第7章 振幅調(diào)制與解調(diào)

第7章振幅調(diào)制與解調(diào)

要實(shí)現(xiàn)無(wú)線電通信，首先必須產(chǎn)生高頻(highfrequency)振蕩信號(hào)，再把基帶低頻(lowfrequency)信號(hào)加到高頻振蕩信號(hào)上，去控制它的參數(shù)，這稱為調(diào)制(modulation)，然后把已受基帶低頻信號(hào)調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)放大后經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去，這樣的高頻已調(diào)無(wú)線電波就攜帶了基帶低頻信號(hào)一起發(fā)射。

載波、調(diào)制信號(hào)、已調(diào)波信號(hào)未經(jīng)調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)稱為載波(carrierwave)信號(hào)；基帶低頻信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)；經(jīng)調(diào)制攜帶有基帶低頻信號(hào)的高頻振蕩信號(hào)稱為已調(diào)波信號(hào)。當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘?hào)是模擬(analog)信號(hào)時(shí)，稱為模擬通信系統(tǒng)，當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘?hào)是數(shù)字(digital)信號(hào)時(shí)，稱為數(shù)字通信系統(tǒng)，雖然基帶信號(hào)不同，但通信系統(tǒng)的原理和組成是相同的。調(diào)幅（AM:amplitudemodulation）高頻載波通常是一個(gè)正弦波振蕩信號(hào)，有振幅、頻率和相位三個(gè)參數(shù)可以改變。用基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制就有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種方式。

1.調(diào)幅（AM:amplitudemodulation）：載波的頻率和相位不變，載波的振幅按基帶信號(hào)的變化規(guī)律變化。調(diào)幅獲得的已調(diào)波稱為調(diào)幅波。中短波廣播和電視的高頻圖像信號(hào)都是調(diào)幅波。調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為調(diào)角（anglemodulation）

2.調(diào)頻（FM:frequencymodulation）：載波的振幅不變，載波的瞬時(shí)頻率按基帶信號(hào)的變化規(guī)律變化。調(diào)頻獲得的已調(diào)波稱為調(diào)頻波。調(diào)頻廣播和電視的高頻伴音信號(hào)都是調(diào)頻波。3.調(diào)相（PM:phasemodulation）：載波振幅不變，載波的瞬時(shí)相位按基帶信號(hào)的變化規(guī)律變化。調(diào)相獲得的已調(diào)波稱為調(diào)相波。調(diào)頻和調(diào)相又統(tǒng)稱為調(diào)角（anglemodulation）。解調(diào)（demodulation）解調(diào)（demodulation）是在接收端將已調(diào)波信號(hào)從高頻段變換到低頻段，恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。調(diào)幅的解調(diào)過(guò)程稱為檢波（demodulation）；調(diào)頻的解調(diào)過(guò)程稱為鑒頻(frequencydiscrimination)；調(diào)相的解調(diào)過(guò)程稱為鑒相(phasediscrimination)。振幅調(diào)制原理

振幅調(diào)制可分為普通調(diào)幅、雙邊帶調(diào)幅、單邊帶調(diào)幅與殘留邊帶調(diào)幅等幾種方式。普通調(diào)幅簡(jiǎn)稱調(diào)幅（AM:amplitudemodulation）普通調(diào)幅（AM）信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式與波形普通調(diào)幅（AM）是用低頻調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的振幅，使其隨調(diào)制信號(hào)波形的變化而呈線性變化。

圖7-2普通調(diào)幅（AM）的信號(hào)波形普通調(diào)幅（AM）信號(hào)頻譜與帶寬單音調(diào)制的普通調(diào)幅（AM）信號(hào)包含載波、上邊頻和下邊頻，其頻譜如圖7-3所示。頻譜的中心頻率分量是載波，它與調(diào)制信號(hào)無(wú)關(guān)，不包含信息。而兩個(gè)邊頻分量則以載頻為中心對(duì)稱分布，兩個(gè)邊頻幅度均小于載頻幅度。調(diào)制信號(hào)的幅度及頻率信息只含于邊頻分量中。普通調(diào)幅波頻帶寬度為調(diào)制信號(hào)頻帶寬的2倍。圖7-3單音調(diào)制時(shí)已調(diào)波頻譜

圖7-4調(diào)制信號(hào)為頻率帶的調(diào)幅波頻譜

調(diào)幅（AM）信號(hào)的功率分配圖7-5低電平AM調(diào)制實(shí)現(xiàn)的電路模型圖7-6雙邊帶調(diào)幅(DSBAM)

信號(hào)的波形與頻譜圖

圖7-7實(shí)現(xiàn)雙邊帶調(diào)幅(DSBAM)的電路模型例7.1

已知兩個(gè)信號(hào)電壓的頻譜如圖7-8所示，求：（1）寫出兩個(gè)信號(hào)電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并指出已調(diào)波的性質(zhì)。（2）計(jì)算在單位電阻上消耗的邊帶功率、總功率以及已調(diào)波的頻帶寬度。圖7-8例7.1圖圖7-9單邊帶調(diào)幅（SSBAM）信號(hào)的波形與頻譜單邊帶調(diào)幅信號(hào)的特點(diǎn)單邊帶調(diào)幅信號(hào)節(jié)省頻帶、節(jié)省能量和抗干擾性能強(qiáng)。單邊帶調(diào)幅信號(hào)的頻譜寬度僅為雙邊帶信號(hào)頻譜寬度的一半，從而提高了頻帶的利用率，這對(duì)日益擁擠的短波波段是很有利的。由于只發(fā)射一個(gè)邊帶，大大節(jié)省了發(fā)射功率。與普通調(diào)幅相比，在發(fā)射功率相同的情況下，可使接收端的信噪比明顯提高，從而使通信距離大大增加。但單邊帶調(diào)幅信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大，設(shè)備復(fù)雜，這就限制它在民用方面的應(yīng)用和推廣。圖7-10濾波法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)幅7.2.4殘留邊帶調(diào)幅在電視發(fā)射系統(tǒng)中，圖像信號(hào)是采用幅度調(diào)制形式的。視頻圖像信號(hào)的頻帶本來(lái)很寬，普通調(diào)幅后圖像信號(hào)頻帶更是寬達(dá)十幾兆赫茲，為了壓縮發(fā)射圖像信號(hào)所占的頻帶寬度，宜采用單邊帶方式?？紤]到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的電路結(jié)構(gòu)和成本，希望能用普通調(diào)幅信號(hào)的接收方法接收?qǐng)D像信號(hào)，這樣在發(fā)射單邊帶圖像信號(hào)的同時(shí)，把載波和殘留部分邊帶信號(hào)一起發(fā)射出去，這種調(diào)制方式稱為殘留邊帶調(diào)幅（VestigialSideBandAmplitudeModulation，VSBAM）。圖7-12是電視圖像信號(hào)殘留邊帶的調(diào)幅頻譜圖。圖7-12圖像信號(hào)殘留邊帶的調(diào)幅頻譜圖殘留邊帶調(diào)制的效果類似于單邊帶調(diào)制。既保留了單邊帶調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，又避免了其主要缺點(diǎn)（制作濾波器的困難）。加入載波發(fā)射，是為了在接收端較方便的解調(diào)。實(shí)現(xiàn)殘留邊帶調(diào)幅的電路模型如圖7-13所示，載波和直流電平相加后再與調(diào)制信號(hào)在模擬乘法器相乘產(chǎn)生普通調(diào)幅信號(hào)，然后通過(guò)高通濾波器除去頻率較低的調(diào)制信號(hào)和直流電壓獲得普通調(diào)幅波，再用低通（或高通）濾波器除去普通調(diào)幅波的大部分上（或下）邊帶，取得殘留邊帶信號(hào)。其中直流電壓E可調(diào)，以控制載波分量輸出的大小。7-13實(shí)現(xiàn)殘留邊帶調(diào)幅（VSBAM）的電路模型7.3調(diào)幅電路幅度調(diào)制分為高電平調(diào)幅（highlevelamplitudemodulation）和低電平調(diào)幅（lowlevelamplitudemodulation）兩種類型。高電平調(diào)幅電路一般置于發(fā)射機(jī)的最后一級(jí)，是在功率電平較高的情況下進(jìn)行調(diào)制。電路除了實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制外，還具有功率放大的功能，以提供有一定功率要求的調(diào)幅波。高電平調(diào)幅一般是使調(diào)制信號(hào)疊加在直流偏置電壓上，并一起控制丙類放大器的末級(jí)諧振功放實(shí)現(xiàn)高電平調(diào)幅，因此只能產(chǎn)生普通調(diào)幅信號(hào)。高電平調(diào)幅的突出優(yōu)點(diǎn)是整機(jī)效率高，無(wú)線電廣播電臺(tái)一般均采用這種電路。低電平調(diào)幅電路是指在低電平狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)幅，產(chǎn)生小功率的調(diào)幅波。一般在發(fā)射機(jī)的前級(jí)實(shí)現(xiàn)低電平調(diào)幅，再經(jīng)功率放大，得到所要求功率的調(diào)幅波。低電平調(diào)幅電路的功率、效率不是主要考慮的問(wèn)題，其主要性能要求是調(diào)制的線性度及載波抑制度。這種調(diào)幅電路可用來(lái)實(shí)現(xiàn)AM、DSB和SSB等信號(hào)的調(diào)制。圖7-14集電極調(diào)幅原理電路當(dāng)功率放大器工作于過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，集電極電流的基波分量與集電極偏置電壓成線性關(guān)系。因此，要實(shí)現(xiàn)集電極調(diào)幅，應(yīng)使放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)。集電極調(diào)幅與諧振功放的區(qū)別是集電極調(diào)幅電路的集電極偏壓隨調(diào)制電壓變化而變化。集電極調(diào)幅效率較高，適用于較大功率的調(diào)幅發(fā)射機(jī)中。圖7-15給出了集電極電流基波振幅隨UCC變化的曲線。圖7-15集電極調(diào)制特性曲線圖7-16基極調(diào)幅原理電路圖7-17基極調(diào)制特性曲線及波形7.3.2低電平調(diào)幅現(xiàn)在多采用模擬乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)低電平調(diào)幅。常用模擬乘法芯片采用集成模擬乘法器（analogmultiplier），可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅、檢波、調(diào)頻、鑒頻、調(diào)相、鑒相、倍頻和混頻等，常采用的芯片有MC1496/MC1596、MC1495/1595、MC1494/1594、MC1536/F1536、LM1496、FZ4、XCC、F1595、F1496、BG314等。模擬乘法器調(diào)幅電路圖7-18所示為用MC1596組成的調(diào)幅電路，調(diào)制信號(hào)由1腳輸入，高頻載波由8腳步輸入，已調(diào)幅信號(hào)由6腳輸出。8、10腳直流電位均為6V，為了獲得合適的直流電壓，以調(diào)節(jié)Mα的大小，在輸入端1、4之間接入了兩個(gè)750Ω電阻、一個(gè)50kΩ電位器（也稱調(diào)零電路），2、3腳接負(fù)反饋電阻，輸出端6、12腳外接帶通濾波器。圖7-18MC1596組成的AM或DSB調(diào)幅電路7.4調(diào)幅信號(hào)解調(diào)原理

調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)就是從調(diào)幅信號(hào)中取出低頻調(diào)制信號(hào)，它是調(diào)幅的逆過(guò)程。調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)稱為檢波，從頻譜上看，檢波就是將調(diào)幅信號(hào)中的邊帶信號(hào)不失真地從載波頻率附近搬移到零頻率附近，因此，檢波屬于頻譜搬移電路。振幅解調(diào)方法可分為包絡(luò)檢波和同步檢波兩大類。7.4.1包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波（envelopedetection）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。1．包絡(luò)檢波原理由于普通調(diào)幅（AM）信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)成正比，因此包絡(luò)檢波只適用于普通調(diào)幅（AM）信號(hào)，其原理框圖、波形及頻譜如圖7-19所示。由非線性器件產(chǎn)生新的頻率分量，用低通濾波器選出所需頻率分量。圖7-19包絡(luò)檢波的原理框圖、波形及頻譜2．包絡(luò)檢波電路包絡(luò)檢波電路如圖7-20所示，大信號(hào)檢波時(shí)，由于輸入電壓幅度大，加在二極管兩端的電壓實(shí)際上是輸入電壓與輸出電壓之差，二極管只在部分時(shí)間導(dǎo)通，其余時(shí)間截止，通過(guò)二極管后輸出的電流是尖頂余弦脈沖，最后通過(guò)RC元件的濾波后，取出接近包絡(luò)的信號(hào)輸出。圖7-20二極管峰值包絡(luò)檢波電路圖7-21二極管峰值包絡(luò)檢波波形圖7-22惰性失真波形圖7-23負(fù)峰切割失真電阻R上的壓降UR加在二極管的負(fù)極，所以UR對(duì)二極管而言是反向偏置，因而在輸入調(diào)幅波正半周的包絡(luò)小于UR的那段時(shí)間（t1-t2）內(nèi)，二極管被截止，使檢波電流（或電壓）無(wú)法全部隨調(diào)幅包絡(luò)的規(guī)律變化而變化，電壓被維持在UR電平上，輸出電壓波形的底部被鉗位，如圖7-23b、c所示，出現(xiàn)了失真，這稱為負(fù)峰切割失真（negativepeakclippingdistortion）。負(fù)峰切割失真指耦合電容Cc通過(guò)電阻R放電，對(duì)二極管D引入一附加偏置電壓，導(dǎo)致二極管截止而引入的失真。為了減小交、直流負(fù)載電阻的差別常用以下兩種方法：1）在檢波器與下一級(jí)低放之間插入高輸入阻抗的射極跟隨器，以提高交流負(fù)載電阻。在電視接收機(jī)的視頻檢波器和視頻放大器之間常采用此用法。2）采用改進(jìn)的電路，如圖7-24所示，將檢波器直流負(fù)載R分成R1和R2兩部分。直流負(fù)載不變，交流負(fù)載比改進(jìn)前增大，取R1/R2=0.1~0.2，以免分壓過(guò)大，使輸出到后級(jí)的信號(hào)減小太多。圖7-24改進(jìn)后的二極管峰值包絡(luò)檢波器7.4.2同步檢波1．同步檢波原理DSB和SSB信號(hào)的包絡(luò)不同于調(diào)制信號(hào)，不能用包絡(luò)檢波，必須使用同步檢波（synchronousdetection）。圖7-25所示為同步檢波框圖及頻譜。為了正常地進(jìn)行解調(diào)，插入載波應(yīng)與調(diào)制端的載波電壓完全同步，這就是同步檢波名稱的來(lái)由。同步檢波電路對(duì)AM、DSB、SSB、VSB等信號(hào)的解調(diào)均適用。圖7-25同步檢波的框圖及頻譜圖7-26同步檢波的分類由此可見，低頻信號(hào)的幅度與cos成正比。當(dāng)=0時(shí)，解調(diào)后所得低頻信號(hào)幅度最大。當(dāng)=90°時(shí)，輸出信號(hào)為零?？梢婋S著相移的加大，輸出信號(hào)減弱。以上分析說(shuō)明，實(shí)現(xiàn)同步檢波的關(guān)鍵是必須有一個(gè)頻率、相位都與發(fā)射載波嚴(yán)格同步的本地振蕩信號(hào)，產(chǎn)生這樣的信號(hào)在技術(shù)上有一定難度，并使接收電路復(fù)雜。因此，為使收音機(jī)電路簡(jiǎn)化，當(dāng)前的調(diào)幅廣播系統(tǒng)中仍然采用普通調(diào)幅方式。2．同步檢波電路圖7-27所示是用MC1596組成的同步檢波電路，AM或DSB信號(hào)經(jīng)耦合電容后從Y通道1、4腳輸入，同步載波信號(hào)從X通道8、10腳輸入。12腳輸出后經(jīng)型RC低通濾波器取出解調(diào)信號(hào)。此檢波器在解調(diào)單邊帶調(diào)幅信號(hào)時(shí)，工作頻率可高達(dá)100MHz，載波信號(hào)電壓和輸入信號(hào)電壓為100~500mV。圖7-27MC1596組成的同步檢波電路7.5正交調(diào)幅與解調(diào)正交調(diào)幅（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）是用兩個(gè)頻率相同，相位相差90°的正弦波作為載波，分別對(duì)兩路互相獨(dú)立的調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）進(jìn)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式。這種調(diào)制方式的已調(diào)波信號(hào)所占頻帶為兩路調(diào)幅信號(hào)中的較寬者，而不是兩路調(diào)幅信號(hào)頻帶之和，因而可以節(jié)省傳輸帶寬。通常互為正交的載波一為余弦信號(hào)，另一為正弦信號(hào)，兩者是同頻和正交的。對(duì)這種正交調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)稱為正交解調(diào)，即原為正弦載頻的已調(diào)波，其參考信號(hào)仍用正弦波；原為余弦載頻的已調(diào)波，其參考信號(hào)仍用余弦波。正交調(diào)幅與解調(diào)技術(shù)已應(yīng)用于模擬彩色電視系統(tǒng)中，兩色差信號(hào)（紅色差和藍(lán)色差）就是正交平衡調(diào)幅后相加成色度信號(hào)的，其兩載波（彩色副載頻）的頻率相同（我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為4.43MHz），相位差為90°。正交平衡調(diào)幅的色度信號(hào)在電視接收機(jī)中用正交解調(diào)器解調(diào)，恢復(fù)兩色差信號(hào)（紅色差和藍(lán)色差）。隨著數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，正交幅度調(diào)制與解調(diào)的應(yīng)用已十分廣泛。例如，在通信和數(shù)字電視系統(tǒng)中的多電平正交調(diào)幅MQAM（如16電平正交調(diào)幅16QAM，256電平正交調(diào)幅256QAM等）即為應(yīng)用實(shí)例。有關(guān)這方