第五章振幅调制与解调

1、第五章 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uAM5.1 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

2、将载波去掉，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，简称为调幅、调频和调相，分别对应的解调有检波、鉴为调幅、调频和调相，分别对应的解调有检波、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

3、，其相应波长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一、调幅一、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

4、信道只传输一路信号太不经济，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）

5、幂级数分析法（小信号）幂级数分析法（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：m( ) =cos(+)u tUt1.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ccmc=cosuU t调幅信号（已调波）调幅信号（已调波）AMAMc=( )cosUt tu cmcosUtu包络函数包络函数5.2 调幅信号的分析5.2.1 普通调幅波（普通AM波）包络函数包络函数AMcmffmcmcmacm( ) =+( )=(1+cos ) =(1+cos )UtUktk UUtUMtUuaM称为调幅度、调幅指数或调

6、制系数。称为调幅度、调幅指数或调制系数。kf 为比例系数，称为调制灵敏度。为比例系数，称为调制灵敏度。ttmUttUtucacmcAMAMcos)cos1 (cos)()( 2. 调幅信号的波形调幅信号的波形AMcma( ) =(1+cos )UtUMta01M过调幅失真过调幅失真mcaVMmcVa1M包络函数：包络函数：AMcmac=(1+cos )cosuUMt t调制度调制度 mcmkUUMUUAMacm包络振幅包络振幅载波振幅载波振幅UMUAMacm波峰值波峰值-波谷值波谷值波峰值波峰值+波谷值波谷值AMcmacacmacmcmccc=(1+cos )cos=cos+cos(+) +c

7、os(-)22uUMt tM UM UU ttt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0mUc-cmUacm/ 2M U电压振幅电压振幅调幅波的频谱图调幅波的频谱图acm/ 2M Ucc+ 3. AM调幅波的频谱及带宽调幅波的频谱及带宽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 的二倍即的二倍即 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 FAMmax= 2BWFAMcmac=(1+cos )cosuUMt t0mVc- cmVacm/2M V电压振幅电压振幅调幅

8、波的频谱图调幅波的频谱图acm/2M Vcc+ acmacmcmccc=cos+cos(+) +cos(-)22M UM UU ttt 将单音调幅波电压加到电阻将单音调幅波电压加到电阻RL L两端，得调幅波各频率两端，得调幅波各频率分量在分量在RL L上消耗的功率分别是：上消耗的功率分别是：2cmoL1=2UPR22acmaSBoL1()2= 2=22M UMPPR 载波功率载波功率 上下边带功率上下边带功率 4. AM调幅波的功率分配调幅波的功率分配2cmoL1=2UPR22acmaSBoL1()2= 2=22M UMPPR 载波功率载波功率 上下边带功率上下边带功率结论：能量传送时，由结论

9、：能量传送时，由AM传送改为边带传送可节约能量。传送改为边带传送可节约能量。怎样能抑制掉载波，只保留两个边带呢？怎样能抑制掉载波，只保留两个边带呢？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。AMcmac=(1+cos )cosuUMt tacmacmcmccc=cos+cos(+) +cos(-)22M UM UU ttt 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：DSBacmcacmacmcc=cos cos=cos(+ ) +cos

10、(- )22uM Ut tM UM Utt5.1.2 抑制载波的双边带调幅信号（DSB）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

11、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=2Fmaxc 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，两个边双边带调制波的上下边带包含的信息相同，两个

12、边带发射是多余的，为节省频带，提高系统的功率和频带带发射是多余的，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。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acmSSBccos()2M Utuacmccos()2M Ut或或上边带上边带下边带下边带5.2.3. 抑制载波的单边带调幅信号（SSB）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

13、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5.3 调幅波产生原理的理论分析调幅波产生原理的理论分析 该节相关内容插在该节相关内容插在5.55.5及及5.65.6节中，例如：节中，例如：n5.55.5中，中，小信号平方律检波小信号平方律检波用用幂级数幂级数分析法；分析法；n5.65.6中，中，大信号调幅的数学分析大信号调幅的数学分析用开关函数用开关函数近似分析法。近似分析法。5.4 5.4 普通调幅波的产生电路普通调幅波的产生电

14、路一、引言一、引言 叠加波叠加波=调幅波？调幅波？ 提出两个思考题。提出两个思考题。 1）若在电阻）若在电阻R两端加入一个正弦波信号，此时在示两端加入一个正弦波信号，此时在示波器观察波器观察R两端的波形应该是一个什么波形？两端的波形应该是一个什么波形？2 2）若在电阻）若在电阻R R两端加入一个调制信号和一个载波电压，两端加入一个调制信号和一个载波电压，此时在示波器观察两端的波形是什么波形呢？此时在示波器观察两端的波形是什么波形呢？看到的是一个叠加波。看到的是一个叠加波。叠加波叠加波调幅波调幅波，要得，要得到调幅波，到调幅波， 、 必须通过非线性器件。必须通过非线性器件。 ucu 调幅过程是把

15、调制信号的频谱从低频搬移到载频的两调幅过程是把调制信号的频谱从低频搬移到载频的两侧，搬移过程中，频谱的结构不发生变化，属于侧，搬移过程中，频谱的结构不发生变化，属于频谱的频谱的线性搬移。线性搬移。 高电平调制高电平调制（主要用于（主要用于AM波）波）基极调制基极调制二极管调制器二极管调制器晶体管调制器晶体管调制器集成模拟调制器集成模拟调制器调制方法分类调制方法分类 低电平调制低电平调制（用于（用于AM、DSB、 SSB、FM波波）集电极调制集电极调制相乘器相乘器低电平调幅电路低电平调幅电路是在发射机的末前级产生已调波，再经过线性低电平调幅电路是在发射机的末前级产生已调波，再经过线性高频功率放大

16、器放大后达到所需要的发射功率高频功率放大器放大后达到所需要的发射功率由于起调制作用的非线性器件工作在中、小信号状态，因此较由于起调制作用的非线性器件工作在中、小信号状态，因此较易获得高度线性的调幅波，可用来产生普通调幅、单双边带波易获得高度线性的调幅波，可用来产生普通调幅、单双边带波质量较好、采用较多的是用乘法器构成的调幅电路质量较好、采用较多的是用乘法器构成的调幅电路普通振幅调制电路载波电压加载波电压加在在4 4端端输入馈通电输入馈通电压调零电路压调零电路接在接在8 8端端调制电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)( )(

17、 )cosymaxccmv tVVtVmtv tv tVt 00000( )(1cos)coscoscos()cos() 2acmacmcmv tkVmtVtm kVVkVVttt /ammVV故可通过调整偏压改变调幅系数故可通过调整偏压改变调幅系数的大小的大小【例】m(t)tCos4102 aBPF1b下边带tCos6102 cBPF2d上边带)( fM0.3 3.4f /kHza10d6.69.7c990.3993.41006.61009.7b1006.61009.7BPF16.69.7BPF21006.61009.7a10d6.69.7c990.3993.41006.61009.7b10

18、06.61009.7BPF16.69.7BPF21006.61009.75.5 调幅波的解调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，简称为检波器检波方式的分类及其适用场合：平方律检波和峰值包检波方式的分类及其适用场合：平方律检波和峰值包络检波适用于解调普通的调幅波；乘积检波还可以解络检波适用于解调普通的调幅波；乘积检波还可以解调双边带及单边带调幅信号调双边带及单边带调幅信号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

19、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检波失真要小检波失真要小检波器的滤波器的滤波性能要好检波器的滤波器的滤波性能要好5.5.1 小信号平方率检波(一)( )(1cos)cosAMcacutUmtt检波原理描述检波原理描述2012( )( )()()AMuutEi taa uEa uE把二极管电流中含有的低频信号分量把二极管电流中含有的低频信号分量提取出来，就可得到原来的调制信号提取出来，就可得到原来的调制信号在负载在负载 上得到的信号：上得到的信号：LR202( )cosacLu ta m U Rt小信号平方率检波(二)小信号检波的缺点：小信号检波的缺点：输

20、入阻抗低，输出波输入阻抗低，输出波形的非线性失真很大，形的非线性失真很大，检波效率低检波效率低平方律检波的命名原平方律检波的命名原因因由于能线性反映输入信号的功率，所由于能线性反映输入信号的功率，所以在测量仪表中得到了广泛的应用以在测量仪表中得到了广泛的应用5.5.2 大信号峰值包络检波的工作原理(一)大信号包络检波分为峰值包络检波与大信号包络检波分为峰值包络检波与平均值检波两类平均值检波两类二极管峰值包络检波与小信号检波电二极管峰值包络检波与小信号检波电路的异同路的异同大信号检波的工作大信号检波的工作原理原理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(二

21、)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大信号峰值包络检波的性能指标(一)电压传输系数电压传输系数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

22、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性能指标(二)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

23、：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性能指标(三)负峰切割失真负峰切割失真电路结构说明电路结构说明22L iLLiR rRRRr负峰切割失真的产生负峰切割失真的产生原理原理避免负峰切割失真的避免负峰切割失真的条件和方法条件和方法1222122LLLLiLLiRRRRrRRRr5.5.3 乘积型同步检波器普通调幅波可

24、用于解调抑制载波的双边带及单边可用于解调抑制载波的双边带及单边带信号带信号ru其特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步的本地振荡信号 ，又称相干信号，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或由二极管构成的平衡同步检波电路或由二极管构成的平衡同步检波电路普通调幅普通调幅波的解调波的解调电路电路( )(1cos)cos,( )cos()AMCacrrcutUmtt u tUt0 时：时：01( )cos22211cos(2)cos(2)41c s4o2crcrcccraccrcrakU UkU Uu tkU UtkU U mtkU Umtt相干解调相干解调的原理的原理5.6 5.6 抑制载波调幅波的产生和解调电路抑制载波调幅波的产生和解调电路一、大信号调幅的数学分析一、大信号调幅的数学分析( (参考参考5.35.3节节 4 4开关函数近似分析法开关函数近似分析法) )二、抑制载波调幅波的产生电路二、抑制载波调幅波的产生电路 1. 1.