振幅調(diào)制與解調(diào)第5章

第5章振幅調(diào)制與解調(diào)5.1概述5.2調(diào)幅信號(hào)的分析5.3調(diào)幅波產(chǎn)生原理的理論分析5.4普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路5.5普通調(diào)幅波的解調(diào)電路5.6抑制載波調(diào)幅波的產(chǎn)生和解調(diào)電路5.1概述

調(diào)制是將要傳送的信息裝載到某一高頻振蕩(載波)信號(hào)上去的過程。按照所采用的載波波形區(qū)分，調(diào)制可分為連續(xù)波(正弦波)調(diào)制和脈沖調(diào)制。

本課程只研究各種正弦調(diào)制方法性能和電路。一、分類

連續(xù)波調(diào)制以單頻正弦波為載波，受控參數(shù)可以是載波的幅度A，頻率或相位，因而有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）三種方式。二、為什么要調(diào)制

1）在無線系統(tǒng)中，只有當(dāng)天線尺寸與電信號(hào)波長(zhǎng)可比擬時(shí)，電信號(hào)才能以電磁波形式有效地被輻射；

2）多路復(fù)用。

第5章振幅調(diào)制與解調(diào)5.1概述5.2調(diào)幅信號(hào)的分析5.3調(diào)幅波產(chǎn)生原理的理論分析5.4普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路5.5普通調(diào)幅波的解調(diào)電路5.6抑制載波調(diào)幅波的產(chǎn)生和解調(diào)電路5.2調(diào)幅信號(hào)的分析5.2.1普通調(diào)幅波（AM）設(shè)調(diào)制信號(hào)為單音音頻信號(hào)載波信號(hào)為

1.調(diào)幅信號(hào)的波形圖2.調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式

ka是由電路決定的常數(shù)，稱為調(diào)幅指數(shù)或調(diào)幅度，它表征載波的振幅受調(diào)制信號(hào)控制的強(qiáng)弱程度，一般0＜ma≤1。

未調(diào)幅時(shí)，ma=0；ma值越大，調(diào)幅越深，當(dāng)ma=1則達(dá)到最大值，稱為百分之百調(diào)幅。ma>1時(shí)，包絡(luò)出現(xiàn)過零點(diǎn)，上下包絡(luò)不反映調(diào)制信號(hào)的變化，稱為過調(diào)幅。課堂練習(xí)

給定調(diào)幅波表達(dá)式，畫出ma=0.5，1，1.5時(shí)波形圖。

3.調(diào)幅信號(hào)的頻譜兩點(diǎn)結(jié)論：

1）調(diào)制的過程是實(shí)現(xiàn)頻譜線性搬移的過程；

2）載頻仍保持調(diào)制前的頻率和幅度，因此它沒有反映調(diào)制信號(hào)信息，只有兩個(gè)邊帶攜帶了調(diào)制信號(hào)的信息。

調(diào)幅信號(hào)的帶寬B＝2F

思考題：多音調(diào)制，已調(diào)波的頻譜寬度B＝？

4.調(diào)幅波的功率

載波功率

邊頻功率（上邊頻或下邊頻）因此，在調(diào)制信號(hào)一周期內(nèi)，調(diào)幅信號(hào)的平均功率為

因?yàn)閙a≤1，所以邊頻功率之和最多占總輸出功率的1/3。調(diào)幅波中至少有2/3的功率不含信息，從有效地利用發(fā)射機(jī)功率來看，普通調(diào)幅波是很不經(jīng)濟(jì)的。5.2.2抑制載波雙邊帶調(diào)幅（DSB）

為了克服普通調(diào)幅波效率低的缺點(diǎn)，提高設(shè)備的功率利用率，可以不發(fā)送載波，而只發(fā)送邊帶信號(hào)。

單音調(diào)制時(shí)，DSB的表達(dá)式為其所占據(jù)的頻帶寬度仍為調(diào)制信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍，即BDSB=2Fmax。波形特點(diǎn)：1）上下包絡(luò)不再反映調(diào)制信號(hào)的變化形狀；

2）在調(diào)制信號(hào)為零的兩旁，已調(diào)波的相位發(fā)生180°突變。5.2.3抑制載波單邊帶調(diào)幅

上邊頻與下邊頻的頻譜分量對(duì)稱含有相同的信息，可以只發(fā)送單個(gè)邊帶信號(hào)，稱為單邊帶通信（SSB）。由通過邊帶濾波器后，可得上邊帶或下邊帶：下邊帶信號(hào)

上邊帶信號(hào)其頻帶寬度BSSB=Fmax。

表5-1三種調(diào)幅波時(shí)域、頻域波形作業(yè)教材5－2（1）（3）5－55－75－115－13第5章振幅調(diào)制與解調(diào)5.1概述5.2調(diào)幅信號(hào)的分析5.3調(diào)幅波產(chǎn)生原理的理論分析5.4普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路5.5普通調(diào)幅波的解調(diào)電路5.6抑制載波調(diào)幅波的產(chǎn)生和解調(diào)電路5.3調(diào)幅波產(chǎn)生原理的理論分析

該節(jié)相關(guān)內(nèi)容插在5.5及5.6節(jié)中，例如：

5.5中，小信號(hào)平方律檢波用冪級(jí)數(shù)分析法；

5.6中，大信號(hào)調(diào)幅的數(shù)學(xué)分析用開關(guān)函數(shù)近似分析法。第5章振幅調(diào)制與解調(diào)5.1概述5.2調(diào)幅信號(hào)的分析5.3調(diào)幅波產(chǎn)生原理的理論分析5.4普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路5.5普通調(diào)幅波的解調(diào)電路5.6抑制載波調(diào)幅波的產(chǎn)生和解調(diào)電路5.4普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路一、引言

1.疊加波≠調(diào)幅波調(diào)幅波的共同之處是在調(diào)幅前后產(chǎn)生了新的頻率分量，因此需要用非線性器件來完成頻率變換。

2.調(diào)幅的方法

1）二、三極管2）大、小信號(hào)

3）高、低電平

高電平調(diào)幅——一般置于發(fā)射機(jī)的最后一級(jí)，是在功率電平較高的情況下進(jìn)行調(diào)制。

低電平調(diào)幅——一般置于發(fā)射機(jī)的前級(jí)，再由線性功率放大器放大已調(diào)幅信號(hào)，得到所要求功率的調(diào)幅波。

4）從哪個(gè)極加入（基極、集電極、發(fā)射極調(diào)幅）

3.實(shí)現(xiàn)調(diào)幅的方框圖

（a）普通調(diào)幅波實(shí)現(xiàn)框圖（b）抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波實(shí)現(xiàn)框圖

（c）單邊帶調(diào)幅波實(shí)現(xiàn)框圖

4.數(shù)學(xué)分析法

大信號(hào)——折線近似法

小信號(hào)——冪級(jí)數(shù)分析法u(t)uDSB(t)帶通uSSB(t)uc(t)

c+或c–c直流帶通uAM(t)u(t)uc(t)u(t)uc(t)c帶通uDSB(t)二、大信號(hào)基極調(diào)幅電路

1.電路

2.基本工作原理思路：——

uΩ相當(dāng)于一個(gè)緩慢變化的偏壓，使icmax按調(diào)制信號(hào)的大小而變化，從而引起基波電流振幅Ic1m的變化，最后使得輸出回路兩端電壓也跟隨uΩ變化。uΩ圖5-10基極調(diào)幅波形圖3.設(shè)計(jì)要求

（1）關(guān)于放大器的工作狀態(tài)

欠壓狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使放大器最大工作點(diǎn)（調(diào)幅波幅值最大處）處于臨界狀態(tài)。（2）晶體管的選擇放大器的工作狀態(tài)隨調(diào)制信號(hào)而變化，應(yīng)根據(jù)最困難條件選管子。

ICM≥（Icmax）max

BVceo≥2Ec

PCM≥(PC)c——載波狀態(tài)（傳送語言或音樂信息的休止時(shí)間）集電極損耗功率

設(shè)載波狀態(tài)在調(diào)制特性的中心，則

當(dāng)調(diào)制信號(hào)為單頻正弦信號(hào)時(shí)，，因Ec不變，所以由于所以

（3）放大器的最佳集電極負(fù)載電阻

設(shè)計(jì)通常是從所需的負(fù)載載波功率出發(fā)（4）對(duì)激勵(lì)的要求

因?yàn)樽畲蠊ぷ鼽c(diǎn)處的基流脈沖最大，所以應(yīng)根據(jù)該處的基流幅值(Ib1m)max確定激勵(lì)功率，即

（5）優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①所需調(diào)制信號(hào)功率很小；②電路比較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：工作在欠壓狀態(tài)，集電極效率很低。

（6）失真波形

兩種：波谷變平、波腹變平

波谷變平波腹變平產(chǎn)生波谷變平的原因：過調(diào)（即反偏壓UΩm過大）或激勵(lì)電壓Uωm過小，造成管子在波谷處截止。

產(chǎn)生波腹變平的原因：①放大器工作在過壓狀態(tài)。激勵(lì)過強(qiáng)或阻抗匹配不當(dāng)都可能造成此現(xiàn)象；②激勵(lì)功率不夠或激勵(lì)信號(hào)源內(nèi)阻過大，造成波腹處的基波脈沖增長(zhǎng)不上去；③管子在大電流下輸出特性不好，造成波腹處集電極電流脈沖增長(zhǎng)不上去。三、集電極調(diào)幅電路

1.電路

電路特點(diǎn)：1）Ecc=Ec+uΩ，綜合電源電壓；2）R1、C1是基極自給偏壓環(huán)節(jié)。

uΩ

2.基本工作原理（著重理解各點(diǎn)波形）

①由于放大器在載波狀態(tài)即工作在過壓狀態(tài)，ic脈沖中心下凹。Ecc愈小，過壓愈深，脈沖下凹愈甚。一般是當(dāng)Ecc最大時(shí)，將放大器調(diào)整到臨界狀態(tài)，ic脈沖不下凹。

②ib的幅值變化規(guī)律與ic相反，過壓愈深，輸入特性曲線左移愈多，ib脈沖愈大。3.設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）放大器的工作狀態(tài)最大工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在臨界狀態(tài)，其余時(shí)間都處于過壓狀態(tài)。

（2）晶體管的選擇

ICM≥（Icmax）max

BVceo≥4Ec

PCM≥(PC)av

圖5－18集電極瞬時(shí)電壓波形

①集電極效率

由于調(diào)制過程中，Ucm、Ic1m、Ic0都隨Ec成正比地變化，所以集電極效率不變。

②由得

（3）對(duì)激勵(lì)的要求

為保證過壓工作，激勵(lì)的強(qiáng)度應(yīng)滿足最大工作點(diǎn)工作在臨界狀態(tài)。如果激勵(lì)不足，則產(chǎn)生波腹變平的失真。

（4）對(duì)調(diào)制信號(hào)的要求

為了獲得ma=1的深度調(diào)幅，UΩm≈Ec。

思考：UΩm過小則調(diào)制不深，過大則產(chǎn)生過調(diào)失真。集電極調(diào)幅的過調(diào)失真波形？原因：

這是因?yàn)镋cc<0，晶體三極管進(jìn)入反向工作區(qū)，原來的集電極實(shí)際上變成了“發(fā)射極”，產(chǎn)生“發(fā)射極”電流（此電流與原來的集電極電流方向相反），然后通過槽路而造成過調(diào)情況下的電壓輸出。（5）對(duì)輸出LC回路的通頻帶和品質(zhì)因數(shù)要求輸出LC回路的通頻帶不小于2Fmax，所以回路品質(zhì)因數(shù)必須滿足四、利用模擬乘法器產(chǎn)生調(diào)幅波電路

適于AM,DSB,SSB調(diào)制第5章振幅調(diào)制與解調(diào)5.1概述5.2調(diào)幅信號(hào)的分析5.3調(diào)幅波產(chǎn)生原理的理論分析5.4普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路5.5普通調(diào)幅波的解調(diào)電路5.6抑制載波調(diào)幅波的產(chǎn)生和解調(diào)電路5.5普通調(diào)幅波的解調(diào)電路

調(diào)幅波的解調(diào)又稱為檢波。

1.性能指標(biāo)

①檢波效率（電壓傳輸系數(shù)）檢波效率定義為輸出低頻電壓幅值與輸入高頻調(diào)幅波包絡(luò)幅值之比。

②檢波失真（非線性失真）

線性失真：各頻率成分的比例關(guān)系發(fā)生變化

非線性失真：產(chǎn)生新的頻率分量

③輸入阻抗

檢波器的Rin是中頻放大器的負(fù)載，影響中放性能。

2.解調(diào)（檢波）：調(diào)制的逆過程

①平方律檢波：利用具有平方律特性的非線性器件；

②包絡(luò)檢波：從已調(diào)波的包絡(luò)中提取調(diào)制信號(hào)，只適用普通調(diào)幅波；

③同步檢波：利用與載波同頻同相的本振信號(hào)與已調(diào)波相乘，適合各種調(diào)幅波。一、小信號(hào)檢波（已調(diào)波的幅度在幾十mV以下）

1.小信號(hào)平方律檢波電路

C1為音頻輸出耦合電容，C2為高頻旁路電容，R1為偏流電阻，通過R1和電源E使二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)處于二極管特性的彎曲部分。

由于特性曲線的非線性，檢出的低頻電壓波形具有上尖下平的特點(diǎn)，與原來的調(diào)幅波包絡(luò)線不完全一致，其中主要是二次諧波成分比較大。2.小信號(hào)檢波電路的工作原理（利用冪級(jí)數(shù)分析）

忽略輸出電壓的反作用，可以認(rèn)為加在二極管兩端的電壓為二極管特性曲線在Q點(diǎn)的展開式為代入，只取前兩項(xiàng)，即得其中，——調(diào)制信號(hào)分量

只有采用非線性器件，才能產(chǎn)生新頻率分量。

用濾波器可分離需要的分量由二次項(xiàng)產(chǎn)生

定義二次諧波失真系數(shù)二、大信號(hào)峰值包絡(luò)檢波（一）工作原理

1.大信號(hào)檢波電路，利用二極管的單向?qū)щ娦院蜋z波負(fù)載RLC的充放電作用。特點(diǎn)：快充慢放

ui(t)>uo(t)（導(dǎo)通），C充電，時(shí)間常數(shù)τ=CrD音頻成分——有用輸出；高頻——濾去

直流成分——隔直流電容濾去，可用于AGC（自動(dòng)增益控制電路）。當(dāng)輸入信號(hào)很大時(shí)，設(shè)法把管子發(fā)射結(jié)偏壓降低一些。（二）檢波效率（）

1.電路參數(shù)（ωcCRL、RL、rD）對(duì)

的影響（1）一定RL下，ωcCRL（=）大，放電變慢，

高；（2）一定ωcCRL下，RL大，充電加快，

高；（3）rD小，充電快，高。2.uo(t)的成分

輸入信號(hào)小，則檢波二極管rD大，

降低。（三）輸入電阻（Rin）輸入電阻定義為輸入高頻電壓振幅對(duì)二極管電流中基波分量振幅的比值。設(shè)輸入為高頻等幅信號(hào),相應(yīng)輸出為直流電壓Uo，檢波器從輸入信號(hào)源獲得的高頻功率為經(jīng)二極管變換作用，一部分轉(zhuǎn)換為有用輸出功率由于V的導(dǎo)通時(shí)間很短，近似認(rèn)為PL≈Pi，而Uo≈Ucm，因此

2.信號(hào)強(qiáng)度對(duì)

的影響（四）檢波失真1.割底失真（1）不產(chǎn)生割底失真的條件設(shè)，則不產(chǎn)生割底失真的條件

ma愈大或檢波器交直流負(fù)載電阻比值愈小，愈容易產(chǎn)生割底失真。

（2）改進(jìn)電路

思路：減小交、直流負(fù)載電阻值的差別常取RL1/RL2＝0.1～0.2

2.對(duì)角線失真（放電失真，惰性失真）

（1）失真原因放電慢，包絡(luò)線下降快。

（2）不失真條件

C通過RL的放電速度大于或等于包絡(luò)的下降速度。

（3）易產(chǎn)生對(duì)角線失真的情況

——放電慢

——調(diào)制深，包絡(luò)線下降快

——周期短，包絡(luò)線下降快（五）檢波器元器件選擇與設(shè)計(jì)原則1.檢波二極管

選用正向電阻和結(jié)電容小（或最高工作頻率高）的晶體二極管。

2.RL和C的選擇

（1）從提高檢波效率和高頻濾波能力考慮，RLC應(yīng)盡可能大；從避免對(duì)角線失真考慮，RLC有一最大允許值。

（2）為保證所需的檢波輸入電阻，RL≥2Rin；為避免割底失真，RL有一最大允許值。（六）舉例三、普通調(diào)幅波的同步解調(diào)

從頻譜圖上看，調(diào)幅波的解調(diào)是將調(diào)幅波中的邊帶信號(hào)不失真的搬到零頻附近。因此，調(diào)幅波的解調(diào)電路也屬于頻譜搬移電路。（1）電路模型（2）解調(diào)電路uAM(t)低通濾波器u(t)uc(t)作業(yè)教材5－205－225－245－275－30第5章振幅調(diào)制與解調(diào)5.1概述5.2調(diào)幅信號(hào)的分析5.3調(diào)幅波產(chǎn)生原理的理論分析5.4普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路5.5普通調(diào)幅波的解調(diào)電路5.6抑制載波調(diào)幅波的產(chǎn)生和解調(diào)電路5.6抑制載波調(diào)幅波的產(chǎn)生和解調(diào)電路一、大信號(hào)調(diào)幅的數(shù)學(xué)分析假設(shè)Ucm足夠大，且其值遠(yuǎn)大于，這屬于大信號(hào)工作情況，則可近似認(rèn)為二極管工作在受載波控制的開關(guān)狀態(tài)。此時(shí)，管子導(dǎo)通后的非線性相對(duì)于單向?qū)щ娦詠碚f是次要的，因而它的伏安特性可用自原點(diǎn)轉(zhuǎn)折的兩段折線逼近。

引入開關(guān)函數(shù)k(t)

載波正半周k(t)=1，載波負(fù)半周k(t)=0。

開關(guān)函數(shù)實(shí)際上就是幅度為1，頻率為ωc的單向方波脈沖，用傅里葉級(jí)數(shù)展開后得到通過二極管V的電流二、抑制載波調(diào)幅波的產(chǎn)生電路

采用平衡、抵消方法——

把載波抑制掉，這種電路稱為抑制載波調(diào)幅電路或叫平衡調(diào)幅電路。

1.電路

2.工作原理

uc正半周，V1、V2導(dǎo)通，V3、V4截止；uc負(fù)半周，V3、V4導(dǎo)通，V1、V2截止。利用開關(guān)函數(shù)，則

（1）uc正半周注意到此時(shí)的開關(guān)函數(shù)為，則

（2）uc負(fù)半周通過負(fù)載RL上的總電流

變壓器上、下繞組要求各參數(shù)盡量相同，保持上下兩部分完全對(duì)稱，四個(gè)二極管的特性也應(yīng)一致。否則，載波分量不會(huì)被完全抑制掉，出現(xiàn)“載漏”。

實(shí)際電路三、抑制載波調(diào)幅波的解調(diào)電路

包絡(luò)檢波器只能解調(diào)普通調(diào)幅波，而不能解調(diào)

DSB

和SSB信號(hào)。這是由于后兩種已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)并不反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，因此，抑制載波調(diào)幅的解調(diào)必須采用同步檢波電路。收端須提供與發(fā)端同頻同相的同步信號(hào)

——本地載波信號(hào)分類：乘積型同步檢波電路和疊加型同步檢波電路ui(t)低通濾波器ur(t)uo(t)ui(t)包絡(luò)檢波器ur(t)uo(t)

1.乘積型同步檢波器的工作原理1）組成框圖

2）工作原理設(shè)輸入的DSB

信號(hào)，本地載波信號(hào)，兩者相乘有用低通濾波器濾除二次諧波，就可得到所需調(diào)制信號(hào)。ui(t)低通濾波器ur(t)uA(t)uo(t)

3）本地載波信號(hào)產(chǎn)生方法

①對(duì)于雙邊帶調(diào)幅波，同步信號(hào)可直接從輸入的雙邊帶調(diào)幅波中提取。（平方環(huán)法或科斯塔斯環(huán)法）從中取出角頻率為的分量，經(jīng)二分頻器將它變換成角頻率為的同步信號(hào)。

②對(duì)于單邊帶調(diào)幅波，同步信號(hào)無法從中提取出來。為了產(chǎn)生同步信號(hào)，往往在發(fā)送單邊帶信號(hào)的同時(shí)，附帶發(fā)送一個(gè)功率遠(yuǎn)低于邊帶信號(hào)功率的載波信號(hào)，稱為