CH6-1.2 振幅调制信号及解调

第5章振幅调制、解调及混频5.1概述5.2振幅调制一、振幅调制信号分析二、振幅调制电路5.3调幅信号的解调5/12/20241湖北大学物电学院余琼蓉

(1)调制：用调制信号去控制载波信号的某一个参量的过程。

定义：信号

载波信号：（等幅）高频振荡信号

正弦波

方波

三角波

锯齿波调制信号：需要传输的信号（原始信号）语言图像

密码已调信号（已调波）：经过调制后的高频信号（射频信号）振幅调制解调（检波)混频（变频）属于

频谱线性搬移电路

(2)解调：调制的逆过程，即从已调波中恢复原调制信号的过程。5．1概述休息1休息25/12/20242湖北大学物电学院余琼蓉(7)振幅调制分三种方式：（5）相位调制：调制信号控制载波相位，使已调波的相位随调制信号线变化。

（6）解调方式：（4）频率调制：调制信号控制载波频率，使已调波的频率随调制信号线性变化。（3）振幅调制：由调制信号去控制载波振幅，使已调信号的振幅随调制信号线性变化。休息1休息25/12/20243湖北大学物电学院余琼蓉一：振幅调制信号的分析1：振幅调制的基本概念(1)定义(2)应用(3)特性2、AM调制(1)数学表达式(2)波形与频谱(3)功率关系(4)实现模型(5)优点3、DSB调制(1)数学表达式(2)波形与频谱(3)功率关系(4)实现模型(5)优点4、SSB调制(1)数学表达式(2)波形与频谱(3)功率关系(4)实现模型(5)优点5/12/20244湖北大学物电学院余琼蓉

1：振幅调制的基本概念

定义：让要传送的低频信号去控制高频载波信号的振幅，使之按调制信号的规律变化而变化的过程。设调制电压为：载波电压信号为：则已调波信号为：满足ωc>>Ω。振幅受调制信号控制5/12/20245湖北大学物电学院余琼蓉定义：已调信号的振幅随调制信号uΩ线性变化时的调制，称为普通调幅，记为AM调制。2、AM调制(1)AM波的数学表达式已调波的振幅中调制信号的线性函数。调幅指数调幅系数5/12/20246湖北大学物电学院余琼蓉上面的分析是在单一正弦信号作为调制信号的情况下进行的，而一般传送的信号并非为单一频率的信号，例如是一连续频谱信号f(t)，这时，可用下式来描述调幅波:上式中，f（t）是均值为零的归一化调制信号，

|f（t）|max=1。若将调制信号分解为则调幅波表示式为5/12/20247湖北大学物电学院余琼蓉

(2)AM调幅波的波形频谱与带宽调制信号载波信号AM波信号，且ma<1AM波信号，且ma=1AM波信号，且ma>1图6―1AM调制过程中的信号波形5/12/20248湖北大学物电学院余琼蓉AM频谱与带宽因调幅波不是一个简单的正弦波形。在单一频率的正弦信号的调制情况下，调幅波如式用三角公式展开信号的带宽为调制信号最高频率的两倍。图6―4单音调制时已调波的频谱（a）调制信号频谱（b）载波信号频谱(c）AM信号频谱5/12/20249湖北大学物电学院余琼蓉图6―2实际调制信号的调幅波形调制信号与AM信号的频谱。5/12/202410湖北大学物电学院余琼蓉AM信号在负载电阻RL上消耗的载波功率为在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率为

(3) AM调幅波的功率由此可见,P是调制信号的函数，是随时间变化的。5/12/202411湖北大学物电学院余琼蓉上、下边频的平均功率均为AM信号的平均功率

边频

由上式可以看出，AM波的平均功率为载波功率与两个边带功率之和。而两个边频功率与载波功率的比值为边频功率载波功率5/12/202412湖北大学物电学院余琼蓉同时可以得到调幅波的最大功率和最小功率，它们分别对应调制信号的最大值和最小值为两边频占AM信号的平均率比值为例：当ma=1，33.3%

当ma=0.3,4%故AM调制的有用信号的功率利用率太低。5/12/202413湖北大学物电学院余琼蓉(4)、AM波的实现模型图6―3AM信号的产生原理图5/12/202414湖北大学物电学院余琼蓉(5)AM调制的特点优点：调制与解调实现简单方便，特别是解调简单，适合于点对多点的通信。缺点：功率利用率低，信号的频谱带宽较大。改进方法：取消占大多数功率而不含信号的载波分量5/12/202415湖北大学物电学院余琼蓉在AM调制过程中，将载波抑制就形成了抑制载波双边带信号，简称双边带信号。它可用载波与调制信号相乘得到，其表示式为在单一正弦信号uΩ=UΩcosΩt调制时,

2、

双边带(DSB)信号5/12/202416湖北大学物电学院余琼蓉图6―6DSB信号波形调制信号载波上边频下边频5/12/202417湖北大学物电学院余琼蓉DSB信号的特点(1)DSB信号的包络正比于调制信号

(2)

DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性，即在调制信号负半周时，已调波高频与原载波反相。因此严格地说，DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。(3)

DSB波的频谱成份中抑制了载波分量，全部功率为边带占有，功率利用率高于AM波。(4)占用频带

5/12/202418湖北大学物电学院余琼蓉单边带(SSB)信号是由双边带调幅信号中取出其中的任一个边带部分，即可成为单边带调幅信号。其单频调制时的表示式为：上边带信号下边带信号3单边带(singlesidebandSSB)信号

（1）.SSB信号的性质

在现代电子通信系统的设计中，为节约频带，提高系统的功率和带宽效率，常采用单边带（SSB）调制系统

Ωmaxω限带信号ωc载波ωc-Ωmax下边频带信号ωωc+Ωmax上边频带信号ωωc+Ωmaxωc-Ωmax5/12/202419湖北大学物电学院余琼蓉由DSB信号经过边带滤波器滤除了一个边带而形成，如：上边带信号下边带信号（2）.单边带调幅信号的实现

上边带滤波器下边带滤波器乘法器Ａ：滤波法

有三种基本的电路实现方法：滤波法、相移法和移相滤波法：下边频带信号ωωDSB信号ωc-Ωmaxωc+Ωmax上边频带信号ωωc+Ωmaxωc-Ωmax5/12/202420湖北大学物电学院余琼蓉另外由三角公式：

Ｂ：相移法

利用上三角公式的实现电路如下图所示：乘法器乘法器９00相移９00相移加法器减法器••••5/12/202421湖北大学物电学院余琼蓉移相滤波法是将移相和滤波两种方法相结合，并且只需对某一固定的单频率信号移相900，从而回避了难以在宽带内准确移相900的缺点。

Ｃ：移相滤波法

移相滤波法实现单边带调幅的电路框图

uΩ=sinΩtu=sinω1t单频信号uc

=sinωct载波u1

=sinΩtsinω1tu2

=sinΩt

cos

ω1tu3

=cos(ω1-Ω)tu4

=sin(ω1-Ω)tu5

=cos(ω1-Ω)tsinωctu6

=sin(ω1-Ω)t

cos

ωct+乘法器900移相低通滤波乘法器低通滤波乘法器900移相乘法器相加器相减器-u5

+u6u5

-u6相加器输出电压：uSSBL

=u5+u6=sin[(ωc+ω1)-Ω]t=sin[ωc1-Ω]t

相减器输出电压：uSSBU

=u5-u6=sin[(ωc-ω1)+Ω]t=sin[ωc2+Ω]t

5/12/202422湖北大学物电学院余琼蓉为了看清SSB信号波形的特点，下面分析双音调制时产生的SSB信号波形。为分析方便。设双音频振幅相等，即且Ω2＞Ω1,则可以写成下式:受uΩ调制的双边带信号为5/12/202423湖北大学物电学院余琼蓉进一步展开图

双音调制时SSB信号的波形和频谱5/12/202424湖北大学物电学院余琼蓉由式（6―17）和式（6―18），利用三角公式，可得

uSSB(t)=UcosΩtcosωct-UsinΩtsinωct

uSSB(t)=UcosΩtcosωct+UsinΩtsinωct

这是SSB信号的另一种表达式,由此可以推出uΩ(t)=f(t),即一般情况下的SSB信号表达式

5/12/202425湖北大学物电学院余琼蓉由于sgn(ω)是符号函数，可得f(t)的傅里叶变换5/12/202426湖北大学物电学院余琼蓉图6―10希尔伯特变换网络及其传递函数5/12/202427湖北大学物电学院余琼蓉图6―11语音调制的SSB信号频谱(a)DSB频谱(b)上边带频谱(c)下边带频谱5/12/202428湖北大学物电学院余琼蓉二、振幅调制电路

振幅调制电路实现1、振幅调制电路的基本组成要求2、高电平调制--高电平调制主要用于AM调制3、二极管低电平调幅4、模拟乘法器调幅AM调制电路1、调制电路的实现模型2、集电极调幅3、基极调幅4、二极管低电平调幅5、模拟乘法器调幅DSB调制电路1、DSB调㓡的实现模型2、二㯌管平衡调幅3、二极管环形调幅4、模拟乘法器调幅SSB调制电路1、SSB的实现模型5/12/202429湖北大学物电学院余琼蓉振幅调制电路实现1、振幅调制电路的基本组成要求调制、载波信号的频谱已调波信号的频谱非线性器件产生新的频谱分量。选频网络选出所需的频谱分量。5/12/202430湖北大学物电学院余琼蓉1、AM调制电路的实现模型5/12/202431湖北大学物电学院余琼蓉图6―12集电极调幅电路2、集电极调幅电路组成：A：主电路是一个高频放大器B：高频功放的输入信号是载波。C：高功放的集电极电源是Ec0+调制信号。D：调制信号的频率比载波信号的频率低得多。E：在载波信号一周内，集电极电源电压基本不变。F：工作在过压状态。5/12/202432湖北大学物电学院余琼蓉图6―13集电极调幅的波形5/12/202433湖北大学物电学院余琼蓉图6―14基极调幅电路3、基极调幅电路

电路组成及要求：A：主电路是一个高频放大器B：高频功放的输入信号是载波。C：高功放的集电极电源是Ec。D：高功放的基极偏置电压是调制信号与自偏压的综合。E：调制信号的频率比载波信号的频率低得多。F：调幅时高功放工作欠压状态。5/12/202434湖北大学物电学院余琼蓉图6―15基极调幅的波形5/12/202435湖北大学物电学院余琼蓉4、二极管低电平调制

(1)、单二极管电路。可以完成AM信号的产生。当UC>>UΩ时，流过二极管的电流iD为5/12/202436湖北大学物电学院余琼蓉包含有AM信号的频谱成份。5/12/202437湖北大学物电学院余琼蓉5、模拟乘法器产生普通调幅波5/12/202438湖北大学物电学院余琼蓉将uC加至uA，非线性通道将uΩ加到uB，是线性通道AM信号的频谱m=UΩ/Eex=UC／VT若集电极滤波回路的中心频率为fc，带宽为2F，谐振阻抗为RL，则经滤波后的输出电压。5/12/202439湖北大学物电学院余琼蓉图6―17差分对AM调制器的输出波形5/12/202440湖北大学物电学院余琼蓉DSB调制电路1、DSB调制的实现模型BPF已调波输出5/12/202441湖北大学物电学院余琼蓉2、二极管平衡调幅实现(DSB)电路组成：A：两只对称的二极管作为非线性元件。B：输入输出变压器，中心抽头。C：带通滤波器输出DSB信号频谱。注意：只能产生AM信号，不能产生DSB信号。二极管平衡电路和二极管环形电路可以产生DSB信号。图6―19二极管平衡调制电路5/12/202442湖北大学物电学院余琼蓉对电流进行频谱分析知，信号中包含中载波与调制信号的和频与差频，但是没有纯载频分量。故只能实现DSB调制，不能实现AM调制。5/12/202443湖北大学物电学院余琼蓉

iL中包含Ω分量和(2n+1)ωc±Ω(n=0,1,2,…)分量，若输出滤波器的中心频率为fc，带宽为2F，谐振阻抗为RL，则输出电压为

典型的双边带调制信号的数学表达示。5/12/202444湖北大学物电学院余琼蓉图6―20二极管平衡调制器波形5/12/202445湖北大学物电学院余琼蓉图6―21平衡调制器的一种实际线路5/12/202446湖北大学物电学院余琼蓉3、二极管环形调幅电路组成：A：四只对称的二极管产生新的频谱分量。B：输入输出为两个变压器，中心抽头C：输出回路的负载RL就、为选频网络，RL是中心频率处的阻抗值。注意：环形电路的频谱分量比平衡电路的频谱分量少了一个直流分量，但其余频谱幅度加倍。5/12/202447湖北大学物电学院余琼蓉在u1=uΩ，u2=uC的情况下，调制电压反向加于两桥的另一对角线上。经滤波后,有

5/12/202448湖北大学物电学院余琼蓉如果忽略晶体管输入阻抗的影响，输出电压为5/12/202449湖北大学物电学院余琼蓉图6―22双平衡调制器电路及波形5/12/202450湖北大学物电学院余琼蓉图6―23双桥构成的环形调制器5/12/202451湖北大学物电学院余琼蓉5、双平衡模拟乘法器实现DSB电路组成：A、双平衡的模拟乘法器B：调制信号从线性通道加入。载波信号从非线性通道加入。5/12/202452湖北大学物电学院余琼蓉式中,I0=Ee/Re,m=UC/Ee,x=UΩ/VT。经滤波后的输出电压uo(t)为5/12/202453湖北大学物电学院余琼蓉图6―24差分对DSB调制器的波形双差分对电路的差动输出电流为若UΩ、UC均很小,上式可近似为5/12/202454湖北大学物电学院余琼蓉图6―25双差分调制器实际线路5/12/202455湖北大学物电学院余琼蓉SSB信号是将双边带信号滤除一个边带形成的。根据滤除方法的不同，SSB信号产生方法有好几种。主要有滤波法和移相法两种。(1)、滤波法—先获得DSB信号，然后利用滤波器选出一个边带。这种方法的难点是不容易获得一个相对理想的单边带滤波器。(2)、移相法---利用移相网络，对载波和调制信号进行适当的相移，以便在相加过程中将其中的一个边带抵消而获得SSB信号。4、

SSB调制电路5/12/202456湖北大学物电学院余琼蓉图6―26滤波法产生SSB信号的框图(1)滤波法实现SSB5/12/202457湖北大学物电学院余琼蓉图6―27理想边带滤波器的衰减特性5/12/202458湖北大学物电学院余琼蓉移相法----是利用移相网络，对载波和调制信号进行适当的相移，以便在相加过程中将其中的一个边带抵消而获得SSB信号。

(2)移相法实现SSB在SSB信号分析中，我们已经得到了下5/12/202459湖北大学物电学院余琼蓉图6―28移相法SSB信号调制器

移相法的优点:省去了边带滤波器.要求：要把无用边带完全抑制掉，必须满足下列两个条件:(1)两个调制器输出的振幅应完全相同。(2)移相网络必须对载频及调制信号均保证精确的π／2相移。5/12/202460湖北大学物电学院余琼蓉图6―29移相法的另一种SSB调制器5/12/202461湖北大学物电学院余琼蓉第3节、调幅信号的解调解调－－从振幅已调波中将调制信号还原出来的过程称为解调。分类－－振幅解调方法可分为包络检波和同步检波两大类。包络检波－－是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。由于AM信号的包络与调制信号成线性关系,因此包络检波只适用于AM波。同步检波－－利用与载波信号同频同相位的同步信号进行解调的方法。可以解调AM，DSB，SSB信号。5/12/202462湖北大学物电学院余琼蓉一二极管峰值包络检波器1、包络检波原理框图2．原理电路组成3、工作原理4、性能指标5、非线性失真6、实际电路及元件选择7、二极管并联检波器8、小信号检波器

5/12/202463湖北大学物电学院余琼蓉包络检波的原理框图非线性器件产生新的频谱分量。低通滤波器选出所需的频谱分量。5/12/202464湖北大学物电学院余琼蓉其中：由三部分组成---A：由输入回路B：非线性器件二极管VDC：选频网络RC低通滤波器2．原理电路组成CA式中，ωc为输入信号的载频，在超外差接收机中则为中频ωI，Ω为调制频率。输入回路用信号源表示5/12/202465湖北大学物电学院余琼蓉3工作原理在理想情况下，RC网络的阻抗Z应为二极管加正向电压时导通，信号信号源对RC中的C充电。二极管加反向电压时截止，RC中的C对R放电。5/12/202466湖北大学物电学院余琼蓉加入等幅波时检波器的工作过程

5/12/202467湖北大学物电学院余琼蓉输入等幅高频振荡信号后

检波器稳态时二极管的电流电压波形大信号工作时，二极管和特性可折线表示，其中一段为过原点且斜率为gd的一条射线。5/12/202468湖北大学物电学院余琼蓉输入为AM信号时检波器的输出波形。输入为AM信号时二极管上的电流电压波形。5/12/202469湖北大学物电学院余琼蓉图6―38包络检波器的输出电路5/12/202470湖北大学物电学院余琼蓉过程小结(1)检波过程就是信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻R放电的交替重复过程。

(2)由于RC时常数远大于输入电压载波周期,放电慢，使得二极管负极永远处于正的较高的电位(因为输出电压接近于高频正弦波的峰值，即Uo≈Um)。

(3)二极管电流iD包含平均分量(此种情况为直流分量)Iav及高频分量。

5/12/202471湖北大学物电学院余琼蓉4．性能指标分析

性能指标传输效率输入电阻5/12/202472湖北大学物电学院余琼蓉性能指标传输系数Kd---或称为检波系数、检波效率，是用来描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。输入电阻---检波器的输入阻抗包括输入电阻Ri及输入电容Ci。输入电阻是输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基频分量振幅I1之比值。非线性失真---由于非线性元件二极管的非线性引真的输出信号对输入信号包络的失真。5/12/202473湖北大学物电学院余琼蓉传输系数KdKd

的定义－－若输入载波电压振幅为Um，输出直流电压为Uo，则Kd定义为若输入已调波包络振幅为mUc，输出交流电压为UΩ，则Kd定义为5/12/202474湖北大学物电学院余琼蓉Kd的求解求解步骤：A：二极管的特性折线近似B：二极管电流的数学表示C：求输出电压D：求KdE：影响的Kd因素5/12/202475湖北大学物电学院余琼蓉A：二极管的特性折线近似

式中，uD=ui-uo，gD=1/rD，θ为电流通角，iD是周期性余弦脉冲。5/12/202476湖北大学物电学院余琼蓉iD是周期性余弦脉冲。按付立叶级数分解，其直流分量I0为基频分量为B：二极管电流的数学表示C：求输出电压5/12/202477湖北大学物电学院余琼蓉关键求导通角θ按传输系数的定义有D：求传输系数Kd5/12/202478湖北大学物电学院余琼蓉求导通角θ当gDR很大时,如gDR≥50时，tanθ≈θ-θ3/35/12/202479湖北大学物电学院余琼蓉图6―39Kd～gDR关系曲线图图6―40滤波电路对Kd的影响影响Kd的因素5/12/202480湖北大学物电学院余琼蓉输入电阻Ri定义：输入电阻Ri－－输入电阻是输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基频分量振幅I1之比值，

作用：输入电阻是前级的负载，它直接并入输入回路，影响着回路的有效Q值及回路阻抗。5/12/202481湖北大学物电学院余琼蓉

当gDR≥50，θ很小时，sinθ≈θ-θ3/6,cosθ≈1-θ2/2,代入上式，可得：

输入电阻的求解：5/12/202482湖北大学物电学院余琼蓉5．非线性失真--惰性失真与负峰切割失真。(1)惰性失真现象---在Ui包络下降的一段时间，输出电压按电容C放电规律变化，而不随输入信号的包络变化，形成的失真。原因---RC过大，C放电太慢，跟不上输入信号的包络变化，形成的失真。5/12/202483湖北大学物电学院余琼蓉消除惰性失真的条件

为了避免产生惰性失真，必须在任何一个高频周期内，使电容C通过R放电的速度大于或等于包络的下降速度，即设：如果输入信号为单音调制的AM波，在t1时刻其包络的变化速度为5/12/202484湖北大学物电学院余琼蓉

二极管停止导通的瞬间,电容两端电压uC近似为输入电压包络值，uC=Um(1+mcosΩt)从t1时刻开始C通过R放电的速度为则有：5/12/202485湖北大学物电学院余琼蓉不同的t1，U(t)和Cu的下降速度不同，为避免产生惰性失真，必须保证A值最大时，仍有Amax≤1。故令da／dt1=0，得得出不失真条件如下:5/12/202486湖北大学物电学院余琼蓉现象---底部切削失真又称为负峰切削失真。原因----这种失真是因检波器的交流负载RLΩ与直流负载RLDC不同引起的。

(2)底部切削失真5/12/202487湖北大学物电学院余琼蓉因为Cg较大，在音频一周内，其两端的直流电压基本不变，其大小约为载波振幅值UC，可以把它看作一直流电源。它在电阻R和Rg上产生分压。在电阻R上的压降为5/12/202488湖北大学物电学院余琼蓉不产生负峰切割失真的条件调幅波的最小幅度为要避免底部切削失真,应满足UC(1-ma)5/12/202489湖北大学物电学院余琼蓉减小底部切削失真的电路出发点：减小交流负载RLΩ与直流负载RLDC的差别。

5/12/202490湖北大学物电学院余琼蓉6．实际电路及元件选择5/12/202491湖北大学物电学院余琼蓉检波器设计及元件参数选择的原则(1)回路有载QL值要大,(2)载波周期(3)(4)(5)5/12/202492湖北大学物电学院余琼蓉

7.二极管并联检波器除上面讨论的串联检波器外；峰值包络检波器还有并联检波器、推挽检波器、倍压检波器、视频检波器等。这里讨论并联检波器。5/12/202493湖北大学物电学院余琼蓉图6―46并联检波器及波形(a)原理电路(b)波形(c)实际电路5/12/202494湖北大学物电学院余琼蓉根据能量守恒原理，实际加到并联型检波器中的高频功率，一部分消耗在R上，一部分转换为输出平均功率，即当Uav≈UC时(UC为载波振幅)有(6―65)5/12/202495湖北大学物电学院余琼蓉

8.小信号检波器

小信号检波是指输入信号振幅在几毫伏至几十毫伏范围内的检波。这时,二极管的伏安特性可用二次幂级数近似，即

将它代入上式,可求得iD的平均分量和高频基波分量振幅为一般小信号检波时Kd很小,可以忽略平均电压负反馈效应,认为5/12/202496湖北大学物电学院余琼蓉若用ΔIav=Iav-a0表示在输入电压作用下产生的平均电流增量，则相应的Kd和Ri为5/12/202497湖北大学物电学院余琼蓉若输入信号为单音调制的AM波，因Ω<<ωc,可用包络函数U(t)代替以上各式中的Um5/12/202498湖北大学物电学院余琼蓉图6―47小信号检波5/12/202499湖北大学物电学院余琼蓉同步检波又可以分为乘积型和叠加型两类。它们都需要用恢复的载波信号ur进行解调。

1．乘积型同步检波

2.叠加型同步检波二同步检波5/12/2024100湖北大学物电学院余琼蓉图6―31同步解调器的框图

5/12/2024101湖北大学物电学院余琼蓉图6―32同步检波器乘积型同步检波叠加型同步检波5/12/2024102湖北大学物电学院余琼蓉

设输入信号为DSB信号,即us=UscosΩtcosωct，本地恢复载波ur=Urcos(ωrt+φ)，这两个信号相乘(6―72)经低通滤波器的输出，且考虑ωr-ωc=Δωc在低通滤波器频带内,有(6―73)1．乘积型同步检波

5/12/2024103湖北大学物电学院余琼蓉由上式可以看出,当恢复载波与发射载波同频同相时,即ωr=ωc,φ=0,则

uo=UocosΩt(6―74)

无失真地将调制信号恢复出来。