第7章 振幅调制与解调

第7章振幅调制与解调

要实现无线电通信，首先必须产生高频(highfrequency)振荡信号，再把基带低频(lowfrequency)信号加到高频振荡信号上，去控制它的参数，这称为调制(modulation)，然后把已受基带低频信号调制的高频振荡信号放大后经发射天线发射出去，这样的高频已调无线电波就携带了基带低頻信号一起发射。

载波、调制信号、已调波信号未经调制的高频振荡信号称为载波(carrierwave)信号；基带低频信号称为调制信号；经调制携带有基带低频信号的高频振荡信号称为已调波信号。当传输的基带信号是模拟(analog)信号时，称为模拟通信系统，当传输的基带信号是数字(digital)信号时，称为数字通信系统，虽然基带信号不同，但通信系统的原理和组成是相同的。调幅（AM:amplitudemodulation）高频载波通常是一个正弦波振荡信号，有振幅、频率和相位三个参数可以改变。用基带信号对载波进行调制就有调幅、调频和调相三种方式。

1.调幅（AM:amplitudemodulation）：载波的频率和相位不变，载波的振幅按基带信号的变化规律变化。调幅获得的已调波称为调幅波。中短波广播和电视的高频图像信号都是调幅波。调频和调相统称为调角（anglemodulation）

2.调频（FM:frequencymodulation）：载波的振幅不变，载波的瞬时频率按基带信号的变化规律变化。调频获得的已调波称为调频波。调频广播和电视的高频伴音信号都是调频波。3.调相（PM:phasemodulation）：载波振幅不变，载波的瞬时相位按基带信号的变化规律变化。调相获得的已调波称为调相波。调频和调相又统称为调角（anglemodulation）。解调（demodulation）解调（demodulation）是在接收端将已调波信号从高频段变换到低频段，恢复原调制信号。调幅的解调过程称为检波（demodulation）；调频的解调过程称为鉴频(frequencydiscrimination)；调相的解调过程称为鉴相(phasediscrimination)。振幅调制原理

振幅调制可分为普通调幅、双边带调幅、单边带调幅与残留边带调幅等几种方式。普通调幅简称调幅（AM:amplitudemodulation）普通调幅（AM）信号数学表达式与波形普通调幅（AM）是用低频调制信号去控制高频载波的振幅，使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。

图7-2普通调幅（AM）的信号波形普通调幅（AM）信号频谱与带宽单音调制的普通调幅（AM）信号包含载波、上边频和下边频，其频谱如图7-3所示。频谱的中心频率分量是载波，它与调制信号无关，不包含信息。而两个边频分量则以载频为中心对称分布，两个边频幅度均小于载频幅度。调制信号的幅度及频率信息只含于边频分量中。普通调幅波频带宽度为调制信号频带宽的2倍。图7-3单音调制时已调波频谱

图7-4调制信号为频率带的调幅波频谱

调幅（AM）信号的功率分配图7-5低电平AM调制实现的电路模型图7-6双边带调幅(DSBAM)

信号的波形与频谱图

图7-7实现双边带调幅(DSBAM)的电路模型例7.1

已知两个信号电压的频谱如图7-8所示，求：（1）写出两个信号电压的数学表达式，并指出已调波的性质。（2）计算在单位电阻上消耗的边带功率、总功率以及已调波的频带宽度。图7-8例7.1图图7-9单边带调幅（SSBAM）信号的波形与频谱单边带调幅信号的特点单边带调幅信号节省频带、节省能量和抗干扰性能强。单边带调幅信号的频谱宽度仅为双边带信号频谱宽度的一半，从而提高了频带的利用率，这对日益拥挤的短波波段是很有利的。由于只发射一个边带，大大节省了发射功率。与普通调幅相比，在发射功率相同的情况下，可使接收端的信噪比明显提高，从而使通信距离大大增加。但单边带调幅信号的调制和解调技术实现难度大，设备复杂，这就限制它在民用方面的应用和推广。图7-10滤波法实现单边带调幅7.2.4残留边带调幅在电视发射系统中，图像信号是采用幅度调制形式的。视频图像信号的频带本来很宽，普通调幅后图像信号频带更是宽达十几兆赫兹，为了压缩发射图像信号所占的频带宽度，宜采用单边带方式。考虑到发射机和接收机的电路结构和成本，希望能用普通调幅信号的接收方法接收图像信号，这样在发射单边带图像信号的同时，把载波和残留部分边带信号一起发射出去，这种调制方式称为残留边带调幅（VestigialSideBandAmplitudeModulation，VSBAM）。图7-12是电视图像信号残留边带的调幅频谱图。图7-12图像信号残留边带的调幅频谱图残留边带调制的效果类似于单边带调制。既保留了单边带调制的优点，又避免了其主要缺点（制作滤波器的困难）。加入载波发射，是为了在接收端较方便的解调。实现残留边带调幅的电路模型如图7-13所示，载波和直流电平相加后再与调制信号在模拟乘法器相乘产生普通调幅信号，然后通过高通滤波器除去频率较低的调制信号和直流电压获得普通调幅波，再用低通（或高通）滤波器除去普通调幅波的大部分上（或下）边带，取得残留边带信号。其中直流电压E可调，以控制载波分量输出的大小。7-13实现残留边带调幅（VSBAM）的电路模型7.3调幅电路幅度调制分为高电平调幅（highlevelamplitudemodulation）和低电平调幅（lowlevelamplitudemodulation）两种类型。高电平调幅电路一般置于发射机的最后一级，是在功率电平较高的情况下进行调制。电路除了实现幅度调制外，还具有功率放大的功能，以提供有一定功率要求的调幅波。高电平调幅一般是使调制信号叠加在直流偏置电压上，并一起控制丙类放大器的末级谐振功放实现高电平调幅，因此只能产生普通调幅信号。高电平调幅的突出优点是整机效率高，无线电广播电台一般均采用这种电路。低电平调幅电路是指在低电平状态下进行调幅，产生小功率的调幅波。一般在发射机的前级实现低电平调幅，再经功率放大，得到所要求功率的调幅波。低电平调幅电路的功率、效率不是主要考虑的问题，其主要性能要求是调制的线性度及载波抑制度。这种调幅电路可用来实现AM、DSB和SSB等信号的调制。图7-14集电极调幅原理电路当功率放大器工作于过压状态时，集电极电流的基波分量与集电极偏置电压成线性关系。因此，要实现集电极调幅，应使放大器工作在过压状态。集电极调幅与谐振功放的区别是集电极调幅电路的集电极偏压随调制电压变化而变化。集电极调幅效率较高，适用于较大功率的调幅发射机中。图7-15给出了集电极电流基波振幅随UCC变化的曲线。图7-15集电极调制特性曲线图7-16基极调幅原理电路图7-17基极调制特性曲线及波形7.3.2低电平调幅现在多采用模拟乘法器来实现低电平调幅。常用模拟乘法芯片采用集成模拟乘法器（analogmultiplier），可实现调幅、检波、调频、鉴频、调相、鉴相、倍频和混频等，常采用的芯片有MC1496/MC1596、MC1495/1595、MC1494/1594、MC1536/F1536、LM1496、FZ4、XCC、F1595、F1496、BG314等。模拟乘法器调幅电路图7-18所示为用MC1596组成的调幅电路，调制信号由1脚输入，高频载波由8脚步输入，已调幅信号由6脚输出。8、10脚直流电位均为6V，为了获得合适的直流电压，以调节Mα的大小，在输入端1、4之间接入了两个750Ω电阻、一个50kΩ电位器（也称调零电路），2、3脚接负反馈电阻，输出端6、12脚外接带通滤波器。图7-18MC1596组成的AM或DSB调幅电路7.4调幅信号解调原理

调幅信号的解调就是从调幅信号中取出低频调制信号，它是调幅的逆过程。调幅信号的解调称为检波，从频谱上看，检波就是将调幅信号中的边带信号不失真地从载波频率附近搬移到零频率附近，因此，检波属于频谱搬移电路。振幅解调方法可分为包络检波和同步检波两大类。7.4.1包络检波包络检波（envelopedetection）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。1．包络检波原理由于普通调幅（AM）信号的包络与调制信号成正比，因此包络检波只适用于普通调幅（AM）信号，其原理框图、波形及频谱如图7-19所示。由非线性器件产生新的频率分量，用低通滤波器选出所需频率分量。图7-19包络检波的原理框图、波形及频谱2．包络检波电路包络检波电路如图7-20所示，大信号检波时，由于输入电压幅度大，加在二极管两端的电压实际上是输入电压与输出电压之差，二极管只在部分时间导通，其余时间截止，通过二极管后输出的电流是尖顶余弦脉冲，最后通过RC元件的滤波后，取出接近包络的信号输出。图7-20二极管峰值包络检波电路图7-21二极管峰值包络检波波形图7-22惰性失真波形图7-23负峰切割失真电阻R上的压降UR加在二极管的负极，所以UR对二极管而言是反向偏置，因而在输入调幅波正半周的包络小于UR的那段时间（t1-t2）内，二极管被截止，使检波电流（或电压）无法全部随调幅包络的规律变化而变化，电压被维持在UR电平上，输出电压波形的底部被钳位，如图7-23b、c所示，出现了失真，这称为负峰切割失真（negativepeakclippingdistortion）。负峰切割失真指耦合电容Cc通过电阻R放电，对二极管D引入一附加偏置电压，导致二极管截止而引入的失真。为了减小交、直流负载电阻的差别常用以下两种方法：1）在检波器与下一级低放之间插入高输入阻抗的射极跟随器，以提高交流负载电阻。在电视接收机的视频检波器和视频放大器之间常采用此用法。2）采用改进的电路，如图7-24所示，将检波器直流负载R分成R1和R2两部分。直流负载不变，交流负载比改进前增大，取R1/R2=0.1~0.2，以免分压过大，使输出到后级的信号减小太多。图7-24改进后的二极管峰值包络检波器7.4.2同步检波1．同步检波原理DSB和SSB信号的包络不同于调制信号，不能用包络检波，必须使用同步检波（synchronousdetection）。图7-25所示为同步检波框图及频谱。为了正常地进行解调，插入载波应与调制端的载波电压完全同步，这就是同步检波名称的来由。同步检波电路对AM、DSB、SSB、VSB等信号的解调均适用。图7-25同步检波的框图及频谱图7-26同步检波的分类由此可见，低频信号的幅度与cos成正比。当=0时，解调后所得低频信号幅度最大。当=90°时，输出信号为零。可见随着相移的加大，输出信号减弱。以上分析说明，实现同步检波的关键是必须有一个频率、相位都与发射载波严格同步的本地振荡信号，产生这样的信号在技术上有一定难度，并使接收电路复杂。因此，为使收音机电路简化，当前的调幅广播系统中仍然采用普通调幅方式。2．同步检波电路图7-27所示是用MC1596组成的同步检波电路，AM或DSB信号经耦合电容后从Y通道1、4脚输入，同步载波信号从X通道8、10脚输入。12脚输出后经型RC低通滤波器取出解调信号。此检波器在解调单边带调幅信号时，工作频率可高达100MHz，载波信号电压和输入信号电压为100~500mV。图7-27MC1596组成的同步检波电路7.5正交调幅与解调正交调幅（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）是用两个频率相同，相位相差90°的正弦波作为载波，分别对两路互相独立的调制信号（基带信号）进行幅度调制的调制方式。这种调制方式的已调波信号所占频带为两路调幅信号中的较宽者，而不是两路调幅信号频带之和，因而可以节省传输带宽。通常互为正交的载波一为余弦信号，另一为正弦信号，两者是同频和正交的。对这种正交调幅信号的解调称为正交解调，即原为正弦载频的已调波，其参考信号仍用正弦波；原为余弦载频的已调波，其参考信号仍用余弦波。正交调幅与解调技术已应用于模拟彩色电视系统中，两色差信号（红色差和蓝色差）就是正交平衡调幅后相加成色度信号的，其两载波（彩色副载频）的频率相同（我国标准为4.43MHz），相位差为90°。正交平衡调幅的色度信号在电视接收机中用正交解调器解调，恢复两色差信号（红色差和蓝色差）。随着数字调制技术的发展，正交幅度调制与解调的应用已十分广泛。例如，在通信和数字电视系统中的多电平正交调幅MQAM（如16电平正交调幅16QAM，256电平正交调幅256QAM等）即为应用实例。有关这方