第7章 調(diào)幅與解調(diào)

1、7 7 振幅調(diào)制與解調(diào)振幅調(diào)制與解調(diào)7 7 振幅調(diào)制與解調(diào)振幅調(diào)制與解調(diào)7.1 7.1 概述概述調(diào)幅是將要傳送的信息裝載到某一高頻載頻信號(hào)上去的過(guò)程。調(diào)幅是將要傳送的信息裝載到某一高頻載頻信號(hào)上去的過(guò)程。1.定義7.1 7.1 振幅調(diào)制簡(jiǎn)述振幅調(diào)制簡(jiǎn)述音頻放大器調(diào)制器激勵(lì)放大輸出功率放大載波振蕩器天線開(kāi)關(guān)高頻放大混頻器中頻放大與濾波解調(diào)器音頻放大器話(huà)筒本地振蕩器揚(yáng)聲器變頻器2. 調(diào)制的原因調(diào)制的原因4從切實(shí)可行的天線出發(fā)從切實(shí)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(hào)波長(zhǎng)相比擬，一般不宜短于須和信號(hào)波長(zhǎng)相比擬，一般

2、不宜短于1/4波長(zhǎng)。波長(zhǎng)。音頻信號(hào)音頻信號(hào): 20Hz20kHz波長(zhǎng)：波長(zhǎng)：15 15000 km天線長(zhǎng)度天線長(zhǎng)度: 3.75 3750km2. 調(diào)制的原因調(diào)制的原因4便于不同電臺(tái)相同頻段基帶信號(hào)的同時(shí)接收便于不同電臺(tái)相同頻段基帶信號(hào)的同時(shí)接收頻譜搬移1c2c2. 調(diào)制的原因4可實(shí)現(xiàn)的回路帶寬可實(shí)現(xiàn)的回路帶寬基帶信號(hào)特點(diǎn)：頻率變化范圍很大。基帶信號(hào)特點(diǎn)：頻率變化范圍很大。QfBW0高頻窄帶信號(hào)高頻窄帶信號(hào)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(hào): 535 1605kHz，BW=20kHz501

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

4、大混頻器中頻放大與濾波解調(diào)器音頻放大器話(huà)筒本地振蕩器揚(yáng)聲器變頻器2. 組成End3. 檢波的分類(lèi)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(hào)大小信號(hào)大小小信號(hào)檢波器小信號(hào)檢波器大信號(hào)檢波器大信號(hào)檢波器工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器同步檢波器同步檢波器7.2 7.2 調(diào)幅波的性質(zhì)調(diào)幅波的性質(zhì)1. 普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式首先討論單音調(diào)制的調(diào)幅波。載波信號(hào)： tV000cosv調(diào)制信號(hào)： tVcosv調(diào) 幅信號(hào)（已調(diào)波）： ttV0mAMcos)(v由于調(diào) 幅信號(hào)的振幅與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系，即有： tVkVtVcos)(a0m，式中ak為比例常數(shù)即

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

6、s)cos1 ()(0a0a000a0AMv 調(diào)制信號(hào)0載波調(diào)幅波0+上邊頻0-下邊頻nnnnntmtmtVtmtmtVttmVt)cos(21)cos(21cos)cos(21)cos(21coscoscos1)(0000000000nnnnnnnnnAMv信號(hào)帶寬max2B 0 (2) 限帶信號(hào)的調(diào)幅波maxo 調(diào)幅波maxmaxmaxmax調(diào)制信號(hào)載波0+max上邊帶0-max下邊帶 如果將普通調(diào)幅波輸送功率至電阻R上，則載波與兩個(gè)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(diào)幅信號(hào)一周期內(nèi)，AM信號(hào)的平均輸出功率是oTaDSBoTAMPmPPP)211 (27.2.2 7.2.2 調(diào)幅波中的功率關(guān)系調(diào)幅波中的功率關(guān)系 載波本身并不包含信號(hào)，但它的功率卻占整個(gè)調(diào)幅波功率的絕大部分。當(dāng)ma1時(shí)，PoT(2/3)Po ；當(dāng)ma0.5時(shí)，PoT(8/9)Po ； 從調(diào)幅波的頻譜圖可知，唯有它的上、下邊帶分量才實(shí)際地反映調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，而載波分量?jī)H是起到頻譜搬移的作用，不反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律。oT2aDSBoTAMPmPPP)211 ( End00002Vma02Vma00V電壓表達(dá)式普通調(diào)幅波ttmV0a0cos)cos

8、1 (載波被抑制雙邊帶調(diào)幅波ttVm00acoscos單邊帶信號(hào)tVm)cos(200a)cos(2(00tVma或波形圖頻譜圖 0- 0+ 0a21Vm 0- 0+ 0a21Vm 信號(hào)帶寬)2( 2)2( 22 0- 0+ 三種振幅調(diào)制信號(hào)雙邊帶調(diào)制雙邊帶調(diào)制7.3 7.3 平方律調(diào)幅平方律調(diào)幅 調(diào)幅波的共同之處都是在調(diào)幅前后產(chǎn)生了新的頻率分量，也就是說(shuō)都需要用非線性器件來(lái)完成頻率變換。 這里將調(diào)制信號(hào)v與載波信號(hào)v0相加后，同時(shí)加入非線性器件，然后通過(guò)中心頻率為0的帶通濾波器取出輸出電壓vo中的調(diào)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(diǎn)和輸入信號(hào)變換范圍選擇合適，非線性器件工作在滿(mǎn)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()VtV VVtV VV V12iiaaa如果要獲得抑制載波的雙邊帶信號(hào)，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21iiiRo21iiv2 002 002 coscos()cos()oRRVtVVVV12viiaa載波抑制的雙

12、邊帶7.3.2 7.3.2 平衡調(diào)幅器平衡調(diào)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(diào)幅斬波調(diào)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( )2000444coscos3cos5.35St

13、ttt1( )v t 的幅度足夠大7.4.2 7.4.2 實(shí)現(xiàn)斬波調(diào)幅的電路實(shí)現(xiàn)斬波調(diào)幅的電路End1( )v t 的幅度足夠大調(diào)制信號(hào)（音頻） ( )cosvtVt000( )cosv tVt被調(diào)信號(hào)（射頻） 5.4.2( )9.5.1t？得到的調(diào)幅波是：？（圖）？得到的調(diào)幅波是：？（圖）v已調(diào)信號(hào)12( )( )v tv t？7.5 7.5 模擬乘法器調(diào)幅模擬乘法器調(diào)幅End7.6 7.6 單邊帶信號(hào)的產(chǎn)生單邊帶信號(hào)的產(chǎn)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(diào)制能獲得更好的通信效果。 單邊帶調(diào)制的選擇性衰落現(xiàn)象要輕得多。 要求收、發(fā)設(shè)備的頻率穩(wěn)定度高，設(shè)備復(fù)雜，技

14、術(shù)要求高。7.6.1 7.6.1 單邊帶通信的優(yōu)缺點(diǎn)單邊帶通信的優(yōu)缺點(diǎn)1. 濾波器法7.6.2 7.6.2 產(chǎn)生單邊帶信號(hào)的方法產(chǎn)生單邊帶信號(hào)的方法1. 濾波器法00600400230010 100.006%300106%FfFfFFHzfHzfFFHzfHzf調(diào)制頻率： ，載波頻率：調(diào)制后，上下邊帶之間的相對(duì)距離：當(dāng)，時(shí)候，當(dāng)，時(shí)候， 必須強(qiáng)調(diào)指出，提高單邊帶的載波頻率決不能用倍頻的方法。因?yàn)楸额l后，音頻頻率也跟著成倍增加，使原來(lái)的調(diào)制信號(hào)變了樣，產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。這是絕對(duì)不允許的。2. 相移法10010031201cos()cos() 21cos()cos() 2()cos()vVttvVt

15、tvK vvKVt3v2. 相移法1 cos()10lg()1 cos()dB0001401021dBdB 其中： 為載波相移誤差， 為調(diào)制信號(hào)相移誤差當(dāng)時(shí)，邊帶抑制度= ；當(dāng)時(shí)，邊帶抑制度=；當(dāng)時(shí)，邊帶抑制度=；End3. 第三種方法修正的移相濾波法 在單邊帶調(diào)幅與雙邊帶調(diào)幅之間，有一種折衷方式，即殘留邊帶調(diào)幅。它傳送被抑制邊帶的一部分，同時(shí)又將被傳送邊帶也抑制掉一部分。為了保證信號(hào)無(wú)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(yīng)滿(mǎn)足互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)關(guān)系。 特點(diǎn):所占頻帶比單邊帶略寬一些; 它在附近的一定范圍內(nèi)具有兩個(gè)邊帶，因此在調(diào)制信號(hào)（例如電視信號(hào)）含有直流分量時(shí)，這種調(diào)制方式可以適

16、用; 殘留邊帶濾波器比單邊帶濾波器易于實(shí)現(xiàn)。7.7 7.7 殘留邊帶調(diào)幅殘留邊帶調(diào)幅End7.7 7.7 高電平調(diào)幅高電平調(diào)幅 高電平調(diào)幅電路能同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和功率放大，即用調(diào)制信號(hào)v去控制諧振功率放大器的輸出信號(hào)的幅度Vcm來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)幅的。集電極調(diào)幅電路7.7.1 7.7.1 集電極調(diào)幅集電極調(diào)幅End C vb(t) VCC + L + VBB vb + + + VB(t) VCC vc(t) 基極調(diào)幅電路7.7.1 7.7.1 基極調(diào)幅基極調(diào)幅End補(bǔ)充：頻率變換補(bǔ)充：頻率變換混頻（變頻）：將高頻信號(hào)變?yōu)槟骋还潭l率 晶體管、二極管、差分對(duì)模擬乘法器（頻譜搬移） 第5.6，5.7，5.8節(jié)頻

17、率倍頻：將高頻信號(hào)的頻率變?yōu)樵瓉?lái)的整數(shù)倍 晶體管：1、丙類(lèi)放大器電流脈沖的諧波分量 2、晶體管結(jié)電容的非線性 第6.10節(jié)習(xí)題7.1、為什么調(diào)制必須利用電子器件的非線性特性才能實(shí)現(xiàn)？它和放大器在本質(zhì)上有什么區(qū)別？解：1、電子器件的線性特性只能使信號(hào)在幅度上增大或者減小，而調(diào)制產(chǎn)生了新的頻率，即令原來(lái)的頻率產(chǎn)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(shí)現(xiàn)調(diào)制。 2、放棄器僅是對(duì)信號(hào)不失真地放大，不產(chǎn)生新頻率，因此不但不需要電子器件的非線性特性，而且應(yīng)盡量避免，保證信號(hào)不失真。7.2、怎樣用被調(diào)放大器電路內(nèi)的儀表（ ）來(lái)判斷調(diào)幅是否對(duì)稱(chēng)？解：調(diào)幅如果對(duì)稱(chēng)，則在未調(diào)制與調(diào)制兩種狀態(tài)時(shí)，表

18、的讀數(shù)字應(yīng)該無(wú)變化。7.3 有一正弦調(diào)制的調(diào)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(kāi)為假設(shè)該電流流經(jīng)電阻R，22222222111() ()() 2221111()()122222aaeffaaaPRIImImPIIIImImmR0,CkII0CI00011coscos()cos()22aaiItImtImt01cos)cosaiImtt（7.4 有一調(diào)幅波方程式為1）、試求它所包含的各個(gè)分量的頻率與振幅；2）、繪出這個(gè)調(diào)幅波包絡(luò)的形狀，并求出峰值與谷值調(diào)幅度。解：625(1 0.7cos2 50000.3cos2 10000 )sin2 10vttt6666666611si

19、ncossin()sin()225sin2 1017.5cos2 5000 sin2 107.5cos2 10000 si n2 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

20、則（若，則（）或者，當(dāng)時(shí)，2minmaxmax000min0107coscos22cos1 -0.319425 1.512025 1.537.50.51VVVVVVmVVVmV上下，當(dāng)時(shí)，7.12 某發(fā)射機(jī)發(fā)射9kW的未調(diào)制載波功率。當(dāng)載波被頻率 調(diào)幅時(shí)，發(fā)射功率為10.125kW，試計(jì)算調(diào)制度 。如果再加上另一個(gè)頻率為 的正弦波對(duì)它進(jìn)行40%調(diào)幅后再發(fā)射，試求這兩個(gè)正弦波同時(shí)調(diào)幅時(shí)的總發(fā)射功率。解：01011222910.12591.1251920.540%0.410.72290.7210.845OTaaaaOTPWPPWWmmmm PWPWW（）（）用調(diào)幅時(shí)，因k邊頻功率（）kk即kW=1

21、.125kW若再用產(chǎn)生的調(diào)幅，則它的邊頻功率為k所以，總功率 = kW+1.125kW+kk11m27.7 7.7 包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波非線性 電路低通濾 波器從已調(diào)波中檢出包絡(luò)信息，只適用于AM信號(hào) 輸入 AM信號(hào)檢出包絡(luò)信息7.7.1 7.7.1 包絡(luò)檢波器的工作原理包絡(luò)檢波器的工作原理電容充放電電容充放電設(shè)，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(shí)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

22、電放電iDvi串聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波器cv 下面討論這種檢波器的幾個(gè)主要質(zhì)量指標(biāo)：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(diào)幅波包絡(luò)振幅定義：imVimaVmV7.7.2 7.7.2 包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)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(fù)載電阻，d為檢波器內(nèi)阻。 d33RR2) 等效輸入電阻 考慮到包絡(luò)檢波電路一般作為諧振回路的負(fù)載，它勢(shì)必影響回路選頻特性（Q），下面分析其等效電阻imi

23、dim2dVRRIK 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(dǎo)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(yīng)全部轉(zhuǎn)換為輸出端負(fù)載電阻上消耗的功率（注意為直流）220imid2VVRR0VVimid12RR即有，而Vo3) 失真 產(chǎn)生的失真主要有：惰性失真；負(fù)峰切割失真；非線性失真；頻率失真。 惰性失真(對(duì)角線切割失真) 惰性失真 (對(duì)角線切割失真）iima0( )1coscostVmttvima( )1cosV tVmt調(diào)幅波包絡(luò)imad( )sindV tV mtt 包絡(luò)變化率ttCiddCC)(v電容放電RitCC

24、)(v放電速率RCtCitt)()(CCCddvv假定此時(shí)Cima( )1costVmtv為避免失真ttVttddddC)()(vimad( )sindV tV m tt 包絡(luò)變化率0)(112RCma 惰性失真(對(duì)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(fù)峰切割失真 (底邊切割失真) 隔直電容Cc數(shù)值很大，可認(rèn)為它對(duì)調(diào)制頻率交流短路，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，其兩端電壓VCVim。imLRVRRRVVDCcvimV + + v C + R RL VC Cc v

25、i D 考慮了耦合電容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(fù)峰切割失真(底邊切割失真)要避免二極管截止發(fā)生，包絡(luò)幅度瞬時(shí)值必須滿(mǎn)足RimVtmVacos1RaimVmV1imLRVRRRVRRRRRRmLLLa/交、直流負(fù)載電阻越懸殊，ma越大，

26、越容易發(fā)生該失真。 + + 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(shí)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(hào)二極管檢波電路中，已知輸入調(diào)制信號(hào)的載頻 ，調(diào)制頻率 二極管內(nèi)阻 ，1）、若R增大到原來(lái)的10倍，C減小到原來(lái)的1/10，試問(wèn)檢波器的電壓傳輸系數(shù)變化多少？此時(shí)檢波器的等效輸入電阻Rid變化多少？2）、若檢波器與下級(jí)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