振幅调制与解调第5章

第5章振幅调制与解调5.1概述5.2调幅信号的分析5.3调幅波产生原理的理论分析5.4普通调幅波的产生电路5.5普通调幅波的解调电路5.6抑制载波调幅波的产生和解调电路5.1概述

调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡(载波)信号上去的过程。按照所采用的载波波形区分，调制可分为连续波(正弦波)调制和脉冲调制。

本课程只研究各种正弦调制方法性能和电路。一、分类

连续波调制以单频正弦波为载波，受控参数可以是载波的幅度A，频率或相位，因而有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种方式。二、为什么要调制

1）在无线系统中，只有当天线尺寸与电信号波长可比拟时，电信号才能以电磁波形式有效地被辐射；

2）多路复用。

第5章振幅调制与解调5.1概述5.2调幅信号的分析5.3调幅波产生原理的理论分析5.4普通调幅波的产生电路5.5普通调幅波的解调电路5.6抑制载波调幅波的产生和解调电路5.2调幅信号的分析5.2.1普通调幅波（AM）设调制信号为单音音频信号载波信号为

1.调幅信号的波形图2.调幅信号的数学表达式

ka是由电路决定的常数，称为调幅指数或调幅度，它表征载波的振幅受调制信号控制的强弱程度，一般0＜ma≤1。

未调幅时，ma=0；ma值越大，调幅越深，当ma=1则达到最大值，称为百分之百调幅。ma>1时，包络出现过零点，上下包络不反映调制信号的变化，称为过调幅。课堂练习

给定调幅波表达式，画出ma=0.5，1，1.5时波形图。

3.调幅信号的频谱两点结论：

1）调制的过程是实现频谱线性搬移的过程；

2）载频仍保持调制前的频率和幅度，因此它没有反映调制信号信息，只有两个边带携带了调制信号的信息。

调幅信号的带宽B＝2F

思考题：多音调制，已调波的频谱宽度B＝？

4.调幅波的功率

载波功率

边频功率（上边频或下边频）因此，在调制信号一周期内，调幅信号的平均功率为

因为ma≤1，所以边频功率之和最多占总输出功率的1/3。调幅波中至少有2/3的功率不含信息，从有效地利用发射机功率来看，普通调幅波是很不经济的。5.2.2抑制载波双边带调幅（DSB）

为了克服普通调幅波效率低的缺点，提高设备的功率利用率，可以不发送载波，而只发送边带信号。

单音调制时，DSB的表达式为其所占据的频带宽度仍为调制信号频谱中最高频率的两倍，即BDSB=2Fmax。波形特点：1）上下包络不再反映调制信号的变化形状；

2）在调制信号为零的两旁，已调波的相位发生180°突变。5.2.3抑制载波单边带调幅

上边频与下边频的频谱分量对称含有相同的信息，可以只发送单个边带信号，称为单边带通信（SSB）。由通过边带滤波器后，可得上边带或下边带：下边带信号

上边带信号其频带宽度BSSB=Fmax。

表5-1三种调幅波时域、频域波形作业教材5－2（1）（3）5－55－75－115－13第5章振幅调制与解调5.1概述5.2调幅信号的分析5.3调幅波产生原理的理论分析5.4普通调幅波的产生电路5.5普通调幅波的解调电路5.6抑制载波调幅波的产生和解调电路5.3调幅波产生原理的理论分析

该节相关内容插在5.5及5.6节中，例如：

5.5中，小信号平方律检波用幂级数分析法；

5.6中，大信号调幅的数学分析用开关函数近似分析法。第5章振幅调制与解调5.1概述5.2调幅信号的分析5.3调幅波产生原理的理论分析5.4普通调幅波的产生电路5.5普通调幅波的解调电路5.6抑制载波调幅波的产生和解调电路5.4普通调幅波的产生电路一、引言

1.叠加波≠调幅波调幅波的共同之处是在调幅前后产生了新的频率分量，因此需要用非线性器件来完成频率变换。

2.调幅的方法

1）二、三极管2）大、小信号

3）高、低电平

高电平调幅——一般置于发射机的最后一级，是在功率电平较高的情况下进行调制。

低电平调幅——一般置于发射机的前级，再由线性功率放大器放大已调幅信号，得到所要求功率的调幅波。

4）从哪个极加入（基极、集电极、发射极调幅）

3.实现调幅的方框图

（a）普通调幅波实现框图（b）抑制载波的双边带调幅波实现框图

（c）单边带调幅波实现框图

4.数学分析法

大信号——折线近似法

小信号——幂级数分析法u(t)uDSB(t)带通uSSB(t)uc(t)

c+或c–c直流带通uAM(t)u(t)uc(t)u(t)uc(t)c带通uDSB(t)二、大信号基极调幅电路

1.电路

2.基本工作原理思路：——

uΩ相当于一个缓慢变化的偏压，使icmax按调制信号的大小而变化，从而引起基波电流振幅Ic1m的变化，最后使得输出回路两端电压也跟随uΩ变化。uΩ图5-10基极调幅波形图3.设计要求

（1）关于放大器的工作状态

欠压状态，设计时应使放大器最大工作点（调幅波幅值最大处）处于临界状态。（2）晶体管的选择放大器的工作状态随调制信号而变化，应根据最困难条件选管子。

ICM≥（Icmax）max

BVceo≥2Ec

PCM≥(PC)c——载波状态（传送语言或音乐信息的休止时间）集电极损耗功率

设载波状态在调制特性的中心，则

当调制信号为单频正弦信号时，，因Ec不变，所以由于所以

（3）放大器的最佳集电极负载电阻

设计通常是从所需的负载载波功率出发（4）对激励的要求

因为最大工作点处的基流脉冲最大，所以应根据该处的基流幅值(Ib1m)max确定激励功率，即

（5）优缺点

优点：①所需调制信号功率很小；②电路比较简单。缺点：工作在欠压状态，集电极效率很低。

（6）失真波形

两种：波谷变平、波腹变平

波谷变平波腹变平产生波谷变平的原因：过调（即反偏压UΩm过大）或激励电压Uωm过小，造成管子在波谷处截止。

产生波腹变平的原因：①放大器工作在过压状态。激励过强或阻抗匹配不当都可能造成此现象；②激励功率不够或激励信号源内阻过大，造成波腹处的基波脉冲增长不上去；③管子在大电流下输出特性不好，造成波腹处集电极电流脉冲增长不上去。三、集电极调幅电路

1.电路

电路特点：1）Ecc=Ec+uΩ，综合电源电压；2）R1、C1是基极自给偏压环节。

uΩ

2.基本工作原理（着重理解各点波形）

①由于放大器在载波状态即工作在过压状态，ic脉冲中心下凹。Ecc愈小，过压愈深，脉冲下凹愈甚。一般是当Ecc最大时，将放大器调整到临界状态，ic脉冲不下凹。

②ib的幅值变化规律与ic相反，过压愈深，输入特性曲线左移愈多，ib脉冲愈大。3.设计要点

（1）放大器的工作状态最大工作点设计在临界状态，其余时间都处于过压状态。

（2）晶体管的选择

ICM≥（Icmax）max

BVceo≥4Ec

PCM≥(PC)av

图5－18集电极瞬时电压波形

①集电极效率

由于调制过程中，Ucm、Ic1m、Ic0都随Ec成正比地变化，所以集电极效率不变。

②由得

（3）对激励的要求

为保证过压工作，激励的强度应满足最大工作点工作在临界状态。如果激励不足，则产生波腹变平的失真。

（4）对调制信号的要求

为了获得ma=1的深度调幅，UΩm≈Ec。

思考：UΩm过小则调制不深，过大则产生过调失真。集电极调幅的过调失真波形？原因：

这是因为Ecc<0，晶体三极管进入反向工作区，原来的集电极实际上变成了“发射极”，产生“发射极”电流（此电流与原来的集电极电流方向相反），然后通过槽路而造成过调情况下的电压输出。（5）对输出LC回路的通频带和品质因数要求输出LC回路的通频带不小于2Fmax，所以回路品质因数必须满足四、利用模拟乘法器产生调幅波电路

适于AM,DSB,SSB调制第5章振幅调制与解调5.1概述5.2调幅信号的分析5.3调幅波产生原理的理论分析5.4普通调幅波的产生电路5.5普通调幅波的解调电路5.6抑制载波调幅波的产生和解调电路5.5普通调幅波的解调电路

调幅波的解调又称为检波。

1.性能指标

①检波效率（电压传输系数）检波效率定义为输出低频电压幅值与输入高频调幅波包络幅值之比。

②检波失真（非线性失真）

线性失真：各频率成分的比例关系发生变化

非线性失真：产生新的频率分量

③输入阻抗

检波器的Rin是中频放大器的负载，影响中放性能。

2.解调（检波）：调制的逆过程

①平方律检波：利用具有平方律特性的非线性器件；

②包络检波：从已调波的包络中提取调制信号，只适用普通调幅波；

③同步检波：利用与载波同频同相的本振信号与已调波相乘，适合各种调幅波。一、小信号检波（已调波的幅度在几十mV以下）

1.小信号平方律检波电路

C1为音频输出耦合电容，C2为高频旁路电容，R1为偏流电阻，通过R1和电源E使二极管的静态工作点处于二极管特性的弯曲部分。

由于特性曲线的非线性，检出的低频电压波形具有上尖下平的特点，与原来的调幅波包络线不完全一致，其中主要是二次谐波成分比较大。2.小信号检波电路的工作原理（利用幂级数分析）

忽略输出电压的反作用，可以认为加在二极管两端的电压为二极管特性曲线在Q点的展开式为代入，只取前两项，即得其中，——调制信号分量

只有采用非线性器件，才能产生新频率分量。

用滤波器可分离需要的分量由二次项产生

定义二次谐波失真系数二、大信号峰值包络检波（一）工作原理

1.大信号检波电路，利用二极管的单向导电性和检波负载RLC的充放电作用。特点：快充慢放

ui(t)>uo(t)（导通），C充电，时间常数τ=CrD音频成分——有用输出；高频——滤去

直流成分——隔直流电容滤去，可用于AGC（自动增益控制电路）。当输入信号很大时，设法把管子发射结偏压降低一些。（二）检波效率（）

1.电路参数（ωcCRL、RL、rD）对

的影响（1）一定RL下，ωcCRL（=）大，放电变慢，

高；（2）一定ωcCRL下，RL大，充电加快，

高；（3）rD小，充电快，高。2.uo(t)的成分

输入信号小，则检波二极管rD大，

降低。（三）输入电阻（Rin）输入电阻定义为输入高频电压振幅对二极管电流中基波分量振幅的比值。设输入为高频等幅信号,相应输出为直流电压Uo，检波器从输入信号源获得的高频功率为经二极管变换作用，一部分转换为有用输出功率由于V的导通时间很短，近似认为PL≈Pi，而Uo≈Ucm，因此

2.信号强度对

的影响（四）检波失真1.割底失真（1）不产生割底失真的条件设，则不产生割底失真的条件

ma愈大或检波器交直流负载电阻比值愈小，愈容易产生割底失真。

（2）改进电路

思路：减小交、直流负载电阻值的差别常取RL1/RL2＝0.1～0.2

2.对角线失真（放电失真，惰性失真）

（1）失真原因放电慢，包络线下降快。

（2）不失真条件

C通过RL的放电速度大于或等于包络的下降速度。

（3）易产生对角线失真的情况

——放电慢

——调制深，包络线下降快

——周期短，包络线下降快（五）检波器元器件选择与设计原则1.检波二极管

选用正向电阻和结电容小（或最高工作频率高）的晶体二极管。

2.RL和C的选择

（1）从提高检波效率和高频滤波能力考虑，RLC应尽可能大；从避免对角线失真考虑，RLC有一最大允许值。

（2）为保证所需的检波输入电阻，RL≥2Rin；为避免割底失真，RL有一最大允许值。（六）举例三、普通调幅波的同步解调

从频谱图上看，调幅波的解调是将调幅波中的边带信号不失真的搬到零频附近。因此，调幅波的解调电路也属于频谱搬移电路。（1）电路模型（2）解调电路uAM(t)低通滤波器u(t)uc(t)作业教材5－205－225－245－275－30第5章振幅调制与解调5.1概述5.2调幅信号的分析5.3调幅波产生原理的理论分析5.4普通调幅波的产生电路5.5普通调幅波的解调电路5.6抑制载波调幅波的产生和解调电路5.6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假设Ucm足够大，且其值远大于，这属于大信号工作情况，则可近似认为二极管工作在受载波控制的开关状态。此时，管子导通后的非线性相对于单向导电性来说是次要的，因而它的伏安特性可用自原点转折的两段折线逼近。

引入开关函数k(t)

载波正半周k(t)=1，载波负半周k(t)=0。

开关函数实际上就是幅度为1，频率为ωc的单向方波脉冲，用傅里叶级数展开后得到通过二极管V的电流二、抑制载波调幅波的产生电路

采用平衡、抵消方法——

把载波抑制掉，这种电路称为抑制载波调幅电路或叫平衡调幅电路。

1.电路

2.工作原理

uc正半周，V1、V2导通，V3、V4截止；uc负半周，V3、V4导通，V1、V2截止。利用开关函数，则

（1）uc正半周注意到此时的开关函数为，则

（2）uc负半周通过负载RL上的总电流

变压器上、下绕组要求各参数尽量相同，保持上下两部分完全对称，四个二极管的特性也应一致。否则，载波分量不会被完全抑制掉，出现“载漏”。

实际电路三、抑制载波调幅波的解调电路

包络检波器只能解调普通调幅波，而不能解调

DSB

和SSB信号。这是由于后两种已调信号的包络并不反映调制信号的变化规律，因此，抑制载波调幅的解调必须采用同步检波电路。收端须提供与发端同频同相的同步信号

——本地载波信号分类：乘积型同步检波电路和叠加型同步检波电路ui(t)低通滤波器ur(t)uo(t)ui(t)包络检波器ur(t)uo(t)

1.乘积型同步检波器的工作原理1）组成框图

2）工作原理设输入的DSB

信号，本地载波信号，两者相乘有用低通滤波器滤除二次谐波，就可得到所需调制信号。ui(t)低通滤波器ur(t)uA(t)uo(t)

3）本地载波信号产生方法

①对于双边带调幅波，同步信号可直接从输入的双边带调幅波中提取。（平方环法或科斯塔斯环法）从中取出角频率为的分量，经二分频器将它变换成角频率为的同步信号。

②对于单边带调幅波，同步信号无法从中提取出来。为了产生同步信号，往往在发送单边带信号的同时，附带发送一个功率远低于边带信号功率的载波信号，称为