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，只有當天線尺寸與電信號波長可比擬時，電信號才能以電磁波形式有效地被輻射；

2）多路復用。

第5章振幅調(diào)制與解調(diào)5.1概述5.2調(diào)幅信號的分析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)幅信號的分析5.2.1普通調(diào)幅波（AM）設(shè)調(diào)制信號為單音音頻信號載波信號為

1.調(diào)幅信號的波形圖2.調(diào)幅信號的數(shù)學表達式

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)制信號控制的強弱程度，一般0＜ma≤1。

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

給定調(diào)幅波表達式，畫出ma=0.5，1，1.5時波形圖。

3.調(diào)幅信號的頻譜兩點結(jié)論：

1）調(diào)制的過程是實現(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)制信號信息，只有兩個邊帶攜帶了調(diào)制信號的信息。

調(diào)幅信號的帶寬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)制信號一周期內(nèi)，調(diào)幅信號的平均功率為

因為ma≤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)射機功率來看，普通調(diào)幅波是很不經(jīng)濟的。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，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。

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

2）在調(diào)制信號為零的兩旁，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稱含有相同的信息，可以只發(fā)送單個邊帶信號，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

上邊帶信號其頻帶寬度BSSB=Fmax。

表5-1三種調(diào)幅波時域、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，小信號平方律檢波用冪級數(shù)分析法；

5.6中，大信號調(diào)幅的數(shù)學分析用開關(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

3）高、低電平

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

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

4）從哪個極加入（基極、集電極、發(fā)射極調(diào)幅）

3.實現(xiàn)調(diào)幅的方框圖

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

（c）單邊帶調(diào)幅波實現(xiàn)框圖

4.數(shù)學分析法

大信號——折線近似法

小信號——冪級數(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、大信號基極調(diào)幅電路

1.電路

2.基本工作原理思路：——

uΩ相當于一個緩慢變化的偏壓，使icmax按調(diào)制信號的大小而變化，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)計要求

（1）關(guān)于放大器的工作狀態(tài)

欠壓狀態(tài)，設(shè)計時應使放大器最大工作點（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)制信號而變化，應根據(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

當調(diào)制信號為單頻正弦信號時，，因Ec不變，所以由于所以

（3）放大器的最佳集電極負載電阻

設(shè)計通常是從所需的負載載波功率出發(fā)（4）對激勵的要求

因為最大工作點處的基流脈沖最大，所以應根據(jù)該處的基流幅值(Ib1m)max確定激勵功率，即

（5）優(yōu)缺點

優(yōu)點：①所需調(diào)制信號功率很?。虎陔娐繁容^簡單。缺點：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)。激勵過強或阻抗匹配不當都可能造成此現(xiàn)象；②激勵功率不夠或激勵信號源內(nèi)阻過大，造成波腹處的基波脈沖增長不上去；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不上去。三、集電極調(diào)幅電路

1.電路

電路特點：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Ecc最大時，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)計要點

（1）放大器的工作狀態(tài)最大工作點設(shè)計在臨界狀態(tài)，其余時間都處于過壓狀態(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）對激勵的要求

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

（4）對調(diào)制信號的要求

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：

這是因為Ecc<0，晶體三極管進入反向工作區(qū)，原來的集電極實際上變成了“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

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，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與已調(diào)波相乘，適合各種調(diào)幅波。一、小信號檢波（已調(diào)波的幅度在幾十mV以下）

1.小信號平方律檢波電路

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，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.小信號檢波電路的工作原理（利用冪級數(shù)分析）

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

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產(chǎn)生

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

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

ui(t)>uo(t)（導通），C充電，時間常數(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（自動增益控制電路）。當輸入信號很大時，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

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,相應輸出為直流電壓Uo，檢波器從輸入信號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的導通時間很短，近似認為PL≈Pi，而Uo≈Ucm，因此

2.信號強度對

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載電阻比值愈小，愈容易產(chǎn)生割底失真。

（2）改進電路

思路：減小交、直流負載電阻值的差別常取RL1/RL2＝0.1～0.2

2.對角線失真（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應盡可能大；從避免對角線失真考慮，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、大信號調(diào)幅的數(shù)學分析假設(shè)Ucm足夠大，且其值遠大于，這屬于大信號工作情況，則可近似認為二極管工作在受載波控制的開關(guān)狀態(tài)。此時，管子導通后的非線性相對于單向?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，載波負半周k(t)=0。

開關(guān)函數(shù)實際上就是幅度為1，頻率為ωc的單向方波脈沖，用傅里葉級數(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導通，V3、V4截止；uc負半周，V3、V4導通，V1、V2截止。利用開關(guān)函數(shù)，則

（1）uc正半周注意到此時的開關(guān)函數(shù)為，則

（2）uc負半周通過負載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稱，四個二極管的特性也應一致。否則，載波分量不會被完全抑制掉，出現(xiàn)“載漏”。

實際電路三、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。這是由于后兩種已調(diào)信號的包絡(luò)并不反映調(diào)制信號的變化規(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

——本地載波信號分類：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，本地載波信號，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。ui(t)低通濾波器ur(t)uA(t)uo(t)

3）本地載波信號產(chǎn)生方法

①對于雙邊帶調(diào)幅波，同步信號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。

②對于單邊帶調(diào)幅波，同步信號無法從中提取出來。為了產(chǎn)生同步信號，往往在發(fā)送單邊帶信號的同時，附帶發(fā)送一個功率遠低于邊帶信號功率的載波信號，稱為