第五章振幅調(diào)制與解調(diào)

1、第五章 振幅調(diào)制與解調(diào)5.1振幅調(diào)制的基本概念一.調(diào)制的基本概念調(diào)幅 調(diào)頻 調(diào)相二.AM信號分析1數(shù)學表達式及波形為了便于分析，首先假設調(diào)制信號是一個單一頻率的余弦信號u=Umcost。載波uC=UCmcosCt，載波的角頻率c>>。普通調(diào)幅波的表示式為uAM=Um0(1+macost)·cosCt (5.11)其中 K為比例常數(shù)，ma為調(diào)幅度。普通調(diào)幅波時域波形如5.2所示。由圖可見，已調(diào)波振幅變化的包絡與調(diào)制信號的變化規(guī)律相同，這就說明調(diào)制信號已被寄載在已調(diào)波的幅度上了。調(diào)幅度ma通常都小于1，最大等于1。若ma大于1，已調(diào)波振幅變化的包絡就不同于調(diào)制信號，這是不允許

2、的。根據(jù)式(5.11)可以畫出形成普通調(diào)幅波的框圖，如圖5.1所示。 圖5.1 普通調(diào)幅波形成框圖圖5.2 載波、調(diào)制信號和已調(diào)波的波形(a)載波；(b)調(diào)制信號；(c)已調(diào)波 2.AM信號的頻譜及帶寬把普通調(diào)幅波的表示式展開，可以得到普通調(diào)幅波的各個頻譜分量。式(5.11)的展開式為上式中包含有三個頻率成分，即載波頻率C、載波與調(diào)制信號的和頻C+、差頻C-。調(diào)制信號u、載波uC和已調(diào)波uAM的頻譜如圖5.3所示。 圖5.3 AM調(diào)制的頻譜關系BAM=2max3.AM信號的功率普通調(diào)幅波中各個頻率成分所占有的能量大小可根據(jù)帕塞瓦爾公式求得。已調(diào)波UAM在單位電阻上消耗的平均功率Pav應當?shù)扔诟?/p>

3、個頻率成分所消耗的平均功率之和，即等于載波功率PC和邊頻功率PSB之和載波功率邊帶功率PSB等于上邊頻功率PSB上與下邊頻功率PSB下之和。PSB上與PSB下相等，且邊頻功率等于所以，已調(diào)波在單位電阻上消耗的平均功率上面分析的調(diào)制信號u是單一頻率的信號，實際上調(diào)制信號都是由多頻率成分組成的。如語音信號的頻率主要集中在3003400Hz范圍，所以廣播電臺播送這樣的語音信號，已調(diào)波的帶寬等于6800Hz，相鄰兩個電臺載波頻率的間隔必須大于6800Hz，通常取為10kHz。多頻調(diào)制情況下，調(diào)制信號的通用表示式為其中，f(t)是u歸一化的變化規(guī)律表示式，A是幅值。相應的已調(diào)波uAM時域波形如圖5.4a

4、所示，其頻譜如圖5.4b所示。由于調(diào)制信號占有一定的頻帶，所以載波頻率兩邊的頻譜分別叫做上邊帶和下邊帶。已調(diào)波的帶寬BAM=2max。上、下邊帶包含的信息是相同的，從信息傳送的角度出發(fā)，只傳送一個邊帶信息就可以了。圖5.4b 多頻調(diào)制M信號頻譜二.雙邊帶調(diào)制(DSB) 雙邊帶調(diào)制是僅傳送上、下邊帶而抑制載波的一種調(diào)制方式。雙邊帶信號可以直接通過調(diào)制信號與載波信號相乘的方法得到，如圖5.5所示。雙邊帶信號的表示式為uDSB=KuuC (5.12)K為常數(shù)。uDSB的時域波形如圖5.6所示，頻譜如圖5.7所示。由此兩圖可見，雙邊帶信號時域波形的包絡不同于調(diào)制信號的變化規(guī)律。30圖5.5 DSB信號

5、形成框圖圖5.6 DSB調(diào)制信號波形圖圖5.7 DSB調(diào)制信號的頻譜三.SSB信號分析單邊帶調(diào)制是僅傳送一個邊帶的調(diào)制方法。只傳送上邊帶信號叫上邊帶調(diào)制，只傳送下邊帶信號叫下邊帶調(diào)制。若調(diào)制信號為單一頻率信號時，上邊帶調(diào)制信號表達式為uSSB(t)=Um0cos(C+)t (5.13)下邊帶調(diào)制信號表達式為uSSB(t)=Um0cos(C-)t (5.14)時域波形和頻域的頻譜分別如圖5.8和5.9所示。從圖中可看出，單邊帶信號的包絡不再反映調(diào)制信號的變化規(guī)律，但與調(diào)制信號幅度的包絡形狀相同。單邊帶信號的頻率隨調(diào)制信號頻率的不同而不同，也就是說，調(diào)制信號頻率信息已寄載到已調(diào)波的頻率之中了。因此

6、可以說單邊帶調(diào)制是振幅和頻率都隨調(diào)制信號改變的調(diào)制方式，所以它的抗干擾性能優(yōu)于AM調(diào)制圖5.8 單頻調(diào)制SSB信號波形圖 圖5.9 單頻調(diào)制SSB信號的頻譜5.2普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路一.高電平調(diào)幅低電平調(diào)制電路是相對于高電平調(diào)制電路而言的。早期實現(xiàn)振幅調(diào)制都是在功率級進行的，電平比較高，所以把在功率級完成振幅調(diào)制的電路叫做高電平調(diào)制電路。高電平調(diào)制電路的基本原理是根據(jù)高頻諧振功率放大器的集電極調(diào)制特性和基極調(diào)制特性分別構成三極管集電極調(diào)制電路和基極調(diào)制電路。1.集電極調(diào)制集電極調(diào)制電路中，晶體管應該始終工作在過壓狀態(tài)。把調(diào)制信號u與直流電壓ECO串聯(lián)，使晶體管的集電極直流電壓變成為EC=ECO

7、+u。通過EC的變化，控制Ico、Ic1m變化，從而實現(xiàn)調(diào)制，如圖5.49所示。圖5.12 集電極調(diào)制電路圖5.13 集電極調(diào)制波形2.基極調(diào)制基極調(diào)制電路如圖5.50所示。三極管始終工作在欠壓狀態(tài)。把調(diào)制信號u與外加直流偏置電壓EBO串聯(lián)起來，使晶體管的基極直流偏置電壓EB=EBO+u(t)。通過EB變化，控制Ico、Ic1m變化，從而實現(xiàn)調(diào)制。有關高電平調(diào)制電路的分析在此就不再詳述了。圖5.14 基極調(diào)制電路圖5.15 基極調(diào)制波形一. 低電平調(diào)幅1. 利用模擬乘法器實現(xiàn)AM調(diào)幅圖5.16 2利用單二極管開關電路實現(xiàn)AM調(diào)幅用單二極管開關電路作為調(diào)制電路,可以完成AM信號的產(chǎn)生,圖517(

8、a)為單二極管調(diào)制電路。當UC>>U時,由式(538)可知,流過二極管的電流iD為圖5.175.3 DSB信號的產(chǎn)生電路1.二極管平衡調(diào)制電路圖5.18 單二極管開關電路只能產(chǎn)生AM信號,不能產(chǎn)生DSB信號。二極管平衡電路和二極管環(huán)形電路可以產(chǎn)生DSB信號iL中包含F(xiàn)分量和(2n+1)fc±F(n=0,1,2,)分量,若輸出濾波器的中心頻率為fc,帶寬為2F,諧振阻抗為RL,則輸出電壓為 2.二極管環(huán)形調(diào)幅電路為進一步減少組合分量,可采用雙平衡調(diào)制器(環(huán)形調(diào)制器)。在第5章已得到雙平衡調(diào)制器輸出電流的表達式(549),在u1=u,u2=uC的情況下,該式可表示為經(jīng)濾波后為

9、uo圖5.192. 利用乘法器產(chǎn)生DSB信號圖5.205.4 SSB信號的產(chǎn)生電路SSB信號是將雙邊帶信號濾除一個邊帶形成的。根據(jù)濾除方法的不同,SSB信號產(chǎn)生方法有好幾種,主要有濾波法和移相法兩種。1) 濾波法圖626是采用濾波法產(chǎn)生SSB的發(fā)射機框圖。圖5.21 濾波法產(chǎn)生SSB信號的框圖 圖5.22 理想邊帶濾波器的衰減特性2) 移相法移相法是利用移相網(wǎng)絡,對載波和調(diào)制信號進行適當?shù)南嘁?以便在相加過程中將其中的一個邊帶抵消而獲得SSB信號。在SSB信號分析中我們已經(jīng)得到了式(625),重寫如下:圖5.23 移相法SSB信號調(diào)制器移相法的優(yōu)點是省去了邊帶濾波器,但要把無用邊帶完全抑制掉,

10、必須滿足下列兩個條件:(1)兩個調(diào)制器輸出的振幅應完全相同(2)移相網(wǎng)絡必須對載頻及調(diào)制信號均保證精確的2相移。圖5.24 移相法的另一種SSB調(diào)制器5.5 調(diào)幅信號的解調(diào)一.調(diào)幅解調(diào)的方法 振幅解調(diào)方法可分為包絡檢波和同步檢波兩大類。包絡檢波是指解調(diào)器輸出電壓與輸入已調(diào)波的包絡成正比的檢波方法。由于AM信號的包絡與調(diào)制信號成線性關系,因此包絡檢波只適用于AM波。其原理框圖如圖525所示。圖5.25 包絡檢波的原理框圖圖5.26 同步解調(diào)器的框圖 同步檢波又可以分為乘積型(圖632(a)和疊加型(圖632(b)兩類。它們都需要用恢復的載波信號ur進行解調(diào)。圖5.27 同步檢波器二.二極管峰值包

11、絡檢波器1原理電路及工作原理圖633(a)是二極管峰值包絡檢波器的原理電路。它是由輸入回路、二極管VD和RC低通濾波器組成。式中,c為輸入信號的載頻,在超外差接收機中則為中頻I,為調(diào)制頻率。在理想情況下,RC網(wǎng)絡的阻抗Z應為圖5.28 二極管峰值包絡檢波器(a) 原理電路 (b)二極管導通 (c)二極管截止從這個過程可以得出下列幾點:(1) 檢波過程就是信號源通過二極管給電容充電與電容對電阻R放電的交替重復過程。圖5.29 加入等幅波時檢波器的工作過程 (2) 由于RC時常數(shù)遠大于輸入電壓載波周期,放電慢,使得二極管負極永遠處于正的較高的電位(因為輸出電壓接近于高頻正弦波的峰值,即UoUm)。

12、(3) 二極管電流iD包含平均分量(此種情況為直流分量)Iav及高頻分量。圖5.30 檢波器穩(wěn)態(tài)時的電流電壓波形圖5.31 輸入為AM信號時檢波器的輸出波形圖圖5.32 輸入為AM信號時,檢波器二極管的電壓及電流波形圖5.33 包絡檢波器的輸出電路 2性能分析1) 傳輸系數(shù)Kd檢波器傳輸系數(shù)Kd或稱為檢波系數(shù)、檢波效率,是用來描述檢波器對輸入已調(diào)信號的解調(diào)能力或效率的一個物理量。若輸入載波電壓振幅為Um,輸出直流電壓為Uo,則Kd定義為由于輸入大信號,檢波器工作在大信號狀態(tài),二極管的伏安特性可用折線近似。在考慮輸入為等幅波,采用理想的高頻濾波,并以通過原點的折線表示二極管特性(忽略二極管的導通

13、電壓VP),則由圖635有:式中,uD=ui-uo,gD=1/rD,為電流通角,iD是周期性余弦脈沖,其平均分量I0,基頻分量為 式中,0()、1()為電流分解系數(shù)。由式(643(a)和圖635可得由此可見,檢波系數(shù)Kd是檢波器電流iD的通角的函數(shù),求出后,就可得Kd。由式(646)Uo=I0R,有 等式兩邊各除以cos,可得當gDR很大時,如gDR50時,tan-3/3,代入式(6-50),有圖5.34 KdgDR關系曲線圖 圖5.35 濾波電路對Kd的影響 2) 輸入電阻Ri 檢波器的輸入阻抗包括輸入電阻Ri及輸入電容Ci,如圖641所示。輸入電阻是輸入載波電壓的振幅Um與檢波器電流的基頻

14、分量振幅I1之比值,即輸入電阻是前級的負載,它直接并入輸入回路,影響著回路的有效Q值及回路阻抗。由式(647),有圖5.36 檢波器的輸入阻抗當gDR50時,很小,sin-3/6, cos1-2/2,代入上式,可得3檢波器的失真1)惰性失真在二極管截止期間,電容C兩端電壓下降的速度取決于RC的時常數(shù)。圖5.37 惰性失真的波形為了避免產(chǎn)生惰性失真,必須在任何一個高頻周期內(nèi),使電容C通過R放電的速度大于或等于包絡的下降速度,即如果輸入信號為單音調(diào)制的AM波,在t1時刻其包絡的變化速度為二極管停止導通的瞬間,電容兩端電壓uC近似為輸入電壓包絡值,即uC=Um(1+mcost)。從t1時刻開始通過R

15、放電的速度為將式(656)和式(657)代入式(655),可得實際上,不同的t1,U(t)和Cu的下降速度不同,為避免產(chǎn)生惰性失真,必須保證A值最大時,仍有Amax1。故令dadt1=0,得代入式(658),得出不失真條件如下:圖5.38 底部切削失真2) 底部切削失真 底部切削失真又稱為負峰切削失真。產(chǎn)生這種失真后,輸出電壓的波形如圖643(c)所示。這種失真是因檢波器的交直流負載不同引起的。 因為Cg較大,在音頻一周內(nèi),其兩端的直流電壓基本不變,其大小約為載波振幅值UC,可以把它看作一直流電源。它在電阻R和Rg上產(chǎn)生分壓。在電阻R上的壓降為  調(diào)幅波的最小幅度為UC(1-m),由

16、圖643可以看出,要避免底部切削失真,應滿足圖5.39 減小底部切削失真的電路4實際電路及元件選擇圖5.40 檢波器的實際電路根據(jù)上面諸問題的分析,檢波器設計及元件參數(shù)選擇的原則如下: (1)回路有載QL值要大,(2) 為載波周期(3)(4)5. 二極管并聯(lián)檢波器除上面討論的串聯(lián)檢波器外,峰值包絡檢波器還有并聯(lián)檢波器、推挽檢波器、倍壓檢波器、視頻檢波器等。這里討論并聯(lián)檢波器。 圖5.41 并聯(lián)檢波器及波形(a)原理電路 (b)波形 (c)實際電路 根據(jù)能量守恒原理,實際加到并聯(lián)型檢波器中的高頻功率,一部分消耗在R上,一部分轉換為輸出平均功率,即當UavUC時(UC為載波振幅)有6小信號檢波器

17、小信號檢波是指輸入信號振幅在幾毫伏至幾十毫伏范圍內(nèi)的檢波。這時,二極管的伏安特性可用二次冪級數(shù)近似,即一般小信號檢波時Kd很小,可以忽略平均電壓負反饋效應,認為將它代入上式,可求得iD的平均分量和高頻基波分量振幅為若用Iav=Iav-a0表示在輸入電壓作用下產(chǎn)生的平均電流增量,則相應的Kd和Ri為若輸入信號為單音調(diào)制的AM波,因<<c,可用包絡函數(shù)U(t)代替以上各式中的Um圖5.42 小信號檢波6.2.3 同步檢波 1.乘積型設輸入信號為DSB信號,即us=Uscostcosct,本地恢復載波ur=Urcos(rt+),這兩個信號相乘經(jīng)低通濾波器的輸出,且考慮r-c=c在低通濾波

18、器頻帶內(nèi),有由上式可以看出,當恢復載波與發(fā)射載波同頻同相時,即r=c,=0,則uo=Uocost 無失真地將調(diào)制信號恢復出來。若恢復載波與發(fā)射載頻有一定的頻差,即r=c+cuo=Uocosctcost 引起振幅失真。若有一定的相差,則uo=Uocoscost 圖5.43 幾種乘積型解調(diào)器實際線路2. 疊加型疊加型同步檢波是將DSB或SSB信號插入恢復載波,使之成為或近似為AM信號,再利用包絡檢波器將調(diào)制信號恢復出來。對DSB信號而言,只要加入的恢復載波電壓在數(shù)值上滿足一定的關系,就可得到一個不失真的AM波。圖649就是一疊加型同步檢波器原理電路。設單頻調(diào)制的單邊帶信號(上邊帶)為us=Uscos(c+)t=Uscostcosct-U