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1、第五章第五章 振幅调制与解调振幅调制与解调 第一节第一节 振幅调制的基本原理振幅调制的基本原理 第四节第四节 振幅检波振幅检波 第三节第三节 低电平调幅电路低电平调幅电路 第二节第二节 模拟乘法器模拟乘法器 第一节 振幅调制的基本原理 一、概述一、概述: : 1调制目的:调制目的: (1)使不能直接传送的音频信息借助高频幅射特性载送)使不能直接传送的音频信息借助高频幅射特性载送 到接收端。到接收端。 (2)将不同信息附着在不同频率的载波上,以避免多种)将不同信息附着在不同频率的载波上,以避免多种 信息间干扰,实现多路通信。信息间干扰,实现多路通信。 2几个术语:几个术语: (1)载波:运载信息
2、的工具(高频等幅波),载波的频)载波:运载信息的工具(高频等幅波),载波的频 率称率称载频载频。 (2)调制信号:控制载波的信息,也就是要传送的音频)调制信号:控制载波的信息,也就是要传送的音频 信息。信息。 (3)已调波:载波经调制信号调制后的波形。)已调波:载波经调制信号调制后的波形。 (4)调制:载波受调的过程。)调制:载波受调的过程。 (5)解调:调制的逆过程,目的是从已调波中检出调制)解调:调制的逆过程,目的是从已调波中检出调制 信号。信号。 3连续调制分类:连续调制分类:所谓连续调制是指载波某一参数受调所谓连续调制是指载波某一参数受调 制信号的连续控制。制信号的连续控制。 按受调参
3、数分为:按受调参数分为: (1)调幅()调幅(AM):受调参数是载波的幅度。):受调参数是载波的幅度。 (2)调频()调频(FM):受调参数是载波的频率。):受调参数是载波的频率。 (3)调相()调相(PM):受调参数是载波的相位。):受调参数是载波的相位。 第一节 振幅调制的基本原理 4调制、解调的实质调制、解调的实质:频率变换:频率变换 (2)频谱非线性变换电路(频谱非线性变换电路(FM调调/解、解、PM调调/解等)解等) 实现电路分两大类:实现电路分两大类: (1)频谱搬移电路频谱搬移电路(AM调调/解、混频等解、混频等) 则调幅波则调幅波(已调波已调波)的表示式为的表示式为 u(t)=
4、UC+ku (t)cos ct tt U k U c c c cos)cos U 1 ( u(t) t t uC(t) u(t) t caU mkU =Uc(1+macost)cos ct 第一节 振幅调制的基本原理 二、调幅波波形和表示式二、调幅波波形和表示式 若调制信号为若调制信号为u (t)=Ucos t, 载波信号为载波信号为uC(t)=UCcos ct, 其波形如图:其波形如图:ma_调幅系数 其中其中ma=kU /Uc 1,称,称调幅系数或调幅度调幅系数或调幅度,一般用,一般用%表表 示。示。 ma:表示载波受调制信号控制的程度。表示载波受调制信号控制的程度。ma越大,控制越大,控
5、制 作用越大。特殊地,当作用越大。特殊地,当ma=1时称全调时称全调;当当ma=0时,称无调,时,称无调, 但但ma不能不能1,否则会出现过调失真。通常调制信号为非简谐,否则会出现过调失真。通常调制信号为非简谐 信 号 且 时 刻 变 化 , 所 以 调 幅 度 也 在 变 , 一 般 其 均 值信 号 且 时 刻 变 化 , 所 以 调 幅 度 也 在 变 , 一 般 其 均 值 ma=0.3=30%。 第一节 振幅调制的基本原理 三、调幅波的频谱及谱宽三、调幅波的频谱及谱宽 (一)调制信号为简谐信号时(一)调制信号为简谐信号时 u(t)= Uc(1+macost)cos ct )t-cos
6、(mU 2 1 )tcos(mU 2 1 tcos U CaCCaCCC 第一节 振幅调制的基本原理 载波分量载波分量 上边频分量上边频分量 下边频分量下边频分量 其频谱如图:其频谱如图: 频谱宽度:频谱宽度: B=2 或或 BHZ=2F (F=/2/2 ) U U c U c c c caU m 2 1 caU m 2 1 B (二)调制信号为非简谐信号时,即(二)调制信号为非简谐信号时,即min max或或Fmin F Fmax 第一节 振幅调制的基本原理 B 频带宽度:频带宽度: B=2max 或或 BHZ=2Fmax 例:语音信号的频率:例:语音信号的频率:3003400Hz 其频谱如
7、图其频谱如图: U c min max min c min c max c max c 无线系统中,为避免电台间干扰,国际上对多波段与不同用途无线系统中,为避免电台间干扰,国际上对多波段与不同用途 的电台所占有频带均有严格规定,如调幅广播电台容许占有频的电台所占有频带均有严格规定,如调幅广播电台容许占有频 谱宽度为谱宽度为9KHz。 四、调幅波功率四、调幅波功率 若若AM波为单频正弦波,负载电阻为波为单频正弦波,负载电阻为R,则在,则在R上所消耗的功率上所消耗的功率 为:为: (一)载波功率(一)载波功率 Po=Uc2/2R 第一节 振幅调制的基本原理 2 2 4 1 2/) 2 1 ( oa
8、ac PmRmUPP cc (二)上、下边频功率(它为有效功率)(二)上、下边频功率(它为有效功率) (三)瞬时最大点功率:(三)瞬时最大点功率: Pmax=Uc(1+ ma)2/2R=(1+ma)2Po (四)瞬时最小点功率(四)瞬时最小点功率 Pmin=Uc(1- ma)2/2R =(1-ma)2Po (五)调制信号一周内调幅波的平均总功率:(五)调制信号一周内调幅波的平均总功率: 0 2 0 )2/1 (PmPPPP aAV cc 第一节 振幅调制的基本原理 四、调幅波功率四、调幅波功率 讨论:讨论:当当ma=1时,时,PAV=3Po/2即即Po=2PAV/3,这说明不含任何有,这说明不
9、含任何有 用信息的载波消耗了一周平均总功率的用信息的载波消耗了一周平均总功率的2/3,而实际有用功率只占,而实际有用功率只占 PAV /3,这还是在理想情况下。所以功率利用率低是普通,这还是在理想情况下。所以功率利用率低是普通AM制的制的 最大缺点。为了提高功率利用率,可采用抑制载波功率的边带传最大缺点。为了提高功率利用率,可采用抑制载波功率的边带传 输,即双边带(输,即双边带(DSB)和单边带()和单边带(SSB)传输。)传输。 AM制的优点:制的优点:结构简单,技术上易于实现,因而比较经济。结构简单,技术上易于实现,因而比较经济。 AM制的缺点:制的缺点:功率利用率低,还需有功率利用率低,
10、还需有4倍的功率储备。倍的功率储备。 当抑制载波之后(载波分量为当抑制载波之后(载波分量为0),其),其表示式表示式变为:变为: 第一节 振幅调制的基本原理 五、双边带及单边带调制五、双边带及单边带调制 (一)双边带的表示式、波形及频谱(一)双边带的表示式、波形及频谱 它可以由载波信号和调制信号相乘得到:它可以由载波信号和调制信号相乘得到: u(t) =kUc(t)U (t)=kUcU cos ctcos t =kUcU cos( c+ )t+cos( c- )t/2 u(t)=Umcos( c+)t+cos( c-)t 其其波形波形和和频谱频谱分别如图:分别如图: t )(tu 相位突变18
11、0o是因为相乘的结果 B=2 第一节 振幅调制的基本原理 U m U m U c c B 显见,双边带信号的显见,双边带信号的带宽带宽为:为: 因为边频中,任何一个边频已包含了调制信号的全部信息,因为边频中,任何一个边频已包含了调制信号的全部信息, 所以为了节省频带,可进一步抑制掉其中一个边带,而只发所以为了节省频带,可进一步抑制掉其中一个边带,而只发 送一个边频,这就是送一个边频,这就是SSB。 它的它的表示式表示式为:为: 第一节 振幅调制的基本原理 (二)单边带表示式、波形及频谱(二)单边带表示式、波形及频谱 u(t)=Umcos( c+) 或或 u(t)=Umcos( c-)t 它可在
12、它可在DSB的基础上用滤波法得到;也可用移相法得到。的基础上用滤波法得到;也可用移相法得到。 其其波形波形和和频谱频谱分别如图:分别如图: t )(tu c c 或 U B= 第一节 振幅调制的基本原理 m U c c B 显见,单边带信号的带宽为:显见,单边带信号的带宽为: (三)单边带调制的优缺点(三)单边带调制的优缺点 优点:优点: 1节省频带节省频带(节省节省1/2),即波段利用率高。,即波段利用率高。 2节省功率,因为节省功率,因为AM波波Po=2/3PAV,不经济,而不经济,而 SSB全部发全部发 送有用功率,所以在接收端获得相同信噪送有用功率,所以在接收端获得相同信噪 比时,比时
13、,SSB发送可节发送可节 省功率。省功率。 3受传播条件影响小:电波传播时,对受传播条件影响小:电波传播时,对 c 、 c 等不同等不同 频率成分的衰落和相移不同会引起信号失真或不稳,这称作选频率成分的衰落和相移不同会引起信号失真或不稳,这称作选 择性衰落现象。因择性衰落现象。因SSB只有只有 c + 或或 c - ,所以这种衰落不所以这种衰落不 严重。严重。 第一节 振幅调制的基本原理 4抗干扰性能好,有一定保密性。抗干扰性能好,有一定保密性。 缺点:缺点:发送技术和解调设备复杂,造价较高。发送技术和解调设备复杂,造价较高。 前已述及,调制、解调的实质是频率变换,而模拟乘前已述及,调制、解调
14、的实质是频率变换,而模拟乘 法器是实现频率变换的常用器件。它具有法器是实现频率变换的常用器件。它具有频带宽、性能好、频带宽、性能好、 外接电路简单外接电路简单等优点。下面介绍两种常用的乘法器。等优点。下面介绍两种常用的乘法器。 一、压控吉尔伯特乘法器一、压控吉尔伯特乘法器 模拟乘法器的符号如图:模拟乘法器的符号如图: k o u 2 u 1 u 其输出与输入关系为:其输出与输入关系为: uo=ku1u2 k乘积系数乘积系数(V-1) 第二节 模拟乘法器 由图,各管电流方程为:由图,各管电流方程为: ) 2 (1 2 15 1 T U u th i i ) 2 (1 2 15 2 T U u t
15、h i i ) 2 (1 2 16 3 T U u th i i ) 2 (1 2 16 4 T U u th i i ) 2 (1 2 1 5 T o U u th I i ) 2 (1 2 1 6 T o U u th I i 第二节 模拟乘法器 压控吉尔伯特乘法器的原理电路如图:压控吉尔伯特乘法器的原理电路如图: u2 u1 UEE I0 i5i6 T5 T6 T1 T2T3T4 i1i2 i3i4 u0 RcRcic1 ic2 Ucc 所以输出电压:所以输出电压: Uo=(iC1-iC2)Rc= (i1+i3-i2-i4)Rc C TT o R U u th U u thI) 2 ()
16、 2 ( 21 IoRcu1u2/4UT2=ku1u2 其中其中k=IORc/4UT2 显见,完成两模拟信号相乘功能。显见,完成两模拟信号相乘功能。 第二节 模拟乘法器 MC1596也称为双平衡模拟乘法器,其基本电路见也称为双平衡模拟乘法器,其基本电路见P92图图 5-9,方框图外是外接电路,其中,方框图外是外接电路,其中Rb用来调节恒流源用来调节恒流源I1、I2 ; Ry调整增益和输入信号的动态范围。可推得它输出与输入的调整增益和输入信号的动态范围。可推得它输出与输入的 关系为:关系为: yxU kUUUU c Ty L O UR R 第二节 模拟乘法器 基于压控吉尔伯特电路原理制成的有基于
17、压控吉尔伯特电路原理制成的有MC1596、XCC等。等。 上述上述MC1596作为通用型乘法器还存在以下问题:作为通用型乘法器还存在以下问题: 1.输入动态范围小;输入动态范围小; 2.线性较差。线性较差。 MC1595较好的解决了以上问题,与其对应的国较好的解决了以上问题,与其对应的国 内型号为内型号为BG314、FZ4等。等。 其原理电路如图其原理电路如图P93图图5-10所示所示 如果此电路用框图表示如果此电路用框图表示 o u 流控Gilbert乘法器 y u x u I U I U 第二节 模拟乘法器 二、流控吉尔伯特模拟乘法器二、流控吉尔伯特模拟乘法器 吉尔伯特乘法单元由吉尔伯特乘
18、法单元由D1、D2、T5T8构成构成 差模差模U/I变换器分别由变换器分别由T1、T2和和T3、T4构成,依赖构成,依赖 Rx、Ry的深负反馈用以展宽动态平衡范围,实现线性的深负反馈用以展宽动态平衡范围,实现线性 补偿。补偿。 工作原理:工作原理: 1.Ux=0、Uy0时,I3、I4I5、I7iA=常数 同理 I6、I8iB=常数 Uo=0 第二节 模拟乘法器 UyT3、 、 T4 T5T8的的ie gm58 UxT1、 、 T2 UDT5T8的的Ub UO iO gmUb 即UOUxUy OXyx L IRR R k 2 yxyx OXyx L O UkUUU IRR R U 2 具体推导见
19、书具体推导见书 理论推导出:理论推导出: 第二节 模拟乘法器 其中其中: 2. 同理同理Ux=0、Uy0时,时,Uo=0 3. 当当Ux0、Uy0时,时,Uo 0 结论:结论: 1.输出电压只包含输出电压只包含Ux、Uy的乘积,无多余成分;的乘积,无多余成分; 2.乘积系数乘积系数k RL,k 1/RxRyIOX 所以所以 RL变化、变化、RxRy变化变化k变化;变化; 3. Ux、Uy均可正负,故为四象限模拟乘法器,具有很均可正负,故为四象限模拟乘法器,具有很 大的动态范围;大的动态范围; 4.通过平衡差分对通过平衡差分对T5T8的补偿作用的补偿作用(依赖于依赖于D1、 D2:温温 度补偿度
20、补偿),使,使k与管子的与管子的UT无关,不受无关,不受T影响;影响; 第二节 模拟乘法器 调幅过程就是把信号频谱从低频移到载波两侧的频调幅过程就是把信号频谱从低频移到载波两侧的频 谱搬移过程。谱搬移过程。 第三节 低电平调幅电路 调幅电路按实现调幅级电平的高低分为:调幅电路按实现调幅级电平的高低分为: 低电平调幅低电平调幅(可用来产生普通(可用来产生普通AM,也可用来产生,也可用来产生DSB 、SSB)。)。 高电平调幅高电平调幅(适用于通信、广播设备的普通调幅发射机);(适用于通信、广播设备的普通调幅发射机); 它可以看成是一直流电压加低频调制信号,再与高频它可以看成是一直流电压加低频调制
21、信号,再与高频 载波信号相乘,所以实现普通载波信号相乘,所以实现普通AM的原理电路如图的原理电路如图: P96图图5-12(b)是利用是利用MC1596构成的调幅器电路。构成的调幅器电路。 第三节 低电平调幅电路 普通调幅波的表达式可写成普通调幅波的表达式可写成 u(t)=(Um+Ummacostt)cos ct 一、普通一、普通AM电路电路 )(tuc)(tuo E+u(t) )cos(cos)( 0 tUEtU UR R tu ccm Ty L tt E U UR UER c Ty cmL cos)cos1( ttmU cam cos)cos1( Um已调波载波幅度,已调波载波幅度,ma=
22、U /E /E 调幅度调幅度 可见可见,调整调整Rw调整调整E调整调整ma 第三节 低电平调幅电路 当当Rw调至不对称时调至不对称时(E 0),按模拟乘法器的功能,按模拟乘法器的功能 DSB波的表达式可写成波的表达式可写成 UDSB(t)=kUc(t)U (t) =kUcmcos 0tUm mcost cost =kUcmU mcos( c+ )t+cos( c-)t/2 )( tu DSB )( tu )( tu c 第三节 低电平调幅电路 二、二、DSB调制电路调制电路 如果用如果用MC1596实现实现DSB调制,只需将前述电路中的调制,只需将前述电路中的Rw调至调至 对称(对称(E=0)
23、即可。)即可。 三、三、SSB调制电路调制电路 实现单边带调制有两种方法:滤波法;移相法实现单边带调制有两种方法:滤波法;移相法 1滤波法:滤波法:在在DSB调制基础上加一带通滤波器,调制基础上加一带通滤波器, 滤去其中一个边带。滤去其中一个边带。 原理电路原理电路: )( tu c )( tu )( tu DSB)( tu SSB 对带通滤波器的要求严格。对带通滤波器的要求严格。 第三节 低电平调幅电路 2移相法移相法: 对移相器要求严格对移相器要求严格 第三节 低电平调幅电路 tUtu cSSB )cos()( tUtu cSSB )cos()( ttUtu cc )cos()cos( 2
24、 1 )( 2 tU ccm cos tUu ccmc sin tUu m sin tU m cos ttUtu cc )cos()cos( 2 1 )( 1 90o移 相网络 90o移 相网络 + - 通常把调幅波解调器称为检波器通常把调幅波解调器称为检波器 调幅波解调:调幅波解调:从调幅波中提取出原调制信号。从调幅波中提取出原调制信号。 前已述及,调幅波有三种形式,即普通前已述及,调幅波有三种形式,即普通AM、DSB和和 SSB,形式不同,检波方法亦不同,如峰值包络检波、,形式不同,检波方法亦不同,如峰值包络检波、 平均包络检波方法,可用于解调普通平均包络检波方法,可用于解调普通AM,而乘
25、积检波,而乘积检波 (亦称同步检波),以上三种方式均可用,但主要用于(亦称同步检波),以上三种方式均可用,但主要用于 DSB或或SSB的解调。的解调。 第四节 振幅检波 C L ca La ca d U U Um Um Um U AM k 波波的的包包络络振振幅幅输输入入 输输出出低低频频电电压压振振幅幅 UL为输出直流为输出直流 注意:注意:kd=Po/Pc 2检波失真要小(检波输出的检波失真要小(检波输出的u 接近包络) 接近包络) 3检波器输入电阻要高,这样对前级影响小检波器输入电阻要高,这样对前级影响小 检波器检波器 中放中放 AM 波波 频率变换器频率变换器低通滤波器低通滤波器 u
26、第四节 振幅检波 对检波器的要求(质量指标):对检波器的要求(质量指标): 1检波效率检波效率kd要高要高 检波器的构成:检波器的构成: 一、峰值包络检波(属大信号检波,一般要求(属大信号检波,一般要求 Ui0.5V) (一)电路:(一)电路: D D i L RC 充充放放 )(tui L u (二)工作原理:(二)工作原理: ui(t)=Uc(1+macost)cost)cos c ct t U Ui i+ +给给C C充电,充电, 充 充=r =rd dC C很小,很小,u uL L很快接近很快接近u ui i的峰值,的峰值, 并对并对D D形成反压形成反压(-U(-UL L) ) 第四
27、节 振幅检波 当当u uL Luui i时,时,D D截止,电容上的电压截止,电容上的电压R RL L放电,放电, 放 放=R =RL LC C, 波形如图:波形如图: 显然只有显然只有u ui iuuL L时,才时,才 有电流有电流i iD D,它的幅度与包,它的幅度与包 络幅度相对应。络幅度相对应。 第四节 振幅检波 iD t uiuL t 由图可见,由图可见,u uL L为锯齿波型,为锯齿波型, 它与它与u ui i的包络形状基本一致的包络形状基本一致 ,重现调制信号包络形状,重现调制信号包络形状, 从而完成峰包检波。从而完成峰包检波。 应该指出:应该指出:u uL L中既包括低频分量中
28、既包括低频分量( (与与u ui i包络相对应包络相对应 ),),又包括直流分量又包括直流分量( (与与u ui i的载波振幅相对应的载波振幅相对应),),还包括残还包括残 余的高频分量余的高频分量( (由于由于u uL L的锯齿状波动的锯齿状波动) )适当选择适当选择R RL LC C的时的时 间常数,使间常数,使R RL LCTCTC C (=2 (=2 / / C C) ),放电很缓慢,可提高,放电很缓慢,可提高 输出直流分量,低频分量,抑制高频分量。输出直流分量,低频分量,抑制高频分量。 第四节 振幅检波 (三)定量分析:(三)定量分析:用折线法分析:用折线法分析: D i D i g
29、 L U r U tUu IIi cos D U D U 2 m I 第四节 振幅检波 则二极管特性的解析式为:则二极管特性的解析式为: 0 UD Ur iD= g(UD-Ur) UDUr 考虑到平均直流电压的反作用:考虑到平均直流电压的反作用: UD=Ui-UL=UIcos ct t-U-UL L 所以所以 当当U UD DUUr r时,时, i iD D=g(U=g(UI Icoscos ct t-U-UL L-U-Ur r) ) 当当 ct=t= 时,时,i iD D=0=0 所以所以 coscos =(U =(UL L+U+Ur r)/U)/UI I=U=UL L/U/UI I 设设D
30、的特性可用理想折线表示的特性可用理想折线表示 当当 一定时,一定时,U UL L U UI I,当输入为,当输入为AMAM波,波, U UL L U Uc c(1+m(1+ma acost)cost),即输入与输出的峰值成正比。,即输入与输出的峰值成正比。 已知已知I IDM DM=gU =gUI I(1-cos(1-cos ) ) 则二极管电流中的平均分量为:则二极管电流中的平均分量为: )cos(sin )cos1 ( )cos(sin 0 IDM DML gUI II )cos(sin LI LLL RgU RIU 将此代入将此代入式得到:式得到: 第四节 振幅检波 即即 U UL L
31、U UI Icoscos L d L R r gR tg 1 将此代入上式解的:将此代入上式解的: 当当 很小时(很小时(x1,tgxx1,tgx x+xx+x3 3/3/3), , 有有 tgtg+ + 3 3/3/3 33 33 L d L R r gR 显然:显然:1 1、r rd dU UL L 2 2、R RL LU UL L 第四节 振幅检波 (四)技术指标(四)技术指标 1检波效率:检波效率:kd=UL/UIcoscos U UL Lk kd d 当电路一定,当电路一定,R RL= =常数,大信号状态时常数,大信号状态时gg常数,常数, 所以所以coscos常数常数= =kd 故
32、大信号峰包检波的输出与输入之间近似成线性关系。故大信号峰包检波的输出与输入之间近似成线性关系。 2检波失真检波失真 (1)对角切割失真(亦称惰性失真):)对角切割失真(亦称惰性失真):它主要是由于它主要是由于 RLC太大引起的。太大引起的。 第四节 振幅检波 前已述及,适当提高前已述及,适当提高RLC有利有利 于滤除高频成分,但如太大,将因于滤除高频成分,但如太大,将因 放电时间过长面跟不上包络的变化放电时间过长面跟不上包络的变化 ,而产生惰性失真。,而产生惰性失真。(如图所示如图所示) 第四节 振幅检波 解决方法:解决方法:选择合适的选择合适的RLC,使放,使放 电速率电速率输入高频电压振幅
33、变化速输入高频电压振幅变化速 率,即:率,即: dt dU dt dU IC 推导得出推导得出不产生对角切割失真条件不产生对角切割失真条件为:为: max 2 1 a a L m m CR )(tuL 证明:证明: UI(t)=UC(1+macos t) tUm dt tdU Ca I sin )( 放电电流:放电电流: dt du Ci L C L C L R R tu i )( 两者相等两者相等,设设 kd=1,则,则 uC(t)=UI(t) )1 (tCosm CR U CR u dt du a L C L CL A dt dU dt dU LI /令令 tm tm CRA a a L
34、cos1 sin 则则 第四节 振幅检波 要不失真,必须要不失真,必须 A1 ,只要保证,只要保证A的最大值的最大值RL;1/minCcRi2,以,以避免检波器避免检波器 频率失真。频率失真。 第四节 振幅检波 第四节 振幅检波 若输入载波若输入载波UC=Ucmcos ct,则输入功率则输入功率Pi=Uc2/2Ri,输出功,输出功 率率Po=UL2/RL。若忽略二极管损耗。若忽略二极管损耗(因为导通时间极短,基本因为导通时间极短,基本 不耗功率不耗功率),则有,则有PiPo 即即 Uc2/2RiUL2/RL=(kdUc)2/RL D C L R i R 特殊地若特殊地若 k1 则则 RiRL/2 。 显然显然RL越大越大Ri越大,对前级的负越大,对前级的负 载作用越小。载作用越小。 Ri=RL/2kd2 (三)输入电阻(三)输入电阻 二、乘积检波二、乘积检波 上述峰包检波器只能解调普通上述峰包检波器只能解调普通AM波,而不能解调波,而不能解调 DSB、SSB波,因为它们的包络不反映调制信号的变化规波,因为它们的包络不反映调制信号的变化规 律。要解调
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