第5章振幅调制与解调.ppt

1、第5章 振幅调制与解调,第5章 振幅调制与解调 2,第5章 振幅调制与解调,调制：用调制信号控制载波信号的某个参数的过程 解调：从已调信号中分离出调制信号的过程。,调制与解调的类型： 调制信号 可以是低频音频或视频等信号； 高频载波信号 可以是正弦波、方波、三角波或锯齿波等信号。,调幅 检波,调频 鉴频,调相 鉴相,第5章 振幅调制与解调 3,第5章 振幅调制与解调,5.1 振幅调制 5.2 调幅信号的解调 5.3 混频电路,主要内容：,第5章 振幅调制与解调 4,振幅调制 ：使高频信号的振幅与调制信号成线性关系，其他参数不变的调制过程。 分类：普通调幅：载波与边带一起发(AM) 抑制载波的双

2、边带调幅：只发两个边带(DSB) 抑制载波的单边带调幅：只发一个边带(SSB),5.1 振幅调制,第5章 振幅调制与解调 5,1. 调幅波的分析 1) 表示式及波形 设载波电压为 调制电压为,（51）,（52）,5.1.1 振幅调制信号分析,第5章 振幅调制与解调 6,通常c。 根据定义,已调信号的振幅随调制信号u线性变化,由此可得振幅调制信号振幅Um（t）为 Um(t)=Ucm+Ucm（t）=Ucm+kaUmcost =Ucm(1+mcost) （53） 式中, m-调幅度（调制度） ka-比例系数或调制灵敏度,由电路决定。 故单一频率的调制信号调制的调幅波的表达式为：,(54),（55）,

3、第5章 振幅调制与解调 7,图51 AM调制过程中的信号波形,m1会出现一段时间振幅为0的现象称为过调制，实际应避免。一般要求调制度满足：,调制度m可由图（c）得到：,第5章 振幅调制与解调 8,上面的分析是在单一正弦信号作为调制信号的情况下进行的,而一般传送的信号并非为单一频率的信号,例如是一连续频谱信号f（t）,这时,可用下式来描述调幅波:,（56 ）,式中, f（t）是均值为零的归一化调制信号,|f（t）|max=1。 若将调制信号分解为,(57),则调幅波表示式为,第5章 振幅调制与解调 9,图52 实际调制信号的调幅波形,第5章 振幅调制与解调 10,图53 实现普通调幅的两种电路模

4、型,结论：（1）由调幅波的表达式可知，普通调幅在时域上表现为低频调制信号叠加一直流电压后与高频载波信号的相乘。因此凡是具有相乘功能的非线性器件和电路都可以实现普通调幅。 （2）从波形上看，普通调幅波是调制波和高频载波的线性叠加。,图53所示的实现普通调幅的两种电路模型。 （a）图 （b）图,第5章 振幅调制与解调 11,2) 调幅波的频谱 由图51（c）可知,调幅波不是一个简单的正弦波形。在单一频率的正弦信号的调制情况下,调幅波如式（55）所描述。将式（55）用三角公式展开,可得,(58),第5章 振幅调制与解调 12,图54 单音频调制时已调波的频谱 （a）调制信号频谱（b）载波信号频谱（c

5、）AM信号频谱,单音频信号： a)频谱：c、c+ 、c- 载波不含有用信息。,上边频,下边频,b)边频振幅：mUcm/2,反映Um大小 边频频率： c+，反映值,载波,c)调幅波的频带宽：调制信号频 率的2倍。BW=2 ,第5章 振幅调制与解调 13,实际语音信号为复杂波，频率范围：300-3000Hz(1- n) a)频谱（见下页图）： c、 c+1 c+n 、 c-n c-1 b)调幅波的频带宽：调制信号最大频率的2倍。 BW=2 n=2Fmax 结论：AM调制将调制信号的频谱搬移到载频两侧，在搬移过程中频谱的结构不变频谱线性搬移（各频率分量的相对振幅及相对位置不变）。,第5章 振幅调制与

6、解调 14,图55 语音信号及已调信号频谱 （a）语音频谱（b）已调信号频谱,第5章 振幅调制与解调 15,调幅波功率： (负载电阻RL上消耗的总功率）,3）调幅波的功率 一般功率指：幅度、频率均衡定的调幅波，调幅波的幅度变化通常由：载波功率、最大功率、最小功率、调幅波平均功率描述。 载波功率： （载波在负载电阻RL上消耗的功率）,(59),(510),调幅波的最大功率：,调幅波的最小功率：,第5章 振幅调制与解调 16,由此可见, P是调制信号的函数,是随时间变化的。上、下边频的平均功率均为,(511),(512),AM信号的平均功率为,由上式可以看出,AM波的平均功率为载波功率与两个边带功

7、率之和。而两个边频功率与载波功率的比 值为,边频功率,载波功率,(513),第5章 振幅调制与解调 17,2. 双边带信号（DSB） 双边带信号：抑制了载波信号的AM调制信号, 可用载波与调制信号相乘得到,其表示式为,在单一正弦信号u（t）=Umcost调制时,（516）,（515）,第5章 振幅调制与解调 18,图56 DSB信号波形及频谱,DSB特点： （1）包络不同:为|cost| （2）高频载波相位在调制电压过零处要突变1800。 幅度变负相当于相位后移1800。DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。 （3）DSB信号只有 两个频率分量，频带宽度仍为调制信号带宽的两

8、倍。 （4）功率利用率高于AM制。,第5章 振幅调制与解调 19,3. 单边带信号（SSB） 实现：由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带； 直接将一个边带抵消而成。 单频调制时, uDSB（t）=k uuC。 当取上边带时 当取下边带时 其中,（517）,（518）,第5章 振幅调制与解调 20,图57 单音调制的SSB信号波形,第5章 振幅调制与解调 21,图58 单边带调制时的频谱搬移,第5章 振幅调制与解调 22,为了看清SSB信号波形的特点,下面分析双音调制时产生的SSB信号波形。为分析方便，设双音频振幅相等,即,且21,则可以写成下式:,受u调制的双边带信号为,（519）,(520)

9、,(521),(522),幅度,上边带：,第5章 振幅调制与解调 23,进一步展开 由以上分析可以看出SSB信号的特点： （1）比较（5-20）和（5-22）可见，若将 看成是调制信号的包络， 为调制信号的填充频率，则SSB信号的包络与调制信号的包络形状相同，填充频率移动了 。 （2）比较（5-19）和（5-23）可见，双音调制时，每一个调制频率分量产生一个对应的单边带信号分量，它们之间的关系和单音频调制时一样，振幅之间成正比，频率则线性移动。这一调制关系也同样适用于多频率分量信号f（t）的SSB调制。,(523),第5章 振幅调制与解调 24,图59 双音调制时SSB信号的波形和频谱,第5章

10、 振幅调制与解调 25,结论：单边带调制从本质上说是幅度和频率都随调制信号改变的调制方式，但由于它产生的已调信号频率与调制信号频率间只是一个线性变换关系（由 变至 或 的线性搬移），这一点与AM和DSB相似，因此通常把它归于振幅调制。 SSB调制方式在传送信息时，不但功率利用率高，而且所占频带约为Fm，比FM及DSB减少了一半，频带利用更充分，目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。,第5章 振幅调制与解调 26,图511语音调制的SSB信号频谱 (a)DSB频谱 (b)上边带频谱 (c)下边带频谱,第5章 振幅调制与解调 27,举例说明： 例1：见教材P70例5-1。 例2：见教材P71例5

11、-2。,第5章 振幅调制与解调 28,实现： AM DSB 线性搬移 SSB 分类：高电平调制：功放+调制发送： AM 低电平调制：调制放大发送： AM DSB、 SSB 目标：效率高、线性范围大、失真度小,5.1.2 振幅调制电路,第5章 振幅调制与解调 29,1.AM调制电路 1)高电平调制 方式： 基极调幅 集电极调幅 原理：改变某极的直流电压控制IC1的振幅 一、集电极调幅（ 集电极电压EC（t） IC1 ） 结构：三极管 + T1 + T2 + T3,过压状态 功放,u,uc,uAM,第5章 振幅调制与解调 30,图512 集电极调幅电路,低频,高频,调幅波,第5章 振幅调制与解调

12、31,图513 集电极调幅的波形,第5章 振幅调制与解调 32,谐振电阻上的输出电压：(与高频功放的电路相似),第5章 振幅调制与解调 33,二、基极调幅（ 基极电压Eb（t） Ic1 ） 结构：三极管 + CB + T1 + T2,欠压状态 功放,u,uc,uAM,第5章 振幅调制与解调 34,图514 基极调幅电路,CB,T1,T2,uAM,第5章 振幅调制与解调 35,图515 基极调幅的波形,第5章 振幅调制与解调 36,谐振电阻上的输出电压,第5章 振幅调制与解调 37,2) 低电平调制 AM的低电平调制：应用频谱的线性搬移电路。 (1)二极管电路。 图516(a)为单二极管调制电路

13、。当UCU时, 流过二极管的电流iD为,(529),第5章 振幅调制与解调 38,图516 单二极管调制电路及频谱,第5章 振幅调制与解调 39,(2) 利用模拟乘法器产生普通调幅波。,(530),若将uC加至uA,u加到ub,则有,(531),式中,m=U/Ee,x=UCVT。若集电极滤波回路的中心频率为fc,带宽为2F,谐振阻抗为RL,则经滤波后的输出电压,(532),第5章 振幅调制与解调 40,图518 利用模拟乘法器产生AM信号,(2) 利用模拟乘法器产生普通调幅波。,第5章 振幅调制与解调 41,2. DSB调制电路 低电平调制，乘积项电路 1)二极管调制电路 单二极管产生AM信号

14、, 二极管平衡电路 二极管环形电路 DSB信号。 a)平衡二极管调制电路:,(533),第5章 振幅调制与解调 42,iL中包含F分量和(2n+1)fcF(n=0,1,2,)分量,若输出滤波器的中心频率为fc,带宽为2F,谐振阻抗为RL,则输出电压为,(534),第5章 振幅调制与解调 43,图519 二极管平衡调制电路,第5章 振幅调制与解调 44,图520 二极管平衡调制器波形,第5章 振幅调制与解调 45,图521 平衡调制器的一种实际线路,第5章 振幅调制与解调 46,b）双桥构成的环形调制器 调制电压反向加于两桥的另一对角线上。如果忽略晶体管输入阻抗的影响,则图中ua(t)为,因晶体

15、管交流电流iC=ieie=ue(t)/Re,所以输出电压为,(537),(538),第5章 振幅调制与解调 47,图523 双桥构成的环形调制器,第5章 振幅调制与解调 48,3. SSB调制电路 方法：滤波法、移相法 1) 滤波法 图526是采用滤波法产生SSB的发射机框图。,注: (1)要求通带、阻带的陡峭过渡衰减特性好。 (2)滤波器：LC或石英晶体，稳定度要求Q不可任意大， f0不可任意大。因此需在低频调制滤 波经几级混频放大输出,第5章 振幅调制与解调 49,图526 滤波法产生SSB信号的框图,第5章 振幅调制与解调 50,图527 理想边带滤波器的衰减特性,第5章 振幅调制与解调

16、 51,2) 移相法 移相法是利用移相网络,对载波和调制信号进行适当的相移,以便在相加过程中将其中的一个边带抵消而获得SSB信号。,第5章 振幅调制与解调 52,5.2 调幅信号的解调,解调（检波）：从已调信号中恢复调制信号的过程。 调幅解调的方法: 包络检波：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。(AM) 同步检波：利用与调制端载波同步的插入载波 解调出原调制信号的过程。( DSBSSB) 注：由于AM信号的包络与调制信号成线性关系,因此 包络检波只适用于AM波。 两种检波方法的原理框图如图5-30和图5-31所示。,第5章 振幅调制与解调 53,图530 包络检波的原理框图

17、,u,i,非线性电路,(器件),低 通,滤波器,u,W,0,0,f,t,t,f,0,0,F,(,a,),(,b,),f,c,F,f,c,f,c,F,第5章 振幅调制与解调 54,图531 同步解调器的框图,第5章 振幅调制与解调 55,同步检波又可以分为乘积型(图532(a)和叠加型(图532(b)两类。它们都需要用恢复的载波信号ur进行解调。,图532 同步检波器,第5章 振幅调制与解调 56,5.2.1 二极管峰值包络检波器,1原理电路及工作原理图533(a) a)结构： 输入回路 二极管VD RC低通滤波器: 产生调制频率电压 对高频电流旁路 条件：输入信号幅度0.5V；rD 小；VD导

18、通电压小 式中,c为输入信号的载频,在超外差接收机中则为中频I， 为调制频率。在理想情况下,RC网络的阻抗Z应为：,第5章 振幅调制与解调 57,图533 二极管峰值包络检波器 (a)原理电路 (b)二极管导通 (c)二极管截止,充,放,第5章 振幅调制与解调 58,图534 加入等幅波时检波器的工作过程,第5章 振幅调制与解调 59,图535 检波器稳态时的电流电压波形,第5章 振幅调制与解调 60,b)工作过程 （1）输入ui 为等幅高频电压 C通高频 uD= + ui: D导通rD对C充电： r DC小，充电快 uO= ui: D截止 C 通过R放电： R C大，放电慢. uO ui:

19、D导通. 当r D对C充电= C 通过R放电时平衡 uO= uAV,上下以角频率c作锯齿状等幅波动(如图5-34 c ) 特点: uAV即为检出的波;上下锯齿状波动因低通滤波器非理想而产生残余高频电压. （2）输入ui= uAM为已调波 uO随 uAM 的包络改变: uO= u +uAV (如图5-36 b ) （3）输出接隔直电容Cg与负载电阻Rg时 uO= u (如图5-38 c ),第5章 振幅调制与解调 61,图536 输入为AM信号时检波器的输出波形图,第5章 振幅调制与解调 62,图537 输入为AM信号时,检波器二极管的电压及电流波形,第5章 振幅调制与解调 63,图538 包络

20、检波器的输出电路,（c）,第5章 振幅调制与解调 64,从这个过程可以得出下列几点: (1)检波过程就是信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻R放电的交替重复过程。 (2)由于RC时间常数远大于输入电压载波周期,放电慢,使得二极管负极永远处于正的较高的电位(因为输出电压接近于高频正弦波的峰值,即UoUm)。 (3)二极管电流iD包含平均分量(此种情况为直流分量)Iav及高频分量。 (4)电容上的电压（输出电压）变化基本上与输入信号峰值包络的变化一致，故该种检波器称为峰值包络检波器。,第5章 振幅调制与解调 65,2性能分析 1) 传输系数Kd (检波系数检波效率) 传输系数Kd：描述检波器对输

21、入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。,(543a),(543b),等幅高频波:,已调波:,输出平均值,输入最大振幅,低频电压振幅,输入已调波包络振幅,第5章 振幅调制与解调 66,2) 输入电阻Ri 对高频输入信号源而言,检波器为负载. 如图541输入电阻是输入载波电压的振幅Um与I1之比值,即,(552),输入电阻是前级的负载,它直接并入输入回路,影响着回路的有效Q值及回路阻抗。,载波电压的振幅Um,检波器电流的基频分量振幅I1,第5章 振幅调制与解调 67,图541 检波器的输入阻抗,第5章 振幅调制与解调 68,当gDR50时,二极管产生的损耗小，近似认为输入的高频功率全部转换为平均

22、功率输出。,并Kd近似为1，Um近似为Uc，则有：,第5章 振幅调制与解调 69,3检波器的失真 1)惰性失真(尖峰失真) 在二极管截止期间,电容C两端电压下降的速度取决于RC的时常数。 惰性失真:输出电压跟不上调幅波的包络变化而产生的失真。 解决办法：减少RC数值，提高放电速度；,图542 惰性失真的波形,第5章 振幅调制与解调 70,特点:在负斜率的包络上,调幅度大且频率变化快,失真度大 为了避免产生惰性失真,必须在任何一个高频周期内,使电容C通过R放电的速度大于或等于包络的下降速度,即,(555),如果输入信号为单音调制的AM波,在t1时刻其包络的变化速度为,(556),第5章 振幅调制

23、与解调 71,二极管停止导通的瞬间,电容两端电压uC近似为输入电压包络值,即uC=Um(1+mcost)。从t1时刻开始通过R放电的速度为,将式(556)和式(557)代入式(555),可得,(557),(558),第5章 振幅调制与解调 72,实际上,不同的t1,U(t)和Cu的下降速度不同,为避免产生惰性失真,必须保证A值最大时,仍有Amax1。故令dadt1=0,得,代入式(558),得出不失真条件如下:,(559),(560),(561),第5章 振幅调制与解调 73,2) 底部切削失真 底部切削失真（负峰切削失真）：因检波器的交直流负载不同引起的。波形如图543(c)所示。 产生:

24、a)有隔直电容Cg与负载电阻Rg R上: uO= u +uAV b) Cg:Udc = Uc = Ucm Rg : 低频信号 u c) Cg两端的直流电压基本不变,其大小约为载波振幅值Ucm,可以把它看作一直流电源。它在电阻R和Rg上产生分压。在电阻R上的压降为,(562),使R上的电压不低于UR(固定值),不能随输入变化,产生失真.,第5章 振幅调制与解调 74,图543 底部切削失真,第5章 振幅调制与解调 75,解决方法:调幅波的最小幅度为Ucm(1-m),由图543可以看出,要避免底部切削失真,应满足,(563),(564),交流负载:R* Rg/ R + Rg,直流负载:R,当直流负

25、载R=与交流负载R越接近时,最大允许的m越接近1,或者当m一定时，R=越小 R越大，不失真的可能性大。,措施:(1)检波与低放之间插入高输入阻抗的射频跟随器，提高交流负载; (2)R=R1+R2，直流负载不变，增大交流负载，但R1/R2取0.10.2，以免分压过大，使输出到后级的信号减小太多。,第5章 振幅调制与解调 76,图544 减小底部切削失真的电路,第5章 振幅调制与解调 77,4实际电路,图545 检波器的实际电路,第5章 振幅调制与解调 78,5.2.3 同步检波,1乘积型 设输入信号为DSB信号,即us=Uscostcosct,本地恢复载波ur=Urcos(rt+),这两个信号相

26、乘,(572),经低通滤波器的输出,且考虑r-c=c在低通滤波器频带内,有,(573),第5章 振幅调制与解调 79,由上式可以看出,当恢复载波与发射载波同频同相时,即r=c,=0,则 (574) 即可无失真地将调制信号恢复出来。 若恢复载波与发射载频有一定的频差,即 r=c+c 则 (575) 引起振幅失真。若有一定的相差,则 (576),第5章 振幅调制与解调 80,图548 几种乘积型解调器实际线路,第5章 振幅调制与解调 81,2. 叠加型 叠加型同步检波是将DSB或SSB信号插入恢复载波,使之成为或近似为AM信号,再利用包络检波器将调制信号恢复出来。对DSB信号而言,只要加入的恢复载

27、波电压在数值上满足一定的关系,就可得到一个不失真的AM波。图549就是一叠加型同步检波器原理电路。 设单频调制的单边带信号(上边带)为 us=Uscos(c+)t=Uscostcosct-Ussintsinct,第5章 振幅调制与解调 82,恢复载波 ur=Urcosrt=Urcosct 则 us+ur=(Uscost+Ur)cosct-Ussintsinct =Um(t)cosct+(t) (577) 式中,(578),(579),第5章 振幅调制与解调 83,(580),式中,m=Us/Ur。当mUs时,上式可近似为,(581),(582),第5章 振幅调制与解调 84,图549 叠加型同

28、步检波器原理电路,第5章 振幅调制与解调 85,图550 平衡同步检波电路,第5章 振幅调制与解调 86,采用图550所示的同步检波电路,可以减小解调器输出电压的非线性失真。它由两个检波器构成平衡电路,上检波器输出如式(582),下检波器的输出 uo2=KdUr(1-mcost) (583) 则总的输出 uo=uo1-uo2=2KdUrmcost (584),第5章 振幅调制与解调 87,5.3 混频电路,1.概述 混频电路的功能：将载频为fs的已调信号不失真地变换为载频为fI（固定中频）的已调信号，而保持原调制规律不变。 如超外差式调幅收音机中的混频电路是将载频为高频fs的已调信号us变换为

29、以固定中频fI =465kHz为载频的已调信号uI（如下图所示），再进行放大以及检波，可以提高收音机的灵敏度和邻道的选择性。 典型的系统中频：调幅广播：465kHz；调频广播：10.7MHz; 电视：38MHz; 卫星：70MHz-140MHz。,混频前的高频调幅波,混频后的中频调幅波,第5章 振幅调制与解调 88,混频器的组成：由非线性器件和带通滤波器组成，通常还包括本地振荡器。如右图所示。 频率变换的实现：由非线性 器件组成线性时变电路，满足： ULUS，经过频率变换，通过 带通滤波器，得到两输入信号的 差频或和频，其中载频变化为： 频谱的变化如下图所示，从中可以看出混频器是一种频谱线性搬移电路。,第5章 振幅调制与解调 89,2.混频器的主要性能指标 1）混频增益 混频电压增益Auc：混频器输出的中频电压振幅与输入的高频电压振幅之比。常用分贝表示，即： 混频功率增益Apc：混频器输出的中频信号功率与输入的高频信号功率之比。常用分贝表示，即： 混频增益越大，接收机灵敏度越高，但混频干扰将增大。 2）失真与干扰 混频器输出信号频谱结构发生变化，产生失真；混频器输出信号中大量的不需要的组合频率成分，产生组合频率干扰，还有由于交叉调制和互相调制产生的干扰等。 要求：混频器不仅要求频率特性好,而且