高频电子线路第5章 线性频谱搬移电路

1、本章主要内容本章主要内容5.1 5.1 频谱搬移及调幅基本原理频谱搬移及调幅基本原理5.2 5.2 幅度调制电路幅度调制电路5.3 5.3 调幅波的解调调幅波的解调5.4 5.4 混频电路混频电路本章小结本章小结概述概述调制：调制： 在发射端将调制信号从低频段变换到高频段在发射端将调制信号从低频段变换到高频段, 便于便于天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用。天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用。解调：解调： 在接收端将已调波信号从高频段变换到低频段在接收端将已调波信号从高频段变换到低频段, 恢恢复原调制信号。复原调制信号。 在模拟系统里在模拟系统里,按照载波波形的不同按照载波波

2、形的不同,可分为可分为脉冲调脉冲调制制和和正弦波调制正弦波调制两种方式。两种方式。5.1 频谱搬移及调幅基本原理频谱搬移及调幅基本原理 以以高频正弦波为载波高频正弦波为载波, 用低频调制信号分别去控制正弦用低频调制信号分别去控制正弦波的振幅、频率或相位三个参量波的振幅、频率或相位三个参量, 分别称为分别称为调幅调幅(AM)、 调频调频(FM)和调相和调相(PM)。 脉冲调制：脉冲调制： 以以高频矩形脉冲为载波高频矩形脉冲为载波, 用低频调制信号分别去控制用低频调制信号分别去控制矩形脉冲的幅度、宽度或位置三个参量矩形脉冲的幅度、宽度或位置三个参量, 分别称为分别称为脉幅调脉幅调制制(PAM),

3、脉宽调制脉宽调制(PDM)和脉位调制和脉位调制(PPM)。正弦波调制：正弦波调制：脉冲调制脉冲调制脉宽调制脉宽调制脉位调制脉位调制脉幅调制脉幅调制数字调制数字调制频移键控频移键控(FSK)(FSK)相移键控相移键控(PSK)(PSK)振幅键控振幅键控(ASK)(ASK)调调制制AMAMDSBDSBSSBSSBVSBVSB合称合称角度角度调制调制连续波调制连续波调制振幅调制振幅调制频率调制频率调制相位调制相位调制模拟调制模拟调制表表5.1 5.1 线性频谱搬移电路分类线性频谱搬移电路分类根根据据功功能能分分类类振幅振幅调制电路调制电路AMAM调幅电路调幅电路根根据据关关键键元元器器件件分分类类

4、二极管二极管电路电路二极管平衡二极管平衡环形调幅电路环形调幅电路DSBDSB调幅电路调幅电路峰值包络检波电路峰值包络检波电路SSBSSB调幅电路调幅电路平衡、环形混频电路平衡、环形混频电路振幅振幅检波电路检波电路包络检波电路包络检波电路三极管三极管电路电路高电平调幅电路高电平调幅电路同步检波器同步检波器三极管混频电路三极管混频电路混频电路混频电路( (变频电路变频电路) )上变频电路上变频电路模拟集模拟集成电路成电路滤波法调幅电路滤波法调幅电路下变频电路下变频电路乘积型同步检波电路乘积型同步检波电路uAM(t)= (Ucm+kaUm cos t)cosct=Ucm(1+macost)cosct

5、= UAM(t)cosct 普通调幅方式是用低频调制信号去控制高频正弦波普通调幅方式是用低频调制信号去控制高频正弦波(载波载波)的振幅的振幅, 使其使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。随调制信号波形的变化而呈线性变化。 (5.1.1)振幅调制与解调原理振幅调制与解调原理一、普通调幅方式一、普通调幅方式时域讨论：时域讨论：uc(t)=Ucmcosct,u(t)=Umcost(c)0ma1, ka为比例系数为比例系数,cmmaaUUkm1. 普通调幅信号的表达式、波形、频谱和带宽普通调幅信号的表达式、波形、频谱和带宽调制信号为单频信号：调制信号为单频信号：设载波为：设载波为：则则普通调幅信号普通

6、调幅信号为为:调幅指数（调制度）调幅指数（调制度） 由（由（a）可以看出）可以看出, 普通调幅信号的振幅由直流分量普通调幅信号的振幅由直流分量Ucm和交流分量和交流分量kaUm cost迭加而成迭加而成, 其中交流分量与调制信号成其中交流分量与调制信号成正比正比, 或者说或者说, 普通调幅信号的包络普通调幅信号的包络(信号振幅各峰值点的连线信号振幅各峰值点的连线)完全反映了调制信号的变化。完全反映了调制信号的变化。图5.1 单音AM调幅信号波形和频谱图(a) 时域波形时域波形 （b）频谱图）频谱图( )AMutt0acmm Umax(1)ocmaUUmmin(1)ocmaUUm0max0min

7、0max0min1amacmK UUUmUUUma1时时 产生过调幅失真产生过调幅失真（5.1.2）调幅指数调幅指数ma分析分析:minmaxminmaxUUUUma调幅指数调幅指数ma取值有三种可能：取值有三种可能：NoImagemamamamama进一步讨论普通调幅信号的频域特性：进一步讨论普通调幅信号的频域特性：时域表达式时域表达式(5.1.1)又可以写成：又可以写成：ttUmtUtucccmaccmAM)cos()cos(2cos)(（5.1.3）c(载波载波)、 c+(上边频上边频)和和c-(下边频下边频)。 原调制信号的频带宽度是原调制信号的频带宽度是或（或（F= /2 ）, 而普

8、通调幅信号而普通调幅信号的频带宽度是的频带宽度是2(或或2F), 是原调制信号（基带信号）的两倍。是原调制信号（基带信号）的两倍。 可见可见, uAM(t)的频谱包括了三个频率分量：的频谱包括了三个频率分量：调制前后的频谱图如调制前后的频谱图如图图5. 1(b)所示所示普通调幅将调制信号频谱搬移到了载频的左右两旁普通调幅将调制信号频谱搬移到了载频的左右两旁例例5.1 已知调制信号已知调制信号 (V)，AM波的振幅峰值波的振幅峰值 =1.9V，振幅谷值，振幅谷值 =0.6V，比例常数，比例常数 =0.9 (1/V)，求已调波载频分量的振幅，求已调波载频分量的振幅 ，原调制信号的振幅，原调制信号的

9、振幅 以以及调幅系数及调幅系数 。()cosmu tUtmax( )AMUtmin( )AMUtaKcmUmUam0.72mUV解：解：由教材式（由教材式（5. 3a）和（）和（5. 3b）得：）得： =1.9V， =0.6V 联立两式并解方程可得：联立两式并解方程可得： 又又 将代入可解得：将代入可解得： 再将再将 =1.9V； =0.6V代入代入(5. 3c)式可式可 得：得：ma =0.52 最后由最后由 解得：解得： (1)cmaUm(1)cmaUm0.65acmm U0.9ammacmcmk UUmUU0.9acmmm UUmax( )AMUtmin( )AMUt0.65acmmU1

10、.25cmUV平均功率：平均功率：调幅信号的平均功率可由信号的均方值求出调幅信号的平均功率可由信号的均方值求出 若此单频调幅信号加在负载若此单频调幅信号加在负载RL上上, 则载频分量产生的平均则载频分量产生的平均功率称为功率称为载波功率载波功率： 两个边频分量产生的平均功率相同两个边频分量产生的平均功率相同,称为称为边频功率边频功率: 边频总功率：边频总功率：调幅信号总平均功率调幅信号总平均功率： LcmcRUP221cacmaLSSBPmUmRP2241)2(21caDSBcAMPmPPP)211 (2(5.1.4)(5.1.5)(5.1.6)caSSBfPmPP2212调制效率：调制效率：

11、 普通调幅信号的功率由载波功率和边频（带）功率普通调幅信号的功率由载波功率和边频（带）功率两部分组成，其中只有边频功率才与调制信号有关。定义边频两部分组成，其中只有边频功率才与调制信号有关。定义边频功率与总功率之比为调制效率：功率与总功率之比为调制效率：222222aaSSBcSSBAMSSBAMfAMmmPPPPPPP 在满调幅的临界状态下，调幅指数在满调幅的临界状态下，调幅指数ma=1，这时调制效率的最这时调制效率的最大值为大值为1/3。由此可知，普通调幅信号的调制效率很低，这是因。由此可知，普通调幅信号的调制效率很低，这是因为载波分量不携带信息却占据了大部分功率。为载波分量不携带信息却占

12、据了大部分功率。从传输信息的角度来说，载波分量的功率是毫无意义的从传输信息的角度来说，载波分量的功率是毫无意义的 为了提高功率利用率为了提高功率利用率, 可以只发送两个边频分量而不发送载频可以只发送两个边频分量而不发送载频分量分量, 或者进一步仅发送其中一个边频分量或者进一步仅发送其中一个边频分量, 同样可以将调制信同样可以将调制信息包含在调幅信号中。息包含在调幅信号中。 这两种调幅方式分别称为这两种调幅方式分别称为抑制载波的双抑制载波的双边带调幅边带调幅(简称双边带调幅简称双边带调幅)和和抑制载波的单边带调幅抑制载波的单边带调幅(简称单边简称单边带调幅带调幅) 在通信系统中，信源输出的是由原

13、始消息直接变换成的电在通信系统中，信源输出的是由原始消息直接变换成的电信号。这种信号一般信号。这种信号一般具有从零频开始的较宽的频谱，而且在具有从零频开始的较宽的频谱，而且在频谱的低端分布较大的能量频谱的低端分布较大的能量，所以称之为基带信号。模拟基，所以称之为基带信号。模拟基带信号是非周期信号。带信号是非周期信号。 根据信号分析理论根据信号分析理论, 一般非周期调制信号一般非周期调制信号u(t)的频谱是一的频谱是一连续频谱连续频谱, 假设其频率范围是假设其频率范围是minmax , 如载频仍是如载频仍是c , 则这则这时的普通调幅信号可看成是调制信号中所有频率分量分别与时的普通调幅信号可看成

14、是调制信号中所有频率分量分别与载频调制后的叠加载频调制后的叠加, 各对上、下边频相加后组成了各对上、下边频相加后组成了上、下边带上、下边带, 相应的波形和频谱如图相应的波形和频谱如图5.2所示。所示。基带信号基带信号上、下边带上、下边带多音信号的多音信号的AMAM调幅调幅代表消息的调制信号往往并非单代表消息的调制信号往往并非单频信号，而是由许多频率成分组频信号，而是由许多频率成分组成。譬如，电话（话音）信号的成。譬如，电话（话音）信号的频率变化范围为频率变化范围为300 300 3400Hz 3400Hz，广播信号的频率变化范围为广播信号的频率变化范围为10KHz10KHz左右，而普通电视信号

15、的左右，而普通电视信号的频带宽达频带宽达6.5MHz6.5MHz图图5.2 这时普通调幅信号的包络仍然反映了调制信号的变化这时普通调幅信号的包络仍然反映了调制信号的变化, 上边上边带与下边带呈对称状分别置于载频的两旁带与下边带呈对称状分别置于载频的两旁, 且都是调制信号频且都是调制信号频谱的线性搬移谱的线性搬移, 上、上、 下边带的宽度与调制信号频谱宽度分别相下边带的宽度与调制信号频谱宽度分别相同同, 总频带宽度仍为调制信号带宽的两倍总频带宽度仍为调制信号带宽的两倍, 即即BW=2Fmax 2.普通调幅信号的产生和解调方法普通调幅信号的产生和解调方法产生方法：产生方法：式式(5.1.1)可以改

16、写如下：可以改写如下：)()(1coscos1)(11tutukktUtUUktucccmmcmaAM其中，k1=ka/Ucm 可见可见, 将调制信号与直将调制信号与直流相加后流相加后, 再与载波信号相再与载波信号相乘乘, 即可实现普通调幅。由即可实现普通调幅。由于乘法器输出信号电平不于乘法器输出信号电平不太高太高, 所以这种方法称为所以这种方法称为低电平调幅低电平调幅图图5.3解调方法：解调方法：普通调幅信号的解调方法有两种普通调幅信号的解调方法有两种, 即包络检波和同步检波。即包络检波和同步检波。 (1) 包络检波：包络检波： 检波的原理：普通调幅信号的包络反映了调制信号波形的检波的原理：

17、普通调幅信号的包络反映了调制信号波形的变化变化, 如能将包络提取出来如能将包络提取出来, 就可以恢复原来的调制信号。就可以恢复原来的调制信号。图图5.4输入普通调幅信号：输入普通调幅信号：uAM(t) =Ucm(1+macost)cosct图图5.4中非线性器件工作在中非线性器件工作在开关状态开关状态, 其特性可用单向开关函其特性可用单向开关函数来表示数来表示,即：即：tnntkcnnc )12cos()12(2)1(21)(111 则非线性器件输出电流为则非线性器件输出电流为:io(t)=guAM(t)K1(ct) =gUcm(1+macost)cosct) 12cos() 12(2) 1(

18、2111tnncnn(5.1.7)直流直流, , c , c以及其它许多组合频率分量。以及其它许多组合频率分量。g 是非线性器件伏安特性曲线斜率。可见是非线性器件伏安特性曲线斜率。可见io中含有中含有其中的直流和低频分量是其中的直流和低频分量是:)cos1 (1tmgUacm(5.1.8) 用低通滤波器取出用低通滤波器取出io中这一低频分量中这一低频分量, 滤除滤除c-及其以上及其以上的高频分量的高频分量, 同时用隔直流电容滤除直流分量同时用隔直流电容滤除直流分量, 就可以恢复与就可以恢复与原调制信号原调制信号u(t)成正比的单频信号了。成正比的单频信号了。 图图5.4中的非线性器件可以用晶体

19、二极管中的非线性器件可以用晶体二极管, 也可以用晶体三极管。也可以用晶体三极管。 (2) 同步检波同步检波 同步检波必须采用一个与发射端载波同频同相同步检波必须采用一个与发射端载波同频同相(或固定相或固定相位差位差)的信号的信号, 称为称为同步信号同步信号。同步检波可由乘法器和低通滤波器实现：同步检波可由乘法器和低通滤波器实现：图图5.5ttmUUktutuktucarmcmrAM2220cos)cos1 ()()()(2cos(2)cos(2)1coscos2222cmrmacacackU Umtmtmtt 输入普通调幅信号：输入普通调幅信号：uAM(t) =Ucm(1+macost)cos

20、ct输入同步信号为输入同步信号为:ur(t)=Urmcosct 可见可见, 输出信号中含有输出信号中含有直流直流, , 2c, 2c几个频率分量。几个频率分量。用低通滤波器取出直流和用低通滤波器取出直流和分量分量, 再去掉直流分量再去掉直流分量, 就可恢复原就可恢复原调制信号调制信号。则乘法器输出为则乘法器输出为:其中其中k2是乘法器增益。是乘法器增益。问题问题1：如果本地载波与发射端载波同频不同相：如果本地载波与发射端载波同频不同相, 有一相位差有一相位差，即本地载波即本地载波ur =Urm cos(ct+)，能否正确解调？，能否正确解调？乘法器输出中的乘法器输出中的分量这时为：分量这时为：

21、21coscos2cmrmak U U mtv 若若是一常数：是一常数：即本地载波与发射端载波的相位差始终保持即本地载波与发射端载波的相位差始终保持恒定恒定, 则解调出来的则解调出来的分量仍与原调制信号成正比分量仍与原调制信号成正比, 只不过振幅只不过振幅有所减小。当然有所减小。当然90, 否则否则分量为零。分量为零。v 若若随时间变化：随时间变化：即本地载波与发射端载波之间的相位差不即本地载波与发射端载波之间的相位差不稳定稳定, 则解调出来的则解调出来的分量就不能正确反映调制信号了。分量就不能正确反映调制信号了。 乘法器输出中的乘法器输出中的分量这时为分量这时为问题问题2：如果本地载波与发射

22、端载波不同频，有一角频率差：如果本地载波与发射端载波不同频，有一角频率差w，即，即 ur =Urm cos(c+ w) t ，能否正确解调？，能否正确解调？twtmUUkarmcmcoscos212则和调制信号已不再是线性关系了，不能正确解调。则和调制信号已不再是线性关系了，不能正确解调。产生与发射端载波同频同相的同步信号是同步检波产生与发射端载波同频同相的同步信号是同步检波 的关键的关键所以，所以，二、二、抑制载波的双边带调幅（抑制载波的双边带调幅（DSBDSB） 1 .双边带调幅信号的特点双边带调幅信号的特点设载波为设载波为uc(t)=Ucmcosct，单频调制信号为单频调制信号为u(t)

23、=Umcost （c）, 则双边带调幅信号为则双边带调幅信号为: (5.1.10) 双边带调幅信号中仅包含两个边频双边带调幅信号中仅包含两个边频, 无载频分量无载频分量, 其频带其频带宽度仍为调制信号带宽的两倍宽度仍为调制信号带宽的两倍2 。 ( )( ) cosDSBacutk utt ka ka由调制电路和由调制电路和载波幅值决定载波幅值决定 “ “相乘相乘”实现！实现！ =ma Ucmcostcosct = cos (c+)t+cos (c-)t2cmaUm 双边带调幅信号不仅其包络已不再反映调制信号波形的双边带调幅信号不仅其包络已不再反映调制信号波形的变化变化, 而且在调制信号波形过零

24、点处的高频相位有而且在调制信号波形过零点处的高频相位有180的突的突变。变。由式由式(5.1.10)可以看到可以看到, 在调制信号正半周在调制信号正半周, cost为正值为正值, 双边带调幅信号双边带调幅信号uDSB(t)与载波信号与载波信号uc(t)同相；在调制信号负同相；在调制信号负半周半周, cost为负值为负值, uDSB(t)与与uc(t)反相。反相。 所以所以, 在正负半周交在正负半周交界处界处, uDSB(t)有有180相位突变。相位突变。图图5.6单音单音DSBDSB调幅波调幅波的波形和频谱的波形和频谱图图5.72.双边带调幅信号的产生与解调方法双边带调幅信号的产生与解调方法产

25、生方法产生方法: 由由式式(5.1.10)可以看出可以看出, 产生双边带调幅信号的最直接方法产生双边带调幅信号的最直接方法就是将就是将调制信号与载波信号相乘调制信号与载波信号相乘解调方法：解调方法： 同步检波是进行双边带调幅信号解调的主要方法同步检波是进行双边带调幅信号解调的主要方法双边带调幅信号：双边带调幅信号：uDSB(t)= ma Ucmcostcosct同步信号为：同步信号为： ur(t)=Urmcosct, 则乘法器输出为则乘法器输出为:(5.1.11)tttUUmkttUUmktutuktucccmrmaccmrmarDSBo)2cos(21)2cos(21cos2coscos)(

26、)()(2222用低通滤波器取出低频分量用低通滤波器取出低频分量, 即可实现解调即可实现解调k2是乘法器增益是乘法器增益 将将式式(5.1.10)所示双边带信号取平方所示双边带信号取平方, 则则可以得到频率为可以得到频率为2c的分量的分量, 然后经二分频电然后经二分频电路路, 就可以得到就可以得到c分量。这是从双边带调幅信分量。这是从双边带调幅信号中提取同步信号的一种方法。号中提取同步信号的一种方法。 平方法提取同步信号：平方法提取同步信号：例例5.25.2 已知两个信号电压的频谱如图已知两个信号电压的频谱如图5. 8所示，要求：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

27、性质。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（计算在单位电阻（1 ）上消耗的边带功率和总功率、以）上消耗的边带功率和总功率、以及已调波的带宽。及已调波的带宽。解解(1) 图图(a)为普通双边带调幅波为普通双边带调幅波 且：且：10.32acmm UV2cmUV调幅系数调幅系数0.3am 信号时域表达式：信号时域表达式：36( )1coscos2 1 0.3cos(210cos(210AMcmacutUmtttt（）图图5.8102t)图图(b)为为DSB调幅波：调幅波：6( )0.6cos200cos210( )DSButtt V(2) 先求图（先求图（a）所

28、示）所示AM信号功率：信号功率： 其中载波功率：其中载波功率： 221122()22cmcUPWR又又边带功率：边带功率：AM调幅波总功率：调幅波总功率：22.09()AMCSSBPPPW再求图（再求图（b）所示）所示DSB信号功率：信号功率：20120.3cos(2999 )0.09()TDSBPtdtWT 上下边频分量相同上下边频分量相同情况下，情况下，DSB信号信号发射功率比发射功率比AM信号信号要小得多要小得多 因它们均为双边带因它们均为双边带调幅信号，因此它调幅信号，因此它们的带宽相等。们的带宽相等。BW=2F=200HZ三、三、单边带调幅波单边带调幅波（ SSBSSB波）波）( )

29、cos()cos() 2acmSSBHcSSBcmUuttUt 上边带（频）：acmSSBLcSSBcm U(t)cos()tUcos()t2u 下边带（频）： 单边带调幅方式是指仅发送上、下边带中的一个单边带调幅方式是指仅发送上、下边带中的一个单频调制单边带单频调制单边带调幅信号是一个调幅信号是一个角频率为角频率为c+的单频正弦波信的单频正弦波信号号, 但是但是, 其波形其波形却比较复杂。单却比较复杂。单边带调幅信号的边带调幅信号的包络已不能反映包络已不能反映调制信号的变化。调制信号的变化。 单边带调幅信号的带宽与调制信号带宽相同单边带调幅信号的带宽与调制信号带宽相同, 是普通调幅和是普通调

30、幅和双边带调幅信号带宽的一半。双边带调幅信号带宽的一半。(5.1.12)图图5.91. 滤波法滤波法 先产生双边带调幅信号先产生双边带调幅信号, 再利用带通滤波器取再利用带通滤波器取出其中一个边带信号出其中一个边带信号 由由图图5.6所示双边带调幅信号频谱图可以推知所示双边带调幅信号频谱图可以推知, 对于频谱范对于频谱范围为围为minmax的一般调制信号的一般调制信号, 如如min很小很小, 则上、下两个则上、下两个边带相隔很近边带相隔很近, 用滤波器完全取出一个边带而滤除另一个边带用滤波器完全取出一个边带而滤除另一个边带是很困难的。是很困难的。 产生方法产生方法:主要有滤波法、主要有滤波法、

31、 相移法以及两者相结合的相移滤波法相移法以及两者相结合的相移滤波法图图5.10滤波法的缺点在于滤波器的设计困难滤波法的缺点在于滤波器的设计困难: 用滤波法产生单边带调幅信号时，在上、下边带间隔用滤波法产生单边带调幅信号时，在上、下边带间隔B已经已经确定的情况下，关键是滤波器能否实现。由滤波器的知识可知，确定的情况下，关键是滤波器能否实现。由滤波器的知识可知，实现滤波器的难易程度和过渡带与工作频率的相对值有密切关实现滤波器的难易程度和过渡带与工作频率的相对值有密切关系。给单边带滤波器定义一个归一化值：系。给单边带滤波器定义一个归一化值：cff 归一化值反映了滤波器衰减特性的陡峭程度。归一化值愈小

32、，归一化值反映了滤波器衰减特性的陡峭程度。归一化值愈小，滤波器愈难以实现。一般要求归一化值不低于滤波器愈难以实现。一般要求归一化值不低于10。如果如果fc提提高，则要求高，则要求B加宽。一般的调制信号都具有丰富的低频成分，加宽。一般的调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的双边带信号的上、下边带之间的间隔很窄。例如，经调制后得到的双边带信号的上、下边带之间的间隔很窄。例如，模拟电话信号的最低频率为模拟电话信号的最低频率为300Hz，经过双边带调制后，上、下，经过双边带调制后，上、下边带之间的间隔仅有边带之间的间隔仅有600Hz，这个间隔应是单边带滤波器的过度，这个间隔应是单边带滤波器的过度

33、带。要求在这样窄的过度带内阻带衰减上升到带。要求在这样窄的过度带内阻带衰减上升到40dB以上，才能以上，才能有效地抑制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，有效地抑制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。有时甚至难以实现。 式中式中f为滤波器的过度带，为滤波器的过度带，fc为单边带信号的载频为单边带信号的载频 为此，在工程上往为此，在工程上往往采用多级频率搬移往采用多级频率搬移和多级滤波的方法，和多级滤波的方法，简称简称多次滤波法多次滤波法。采。采用多级滤波法可以加用多级滤波法可以加宽边带间隔，但也要宽边带间隔，但也要求调制信号的低频分求调制信号的低频分量

34、不能太低。如果调量不能太低。如果调制信号的低频分量接制信号的低频分量接近于零频，则用滤波近于零频，则用滤波器来分割上、下边带器来分割上、下边带极为困难。极为困难。图图5.112. 相移法相移法基于单边带调幅信号的时域表达式而提出的基于单边带调幅信号的时域表达式而提出的式式(5.1.12)所示单频单边带调幅信号可写成所示单频单边带调幅信号可写成:)sinsincos(cos2)(ttttUmtucccmaHSSB(5.1.13) 只要用两个只要用两个90相移器分别将调制信号和载波信号相移相移器分别将调制信号和载波信号相移90, 成为成为sint和和sinct, 然后进行相乘和相减然后进行相乘和相

35、减, 就可以实现就可以实现单边带调幅单边带调幅, 如图如图5.12所示。所示。 UcmUmsinct sint90相 移 器90相 移 器UmsintUcmsinctuc Ucmcosctu Umcos tuSSB(t)UcmUmcosct cost相移法原理相移法原理 显然显然, 对单频信号进行对单频信号进行90相移比较简单相移比较简单, 但但是对于一个包含许多频率分量的一般非周期性调制信号进行是对于一个包含许多频率分量的一般非周期性调制信号进行90相移相移, 要保证其中每个频率分量都准确相移要保证其中每个频率分量都准确相移90是很困难的。是很困难的。图图5.12 相移法的困难相移法的困难:

36、图图 5.13 相移滤波法原理相移滤波法原理 u3 cost cost低 通滤 波 器u5 cos()t低 频振 荡 器u1 cost90相移 网 络 低 通滤 波 器u4 cost sintu cos tu2 costu6 sin()tu7 cos2t cos ()tu8 sin2t sin ()tuo cos (1)t90相移 网 络 高 频振 荡 器 相移滤波法的关键在于将载频相移滤波法的关键在于将载频c分成分成1和和2两部分两部分, 其中其中1是是略高于略高于max的低频的低频, 2是高频是高频, 即即c= 1 + 2, 1 2 。 为简化起为简化起见见, 图中各信图中各信号的振幅均号

37、的振幅均表示为表示为1。3 . 相移滤波法相移滤波法一种一种比较可行的方法比较可行的方法, 其原理图见图其原理图见图5.13。 相移滤波法是结合两种方法的优缺点而提出的相移滤波法是结合两种方法的优缺点而提出的 仍以单频调制信号为例说明仍以单频调制信号为例说明原理原理： 调制信号调制信号u(t)与两个相位差为与两个相位差为90的低载频信号的低载频信号u1、 u1分分别相乘别相乘, 产生两个双边带信号产生两个双边带信号u3、u4, 然后分别用滤波器取出然后分别用滤波器取出u3、 u4中的下边带信号中的下边带信号u5和和u6。 因为因为1是低频是低频, 所以用低通滤波器所以用低通滤波器也可以取出下边

38、带也可以取出下边带u5和和u6。 由于由于1 c, 故滤波器边沿的衰减故滤波器边沿的衰减特性不需那么陡峭特性不需那么陡峭, 比较容易实现。取出的两个下边带信号分比较容易实现。取出的两个下边带信号分别再与两个相位差为别再与两个相位差为90的高载频信号的高载频信号u2、u2相乘相乘, 产生产生u7、u8两个双边带信号。将两个双边带信号。将u7, u8相减相减, 则可以得到则可以得到u o(t)=u7-u8=cos2tcos(1-)t-sin2tsin(1-)t =cos (2+1-)t=cos (c-)tuo(t)就是单边带调幅信号就是单边带调幅信号解调方法：解调方法： 与普通调幅及双边带调幅方式

39、不同之处在于与普通调幅及双边带调幅方式不同之处在于, 从单边带调幅从单边带调幅信号中无法提取同步信号信号中无法提取同步信号。一般可在发送单边带调幅信号的。一般可在发送单边带调幅信号的同时同时, 也附带发送一个功率较小的载波信号也附带发送一个功率较小的载波信号, 供接收端从中提供接收端从中提取作为同步信号。取作为同步信号。 同步信号为同步信号为 ur(t)=Urmcosct, 则乘法器输出为则乘法器输出为:只能采用同步检波方式只能采用同步检波方式为乘法器增益。2222,)2cos(cos4cos)cos(2)()()(ktwtUUmktwtwUUmktutuktucrmcmaccrmcmarSS

40、Bo用低通滤波器取出低频分量用低通滤波器取出低频分量，即实现了解调。即实现了解调。tUmtuccmaHSSB)cos(2)(设单边带调幅信号：设单边带调幅信号：与与AMAM和和DSBDSB相比，相比，SSBSSB无疑最能节约无疑最能节约能量和频带。但是，能量和频带。但是，SSBSSB的调制和的调制和解调设备都比较复杂，且不适于传解调设备都比较复杂，且不适于传送含有直流成分的基带信号。欲解送含有直流成分的基带信号。欲解决单决单/ /双边带调幅的不足，可选择双边带调幅的不足，可选择折衷的调幅方式：折衷的调幅方式：VSBVSB调幅。调幅。VSBVSB调幅，是传送双边带信号中的调幅，是传送双边带信号中

41、的一个边带和另一边带的残留部分一个边带和另一边带的残留部分四、残留边带调幅方式四、残留边带调幅方式（ VSBVSB） 比普通调幅方式节省了频带比普通调幅方式节省了频带, 又避免了单边带调幅要求滤波又避免了单边带调幅要求滤波器衰减特性陡峭的困难器衰减特性陡峭的困难, 发送的载频分量也便于接收端提取同发送的载频分量也便于接收端提取同步信号。步信号。图图5.14图图 5.15 残留边带调幅发送和接收滤波器幅频特性残留边带调幅发送和接收滤波器幅频特性(a) 发送；发送； (b) 接收接收 Au0.750.5680.375f / MHzAu0.750.75fcfc0.4f / MHz6(a)(b)以电视

42、图像信号为例以电视图像信号为例, 说明残留边带调幅方式的调制与解调原理说明残留边带调幅方式的调制与解调原理 在电视广播系统中在电视广播系统中, 由于图像信号频带较宽由于图像信号频带较宽, 为了节约频带为了节约频带, 同时又便于接收机进行检波同时又便于接收机进行检波, 所以对图像信号采用了残留边带所以对图像信号采用了残留边带调幅方式调幅方式, 而对于伴音信号则采用了调频方式。而对于伴音信号则采用了调频方式。 电视图像信号带宽为电视图像信号带宽为6MHz。在发射端先产生普通调幅。在发射端先产生普通调幅信号信号, 然后利用图然后利用图5.15(a)所示特性的滤波器取出一个完整的上所示特性的滤波器取出

43、一个完整的上边带、一部分下边带以及载频分量边带、一部分下边带以及载频分量, 组成残留边带调幅信号发组成残留边带调幅信号发送出去。送出去。 在接收端在接收端, 采用图采用图5.15(b)所示特性的滤波器从残留边带调幅所示特性的滤波器从残留边带调幅信号中取出所需频率分量。由于载频两旁的接收滤波器幅频特信号中取出所需频率分量。由于载频两旁的接收滤波器幅频特性正好互补性正好互补, 而上、下边带又对称置于载频两边而上、下边带又对称置于载频两边, 所以实际上可所以实际上可等效为接收到一个完整的上边带和增益为上边带一半的载频信等效为接收到一个完整的上边带和增益为上边带一半的载频信号。于是号。于是,采用同步检

44、波方式可对此单边带信号进行解调采用同步检波方式可对此单边带信号进行解调 普通调幅功率利用率低普通调幅功率利用率低, 但可采用简单、低成本的包络检波但可采用简单、低成本的包络检波方式方式, 故广泛用于电台广播系统故广泛用于电台广播系统, 给广大接收者带来便利。给广大接收者带来便利。 双边带调幅与单边带调幅功率利用率高双边带调幅与单边带调幅功率利用率高, 可用于小型通信系可用于小型通信系统统, 其中单边带调幅可节省一半频带其中单边带调幅可节省一半频带, 但需解决如何获得同步但需解决如何获得同步信号的问题。残留边带调幅广泛用于电视广播系统。信号的问题。残留边带调幅广泛用于电视广播系统。 由由图图5.

45、15可见可见, 若采用普通调幅若采用普通调幅, 每一频道电视图像信号每一频道电视图像信号的带宽需的带宽需12 MHz, 而采用残留边带调幅只需而采用残留边带调幅只需8 MHz。另外。另外, 对于滤波器过渡带的要求远不如单边带调幅那样严格对于滤波器过渡带的要求远不如单边带调幅那样严格, 故容故容易实现。易实现。 已知调制信号频率范围为已知调制信号频率范围为300Hz4 kHz, 分别采用普通调分别采用普通调幅幅(平均调幅指数平均调幅指数ma=0.3)、双边带调幅和单边带调幅三种方、双边带调幅和单边带调幅三种方式式, 如要求边带功率为如要求边带功率为10W, 分别求出每种调幅方式的频带宽分别求出每

46、种调幅方式的频带宽度、发射总平均功率度、发射总平均功率Pav及功率利用率及功率利用率caSBcavPmPPP)211 (22调幅信号总平均功率：调幅信号总平均功率：由此可得边带功率：由此可得边带功率：(5.1.6)）总平均功率总平均功率边带功率边带功率（ 例例 5.3解：解：普通调幅：普通调幅：kHzFBWWPPkHzFBWWPPkHzFBWWPPPWPWPPPSBavSBavSBcavcccSB4%10010101082%10010101028max2%3 .4232102322222045.01010)3 .0211(2maxmax2 故故所以所以双边带调幅：双边带调幅：单边带调幅：单边带

47、调幅： 正交调幅是采用两个频率相同但相位差为正交调幅是采用两个频率相同但相位差为90的正弦载波，的正弦载波，以双边带调幅的方法同时传送两路相互独立信号的一种特殊调以双边带调幅的方法同时传送两路相互独立信号的一种特殊调制方式。制方式。五、五、 正交调幅方式正交调幅方式 1. 正交调幅信号的特点正交调幅信号的特点设两路正交载波分别为设两路正交载波分别为：，）（和和tUtutUtuccmCccmc sincos)(21 两路单频调制信号分别为：两路单频调制信号分别为：和和tUtu111cos)( tUtu222cos)( 则正交调则正交调幅幅信号为：信号为： )()()()()(2211tututu

48、tutuccQAM ）（）（tututtUUttUUQIccmccmsincoscoscos2211（5.1.14）同相分量同相分量 正交分量正交分量 一般情况下，一般情况下， 正交调幅信号的波形比较复杂。正交调幅信号的波形比较复杂。 单频调制时的频谱图：单频调制时的频谱图： 图图5.16 正交调幅信号频谱图正交调幅信号频谱图 c1c1c2c2c 可见，正交调幅是一种频带复用技术，两路双边带调幅可见，正交调幅是一种频带复用技术，两路双边带调幅信号在频带信号在频带上上相互重叠，总频带宽度由其中频带较宽的一路相互重叠，总频带宽度由其中频带较宽的一路信号决定。若两路信号带宽相同，则总带宽与单路信号带

49、宽信号决定。若两路信号带宽相同，则总带宽与单路信号带宽相同。所以，相同。所以，正交调幅的最大优点是节省传输带宽正交调幅的最大优点是节省传输带宽2.正交调幅信号的产生与解调方法正交调幅信号的产生与解调方法由由式（式（5.1.14）可以看出，将两路调制信号分别进行双边可以看出，将两路调制信号分别进行双边带调幅，然后相加，就可以产带调幅，然后相加，就可以产生正交调幅信号生正交调幅信号90相移cosctu(t)sinctu(t)uI(t)uQ(t)uQAM(t)(a)(b)90相移cosctu(t)sinctu(t)u1(t)u2(t)uQAM(t)低通低通图图5.17 正交调幅与解调原理图正交调幅与

50、解调原理图 产生方法：产生方法：解调方法：解调方法： 对正交调幅信号分别用两个相位差为对正交调幅信号分别用两个相位差为90的本地载波的本地载波进行同步检波，进行同步检波，就可以恢复原来的两路调制信号就可以恢复原来的两路调制信号 图图5.17中两乘法器（设增益为中两乘法器（设增益为1）的输出为：）的输出为：）（）（）（ttutucQAM cos1 ）（ttUttUUtUUcccmcm 2sincos2coscos21cos21221111 ）（）（）（ttutucQAM sin2 ）（ttUttUUtUUcccmcm 2coscos2sincos21cos21221122 然后用两个低通滤波器分

51、别解调出两路调制信号然后用两个低通滤波器分别解调出两路调制信号）（）和（tutu21正交调幅的优点是节省频带，在数字移动通信系统中得到了应用。正交调幅的优点是节省频带，在数字移动通信系统中得到了应用。 用途：产生普通调幅（用途：产生普通调幅（AMAM）波）波 主要要求：主要要求： 兼顾输出功率大、效率高、调制线性度好兼顾输出功率大、效率高、调制线性度好 主要电路主要电路（利用丙类谐振功放实现）利用丙类谐振功放实现）基极调幅基极调幅集电极调幅集电极调幅5.2 幅度调制电路幅度调制电路一、高电平调幅电路一、高电平调幅电路图图5.18现以集电极调幅电路为例现以集电极调幅电路为例, 说明高电平调幅的原

52、理：说明高电平调幅的原理： 集电极调制特性集电极调制特性是指固定丙类谐振功放的是指固定丙类谐振功放的UBB和和Re, 当输入当输入一个等幅高频正弦波时一个等幅高频正弦波时, 输出高频正弦波的振幅输出高频正弦波的振幅Ucm将随集电将随集电极电源电压极电源电压UCC的变化而变化。的变化而变化。当谐振功放工作在当谐振功放工作在过压状态过压状态时时, Ucm将发生变化将发生变化, 近似有：近似有：UcmUCC(t)1. 集电极调幅电路集电极调幅电路图图5.19图图 5.20 集电极调幅电路原理集电极调幅电路原理 uc(t)UBB UCC0uUCC(t)LCuo(t) 集电极电源电压为：集电极电源电压为

53、： 即一个固定直流即一个固定直流电压与一个低频交流调制信号之和。电压与一个低频交流调制信号之和。 UCC(t)=UCC+u(t)输出输出LC回路调谐在回路调谐在c上上 则输出信号可写成则输出信号可写成:cosctuo(t)=Ucmcosct=kUCC+u(t)cosct特点：特点： 集电极调幅电路可以产生且只能产生普通调幅波集电极调幅电路可以产生且只能产生普通调幅波,且因为集电极且因为集电极调制特性中调制特性中Ucm与与UCC并非完全成线性关系，调制线性度差。并非完全成线性关系，调制线性度差。集电极集电极高电平调幅高电平调幅必须工作在必须工作在过压状态过压状态,。能量转换效率较高。能量转换效率

54、较高。高电平调幅既实现了调幅，又进行了功率放大，高电平调幅既实现了调幅，又进行了功率放大，调幅、调幅、 功放功放合一合一, 整机效率高整机效率高, 可直接产生很大功率输出的调幅信号。可直接产生很大功率输出的调幅信号。输入信号为高频载波：输入信号为高频载波：输出电压振幅输出电压振幅V Vcmcm随随V Vcccc（t t）变化）变化该电路在放大输该电路在放大输入的高频正弦载波入的高频正弦载波的同时，实现了的同时，实现了AMAM调幅！调幅！实际集电极调幅电路实际集电极调幅电路图图5.21在欠压区在欠压区, V, Vcm cm I Ic1 c1 I Ic0c0等随等随E Eb b作作近似近似线性变化

55、线性变化t tV VBBBB(t)(t)0 0E Eb0b0工作状态工作状态2.2.基极调幅电路基极调幅电路图图5.22 若若VCC、Re和和Uim固固定定, 输出电压振幅输出电压振幅Ucm随随基极偏压基极偏压VBB变化的规律变化的规律被称为基极调制特性。被称为基极调制特性。图图 5.23 基极调幅电路原理基极调幅电路原理 uc(t)UBB0uUBB(t)LCuo(t)UCC(cos)cos( )cosBEBBmcmcBBcmcuVUtUtVtUt ( )cosccmcu tUt( )cosmu tUtV VBBBB（t t）= u= u（t t）+ V+ VBBBB图图5.24基极调幅压流波

56、形基极调幅压流波形导通区导通区截止区截止区图图5.25基极基极高电平调幅高电平调幅必须工作在必须工作在欠欠压状态压状态,。能量转换效率较低。能量转换效率较低。 例例 5.4 采用采用图图5.21所示集电极调幅电路进行普通调幅。所示集电极调幅电路进行普通调幅。已知调制信号频率范围为已知调制信号频率范围为300Hz4 kHz,平均调幅指数平均调幅指数ma=0.3， UCC=24V，IC0=25mA，集电极效率，集电极效率c=70%。求输出载波功。求输出载波功率率Pc、边带功率、边带功率2PSB、功率利用率、功率利用率SB 和频带宽度和频带宽度BW。 SB边带功率（）总平均功率解：解： 此调幅电路电

57、源功率由直流电源提供的直流功率此调幅电路电源功率由直流电源提供的直流功率PD和调和调制信号制信号u(t)产生的交流功率产生的交流功率P两部分组成。两部分组成。mWPmRUmPmWIUPDaDCCaCCCD276003 . 02121/)(2160010252422230其中，其中，RD=UCC/IC0是输出端等效直流电阻，是输出端等效直流电阻，ma UCC是调制信号平是调制信号平均振幅。故电源总功率为均振幅。故电源总功率为P=PD+P=600+27=627 mW从而输出平均功率为从而输出平均功率为Pav=c（ PD+P ）=0.7627=438.9mW因为因为由由式（式（5.1.6）可求得载波

58、功率和边带功率分别为可求得载波功率和边带功率分别为 mWPPPmWmPPcavSBaavc9 .184209 .4382420)3 . 0211 (9 .438)211 (22所以所以 kHzFBWSB82%3 . 4043. 09 .4389 .18max二、低电平调幅电路二、低电平调幅电路 采用模拟乘法器可以实现普通调幅采用模拟乘法器可以实现普通调幅, 也可以实现双边带也可以实现双边带调幅与单边带调幅调幅与单边带调幅1、 单片集成模拟乘法器单片集成模拟乘法器 模拟乘法器可实现模拟乘法器可实现输出电压为两个输入电压的线性积输出电压为两个输入电压的线性积, 典典型应用包括：乘、除、平方、均方、

59、倍频、调幅、检波、混型应用包括：乘、除、平方、均方、倍频、调幅、检波、混频、频、 相位检测等。相位检测等。 在选择模拟乘法器时在选择模拟乘法器时, 应注意以下主要参数：工作频率应注意以下主要参数：工作频率范围、电源电压、输入电压动态范围、线性度等。范围、电源电压、输入电压动态范围、线性度等。 设两个输入信号分别为：设两个输入信号分别为：,cos,cos21222111tUutUu则两信号相乘后的输出信号为：则两信号相乘后的输出信号为：)cos()cos(221212121ttUkUukuuo 可见，可见，乘法运算能够产生两个输入信号频率的和频与差频乘法运算能够产生两个输入信号频率的和频与差频，

60、这正是调幅、检波和混频等电路所需要的功能。这正是调幅、检波和混频等电路所需要的功能。表表5.2.1 MC14系列三种型号模拟乘法器的参数典型值系列三种型号模拟乘法器的参数典型值MC1496/1596 MC1496/1596 集成模拟相乘器集成模拟相乘器外围引脚排列图外围引脚排列图集电极外接集电极外接负载电阻负载电阻图图5.273.9 kUCC( 12 V)RciAiBiC1iC2V1V2V3V4uouxiC5iC3iC4iC6V5V6RyV7V8500500V9500uy6.8 kMC1496iRUE E( 8 V)3.9 kRc1262351414810图图5.28MC1496内部电路图内部