振幅调制(调幅)与解调

第九章振幅调制(调幅)与解调基础知识：非线性及混频电路本章主要内容§9.1概述§9.2标准调幅波的原理和特点§9.3低电平调幅电路§9.4高电平调幅电路§9.5单边带信号的特点和产生方法§9.6包络检波(非相干解调)电路§9.7同步检波(相干解调)原理§9.8残留边带调制解调简介§9.1概述§9.1.1调制的作用§9.1.2调制的分类§9.1.3调幅与混频本质的一致性§9.1.4调幅波的分类§9.1.5调幅电路的分类§9.1.1调制的作用调制的作用主要有2个作用1：在无线通信中，为了便于信号发射（天线不能太长，而只有当天线长度与波长相当时才能将电磁波辐射出去），将低频短的原始信息（如语音）调制到高频段；作用2：提高信道的利用率通过频域复用（如一个空间可传多个电台）通过先进的调制技术（如日益提高的上网速率）同学们将在《通信原理》课程中详细学习调制解调在无线通信系统中的位置音频放大器调制器激励放大输出功率放大载波振荡器天线开关高频放大混频器中频放大与滤波解调器音频放大器话筒本地振荡器扬声器变频器§9.1.2调制的分类按调制信号来分模拟(信号)调制（本课程涉及的主要是此类调制）数字(信号)调制（《通信原理》将详细介绍）按调制方法（载波表达式中携带信息的那个变量）来分振幅调制（利用载波的振幅变化携带信息）频率调制（利用载波的频率变化携带信息）相位调制（利用载波的相位变化携带信息）统称为“角度调制”将在第10章介绍)cos()(0tAtv调幅、调频、调相的波形示意原始信息tttt调幅信号调频信号调相信号§9.1.3调幅与混频本质的一致性前面讲过，混频的作用在频域上看，是对信号的频谱的搬移。例如从天线上收到1000kHz的信号，用“超外差”接收机接收，会使用1000+465=1465kHz的本振与之混频，将信号从1000kHz的高频段，搬移至465kHz(差频)的中频段，以便于放大处理在这里，由于差频肯定小于原高频信号，所以起到了“向低处搬移频谱”的作用§9.1.3调幅与混频本质的一致性（续）反之，如果我们想让一个较低频率(通常小于4kHz)的原始语音信息调制到高频(如1000kHz),以便天线发射，那么我们只要将频率为4kHz的语音信息与996kHz的信号混频，输出端取和频（996+4=1000kHz），即达到了调制目的可见调制与混频使用的电路可以是完全一样的，只是输入信号不同，以及输出滤波器的选择频率不同罢了。调幅与混频的比较输入信号输出信号信号频谱搬移效果混频振幅调制①天线接收的高频信号②高频本振信号差频从高频中频①麦克风产生的低频信号②高频载波信号和频或差频或二者从低频高频§9.1.4调幅波的分类标准调幅波抑制载波的双边带调幅波(DSB-SC)单边带调幅波（SSB）残留边带调幅波（VSB）标准调幅波（AM）频谱原始信息频谱和频载波信号频谱cAM信号频谱c差频包括三部分：载波、和频（上边频）、差频（下边频）抑制载波的双边频调幅波(DSB-SC)和频AM信号频谱c差频仅包括两部分：和频（上边频）、差频（下边频）由于纯载波不含任何信息,所以为了节省辐射能量,可将纯载波抑制掉标准AM就变成了DSB-SC信号DSB-SC单边带调幅波（SSB）频谱上边频DSB-SC信号频谱下边频所占频带比较宽,而且上下边频完全对称,所含信息完全一样如果只留一个边频，则可节省一半频率资源滤波器特征曲线SSB剩下的上（或下）边频信号称为单边带调制信号c需要注意的是单边带的滤波器的中心频率不再是载波频率ωc§9.1.5调幅电路的分类低电平调幅电路平方律调幅器斩波调幅器模拟乘法器调幅高电平调幅（利用功放的在过压或欠压时的特性曲线）集电极调幅（过压状态下Vcm随VCC线形变化）基极调幅（欠压状态下Vcm随VBB线形变化）§9.2标准调幅波的原理和特点标准调幅波的产生过程t原始信息(又称调制信号，如语音)tVtvcos)(表达式tVkkaacos变为乘以系数为了规范调制器输入信号振幅，通常会再提高大小为V0（载波振幅）的直流分量调制信号t载波0V0VtVtv000cos)(载波表达式如果让载波的振幅随调制信号改变（不再恒为V0）就形成了标准调幅波信号ttVkVacos0表达式变为已调信号ttVkVa00cos)cos(其表达式为§9.2.1调幅指数（又称调幅度）的概念)1(0maxamVV0V)1(0minamVVttVkVa00cos)cos(已调波表达式为ttVVkVa000cos)cos1(am记为称为调幅度,从图上可以看出0minmax)(21VVVma0Vma0Vma0min000maxVVVVVV故称调幅度度这个电压空间的利用程对载波的振幅体现了包络的振幅,00VVmmaa例题9.1(2006年试题)伏特5maxV伏特1minVt_______,am所示标准调幅的已调波如图)(32:minmax0VVVV解法一323130min0VVVma32:minmaxminmaxVVVVma解法二调幅度变化时，已调波的变化越大称调幅度越深所以说am0am当ttmVa00cos)cos1(已调波表达式为tV00cos已调波表达式变为t0V0V实际上属于未调幅10am当t正常调幅%)100(1即当am1ma最大调幅1am当1ma称为“过调幅”§9.2.2标准调幅波的频谱ttmVtva00cos)cos1()(已调波tVmtVmtVaa)cos(21)cos(21cos000000Ω调制信号ω0载波调幅波ωc+Ω上边频021Vmaωc-Ω下边频021Vma0V§9.2.3标准调幅波的功率关系tVmtVmtVtvaa)cos(21)cos(21cos)(000000已调波设它输出到一个电阻R上，则输出功率由三部分组成：载波功率RVPoT2021上边频功率RVmPa20)21(210TaPm0241下边频功率RVmPa20)21(210TaPm0241TaOPmP02)211(总功率例题9.2(2007年计算题)tttv21cos3cos4)(调制信号ttv00cos10)(载波1,ak且进行标准调幅求（1）已调波的表达式；（2）各个频率分量的调制系数ma1,ma2（3）边频功率（上下边频功率之和）与载波功率之比例题9.2(解)ttVktVkVtvaa022110cos)coscos()(已调波ttt021cos)cos3cos410(ttt021cos)cos3.0cos4.01(103.04.02211aamm的调制指数频率分量；的调制指数频率分量TaPmPP021114100TaPmPP022224100125.02121212122210022021aaTTaTammPPmPm载波功率总边频功率§9.3低电平调幅电路由于调幅与混频的本质是一致的，所以同学们可以发现，调幅电路与混频电路有很多相似之处，分为平方律调幅及平衡调幅（对应于平衡混频器）斩波调幅（对应于环形混频器）模拟乘法器调幅（对应于模拟乘法器混频器）§9.3.1平方律调幅和平衡调幅平方律调幅v0v+平方律器件y=a2x2+a1x+a0202)(vva)(01vva0atVtvcos)(设调制信号tVtv000cos)(载波根据第五章的知识，可知产生的频率分量有、、、、、直流、00022B=2ΩΩ2Ωω02ω0ω00从频谱可见平方律调幅产生的是标准的调幅波平衡调幅电路vv0v平方律二极管平方律二极管RRi12020101)()(vvbvvbbii22020101)()(vvbvvbbi+vout_RiRivout21]42[021vvbvbRtVtvcos)(设调制信号tVtv000cos)(载波)]cos)(cos(2cos[20021tVtVbtVbRvout积化和差])cos()cos(cos[20020021tVVbtVVbtVbRvoutΩω00B=2Ω从频谱可见平衡调幅产生的是抑制载波的双边带的调幅波（DSB-SC）§9.3.2斩波电路根据第5章知识，设计一个开关电路s(t)，当载波信号正半周期s(t)=1;当载波信号负半周期s(t)=0;则s(t)与vΩ(t)的乘积中将含有差频与和频分量；v由载波控制的开关电路以载频为中心的滤波器上下边频由于开关电路的时断时续，此处波形呈“被斩断”的波形，故称斩波电路开关函数的实现电路v0v二极管电桥斩波调幅电路0,,,0输出为导通的二极管近似短路四个二极管全部导通正半周期载波vvv输出为截止的二极管近似开路四个二极管全部截止正半周期载波,,,0D1Tr1Tr2iLD4D321:1v021:1vRLvv+–v0–+v+D2–二极管环形调幅电路其原理见第5章，只不过输入信号不同、最后选择的频率不同而已斩波调幅输出的调幅波类型...53)(5000、、的频谱中含有章我们学过在第ts...53)()(000、、的频谱中含有tstv3ω0-Ω3ω+Ωω0-Ωω0+Ω从频谱可见斩波调幅产生的也是抑制载波的双边带的调幅波（DSB-SC）作业教材398页习题9.5习题9.6是有调幅作用的，请回答“为什么？”§9.3.3模拟乘法器调幅v0v0vvk)cos)(cos(00tVtVk)])cos())[cos(2000ttVVkω0-Ωω+Ω从频谱可见模拟乘法器调幅产生的也是抑制载波的双边带的调幅波（DSB-SC），甚至不用滤波器抑制载波的双边带信号波形特点)cos)(cos(00tVtVk调制信号载波信号DSB-SC信号波形或象，出现的半周期处有反相的现在MWv§9.4高电平调幅电路集电极调幅在学习功放的时候我们知道，过压状态下，Vcm变化空间非常有限（只能从(VCC-VCsat)至VCC变化），可以认为约等于VCC，此时如果我们让VCC是一个变量（随vΩ变化而变化），则输出信号振幅Vcm将随着VCC的变化而变化，从而实现调幅的作用。vb(t)++–––+–VBB–+VCC(t)+vCEvBE–+–LCvov+CCV临界过压区欠压区0CI1cmI集电极调幅示意图临界过压欠压VCCvΩ(t)VCC(t)Icm1(t)icvCEVCCvΩ(t)ict基频成分tvc(t)tvBEmax同理其他度设为了示意图的清晰cc90,虽然过压时输出电流都有凹顶但是其高度会随着VCC的改变而改变从而使得Icm1改变进而使得Vcm改变集电极调幅的优缺点优点：效率较高缺点：调制信号vΩ未经放大就输出了，所以一定要注入功率较大00(a)(b)欠压状态过压状态VCC欠压状态过压状态VCCIc0Icm1PoP=Pcvb(t)++–––+–VBB–+VCC(t)+vCEvBE–+–LCvov+基极调幅在学习功放的时候，我们也学过，如果只改变Vbm时，且当攻放处于欠压时，Icm1会随着Vbm的增长而线形增长。bmV临界欠压区过压区0CI1cmI基极调幅电路Vbm并不容易调整，但我们可以调整VBB，起到调整输入电压的作用，从效果上与调整Vbm是一样的Cvb(t)Vcc+L–+–VBBv+–+––+VBB(t)Vccvo(t)基极调幅示意图icvCEvBEmax临界过压欠压VBBuΩ(t)VBB(t)Icm1(t)vCEt基频成分tictvΩ(t)变化随当)(tvVBBBBbmBEVVv