第6章幅度调制及解调

1、第第6章章 幅度调制及解调幅度调制及解调本章知识架构：本章知识架构：本章教学目标与要求：本章教学目标与要求：熟悉调制的原因熟悉调制的原因掌握普通调幅、双边带调幅、单边带调幅和残掌握普通调幅、双边带调幅、单边带调幅和残留边带调幅的原理及定量分析留边带调幅的原理及定量分析熟悉常用的调制电路熟悉常用的调制电路掌握包络检波和同步解调原理掌握包络检波和同步解调原理熟悉常用的检波电路熟悉常用的检波电路掌握混频的原理掌握混频的原理掌握调幅与检波电路的仿真方法掌握调幅与检波电路的仿真方法小故事：小故事：1906年年12月月24日圣诞节前夕，在美国新英日圣诞节前夕，在美国新英格兰海岸附近穿梭往来的船只上，一些听

2、惯了格兰海岸附近穿梭往来的船只上，一些听惯了“嘀嘀嗒嗒嘀嘀嗒嗒”莫尔斯电码声的报务员们，忽然听到耳机中传来了人的莫尔斯电码声的报务员们，忽然听到耳机中传来了人的 说话声和乐曲声说话声和乐曲声-朗读朗读圣经圣经故事、演奏小提琴和故事、演奏小提琴和 播播放亨德尔的放亨德尔的舒缓曲舒缓曲唱片，最后还听到了亲切的祝福声。唱片，最后还听到了亲切的祝福声。报务员们听到的就是人类历史上第一次试验性的无线电广报务员们听到的就是人类历史上第一次试验性的无线电广播，它是由加拿大出生的物理学家费森登主持和组织，并播，它是由加拿大出生的物理学家费森登主持和组织，并从他的实验室里播出的。从他的实验室里播出的。 费森登是

3、最早研究无线电广播的先驱者之一。费森登是最早研究无线电广播的先驱者之一。1900年，他为美国国家气象局进行无线电实验时，初次萌生了年，他为美国国家气象局进行无线电实验时，初次萌生了用无线电传达人声的设想。两年以后，在两位金融家的赞用无线电传达人声的设想。两年以后，在两位金融家的赞助下，他在马萨诸塞州布兰特岩城建立了一个实验室，在助下，他在马萨诸塞州布兰特岩城建立了一个实验室，在电线、真空管、电池和天线中寻找途径，试图把人的声音电线、真空管、电池和天线中寻找途径，试图把人的声音加入在无线电波里放送出去。加入在无线电波里放送出去。 他想要播出的，不是莫尔斯电码的他想要播出的，不是莫尔斯电码的嘀嗒嘀

4、嗒声，而是现实世声，而是现实世界中的各种声音。他整整花了界中的各种声音。他整整花了4年时间，终于完成了一套年时间，终于完成了一套广播装置，做成了特殊的高频交流发射机，并设计出了一广播装置，做成了特殊的高频交流发射机，并设计出了一种系统，用来调制电波的振幅，使它能携带各种声音信号，种系统，用来调制电波的振幅，使它能携带各种声音信号，这样，这种这样，这种调幅波调幅波就能载着声音开始展翅飞翔了。就能载着声音开始展翅飞翔了。1906年，人类历史上第一次无线电广播就这样实现了。年，人类历史上第一次无线电广播就这样实现了。虽然前后不过几分钟，但却预示着人类传播信息的一次革虽然前后不过几分钟，但却预示着人类

5、传播信息的一次革命。正规的定时广播是从命。正规的定时广播是从1920年开始的。马可尼公司取年开始的。马可尼公司取得英国政府的许可证，在英国的切姆斯福以得英国政府的许可证，在英国的切姆斯福以2800米的波米的波长、长、15千瓦的功率定时播送新闻节目。千瓦的功率定时播送新闻节目。（来源：）（来源：）6.1 概述概述什么是什么是“调制调制”？为什么要进行调制呢？为什么要进行调制呢？人耳能听到的声音的频率范围大约在人耳能听到的声音的频率范围大约在300Hz-3000Hz间，间，通常把这一频率范围叫作音频。声波在空气中传播很慢，通常把这一频率范围叫作音频。声波在空气中传播很慢，约为约为340m/s,且衰

6、减很快，传播距离近。且衰减很快，传播距离近。交变的电磁场可以利用天线向天空辐射。但要做到有效交变的电磁场可以利用天线向天空辐射。但要做到有效的辐射，天线的尺寸应和电磁波的波长相比拟。音频的的辐射，天线的尺寸应和电磁波的波长相比拟。音频的波长在波长在106105m，要制造尺寸相当的天线显然是不可，要制造尺寸相当的天线显然是不可能的。因此不能直接将音频信号辐射到空中。能的。因此不能直接将音频信号辐射到空中。将音频信号将音频信号“装载装载”到更高的频率上，然后由天线辐射到更高的频率上，然后由天线辐射出去，是一个可以实现的设想。因为高频的波长在出去，是一个可以实现的设想。因为高频的波长在10m到到10

7、0m间，天线尺寸可以做得比较小。同时，不同的电间，天线尺寸可以做得比较小。同时，不同的电台可以使用不同的频率，这样就可以容纳很多电台工作。台可以使用不同的频率，这样就可以容纳很多电台工作。信号除了音频信号外，还有电传、数字等各种信号。这信号除了音频信号外，还有电传、数字等各种信号。这些信号必须要装载到高频上去才便于传送。这些要借助些信号必须要装载到高频上去才便于传送。这些要借助于高频传输出去的原始信号，称为控制信号或者调制信于高频传输出去的原始信号，称为控制信号或者调制信号。号。把调制信号控制高频信号的过程叫做调制。被调制的高把调制信号控制高频信号的过程叫做调制。被调制的高频信号称为载波。经过

8、调制后的高频信号称为已调信号。频信号称为载波。经过调制后的高频信号称为已调信号。而在接收端从已调信号中检取出原始信号的过程称为解而在接收端从已调信号中检取出原始信号的过程称为解调或者检波。调或者检波。调制的方法是多种多样的，例如对连续波的调制方法有：调制的方法是多种多样的，例如对连续波的调制方法有：调幅、调频、调相、边带调制等；对于数字信号的调制调幅、调频、调相、边带调制等；对于数字信号的调制有移频键控等。有移频键控等。本章只对调幅信号进行分析和仿真。本章只对调幅信号进行分析和仿真。图图6.1和图和图6.2所示为能接收调幅信号的收音机所示为能接收调幅信号的收音机图图6.1能接收调幅信号能接收调

9、幅信号图图6.2只有调幅功能只有调幅功能的收音机的收音机 的装饰收音机的装饰收音机图6.3调幅双连可变电容 图6.4调幅遥控器6.2幅度调制原理幅度调制原理 普通调幅是用低频调制信号去控制高频载波的振幅，使调制后已调波德振幅按照调制信号的变化规律而线性变化。 按照调制信号的种类，幅度调制可以分为模拟调制和数字调制；按照调制原理的不同，幅度调制又可以分为普通调幅、双边带调幅、单边带调幅和残留边带调幅等。v普通调幅普通调幅 为简化分析，假定调制信号为简谐信号，即单频正弦波，表达式为 ，载波即高频振荡信号为 ， 。假设所有信号的初始相位都为零。 载波的表达式中， 是其幅度峰值， 是频率。则调制后，调

10、幅波的幅度峰值的瞬时表达式为 （6-1） 式6-1中的参数k称为调幅指数，一般由调制电路确定，称为调制灵敏度，能反映调制信号对载波的控制程度。u =V cos tcccu =V costccVc( )cctV=VkuVkV cos tv将式6-1代入载波的表达式即可得到调幅波或称已调波的表达式： (6-2) 从公式上看，调幅波与载波的区别在于：调幅波的幅度峰值是一个随时间变化的函数，而载波的峰值是常数。 对式6-2进行变形，可得到调幅波的另一表达式： （6-3） 上式中 ，称为调幅度或调幅系数。当调制信号和载波不变时，选择不同的k值时，调幅度也将发生变化。 ( )cccc()()AM tu=V

11、 ku cos tV kVcos t cos t( )ccccc(1)(1)AM tkVuVcos t cos tVmcos t cos tVckVmV双边带调幅双边带调幅 v 由于普通调幅的功率利用率太低，为了提高效率，降低成本，必须想办法不发送载波，只发送两个边频，称为双边带调幅。双边带调幅波只包含上下边频，则其数学表达式如下： (6-6) 双边带调幅波不包含载频，其功率利用率较高。但是，载频一定时，得知上下两个边频中的任何一个，即可恢复出另外一个的频率。例如：载频为200 kHz，其中一个边频为198 kHz，则另一个边频必然为202 kHz，调制信号频率为2 kHz。( )ccc()(

12、)2DSB tDSBDSBDSBuV cost V costV cos tcos t ckcVVcos tcos t单边带调幅单边带调幅v在DSB信号的基础上，去除其中的一个边带，只传输上边带或者下边带，同样能正确恢复出调制信号，这种方法称为单边带调幅。单边带调幅波只包含DSB频谱中的上边带或者下边带，则其数学表达式如下： (6-7) (6-8) 在传输相同的调制信号的情况下，SSB调幅方式的功率为DSB调幅方式的功率的一半，因此SSB具有更高的功率利用率和传输有效性 .( )c()SSB tSSBuVcost( )c()SSB tSSBuVcostv例例6.1 某发射机输出级在负载RL=50

13、上的输出信号为u0(t)=2(1+0.5cost)cosct V。求总的输出功率Pav、载波功率Pc和边频功率P边频。 解：显然，该信号是个AM调幅信号，且m=0.5,因此0.04WR2UPL2Ccw045. 0)2m(1PP2Cav0.005wPPPCav边频6.3调幅电路调幅电路v从频域上看，调幅过程也是将调制信号的频谱平移到载波附近的过程，各频率分量及分量间的比例关系并不会发生改变，这样的频谱搬移称之为线性搬移。然而，该频谱线性搬移过程却不能用时域的线性器件实现，其原因在于时域线性器件的输入输出信号频率分量相同，而调幅过程中却有新的频率分量产生，所以各种调幅方式的核心器件都是乘法器。因此

14、，在选择调幅电路时，需要选择具有相乘功能的器件或者输出包含输入乘积项的电路。调幅波的原理框图如图6.5。(a) 普通调幅波实现框图带通v AM(t)ov(t)V0(t)(b) 抑制载波的双边带调幅波(c) 单边带调幅波实现框图图 6.5 调幅波的原理框图v(t)vDSB(t)vo(t) v(t) v DSB(t) 带通 v SSB(t) v o(t) 0+ 或0 v1简单的二极管调幅电路简单的二极管调幅电路v简单的二极管调幅电路如图6.6。调制信号和载波信号相加后，通过二极管非线性特性的变换，在电流i中产生了各种组合频率分量，将谐振回路调谐于，便能取出和的成分，这便是普通调幅波。+CLR+vo

15、v+vo+vDi图6.6 二极管普通调幅电路1）平方律调幅二极管信号较小时的工作状态 （6-9） （6-10） 当VD很小时，级数可只取前四项。 经分类整理可知： 是我们所需要的上、下边频。这对边频是由平方项产生的，故称为平方律调幅。其中最为有害的分量是 项。0 20332210DDDvavavaaitVtVcDcoscos000vvvv2） 开关式调幅 由两个二极管组成的平衡开关调幅器如图6.7所示。在大信号情况应运时，依靠二极管的导通和截止来实现频率变换，这时二极管就相当于一个开关。图6.7平衡开关调幅器v2+i2D2D1+viiL1.2R+v2v 1+D4D3+i3viiL3.4RLi1

16、v1v1v1(b)(a)v2+v2i1+v 2v 2+ 满足 的条件时，二极管的通、断由载波电压决定。输出调幅波有用电流分量 （6-11） 输出地电压波形如图6.8所示。图 6.8平衡调制器输出的电压波形 普通调幅波的高频振荡是连续的，可是双边带调幅波在调制信号极性变化时，它的高频振荡的相位要发生180的突变，这是因为双边带波是由v0和v相乘而产生的。VV0ttVgiD)cos()cos(4000tvo6.4 幅度调制信号的解调幅度调制信号的解调v振幅解调(又称检波)是振幅调制的逆过程。它的作用是从已调制的高频振荡中恢复出原来的调制信号。载波被抑制的已调波解调原理如图6.18所示。v从频谱上看

17、，检波就是将幅度调制波中的边带信号不失真地从载波频率附近搬移到零频率附近,因此，检波器也属于频谱搬移电路。v检波器的组成应包括三部分，高频已调信号源，非线性器件，RC低通滤波器。其组成原理框图如下图所示，它适于解调普通调幅波。图6.18 载波被抑制的已调波解调原理解调输出载波信号v0(t)=cos0tv(t)调幅信号vs(t)低 通滤波器6.4.1 检波方法分类检波方法分类v检波器根据所用器件的不同，可分为二极管检波、三极管检波和乘法器检波等；根据输入信号大小的不同，可分为大信号检波和小信号检波；根据工作特点不同，可分为同步检波和包络检波两类，而包络检波又分为平方律检波、峰值包络检波和平均包络

18、检波。v输出电压直接反映高频调幅包络变化规律的检波电路，称为包络检波电路，它只适用于普通调幅波的检波。同步检波电路又称相干检波电路，主要用于解调双边带和单边带调幅信号，有时也用于普通调幅波的解调。v对振幅检波电路的主要要求是检波效率高，失真小，并具有较高的输入电阻。下面先对常用的二极管包络检波电路进行讨论，然后介绍常用的同步检波电路。6.4.2 包络检波包络检波 以二极管(大信号)峰值包络检波器为例，它分为串联型二极管包络检波电路和并联型二极管包络检波电路。串联型二极管包络检波电路如图6.19所示。一般要求的输入信号大于0.5V，所以称为大信号检波器。 RLC电路一是起高频滤波作用，二是作为检

19、波器的负载，在其两端输出已恢复的调制信号。故必须满足 其检波图如图6.20所示。 LoRc1LoRc1图6.20 二极管检波器的波形图 设输入信号为高频调幅波。输入信号正半周时，二极管因正向偏置而导通，对电容C进行充电。由于充电回路的时间常数r正C很小，所以充电迅速，很快就接近输入信号的峰值。这时电容两端的充电电压对二极管来说，相当加了一个反向偏压，只要输入信号电压瞬时值低于电容电压，二极管就处于截止状态。如果其反向电阻，则电容C就要通过电阻RL进行放电，电容两端电压将逐渐减小。 o vi t vc t1 t2 (1)电压传输系数 电压传输系数是用来描述检波器把高频峰值电压转换为低频电压的能力

20、。 (6.17) 另外 ， ，其中， -电流通角，R -检波器负载电阻，Rd -检波器二极管内阻。 当RRd时，0，cos1。即检波效率Kd接近于1，这是包络检波的主要优点。Kd越大，说明输出的直流电压Uo越接近输入高频等幅波的峰值，检波效率越高，转换能力越强。iadVmVK 输输入入调调幅幅波波包包络络振振幅幅 检检波波器器的的音音频频输输出出电电压压cosdK33RRdv2) 等效输入电阻Rid 检波器对前级电路来说想当一个负载。其负载阻抗就是由检波器的输入端向输出端看过去的等效输入电阻。定义为输入高频等幅波的电压振幅Uim与输入高频脉冲电流中的基波振幅Iim之比，即 （6-18）v3）失

21、真 惰性失真 由于负载电阻R与负载电容C的时间常数RC太大所引起的。这时电容 C上的电荷不能很快地随调幅波包络变化,从而产生失真,称为惰性失真，如图所示。imimidIVR o vi t vc t1 t2 6.4.3 同步检波同步检波 同步检波电路与包络检波不同，检波时需要同时加入与载波信号同频同相的同步信号。同步检波有两种实现电路，一为乘积型同步检波电路，另一种为叠加型同步检波电路。1.乘积检波器乘积检波器 利用相乘器构成的同步检波电路称为乘积型同步检波电路。在通信及电子设备中广泛采用二极管环形相乘器和双差分对模拟集成相乘器构成同步检波电路。二极管环形相乘器既可用作调幅，也可用作解调。但两者

22、信号的接法刚好相反。同样，为了避免制作体积较大的低频变压器（或考虑到混频组件变压器低频特性较差），常把输入高频同步信号ur和高频调幅信号us（t）分别从变压器Tr1和Tr2接入，将含有低频分量的相乘输出信号从Tr1、Tr2的中心抽头处取出，再经低通滤波器，即可检出原调制信号。若同步信号振幅比较大，使二极管工作在开关状态，就可减小检波失真。乘积检波器的工作原理如图6.24所示。图6.24 乘积检波电路 (6-20) (6-21) (6-22)经过低通滤波后 (6-23)ttVs11coscosv)cos(00tVtv)cos()cos(cos11012tttVVtsvvv)2cos(41)2co

23、s(41coscos2110110101tVVtVVtVVtVVcoscos21010v6.5 6.5 检波电路检波电路图6.27和图6.28是两个常用的实际应用电路，图6.29是二极管环形同步检波图。 图6.27实际应用电路一 图6.28 实际应用电路二图6.29 二极管环形同步检波例例6.3 6.3 检波电路如图所示，uS为已调波(大信号)。根据图示极性，画出RC两端、Cg两端、Rg两端、二极管两端的电压波形。题6.30 例6.3图解:各点波形如图6.31图6.31 图6.30的各点波形6.6 6.6 混频混频混频电路广泛应用于通信及其它电子设备中，它是超外差接收机的重要组成部分。在发送设

24、备中可用它来改变载波频率，以改善调制性能。在频率合成器中常用它来实现频率的加、减运算，从而得到各种不同频率等。在通信设备、晶体管收音机及电视接收机中，为了提高设备的性能，通常采用超外差式接收，即先把收到的高频变换为较低的固定中频，经中频放大后，再解调输出。由于中频比接收的信号载频低，所以中频放大器容易获得较大增益；再有，由于中频是固定的，可选用较复杂的回路或滤波器来作选频网络，使其选择性曲线接近矩形，从而获得较好的选择性。6.6.1 6.6.1 混频原理混频原理混频器是频谱线性搬移电路,是一个六端网络。它有两个输入电压,输入信号us和本地振荡信号uL,其工作频率分别为fc和fL输出信号为uI,

25、称为中频信号,其频率是fc和fL的差频或和频,称为中频fI=fLfc(同时也可采用谐波的差频或和频)。 设输入到混频器中的输入已调信号us和本振电压uL分别为coscossscuUtw tc o sLLLuUwt这两个信号的乘积为111coscos1coscos()cos() 2coscoss LsLLsLLcLcuuUUttUUtttuUtt图6.32为混频器的组成框图。本振为单一频率信号,其频谱为 LccFwwwww 输入信号为己调波,其频谱为Fs(),则11( )( )( )( ) ()()221()()2osLsccscscFFFFFF 混频过程中的频谱变换如图6.33所示 带通滤波器

26、usuouLuI(a)带通滤波器非线性器件uIuouL(b)图6.32混频器的组成框图 (Lc)I(Lc)0ILcLc|Fo()|cc0(b)(c)LL0(a)|Fs()|FL()|(a)本振频谱 (b)信号频谱 (c)输出频谱 图6.33 混频过程中的频谱变换混频电路的失真是指输出中频信号的频谱结构相对于输入高频信号的频谱结构产生的变化，希望这种变化越小越好。由于混频是依靠非线性特性来完成的，因此在混频过程中，会产生各种非线性干扰，如组合频率，交叉调制、互相调制等干扰。这些干扰将会严重地影响通信质量，因此要求混频电路对此应能有效地抑制。混频器的主要性能指标有：1. 变频增益变频电压增益定义为

27、变频器中频输出电压振幅UI与高频输入信号电压振幅Us之比,即1vcsUKU通常用分贝数表示变频增益。2.选择性由于非线性器件的作用，混频器的输出电流中包含许多频率分量，但其中只有一个频率分量是需要的，因此，要求选频网络的选择性要好，即回路应具有较理想的谐振曲线。3.失真与干扰如果混频器输出中频信号的频谱结构与输入信号的频谱结构不同，则表示产生了失真。此外，混频器还会产生大量不需要的组合频率分量，这些频率分量将带来一系列的干扰，从而影响接收机的正常工作。因此，希望失真与干扰越小越好。6.6.2 6.6.2 混频电路混频电路1.二极管混频电路二极管混频电路在高质量通信设备中以及工作频率较高时,常使

28、用二极管平衡混频器或环形混频器。其优点是噪声低、电路简单、组合分量少。图6.34是二极管平衡混频器的原理电路。输入信号us为已调信号；本振电压为uL,有ULUs,大信号工作,得输出电流io为2()11 22(coscos)cos223oDLsDLLscig Kt ugttUtf0 fIEcEbuLusic2. 2. 晶体三极管混频器晶体三极管混频器由于三极管混频器具有电路简单、变频增益高的特点，故在中、短波接收机及一些测量仪器中广泛应用。图6.36为晶体三极管混频器原理图。00012()()() (coscos2)CcmscmmLmLsiI tg t uI tggt gtu6.7 仿真仿真v6

29、.7.1 AM调制仿真调制仿真 普通调幅方式的仿真电路以及参数设置如下图普通调幅方式的仿真电路以及参数设置如下图6.38所示。所示。v1为调制为调制信号，信号，v2为载波。为载波。 v调制信号、输出显示参数和时域波形如图6.39所示。其中（a）为仅用坐标轴方式显示的波形图，（b）为调整坐标轴之后的波形放大图。（a）示波器显示结果（b）坐标轴方式显示结果图6.39 普通调幅电路显示参数及输出波形图从图6.39可以看出，调幅波的峰值变化规律（包络）跟调制信号相同。改变直流电压为0.02V，输出波形如下图6.40所示，为过调幅现象。图6.40 过调幅时输出波形6.7.2 DSB调制仿真调制仿真vDSB波形的数学表达式为 ，DSB波只需要将调制信号与载波直接相乘即可得到。其仿真电路图以及参数设置如图6.41所示，v1为调制信号，v2为载