第7章振幅调制与解调

1、7.1 概述概述7.2 调幅波的性质调幅波的性质7.3 平方律调幅平方律调幅7.4 斩波调幅斩波调幅7.5 模拟乘法器调幅模拟乘法器调幅7.6 单边带信号的产生单边带信号的产生7.7 残留边带调幅残留边带调幅7.8 高电平调幅高电平调幅7.9 包络检波包络检波7.10 同步检波同步检波7.11 单边带信号的接收单边带信号的接收7.1.1 振幅调制简述振幅调制简述7.1.2 检波简述检波简述将要传送的信息装载到某一高频将要传送的信息装载到某一高频载频信号上去的过程。载频信号上去的过程。高频振荡高频放大话筒声音缓冲发射 天线倍频调制音频放大1.定义定义2. 调制的原因调制的原因4从切实可行的天线出

2、发从切实可行的天线出发为使天线能有效地发送和接收电磁波，天线的几何为使天线能有效地发送和接收电磁波，天线的几何尺寸必须和信号波长相比拟，一般不宜短于尺寸必须和信号波长相比拟，一般不宜短于1/4波长。波长。音频信号音频信号: 20Hz20kHz 波长：波长：15 15000 km天线长度天线长度: 3.75 3750km2. 调制的原因调制的原因4便于不同电台相同频段基带信号的同时接收便于不同电台相同频段基带信号的同时接收频谱搬移频谱搬移1c2c2. 调制的原因调制的原因4可实现的回路带宽可实现的回路带宽基带信号特点：频率变化范围很大。基带信号特点：频率变化范围很大。QfBW0高频窄带信号高频窄

3、带信号频谱搬移频谱搬移低频（音频）低频（音频）: 20Hz20kHz1000minmaxff高频（射频）高频（射频）:3minmaxffAM广播信号广播信号: 535 1605kHz，BW=20kHz501k1000k200fBW2k10k200fBWlowhigh2020k10k1000k100k3. 调制的方式和分类调制的方式和分类调幅调幅调相调相调制调制连续波调制连续波调制脉冲波调制脉冲波调制脉宽调制脉宽调制振幅调制振幅调制编码调制编码调制调频调频脉位调制脉位调制4. 调幅的方法调幅的方法平方律调幅平方律调幅斩波调幅斩波调幅调幅方法调幅方法低电平调幅低电平调幅高电平调幅高电平调幅集电极调

4、幅集电极调幅基极调幅基极调幅从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号。从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号。1.定义定义 高 频 放 大 fs fs 本 地 振 荡 fo 混 频 fo fs = fi fi 低 频 放 大 检 波 中 频 放 大 F F 2. 组成组成3. 检波的分类检波的分类二极管检波器二极管检波器三极管检波器三极管检波器检波检波器件器件信号大小信号大小小信号检波器小信号检波器大信号检波器大信号检波器工作特点工作特点包络检波器包络检波器同步检波器同步检波器7.2.1 调幅波的数学表示式与频谱调幅波的数学表示式与频谱7.2.2 调幅波中的功率关系调幅波中的功率关系1.

5、 普通调幅波的数学表示式普通调幅波的数学表示式首先讨论单音调制的调幅波。首先讨论单音调制的调幅波。载波信号：载波信号： tV000cosv调制信号：调制信号： tVcosv调调 幅信号（已调波）：幅信号（已调波）： ttV0mAMcos)(v由于调由于调 幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有：幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有： tVkVtVcos)(a0m，式中，式中ak为比例常数为比例常数即：即： )cos1()cos1()(a00a0mtmVtVVkVtV式中式中ma为调幅指数，为调幅指数， 0aaVVkm常用百分比数表示。常用百分比数表示。ttmV0a0AMcos)cos1(v

6、波形特点：波形特点： (1) 调调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致 (2) 调幅度调幅度ma反映了调幅的强弱度反映了调幅的强弱度 )1 (aomaxmVVoV)1 (aominmVV)cos1()(a0mtmVtV0min000max0minmaxa)(21VVVVVVVVVmtV000cosvtV cosv0am1am10a m1am00maxVVVm上0min0VVVm下电压电压表达式表达式普通调幅波普通调幅波ttmV0a0cos)cos1 (载波抑制双边带调幅波载波抑制双边带调幅波ttVm00acoscos单边带信号单边带信号tVm

7、)cos(200a)cos(2(00tVma或波形图波形图频谱图频谱图 0- 0+ 0a21Vm 0- 0+ 0a21Vm 信号信号带宽带宽)2( 2)2( 22 0- 0+ 三种振幅调制信号三种振幅调制信号2. 普通调幅波的频谱普通调幅波的频谱（1）由单一频率信号调）由单一频率信号调 幅幅tmtmtVttmVt)cos(21)cos(21coscos)cos1 ()(0a0a000a0AMv 调制信号0载波调幅波0+上边频0-下边频nnnnntmtmtVtmtmtVttmVt)cos(21)cos(21cos)cos(21)cos(21coscoscos1)(0000000000nnnnnn

8、nnnAMv信号带宽信号带宽max2B 0 (2) 限带信号的调幅波限带信号的调幅波maxo 调幅波maxmaxmaxmax调制信号载波0+max上边带0-max下边带 如果将普通调幅波输送功率至如果将普通调幅波输送功率至电阻电阻R上，则载波与两个边频将分别上，则载波与两个边频将分别得出如下的功率：得出如下的功率：00002Vma02Vma00VttmVtooacos)cos1 ()(v载波功率载波功率:RVP20oT21上边频或下边频上边频或下边频: :oT2a202SB2SB1412121PmRVmPPa在调幅信号一周期内，在调幅信号一周期内，AMAM信号的平均输出功率是信号的平均输出功率

9、是oTaDSBoTAMPmPPP)211 (2 载波本身并不包含信号，但它的功率却占整个调幅波功率载波本身并不包含信号，但它的功率却占整个调幅波功率的绝大部分。的绝大部分。当当ma1时，时，PoT(2/3)Po ；当当ma0.5时，时，PoT(8/9)Po ； 从调幅波的频谱图可知，唯有它的上、下边带分量才实际地从调幅波的频谱图可知，唯有它的上、下边带分量才实际地反映调制信号的频谱结构，而载波分量仅是起到频谱搬移的作用，反映调制信号的频谱结构，而载波分量仅是起到频谱搬移的作用，不反映调制信号的变化规律。不反映调制信号的变化规律。oT2aDSBoTAMPmPPP)211 ( 00002Vma02

10、Vma00V7.3.1 工作原理工作原理7.3.2 平衡调幅器平衡调幅器 调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也就是说都需要用非线性器件来完成频率变换。就是说都需要用非线性器件来完成频率变换。 这里将调制信号这里将调制信号v与载波信号与载波信号v0相加后，同时加入非线相加后，同时加入非线性器件，然后通过中心频率为性器件，然后通过中心频率为0的带通滤波器取出输出电压的带通滤波器取出输出电压vo o中的调幅波成分。中的调幅波成分。 如果静态工作点和输入信号变换范围选择合适，非线性器如果静态工作点和输入信号变换范围选择合适，非线性器件

11、工作在满足平方律的区段。件工作在满足平方律的区段。tVtViiocoscos002210（调制信号）（载波）式中，输入电压vvvvavaavi 将vi代入特性方程中，其中产生 项，故称平方律调幅。经过滤波，输出电压为：22 ivaVaamttVaaVatva12012012,cos)cos21()(调幅度可知：如果要获得抑制载波的双边带信号，观察输出电流表示如果要获得抑制载波的双边带信号，观察输出电流表示式式200200101)coscos()coscos(tVtVtVtVbbbi20020010)coscos()coscos(tVtVtVtVbbbi2总的输出电流总的输出电流总的输出电压总的

12、输出电压21iiiRo21iiv)-cos(+)+cos(+cos2=00200210tVVbtVVbtVbRv7.4.1 工作原理工作原理7.4.2 实现斩波调幅的两种电路实现斩波调幅的两种电路0100)(1tttS00cos cos 0cos 10cos 1200)(tttS调制信号（音频）调制信号（音频） tV costV00cos被调信号（射频）被调信号（射频） 已调信号幅度已调信号幅度2cos000tteetjjtmVtVcos1)(aom0V21V2100004Vma04Vma0021V0004Vma04Vma0021V频谱搬运频谱搬运ttV0cos)()()(21)(00V2co

13、stteeVtVjj002Vma02Vma0VttVt0cos)()(ov已调信号已调信号7.6.1 单边带通信的优缺点单边带通信的优缺点7.6.2 产生单边带信号的方法产生单边带信号的方法 使所容纳的频道数目增加倍，大大提高波段利用率。使所容纳的频道数目增加倍，大大提高波段利用率。 单边带制能获得更好的通信效果。单边带制能获得更好的通信效果。 单边带制的选择性衰落现象要轻得多。单边带制的选择性衰落现象要轻得多。 要求收、发设备的频率稳定度高，设备复杂，技术要要求收、发设备的频率稳定度高，设备复杂，技术要求高。求高。调幅波0+上边频0-下边频1. 滤波器法滤波器法 必须强调指出，提高单边带的载

14、波频率决不能用倍频的必须强调指出，提高单边带的载波频率决不能用倍频的方法。因为倍频后，音频频率方法。因为倍频后，音频频率也跟着成倍增加，使原来的也跟着成倍增加，使原来的调制信号变了样，产生严重的失真。这是绝对不允许的。调制信号变了样，产生严重的失真。这是绝对不允许的。2. 相移法相移法tKV)cos(03. 第三种方法第三种方法修正的移相滤波法修正的移相滤波法)sin(12t 在单边带调幅与双边带调幅之间，有一种折衷方在单边带调幅与双边带调幅之间，有一种折衷方式，即残留边带调幅。它传送被抑制边带的一部分，同式，即残留边带调幅。它传送被抑制边带的一部分，同时又将被传送边带也抑制掉一部分。为了保证

15、信号无失时又将被传送边带也抑制掉一部分。为了保证信号无失真地传输，传送边带中被抑制部分和抑制边带中的被传真地传输，传送边带中被抑制部分和抑制边带中的被传送部分应满足互补对称关系。送部分应满足互补对称关系。 特点特点: 所占频带比单边带略宽一些所占频带比单边带略宽一些; 它在它在附近附近的一定范围内具有两个边带，因此在调制信号（例如电的一定范围内具有两个边带，因此在调制信号（例如电视信号）含有直流分量时，这种调制方式可以适用视信号）含有直流分量时，这种调制方式可以适用; 残残留边带滤波器比单边带滤波器易于实现。留边带滤波器比单边带滤波器易于实现。7.8.1 集电极调幅集电极调幅7.8.2 基极调

16、幅基极调幅 高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大，即用调制高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大，即用调制信号信号v去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度Vcm来实现调来实现调幅的。幅的。临临界界过压过压欠压欠压VCC（t）临界临界过压过压欠压欠压V BB(t) vb(t) + + VCC + VBB + VC(t) + vCE vBE + L C vc v + 集电极调幅电路iCiC1)(tvCCV临临界界过压过压欠压欠压VCC（t） C vb(t) VCC + L + VBB vb + + + VB(t) VCC vc(t) 基极调幅电路)(tv)(tV

17、CCiCvAM（t）临界临界过压过压欠压欠压V BB(t)7.7.1 包络检波器的工作原理包络检波器的工作原理7.7.2 包络检波器的质量指标包络检波器的质量指标非线性非线性 电路电路低通低通滤滤 波器波器从已调波中检出包络信息从已调波中检出包络信息，只适用于，只适用于AM信号信号 输入输入 AM信号信号检出包络信息检出包络信息VDCC+vRL+充电放电iDvi串联型二极管包络检波器 下面讨论这种检波器的几个主要质量指标：电压传输系数下面讨论这种检波器的几个主要质量指标：电压传输系数（检波效率）、输入电阻和失真。（检波效率）、输入电阻和失真。1) 电压传输系数电压传输系数(检波效率检波效率)0

18、d VmVKa输输入入已已调调波波包包络络振振幅幅输输出出低低频频交交流流电电压压振振幅幅定义：定义：imVimaVmV1) 电压传输系数电压传输系数(检波效率检波效率)vDi D-vCVim 用分析高频功放的折线用分析高频功放的折线近似分析法可以证明近似分析法可以证明cosdK其中，其中，是二极管电流通是二极管电流通角，角，为检波器负载电阻，为检波器负载电阻，d为检波器内阻。为检波器内阻。 d33RR2) 等效输入电阻等效输入电阻 考虑到包络检波电路一般作为谐振回路的负载，它势必考虑到包络检波电路一般作为谐振回路的负载，它势必影响回路选频特性（影响回路选频特性（Q），下面分析其等效电阻），下

19、面分析其等效电阻imimidIVR 其中，其中，Vim是输入高频电压振幅，是输入高频电压振幅， Iim是输入高频电流振是输入高频电流振幅。幅。2) 等效输入电阻等效输入电阻 如果忽略二极管导通电阻上的损耗功率，则由能量守恒的如果忽略二极管导通电阻上的损耗功率，则由能量守恒的原则，输入到检波器的高频功率，应全部转换为输出端负载电原则，输入到检波器的高频功率，应全部转换为输出端负载电阻上消耗的功率（注意为直流）阻上消耗的功率（注意为直流）LiimRVRV20220VVimLiRR21即有即有，而，而Vo3) 失真失真 产生的失真主要有：产生的失真主要有：惰性失真；惰性失真；负峰切割失真；负峰切割失

20、真；非非线性失真；线性失真；频率失真。频率失真。 如果检波电路的时间常如果检波电路的时间常数数RC太大，当调幅波包络朝太大，当调幅波包络朝较低值变化时，电容上的电较低值变化时，电容上的电荷来不及释放以跟踪其变化荷来不及释放以跟踪其变化，所造成的失真称作，所造成的失真称作惰性失惰性失真真。 惰性失真惰性失真( (对角线切割失真对角线切割失真) ) 惰性失真惰性失真( (对角线切割失真对角线切割失真) )ttmVt0aomocoscos1)(vtmVtVcos1)(aom调幅波包络调幅波包络 如图所示，在某一点，如如图所示，在某一点，如果电容两端电压的放电速度小果电容两端电压的放电速度小于包络的下

21、降速度，就可能发于包络的下降速度，就可能发生惰性失真。生惰性失真。tmVttVsin)(aomdd包络变化率包络变化率ttCiddCC)(v电容放电电容放电RitCC)(v 惰性失真惰性失真( (对角线切割失真对角线切割失真) )放电速率放电速率RCtCitt)()(CCCddvv假定此时假定此时tmVtcos1)(aomCv ，求，求 ，可得，可得Amax。为避免失真，则。为避免失真，则Amax1 即：即：ttttVAd)(d/d)(dCvtmVttVsin)(aomdd包络变化率包络变化率0)(112RCma0tA 惰性失真惰性失真( (对角线切割失真对角线切割失真) ) 实际上，调制波往

22、往是由多个频率成分组成，即实际上，调制波往往是由多个频率成分组成，即=minmax。为了保证不产生失真，必须满足。为了保证不产生失真，必须满足aammRC2max1 + + v C + R ri2 VC Cc vi D 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路负峰切割失真负峰切割失真( (底边切割失真底边切割失真) ) 隔直电容隔直电容Cc数值很大，可认数值很大，可认为它对调制频率为它对调制频率交流短路，电交流短路，电路 达 到 稳 态 时 ， 其 两 端 电 压路 达 到 稳 态 时 ， 其 两 端 电 压VCVim。imi2RVrRRV 失真最可能在包络的负半周发生。假定二极管截止

23、，失真最可能在包络的负半周发生。假定二极管截止，Cc将通过将通过R和和ri2缓慢放电，相对于高频载波一个周期内，其电缓慢放电，相对于高频载波一个周期内，其电压压VCVim将在将在R和和ri2上分压。直流负载电阻上分压。直流负载电阻R上的电压为上的电压为 + + v C + R ri2 VC Cc vi D 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路负峰切割失真负峰切割失真( (底边切割失真底边切割失真) )V i m（1-m）V i mttmVoimicos)cos1 (vV R)cos1 (tmVimttmVoimicos)cos1 (vttmVoimicos)cos1 ( v)cos

24、1 (tmVim)cos1 (tmVimV RV RV RV RV R + + v C + R ri2 VC Cc vi D 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路负峰切割失真负峰切割失真( (底边切割失真底边切割失真) )要避免二极管截止发生，包络幅度瞬时值必须满足要避免二极管截止发生，包络幅度瞬时值必须满足RimVtmVacos1RaimVmV1RrRrRrm2i2i2ia/交、直流负载电阻越悬殊，交、直流负载电阻越悬殊，ma越大，越容易发生该失真。越大，越容易发生该失真。 + + v C + R ri2 VC Cc vi D 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻ri2后的检波电路

25、非线性失真非线性失真这种失真是由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的。这种失真是由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的。非线性非线性 实现原理：实现原理： iD D v ， vi i不变不变vD 如果负载电阻如果负载电阻R选得足够大，则检波管非线性特性影响选得足够大，则检波管非线性特性影响越小，它所引起的非线性失真即可以忽略。越小，它所引起的非线性失真即可以忽略。iD + + v C + R ri2 VC Cc vi D 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 频率失真频率失真 所谓频率失真（线性失真）是指由阻抗随频率变化的线所谓频率失真（线性失真）是指由阻抗随频率变化的线性电抗元件电容、电感引起的失真。性电抗元件电容、电感引起的失真。 如左图所示，检波器中存在如左图所示，检波器中存在检波电容检波电容C和隔直电容和隔直电容Cc两个电容两个电容。检波电容。检波电容C用于跟踪调幅波包络用于跟踪调幅波包络变化，隔直电容变化，隔直电容Cc用于去除载波分用于去除载波分量对应的直流输出。量对应的直流输出。对调制频率对调制频率=minmax，要求检波电容，要求检波电容C对高频载波短路但对高频载波短路但不能对低频调制波旁路，隔直电