通信电路与系统-第四章

第章第章幅度制幅度制解解第四章第四章幅度调制幅度调制&&解调解调和混频电路和混频电路和混频电路和混频电路北京理工大学本章主要内容本章主要内容‹4-1概述‹4-2幅度调制原理幅电路‹4-3调幅电路‹44幅度解调电路‹4-4幅度解调电路‹4-5混频原理与电路‹45混频原理与电路北京理工大学24-0调制的必要性40调制的必要性¾调制就是用基带信号改变高频信号的某一参量（幅度、频率相位）使其含有基带信号的变化规律调制不是目的率、相位），使其含有基带信号的变化规律；调制不是目的，而是手段，是信息传输的需要，其必要性为：无线传输时易于辐射1．无线传输时易于辐射天线振子尺寸，才能开始有效辐射；高载频有利于天线尺寸实现10/λl于天线尺寸实现2．便于实现多路信号传输通过调制可将不同的基带信号信息搬移到不同载波上通过调制，可将不同的基带信号信息搬移到不同载波上，彼此保持一定的频率间隔，这就是所谓FDM体制，这就需要调制环节的介入调制环节的介入3.传输信号的功率和带宽可以互换如超宽带(射频信号带宽为载频的1/10或大于500MHz)调制北京理工大学3如超宽带(射频信号带宽为载频的1/10或大于500MHz)调制4-1概述4-1-1线性频率变换：41概述f模拟基带信号频谱模拟幅度调制与混频f0Bs普通调幅fc－Bsfcf0fc＋Bs普通调幅fcsf抑制载波的双边带调幅下混频fc－Bsfcf0fc＋BsfIffc下混频上混频北京理工大学4上混频4-1概述4-1-1线性频率变换：模拟幅度调制与混频41概述†无论是调幅，还是混频，其频率变换都是“频谱无论是调幅，还是混频，其频率变换都是频谱的线性搬移”†频率变换电路必须是非线性电路，如乘法电路†混频不改变原信号的调制规律(原信号的频谱结构与时域波形)所改变的仅仅是信号的中心频率与时域波形)，所改变的仅仅是信号的中心频率北京理工大学54-1概述4-1-2非线性频率变换：模拟角度调制，包括频率调制和相位制41概述制和相位调制†以调频(FM：frequencymodulation)信号为例：FM波瞬时角频率：B()()ctkstωω=+⋅FM波瞬时总相角：B()()()()ttttdttkstdtttφωωωϕ==+=+∫∫sB(t)为基带信号FM波瞬时总相角：B00()()()()ccttdttkstdtttφωωωϕ++∫∫[]()cos()cos()mcStAttAtωϕφ=+=FM波：sB(t)为单一频率的正弦波的FM波时域波形s(t)为单一频率的正弦波的FM波频谱fC北京理工大学6sB(t)为单频率的正弦波的FM波时域波形sB(t)为单频率的正弦波的FM波频谱4-1概述4-1-2非线性频率变换：模拟角度调制，包括频率调制和相位制41概述制和相位调制†角度调制是对基带调制信号的非线性频率变换，即已调波的频谱结构不同于基带信号频谱即已调波的频谱结构不同于基带信号频谱†对于同一基带信号产生的调角波带宽大于调幅†对于同基带信号产生的调角波带宽大于调幅波带宽北京理工大学74-2幅度调制原理42幅度调制原理调制器示意图a(t):正弦高频振荡电压或电流，u(t)：已调制信号调制器a(t)u(t)m(t)：所要传送的基带信号a(t):正弦高频振荡电压或电流，称为未调制载波信号m(t)‹实际中所传输的基带信号通常是随机的、多频率的‹为了便于清晰地对调幅波进行数学分析,通常先假设基带调制信号为单音信号即为频率较低的余弦波;然后带调制信号为单音信号,即为频率较低的余弦波;然后将分析结果推广到多频率基带信号的调幅场合北京理工大学84-2幅度调制原理42幅度调制原理¾调幅方式：普通双边带调幅（AM）普通双边带调幅（AM）抑制载波双边带调幅（DSBSC）抑制载波双边带调幅（DSB-SC）单边带调幅（SSB）残留边带调幅（VSB）北京理工大学94-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)A.单音普通AM波的时域表达设将要传输的交流基带信号为()cosutUt=Ω设：将要传输的交流基带信号为()cosmutUtΩΩ=Ω载波电压为()coscccutUtω=()cωΩ将交流基带信号叠加上直流电压，基带调制信号为()()cosmdcdcmutVutVUtΩΩ=+=+ΩdcmVUΩ≥()0mut≥这里，利用乘积运算(非线性运算)，产生普通AM波，时域表达式为()()()ututut=⋅[]coscosUVUttω=+Ω()()()AMmcututut=⋅[]coscoscdcmcUVUttωΩ=+Ω1coscosmdcccdUVUttVωΩ⎡⎤⎛⎞=+Ω⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎣⎦[]1coscoscmcUmttω=+Ω北京理工大学10dcV⎝⎠⎣⎦4-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)A.单音普通AM波的时域表达普通AM波的时域表达式为()()()ututut=⋅[]1coscosUmttω=+Ω普通AM波的时域表达式为其中，m称为调幅系数或调幅度()/mdcmUVΩ=01m≤≤()()()AMmcututut=⋅[]1coscoscmcUmttω=+Ω调幅系数m取值调幅状态未载波m=0未调载波0m1AM波m=1满度调制m1过度调制(产生过调失真)北京理工大学114-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)A.单音普通AM波的时域表达¾调幅系数的测量U¾调幅系数的测量UAM,max()()()AMmcututut=⋅[]1coscoscmcUmttω=+ΩUAM,min]1[max,mUUcmAM+=]1[min,mUUcmAM−=minmaxmin,max,AMAMAMAMUUUUm+−=北京理工大学12min,max,AMAM4-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)B.单音普通AM波的频域表达[]AM()1coscoscmcutUmttω=+Ω[]AM()cmctmUtmUtUccmccmccm)cos(21)cos(21cosΩ++Ω−+=ωωω设个由调幅电路参数决定的系数则UUk/设一个由调幅电路参数决定的系数，则mcmUmUkΩ=/tkUtkUtUtucmcmccmAM)cos(21)cos(21cos)(Ω++Ω−+=ΩΩωωω而基带交流调制信号为()cosmutUtΩΩ=Ω显然调幅波中载频分量没有任何基带调制信号的信息而22显然，调幅波中载频分量没有任何基带调制信号的信息，而上边频和下边频不但包含基带调制信号的幅度信息，也包含相位信息北京理工大学13相位信息4-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)B.单音普通AM波的频域表达tkUtkUtUtu)cos(1)cos(1cos)(Ω++Ω+=ωωωcmUtkUtkUtUtucmcmccmAM)cos(2)cos(2cos)(Ω++Ω−+=ΩΩωωω¾单音普通AM波的频谱及其带宽1mUkU1mUkU单音普通波的频谱及其带宽/2ccfωπ=/22cmmUkUΩ=22cmmUkUΩ=/2Fπ=Ωfc－Ffcfc＋FA2BF=北京理工大学14AM2BF4-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)C.多音普通AM波分析ΩΩΩΩ∑Ω+=NtUVtucos)(121NN−ΩΩΩΩL∑=ΩΩ+=kkmkdcmtUVtu1cos)(01ΩNΩΩttmVUtUtUVtucNkkkdccccNkkmkdcAM∑∑==ΩΩ+=×Ω+=11cos]cos1[)cos()cos()(ωωtmUtmUtUNkkckcmNkkckcmccmkk∑∑==Ω++Ω−+=1111)cos(2)cos(2cosωωω北京理工大学15kk4-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)C.多音普通AM波分析tmUtmUtUtuNcmNcm∑∑Ω++Ω+=)cos()cos(cos)(ωωωtmtmtUtukkckkkckccmAM∑∑==Ω++Ω−+=11)cos(2)cos(2cos)(ωωω上边带下边带0cNω−Ω1cω−Ωcω1cω+ΩcNω+ΩωB多音普通AM波带宽BAMNAMBΩ=2(rad/s)orπ/NAMBΩ=(Hz)北京理工大学164-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)C.多音普通AM波分析¾多音基带信号的各个不同频率分量的幅度不同，所以各个频率分量对载波的调制程度就不同，有各自不同的调幅系数;为了分析多音基带信号对载波的整体调制深度，常常定义平均调幅系数¾平均调幅系数的物理含义是：在一定时间内将多音基带信号在调dcmkkVUm/Ω=¾平均调幅系数的物理含义是：在一定时间内，将多音基带信号在调幅中产生的边带总能量等效为一个单音基带信号调幅产生的边带总能量时，该等效的单音普通调幅波的调幅系数¾¾平均调幅系数的数学含义ttmUttmtmUtuccmcNNcmAMωωcos]cos1[cos]coscos1[)(11Ω+=Ω++Ω+=L22221212222121NNkcmkcmmmmmmUmUP+++=⇒==∑=L北京理工大学174-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)D.普通AM波的功率分配关系()cosutAtω=一个余弦波电压，在单位电阻上的平均功率(平均(时间为余弦波周期整数倍)为222011cos2TPAtdtATω=⋅=∫单音普通AM波UUU)(1)(1)(ΩΩ„单音普通AM波，包含三个频率分量不同的余弦波，其在单位电阻上的平均功率为tmUtmUtUtuccmccmccmAM)cos(21)cos(21cos)(Ω++Ω−+=ωωω22220022222221,]21[8821cmcmcmcmUPPmUmUmUP=+=++=Σ多音普通AM波)(1)(1)(ΩΩ„多音普通AM波，其在单位电阻上的平均功率为tUmtUmtUtuccmccmccmAM)cos(21)cos(21cos)(Ω++Ω−+=ωωω200221,]21[cmUPPmP=+=Σ北京理工大学1822cm4-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)D.普通AM波的功率分配关系¾调制效率：评价单音普通AM波的能量利用率%1002%100)5.01(5.0%100220202×+=×+=×=ΣmmPmPmPPmmη†单音普通AM波能量利用率很低，调制效率不高，关键问题在于不含信息的载波分量在总功率中占了很大(%)mη息的载波分量在总功率中占了很大比例，含有基带调制信息的边带功率所占的比例不超过1/3m†为了提高调制效率，相继出现了“抑制载波的双边带调幅”和“抑制载波的单边带调幅”方式北京理工大学19m制载波的单边带调幅方式4-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-1普通(常规)双边带调幅(AM)E.普通AM的实现模型¾普通AM的乘积调制模型Σ乘法器BPFVdcuAM¾普通AM的乘积调制模型UΩmcosΩtUccosωctuAMUΩcosΩt¾普通AM的叠加调制模型Σ非线性器件BPFUccosωctuAMUΩmcosΩt北京理工大学20Uccosωct4-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-2抑制载波双边带调幅(AM-DSBSC)设要传输的基带调制电压(无直流量)为()Ω设:要传输的基带调制电压(无直流量)为()cosmutUtΩΩ=Ω载波电压为()coscccutUtω=†利用乘积运算(非线性运算)直接将基带调制电压与载波†利用乘积运算(非线性运算)，直接将基带调制电压与载波相乘，便可产生抑制载波的双边带调幅波，时域表达式为()()()11其波形为：()()()AMcutututΩ=⋅tUUtUUccmccm)cos(21)cos(21Ω++Ω−=ΩΩωω包络不再直接反映基带调制信号规律！载波倒相北京理工大学21载波倒相4-2幅度调制原理42幅度调制原理4-2-2抑制载波双边带调幅(