第9章振幅調(diào)制與解調(diào)

9振幅調(diào)制與解調(diào)9.1概述9.2調(diào)幅波的性質(zhì)9.3平方律調(diào)幅9.4斬波調(diào)幅9.5模擬乘法器調(diào)幅9.6單邊帶信號的產(chǎn)生9.7殘留邊帶調(diào)幅9.8高電平調(diào)幅9.9包絡(luò)檢波9.10同步檢波9.11單邊帶信號的接收9振幅調(diào)制與解調(diào)9.1概述9.1.1振幅調(diào)制簡述9.1.2檢波簡述倍頻中間放大調(diào)制器話筒聲音發(fā)射天線調(diào)幅發(fā)射機方框圖

低頻電壓放大主振緩沖受調(diào)放大器功放推動

低頻功放末級低頻功放末級高頻功率放大9.1概述超外差式接收機方框圖9.1概述9.1概述1、概念調(diào)制：是在傳送信號的一方（發(fā)送端）將所要傳送的信號（它的頻率一般是較低的）“附加”在高頻振蕩上，再由天線發(fā)射出去。載波：高頻振蕩波是攜帶信號的“運載工具”，叫載波。解調(diào)：在接收信號的一方（接收端）經(jīng)過解調(diào)（反調(diào)制）過程，把載波所攜帶的信號取出來，得到原來的信息。反調(diào)制過程也叫檢波。2.調(diào)制的原因1）天線要將低頻信號有效地輻射出去，它的尺寸 為使天線能有效地發(fā)送和接收電磁波，天線的幾何尺寸必須和信號波長相比擬，一般不宜短于1/4波長。音頻信號:20Hz～20kHz波長：15～15000km天線長度:3.75～3750km9.1.1振幅調(diào)制簡述就必須很大。2.調(diào)制的原因2）基帶信號特點：頻率變化范圍很大，因此要求高頻窄帶信號頻譜搬移低頻（音頻）:20Hz～20kHz高頻（射頻）:AM廣播信號:535～1605kHz，BW=20kHzlowhigh2020k10k1000k100k9.1.1振幅調(diào)制簡述天線和諧振回路的參數(shù)應(yīng)在很寬范圍內(nèi)變化，這是很難做到的。2.調(diào)制的原因3）便于不同電臺相同頻段基帶信號的同時接收，因頻譜搬移9.1.1振幅調(diào)制簡述如果直接發(fā)射音頻信號，則發(fā)射機將工作于同一頻率范圍內(nèi)。3.調(diào)制的方式和分類調(diào)幅調(diào)相調(diào)制連續(xù)波調(diào)制脈沖波調(diào)制脈寬調(diào)制振幅調(diào)制編碼調(diào)制調(diào)頻脈位調(diào)制9.1.1振幅調(diào)制簡述4.調(diào)幅的方法平方律調(diào)幅斬波調(diào)幅調(diào)幅方法低電平調(diào)幅高電平調(diào)幅集電極調(diào)幅基極調(diào)幅9.1.1振幅調(diào)制簡述9.1.2檢波簡述從振幅受調(diào)制的高頻信號中還原出原調(diào)制的信號。1.定義圖9.1.1檢波器的輸入輸出波形9.1.2檢波簡述圖9.1.2檢波器檢波前后的頻譜9.1.2檢波簡述圖9.1.3檢波器的組成部分9.1.2檢波簡述2.組成3.檢波的分類二極管檢波器三極管檢波器檢波器件信號大小小信號檢波器大信號檢波器工作特點包絡(luò)檢波器同步檢波器9.1.2檢波簡述9.2調(diào)幅波的性質(zhì)9.2.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式與頻譜9.2.2調(diào)幅波中的功率關(guān)系9.2.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式與頻譜1.普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式首先討論單音調(diào)制的調(diào)幅波。載波信號：

調(diào)制信號：

調(diào)幅信號（已調(diào)波）：

由于調(diào)幅信號的振幅與調(diào)制信號成線性關(guān)系，在理想的情況下，已調(diào)波的振幅為：

，式中為比例常數(shù)即：式中ma為調(diào)制度（調(diào)幅指數(shù)），

常用百分比數(shù)表示。調(diào)幅信號（已調(diào)波）用下式表示：9.2.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式與頻譜9.2.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式與頻譜波形特點(1)調(diào)幅波的振幅（包絡(luò)）變化規(guī)律與調(diào)制信號波形一致(2)調(diào)幅度ma反映了調(diào)幅的強弱度

圖9.2.1(b)9.2.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式與頻譜過量調(diào)制應(yīng)滿足2.普通調(diào)幅波的頻譜（1）由單一頻率信號調(diào)幅

Ω調(diào)制信號ω0載波調(diào)幅波ω0+Ω上邊頻ω0-Ω下邊頻9.2.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式與頻譜9.2.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式與頻譜（2）由多頻率信號調(diào)幅調(diào)制信號：調(diào)幅波的方程：（9.2.7）信號帶寬ω0Ωmax調(diào)幅波ΩmaxΩmaxΩmaxΩmax調(diào)制信號載波ω0+Ωmax上邊帶ω0-Ωmax下邊帶9.2.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式與頻譜（2）由多頻率信號調(diào)幅頻譜圖9.2.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式與頻譜圖9.2.2由非正弦波調(diào)制所得到的調(diào)幅波9.2.2調(diào)幅波中的功率關(guān)系如果將普通調(diào)幅波輸送功率至電阻R上，則載波與兩個邊頻將分別得出如下的功率：ω0載波功率:上邊頻功率：在調(diào)幅信號一周期內(nèi)，AM信號的平均輸出總功率是（9.2.11）下邊頻功率:（9.2.12）（9.2.13）（9.2.14）

載波本身并不包含信號，但它的功率卻占整個調(diào)幅波功率的絕大部分。當(dāng)100%調(diào)幅時，

ma＝1，Po＝1.5PoT

從調(diào)幅波的頻譜圖可知，唯有它的上、下邊帶分量才實際地反映調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)，而載波分量僅是起到頻譜搬移的作用，不反映調(diào)制信號的變化規(guī)律。9.2.2調(diào)幅波中的功率關(guān)系ω0當(dāng)未調(diào)幅時，ma＝0，Po＝PoT

9.2.2調(diào)幅波中的功率關(guān)系

為傳遞信息，只要有一個包含信號的邊帶就夠了。這樣，可以把載波功率和另一個邊帶的功率都節(jié)省下來，同時還節(jié)省50%的頻帶寬度（這是最主要的優(yōu)點）。這種傳送信號的ω0方式叫做單邊帶發(fā)送（singleside-bandtransmission,SSB）單邊帶調(diào)制所需要的收發(fā)設(shè)備都比較復(fù)雜，只適合在遠距離通信系統(tǒng)或載波電話中使用。通常的無線電廣播仍是將兩個邊帶和載波都發(fā)射出去，以簡化千家萬戶所使用的收音機電路，降低它們的造價。9.3平方律調(diào)幅9.3.1工作原理9.3.2平衡調(diào)幅器9.3.1工作原理調(diào)幅波的共同之處都是在調(diào)幅前后產(chǎn)生了新的頻率分量，也就是說都需要用非線性器件來完成頻率變換。圖9.3.1非線性調(diào)幅方框圖這里將調(diào)制信號vΩ與載波信號相加后，同時加入非線性器件，然后通過中心頻率為ω0的帶通濾波器取出輸出電壓vo中的調(diào)幅波成分。9.3.1工作原理假設(shè)非線性器件為二極管，它的特性可表示為（9.3.1）式中，輸入電壓為（9.3.2）式（9.3.2）代入式（9.3.1），得9.3.1工作原理（9.3.3）中產(chǎn)生調(diào)幅作用的是項，故稱為平方律調(diào)幅。濾波后，輸出電壓為：9.3.1工作原理（9.3.4）由上式知，調(diào)幅度（9.3.5）由式（9.3.5）可得以下結(jié)論：1）的大小由調(diào)制信號電壓振幅及調(diào)制器的特性曲線所決定，亦即有所決定。2）通常因此用這種方法所得到的調(diào)幅度是不大的。為使電子器件工作于平方律部分，電子管或晶體管應(yīng)工作于甲類非線性狀態(tài)，故效率不高，平方律調(diào)幅主要用于低電平調(diào)制。還可組成平衡調(diào)幅器，以抑除載波。9.3.2平衡調(diào)幅器

將兩個平方律調(diào)幅器按圖9.3.2的對稱形式連接，就圖9.3.2串聯(lián)雙二極管平衡調(diào)幅器簡化電路構(gòu)成平衡調(diào)幅器。平衡調(diào)幅器的輸出電壓只有兩個上、下邊帶，沒有載波。即平衡調(diào)幅器的輸出是載波被抑止的雙邊帶。證明如下：（9.3.6）（9.3.7）9.3.2平衡調(diào)幅器圖9.3.2串聯(lián)雙二極管平衡調(diào)幅器簡化電路（9.3.6）（9.3.7）輸出中無載波分量，只有上下邊帶與調(diào)制信號頻率（可用濾波器濾掉），再濾去一條邊帶，可獲得單邊帶輸出。9.4斬波調(diào)幅9.4.1工作原理9.4.2實現(xiàn)斬波調(diào)幅的兩種電路9.4.1工作原理圖9.4.1斬波調(diào)幅器方框圖斬波調(diào)幅：將所要傳送的信號通過一個受載波頻率控制的開關(guān)電路（斬波電路），以使它的輸出波形被“斬”成周期為的脈沖，因而包含及各種諧波分量等。再通過中心頻率為的帶通濾波器，取出所需要的調(diào)幅波輸出即實現(xiàn)了調(diào)幅。9.4.1工作原理圖9.4.1斬波調(diào)幅器方框圖斬波后的電壓（9.4.1）（9.4.2）（9.4.3）式（9.4.3）代入式（9.4.2)，得（9.4.4）9.4.1工作原理圖9.4.1斬波調(diào)幅器方框圖（9.4.4）通過中心頻率為的帶通濾波器后，可取出項，即輸出電壓為載波被抑止的雙邊帶輸出。圖9.4.2斬波調(diào)幅器工作圖解9.4.1工作原理圖9.4.3平衡斬波調(diào)幅及其圖解9.4.1工作原理上面是用不對稱的開關(guān)電路來獲得斬波調(diào)幅的。實際上常用對稱的開關(guān)電路，如圖9.4.3（a）。9.4.1工作原理圖9.4.3平衡斬波調(diào)幅及其圖解（9.4.6）（9.4.7）與采用不對稱開關(guān)電路的斬波調(diào)幅比較，平衡斬波調(diào)幅無低頻分量，高頻分量的振幅也提高了一倍。9.4.2實現(xiàn)斬波調(diào)幅的兩種電路圖9.4.4二極管電橋斬波調(diào)幅電路圖9.4.5環(huán)形調(diào)幅器電路9.4.2實現(xiàn)斬波調(diào)幅的兩種電路9.4.2實現(xiàn)斬波調(diào)幅的兩種電路以上兩種電路的特點：優(yōu)點：維護簡易、穩(wěn)定、壽命長。缺點：功率小，不適用于大功率電路。圖5.4.2晶體三極管差分對模擬乘法器原理電路9.5模擬乘法器調(diào)幅集成電路應(yīng)用于調(diào)制電路，通常是采用模擬乘法器的形式。圖5.4.2是最簡單的模擬乘法器電路。很小時，9.5模擬乘法器調(diào)幅圖9.5.1模擬乘法器電路實際上，廣泛采用如圖9.5.1所示的雙差分對模擬乘法器（四象限模擬乘法器）。很小時，（9.5.1）為常數(shù)。令（9.5.2）9.5模擬乘法器調(diào)幅圖9.5.1模擬乘法器電路模擬乘法器的輸出是載波被抑止的調(diào)幅波。（9.5.2）很小時，或時，輸出電壓；只有當(dāng)和同時存在時，才有。由知9.5模擬乘法器調(diào)幅圖9.5.1模擬乘法器電路當(dāng)輸入信號大時（9.5.3）雙曲正切圖9.5.2限幅特性9.5模擬乘法器調(diào)幅當(dāng)小時，成線性關(guān)系。但線性放大器很窄（室溫條件下只有幾十mV的范圍）當(dāng)足夠大時，趨近于定值，這是乘法器起限幅作用。此時模擬乘法器仍然起著9.5模擬乘法器調(diào)幅圖9.5.2限幅特性兩個信號相乘的非線性這些不需要的諧波分量，可較多的諧波分量。為濾除變換作用。只是輸出中包含在輸出端加入中心頻率為的帶通濾波器。9.5模擬乘法器調(diào)幅圖9.5.3XFC1596的內(nèi)部電路（虛線框內(nèi)）及由它構(gòu)成的雙邊帶調(diào)制電路當(dāng)時，電路工作于開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)時，電路工作于線性狀態(tài)。同時加入后，輸出電壓為載波被抑止的雙邊帶調(diào)幅波。MC1496內(nèi)部電路9.5模擬乘法器調(diào)幅9.5模擬乘法器調(diào)幅MC1496MC1496各引腳功能如下：1）SIG+信號輸入正端2）GADJ增益調(diào)節(jié)端3）GADJ增益調(diào)節(jié)端4）SIG-信號輸入負端5）BIAS偏置端6）OUT+正電流輸出端7）NC空腳8）CAR+載波信號輸入正端9）NC空腳10）CAR-載波信號輸入負端11）NC空腳9.5模擬乘法器調(diào)幅12）OUT-負電流輸出端13）NC空腳14）V-負電源

9.5模擬乘法器調(diào)幅9.6單邊帶信號的產(chǎn)生9.6.1單邊帶通信的優(yōu)缺點9.6.2產(chǎn)生單邊帶信號的方法9.6.1單邊帶通信的優(yōu)缺點使所容納的頻道數(shù)目增加一倍，大大提高波段利用率。單邊帶制能獲得更好的通信效果。單邊帶制的選擇性衰落現(xiàn)象要輕得多。要求收、發(fā)設(shè)備的頻率穩(wěn)定度高，設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)要求高。調(diào)幅波ω0+Ω上邊頻ω0-Ω下邊頻9.6.2產(chǎn)生單邊帶信號的方法1.濾波器法圖9.6.1濾波器法原理方框圖圖9.6.2濾波器法單邊帶發(fā)射機方框圖 必須強調(diào)指出，提高單邊帶的載波頻率決不能用倍頻的方法。因為倍頻后，音頻頻率Ｆ也跟著成倍增加，使原來的調(diào)制信號變了樣，產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。這是絕對不允許的。9.6.2產(chǎn)生單邊帶信號的方法平衡調(diào)幅器濾波器圖9.6.3單邊帶發(fā)射機方框圖舉例9.6.2產(chǎn)生單邊帶信號的方法下2.相移法圖9.6.4相移法單邊帶調(diào)制器方框圖9.6.2產(chǎn)生單邊帶信號的方法3.第三種方法——修正的移相濾波法圖9.6.5產(chǎn)生單邊帶信號的第三種方法9.6.2產(chǎn)生單邊帶信號的方法電壓表達式普通調(diào)幅波載波被抑制雙邊帶調(diào)幅波單邊帶信號波形圖頻譜圖信號帶寬三種振幅調(diào)制信號9.7殘留邊帶調(diào)幅在單邊帶調(diào)幅與雙邊帶調(diào)幅之間，有一種折衷方式，即殘留邊帶調(diào)幅。它傳送被抑制邊帶的一部分，同時又將被傳送邊帶也抑制掉一部分。為了保證信號無失真地傳輸，傳送邊帶中被抑制部分和抑制邊帶中的被傳送部分應(yīng)滿足互補對稱關(guān)系。 特點:

所占頻帶比單邊帶略寬一些;它在ω０附近的一定范圍內(nèi)具有兩個邊帶，因此在調(diào)制信號（例如電視信號）含有直流分量時，這種調(diào)制方式可以適用;殘留邊帶濾波器比單邊帶濾波器易于實現(xiàn)。圖9.7.1各種調(diào)幅制式的頻譜示意圖9.7殘留邊帶調(diào)幅9.8高電平調(diào)幅9.8.1集電極調(diào)幅9.8.2基極調(diào)幅9.8高電平調(diào)幅高電平調(diào)幅電路能同時實現(xiàn)調(diào)制和功率放大，即用調(diào)制信號vΩ去控制諧振功率放大器的輸出信號的幅度Vcm來實現(xiàn)調(diào)幅的。臨界過壓欠壓VCC（t）臨界過壓欠壓VBB(t)集電極調(diào)幅電路9.8.1集電極調(diào)幅iCiC19.8.1集電極調(diào)幅臨界過壓欠壓VCC（t）9.8.2基極調(diào)幅基極調(diào)幅電路iCvAM（t）9.8.2基極調(diào)幅臨界過壓欠壓V

BB(t)9.9包絡(luò)檢波9.9.1包絡(luò)檢波器的工作原理9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)9.9.1包絡(luò)檢波器的工作原理非線性電路低通濾波器從已調(diào)波中檢出包絡(luò)信息，只適用于AM信號

輸入AM信號檢出包絡(luò)信息VDCC++vCR++充電放電iDvi–––串聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波器9.9.1包絡(luò)檢波器的工作原理負載電阻，數(shù)值較大。負載電容，高頻時，其阻抗遠小于R，可視為短路；低頻時，其阻抗遠大于R，可視為開路。9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)下面討論這種檢波器的幾個主要質(zhì)量指標(biāo)：電壓傳輸系數(shù)（檢波效率）、輸入電阻和失真。1)電壓傳輸系數(shù)(檢波效率)定義：調(diào)幅波的載波振幅。1)電壓傳輸系數(shù)(檢波效率)vDiD-vCVimθ用分析高頻功放的折線近似分析法可以證明其中，θ是二極管電流通角，Ｒ為檢波器負載電阻，Ｒd為檢波器內(nèi)阻。9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)2)等效輸入電阻考慮到包絡(luò)檢波電路一般作為諧振回路的負載，它勢必影響回路選頻特性（Q），下面分析其等效電阻其中，Vim是輸入高頻電壓振幅，Iim是輸入高頻電流的基波振幅。9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)（9.9.3）2)等效輸入電阻9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)由于二極管電流id只在高頻信號電壓為正峰值的一小段時間通過，電流通角θ很小，因此它的基頻電流振幅為式中，為平均（直流）電流。另一方面，負載R兩端的平均電壓為KdVim，因此平均電流代入式（9.9.3）、（9.9.4），即得（9.9.4）（9.9.5）2)等效輸入電阻9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)（9.9.5）通常因此，即大信號二級管的輸入電阻約等于負載電阻的一半。二極管檢波器的主要缺點：由于二極管輸入電阻的影響，使輸入諧振回路的值降低，消耗一些高頻功率。3)失真產(chǎn)生的失真主要有：①惰性失真；②負峰切割失真；③非線性失真；④頻率失真。如果檢波電路的時間常數(shù)RC太大，當(dāng)調(diào)幅波包絡(luò)朝較低值變化時，電容上的電荷來不及釋放以跟蹤其變化，所造成的失真稱作惰性失真。

①惰性失真(對角線切割失真)9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)

①惰性失真(對角線切割失真)調(diào)幅波包絡(luò)如圖所示，在某一點，如果電容兩端電壓的放電速度小于包絡(luò)的下降速度，就可能發(fā)生惰性失真。包絡(luò)變化率電容放電9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)輸入高頻調(diào)幅波

①惰性失真(對角線切割失真)放電速率假定此時為避免失真包絡(luò)變化率9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)

①惰性失真(對角線切割失真)實際上，調(diào)制波往往是由多個頻率成分組成，即Ω=Ωmin～Ωmax。為了保證不產(chǎn)生失真，必須滿足或9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路②負峰切割失真(底邊切割失真)隔直電容Cc數(shù)值很大，可認為它對調(diào)制頻率Ω交流短路，電路達到穩(wěn)態(tài)時，其兩端電壓VC≈Vim。失真最可能在包絡(luò)的負半周發(fā)生。假定二極管截止，Cc將通過R和RL緩慢放電，相對于高頻載波一個周期內(nèi)，其電壓VC≈Vim將在R和RL上分壓。直流負載電阻R上的電壓為9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)是由于檢波器的直流負載電阻R與交流（音頻）負載電阻不相等，而且調(diào)幅度又相當(dāng)大時引起的?？紤]了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路②負峰切割失真(底邊切割失真)Vim（1-m）V

imV

RVRVRV

RV

RV

R9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路②負峰切割失真(底邊切割失真) 要避免二極管截止發(fā)生，包絡(luò)幅度瞬時值必須滿足 交、直流負載電阻越懸殊，ma越大，越容易發(fā)生該失真。9.9.2包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路③非線性失真這種失真是由檢波二極管伏安特性曲線的非線性所引起的。非線性

實現(xiàn)原理：

iD

vΩ，

vi不變vD

如果負載電阻R選得足夠大，則檢波管非線性特性影響越小，它所引