通信電子線路：第9章 振幅調(diào)制與解調(diào)

1、第9章振幅調(diào)制與解調(diào)9.1 調(diào)幅信號(hào)分析9.2 調(diào)幅電路9.3 振幅解調(diào)電路9.4 正交平衡調(diào)幅19.1 調(diào)幅信號(hào)分析9.1.1 普通調(diào)幅普通調(diào)幅的載波振幅與調(diào)制信號(hào)瞬時(shí)變化規(guī)律相同，簡(jiǎn)稱為調(diào)幅( Amplitude Modulation，AM )調(diào)制信號(hào)為單頻正弦波載波2調(diào)幅波表示為普通調(diào)幅波的振幅(9-1)3調(diào)幅系數(shù)或調(diào)幅度Sa ：比例系數(shù)，也稱調(diào)幅靈敏度，大小由調(diào)制電路的參數(shù)決定圖9-1 普通調(diào)幅電路數(shù)學(xué)模型4(a) 調(diào)制信號(hào)(b) 載波(c) 已調(diào)波圖9-2 調(diào)制信號(hào)、載波和已調(diào)波波形5已調(diào)波振幅的最大值Vmax 和最小值Vmin 與調(diào)幅系數(shù)ma 的關(guān)系(9-2)(9-3)(9-4)未

2、調(diào)制狀態(tài)：Vmax=Vmin =Vc， ma =0最大調(diào)制狀態(tài)：Vmax=2Vc，Vmin=0， ma =1過調(diào)幅狀態(tài)：Vmax2Vc，Vmin16已調(diào)波振幅變化的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)不同，出現(xiàn)失真。為不失真，普通調(diào)幅時(shí)取過調(diào)幅狀態(tài)：Vmax2Vc，Vmin 17普通調(diào)幅波頻譜將式(9-1)用三角函數(shù)展開單頻調(diào)制時(shí)的普通調(diào)幅波有三個(gè)頻率分量；載波頻率c上邊頻c+下邊頻c (9-5)8(a) 調(diào)制信號(hào)(b) 載波(c) 已調(diào)波圖9-3 調(diào)制信號(hào)、載波和已調(diào)波頻譜9多頻調(diào)制情況(a) 多頻調(diào)制的調(diào)制信號(hào)和AM波(b) 多頻調(diào)制的調(diào)制信號(hào)和AM信號(hào)頻譜圖9-4 多頻調(diào)制的AM波形和頻譜10圖9-5 語(yǔ)音信

3、號(hào)及已調(diào)信號(hào)頻譜(a) 多頻調(diào)制的調(diào)制信號(hào)和AM波(b) 多頻調(diào)制的調(diào)制信號(hào)和AM信號(hào)頻譜調(diào)制信號(hào)包含連續(xù)頻譜11上邊帶的頻譜是將調(diào)制信號(hào)頻譜由以零點(diǎn)為中心搬移到以載頻為中心的位置，各頻率分量的相對(duì)位置和相對(duì)振幅不變，下邊帶是上邊帶相對(duì)載頻的鏡像。線性調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻譜線性搬移的調(diào)制方式12AM波的帶寬單頻調(diào)制時(shí)，調(diào)制信號(hào)頻率為F =/2調(diào)幅波占用的帶寬為B = 2F非單頻調(diào)制，調(diào)制信號(hào)頻譜的最高頻率為Fmax，已調(diào)信號(hào)占用的帶寬為B = 2Fmax 13調(diào)制信號(hào)為單頻正弦波，將調(diào)幅波電壓加到負(fù)載電阻R上，根據(jù)式(9-5) 中載頻、上下邊頻分量的幅度關(guān)系，可以寫出在負(fù)載上消耗的功率，包括三部分：(1

4、) 載波功率(2) 上邊頻功率(3) 下邊頻功率14上、下邊頻的總功率為調(diào)幅波的總功率為ma = 1 時(shí)，邊頻功率最大，PSB = 0.5Pc =Po 33% ma = 0.4， PSB = 0.08Pc系統(tǒng)所傳送的調(diào)制信號(hào)信息都包含在邊頻之中，整個(gè)調(diào)幅波的功率中真正有用的是邊頻功率。普通調(diào)幅波的功率利用率非常低。15調(diào)幅波的旋轉(zhuǎn)矢量圖表示(9-7)圖9-6 調(diào)幅波旋轉(zhuǎn)矢量圖169.1.2 雙邊帶調(diào)幅抑制調(diào)幅波中的載波分量，僅傳送上、下邊帶，稱為抑制載波的雙邊帶(Double Sideband, DSB) 調(diào)幅，或稱為雙邊帶調(diào)幅。直接將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)相乘得到電路數(shù)學(xué)模型，KM 為相乘器增益

5、。圖9-7 雙邊帶調(diào)幅電路數(shù)學(xué)模型(9-8)17單頻調(diào)制時(shí)(9-9)式中Vo = KMVVc圖9-8 雙邊帶調(diào)幅信號(hào)波形18多頻調(diào)制時(shí)的雙邊帶調(diào)幅波形和頻譜圖(a) 多頻調(diào)制的DSB信號(hào)波形(b) 多頻調(diào)制的DSB信號(hào)頻譜圖9-9 多頻調(diào)制的DSB信號(hào)波形和頻譜199.1.3 單邊帶調(diào)幅提高頻帶利用率將雙邊帶調(diào)幅信號(hào)經(jīng)邊帶濾波器濾除其中一個(gè)邊帶在調(diào)制過程中直接抵消一個(gè)邊帶單頻調(diào)制：下邊帶上邊帶20(Single Sideband，SSB)(a) 調(diào)制信號(hào)和SSB信號(hào)波形(b) SSB信號(hào)頻譜圖9-10 SSB信號(hào)波形和頻譜219.2 調(diào)幅電路分類高電平調(diào)制：功率放大和調(diào)制合二為一，調(diào)制后的信號(hào)

6、不再需要放大就可以直接發(fā)射出去。主要用于產(chǎn)生普通調(diào)幅波。低電平調(diào)制：將調(diào)制和功率放大分開，調(diào)制后的信號(hào)功率較低，還需要經(jīng)功率放大后達(dá)到一定的發(fā)射功率再發(fā)射出去。普通調(diào)幅、雙邊帶調(diào)幅、單邊帶調(diào)幅都可以采用低電平調(diào)制。229.2.1 高電平調(diào)制1. 基極調(diào)幅圖9-11 基極調(diào)幅電路以載波振蕩為激勵(lì)信號(hào)的高頻諧振功率放大器，但工作點(diǎn)受調(diào)制信號(hào)的控制而發(fā)生變動(dòng)。高頻載波振蕩通過高頻變壓器加到晶體管的基極電路上。23基極調(diào)幅和集電極調(diào)幅圖9-12 基極調(diào)幅波形低頻調(diào)制電壓增大時(shí)集電極電流iC的最大值ICm 和流通角C 都變大?；娏鞯恼穹鵌C1 = ICm1(C ) 變大。低頻調(diào)制電壓減小時(shí)， ICm

7、 、 C 、 IC1也隨之減小，使輸出載波振幅發(fā)生變化。24研究調(diào)制特性，改變基極偏置電壓VBB?；鶚O調(diào)幅靜態(tài)調(diào)制特性曲線，與高頻功放的基極調(diào)制特性相同。 VBB 隨調(diào)制信號(hào)發(fā)生變化，基波電流iC1的振幅IC1 隨之變化，從而得到調(diào)幅信號(hào)。為了使IC1受VBB的控制明顯，基極調(diào)幅時(shí)功放管工作在欠壓狀態(tài)。圖9-13 基極調(diào)幅靜態(tài)調(diào)制特性與集電極基波電流波形252. 集電極調(diào)幅(9-10)圖9-14 集電極調(diào)幅電路圖9-15 集電極調(diào)幅波形26圖9-16 集電極調(diào)幅靜態(tài)調(diào)制特性279.2.2 二極管調(diào)制電路載波調(diào)制信號(hào)不考慮輸出信號(hào)的反作用，當(dāng) 時(shí)圖9-17 單二極管調(diào)制電路(9-11)28圖9-

8、18 二極管平衡調(diào)制電路圖9-19 二極管環(huán)形調(diào)制電路產(chǎn)生DSB 信號(hào)299.2.3 模擬乘法器調(diào)制電路采用MC1496圖9-20 MC1496內(nèi)部電路30圖9-21 模擬乘法器調(diào)幅電路319.2.4 單邊帶調(diào)制電路1. 濾波法圖9-22 濾波法單邊帶調(diào)幅電路方框圖調(diào)制信號(hào)載波下邊帶上邊帶32濾波法在結(jié)構(gòu)上很簡(jiǎn)單，在理論上可行。在實(shí)際應(yīng)用中上、下邊帶之間的頻差f 很小(等于兩倍的最低調(diào)制信號(hào)頻率)。當(dāng)f fc時(shí)，要實(shí)現(xiàn)這樣的濾波器要求矩形系數(shù)接近1，這是十分困難的。如果采用多次調(diào)制和濾波的方法，將使電路結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。332. 移相法(9-14)圖9-23 移相法單邊帶調(diào)幅原理框圖349.3 振

9、幅解調(diào)電路9.3.1 振幅解調(diào)電路的質(zhì)量指標(biāo)振幅解調(diào)電路又稱振幅檢波電路?？煞譃榘j(luò)檢波和同步檢波。包絡(luò)檢波是指解調(diào)器輸出電壓與輸入已調(diào)波的包絡(luò)成正比的檢波方法，只適用于普通調(diào)幅波的解調(diào)。振幅檢波器的質(zhì)量指標(biāo)主要有：電壓傳輸系數(shù)輸入阻抗檢波失真3536電壓傳輸系數(shù)又稱為檢波效率。包絡(luò)檢波器的電壓傳輸系數(shù)可分為直流電壓傳輸系數(shù)和交流電壓傳輸系數(shù)。直流電壓傳輸系數(shù)定義為輸入單頻載波信號(hào)時(shí)輸出直流電壓Vdc 與輸入載波振幅Vc之比：(9-15)Kdc即節(jié)7.4.1中式(7-33)所定義的KD。交流電壓傳輸系數(shù)定義為檢波器輸出低頻電壓振幅Vac與輸入高頻已調(diào)波包絡(luò)振幅maVc之比：(9-16)37(2

10、) 輸入阻抗檢波器輸入端看進(jìn)去的等效阻抗稱為輸入阻抗，包括輸入電阻Ri 和輸入電容Ci。38圖9-24 檢波器的輸入阻抗(3) 失真檢波失真是指輸出低頻電壓波形和輸入已調(diào)波包絡(luò)形狀的符合程度，應(yīng)盡量避免或減少失真。399.3.2 二極管包絡(luò)檢波器討論檢波器中的幾種失真產(chǎn)生的原因及減小方法。1. 檢波器非線性引起的失真圖9-25 二極管檢波特性檢波負(fù)載R 越大，輸入電壓振幅越高，檢波器的線性越好，失真越小。二極管包絡(luò)檢波器的輸入電壓必須足夠大，以保證檢波器始終工作在大信號(hào)檢波狀態(tài)。402. 惰性失真檢波負(fù)載R 增大：提高電壓傳輸系數(shù)和減少檢波特性的非線性失真。檢波負(fù)載時(shí)間常數(shù)RC 增大。電容C上

11、的電壓：二極管導(dǎo)通期間，檢波負(fù)載電容C 被充電時(shí)，電壓增大。二極管截止期間，檢波負(fù)載電容C 對(duì)電阻R 放電，電壓緩慢地減小。電容C 上電壓減小的速度取決于檢波負(fù)載時(shí)間常數(shù)RC。時(shí)間常數(shù)增大到一定程度，電容器的放電速度低于輸入電壓包絡(luò)的變化速度時(shí)，電容上的電壓就不能跟隨包絡(luò)的變化，使二極管的負(fù)極電位比正極電位高而不能導(dǎo)通，從而出現(xiàn)失真。41圖9-26 惰性失真在t1 到t2 期間，檢波輸出電壓vo(t)不再按輸入高頻調(diào)幅波vAM(t)的包絡(luò)變化，而是按電容C對(duì)電阻R 放電的規(guī)律變化，二極管在載波周期正半周均不能導(dǎo)通，引起失真。這種由于檢波負(fù)載時(shí)間常數(shù)過大使電容上電荷來(lái)不及放電而引起的失真叫惰性失

12、真，又稱對(duì)角線切割失真。42為了不產(chǎn)生惰性失真，要求在一個(gè)高頻周期內(nèi)，電容C通過R放電的速度大于或等于包絡(luò)的變化速度，應(yīng)滿足(9-17)調(diào)制信號(hào)為單頻正弦信號(hào)時(shí)，普通調(diào)幅波：包絡(luò)：包絡(luò)的變化速度：(9-18)(9-19)(9-20)43二極管截止期間，電容C對(duì)電阻R放電，電容兩端電壓vo(t)的變化速度與通過R的電流i(t)關(guān)系：(9-21)電阻R上的電壓vR(t) = i(t)R即電容兩端電壓vo(t) ，在開始產(chǎn)生惰性失真的瞬間，此電壓等于輸入調(diào)幅波的包絡(luò)，式(9-21) 可以寫為(9-22)44將式(9-22)與式(9-20)代入式(9-17)：經(jīng)變換得到當(dāng)cost = ma時(shí)，式(9-

13、24)左邊有最大值 ，因此為了在任意時(shí)刻都不產(chǎn)生惰性失真，必須滿足(9-23)(9-24)(9-25)453. 底邊切割失真檢波器與下級(jí)電路級(jí)聯(lián)工作時(shí)，下級(jí)只取檢波器輸出的交流電壓，檢波器輸出端接一個(gè)隔直流電容Cd，如圖9-27(a)中所示，Rd 為下級(jí)電路的輸入電阻。圖9-27 底邊切割失真(a) 取出交流電壓的二極管包絡(luò)檢波器46RC的值必須大于載波周期以期能濾除高頻電壓，但RC 的值不能太大(避免惰性失真)。要使解調(diào)出的低頻信號(hào)順利傳輸?shù)较录?jí)，RdCd 的值必須遠(yuǎn)大于解調(diào)信號(hào)最低頻率一個(gè)周期。必有RC RdCd。檢波器的交流負(fù)載為R 與Rd 并聯(lián)后的總電阻直流負(fù)載為R，兩個(gè)負(fù)載值不相等。

14、當(dāng)調(diào)幅系數(shù)ma 較大時(shí)會(huì)引起失真，稱為底邊切割失真或負(fù)峰切割失真。47隔直電容Cd 上的電壓在工作期間基本不變，可看成直流電壓，以Vd表示，其數(shù)值近似等于輸入調(diào)幅波的載波振幅的平均值Vc，電壓方向如圖9-27(a) 所示。電壓Vd 作為電阻R 和Rd 構(gòu)成的串聯(lián)電路的電壓源，在R上產(chǎn)生直流電壓(9-26)VR為反偏電壓，有可能影響二極管的導(dǎo)通。當(dāng)二極管正極輸入的調(diào)幅波包絡(luò)大于VR 時(shí)，這個(gè)電壓不會(huì)影響二極管的工作。但當(dāng)調(diào)幅波包絡(luò)小于VR 時(shí)，二極管將不能導(dǎo)通。48當(dāng)調(diào)幅波包絡(luò)小于VR 時(shí)，二極管將不能導(dǎo)通。這時(shí)檢波負(fù)載電容上的電壓vo(t)不能跟隨輸入調(diào)幅波的包絡(luò)變化，而是保持為VR ，如圖9

15、-27(b)所示。圖9-27 底邊切割失真(b)底邊切割失真波形49Rd 上的輸出電壓v(t) 大小為負(fù)值VR Vd。為避免這種失真，必須滿足即 當(dāng)ma較大時(shí)，應(yīng)使檢波器的直流負(fù)載和交流負(fù)載接近相等，直流負(fù)載R不能太大。(9-27)509.3.3 同步檢波1. 雙邊帶乘積型同步檢波圖9-28 雙邊帶乘積型檢波器原理框圖5152本地載波信號(hào)表示本地載波與原載波的總相位差。檢波器輸入的雙邊帶信號(hào)(9-28)(9-29)乘法器的輸出信號(hào)(9-30)低通濾波器輸出(9-31)當(dāng)本地載波與原載波同頻同相，即(t) = 0時(shí)(9-32)能夠無(wú)失真還原調(diào)制信號(hào)。53若(t)是時(shí)變的，vo(t) 對(duì)原調(diào)制信號(hào)

16、將產(chǎn)生振幅失真。當(dāng)c = 0而不變時(shí)， (t)為常數(shù)，輸出vo(t) =Vocoscost 當(dāng) =/2時(shí)，vo=0。利用這一特性，可以實(shí)現(xiàn)二路不同信號(hào)的復(fù)用，稱為正交平衡調(diào)幅。542. 疊加型同步檢波在雙邊帶或單邊帶調(diào)幅波中插入載波，使信號(hào)近似為普通調(diào)幅波，再采用包絡(luò)檢波器恢復(fù)調(diào)制信號(hào)。圖9-29 疊加型同步檢波器原理框圖55對(duì)雙邊帶信號(hào)采用疊加型同步檢波方法時(shí)，加法器輸出表示為若可以得到不失真的普通調(diào)幅波，通過包絡(luò)檢波可以取出調(diào)制信號(hào)。56(9-33)單邊帶信號(hào)，如上邊帶信號(hào)，與本地載波相加后得到(9-34)式中(9-35)(9-36)57設(shè)時(shí)，利用泰勒級(jí)數(shù)展開并只取前兩項(xiàng)，有(9-37)經(jīng)

17、包絡(luò)檢波器后，輸出(9-38)(9-39)583. 本地同步信號(hào)的獲取普通調(diào)幅波中攜帶載波頻率分量，因此可以直接從信號(hào)中提取載波同步信號(hào)。對(duì)于DSB信號(hào)，采取將信號(hào)平方的辦法，可以取出頻率為2c 的信號(hào)，再分頻后得到原載波頻率的信號(hào)。對(duì)于SSB信號(hào)，無(wú)法從信號(hào)中提取同步載波，一般在發(fā)射機(jī)發(fā)射的單邊帶信號(hào)中插入低功率載頻信號(hào)，稱為導(dǎo)頻信號(hào)。在接收機(jī)中從輸入信號(hào)中提取導(dǎo)頻信號(hào)，并放大后將其作為本地載波信號(hào)。599.4 正交平衡調(diào)幅圖9-30 正交平衡調(diào)幅信號(hào)形成原理60圖9-31 正交平衡調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)61本章小結(jié)本章介紹了調(diào)幅信號(hào)特點(diǎn)、振幅調(diào)制電路和解調(diào)電路。(1) 調(diào)幅波的載波振幅隨調(diào)制信號(hào)變化，在普通調(diào)幅(AM)、抑制載波雙邊帶調(diào)幅(DSB)和單邊帶調(diào)幅(SSB)三種調(diào)幅信號(hào)中，只有AM 信號(hào)的振幅包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)成正比，在接收端可以通過包絡(luò)檢波恢復(fù)原始調(diào)制信號(hào)。AM 信號(hào)的絕大部分功率用于發(fā)射載波信息，其他三種調(diào)幅波抑制載波分量。AM和DSB的帶寬是調(diào)制信號(hào)最高頻率的2 倍，SSB信號(hào)只傳送其中一個(gè)邊帶。普通調(diào)幅波的調(diào)幅系數(shù)不能大于1。62(2) 調(diào)幅電路分為高電平調(diào)制和低電平調(diào)制。高電平調(diào)制用于產(chǎn)生普通調(diào)幅波，直接在功率放大器上調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)可以直接發(fā)射出去，有基極調(diào)幅、集電極調(diào)