通信電子電路第六章

1、何豐 主編人民郵電出版社授課 曾浩重慶郵電大學(xué)非線性電子電路（通信電子電路）第六章 幅度調(diào)制與解調(diào)6.1 概述6.2 普通調(diào)幅和解調(diào)的基本性質(zhì)及電路分析6.3 雙邊帶調(diào)幅和解調(diào)的基本性質(zhì)及電路分析6.4* 單邊帶調(diào)幅和解調(diào)的原理及實(shí)現(xiàn)方法6.5* 殘留邊帶調(diào)幅和解調(diào)的原理及實(shí)現(xiàn)方框6.6 信號(hào)目標(biāo)與電路的形成 在頻帶通信系統(tǒng)的傳輸中，總存在著一類稱為調(diào)制和解調(diào)的電路。這類電路使得各種原始信息在同一時(shí)間內(nèi)利用同一信道空間進(jìn)行多路通信成為可能；同時(shí)，它也是長(zhǎng)距離無(wú)線信息傳送的基本方法。本章介紹的幅度調(diào)制和解調(diào)就是其中的一種模式。6.1 概 述 幅度調(diào)制也稱為調(diào)幅，相應(yīng)的解調(diào)稱為檢波。調(diào)幅與檢波應(yīng)同

2、時(shí)存在于同一通信系統(tǒng)中，并滿足一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。就目前來(lái)看，調(diào)幅可以分成四種類型：1. 即普通調(diào)幅，簡(jiǎn)記為AM；2. 雙邊帶調(diào)幅，簡(jiǎn)記為DSB；3. 單邊帶調(diào)幅，簡(jiǎn)記為SSB；4. 殘留邊帶調(diào)幅，簡(jiǎn)記為VSB。 對(duì)時(shí)域的理解有利于區(qū)別調(diào)幅和調(diào)角的差異；但對(duì)于區(qū)分不同調(diào)幅的產(chǎn)物調(diào)幅波（也稱已調(diào)波）則是不夠的。從頻域角度來(lái)看，可以理解為將基帶信號(hào)頻譜搬移到高頻載波頻率附近的線性頻譜搬移。 解調(diào)的作用是從已調(diào)波中還原一個(gè)與原基帶信號(hào)變化規(guī)律一致的電信號(hào)。6.2 普通調(diào)幅和解調(diào)的基本性質(zhì)及電路分析 為便于討論，我們?cè)O(shè)高頻載波為：（6-2-1）式中，VCM稱為載波振幅，c為載波角頻率， 為載波的初相，它們

3、均為常數(shù)。 同時(shí)，我們?cè)O(shè)基帶信號(hào)為v(t)，通常也叫做調(diào)制信號(hào)。它代表需要傳送的信息。 普通調(diào)幅是指調(diào)制信號(hào)按某一特定方式去控制高頻載波振幅的調(diào)制過(guò)程。相應(yīng)的調(diào)制電路應(yīng)具有和兩個(gè)輸入信號(hào)，一個(gè)輸出已調(diào)波信號(hào)。具體說(shuō)來(lái)應(yīng)表示為：（6-2-2）式中，K、K0均為常數(shù)。它們表示電路在完成調(diào)制過(guò)程中形成的轉(zhuǎn)換比例， K的單位為1/伏。 。 但是，滿足式（6-2-2）的波形并不一定是AM波。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)AM波的特殊性，我們令：（6-2-3） 一個(gè)實(shí)際的AM已調(diào)波，在時(shí)域內(nèi)的任一瞬間均應(yīng)滿足下式：（6-2-5）（6-2-4）即： 為了說(shuō)明實(shí)際AM波滿足式（6-2-5）的程度，我們定義一個(gè)無(wú)量綱的調(diào)制指數(shù)

4、m，其定義如下：（6-2-6）式中，a(t)max和a(t)min分別指a(t)的最大值和最小值。 結(jié)合式（6-2-4），可以得出如下結(jié)論。當(dāng)m大于1時(shí)，式（6-2-5）是不成立的；當(dāng)m在1和0之間時(shí)，式（6-2-5）是成立的。通常我們稱m=1為百分之百的調(diào)幅。 圖6-2-1表示了不同m條件下，滿足式（6-2-2）的波形。 無(wú)論m是否大于1，我們都將式（6-2-2）的最大值連成的光滑曲線（如圖6-2-1所示的波形上的虛線）稱為上包絡(luò)，將最小值連成的光滑曲線稱為下包絡(luò)。 如設(shè)v(t)加直流的頻譜為F(j)，最大角頻率m，則已調(diào)波的頻譜為：（6-2-7） 結(jié)合圖6-2-2，可以看出：只有當(dāng)成立時(shí)，

5、基帶頻譜與已調(diào)波頻譜在調(diào)制電路的信號(hào)空間中不會(huì)重疊，基帶頻譜結(jié)構(gòu)與已調(diào)波頻譜結(jié)構(gòu)之間存在某種線性搬移關(guān)系，即已調(diào)波頻譜結(jié)構(gòu)中的某些部分完全與基波相同。 為了與后幾節(jié)要講的其它調(diào)幅相區(qū)別，我們常將普通調(diào)幅波記為VAM(t)或 iAM(t)。 由頻帶定義可知， VAM(t)頻帶為調(diào)制信號(hào)的兩倍。此外，在頻譜中，常將大于 小于 以及大于 小于 的頻譜分量一起稱為下邊帶。把大于 和小于 的頻譜分量稱為上邊帶。不難看出，AM波的上邊帶能獨(dú)立地反映原調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，下邊帶也有類似情況。例題6.2.1 已知調(diào)制信號(hào)為單音 時(shí)， AM已調(diào)波振幅峰值a(t)max =1.9V、振幅谷值a(t)min =0.

6、6V，K=0.91/V。求已調(diào)波載波分量的振幅Vm0， 原調(diào)制信號(hào)振幅Vm以及調(diào)制系數(shù)m。解：由式（6-2-3）可得：聯(lián)立解得：V，V那么：V由式（6-2-6）得： 現(xiàn)在我們討論式（6-2-2）的電壓波作用于電阻R時(shí)得平均功率。 設(shè)v (t)=V mcos( t) ，則R上得瞬時(shí)功率為：(6-2-8)(6-2-9)又由于=c，所以R上得平均功率為：式中：(6-2-10)(6-2-11) 由式（6-2-2）可以看出，AM波中的載波分量單獨(dú)作用于R上的平均功率，正好與式（6-2-10）的相等。因此可稱為載波功率。同樣，式（6-2-11）表示的正好與單獨(dú)作用R時(shí)的平均功率相等，因而被認(rèn)為是上、下邊頻

7、的總功率。6.2.1 AM波調(diào)制電路分析 調(diào)制電路按輸出已調(diào)波功率的大小分為高電平振幅調(diào)制電路和低電平振幅調(diào)制電路兩大類，如圖6-2-3所示。1. 高電平調(diào)制技術(shù) 高電平調(diào)幅的基本電路是高頻諧振功率放大器，但它與功放的差異在于加到功放的電源（包括信號(hào)源）方式比較特別。如在直接的模擬調(diào)制時(shí)，采用的具體作法是：a) 將功放的輸入信號(hào)源用一等幅、等頻的載波信號(hào)代 替。b) 將功放的直流電源用一個(gè)變化較緩的、受調(diào)制信號(hào) 控制的電源來(lái)代替。代替的具體方法與選用的電路 有關(guān)。（1）直接的模擬調(diào)制電路 這類電路大體有三種基本類型。它們分別是：基極調(diào)幅電路、集電極調(diào)幅電路、以及D類調(diào)幅電路。（一）C類基極調(diào)幅

8、電路 基極調(diào)幅原理電路如圖6-2-4（d）所示，圖中通過(guò)電容實(shí)現(xiàn)各種頻率信號(hào)的相互隔離。其中，C2對(duì)包括調(diào)制信號(hào)在內(nèi)的交流信號(hào)接近于短路；C1對(duì)載波信號(hào)短路，對(duì)調(diào)制信號(hào)和直流接近于開(kāi)路；C3為交流旁路電容。若為單音調(diào)制，三極管BE端的電壓可表示為：（6-2-12） 根據(jù)的實(shí)際情況，可認(rèn)為在載波的若干個(gè)周期內(nèi)，基本上是一個(gè)不變的常數(shù)。因此，可將這一電路看成是輸入信號(hào)為、直流偏壓緩慢變化的丙類諧振放大器。 由以上分析，可以定性得出此調(diào)幅電壓的特點(diǎn)如下：第一、由于此電路總是工作在欠壓區(qū)，因而集電極效 率不可能很高。第二、由圖6-2-4（b）可知：當(dāng)靠近過(guò)壓區(qū)時(shí)，隨增 加而增大的數(shù)值略為減緩，在較小時(shí)

9、，又會(huì)出 現(xiàn)下降不足的情況。由此，在變化范圍較大時(shí)， 電路輸出電壓的波形與理想AM波形是不可能一 致的，這就是常說(shuō)的調(diào)制非線性。第三、由于調(diào)制信號(hào)是加于管子輸入回路的，因此電 路所需信號(hào)源的輸出功率（常稱調(diào)制功率）較 小。 正是由于上述三個(gè)特點(diǎn)?；鶚O調(diào)幅一般只是在輸出AM波功率要求不太大、發(fā)射機(jī)性能要求不很嚴(yán)時(shí)用作高電平調(diào)制電路。（二）C類集電極調(diào)幅電路 集電極調(diào)幅原理電路如圖6-2-5（a）所示。圖中的C2對(duì)包括調(diào)制信號(hào)在內(nèi)的交流信號(hào)起旁路作用；CC只對(duì)c附近及其以上頻率的信號(hào)旁路，對(duì)則是開(kāi)路；CB為交流旁路電容。若為單音調(diào)制，CC的電壓為： （a）電路 （b）丙類功放特性 圖6-2-5 C

10、類集電極調(diào)制（6-2-13） 圖6-2-5（b）為變化時(shí)，引起C類功放改變的特性曲線。若我們將定于過(guò)壓區(qū)的中點(diǎn)，則可利用與的關(guān)系實(shí)現(xiàn)AM調(diào)制。此調(diào)制電路具有如下特點(diǎn)：第一、由于調(diào)制電路中與直流電源是串聯(lián)的關(guān)系。因 此，流過(guò)的電流較大，要求信號(hào)源提供的功率 也較大。第二、由于此時(shí)電路工作于過(guò)壓區(qū)，因此集電極效率 比基極調(diào)幅電路高得多，可以證明它與C類功 放在臨界時(shí)得效率基本相等（見(jiàn)第三章習(xí)題8）。第三、若考慮到三極管輸出電壓對(duì)輸入特性的影響（ 可參見(jiàn)低頻電子電路得分析），即增大時(shí)減小， 以及三極管輸入回路變壓器的串聯(lián)損耗電阻。 我們可得出：當(dāng)增大時(shí)，三極管B、E端的直 流正向壓降將會(huì)增大。這一增

11、量正好可部分克 服增大過(guò)程中，由圖6-2-5（b）特性得到的增 量不足的缺陷。第四、 正是由于C類集電極調(diào)幅的第三個(gè)特點(diǎn)，我們 可以制作較為實(shí)用的集電極-基極雙重調(diào)幅電路。（三）D類集電極調(diào)幅電路 這種調(diào)幅的原理電路如圖6-2-6所示。其中C1為交流旁路電容；C2對(duì)c分量短路，對(duì)和直流應(yīng)看成是開(kāi)路。這樣，在單音調(diào)制時(shí)，應(yīng)為：（6-2-14）若將此式帶入D類功放的表達(dá)式中，可得：（6-2-15） 與C類集電極調(diào)幅一樣，D類調(diào)幅也需要較大的調(diào)制信號(hào)功率。此外，由于D類功放的效率較高，D類調(diào)幅電路的集電極效率比C類高，電路可靠性也優(yōu)于C類。 就目前情況而言，大致有三種方式進(jìn)行的功率放大，框圖如圖6-

12、2-7所示。（2）* 間接的數(shù)字調(diào)制電路（DAM） 數(shù)字調(diào)幅（DAM）是近年才出現(xiàn)的一種模擬調(diào)制技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于它的整機(jī)效率可達(dá)到86%，其中高頻功放的效率在90%左右，它的指標(biāo)也有明顯的優(yōu)越性。 這種電路的結(jié)構(gòu)如圖6-2-8（a）所示。其中A/D和開(kāi)關(guān)控制形成電路是屬于脈沖數(shù)字電路的內(nèi)容，這里不作具體分析。圖中的PA為載波功率放大單元電路，其輸出要么為零，要么就為等幅的載波信號(hào) 圖6-2-8（b）的波形是由多個(gè)同相PA輸出波經(jīng)疊加（或稱合成）得到的，PA的個(gè)數(shù)不同，輸出的幅度就不一樣。如將PA的個(gè)數(shù)按圖（b）信號(hào)的大小進(jìn)行定時(shí)的調(diào)整，就可使輸出波（c）圖所示的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律近似

13、一致。由數(shù)字信號(hào)形成理論知道：PA數(shù)量調(diào)整的時(shí)間越短，PA的數(shù)目越多，則越接近理想情況，圖（a）中的帶通濾波器就越容易實(shí)現(xiàn)。 圖6-2-9（b）是PA的一個(gè)電路原理圖。它相當(dāng)于一個(gè)可控高頻D類功放，屬于電壓開(kāi)關(guān)型。 一旦控制電壓滿足下式：（6-2-16） 輸入激勵(lì)就加不到場(chǎng)效應(yīng)管T2或T4上，即不能完成T2和T4的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。這時(shí)輸出始終處于關(guān)斷狀態(tài)。 當(dāng)控制電壓滿足下式時(shí)：（6-2-17） 輸入激勵(lì)將不受VD5 、VD6支路的影響，直接加于T2和T4的柵源之間。只要Vs為足夠大的方波，T2和 T4的漏源間就會(huì)輪流導(dǎo)通，近似為輪流短路。 當(dāng)滿足式（6-2-17）時(shí)，電路的工作情況如下： Vs大于

14、VGsm，T1和T4漏源間被接通，T2和T3漏源間被斷開(kāi)，因此VoVDD。如Vs-小于VGsm ，則T1和T4斷開(kāi)，T2和T3接通， Vo-VDD ?？梢?jiàn)，在的方波作用下，可在 由此可見(jiàn)，的大小是T2和T4能否能工作的先決條件。因此，這里的可以起到圖6-2-9（a）所示的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的作用。輸出變壓器次級(jí)上得到一個(gè)幅度約為2VDD的方波電壓。這一方波在幅度上遠(yuǎn)大于Vs ，方波的周期應(yīng)與輸入方波周期一致，電路輸出的功率比輸入信號(hào)源大。2. 低電平調(diào)幅電路（MC1596） 低電平調(diào)幅的基本原理是利用信號(hào)分析中的頻譜位移理論實(shí)現(xiàn)的。具體說(shuō)來(lái)是將與載波信號(hào)通過(guò)時(shí)域內(nèi)的乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)在以MC1596

15、集成乘法器為例，就其使用條件作簡(jiǎn)單的分析。圖6-2-10（a）為MC1596的內(nèi)部原理電路，（b）為MC1596構(gòu)成的普通調(diào)幅電路圖。 利用5.3.1節(jié)式（5-3-9）的原理可以證明，在正常使用條件下，（b）圖的Vo(t)可表示為： （a）雙重差分對(duì)MC1496/MC1596 b）MC1596的外接電路 圖6-2-10 AM調(diào)幅電路（6-2-18）式中，A為乘法電路的比例常數(shù)，其大小取決于負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和6、9端外接的3.9K電阻等元器件。V14d和V78d分別為加于集成電路1、4腳間和8、7腳間的差模電壓。A（b）圖電阻R5為MC1596中T7、T8提供了處于放 大狀態(tài)的基極偏置它的大小改變可使（

16、a）圖中的 I0數(shù)值不同，其關(guān)系為：（6-2-19） 一般情況下I0為1mA左右，不能太大和太小。此外 ， T7、T8發(fā)射極電阻有抑制I0 溫漂的作用。B（a）圖中T5和T6應(yīng)工作于小信號(hào)放大狀態(tài)，圖（b） 1、4端的瞬時(shí)最小電壓、應(yīng)滿足： （ 6-2-20）（6-2-21） 從電流角度考慮，T5、T6發(fā)射極電流不應(yīng)小于I0/3。若過(guò)小，則交流變化范圍過(guò)大，輸出波中與諧波分量有關(guān)的頻率成分會(huì)增強(qiáng)。由此，在T5、T6忽略，即：（6-2-22）條件下，輸入差模信號(hào)v1.4d的最大值應(yīng)限制在：（6-2-23） （b）圖中的50k可調(diào)電阻在1、4端各分得R1和R4的阻值，則可將原圖部分電路的近似等效電

17、路畫成圖6-2-11?？紤]到IVEEI較大，51較小，以及T5、T6的較大值，可以認(rèn)為1、4端的共模電壓為：（6-2-24） 又考慮到R =1k的值較大，加于1、4端的差模電壓為：（6-2-25）在R=0時(shí)，（6-2-26）在R=25K時(shí)，在R=50K時(shí)，（6-2-27）（6-2-28） 由此可見(jiàn)，R4的改變，會(huì)引起V1.4d中的直流分量變化，進(jìn)而影響了V的允許變化范圍。 另外，如果考慮到很大時(shí)，可允許有比式（6-2-23）更寬松的條件，則的最大振幅還可以適當(dāng)加大些。C 圖6-2-10（b）采用了一個(gè)51的電阻為8腳提供 直流通路。但由于51的阻值較小，其上的直流 壓降可忽略不計(jì)。這時(shí)有：（6

18、-2-29）（6-2-30）（6-2-31） 很明顯，在保證T5、T6管工作于放大區(qū)條件下，7、8端的電流變化范圍是可觀的。D 若將式（6-2-25）和式（6-2-30）代入式（6-2- 18）后，可得出以下兩個(gè)結(jié)論。第一、Vo(t)與溫度T有關(guān)。第二、 Vo(t)中含有與Wc諧波分量有關(guān)的項(xiàng)。E 由于調(diào)制AM波時(shí)，必需滿足，因此01的情況）。 第二、頻域內(nèi)，有載波的DSB波頻譜圖與AM波類似，只是Wc分量的強(qiáng)度較弱。無(wú)載波的DSB波頻譜中則完全沒(méi)有Wc分量存在，而其它分量與有載波時(shí)的一樣。6.3.1 DSB波調(diào)幅電路分析 在時(shí)域內(nèi)，DSB波VDSB(t)不總能保證KV(t)+K10成立。由此

19、，在AM調(diào)制中采用的高電平直接模擬調(diào)制電路在這里就不適用了。1. 由MC1596構(gòu)成的調(diào)制電路 圖6-3-1為采用MC1596實(shí)現(xiàn)DSB波的部分電路（C為耦合電容），其余部分與圖6-2-10（b）相同 由圖6-3-1可知，當(dāng)集成塊的1、4端直流電位相等，即1、4端的壓差可寫為：(6-3-2)代入式（6-2-18），有：(6-3-3) 通過(guò)數(shù)學(xué)分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)在V8,7d=Vc(t)條件下，能很方便地實(shí)現(xiàn)DSB/SC波。2. 二極管環(huán)形調(diào)制器的特殊分析 圖6-3-2（a）是利用二極管構(gòu)成的環(huán)形調(diào)制器的原理圖，（b）為相應(yīng)的實(shí)用電路。 設(shè)Vc(t)的振幅遠(yuǎn)大于V(t)的最大值，變壓器為理想變壓器，二極

20、管的導(dǎo)通電壓等于零，導(dǎo)通電阻等于RD（如圖6-2-18（b）的特性）。 只有當(dāng)時(shí)Vc+ V0時(shí)，D1管才導(dǎo)通。又由于有Vc的振幅遠(yuǎn)大于|V|max的條件，所以D1的導(dǎo)通時(shí)間接近于Wc的半個(gè)周期（可參考圖6-2-14（b）中A、B兩點(diǎn)間的時(shí)間差分析），即在時(shí)Vc0時(shí)， D1才導(dǎo)通。由圖中Vc、V、Tr2、D4構(gòu)成的回路可知，D4的導(dǎo)通也是在Vc0的條件下才成立。同理可得，D2、D3的導(dǎo)通時(shí)間與VcBmax（B的最大可能值）時(shí)，式（6-4-10）可近似為：（6-4-12） 同一條件下，有 0。即式（6-4-9）可變?yōu)椋海?-4-13） 可見(jiàn)，在近似情況下，包絡(luò)解調(diào)可以用于大載波的SSB信號(hào)解調(diào)。我

21、們稱這種SSB波為兼容的單邊帶信號(hào)，簡(jiǎn)記為SSB-LC。6.5* 殘留邊帶調(diào)幅和解調(diào)的原理及實(shí)現(xiàn)方框 殘留邊帶調(diào)幅可簡(jiǎn)記為VSB，它特別適用于低頻分量豐富的調(diào)制信號(hào)。VSB已調(diào)波的帶寬介于DSB和SSB之間，實(shí)現(xiàn)方法常采用與單邊帶相似的濾波法。濾波器的頻率特性H =|H(jw)|如圖6-5-1（b）的虛線所示，圖中實(shí)線為DSB信號(hào)的頻譜FDSB(w )=|FDS(jw )|。（a）方框圖 (b) 頻譜圖 圖6-5-1VSB實(shí)現(xiàn) 我們從解調(diào)的角度出發(fā)，具體給出H =|H(jw)|在數(shù)學(xué)上的限制條件。 首先，設(shè)含載頻DSB波的頻譜（式（6-2-7）如下：（6-5-1） 經(jīng)VSB調(diào)制電路中的邊帶濾波

22、器后，信號(hào)頻譜變?yōu)椋海?-5-2）這時(shí)，如采用同步解調(diào)，則解調(diào)后的低頻信號(hào)頻譜為：（6-5-3） 由此，我們可以得出：只有當(dāng)下式成立時(shí)，上述調(diào)制中得濾波器才是合理的。實(shí)常數(shù)（6-5-4） 但如考慮到式（6-5-3）中F(jw)的頻率范圍，則H(jw)只要能在-mw+m范圍內(nèi)滿足式（6-5-4）的要求就行了。圖6-5-2表示了滿足式（6-5-4）的一種H(jw)頻率情況。例題6.5.1 設(shè)有一個(gè)雙音頻的調(diào)制信號(hào)如： ，相應(yīng)的含載頻的DSB波可表示為： 那么，我們可在滿足式（7-5-4）的條件下，確定一個(gè)包含上邊帶和部分下邊帶（與圖6-5-2所示不一致的）的VSB波表達(dá)式。 式中，k為比例常數(shù)，c

23、oswct前的1/2、cos(wc-3)t前的1/5、cos(wc+3)t前的4/5均是由H(jw)來(lái)決定的。 接收時(shí)，通過(guò)同步信號(hào)coswct ，在乘法器中與相VVSB(t) 乘后，可得： 經(jīng)低通濾波器濾除高頻無(wú)用成分，可得： 顯然，將此信號(hào)去掉直流分量后就可得到原調(diào)制信號(hào)。 通過(guò)以上分析，我們對(duì)VSB波有了一個(gè)較完整的印象。從VSB的調(diào)制來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的是VSB的邊帶濾波器。圖7-5-3給出了一個(gè)模擬電視發(fā)射機(jī)殘留邊帶濾波器的組成方框圖。其中，濾波器均采用橢圓函數(shù)濾波器。高通濾波器由四個(gè)串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)組成，低通濾波器由四個(gè)并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)組成。全通群延時(shí)（參見(jiàn)習(xí)題6-10）校正器采用6個(gè)有源可變?nèi)貉訒r(shí)校正電路，來(lái)校正濾波器的相移不均勻性。圖6-5-3電視發(fā)射機(jī)VSB濾波器組成 上述三部分組成的濾波器將電視圖象調(diào)制器輸出的、以37MHz為載頻的圖象信號(hào)下邊帶全部（頻寬為6MHz）、以及上邊帶部分（頻寬為0.75MHz）取出，形成了VSB波的圖象信號(hào)。