通信電子線路ch5調制與解調1

5.1振幅調制與解調5.2角度調制與解調笫5章調制與解調

5.1

振幅信號的分析5.1.1概述什么是調制？就是在傳送信號的一方（發(fā)送端）將所要傳送的信號（它的頻率一般是比較低的）“附加”在高頻振蕩上，在由天線發(fā)射出去。這個高頻振蕩波就是“運載工具”，也叫載波。那么調制即利用信號來控制載波的某一參數(shù)，使這個參數(shù)隨信號變化。什么是解調？ 解調就是在接收信號的一方（接收端）經(jīng)過反調制，把載波所攜帶的信號提取出來，得到原有的信息的過程。 調制和解調都是頻譜變換的過程，必須用非線性元件才能完成。為什么一定要經(jīng)過調制的過程？ 由于所要傳送的信號頻率或者太低，或者頻帶很寬，這些都不利于直接采用電磁波的形式傳送信號。 （1）天線要將低頻信號有效地輻射出去，它的尺寸就必須很大。 （2）為了使發(fā)射和接收效率高，在發(fā)射機和接收機方面都必須采用天線和諧振回路。要想使天線和諧振回路的參數(shù)在很寬的范圍內變化，這是很難辦到的。 （3）如果直接發(fā)射音頻信號，則發(fā)射機將工作于同一頻率范圍。這樣，接收機將同時收到許多電臺的節(jié)目，無法加以選擇。調制方式（1）連續(xù)波調制 調幅、調頻、調相。（2）脈沖波調制 先用信號來控制脈沖波的振幅、寬度、

位置等，然后再用這已調脈沖對載波進行調制。 脈沖振幅調制、脈寬調制、脈位調制、 脈沖編碼調制。

選擇調制方式的幾項指標（1）抗干擾性

PCM的抗干擾能力最強；調頻與調相次之；調幅最弱。（2）實現(xiàn)調制的簡便程度 調幅最容易實現(xiàn)，PCM要復雜多了。（3）已調波信號所占的頻帶寬度 窄帶調制、寬帶調制（4）電子器件的效率和輸出功率

（5）保真度 對相同的保真度，實施調制的簡便程度、發(fā)射機的大小和重量有所不同。5.1幅度調制(AM)

幅度調制（AmplitudeModulation）是指載波的幅度隨調制信號的變化規(guī)律而變化，而其角頻率和初相位均為常數(shù)。

幅度調制有如下方式：

標準幅度調制（StandardAM）。

雙邊帶幅度調制（DoubleSidebandAM，記為DSBAM），這種調幅方式又稱抑制載波調幅（SuppressedCarrierAM，簡記為SCAM）。

單邊帶幅度調制（SingleSidebandAM，記為SSBAM）。5.1.1振幅調制信號的分析1.標準調幅波信號

信號的數(shù)學表示式。

波形圖。

頻譜函數(shù)與頻譜。

信號所具有的功率在各頻率分量之間的分配關系等。（1）標準調幅波信號的數(shù)學表示式假定調制信號為：載波信號為：進行標準調幅后的表示式為：從定義角度從畫波形角度從調幅波產(chǎn)生與頻譜角度式中，稱為調幅指數(shù)，在標準幅度調制中，為保證不出現(xiàn)過調制，要求。調幅波由三個不同頻率的正弦波組成：

對于任意信號調幅波為（2）標準調幅波信號的波形與頻譜

單頻余弦波調幅上邊頻下邊頻（2）標準調幅波信號的波形與頻譜（續(xù)）

任意波形調幅（3）標準調幅波信號的功率分配關系

載波功率為：

邊帶所占有的功率為：

調幅波所具有的總功率為：載波功率和邊帶功率一起發(fā)送，效率低。（4）討論標準調幅波的性質

已調信號的幅度隨調制信號而變化。因此，調幅信號幅度的包絡線近似為調制信號的波形。只要能取出這個包絡信號就可實現(xiàn)解調。

調幅波的頻譜由兩部分組成。一部分是未調載波的頻譜，另一部分是分別平移至處的調制信號的頻譜。標準調幅信號所占的頻帶寬度為，即它是調制信號頻帶寬度的兩倍。但從傳遞信息的角度看，標準調幅信號所占的頻帶寬度中有一半是多余的，因此，這種調幅方式在頻率資源利用上是有缺點的。

幅度調制是一種非線性過程，因為它將調制信號的各頻率分量變換為載波頻率與這些頻率的和頻和差頻分量。但都是將信號的頻譜在頻率軸上平移。因此，又稱幅度調制為線性調制。

在調幅波中，欲傳送的信息包含在邊帶內，載波分量并不包含欲傳送的信息。而它所占有的功率卻為總功率的一半以上。因此，從有效地利用發(fā)射機功率的角度考慮，標準幅度調制是有缺點的。對標準調幅信號的分析曾經(jīng)得出：

從傳輸信息的角度看，載波分量是多余的，而且它還占去了調幅波總功率的一半以上，這對充分利用發(fā)射機功率不利。

由于載波分量的存在，有時還會對其它信號形成干擾。

從傳輸信號的角度看，它所占的帶寬多一半是多余的，這對節(jié)省頻率資源不利。2.雙邊帶信號（DSB）

在調幅過程中，將載頻抑制掉就形成了雙邊帶信號。信號的數(shù)學表示式

可正可負，是雙邊帶高頻的振幅。則包絡為

單音調制的DSB波形圖

抑制載波調幅信號的波形圖

從圖中可以看出：

抑制載波調幅信號中不含固定的載波分量。

調制信號是正值時的載波相位與調制信號是負值時的載波相位是反相的。

已調信號的幅度仍隨調制信號變化，但其包絡不能反映調制信號的形狀。

由于抑制載波調幅信號的幅度包絡不反映調制信號的波形，因而也不能應用峰值包絡檢波方法。所以，對這類調幅信號，只能使用同步解調方法。SSB信號是由DSB信號經(jīng)窄帶濾波器濾除一個邊帶或在調制過程中直接將一個邊帶抵消掉而得到的。單頻調制時，取上邊帶，得：下邊帶：3.單邊帶信號（SSB）雙音調制的SSB信號受調制的雙邊帶信號為:

取上邊帶的SSB信號SSB信號特點

單邊帶調幅信號的幅度包絡不反映調制信號的波形。雙音調制時每一個調制分量產(chǎn)生一個相應的單邊帶信號分量，頻率為線性搬移。

對單邊帶調幅信號，只能使用同步解調方法。SSB信號的包絡與調制信號的形狀相同，填充頻率為。5.2

調幅信號的產(chǎn)生(教材:P120)5.2.1AM信號的產(chǎn)生

采用高電平調幅 基極調幅，集電極調幅，發(fā)射極調幅，組合調幅。調制器工作在乙類或丙類的高頻功率放大器中，在發(fā)射極的后級進行?；鶚O調幅原理

電路組成 圖5-2-4。P121

基極調幅的原理分析 圖5-2-5。P122

受調放大器工作于欠壓狀態(tài)。

優(yōu)缺點 由于工作于欠壓區(qū)，集電極效率低，但所需調制信號的功率小，有利于整機小型化。集電極調幅原理

電路組成 圖5-2-6。P122

集電極調幅的原理分析 圖5-2-7。P123

受調放大器工作于過壓狀態(tài)。

優(yōu)缺點 由于工作于過壓區(qū)，集電極效率高，但所需調制信號的功率大，電路復雜，體積大。5.2.2SSB信號的產(chǎn)生邊帶濾波器

濾波法 原理:首先將載波和調制信號通過乘法器產(chǎn)生DSB信號,再通過邊帶濾波器得到SSB信號.二極管平衡調制器

實質上就是實現(xiàn)乘法運算P125圖5-2-11平衡調制器的等效原理圖返回1返回2

設載波電壓較大,二極管處于大信號狀態(tài),其特性曲線可近似為通過原點的折線.

二極管可等效為一個開關和一個電阻的串聯(lián)形式.

則二極管可用下式表示:其中,

若二極管兩端的電壓為,那么通過它的電流為:對于平衡調制器的等效原理圖,可以得到:返回

在次級產(chǎn)生的電流分別為:

這兩個電流方向相反.返回則有:將用付氏級數(shù)展開:則有:

由上式可見:輸出電流中包含調制分量及邊帶分量，無載頻及其載頻的倍頻分量輸出。這是由于兩個相等的載頻電流在中產(chǎn)生的磁通互相抵消了,利用電路的對稱抑制了載頻.考慮的反射電阻:輸出電壓為:調制器的效率

實際情況下,由于電路的完全對稱很難做到,因此在輸出端可能出現(xiàn)部分載波分量,稱做載漏.橋式平衡調制器 圖5-2-14.P1272.二極管環(huán)形調制器原理電路圖5-2-16，P128D1、D2在載波的正半周導通,負半周截止,這兩個二極管組成一個平衡調制器,在負載上產(chǎn)生電流,則有:同理:D3、D4在載波的負半周導通,正半周截止,它們也組成一個平衡調制器,在負載上產(chǎn)生電流.則有:得出總電流為:

其中將用付氏級數(shù)展開:則得:特點

無調制頻率分量.這是由于兩次平衡抵消的結果.一個平衡調制器抵消載波,兩個平衡調制器抵消調制頻率分量.這樣濾波器無須濾除調制分量,所以環(huán)形調制器更接近于理想相乘器.調制效率:比平衡調制器大一倍.5.3

調幅信號的解調

一.AM信號的解調

解調 從調幅波中提取、恢復調制信號的過程，稱為解調或檢波。從頻域來講，解調的作用是將已調波的邊頻或邊帶信號頻譜搬移到原調制信號的頻譜處。這一過程采用檢波器來完成。

大信號峰值包絡解調 當載波頻率比調制信號的最高頻率高得多時，調幅信號幅度的包絡線近似為調制信號的波形。因此，只要能取出這個包絡信號就可實現(xiàn)解調。 （要求，其中是調制信號最高頻率。）二極管包絡檢波器的工作原理

包絡檢波器的組成組成：輸入信號回路二極管DRC低通濾波器要求：二極管采用導通電壓小，正向電阻小的鍺管。RC電路：檢波的暫態(tài)過程分析條件：輸入信號為高頻等幅波（即載波），且加信號之前電容C上的電荷量為零。分析：1.當從零開始增大，此時電容C的高頻阻抗很小，則輸入電壓全部加在二極管D的兩端，D導通，C被充電，由于很小，充電時間常數(shù)很小，則充電很快，C上的電壓很快跟隨輸入信號建立。2.C上的電壓在建立的同時，也反向地加在了二極管上，則二極管上的電壓。隨著輸入電壓的減小，當電容兩端的電壓到達的時候，，D開始截止，在繼續(xù)下降的時間內，電容開始向R放電。3.由于放電常數(shù)RC很大，電容向電阻R放電很慢，在下降不多的時候，下一個輸入電壓的正半周到來。當時，D再次導通，電容C又繼續(xù)充電，進一步提高。然后繼續(xù)上面的放充電過程，直到二極管導通時電容的充電量等于D截止時電容的放電量，便達到了動態(tài)平衡。檢波的暫態(tài)過程結論1.檢波過程就是信號源通過二極管給電容充電與電容給電阻R放電的過程。2.由于RC之積遠大于載頻周期，使D的負極總是處于正的較高的電位，對D形成了一個較大的負偏壓，使D只有載波輸入電壓峰值附近才導通。這個時間很短，即電流流通角很小，二極管電流是一個窄脈沖序列。3.二極管電流包括直流分量和高頻分量。其中大部分高頻分量被電容旁路，沒有輸出，只有直流分量和少量高頻分量經(jīng)電阻R形成電壓輸出： 在元件選擇適當?shù)臅r候，檢波器直流輸出電壓接近但小于輸入電壓峰值。AM信號在包絡檢波器的工作過程結論電阻R上輸出電壓為直流分量和調制分量在電阻上形成的電壓。根據(jù)輸出要求不同，可以采用不同的RC濾波器作為負載，取出直流分量或低頻分量 如圖5-3-7，P1323.RC數(shù)值的選擇需要根據(jù)具體情況而定。若RC過小，放電過快，高頻波紋大；RC過大，放電過慢，出現(xiàn)失真。二極管包絡檢波器的性能分析對檢波器的技術要求：1.傳輸系數(shù)要大；2.輸入電阻也要大；3.保真度要高；4.高頻濾波性能要好。傳輸系數(shù)傳輸系數(shù)也稱檢波效率，用于表示檢波器將載波電壓轉換為直流電壓的能力。其定義為：其中為載波電壓的振幅。

檢波效率也指檢波器輸出信號的幅度與輸入調幅信號中包絡的幅度之比。對于單頻正弦信號調幅，這時的檢波效率為：

在大信號檢波的情況下，二極管的分析可以采用折線法，則有：P131由于解得

結論：

1.在大信號檢波的情況下，二極管的電流通角是固定的，與輸入信號大小無關，則傳輸系數(shù)也與輸入信號大小無關。所以檢波器輸入輸出關系是線性關系。當輸入AM信號時，

2.越小，越接近于1，隨增加而增加。當，輸入電阻輸入電阻為輸入載波電壓的振幅與檢波器電流的基波分量振幅之比。當時，很小，因此：代入上式，得：檢波器的非線性失真1.惰性失真

如果檢波器的數(shù)值選擇過大，當載波幅度下降到某一時刻時，由于電路放電速度慢，以致下一個載波周期的正半周最大值仍低于該時刻的，則二極管不能導通。

現(xiàn)象：

將按決定的自身的放電規(guī)律變化，而不反映輸入調幅信號的包絡。

直到某一時刻，輸入信號幅度又增長到超過該時刻的值后，檢波器才恢復正常工作。

這種失真現(xiàn)象，好像是沿正弦波的對角切了一刀，因此叫做“對角切割”失真。為避免這種失真，要求的放電速度較調幅信號包絡下降速度快。P134

不失真的條件為：

設計時，應該將最大調幅度和最高調制

頻率代入上式，以檢驗是否出現(xiàn)惰性失真。2.底部切割失真

底部切割失真是由于檢波器的直流負載電阻R與交流負載電阻相差太大引起的一種失真。

底部切割失真(續(xù))無底部切割失真條件（P130）：假設則即：：載波幅值DSB和SSB信號的解調DSB和SSB信號的包絡不同于AM信號，不能直接用包絡檢波器解調，需要采用同步解調，也叫相干解調。同步解調包括疊加性同步檢波和乘積型同步檢波。疊加性同步檢波是指DSB信號或SSB信號加上適當?shù)妮d波電壓，構成AM信號，再利用包絡檢波器解調出原信號。乘積型同步檢波是指利用相乘器對DSB信號或SSB信號進行解調。1.高頻電壓的疊加設兩個高頻電壓分別為：根據(jù)矢量圖，可以得到合成電壓的振幅：而且當，合成電壓矢量與相差不大，則有：

可見，兩個不同頻率的高頻電壓疊加后是振幅和相位都隨時間變化的調幅調相波。合成波振幅按兩者頻差規(guī)律變化的現(xiàn)象稱為差拍現(xiàn)象。再通過包絡檢波器，檢波輸出電壓為:這種檢波方式稱做差拍檢波。同步檢波原理（1）SSB信號的解調疊加型解調設輸入電壓恢復載頻包絡檢波器

若根據(jù)高頻電壓的疊加的分析可知，合成電壓的振幅為：經(jīng)包絡檢波后，低頻輸出電壓為：

乘積型解調乘法器的輸出電壓為：

低通濾波器再經(jīng)過低通濾波后，得到輸出電壓為： 注意：乘積型解調并不要求，并且理想乘積解調器也沒有失真，因此這點比疊加型更優(yōu)越。（2）DSB信號的解調

疊加型解調 在DSB信號中加入載波電壓，當可以得到?jīng)]有過調失真的AM波，再通過包絡檢波器，就可以解調出原調制信號。乘積型解調相乘器的輸出：插入載頻不同步引起的失真(1)