1、第七章 振幅调制与解调 无线电通信发射机的组成框图无线电通信发射机的组成框图振荡器振荡器 高频高频放大器放大器调制调制倍频倍频话筒话筒调制信号调制信号 放大器放大器载波载波uc调制信号调制信号 u已调波已调波uAM7.1 概述n在无线电通信系统中，将信号从发射端传输到接收在无线电通信系统中，将信号从发射端传输到接收端时，信号的原始形式一般不适合传输，必须进行端时，信号的原始形式一般不适合传输，必须进行调制和解调，所谓调制是将需要传送的信息装载到调制和解调，所谓调制是将需要传送的信息装载到某一高频振荡信号（载波）上去的过程。某一高频振荡信号（载波）上去的过程。n在接收端收到了已调波信号后，需要将
2、载波去掉，在接收端收到了已调波信号后，需要将载波去掉，还原成原有的信息，即调制信号，这个过程是与调还原成原有的信息，即调制信号，这个过程是与调制相反的过程，称为解调。制相反的过程，称为解调。n调制可分为振幅调制、频率调制和相位调制，简称调制可分为振幅调制、频率调制和相位调制，简称为为调幅、调频和调相调幅、调频和调相，分别对应的解调有，分别对应的解调有检波、鉴检波、鉴频和鉴相频和鉴相。fc 只有天线实际长度与电信号的波长相比拟只有天线实际长度与电信号的波长相比拟时，这时电信号才能以电磁波形式有效地辐射。时，这时电信号才能以电磁波形式有效地辐射。若信号频率为若信号频率为1kHz，其相应波长其相应波
3、长300km，若若采用波采用波1/4波长的天线，就需要波长的天线，就需要75km，制造这样制造这样的天线是很困难的。的天线是很困难的。这就要求原始电信号必须有足够高的频率。这就要求原始电信号必须有足够高的频率。2.为什么要调制？为什么要调制？n调幅调幅n1.含意含意-振幅调制就是用低频调制信号去控制高振幅调制就是用低频调制信号去控制高频载波信号的振幅，使载波的振幅随调制信号成正频载波信号的振幅，使载波的振幅随调制信号成正比地变化比地变化。对于有线通信虽然可以传输语音之类的低频对于有线通信虽然可以传输语音之类的低频信号。但一条信道只传输一路信号太不经济，利信号。但一条信道只传输一路信号太不经济，
4、利用率太低。用率太低。所以所以有线通信也需要将各路语音信号搬移到有线通信也需要将各路语音信号搬移到不同的频段，以实现多路信号一线传输而又不互不同的频段，以实现多路信号一线传输而又不互相干扰。相干扰。采用调幅采用调幅 1）由于频率高，可以无线传输；）由于频率高，可以无线传输；2）可以实现多路信号一线传输而又不互相）可以实现多路信号一线传输而又不互相干扰。干扰。预备知识：符号预备知识：符号 高频高频 低频低频预备知识：三角函数复习预备知识：三角函数复习)cos(21)cos(21coscos22sincos2cos预备知识：数学分析方法预备知识：数学分析方法 1）幂级数分析法（小信号）幂级数分析法
5、（小信号）2）折线近似分析法（大信号）折线近似分析法（大信号）正弦波一般可表示为：正弦波一般可表示为：1.AM调幅波的数学表达式调幅波的数学表达式设：单音调制信号设：单音调制信号载波载波调幅信号（已调波）调幅信号（已调波）0包络函数包络函数7.2 调幅波的性质7.2.1 普通调幅波（普通AM波）tVtcos)(vtVt000cos)(v()cos()tVtv0()()costV t tv包络函数包络函数aM称为调幅度、调幅指数或调制系数。称为调幅度、调幅指数或调制系数。k 为比例系数，称为调制灵敏度。为比例系数，称为调制灵敏度。tVKVtVacos)(0)cos1(00tVVKVa)cos1(
6、0tmVa00(1cos)cosaVmt t0()()costV t tv 2.调幅信号的波形调幅信号的波形a0m1mcaVMmcVa1M包络函数：包络函数：ttmVta00cos)cos1()(v0()(1cos)aV tVmt 是调幅波的主要参数是调幅波的主要参数之一，它表示载波电压振幅受之一，它表示载波电压振幅受调制信号控制后改变的程度调制信号控制后改变的程度0VVKmaa过调幅失真过调幅失真00max0minmax)(21VVVVVVmatov(a)调制信号调制信号 V 0 Vmax t Vmin(b)已调波形已调波形0min0VVV ttmVa00cos)cos1(0aaKVmV包络
7、振幅包络振幅载波振幅载波振幅波峰值波峰值-波谷值波谷值波峰值波峰值+波谷值波谷值=载波分量载波分量上边带分量上边带分量下边带分量下边带分量0V0-0V0m Va/2电压振幅电压振幅调幅波的频谱图调幅波的频谱图0m Va/200+3.AM调幅波的频谱及带宽调幅波的频谱及带宽ttmVta00cos)cos1()(vtVmtVmtVaa)cos(21)cos(21cos000000单音调幅波频谱宽度等于调制信号频率单音调幅波频谱宽度等于调制信号频率 的二的二倍即倍即 2FFBW2AM 2)多音调幅波的频谱多音调幅波的频谱频谱宽度是最高频率频谱宽度是最高频率 的二倍即：的二倍即：2maxmax FAM
8、max=2BWF0mVc-cmVacm/2M V电压振幅电压振幅调幅波的频谱图调幅波的频谱图acm/2M Vcc+将单音调幅波电压加到电阻将单音调幅波电压加到电阻R两端，得调幅波各频率两端，得调幅波各频率分量在分量在R上消耗的功率分别是：上消耗的功率分别是：7.2.2 AM调幅波的功率分配调幅波的功率分配ttmVta00cos)cos1()(vtVmtVmtVaa)cos(21)cos(21cos000000 载波功率载波功率当当Ma最大为最大为1时，边带功率只占整个调幅波功率的时，边带功率只占整个调幅波功率的1/3。ttmVta00cos)cos1()(vtVmtVmtVaa)cos(21)
9、cos(21cos000000RVPT20021上边频功率：上边频功率：TaaSBPmRVmP022014121)21(在调幅信号一周期内，在调幅信号一周期内，AM 信号的平均输出功率：信号的平均输出功率：TaSBSBTPmPPPP022100)211(下边频功率：下边频功率：TaaSBPmRVmP022024121)21(在在AM调制过程中，如果将载波分量抑制掉，就可调制过程中，如果将载波分量抑制掉，就可形成双边带信号。形成双边带信号。DSB波数学表达式：波数学表达式：7.2.3 抑制载波的双边带调幅信号（DSB）结论：能量传送时，由结论：能量传送时，由AM传送改为边带传送可节约传送改为边带
10、传送可节约能量。能量。是否能抑制掉载波，只保留两个边带呢？是否能抑制掉载波，只保留两个边带呢？tVmtVmtVaaDSB)cos(21)cos(21)(0000ttVmtVaDSB00coscos)(DSB波的波形与频谱：波的波形与频谱：DSB 的特点的特点 1 1）DSB 信号的幅值仍随调制信号而变化，信号的幅值仍随调制信号而变化，但与普通调幅波不同，但与普通调幅波不同，DSB 的包络不再反映调的包络不再反映调制信号的形状，仍保持调幅波频谱搬移的特征。制信号的形状，仍保持调幅波频谱搬移的特征。2 2）在调制信号的正负半周，载波的相位反）在调制信号的正负半周，载波的相位反相，即高频振荡的相位在
11、相，即高频振荡的相位在 U(t)=0=0 瞬间瞬间有有1801800 0 的突变。的突变。3 3）信号仍集中在载频）信号仍集中在载频 附近，所占频带附近，所占频带为为 BWDSB=2Fmax0 双边带调幅波的包络已不再反映调双边带调幅波的包络已不再反映调制信号的变化规律。制信号的变化规律。由于调制抑制了载波，输出功率是由于调制抑制了载波，输出功率是有用信号，有用信号，它比普通调幅经济。它比普通调幅经济。但在频但在频带利用率上没有什么改进。带利用率上没有什么改进。为进一步节为进一步节省发送功率，减小频带宽度，提高频带省发送功率，减小频带宽度，提高频带利用率，下面介绍单边传输方式利用率，下面介绍单
12、边传输方式。双边带调制波的上下边带包含的信息相同，两个双边带调制波的上下边带包含的信息相同，两个边带发射是多余的，为节省频带，提高系统的功率和边带发射是多余的，为节省频带，提高系统的功率和频带的利用率，常采用单边带调制系统。频带的利用率，常采用单边带调制系统。SSB的数学表达式的数学表达式上边带上边带下边带下边带7.2.4.抑制载波的单边带调幅信号（SSB）tVmtVa)cos(21)(00SSBtVmtVa)cos(21)(00SSB或或SSB的波形图与频谱图的波形图与频谱图残留边带(VSB)调制方式nVSB发射一个完整边带和载频及另一边带低频部分n电视图像传送中常用。三种振幅调制信号三种振
13、幅调制信号n【例】某调幅广播电台的发射机，输出载波功率为1000W。试求它可能输出的的最大边带功率和最大输出总功率，以及平均调幅系数为0.3时的输出总功率。【例】已知两个信号电压的频谱如图所示，要求：(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和总功率、以及已调波的带宽37()10(10.3cos5 10)cos10 iu ttt()iu tam【例】己知调幅波(v)若将 加在1的电阻上。求：1）调幅指数2）载波功率、上下边频功率和总功率3）画出该调幅波的电压频谱图非线性调幅原理框图如下：非线性调幅原理框图如下：7.3 平方律调幅平方律调幅小信号
14、调幅小信号调幅非线性器件带通滤波器v(t)v0(t)v1v2v(t)调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也就是说都需要分量，也就是说都需要用用非线性器件非线性器件来完成频率变换来完成频率变换。这里将调制信号这里将调制信号v v与载波信号与载波信号v v0 0相加后，同时加相加后，同时加入非线性器件，然后通过中心频率为入非线性器件，然后通过中心频率为0 0的带通滤波器的带通滤波器取出输出电压取出输出电压v vo o中的调幅波成分。中的调幅波成分。7.3.1 简单的二极管调幅电路简单的二极管调幅电路二极管调幅电路230123iiiiaava
15、 va v000coscosiV tVtvvv当当vi很小时，级数可只取前四项很小时，级数可只取前四项若：DprR为L、C回路谐振于pR的等效电阻i为二极管的动态电阻Dr011coscosooiaaVtaVt 22222(cos2coscoscos)ooooa VtV VttVt 011coscosoiaaVtat 22221111(cos2cos2)2222ooaVVVtt 2cos()cos()ooooa V VtV Vt 经分类整理可知：经分类整理可知：0是我们所需要的上、下边是我们所需要的上、下边频。这对边频是由平方项产生的，故称为平方律调频。这对边频是由平方项产生的，故称为平方律调幅
16、幅。其中最为有害的分量是。其中最为有害的分量是02 项。项。由于二极管不容易得到较理想的平方特性，因而调由于二极管不容易得到较理想的平方特性，因而调制效率低制效率低,无用成分多，目前较少采用平方律调幅器。无用成分多，目前较少采用平方律调幅器。1vvv2vvv而2101 12 1ibbvb v2201 22 2ibbvb v12()oviiR如果两个二极管参数完全一样，则：s、o等频率分量被抵消了。混频效率有所提高！12121200200()2(2)2 coscos()cos()oviiRR bvb vvR bVtbVVtbVVt 无载波分量，输出为DSB波开关函数调幅的数学分析开关函数调幅的数
17、学分析不考虑调制信号不考虑调制信号载波正半周载波正半周载波负半周载波负半周()1S t()0S t c00()cosvV tt0001222()coscos3.cos.23S tttntn.7,5,3,1n7.4 斩波调幅斩波调幅开关函数开关函数0100)(1tttS00cos cos 0100)(1tttS00cos cos 1()()()v tvt S t0001222()coscos3.cos.23S tttntn0 ,01vvvvv ,010100)(1tttS00cos cos 图图5-33 5-33 二极管环形调制器二极管环形调制器1.二极管环形调制器电路图二极管环形调制器电路图
18、它是由四个二极管环接构成。它是由四个二极管环接构成。载波载波 从变从变压器的原边接入，调制信号压器的原边接入，调制信号 则接到变压器则接到变压器T1 的副边中点和的副边中点和T2 的原边中点之间，变压器的副的原边中点之间，变压器的副边边T2 输出已调信号。输出已调信号。设调制信号为单频余弦信号，即设调制信号为单频余弦信号，即 载波信号为载波信号为 cuutUucosmtUuccmccos 一般情况下，载波信号幅值很强，一般情况下，载波信号幅值很强，控制二极管工作在开关状态。控制二极管工作在开关状态。为了分析二极管电流，分别画出为了分析二极管电流，分别画出其相应的电路。其相应的电路。2.2.工作
19、原理工作原理图图5-34 5-34 环形调制器各二极管工作情况环形调制器各二极管工作情况)coscos)(mccm1tUtUtgkicmcmc12coscoscos2gUtgUtt2mcmc11coscos2gUtgUt 用节点电流定律，可得到用节点电流定律，可得到tIttmItIIic2ca1022coscos)cos1(costIttmItIIic2ca1032coscos)cos1(costIttmItIIic2ca1042coscos)cos1(cos21iii43iii tIttmItIIic2ca1012coscos)cos1(cos 电流电流 在输出变压器副边引起的感应电在输出变
20、压器副边引起的感应电势就是输出电压势就是输出电压 u,它的波形也与它的波形也与 同。同。可见，环形调制器输入电流是输入信号可见，环形调制器输入电流是输入信号 和和 的乘积，的乘积，频谱是载频的上、频谱是载频的上、下边频，没有载波分量，所以称其为抑制载波下边频，没有载波分量，所以称其为抑制载波调幅电路。调幅电路。)cos()cos(2 coscos4 cos)cos1(2cos)cos1(2 )()(cca1ca1a1ca14321ttmIttmIttmIttmIiiiiiic tccostcosii ii 变压器变压器T1和和T2的中心抽头必须严格对的中心抽头必须严格对称，四个二极管的特性也应
21、一致，否则就称，四个二极管的特性也应一致，否则就不能把载波抑制掉，从而造成不希望有的不能把载波抑制掉，从而造成不希望有的“载漏载漏”输出。输出。（载漏是环形调制器输出电流成分中（载漏是环形调制器输出电流成分中含有载波成分的简称）。含有载波成分的简称）。7.5 模拟乘法器调幅电路00()(1cos)cosAMatVmt tvtVmtVmtVaaDSB)cos(21)cos(21)(0000ttVmtVaDSB00coscos)(普通振幅调制电路AMAMccmac()()cos(1cos)cosvtVttVmtt载波电压加载波电压加在在4 4端端输入压调零输入压调零电路接在电路接在8 8端端调制电
22、压加调制电压加在在9 9端端外加可调直外加可调直流电压加在流电压加在1212端端0()cos(1cos)()()cosymaxccmv tVVtVmtv tv tVt 00000()(1cos)coscoscos()cos()2acmacmcmv tkVmtVtm kVVkVVttt 双边带调幅（DSB）电路0()cos()cosxmycmv tVtv tVtvVVVDSBacmcacmacmcc=cos cos=cos(+)+cos(-)22Mt tMMtt【例】m(t)tCos4102 aBPF1b下边带tCos6102 cBPF2d上边带)(fM0.3 3.4f/kHza10d6.69.
23、7c990.3993.41006.61009.7b1006.61009.7BPF16.69.7BPF21006.61009.7a10d6.69.7c990.3993.41006.61009.7b1006.61009.7BPF16.69.7BPF21006.61009.77.6 单边带调幅电路(一)可在左图所示可在左图所示电路后面使用电路后面使用适当的滤波器适当的滤波器以得到单边带以得到单边带调幅信号，即调幅信号，即滤波法滤波法滤波法要求带滤波法要求带通滤波器具有通滤波器具有极为陡峭的、极为陡峭的、接近于矩形的接近于矩形的衰减特性衰减特性解决方法之一为采用移相法解决方法之一为采用移相法单边带调幅
24、电路(二)单音调制的上边带信号可以表示为：单音调制的上边带信号可以表示为：移相法不再需要移相法不再需要制作衰减特性极制作衰减特性极其陡峭的滤波器其陡峭的滤波器000()cos()coscossinsincmmcmmcmmv tKV VtKV VttKV Vtt 移相法的缺点：移相法的缺点：要求移相网络在要求移相网络在整个频带范围内整个频带范围内都要准确地移相都要准确地移相90907.8 高电平调幅集电极调幅 v ov AMv C CCV+-o要求：普通调幅 高频载波信号高频载波信号 从基极加入，从基极加入，而调制信号而调制信号 加在集电极。调制信号与加在集电极。调制信号与Vcc串接在一起，故可
25、将二者合在一起看作一串接在一起，故可将二者合在一起看作一个缓慢变化的综合电源个缓慢变化的综合电源Vcc。所以，集电极调制电路就是一个具有所以，集电极调制电路就是一个具有缓慢变化电源的调谐放大器。缓慢变化电源的调谐放大器。uuccccVVu1.1.电路特点电路特点2.2.基本工作原理基本工作原理放大器需工作在过压状态放大器需工作在过压状态基极调幅 v ov AMv CCV BBV+-o要求：普通调幅n调制信号和调制信号和V Vbbbb串联在一起，串联在一起，故可将二者合在一故可将二者合在一起看作一个缓慢变化的综合基极偏压起看作一个缓慢变化的综合基极偏压V Vbbbbn 所以，基极调制电路就是一个
26、具有所以，基极调制电路就是一个具有缓慢变化缓慢变化基极偏压的调谐放大器。基极偏压的调谐放大器。思路思路1.电路特点电路特点bbbbVVu 放大器应工作于欠压状态放大器应工作于欠压状态2.基本工作原理基本工作原理7.9 普通调幅波的解调电路调幅波的解调又称作振幅检波，把高频已调波还原为调幅波的解调又称作振幅检波，把高频已调波还原为低频信号的装置叫做幅度检波器，简称为检波器低频信号的装置叫做幅度检波器，简称为检波器检波器必须利用非线性元件来完成检波器必须利用非线性元件来完成检波器的技术指标：检波器的技术指标：检波效率检波效率 要高要高dK检波器的输入电阻检波器的输入电阻 要大要大iR检波失真要小检
27、波失真要小7.9.1 大信号峰值包络检波的工作原理大信号检波的工作大信号检波的工作原理原理:快充慢放快充慢放大信号二极管检波的物理过程大信号二极管检波的物理过程大信号峰值包络检波的工作原理由于电容上的波动电压略小于载波电由于电容上的波动电压略小于载波电压的峰值，只要设法把波动的高频部压的峰值，只要设法把波动的高频部分滤除掉，就可以得到有用的检波输分滤除掉，就可以得到有用的检波输出信号电压，如选择较大的时间常数出信号电压，如选择较大的时间常数输出电压既包含低频分量、直流分量，输出电压既包含低频分量、直流分量，也包含锯齿型电压也包含锯齿型电压7.9.2 大信号峰值包络检波的性能指标电压传输系数电压
28、传输系数dK峰值包络检波时，输出电压的大小接近于峰值包络检波时，输出电压的大小接近于输入电压的振幅。一般地说，这种检波方输入电压的振幅。一般地说，这种检波方式电压传输系数较大，可达式电压传输系数较大，可达0.90.9以上以上输入电阻输入电阻iR对于串联检波电路来说，在大信号检波时，对于串联检波电路来说，在大信号检波时，当负载电阻远大于二极管正向导通时的等当负载电阻远大于二极管正向导通时的等效电阻时，检波器的输入电阻大约等于负效电阻时，检波器的输入电阻大约等于负载电阻的一半。因此负载电阻越大，则检载电阻的一半。因此负载电阻越大，则检波器的输入电阻也越大，它对前级的影响波器的输入电阻也越大，它对前
29、级的影响也越小也越小决定电压传输系数的因素为决定电压传输系数的因素为 和和drLR大信号峰值包络检波的失真惰性失真惰性失真(对角切割失真对角切割失真)产生原因产生原因防止方法：防止方法：必须在任何一个高必须在任何一个高频信号周期内输入频信号周期内输入信号包络下降最快信号包络下降最快的时刻，保证电容的时刻，保证电容器器 通过负载通过负载 的的放电速度大于包络放电速度大于包络下降速度下降速度CLR2max1aLamR Cm5 10LcR C2max1510aLcamR Cm大信号峰值包络检波的失真负峰切割失真负峰切割失真（割底失真）（割底失真）电路结构说明电路结构说明7.10 乘积型同步检波器其特
30、点为在接收端提供一个与载波同其特点为在接收端提供一个与载波同步的本地振荡信号，又称相干信号步的本地振荡信号，又称相干信号可使用由模拟乘法器构成的乘积检波可使用由模拟乘法器构成的乘积检波电路电路7.10 乘积型同步检波器普通AM波0000()(1cos)cos()cos()icav tVmttv tVt，0 时：时：0000001()cos22211cos(2)cos(2)4co41s2ccccaccccakVVv tkVkVVVtkVV mtmtkVVt乘积型同步检波器普通AM波为保证同步信号和高频载波 频率相等 相位差为零可使用限幅器，从普通AM信号中提取同步信号乘积型同步检波器DSB,SS
31、B模拟乘法器检波的优点：检波线性好；模拟乘法器检波的优点：检波线性好；对同步信号的幅度大小无严格要求对同步信号的幅度大小无严格要求ttVvimi1coscos)cos(000tVv)cos()cos(cos11002tttVVvvvimi)2cos(41coscos21100tVVtVVimim)2cos(4110tVVim总结n普通AMDSBSSB（波形、频谱、带宽、功率）n数学表达式、频谱图、功率和振幅的计算n三种波形的产生电路：低电平：AM：二极管平方律调幅，模拟乘法器 DSB：二极管平衡调幅，斩波调幅，模拟乘法器 SSB：相移法、通过DSB滤波高电平：基极调幅、集电极调幅(AM)n三种波形的解调电路：大信号峰值包络检波（原理、两种失真）(AM)AM、DSB、SSB:乘积型检波器
