第9章振幅调制与解调

9振幅调制与解调9.1概述9.2调幅波的性质9.3平方律调幅9.4斩波调幅9.5模拟乘法器调幅9.6单边带信号的产生9.7残留边带调幅9.8高电平调幅9.9包络检波9.10同步检波9.11单边带信号的接收9振幅调制与解调9.1概述9.1.1振幅调制简述9.1.2检波简述倍频中间放大调制器话筒声音发射天线调幅发射机方框图

低频电压放大主振缓冲受调放大器功放推动

低频功放末级低频功放末级高频功率放大9.1概述超外差式接收机方框图9.1概述9.1概述1、概念调制：是在传送信号的一方（发送端）将所要传送的信号（它的频率一般是较低的）“附加”在高频振荡上，再由天线发射出去。载波：高频振荡波是携带信号的“运载工具”，叫载波。解调：在接收信号的一方（接收端）经过解调（反调制）过程，把载波所携带的信号取出来，得到原来的信息。反调制过程也叫检波。2.调制的原因1）天线要将低频信号有效地辐射出去，它的尺寸 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1/4波长。音频信号:20Hz～20kHz波长：15～15000km天线长度:3.75～3750km9.1.1振幅调制简述就必须很大。2.调制的原因2）基带信号特点：频率变化范围很大，因此要求高频窄带信号频谱搬移低频（音频）:20Hz～20kHz高频（射频）:AM广播信号:535～1605kHz，BW=20kHzlowhigh2020k10k1000k100k9.1.1振幅调制简述天线和谐振回路的参数应在很宽范围内变化，这是很难做到的。2.调制的原因3）便于不同电台相同频段基带信号的同时接收，因频谱搬移9.1.1振幅调制简述如果直接发射音频信号，则发射机将工作于同一频率范围内。3.调制的方式和分类调幅调相调制连续波调制脉冲波调制脉宽调制振幅调制编码调制调频脉位调制9.1.1振幅调制简述4.调幅的方法平方律调幅斩波调幅调幅方法低电平调幅高电平调幅集电极调幅基极调幅9.1.1振幅调制简述9.1.2检波简述从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号。1.定义图9.1.1检波器的输入输出波形9.1.2检波简述图9.1.2检波器检波前后的频谱9.1.2检波简述图9.1.3检波器的组成部分9.1.2检波简述2.组成3.检波的分类二极管检波器三极管检波器检波器件信号大小小信号检波器大信号检波器工作特点包络检波器同步检波器9.1.2检波简述9.2调幅波的性质9.2.1调幅波的数学表示式与频谱9.2.2调幅波中的功率关系9.2.1调幅波的数学表示式与频谱1.普通调幅波的数学表示式首先讨论单音调制的调幅波。载波信号：

调制信号：

调幅信号（已调波）：

由于调幅信号的振幅与调制信号成线性关系，在理想的情况下，已调波的振幅为：

，式中为比例常数即：式中ma为调制度（调幅指数），

常用百分比数表示。调幅信号（已调波）用下式表示：9.2.1调幅波的数学表示式与频谱9.2.1调幅波的数学表示式与频谱波形特点(1)调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致(2)调幅度ma反映了调幅的强弱度

图9.2.1(b)9.2.1调幅波的数学表示式与频谱过量调制应满足2.普通调幅波的频谱（1）由单一频率信号调幅

Ω调制信号ω0载波调幅波ω0+Ω上边频ω0-Ω下边频9.2.1调幅波的数学表示式与频谱9.2.1调幅波的数学表示式与频谱（2）由多频率信号调幅调制信号：调幅波的方程：（9.2.7）信号带宽ω0Ωmax调幅波ΩmaxΩmaxΩmaxΩmax调制信号载波ω0+Ωmax上边带ω0-Ωmax下边带9.2.1调幅波的数学表示式与频谱（2）由多频率信号调幅频谱图9.2.1调幅波的数学表示式与频谱图9.2.2由非正弦波调制所得到的调幅波9.2.2调幅波中的功率关系如果将普通调幅波输送功率至电阻R上，则载波与两个边频将分别得出如下的功率：ω0载波功率:上边频功率：在调幅信号一周期内，AM信号的平均输出总功率是（9.2.11）下边频功率:（9.2.12）（9.2.13）（9.2.14）

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。当100%调幅时，

ma＝1，Po＝1.5PoT

从调幅波的频谱图可知，唯有它的上、下边带分量才实际地反映调制信号的频谱结构，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。9.2.2调幅波中的功率关系ω0当未调幅时，ma＝0，Po＝PoT

9.2.2调幅波中的功率关系

为传递信息，只要有一个包含信号的边带就够了。这样，可以把载波功率和另一个边带的功率都节省下来，同时还节省50%的频带宽度（这是最主要的优点）。这种传送信号的ω0方式叫做单边带发送（singleside-bandtransmission,SSB）单边带调制所需要的收发设备都比较复杂，只适合在远距离通信系统或载波电话中使用。通常的无线电广播仍是将两个边带和载波都发射出去，以简化千家万户所使用的收音机电路，降低它们的造价。9.3平方律调幅9.3.1工作原理9.3.2平衡调幅器9.3.1工作原理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。图9.3.1非线性调幅方框图这里将调制信号vΩ与载波信号相加后，同时加入非线性器件，然后通过中心频率为ω0的带通滤波器取出输出电压vo中的调幅波成分。9.3.1工作原理假设非线性器件为二极管，它的特性可表示为（9.3.1）式中，输入电压为（9.3.2）式（9.3.2）代入式（9.3.1），得9.3.1工作原理（9.3.3）中产生调幅作用的是项，故称为平方律调幅。滤波后，输出电压为：9.3.1工作原理（9.3.4）由上式知，调幅度（9.3.5）由式（9.3.5）可得以下结论：1）的大小由调制信号电压振幅及调制器的特性曲线所决定，亦即有所决定。2）通常因此用这种方法所得到的调幅度是不大的。为使电子器件工作于平方律部分，电子管或晶体管应工作于甲类非线性状态，故效率不高，平方律调幅主要用于低电平调制。还可组成平衡调幅器，以抑除载波。9.3.2平衡调幅器

将两个平方律调幅器按图9.3.2的对称形式连接，就图9.3.2串联双二极管平衡调幅器简化电路构成平衡调幅器。平衡调幅器的输出电压只有两个上、下边带，没有载波。即平衡调幅器的输出是载波被抑止的双边带。证明如下：（9.3.6）（9.3.7）9.3.2平衡调幅器图9.3.2串联双二极管平衡调幅器简化电路（9.3.6）（9.3.7）输出中无载波分量，只有上下边带与调制信号频率（可用滤波器滤掉），再滤去一条边带，可获得单边带输出。9.4斩波调幅9.4.1工作原理9.4.2实现斩波调幅的两种电路9.4.1工作原理图9.4.1斩波调幅器方框图斩波调幅：将所要传送的信号通过一个受载波频率控制的开关电路（斩波电路），以使它的输出波形被“斩”成周期为的脉冲，因而包含及各种谐波分量等。再通过中心频率为的带通滤波器，取出所需要的调幅波输出即实现了调幅。9.4.1工作原理图9.4.1斩波调幅器方框图斩波后的电压（9.4.1）（9.4.2）（9.4.3）式（9.4.3）代入式（9.4.2)，得（9.4.4）9.4.1工作原理图9.4.1斩波调幅器方框图（9.4.4）通过中心频率为的带通滤波器后，可取出项，即输出电压为载波被抑止的双边带输出。图9.4.2斩波调幅器工作图解9.4.1工作原理图9.4.3平衡斩波调幅及其图解9.4.1工作原理上面是用不对称的开关电路来获得斩波调幅的。实际上常用对称的开关电路，如图9.4.3（a）。9.4.1工作原理图9.4.3平衡斩波调幅及其图解（9.4.6）（9.4.7）与采用不对称开关电路的斩波调幅比较，平衡斩波调幅无低频分量，高频分量的振幅也提高了一倍。9.4.2实现斩波调幅的两种电路图9.4.4二极管电桥斩波调幅电路图9.4.5环形调幅器电路9.4.2实现斩波调幅的两种电路9.4.2实现斩波调幅的两种电路以上两种电路的特点：优点：维护简易、稳定、寿命长。缺点：功率小，不适用于大功率电路。图5.4.2晶体三极管差分对模拟乘法器原理电路9.5模拟乘法器调幅集成电路应用于调制电路，通常是采用模拟乘法器的形式。图5.4.2是最简单的模拟乘法器电路。很小时，9.5模拟乘法器调幅图9.5.1模拟乘法器电路实际上，广泛采用如图9.5.1所示的双差分对模拟乘法器（四象限模拟乘法器）。很小时，（9.5.1）为常数。令（9.5.2）9.5模拟乘法器调幅图9.5.1模拟乘法器电路模拟乘法器的输出是载波被抑止的调幅波。（9.5.2）很小时，或时，输出电压；只有当和同时存在时，才有。由知9.5模拟乘法器调幅图9.5.1模拟乘法器电路当输入信号大时（9.5.3）双曲正切图9.5.2限幅特性9.5模拟乘法器调幅当小时，成线性关系。但线性放大器很窄（室温条件下只有几十mV的范围）当足够大时，趋近于定值，这是乘法器起限幅作用。此时模拟乘法器仍然起着9.5模拟乘法器调幅图9.5.2限幅特性两个信号相乘的非线性这些不需要的谐波分量，可较多的谐波分量。为滤除变换作用。只是输出中包含在输出端加入中心频率为的带通滤波器。9.5模拟乘法器调幅图9.5.3XFC1596的内部电路（虚线框内）及由它构成的双边带调制电路当时，电路工作于开关状态。当时，电路工作于线性状态。同时加入后，输出电压为载波被抑止的双边带调幅波。MC1496内部电路9.5模拟乘法器调幅9.5模拟乘法器调幅MC1496MC1496各引脚功能如下：1）SIG+信号输入正端2）GADJ增益调节端3）GADJ增益调节端4）SIG-信号输入负端5）BIAS偏置端6）OUT+正电流输出端7）NC空脚8）CAR+载波信号输入正端9）NC空脚10）CAR-载波信号输入负端11）NC空脚9.5模拟乘法器调幅12）OUT-负电流输出端13）NC空脚14）V-负电源

9.5模拟乘法器调幅9.6单边带信号的产生9.6.1单边带通信的优缺点9.6.2产生单边带信号的方法9.6.1单边带通信的优缺点使所容纳的频道数目增加一倍，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，技术要求高。调幅波ω0+Ω上边频ω0-Ω下边频9.6.2产生单边带信号的方法1.滤波器法图9.6.1滤波器法原理方框图图9.6.2滤波器法单边带发射机方框图 必须强调指出，提高单边带的载波频率决不能用倍频的方法。因为倍频后，音频频率Ｆ也跟着成倍增加，使原来的调制信号变了样，产生严重的失真。这是绝对不允许的。9.6.2产生单边带信号的方法平衡调幅器滤波器图9.6.3单边带发射机方框图举例9.6.2产生单边带信号的方法下2.相移法图9.6.4相移法单边带调制器方框图9.6.2产生单边带信号的方法3.第三种方法——修正的移相滤波法图9.6.5产生单边带信号的第三种方法9.6.2产生单边带信号的方法电压表达式普通调幅波载波被抑制双边带调幅波单边带信号波形图频谱图信号带宽三种振幅调制信号9.7残留边带调幅在单边带调幅与双边带调幅之间，有一种折衷方式，即残留边带调幅。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。 特点:

所占频带比单边带略宽一些;它在ω０附近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;残留边带滤波器比单边带滤波器易于实现。图9.7.1各种调幅制式的频谱示意图9.7残留边带调幅9.8高电平调幅9.8.1集电极调幅9.8.2基极调幅9.8高电平调幅高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大，即用调制信号vΩ去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度Vcm来实现调幅的。临界过压欠压VCC（t）临界过压欠压VBB(t)集电极调幅电路9.8.1集电极调幅iCiC19.8.1集电极调幅临界过压欠压VCC（t）9.8.2基极调幅基极调幅电路iCvAM（t）9.8.2基极调幅临界过压欠压V

BB(t)9.9包络检波9.9.1包络检波器的工作原理9.9.2包络检波器的质量指标9.9.1包络检波器的工作原理非线性电路低通滤波器从已调波中检出包络信息，只适用于AM信号

输入AM信号检出包络信息VDCC++vCR++充电放电iDvi–––串联型二极管包络检波器9.9.1包络检波器的工作原理负载电阻，数值较大。负载电容，高频时，其阻抗远小于R，可视为短路；低频时，其阻抗远大于R，可视为开路。9.9.2包络检波器的质量指标下面讨论这种检波器的几个主要质量指标：电压传输系数（检波效率）、输入电阻和失真。1)电压传输系数(检波效率)定义：调幅波的载波振幅。1)电压传输系数(检波效率)vDiD-vCVimθ用分析高频功放的折线近似分析法可以证明其中，θ是二极管电流通角，Ｒ为检波器负载电阻，Ｒd为检波器内阻。9.9.2包络检波器的质量指标2)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，它势必影响回路选频特性（Q），下面分析其等效电阻其中，Vim是输入高频电压振幅，Iim是输入高频电流的基波振幅。9.9.2包络检波器的质量指标（9.9.3）2)等效输入电阻9.9.2包络检波器的质量指标由于二极管电流id只在高频信号电压为正峰值的一小段时间通过，电流通角θ很小，因此它的基频电流振幅为式中，为平均（直流）电流。另一方面，负载R两端的平均电压为KdVim，因此平均电流代入式（9.9.3）、（9.9.4），即得（9.9.4）（9.9.5）2)等效输入电阻9.9.2包络检波器的质量指标（9.9.5）通常因此，即大信号二级管的输入电阻约等于负载电阻的一半。二极管检波器的主要缺点：由于二极管输入电阻的影响，使输入谐振回路的值降低，消耗一些高频功率。3)失真产生的失真主要有：①惰性失真；②负峰切割失真；③非线性失真；④频率失真。如果检波电路的时间常数RC太大，当调幅波包络朝较低值变化时，电容上的电荷来不及释放以跟踪其变化，所造成的失真称作惰性失真。

①惰性失真(对角线切割失真)9.9.2包络检波器的质量指标

①惰性失真(对角线切割失真)调幅波包络如图所示，在某一点，如果电容两端电压的放电速度小于包络的下降速度，就可能发生惰性失真。包络变化率电容放电9.9.2包络检波器的质量指标输入高频调幅波

①惰性失真(对角线切割失真)放电速率假定此时为避免失真包络变化率9.9.2包络检波器的质量指标

①惰性失真(对角线切割失真)实际上，调制波往往是由多个频率成分组成，即Ω=Ωmin～Ωmax。为了保证不产生失真，必须满足或9.9.2包络检波器的质量指标考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路②负峰切割失真(底边切割失真)隔直电容Cc数值很大，可认为它对调制频率Ω交流短路，电路达到稳态时，其两端电压VC≈Vim。失真最可能在包络的负半周发生。假定二极管截止，Cc将通过R和RL缓慢放电，相对于高频载波一个周期内，其电压VC≈Vim将在R和RL上分压。直流负载电阻R上的电压为9.9.2包络检波器的质量指标是由于检波器的直流负载电阻R与交流（音频）负载电阻不相等，而且调幅度又相当大时引起的。考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路②负峰切割失真(底边切割失真)Vim（1-m）V

imV

RVRVRV

RV

RV

R9.9.2包络检波器的质量指标考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路②负峰切割失真(底边切割失真) 要避免二极管截止发生，包络幅度瞬时值必须满足 交、直流负载电阻越悬殊，ma越大，越容易发生该失真。9.9.2包络检波器的质量指标考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路③非线性失真这种失真是由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的。非线性

实现原理：

iD

vΩ，

vi不变vD

如果负载电阻R选得足够大，则检波管非线性特性影响越小，它所引