ch7振幅调制与解调.ppt

1、第七章 振幅调制与解调,本章内容： 1、概述 2、调幅波的性质 3、平方律调幅 4、斩波调幅,7.1 概述,7.1.1 振幅调制简述,7.1.2 检波简述,7.1.1 振幅调制简述,将要传送的信息装载到某一高频 载频信号上去的过程。,声音,1.定义,调制：就是在传输信号的一方（发送端）将所要传送的信号（它的频率一般较低）“附加”在高频振荡上，再由天线发射出去。 解调：把载波所携带的信号取出来，得到原有的信号。反调制的过程也叫检波。,1、基本概念,2、调制的原因,2. 调制的原因,从切实可行的天线出发,为使天线能有效地发送和接收电磁波，天线的几何尺寸必须和信号波长相比拟，一般不宜短于1/4波长。

2、,音频信号: 20Hz20kHz,波长：15 15000 km,天线长度: 3.75 3750km,2. 调制的原因,便于不同电台相同频段基带信号的同时接收,频谱搬移,2. 调制的原因,可实现的回路带宽,基带信号特点：频率变化范围很大。,高频窄带信号,频谱搬移,低频（音频）: 20Hz20kHz,高频（射频）:,AM广播信号:,535 1605kHz，BW=20kHz,3. 调制的方式和分类,调幅,调相,调制,连续波调制,脉冲波调制,脉宽调制,振幅调制,编码调制,调频,脉位调制,End,4. 调幅的方法,平方律调幅,斩波调幅,调幅方法,低电平调幅,高电平调幅,集电极调幅,基极调幅,7.1.2

3、检波简述,从振幅受调制的高频信号中 还原出原调制的信号。,1.定义,图 7.1.1 检波器的输入输出波形,图 7.1.2 检波器检波前后的频谱,图 7.1.3 检波器的组成部分,2. 组成,End,3. 检波的分类,二极管检波器,三极管检波器,检波,器件,信号大小,小信号检波器,大信号检波器,工作特点,包络检波器,同步检波器,7.2 调幅波的性质,7.2.1 调幅波的数学表示式与频谱,7.2.2 调幅波中的功率关系,调幅波是载波振幅按照调制信号的大小成线性变化的高频振荡。它的载波频率维持不变，也就是说，每一个高频波的周期是相等的，因而波形的疏密程度均匀一致，与未调时的载波波形疏密程度相同。,通

4、常所要传送的信号的波形是很复杂的，包含了许多频率成分。但为了简化分析，在以后分析调制时，可以认为信号是正弦波。因为复杂的信号可以分解为许多正弦波分量，因此，只要已调波能够同时包含许多不同的调制频率的正弦调制信号，那么复杂的调制信号也就如实地被传送出去了。由下图可见，在无失真调幅时，已调波的包络线波形应当与调制信号的波形完全相似。,7.2.1 调幅波的数学表示式与频谱,1. 普通调幅波的数学表示式,首先讨论单音调制的调幅波。,载波信号：,调制信号：,调幅信号（已调波）：,由于调 幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有：,即：,式中ma为调制度，,常用百分比数表示。,波形特点： (1) 调幅波的振

5、幅（包络）变化规律与调制信号波形一致 (2) 调幅度ma反映了调幅的强弱度,调制指数(调幅度)ma的意义是决定调幅波包络线调制深度的一个物理量。ma大，包络线幅度大，ma小，包络线幅度小， ma大于1，则调幅波失真，若ma为0，则是等幅振荡。,图 7.2.2 由非正弦波调制所得到的调幅波,2. 普通调幅波的频谱,（1）由单一频率信号调 幅,信号带宽,(2) 限带信号的调幅波,调制信号,载波,我国调幅广播电台的频带宽度为9kHz，那么播音的最高频率限在4500Hz范畴以内。,7.2.2 调幅波中的功率关系,对于正弦波，若负载为R，则功率为，,P=I0V0=,I0和V0为有效值。,Im和Vm为幅值

6、。,7.2.2 调幅波中的功率关系,如果将普通调幅波输送功率至电阻R上，则载波与两个边频将分别得出如下的功率：,载波功率:,上边频或下边频:,在调幅信号一周期内，AM信号的平均输出功率是,当ma1时，PoT(2/3)Po ；,当ma0.5时，PoT(8/9)Po ；,三种振幅调制信号,7.3 平方律调幅,7.3.1 工作原理,7.3.2 平衡调幅器,7.3.1 工作原理,调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也就是说都需要用非线性器件来完成频率变换。,这里将调制信号v与载波信号v0相加后，同时加入非线性器件，然后通过中心频率为0的带通滤波器取出输出电压vo中的调幅波成分。,图 7.

7、3.1 非线性调幅方框图,假设非线性器件为二极管，它的特性可表示为：,式中，输入电压为：,代入上式，并滤波得,产生调幅作用，故称为平方律调幅,调幅度为：,End,如果静态工作点和输入信号变换范围选择合适，非线性器件工作在满足平方律的区段。,为了使电子器件工作于平方律部分，电子管或晶体 管应工作于甲类非线性状态，因此效率不高。所以， 这种调幅方法主要用于低电平调制。,7.3.2 平衡调幅器,如果要获得抑制载波的双边带信号，观察输出电流表示式,总的输出电流,总的输出电压,见课本319页,图 7.3.2 串联双二极管平衡调幅器简化电路,7.4 斩波调幅,7.4.1 工作原理,7.4.2 实现斩波调幅

8、的两种电路,所谓斩波调幅就是将所要传送的信号（低频成分）v(t)通过一个受载波频率0控制的开关电路（斩波电路），使它的输出波形被“斩”为脉冲状，脉冲状波的频率与载波频率0相同，因而包含0 及各种谐波分量等。再通过中心频率为0的带通滤波器，取出所需的调幅波输出，即实现了调幅。,7.4 斩波调幅,7.4.1 工作原理,图 7.4.1 斩波调幅器方框图,一、斩波调幅原理1、不对称开关信号斩波调幅,一、斩波调幅原理,斩波调幅,斩波调幅器方框图,S1(t)=1 时开关断开。,v(t)送至带通滤波器。v(t)=v(t) 。,开关信号S1(t)控制开关的通断。,1、不对称开关信号斩波调幅,工作过程图解,一、

9、斩波调幅原理,斩波调幅,S1(t)=0 时开关闭合，v(t)旁路至地， v(t)=0。,斩波调幅器方框图,通过频率为0的开关信号S1(t)，把频率为的调制信号分割为频率0的脉冲信号v(t) 。,v(t)=Vcost,v(t)=v(t)S1(t)=S1(t)Vcost,此时输至带通滤波器输入端的信号为一系列脉冲，频率为0 。显然输出波形可以看成是v(t) 与S1(t)的乘积。,不对称开关脉冲的频率为0 。,1、不对称开关信号斩波调幅,分析开关S(t)信号频谱 分析v(t)频谱,一、斩波调幅原理,斩波调幅,v(t)=Vcost,v(t)=v(t)S1(t)=S1(t)Vcost,v(t)=Vcos

10、t,v(t)=v(t)S1(t)=S1(t)Vcost,对S1(t)用傅立叶级数展开为,S1(t)=(1/2)+(2/)cos0t,-(2/3)cos30t,+(2/5)cos50t+,v(t)=(1/2)Vcost,+(2/)Vcostcos0t,-(2/3)Vcostcos30t,+(2/5)Vcostcos50t+,1、不对称开关信号斩波调幅,一、斩波调幅原理,斩波调幅,v(t)=Vcost,v(t)=(1/2)Vcost,+(2/)Vcostcos0t,-(2/3)Vcostcos30t,+(2/5)Vcostcos50t+,1、不对称开关信号斩波调幅,分析输出信号vo的获得和波形,一

11、、斩波调幅原理,斩波调幅,v(t)=Vcost,v(t)=(1/2)Vcost,+(2/)Vcostcos0t,-(2/3)Vcostcos30t,+(2/5)Vcostcos50t+,利用三角函数的积化和差公式变换上式可得v(t)中的频谱有、(0+)和(0-)，但不存在0 ，相当于平衡调幅。,斩波调幅波的输出波形,把v(t)送至以0为中心频率，带宽的上限频为(0+)、下限频为(0-)的带通滤波器，可取出(0)双边带信号，输出调幅信号。,1、不对称开关信号斩波调幅,vo=Acostcos0t,图 7.4.3 平衡斩波调幅及其图解,2、对称开关信号斩波调幅 分析开关S(t)信号频谱 分析v(t)

12、频谱,一、斩波调幅原理,斩波调幅,v(t)=Vcost,v(t)=v(t)S1(t)=S1(t)Vcost,S1(t)=(4/)cos0t,-(4/3)cos30t,+(4/5)cos50t+,v(t)=,(4/)Vcostcos0t,-(4/3)Vcostcos30t,+(4/5)Vcostcos50t+,2、对称开关信号斩波调幅,v(t)=v(t)S1(t)=S1(t)Vcost,v(t)=Vcost,对称开关信号即脉冲信号正、负对称。,对S1(t)用傅立叶级数展开为,一、斩波调幅原理,斩波调幅,v(t)=,(4/)Vcostcos0t,-(4/3)Vcostcos30t,+(4/5)Vc

13、ostcos50t+,2、对称开关信号斩波调幅,v(t)=v(t)S1(t)=S1(t)Vcost,v(t)=Vcost,分析输出信号vo,一、斩波调幅原理,斩波调幅,继续,本页完,v(t)=,(4/)Vcostcos0t,-(4/3)Vcostcos30t,+(4/5)Vcostcos50t+,2、对称开关信号斩波调幅,v(t)=v(t)S1(t)=S1(t)Vcost,v(t)=Vcost,利用三角函数的积化和差公式变换上式可得v(t)中的频谱有 (0+)和(0-)，但不存在、 0 。,同理：把v(t)送至中心频率为0，带宽的上限频为(0+)、下限频为(0-)的带通滤波器，可取出(0)双边

14、带信号，输出调幅信号。,vo的波形,一、斩波调幅原理,斩波调幅,v(t)=,(4/)Vcostcos0t,-(4/3)Vcostcos30t,+(4/5)Vcostcos50t+,2、对称开关信号斩波调幅,v(t)=Vcost,利用三角函数的积化和差公式变换上式可得v(t)中的频谱有 (0+)和(0-)，但不存在、 0 。,同理：把v(t)送至中心频率为0，带宽的上限频为(0+)、下限频为(0-)的带通滤波器，可取出(0)双边带信号，输出调幅信号。,斩波调幅波的输出波形,对称开关信号斩波调幅的优点,一、斩波调幅原理,斩波调幅,v(t)=,(4/)Vcostcos0t,-(4/3)Vcostco

15、s30t,+(4/5)Vcostcos50t+,2、对称开关信号斩波调幅,v(t)=Vcost,对称开关信号斩波调幅优点：,(1)经对称开关信号后，信号v(t)已不包含0和信号；,斩波调幅波的输出波形,(2)对比不对称开关信号的v(t)表达式可知，对称开关信号的频谱中各分量的振幅均提高了1倍，那么(0)双边带信号的振幅也会提高1倍。,二、实现斩波调幅的电路1、二极管电桥斩波调幅（不对称开关）(1)电路组成,二、实现斩波调幅的电路,斩波调幅,1、二极管电桥斩波调幅(不对称开关信号斩波调幅),1、利用二极管的单向导电性，四个二极管起到开关作用。,(1)电路的组成,2、v1(t)是频率为0的开关信号

16、，其振幅电压值比v的幅值V大10倍以上。,(2)开关工作过程分析,(2)开关工作过程分析 四个管均导通，v(t)=0,二、实现斩波调幅的电路,斩波调幅,1、二极管电桥斩波调幅(不对称开关信号斩波调幅),(1)电路的组成,+,-,当a“+”b“-”时四只二极管导通，相当于开关接通，v(t) =0。,1、当v1(t)a“+”b“-”时，四只二极管均导通，相当于开关接通，把v(t)短接。,(2)开关工作过程分析,四个管均截止，v(t)=v(t) 结论,二、实现斩波调幅的电路,斩波调幅,1、二极管电桥斩波调幅(不对称开关信号斩波调幅),(1)电路的组成,2、当v1(t)左- 右+时，四只二极管均截止，

17、相当于开关断开，v (t)=v(t)。,-,+,当a“-”b“+”时四只二极管截止，相当于开关断开，v(t)=v(t)。,这样就实现了不对称开关信号斩波调幅。,(2)开关工作过程分析,2、二极管环形斩波调幅（对称开关）(1)电路的组成,二、实现斩波调幅的电路,斩波调幅,2、二极管环形斩波调幅(对称开关信号斩波调幅),(1)电路的组成,(2)开关工作过程分析,同理，利用二极管的单向导电性，四个二极管起到开关作用。,2、二极管环形斩波调幅(对称开关信号斩波调幅),(1)电路的组成,当v1(t)a“+”b“-” 时，D1、D3导通，D2、D4截止，v (t)=+v(t)。,(2)开关工作过程分析 D

18、1、D3导通D2、D4截止,二、实现斩波调幅的电路,斩波调幅,(2)开关工作过程分析,+,-,-,+,-,+,2、二极管环形斩波调幅(对称开关信号斩波调幅),(1)电路的组成,当v1(t)a“+”b“-” 时，D1、D3导通，D2、D4截止，v (t)=+v(t)。,v(t)=+v(t),二、实现斩波调幅的电路,斩波调幅,(2)开关工作过程分析,当a“+”b“-”时， D1、D3导通，D2、D4截止，v (t)=+v(t)。,+,-,-,+,-,+,v(t)=+v(t),2、二极管环形斩波调幅(对称开关信号斩波调幅),(1)电路的组成,当v1(t)a“-”b“+” 时，D1、D3截止，D2、D

19、4导通，v (t)=-v(t)。,D1、D3截止D2、D4导通,二、实现斩波调幅的电路,斩波调幅,(2)开关工作过程分析,-,+,+,-,+,-,2、二极管环形斩波调幅(对称开关信号斩波调幅),(1)电路的组成,当v1(t)a“-”b“+” 时，D1、D3截止，D2、D4导通，v (t)=-v(t)。,v(t)=-v(t),二、实现斩波调幅的电路,斩波调幅,(2)开关工作过程分析,-,+,v(t)=-v(t),当a“-”b“+”时， D1、D3截止，D2、D4导通，v (t)= -v(t)。,2、二极管环形斩波调幅(对称开关信号斩波调幅),(1)电路的组成,当v1(t)a“-”b“+” 时，D

20、1、D3截止，D2、D4导通，v (t)=-v(t)。,结论,二、实现斩波调幅的电路,斩波调幅,(2)开关工作过程分析,-,+,v(t)=-v(t),当a“-”b“+”时， D1、D3截止，D2、D4导通，v (t)= -v(t)。,7.6 单边带信号的产生,7.6.1 单边带通信的优缺点,7.6.2 产生单边带信号的方法,7.6.1 单边带通信的优缺点,使所容纳的频道数目增加一倍，大大提高短波波段利用率。,单边带制能获得更好的通信效果。,单边带制的选择性衰落现象要轻得多。,要求收、发设备的频率稳定度高，设备复杂，技术要求高。,7.6.2 产生单边带信号的方法,1. 滤波器法,图 7.6.1

21、滤波器法原理方框图,图 7.6.2 滤波器法单边带发射机方框图,必须强调指出，提高单边带的载波频率决不能用倍频的 方法。因为倍频后，音频频率也跟着成倍增加，使原来的 调制信号变了样，产生严重的失真。这是绝对不允许的。,上、下边带之间的频率间距等于调制信号最低频率Fmin的2倍，故滤波时相对带宽2 Fmin / fc要很小，这样的滤波器制作很困难。,为什么要逐级滤波？,图 7.6.3 单边带发射机方框图举例,图 7.6.3 单边带发射机方框图举例,2. 相移法,如何得到单一频率分量,2. 相移法,图 7.6.4 相移法单边带调制器方框图,电压,f/Hz,移相法的主要缺点,移相法的改进,3. 第三

22、种方法修正的移相滤波法,图 7.6.5 产生单边带信号的第三种方法,End,图 7.7.1 各种调幅制式的频谱示意图,7.7 残留边带调幅,7.8 高电平调幅,7.8.1 集电极调幅,7.8.2 基极调幅,7.8 高电平调幅,高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大，即用调制信号v去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度Vcm来实现调幅的。,集电极调幅,基极调幅,集电极调幅电路,7.8.1 集电极调幅,7.8.2 基极调幅,基极调幅电路,End,iC,vAM（t）,7.9 包络检波,7.9.1 包络检波器的工作原理,7.9.2 包络检波器的质量指标,引言,检波，就是把调幅波中的调制信号取出，即将调幅

23、波中变化振幅的包络线取出，是调制的相反过程。 本节研究连续波串联式二极管大信号包络检波。二极管大信号包络检波电路比较简单，但不适用于平衡调幅波的检波。,7.9.1 包络检波器的工作原理,从已调波中检出包络信息，只适用于AM信号,输入 AM信号,检出包络信息,一、包络检波器工作原理的数学分析1、电路形式2、各点波形 输入电压波形 二极管电流波形,一、包络检波器工作原理的数学分析,包络检波,低通滤波器,1、包络检波器的电路形式,2、包络检波器各点波形,一、包络检波器工作原理的数学分析,1、包络检波器的电路形式,2、包络检波器各点波形,输出波形,包络检波,低通滤波器,二、包络检波器工作的物理过程,二

24、、包络检波器工作的物理过程 包络检波器工作的物理过程概述,包络检波,虽然输入的是调幅波，有正、负半周，但因为二极管的单向导电性，所以流经二极管的电流iD只在正半周内出现，并利用电容的充放电检出包络线。,二、包络检波器工作的物理过程,高频信号电压上升时,包络检波,vC,虽然输入的是调幅波，有正、负半周，但因为二极管的单向导电性，所以流经二极管的电流iD只在正半周内出现，并利用电容的充放电检出包络线。,二、包络检波器工作的物理过程,高频信号电压下降及负半周时,包络检波,vC,虽然输入的是调幅波，有正、负半周，但因为二极管的单向导电性，所以流经二极管的电流iD只在正半周内出现，并利用电容的充放电检出

25、包络线。,二、包络检波器工作的物理过程,高频信号电压再次上升时,包络检波,vC,虽然输入的是调幅波，有正、负半周，但因为二极管的单向导电性，所以流经二极管的电流iD只在正半周内出现，并利用电容的充放电检出包络线。,3、直至高频信号正半周并上升至略大于电容C上电压时，二极管重新导通，再次向电容C充电，vC再次上升。,二、包络检波器工作的物理过程,输出电压的最终波形,包络检波,vC,4、如此不断重复，vC的输出近似为包络线形状。,5、虽然vC为锯齿状，但因为放电常数远大于高频电压周期，且高频周期很小，所以vC起伏很小，可以看成输出是包络线形状。,虽然输入的是调幅波，有正、负半周，但因为二极管的单向

26、导电性，所以流经二极管的电流iD只在正半周内出现，并利用电容的充放电检出包络线。,二、包络检波器工作的物理过程,低通滤波器元件选择原则,包络检波,vC,低通滤波器元件选择,R为负载电阻，应选取数值较大。,C为负载电容，亦称为滤波电容，它的值应选取得在高频时，其阻抗远小于R，可视为短路，而在低频时，其阻抗远大于R，可视为开路。,7.9.2 包络检波器的质量指标,下面讨论这种检波器的几个主要质量指标：电压传输系数 （检波效率）、输入电阻和失真。,1) 电压传输系数(检波效率),定义：,1) 电压传输系数(检波效率),用分析高频功放的折线近似分析法可以证明,其中，是二极管电流通角，为检波器负载电阻，

27、d为检波器内阻。,2) 等效输入电阻,考虑到包络检波电路一般作为谐振回路的负载，它势必影响回路选频特性（Q），下面分析其等效电阻,其中，Vim是输入高频电压振幅， Iim是输入高频电流振幅。,2) 等效输入电阻,如果忽略二极管导通电阻上的损耗功率，则由能量守恒的原则，输入到检波器的高频功率，应全部转换为输出端负载电阻上消耗的功率（注意为直流）,3) 失真,产生的失真主要有：惰性失真；负峰切割失真；非线性失真；频率失真。,如果检波电路的时间常数RC太大，当调幅波包络朝较低值变化时，电容上的电荷来不及释放以跟踪其变化，所造成的失真称作惰性失真。,惰性失真(对角线切割失真),惰性失真(对角线切割失真),调幅波包络,如图所示，在某一点，如果电容两端电压的放电速度小于包络的下降速度，就可