振幅調(diào)制電路

1、單元七振幅調(diào)制電路課 題： 單元七調(diào)幅波的基本性質(zhì)教學目的：理解各類調(diào)幅波的基本性質(zhì)：數(shù)學表達式、調(diào)幅度、波形、頻譜、帶寬、功率關(guān)系等。教學重點：普通調(diào)幅波、雙邊帶及單邊帶調(diào)幅波的基本性質(zhì)教學難點：教學方法：講授 課 時：2學時 教學進程單元七振幅調(diào)制電路調(diào)幅電路是頻譜搬移電路。按照調(diào)幅方式，可分為普通調(diào)幅（AM）、雙邊帶調(diào)幅（DSB）、單邊帶調(diào)幅（SSB）。本章先講各類調(diào)幅波的基本性質(zhì)，然后介紹幾種不同的調(diào)幅電路。7.1 各類調(diào)幅波的基本性質(zhì)一.普通調(diào)幅波的基本性質(zhì)1普通調(diào)幅波的數(shù)學表達式普通調(diào)幅信號是載波信號振幅按調(diào)制信號規(guī)律變化的一種振幅調(diào)制信號，簡稱調(diào)幅信號。設(shè)高頻載波的表達式為 （7

2、-1）調(diào)幅時，載波的頻率和相位不變，而振幅將隨調(diào)制信號線性變化。由于調(diào)制信號為零時調(diào)幅波的振幅應等于載波振幅Ucm，則調(diào)幅波的振幅可寫成式中，是一個與調(diào)幅電路有關(guān)的比例常數(shù)。因此，調(diào)幅波的數(shù)學表達式為 （7-2）(1）單頻調(diào)制若調(diào)制信號為單頻正弦波，即 （7-3）其中Ffc。把（7-3）代入（7-2）得 （7-4） 式中， 為受調(diào)后載波電壓振幅的最大變化量， 稱為調(diào)幅系數(shù)或調(diào)幅度，它反映了載波振幅受調(diào)制信號控制的成度，ma與成正比。 是高頻振蕩信號的振幅，它反映了調(diào)制信號的變化規(guī)律，稱為調(diào)幅波的包絡(luò)。由此可得調(diào)幅波的最大振幅為調(diào)幅波的最小振幅為， 則有 （7-5） 上式第一種表示常用于在實驗室

3、中根據(jù)調(diào)幅波的波形去求ma 。(2）多頻調(diào)制如果調(diào)制信號為多頻信號，即式中，此時調(diào)制信號為非正弦的周期信號。則 （7-6）式中 。2.普通調(diào)幅波的波形 (1）單頻調(diào)制的波形根據(jù)式（7-3）、（7-1）、（7-4）可畫出、和不同ma條件下的波形。由以上圖可見，在時，調(diào)幅波的包絡(luò)與調(diào)制信號的形狀完全相同，它反映了調(diào)制信號的變化規(guī)律由（e）可知，在時，此時其包絡(luò)已不能反映調(diào)制信號的變化規(guī)律。而在實際調(diào)幅器中，圖（f）對基極調(diào)幅來說，在t1-t2時間內(nèi)由于管子發(fā)射結(jié)加反偏電壓而截止，使，即出現(xiàn)包絡(luò)部分中斷。此時調(diào)幅波將產(chǎn)生失真，稱為過調(diào)幅失真。而ma>1時的調(diào)幅稱為過調(diào)幅。因此，為了避免出現(xiàn)過調(diào)

4、幅失真，應使調(diào)幅系數(shù)。實際上，當時，在t1-t2時間間隔內(nèi)，即。由于振幅值恒大于零，所以可改寫為 此時調(diào)幅波有1800的相移，相位突變發(fā)生在的時刻，我們稱為“零點突變”。普通調(diào)幅波的過調(diào)失真動畫演示請點擊 (2）多頻調(diào)制的波形即式（7-6）非正弦的周期信號的調(diào)制。(1）單頻調(diào)制的頻譜與帶寬利用積化和差可把式（7-4）分解為 （7-7） 上式表明,單頻正弦信號調(diào)制的調(diào)幅波是由三個頻率分量構(gòu)成的：第一項為載波分量；第二項的頻率為fc-F，稱為下邊頻分量，其振幅為 ；第三項的頻率為 fc+F ，稱為上邊頻分量，其振幅也為。由此可畫出相應的調(diào)幅波的頻譜，如下圖所示：由圖可見，上下邊頻分量對稱的排列在載

5、波分量的兩側(cè)，則調(diào)幅波的帶寬fbw為 (2）多頻調(diào)制的頻譜與帶寬如果調(diào)制信號為含有限帶寬的多頻信號，其調(diào)幅波表達式為式（7-6），則用積化和差得（7-8）上式表明，多頻信號調(diào)制的調(diào)幅波的頻譜是由載波分量和n對對稱于載波分量的邊頻分量組成，這些邊頻分量組成兩個頻帶，其中頻率范圍為 （fc +F1 ）（fc +Fn ） 稱為上邊帶，（fc Fn ）（fc F1 ）稱為下邊帶。如下圖所示(圖中為簡單起見，未標出各分量的振幅)。 可見，上下邊帶也對稱地排列在載波分量的兩側(cè)，由于最低調(diào)制頻率Fmin=F1，最高調(diào)制頻率Fmax=Fn ，故調(diào)幅波帶寬因此，調(diào)幅電路的作用是在時域?qū)崿F(xiàn) 和相乘，反映在波形上就

6、是將不失真地搬移到高頻振蕩的振幅上，而在頻域則將的頻譜不失真地搬移到fc的兩邊。設(shè)調(diào)制信號為單頻正弦波，負載電阻為RL，則載波功率 （7-9）上、下邊頻的功率均為 （7-10）邊頻功率為 （7-11） 調(diào)幅波在調(diào)制信號周期內(nèi)的平均功率（7-12）由以上式可知，調(diào)幅波的平均功率Pav和邊頻功率Psb隨ma的增大而增加。由于載波不包含調(diào)制信號的信息，它只存在于邊頻功率中，因此從傳輸信息的角度來看，調(diào)幅波平均功率Pav中有用的是邊頻功率Psb，載波功率Pc是沒有用的，它在平均功率中占的比例較大。當ma=1時，有用的Psb在Pav中所占的比例最大，約為33%。而實際上調(diào)幅波的ma遠小于1，因此，有用的

7、邊頻功率占整個調(diào)幅波平均功率的比例很小，發(fā)射機的效率很低。調(diào)幅波的最大瞬時功率為 （7-13） 如果調(diào)制信號為多頻信號，則調(diào)幅波平均功率于載波和各個功率之和。二雙邊帶調(diào)幅波的基本性質(zhì)從上述普通調(diào)幅信號的基本性質(zhì)可知，占絕大部分功率的載頻分量是無用的，唯有其上、下邊頻分量才反映調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)，而載波分量通過相乘器僅起著將調(diào)制信號頻譜搬移到fc的兩邊，本身并不反映調(diào)制信號的變化。如果在傳輸前將載頻分量抑制掉，則可以大大節(jié)省發(fā)射機的發(fā)射功率。這種僅傳輸兩個邊頻（帶）的調(diào)制方式稱為抑制載波的雙邊帶調(diào)制，簡稱雙邊帶調(diào)制（DSB）。1雙邊帶調(diào)幅波的數(shù)學表達式(1）單頻調(diào)制由式（7-2）和（7-4）可得

8、雙邊帶調(diào)幅波的數(shù)學表達式為 （7-14） (2）多頻調(diào)制由式（7-6）可得 （7-15）單頻調(diào)制的波形 根據(jù)式（7-3）、（7-1）、（7-14）可畫出、和的波形。由上圖雙邊帶調(diào)幅波信號波形可知，雙邊帶信號的包絡(luò)仍然是隨調(diào)制信號變化的，但它的包絡(luò)已不能完全準確地反映低頻調(diào)制信號的變化規(guī)律。雙邊帶信號在調(diào)制信號的負半周，已調(diào)波高頻與原載頻反相，調(diào)制信號的正半周，已調(diào)波高頻與原載頻同相。也就是雙邊帶信號的高頻相位在調(diào)制電壓過零點處要突變180度，在t=t1、t2、t3時波形有1800的相位突變，其包絡(luò)已不再反映的變化規(guī)律。3. 雙邊帶調(diào)幅波的頻譜與帶寬(1）單頻調(diào)制調(diào)幅波的頻譜與帶寬利用積化和差可

9、把式（7-14）分解為：它只有上、下邊頻兩個分量 ，其頻譜為： 由上圖可知，雙邊帶調(diào)幅仍為頻譜搬移電路。調(diào)幅波的帶寬fbw為 與普通調(diào)幅波帶寬的表達式一樣。（2）多頻調(diào)制調(diào)幅波的頻譜與帶寬用積化和差把式（7-15）分解為：有上下兩個邊帶分量，其頻譜為：由上面頻譜圖知，上、下兩個邊帶分量對稱地排列在載波分量的兩側(cè)，為頻譜搬移電路。調(diào)幅波帶寬為： 與普通調(diào)幅波帶寬的表達式一樣。4雙邊帶調(diào)幅波的功率關(guān)系（留給學生思考）三單邊帶調(diào)幅波的基本性質(zhì)從雙邊帶調(diào)制的頻譜結(jié)構(gòu)上可知，上、下邊帶都反映了調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)。因此，從傳輸信息的角度來看，還可以進一步將其中一個邊帶抑制掉。這種僅傳輸一個邊帶（上邊帶或下

10、邊帶）的調(diào)幅方式稱為抑制載波的單邊帶調(diào)制，簡稱單邊帶調(diào)制（SSB）。1單邊帶調(diào)幅波的數(shù)學表達式、波形、頻譜帶寬（1）單頻調(diào)制由式（7-7）可得單邊帶調(diào)幅波的數(shù)學表達式為 （下邊帶） （7-16） （上邊帶） （7-17） 單邊帶調(diào)幅信號為等幅波，其頻率高于或低于載頻。但多頻調(diào)制時就不是等幅波了其波形如下：（如下邊帶調(diào)制）由式（7-16）和（7-17）可畫出單邊帶調(diào)幅波的頻譜為(上邊帶調(diào)制)（2）多頻調(diào)制由式（7-8）可得單邊帶調(diào)幅波的數(shù)學表達式為 （下邊帶） （7-18） （上邊帶） （7-19）由式（7-16）和（7-17）可畫出單邊帶調(diào)幅波的頻譜為：(上邊帶調(diào)制)由上圖可知，單邊帶調(diào)幅仍為

11、頻譜搬移電路。調(diào)幅波的帶寬fbw為 ： 可見，與普通、雙邊帶調(diào)幅比較起來，單邊帶調(diào)幅波的頻帶壓縮了一半，這對于提高短波波段的頻帶利用率具有重大的現(xiàn)實意義。 單邊帶調(diào)幅波的功率關(guān)系留給學生去思考。四小結(jié)：三種調(diào)幅方式的比較特點調(diào)幅方式優(yōu)點缺點應用普通調(diào)幅（AM）發(fā)射機、接收機較簡單，成本低。發(fā)射機效率很低，能量浪費大，頻帶較寬。中、短波無線電廣播系統(tǒng)。雙邊帶調(diào)幅（DSB）發(fā)射機效率較高。發(fā)射機、接收機較復雜，且頻帶較寬。實際應用很少。單邊帶調(diào)幅（SSB）發(fā)射機效率最高，頻帶節(jié)約一半。發(fā)射機、接收機較復雜。短波無線電通信中應用廣泛。五例題：1、已知兩個信號電壓的頻譜如下圖所示，要求：（1）寫出兩個

12、信號電壓的數(shù)學表達式，并指出已調(diào)幅波的性質(zhì)；（2）計算在單位電阻上消耗的邊帶功率和總功率以及已調(diào)波的頻帶寬度。解：（1）圖a）為普通調(diào)幅波，圖b)為雙邊帶調(diào)幅波。(2)載波功率 雙邊帶信號功率 AM與DSB波的頻帶寬度相等 本課小結(jié)：1. 普通調(diào)幅波（多頻、單頻調(diào)制）的數(shù)學表達式、波形（、>1）、頻譜帶寬及功率關(guān)系等。2. 雙邊帶調(diào)幅波（多頻、單頻調(diào)制）的數(shù)學表達式、波形、頻譜帶寬及功率關(guān)系等。3. 單邊帶調(diào)幅波（多頻、單頻調(diào)制）的數(shù)學表達式、波形、頻譜帶寬及功率關(guān)系等。4. 三種調(diào)制方式的優(yōu)點、缺點及應用。本課作業(yè)：1. 若某電壓信號u（t）=5costcosct（V）（c>&g

13、t;）畫出頻譜圖和波形。2. 若單頻調(diào)幅波載波功率Pc=1000W，Ma=0.3，求兩個邊頻功率之和Psb為多少？總功率Pav為多少？3. 某調(diào)幅發(fā)射機未調(diào)制時發(fā)射功率為9KW，當載波被正弦信號調(diào)幅時，發(fā)射功率為10.125KW。求調(diào)幅度Ma，如果同時又用另一正弦信號對它進行40的調(diào)幅，求這時的發(fā)射功率？課 題：單元七振幅調(diào)制電路單元七調(diào)幅電路教學目的：掌握普通調(diào)幅電路的工作原理、工作狀態(tài)的選擇及分析方法。教學重點：掌握普通調(diào)幅電路的工作原理、工作狀態(tài)的選擇及分析方法。教學難點：普通調(diào)幅電路的工作原理、工作狀態(tài)的選擇。 教學方法：講授 課 時：2學時 教學進程單元七振幅調(diào)制電路7.2 普通調(diào)幅

14、電路調(diào)幅電路按照輸出功率的高低，又可分為低電平調(diào)幅電路和高電平調(diào)幅電路。低電平調(diào)幅的調(diào)制過程是在低電平級進行的，它所需的調(diào)制功率小，輸出的功率也小，當需要輸出大功率時，該電路后面必須接線性功率放大器來達到所需的發(fā)射功率。屬于這類調(diào)幅的方法有：模擬相乘調(diào)幅、平衡調(diào)幅、環(huán)形調(diào)幅、斬波調(diào)幅和平方律調(diào)幅 等。高電平調(diào)幅的調(diào)制過程是在高電平級進行的，它所需的調(diào)制功率大，輸出的功率也大，可滿足發(fā)射機輸出功率的要求，常置于發(fā)射機的最后一級，是調(diào)幅發(fā)射機常采用的調(diào)幅電路。其核心元件一般由三極管、場效應管等組成。一. 普通調(diào)幅電路的模型在普通調(diào)幅波的電路模型可由一個乘法器和一個加法器組成，如圖7-1所示。KM為

15、乘法器的相乘增益，A為加法器的加權(quán)系數(shù)。二普通調(diào)幅電路1模擬乘法器調(diào)幅電路分析如下：設(shè)調(diào)制信號 為單頻信號，載波信號為，模擬乘法器的輸出，則電路的輸出電壓令。為保證不失真，要求。從表達式可知，該電路的輸出信號為普通調(diào)幅波。模擬乘法器實現(xiàn)普通調(diào)幅電路動畫演示請點擊 2二極管平方律調(diào)幅器分析如下：利用二極管（非線性器件）的相乘作用，可以實現(xiàn)調(diào)幅電路。圖中U為偏置電壓，使二極管的靜態(tài)工作點位于特性曲線的非線性較嚴重的區(qū)域；L、C組成中心頻率為fc、通帶寬度為2F的帶通濾波器。若忽略輸出電壓的反作用，則二極管兩端的電壓為：由式（6-5）得流過二極管的電流為：上式中含有無限多個頻率分量，其一般表達式為：

16、。該組合頻率中含有fc、fc±F的頻率成分被帶通濾波器選出，而其它組合頻率成分被濾掉。設(shè)L、C回路的諧振電阻為R0，且冪級數(shù)展開式只取前三項，則輸出為： 式中則為普通調(diào)幅波。由于i中有用相乘項的存在才能得到調(diào)幅波，而有用相乘項是由冪級數(shù)展開式中二次方項產(chǎn)生的，所以該電路稱為平方律調(diào)幅器。該電路由于二極管工作在甲類非線性狀態(tài)，因此效率不高。3基極調(diào)幅和集電極調(diào)幅電路它們屬高電平調(diào)幅電路，一般置于大功率發(fā)射機的末級，它既利用丙類諧振放大器進行放大，又實現(xiàn)調(diào)幅。（1）基極調(diào)幅電路基極調(diào)幅電路是利用三極管的非線性特性，用調(diào)制信號來改變丙類諧振功放的基極偏壓，從而實現(xiàn)調(diào)幅的。其電路如7-4所示

17、：圖中，載波通過高頻變壓器加到基極，調(diào)制信號通過低頻變壓器加到基極回路，C2為高頻旁路電容，C1和Ce對高、低頻均旁路，L、C諧振在載頻fc上。則發(fā)射極所加的電壓為：，式中，應是個負偏壓，保證功放工作在丙類狀態(tài)。則根據(jù)基極調(diào)制特性可知，在欠壓狀態(tài)下，集電極電流iC的基波分量振幅Icm1隨基極偏壓成線性地變化，經(jīng)過LC的選頻作用，輸出電壓的振幅就隨調(diào)制信號的規(guī)律變化，即為普通調(diào)幅波?；鶚O調(diào)幅電路可看成是以載波為激勵信號、基極偏壓受調(diào)制信號控制的丙類諧振功放。由于工作在欠壓區(qū)，所以該電路的效率低，但調(diào)制信號所需的功率小。（2）集電極調(diào)幅電路集電極調(diào)幅電路也是利用三極管的非線性特性，用調(diào)制信號來改變

18、丙類諧振功放的集電極電源電壓，從而實現(xiàn)調(diào)幅的。其電路如7-5所示：圖中，載波通過高頻變壓器加到基極，調(diào)制信號通過低頻變壓器加到集電極回路，C1、C2為均為高頻旁路電容，L、C也諧振在載頻fc上。該電路工作時，基極電流的直流分量IB0流過Rb，使管子工作在丙類狀態(tài)。則集電極所加的電壓為：根據(jù)集電極調(diào)制特性可知，在過壓狀態(tài)下，集電極電流iC的基波分量振幅Icm1隨基極偏壓成線性地變化，經(jīng)過LC的選頻作用，輸出電壓的振幅就隨調(diào)制信號的規(guī)律變化，即為普通調(diào)幅波。 集電極調(diào)幅電路可看成是以載波為激勵信號、集電極電源電壓受調(diào)制信號控制的丙類諧振功放。由于工作在過壓區(qū)，所以該電路的效率高，但調(diào)制信號所需的功

19、率大。本課小結(jié)：普通調(diào)幅電路包括：1. 模擬乘法器調(diào)幅電路（低電平調(diào)幅）2. 二極管平方律調(diào)幅器（低電平調(diào)幅）3. 基極調(diào)幅和集電極調(diào)幅電路（高電平調(diào)幅）本課作業(yè)： 比較基極調(diào)幅和集電極調(diào)幅電路的優(yōu)缺點。課 題：單元七振幅調(diào)制電路7.4單邊帶調(diào)幅電路教學目的：1理解雙邊帶調(diào)幅電路的工作原理及分析方法2了解單邊帶調(diào)幅電路的工作原理教學重點：雙邊帶調(diào)幅電路的工作原理及分析方法教學難點：教學方法：講授 課 時：2學時 教學進程單元七振幅調(diào)制電路7.3 雙邊帶調(diào)幅電路一. 雙邊帶調(diào)幅電路的模型二雙邊帶調(diào)幅電路1模擬乘法器雙邊帶調(diào)幅電路如上圖7-7原理圖所示，若調(diào)制信號 ，載波信號為，當和都不很大時，乘

20、法器工作在線性動態(tài)范圍時，其輸出電壓為：顯然，為雙邊帶調(diào)幅信號。2二極管的平衡調(diào)幅電路（1）電路和工作原理圖7-8（a）是二極管平衡電路的原理電路。它是由兩個性能一致的二極管V1、V2及中心抽頭變壓器Tr1、Tr2接成平衡電路的，其中Tr1為高頻變壓器，初、次匝數(shù)比為2×1：1，Tr2為低頻變壓器。由于，而 。所以圖7-8(a)可簡化為7-8(b)電路。分析如下：該電路可看成是由兩個平方律調(diào)幅器構(gòu)成的上下對稱的平衡調(diào)幅器。兩個特性相同的二極管伏安表達式為：當忽略輸出電壓的反作用時，由圖（b）可知，則 ： 若，則中的組合頻率表達式為： 可見，比單管平方律調(diào)幅來說，其組合頻率分量已大為減

21、少，其頻率中已沒有載波分量。如非線性冪級數(shù)展開式只取前三項，則：若在輸出端接一個中心頻率為 fc 、通帶寬度為2F的帶通濾波器，則得到只有的上、下邊頻分量，即實現(xiàn)了雙邊帶調(diào)幅。 平衡調(diào)幅電路動畫演示請點擊 （2）平衡斬波調(diào)幅在實際中，為了進一步減小無用的組合頻率分量，常使該電路用在大載波和小調(diào)制的情況，即，這時二極管可認為工作在受控制的開關(guān)狀態(tài)下，即在二極管導通、在時截止。則可畫出圖7-8（b）的等效電路：圖中rd為二極管導通時的電阻，S的開關(guān)函數(shù)S1（t）為：S1(t)為幅度等于1、頻率等于fc的方波。當cosc0時，V1、V2導通，有電流i1、i2；當cosc0時，V1、V2截止，i1=i

22、2 =0。則可得：, 其中(RLrd)則： (7-20)S1（t）展開式為：則： 設(shè)，則由上式可知，中的組合頻率為F和。與平衡調(diào)幅相比，其組合頻率分量大大減少。如果在輸出端接一個中心頻率為 fc 、通帶寬度為2F的帶通濾波器，則可選出其中分量，從而就獲得雙邊帶調(diào)幅信號。其各個波形如下圖所示：比較以上各圖，可以發(fā)現(xiàn)圖（c）的波形仿佛是用開關(guān)函數(shù)的波形去斬調(diào)制信號的波形，它被斬成頻率為fc的脈沖信號，故稱為平衡斬波調(diào)幅。（3）二極管環(huán)形斬波調(diào)幅電路 如圖7-11所示，該電路由四個二極管首尾相接，組成一個環(huán)形電路。它與平衡調(diào)幅器相比，多了兩個二極管V3和V4，其工作原理相似，也用在大載波、小調(diào)制信號

23、的情況，即實現(xiàn)環(huán)形斬波調(diào)幅。設(shè)調(diào)制信號 ，載波信號為，且。由圖7-11可知，當時，V1、V2導通，V3、V4截止，有i1、i2電流，i3=i4 =0，如圖7-11(a)所示；當時，V3、V4導通，V1、V2截止，有i3、i4電流，i1=i2 =0，如圖7-11(b)所示。所以，環(huán)形調(diào)幅器可看成由兩個平衡調(diào)幅器構(gòu)成的電路，又稱為雙平衡調(diào)幅器。分析如下： 由7-20可知： 對V3、V4的作用可用開關(guān)函數(shù)來表示： 其中V3管加的電壓為 ：；V4管加的電壓為 ：則可得： 即 令： S（t）展開式為：則： 則由上式可知，中的組合頻率為，與平衡斬波調(diào)幅相比，環(huán)形調(diào)幅輸出電壓中沒有F的頻率分量，而其它分量的振幅加倍。如果在輸出端接一個中心頻率為 fc 、通帶寬度為2F