第7章調幅與解調

1、7 7 振幅調制與解調振幅調制與解調7 7 振幅調制與解調振幅調制與解調7.1 7.1 概述概述調幅是將要傳送的信息裝載到某一高頻載頻信號上去的過程。調幅是將要傳送的信息裝載到某一高頻載頻信號上去的過程。1.定義7.1 7.1 振幅調制簡述振幅調制簡述音頻放大器調制器激勵放大輸出功率放大載波振蕩器天線開關高頻放大混頻器中頻放大與濾波解調器音頻放大器話筒本地振蕩器揚聲器變頻器2. 調制的原因調制的原因4從切實可行的天線出發(fā)從切實可行的天線出發(fā)為使天線能有效地發(fā)送和接收電磁波，天線的幾何尺寸必為使天線能有效地發(fā)送和接收電磁波，天線的幾何尺寸必須和信號波長相比擬，一般不宜短于須和信號波長相比擬，一般

2、不宜短于1/4波長。波長。音頻信號音頻信號: 20Hz20kHz波長：波長：15 15000 km天線長度天線長度: 3.75 3750km2. 調制的原因調制的原因4便于不同電臺相同頻段基帶信號的同時接收便于不同電臺相同頻段基帶信號的同時接收頻譜搬移1c2c2. 調制的原因4可實現(xiàn)的回路帶寬可實現(xiàn)的回路帶寬基帶信號特點：頻率變化范圍很大?；鶐盘柼攸c：頻率變化范圍很大。QfBW0高頻窄帶信號高頻窄帶信號頻譜搬移頻譜搬移低頻（音頻）低頻（音頻）: 20Hz20kHz1000minmaxff高頻（射頻）高頻（射頻）:3minmaxffAM廣播信號: 535 1605kHz，BW=20kHz501

3、k1000k200fBW2k10k200fBWlowhigh2020k10k1000k100k3. 調制的方式和分類調制的方式和分類調幅調幅調相調相調制調制連續(xù)波調制連續(xù)波調制脈沖波調制脈沖波調制脈寬調制脈寬調制振幅調制振幅調制編碼調制編碼調制調頻調頻脈位調制脈位調制End4. 調幅的方法調幅的方法平方律調幅平方律調幅斬波調幅斬波調幅調幅方法調幅方法低電平調幅低電平調幅高電平調幅高電平調幅集電極調幅集電極調幅基極調幅基極調幅模擬乘法器調幅模擬乘法器調幅從振幅受調制的高頻信號中還原出原調制的信號。1.定義7.1 7.1 檢波簡述檢波簡述音頻放大器調制器激勵放大輸出功率放大載波振蕩器天線開關高頻放

4、大混頻器中頻放大與濾波解調器音頻放大器話筒本地振蕩器揚聲器變頻器2. 組成End3. 檢波的分類二極管檢波器二極管檢波器三極管檢波器三極管檢波器檢波檢波器件器件信號大小信號大小小信號檢波器小信號檢波器大信號檢波器大信號檢波器工作特點工作特點包絡檢波器包絡檢波器同步檢波器同步檢波器7.2 7.2 調幅波的性質調幅波的性質1. 普通調幅波的數(shù)學表示式普通調幅波的數(shù)學表示式首先討論單音調制的調幅波。載波信號： tV000cosv調制信號： tVcosv調 幅信號（已調波）： ttV0mAMcos)(v由于調 幅信號的振幅與調制信號成線性關系，即有： tVkVtVcos)(a0m，式中ak為比例常數(shù)即

5、： )cos1()cos1()(a00a0mtmVtVVkVtV式中ma為調制度， 0aaVVkm常用百分比數(shù)表示。ttmV0a0AMcos)cos1(v7.2.1 7.2.1 調幅波的數(shù)學表達式與頻譜調幅波的數(shù)學表達式與頻譜)1 (aomaxmVVoV)1 (aominmVV)cos1()(a0mtmVtV0min000max0minmaxa)(21VVVVVVVVVm調幅信號的振幅（包絡）變化規(guī)律與調制信號波形一致調幅度 反映了調幅的強弱度am00maxVVVm上0min0VVVm下2. 普通調幅波的頻譜（1）由單一頻率信號調 幅tmtmtVttmVt)cos(21)cos(21cosco

6、s)cos1 ()(0a0a000a0AMv 調制信號0載波調幅波0+上邊頻0-下邊頻nnnnntmtmtVtmtmtVttmVt)cos(21)cos(21cos)cos(21)cos(21coscoscos1)(0000000000nnnnnnnnnAMv信號帶寬max2B 0 (2) 限帶信號的調幅波maxo 調幅波maxmaxmaxmax調制信號載波0+max上邊帶0-max下邊帶 如果將普通調幅波輸送功率至電阻R上，則載波與兩個邊頻將分別得出如下的功率：00002Vma02Vma00VttmVtooacos)cos1 ()(v載波功率:RVP20oT21上邊頻或下邊頻:2a02SB1

7、SB2aoT111224m VPPm PR在調幅信號一周期內，AM信號的平均輸出功率是oTaDSBoTAMPmPPP)211 (27.2.2 7.2.2 調幅波中的功率關系調幅波中的功率關系 載波本身并不包含信號，但它的功率卻占整個調幅波功率的絕大部分。當ma1時，PoT(2/3)Po ；當ma0.5時，PoT(8/9)Po ； 從調幅波的頻譜圖可知，唯有它的上、下邊帶分量才實際地反映調制信號的頻譜結構，而載波分量僅是起到頻譜搬移的作用，不反映調制信號的變化規(guī)律。oT2aDSBoTAMPmPPP)211 ( End00002Vma02Vma00V電壓表達式普通調幅波ttmV0a0cos)cos

8、1 (載波被抑制雙邊帶調幅波ttVm00acoscos單邊帶信號tVm)cos(200a)cos(2(00tVma或波形圖頻譜圖 0- 0+ 0a21Vm 0- 0+ 0a21Vm 信號帶寬)2( 2)2( 22 0- 0+ 三種振幅調制信號雙邊帶調制雙邊帶調制7.3 7.3 平方律調幅平方律調幅 調幅波的共同之處都是在調幅前后產生了新的頻率分量，也就是說都需要用非線性器件來完成頻率變換。 這里將調制信號v與載波信號v0相加后，同時加入非線性器件，然后通過中心頻率為0的帶通濾波器取出輸出電壓vo中的調幅波成分。7.3.1 7.3.1 工作原理工作原理0300320020010)coscos()

9、coscos()coscos(tVtVtVtVtVtVaaaai)(222020VVaa022022Va02VVa2034302VVa20343033034Va0203303012343VVaVaVa00VVa02VVa022020343VVa2020343VVa2222Va33341VaVVaVaVa20333123430)(222020VVaa020002End 如果靜態(tài)工作點和輸入信號變換范圍選擇合適，非線性器件工作在滿足平方律的區(qū)段。201002002201002 0022 00022202 02122 00( coscos)( coscos)1111( coscos)(1 cos2)

10、(1 cos2 ) 2 cos()cos()2222111coscos2cos(222Vt VtVt VtVt VtVtVtVVVVVtVtVV i aaaaaaaaa +aaaa+a1 002 0022 00)coscos()1cos22VtVVVtaaaEnd201002000100222 0022 00020100200010(coscos)(coscos)(coscos)1111(1 cos2)(1 cos2) 2 cos()cos()2222(coscos)(coscos)(cVt VtVt VtVt VtVtVtVVVt VtVt VtV 12iaaaaaaaaiaaaaa0222

11、 0022 000oscos)1111(1 cos2)(1 cos2) 2 cos()cos()2222t VtVtVtVV aaa2000200200112cos4 cos()cos()222cos2cos()2cos()VtVVVtVVVV12iiaaa如果要獲得抑制載波的雙邊帶信號，觀察輸出電流表示式20020010)coscos()coscos(tVtVtVtVaaai120020010)coscos()coscos(tVtVtVtVaaai2總的輸出電流總的輸出電壓21iiiRo21iiv2002002 coscos()cos()oRRVtVVVV12viiaa載波抑制的雙邊帶7.3

12、.2 7.3.2 平衡調幅器平衡調幅器End二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線7.4 7.4 斬波調幅斬波調幅0100)(1tttS00cos cos 7.4.1 7.4.1 工作原理工作原理( )( )( )( )000( )( )( )11222coscos3cos5.235tttttSttvvtvtvtvv( )10001222coscos3cos5.235Stttt0cos 10cos 1200)(tttSEnd( )( )( )000( )( )( )1444coscos3cos5.35ttttSttvtvtvtvv( )2000444coscos3cos5.35Stttt1(

13、 )v t 的幅度足夠大7.4.2 7.4.2 實現(xiàn)斬波調幅的電路實現(xiàn)斬波調幅的電路End1( )v t 的幅度足夠大調制信號（音頻） ( )cosvtVt000( )cosv tVt被調信號（射頻） 5.4.2( )9.5.1t？得到的調幅波是：？（圖）？得到的調幅波是：？（圖）v已調信號12( )( )v tv t？7.5 7.5 模擬乘法器調幅模擬乘法器調幅End7.6 7.6 單邊帶信號的產生單邊帶信號的產生End 使所容納的頻道數(shù)目增加倍，大大提高波段利用率。 單邊帶調制能獲得更好的通信效果。 單邊帶調制的選擇性衰落現(xiàn)象要輕得多。 要求收、發(fā)設備的頻率穩(wěn)定度高，設備復雜，技術要求高。

14、7.6.1 7.6.1 單邊帶通信的優(yōu)缺點單邊帶通信的優(yōu)缺點1. 濾波器法7.6.2 7.6.2 產生單邊帶信號的方法產生單邊帶信號的方法1. 濾波器法00600400230010 100.006%300106%FfFfFFHzfHzfFFHzfHzf調制頻率： ，載波頻率：調制后，上下邊帶之間的相對距離：當，時候，當，時候， 必須強調指出，提高單邊帶的載波頻率決不能用倍頻的方法。因為倍頻后，音頻頻率也跟著成倍增加，使原來的調制信號變了樣，產生嚴重的失真。這是絕對不允許的。2. 相移法10010031201cos()cos() 21cos()cos() 2()cos()vVttvVttvK v

15、vKVt3v2. 相移法1 cos()10lg()1 cos()dB0001401021dBdB 其中： 為載波相移誤差， 為調制信號相移誤差當時，邊帶抑制度= ；當時，邊帶抑制度=；當時，邊帶抑制度=；End3. 第三種方法修正的移相濾波法 在單邊帶調幅與雙邊帶調幅之間，有一種折衷方式，即殘留邊帶調幅。它傳送被抑制邊帶的一部分，同時又將被傳送邊帶也抑制掉一部分。為了保證信號無失真地傳輸，傳送邊帶中被抑制部分和抑制邊帶中的被傳送部分應滿足互補對稱關系。 特點:所占頻帶比單邊帶略寬一些; 它在附近的一定范圍內具有兩個邊帶，因此在調制信號（例如電視信號）含有直流分量時，這種調制方式可以適用; 殘留

16、邊帶濾波器比單邊帶濾波器易于實現(xiàn)。7.7 7.7 殘留邊帶調幅殘留邊帶調幅End7.7 7.7 高電平調幅高電平調幅 高電平調幅電路能同時實現(xiàn)調制和功率放大，即用調制信號v去控制諧振功率放大器的輸出信號的幅度Vcm來實現(xiàn)調幅的。集電極調幅電路7.7.1 7.7.1 集電極調幅集電極調幅End C vb(t) VCC + L + VBB vb + + + VB(t) VCC vc(t) 基極調幅電路7.7.1 7.7.1 基極調幅基極調幅End補充：頻率變換補充：頻率變換混頻（變頻）：將高頻信號變?yōu)槟骋还潭l率 晶體管、二極管、差分對模擬乘法器（頻譜搬移） 第5.6，5.7，5.8節(jié)頻率倍頻：將

17、高頻信號的頻率變?yōu)樵瓉淼恼麛?shù)倍 晶體管：1、丙類放大器電流脈沖的諧波分量 2、晶體管結電容的非線性 第6.10節(jié)習題7.1、為什么調制必須利用電子器件的非線性特性才能實現(xiàn)？它和放大器在本質上有什么區(qū)別？解：1、電子器件的線性特性只能使信號在幅度上增大或者減小，而調制產生了新的頻率，即令原來的頻率產生了頻譜位移，所以，必須利用電子器件的非線性特性才能實現(xiàn)調制。 2、放棄器僅是對信號不失真地放大，不產生新頻率，因此不但不需要電子器件的非線性特性，而且應盡量避免，保證信號不失真。7.2、怎樣用被調放大器電路內的儀表（ ）來判斷調幅是否對稱？解：調幅如果對稱，則在未調制與調制兩種狀態(tài)時，表 的讀數(shù)字應

18、該無變化。7.3 有一正弦調制的調幅波方程式為 試求這電流的有效值，以及表示之。解：上式展開為假設該電流流經電阻R，22222222111() ()() 2221111()()122222aaeffaaaPRIImImPIIIImImmR0,CkII0CI00011coscos()cos()22aaiItImtImt01cos)cosaiImtt（7.4 有一調幅波方程式為1）、試求它所包含的各個分量的頻率與振幅；2）、繪出這個調幅波包絡的形狀，并求出峰值與谷值調幅度。解：625(10.7cos2 50000.3cos2 10000 )sin2 10vttt6666666611sincossi

19、n()sin()225sin2 1017.5cos2 5000 sin2 107.5cos2 10000 sin2 1025sin2 108.75sin2 (105000)sin2 (105000) 3.75sin2 (1010000)sin2 (1010000) vtttttttttt 、7.422225(10.7cos0.3cos2 )25 0.7sin0.6sin 2 )00.7sin0.6sin 200.7sin1.2sincos0sin0.71.2cos07sin0cos12cos1 cos22cos1125 1.4sin0cos1 cos22cos1VVVV 、令振幅則（若，則（）

20、或者，當時，2minmaxmax000min0107coscos22cos1 -0.319425 1.512025 1.537.50.51VVVVVVmVVVmV上下，當時，7.12 某發(fā)射機發(fā)射9kW的未調制載波功率。當載波被頻率 調幅時，發(fā)射功率為10.125kW，試計算調制度 。如果再加上另一個頻率為 的正弦波對它進行40%調幅后再發(fā)射，試求這兩個正弦波同時調幅時的總發(fā)射功率。解：01011222910.12591.1251920.540%0.410.72290.7210.845OTaaaaOTPWPPWWmmmm PWPWW（）（）用調幅時，因k邊頻功率（）kk即kW=1.125kW若

21、再用產生的調幅，則它的邊頻功率為k所以，總功率 = kW+1.125kW+kk11m27.7 7.7 包絡檢波包絡檢波非線性 電路低通濾 波器從已調波中檢出包絡信息，只適用于AM信號 輸入 AM信號檢出包絡信息7.7.1 7.7.1 包絡檢波器的工作原理包絡檢波器的工作原理電容充放電電容充放電設，V0 為電容上的初始電壓值；V1 為電容最終可充到或放到的電壓值；Vt 為t時刻電容上的電壓值。則， (-t/RC)t010101tV =V +(V -V ) 1-et = RC ln(V -V )/(V -V )或者EndC+RL+充電放電iDviivcvcvEndVDCC+vRL+充電放電iDvi

22、串聯(lián)型二極管包絡檢波器cv 下面討論這種檢波器的幾個主要質量指標：電壓傳輸系數(shù)（檢波效率）、輸入電阻和失真。1) 電壓傳輸系數(shù)(檢波效率)dimim aaVKm VVm V檢波器的音頻輸出電壓輸入調幅波包絡振幅定義：imVimaVmV7.7.2 7.7.2 包絡檢波器的質量指標包絡檢波器的質量指標1) 電壓傳輸系數(shù)(檢波效率)vDi D-vCVim 用分析高頻功放的折線近似分析法可以證明cosdK其中，是二極管電流通角，為檢波器負載電阻，d為檢波器內阻。 d33RR2) 等效輸入電阻 考慮到包絡檢波電路一般作為諧振回路的負載，它勢必影響回路選頻特性（Q），下面分析其等效電阻imidim2dVR

23、RIK 其中，Vim是輸入高頻電壓振幅， Iim是輸入高頻電流振幅。2) 等效輸入電阻 如果忽略二極管導通電阻上的損耗功率，則由能量守恒的原則，輸入到檢波器的高頻功率，應全部轉換為輸出端負載電阻上消耗的功率（注意為直流）220imid2VVRR0VVimid12RR即有，而Vo3) 失真 產生的失真主要有：惰性失真；負峰切割失真；非線性失真；頻率失真。 惰性失真(對角線切割失真) 惰性失真 (對角線切割失真）iima0( )1coscostVmttvima( )1cosV tVmt調幅波包絡imad( )sindV tV mtt 包絡變化率ttCiddCC)(v電容放電RitCC)(v放電速率

24、RCtCitt)()(CCCddvv假定此時Cima( )1costVmtv為避免失真ttVttddddC)()(vimad( )sindV tV m tt 包絡變化率0)(112RCma 惰性失真(對角線切割失真)2amax11()0mRCaammRC2max10)(112RCma + + v C + R RL VC Cc vi D 考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路負峰切割失真 (底邊切割失真) 隔直電容Cc數(shù)值很大，可認為它對調制頻率交流短路，電路達到穩(wěn)態(tài)時，其兩端電壓VCVim。imLRVRRRVVDCcvimV + + v C + R RL VC Cc vi D 考慮了

25、耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路V i m（1-m）V i mttmVoimicos)cos1 (vV R)cos1 (tmVimttmVoimicos)cos1 (vttmVoimicos)cos1 ( v)cos1 (tmVim)cos1 (tmVimV RV RV RV RV R + + v C + R RL VC Cc vi D 考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路負峰切割失真(底邊切割失真)要避免二極管截止發(fā)生，包絡幅度瞬時值必須滿足RimVtmVacos1RaimVmV1imLRVRRRVRRRRRRmLLLa/交、直流負載電阻越懸殊，ma越大，越容易發(fā)生該失

26、真。 + + v C + R RL VC Cc vi D 考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路 非線性失真這種失真是由檢波二極管伏安特性曲線的非線性所引起的。非線性 實現(xiàn)原理： iD v ， vi不變vD iD + + v C + R RL VC Cc vi D 考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路 頻率失真RCmax1Lminc1RCEnd例：在右圖所示的大信號二極管檢波電路中，已知輸入調制信號的載頻 ，調制頻率 二極管內阻 ，1）、若R增大到原來的10倍，C減小到原來的1/10，試問檢波器的電壓傳輸系數(shù)變化多少？此時檢波器的等效輸入電阻Rid變化多少？2）、若檢波器與下級電路連接，如圖中虛線 所示，耦合電容CC足夠大，ri2=50k 。為了不使檢