。第七十五页，共八十七页，编辑于2023年，星期二数字线性调制与解调1）二进制移相键控BPSK（P185）

BPSK调制可采用DDS技术实现。其解调可采用相干解调，载波恢复可采用Costas环或平方环实现（解调框图P186图7.35）2）二进制差分移相键控DPSK

（P186图7.37，P187图7.38）3）四相移相键控QPSK

可视为互为正交的BPSK信号的叠加。可采用DDS芯片

AD7008片内电路实现QPSK调制。（P188图7.39、7.41为调制解调框图）第七十六页，共八十七页，编辑于2023年，星期二二进制移频键控BFSKBFSK使幅度恒定不变的载波信号的频率，随着二个二进制数据信息0和1切换。1）采用RC三角波振荡器构成CPFSK调制器（P189图7.42）2）采用XR-2206单片集成函数器实现FSK调制（P190图7.43）3）采用锁相环NE564及XR-2211实现FSK解调（P190图7.44、P191图7.45）第七十七页，共八十七页，编辑于2023年，星期二采用XR-2211单片锁相环实现FSK解调第七十八页，共八十七页，编辑于2023年，星期二DDS实现数字调制用数字基带信号键控改变DDS芯片中存储器相位码地址，就可以很方便地得到任意一种数字调制信号。AD9850的数字调制系统（P195图7.52）AD9830、AD7008数字调制器（P196、197图7.53、7.54）第七十九页，共八十七页，编辑于2023年，星期二本章小结(1)四种调幅方式(普通调幅、双边带调幅、单边带调幅和残留边带调幅)在相同调制信号时产生的已调波信号的时域波形不同,频谱不同,带宽不完全相同,调制与解调的实现方式与难度不同,适用的通信系统也不同。(2)两信号相乘是实现线性频谱搬移的最直接方法,所以模拟乘法器是进行调幅、检波的最常用器件。在有关专用集成电路里,具有相乘功能的双差分电路也是最常见的。(3)二极管峰值包络检波器由于电路简单而被广泛采用。但它只适用于普通调幅信号的检波,而且要正确选择元器件的参数,以免产生惰性失真与负峰切割失真。第八十页，共八十七页，编辑于2023年，星期二(4)同步检波需要一个与发射端载频同频同相(或固定相位差)

的同步信号。采用锁相环电路是提取同步信号的好方法。(5)调制与解调电路的输入或输出端需要采用滤波器,正确设计滤波器的类