通信（高频）电子线路：第9章 振幅调制与解调

1、1. 熟悉调幅波的数学表示式和波形；熟悉调幅波的数学表示式和波形； 2. 了解调幅波的频谱、带宽和功率关系；了解调幅波的频谱、带宽和功率关系； 3. 掌握普通调幅、双边带、单边带调制电路的组掌握普通调幅、双边带、单边带调制电路的组成、工作原理和性能特点；成、工作原理和性能特点； 4. 了解单边带通信的优缺点；了解单边带通信的优缺点； 5. 了解检波器的质量指标；了解检波器的质量指标； 6. 掌握二极管包络检波器和同步检波器的电路组掌握二极管包络检波器和同步检波器的电路组成、工作原理和性能特点；成、工作原理和性能特点； 7.了解不产生对角线失真和负峰切割失真的条件。了解不产生对角线失真和负峰切割

2、失真的条件。 1.1.定义定义 将要传送的信息装载到某一高频载频信将要传送的信息装载到某一高频载频信号上去的过程。号上去的过程。高频振荡高频放大话筒声音缓冲发射 天线倍频调制音频放大2. 调制的原因调制的原因4从切实可行的天线出发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，一般不宜短于尺寸必须和信号波长相比拟，一般不宜短于1/4波长。波长。音频信号音频信号: 20Hz20kHz 波长：波长：15 15000 km天线长度天线长度: 3.75 3750km4便于不同电台相同频段基带信号的同时接收便于不同电

3、台相同频段基带信号的同时接收频谱搬移频谱搬移1c2c4可实现的回路带宽可实现的回路带宽基带信号特点：频率变化范围很大。基带信号特点：频率变化范围很大。QfBW0高频窄带信号高频窄带信号频谱搬移频谱搬移低频（音频）低频（音频）: 20Hz20kHz1000minmaxff高频（射频）高频（射频）:3minmaxffAM广播信号广播信号: 535 1605kHz，BW=20kHz501k1000k200fBW2k10k200fBW lowhigh2020k10k1000k100k3. 调制的方式和分类调制的方式和分类调幅调幅调相调相调制调制连续波调制连续波调制脉冲波调制脉冲波调制脉宽调制脉宽调制振

4、幅调制振幅调制编码调制编码调制调频调频脉位调制脉位调制4. 调幅的方法调幅的方法平方律调幅平方律调幅斩波调幅斩波调幅调幅方法调幅方法低电平调幅低电平调幅高电平调幅高电平调幅集电极调幅集电极调幅基极调幅基极调幅 高 频 放 大 fs fs 本 地 振 荡 fo 混 频 fo fs = fi fi 低 频 放 大 检 波 中 频 放 大 F F 1. 定义：定义： 从振幅受调制的高频信号中还原出原调制从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号。的信号。2. 组成组成3. 检波的分类检波的分类二极管检波器二极管检波器三极管检波器三极管检波器检波检波器件器件信号大小信号大小小信号检波器小信号检波器大信

5、号检波器大信号检波器工作特点工作特点包络检波器包络检波器同步检波器同步检波器1. 普通调幅波的数学表示式普通调幅波的数学表示式首先讨论单音调制的调幅波。首先讨论单音调制的调幅波。载波信号：载波信号： tV000cosv调制信号：调制信号： tVcosv调调 幅信号（已调波）：幅信号（已调波）： ttV0mAMcos)(v由于调由于调 幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有：幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有： tVkVtVcos)(a0m，式中，式中ak为比例常数为比例常数即：即： )cos1 ()cos1 ()(a00a0mtmVtVVkVtV式中式中ma为调幅度，为调幅度， 0aaVV

6、km常用百分比数表示。常用百分比数表示。ttmV0a0AMcos)cos1 (v)1 (aomaxmVVoV)1 (aominmVV)cos1()(a0mtmVtV0minmaxa)(21VVVm0min000maxVVVVVV特点：特点： (1)调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致波形一致;(2) 调幅度调幅度ma反映了调幅的强弱度反映了调幅的强弱度. tV000cosvtV cosv0am1am10a m1am00maxVVVm上0min0VVVm下电压电压表达式表达式普通调幅波普通调幅波ttmV0a0cos)cos1 ( 双边带调幅波双边带

7、调幅波ttVm00acoscos单边带信号单边带信号tVm)cos(200a)cos(2(00tVma或波形图波形图频谱图频谱图 0- 0+ 0a21Vm 0- 0+ 0a21Vm 信号信号带宽带宽)2( 2)2( 22 0- 0+ 三种振幅调制信号三种振幅调制信号2. 普通调幅波的频谱普通调幅波的频谱（1）由单一频率信号调）由单一频率信号调 幅幅tmtmtVttmVt)cos(21)cos(21coscos)cos1 ()(0a0a000a0AMv 调制信号0载波调幅波0+上边频0-下边频nnnnntmtmtVtmtmtVttmVt)cos(21)cos(21cos)cos(21)cos(2

8、1coscoscos1)(0000000000nnnnnnnnnAMv信号带宽信号带宽max2B 0 (2) 限带信号的调幅波限带信号的调幅波maxo 调幅波maxmaxmaxmax调制信号载波0+max上边带0-max下边带 如果将普通调幅波输送功率至如果将普通调幅波输送功率至电阻电阻R上，则载波与两个边频将上，则载波与两个边频将分别得出如下的功率：分别得出如下的功率：00002Vma02Vma00VttmVtooacos)cos1 ()(v载波功率载波功率:RVP20oT21上边频或下边频上边频或下边频: :2a02SB1SB2aoT111224m VPPm PR在调幅信号一周期内，在调幅

9、信号一周期内，AMAM信号的平均输出功率是信号的平均输出功率是oTaDSBoTAMPmPPP)211 (2在调幅波中，只有旁频（或边带）才是有用的信息量。而载波分量而载波分量仅是起到频谱搬移的作用，不反映调制信号的变化规律。仅是起到频谱搬移的作用，不反映调制信号的变化规律。 载波本身并载波本身并不包含信号，但它的功率却占整个调幅波功率的绝大部分。不包含信号，但它的功率却占整个调幅波功率的绝大部分。当当ma1时，时，PoT(2/3)PAM ；当当ma0.5时，时，PoT(8/9)PAM ；oT2aDSBoTAMPmPPP)211 ( 00002Vma02Vma00Va20% 30%m ，因而整机

10、效率因而整机效率低。这是调幅制的缺点。低。这是调幅制的缺点。am0.250.50.35 1.003%11%22% 33%一般 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，也就是说都需要用非线性器件来完成频率变换。分量，也就是说都需要用非线性器件来完成频率变换。 如果静态工作点和输入信号变换范围选择合适，非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。线性器件工作在满足平方律的区段。20100200220201 002200022 0022(coscos)(coscos)1()2coscoscos()cos() 1c

11、os221cos22Vt VtVt VtVVVtVtV V t tVtVt0vaaaaaaaaaa2oo1 i2 ivaa va v 其中其中产生调幅作用的项是1 0020001 0020021 001coscos()cos() cos2coscos2(1cos)cosVtV V t tVtV VttaVVtta0vaaaaa22 ia v称为平方律调幅滤波后，输出电压为：2a12a Vma调幅度：结论：（1）调幅度的大小由调制信号电压振幅及调制器的特性曲线所决定（2）通常，a2a1因此用这种方法所得到的调幅度不大。在平方律调幅中,管子工作于甲类非线性状态,效率低,只适用于低电平调幅.2002

12、0010)coscos()coscos(tVtVtVtVaaai120020010)coscos()coscos(tVtVtVtVaaai2总的输出电压总的输出电压: :Ro21iiv120012002002 (cos2coscos)2 (coscos()cos() )RVtV VttRVtV V tV V taaaaa输出:o滤掉输出电压没有载波分量优点:有效地抑制载波.1 AM:oao(t)(1cos)cosvVmttooaooaoo11coscos()cos()22Vtm Vtm VtDSB:oo(t)=coscosvV Vttttt2 波形:AM:当调制信号等于0时,调幅波的振幅等于载

13、波振幅.DSB:当调制信号等于0时,调幅波的振幅等于0.解释:1 在平衡调幅电路中,当调制信号等于零时,载波恰恰互相抵消,输出为零.2 每经过一次零点,即意味着两管电流的大小关系要互换一次,因此在输出电路中高频电压的相位相反. DSB于AM的区别0100)(1tttS00cos cos 0cos 10cos 1200)(tttS 使所容纳的频道数目加倍，大大提高波段利用率。使所容纳的频道数目加倍，大大提高波段利用率。 单边带制能获得更好的通信效果。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。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

14、要求收、发设备的频率稳定度高，设备复杂，技术要求高。求高。 单边带制能大大节省发送功率。单边带制能大大节省发送功率。调幅波0+上边频0-下边频1. 滤波器法滤波器法注意：注意：提高单边带的载波频率决不能用倍频的方法。提高单边带的载波频率决不能用倍频的方法。2. 相移法相移法tKV)cos(03. 修正的移相滤波法修正的移相滤波法)sin(12t 在单边带调幅与双边带调幅之间，有一种折衷方在单边带调幅与双边带调幅之间，有一种折衷方式，即式，即残留边带调幅残留边带调幅。它传送被抑制边带的一部分，同。它传送被抑制边带的一部分，同时又将被传送边带也抑制掉一部分。为了保证信号无失时又将被传送边带也抑制掉

15、一部分。为了保证信号无失真地传输，传送边带中被抑制部分和抑制边带中的被传真地传输，传送边带中被抑制部分和抑制边带中的被传送部分应满足互补对称关系。送部分应满足互补对称关系。 特点特点: 所占频带比单边带略宽一些所占频带比单边带略宽一些; 它在它在附近附近的一定范围内具有两个边带，因此在调制信号（例如电的一定范围内具有两个边带，因此在调制信号（例如电视信号）含有直流分量时，这种调制方式可以适用视信号）含有直流分量时，这种调制方式可以适用; 残残留边带滤波器比单边带滤波器易于实现。留边带滤波器比单边带滤波器易于实现。 高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大，即用调制高电平调幅电路能同时实现调制和功

16、率放大，即用调制信号信号v去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度Vcm来实现调来实现调幅的。幅的。临临界界过压过压欠压欠压VCC（t）临界临界过压过压欠压欠压V BB(t)1 工作原理集电极有效电源:ccc(t)EVvcE受到调制过压状态:1ccmIE振幅c1pccmVIRE集电极调幅应工作于过压状态。 vb(t) + + VCC + VBB + VC(t) + vCE vBE + L C vc v + 集电极调幅电路2 能量关系集电极有效电源:其中cE供给的集电极电流直流分量coI,基波分量cm1I集电极有效电源,cE提供的总功率:集电极直流电源ccV提供的

17、功率:TcccoTPPV I调制信号提供的平均功率:22c=owaTacccoT1122PPPm Pm V I平均输出功率:22OCWcm1poTa111()(1)222PIR dtPm载波输出功率2oTcm1Tp12PIR2cav=avoavCTa1(1)2PPPPm(cavP:一周期内平均集电极耗散功率)2oTaoavavT2=avTa1(1)21(1)2PmPconstPPm集电极效率:可见:效率与am无关。故可获得较高的功率,使晶体管充分利用。注意:ccTao(1cos)cosvvmttcEccccacTao(1cos)(1cos)cosvEvvmtvmttcEmaxccacTaccc

18、Ta(1)(1)()(1)vVmVmVVmcca(1)(1)Vm当a1m 时,cEmaxcccT22vVV如1时,cccTVVcEmaxcc4vV结论:(1)在一个音频周期内,各个平均功率都是相应的载波状态时的功率的 倍,2a(1)2mavTconst(2)选管时应按 选取,且耐压要按 来选。cavPcc4V(3)因为const,所以只要载波状态的 高,则 也高。avcTccVV为集电极电压利用系数(4)由于集电极引入 调变 ,要求调制器给出较大的功率。vcE改善线性的措施:采用双重调制。(5)非线性失真比较大。当 较小时,工作在严重过压区,cI下凹显著cm1I急剧下降;当 较大时, 对 的c

19、EcEcm1I控制较弱。cEiCiC1)(tvCCV临临界界过压过压欠压欠压VCC（t）bbmocosvVtcosvVt1 工作原理BBBVVv 在基极电路里,高频振荡、低频调制信号和激励电源串连起来构成基极 发射级电压 , 受 的控制,集电极谐振回路取出调幅波。 bevcibevbvvBBvCCCCVCVoV输出+-BVbev C vb(t) VCC + L + VBB vb + + + VB(t) VCC vc(t) 基极调幅电路2 工作状态的选择:在欠压区:工作状态:基极调幅电路应工作于欠压状态。当BBmaxVV时,工作状态不能超过临界状态。1BcmIVBBVci1cmIoBmaxVBV

20、tv临界过压欠压)(tv)(tVCCiCvAM（t）临界临界过压过压欠压欠压V BB(t)非线性非线性 电路电路低通低通滤滤 波器波器从已调波中检出包络信息从已调波中检出包络信息，只适用于，只适用于AM信号信号 输入输入 AM信号信号检出包络信息检出包络信息VDCC+vRL+充电放电iDvi串联型二极管包络检波器电压传输系数（检波效率）、输入电阻和失真。电压传输系数（检波效率）、输入电阻和失真。1) 电压传输系数电压传输系数(检波效率检波效率)imd VmVKa输输入入已已调调波波包包络络振振幅幅输输出出低低频频交交流流电电压压振振幅幅定义：定义：imVimaVmVvDi D-vCVim 用分

21、析高频功放的折线用分析高频功放的折线近似分析法可以证明近似分析法可以证明cosdK其中，其中，是二极管电流通是二极管电流通角，角，为检波器负载电阻，为检波器负载电阻，d为检波器内阻。为检波器内阻。 d33RR2) 等效输入电阻等效输入电阻 考虑到包络检波电路一般作为谐振回路的负载，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（它势必影响回路选频特性（Q），分析其等效电阻），分析其等效电阻:imimidIVR 其中，其中，Vim是输入高频电压振幅，是输入高频电压振幅， Iim是输入高频是输入高频电流基波振幅。电流基波振幅。) 1(22imimidddKRKRIVR 由于二级管

22、输入电阻的影响，使输入谐振回路的由于二级管输入电阻的影响，使输入谐振回路的Q值降低，消耗一值降低，消耗一些高频功率。些高频功率。1LQrr3) 失真失真 产生的失真主要有：产生的失真主要有：惰性失真；惰性失真；负峰切割失负峰切割失真；真；非线性失真；非线性失真；频率失真。频率失真。 如果检波电路的时间如果检波电路的时间常数常数RC太大，当调幅波太大，当调幅波包络朝较低值变化时，包络朝较低值变化时，电容上的电荷来不及释电容上的电荷来不及释放以跟踪其变化，所造放以跟踪其变化，所造成的失真称作成的失真称作惰性失真惰性失真。 惰性失真惰性失真( (对角线切割失真对角线切割失真) )ttmVt0aimi

23、coscos1)(vtmVtVcos1)(aim调幅波包络调幅波包络 如图所示，在某一点，如如图所示，在某一点，如果电容两端电压的放电速度小果电容两端电压的放电速度小于包络的下降速度，就可能发于包络的下降速度，就可能发生惰性失真。生惰性失真。tmVttVsind)(daim包络变化率包络变化率ttCiddCC)(v电容放电电容放电RitCC)(v放电速率放电速率RCtCitt)()(CCCddvv假定此时假定此时tmVtcos1)(aimCv为避免失真为避免失真ttVttddddC)()(vtmVttVsind)(daim包络变化率包络变化率0)(112RCma 实际上，调制波往往是由多个频率

24、成分组成，即实际上，调制波往往是由多个频率成分组成，即=minmax。为了保证不产生失真，必须满足。为了保证不产生失真，必须满足0)(112maxRCma 或或aammRC2max10)(112RCma5 . 1maxRC工程上取： + + v C + R RL VC Cc vi D 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路负峰切割失真负峰切割失真( (底边切割失真底边切割失真) ) 隔直电容隔直电容Cc数值很大，可认为数值很大，可认为它对调制频率它对调制频率交流短路，电路达交流短路，电路达到稳态时，其两端电压到稳态时，其两端电压VCVim。imLRVRRRV 失真最可能在包络的负半周

25、发生。假定二极管截止，失真最可能在包络的负半周发生。假定二极管截止，Cc将将通过通过R和和RL缓慢放电，相对于高频载波一个周期内，其电压缓慢放电，相对于高频载波一个周期内，其电压VCVim将在将在R和和RL上分压。直流负载电阻上分压。直流负载电阻R上的电压为上的电压为: 检波器的直流负载电阻检波器的直流负载电阻R与与交流负载电阻不相等，而且调幅交流负载电阻不相等，而且调幅度度ma又相当大时引起的。又相当大时引起的。 + + v C + R RL VC Cc vi D 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路V i m（1-m）V i mttmVoimicos)cos1 (vV R)co

26、s1 (tmVimttmVoimicos)cos1 (vttmVoimicos)cos1 ( v)cos1 (tmVim)cos1 (tmVimV RV RV RV RV R + + v C + R RL VC Cc vi D 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路要避免二极管截止发生，包络幅度瞬时值必须满足要避免二极管截止发生，包络幅度瞬时值必须满足:RimVtmVacos1RaimVmV1RRRRRRmLLLa/交、直流负载电阻越悬殊，交、直流负载电阻越悬殊，ma越大，越容易发生该失真。越大，越容易发生该失真。不产生负峰切割失真的条件不产生负峰切割失真的条件：kR105取通常 +

27、 + v C + R RL VC Cc vi D 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 非线性失真非线性失真由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的。由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的。 如果负载电阻如果负载电阻R选得足够大，则检波管非线性选得足够大，则检波管非线性特性影响越小，它所引起的非线性失真即可以忽略。特性影响越小，它所引起的非线性失真即可以忽略。 + + v C + R RL VC Cc vi D 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 频率失真频率失真 由阻抗随频率变化的线性电抗元件电容、电感由阻抗随频率变化的线性电抗元件电容、电感引起的失真。引起的失真。 检波器中存在检波电容检波器中存在检波电容C和隔直电容和隔直电容Cc两个电容。检两个电容。检波电容波电容C用于跟踪调幅波包络用于跟踪调幅波包络变化，隔直电容变化，隔直电容Cc用于去除用于去除载波分量对应的直流输出。载波分量对应的直流输出。对调制频率对调制频率=minmax，要求检波电容，要求检波电容C