高频电子系统课件-振幅调制及解调

第9章振幅调制及解调第9章振幅调制及解调9.1概述9.2调幅波的性质9.3非线性调幅方法9.4单边带信号的产生9.5高电平调幅9.6包络检波与同步检波第9章振幅调制及解调9.1概述振幅调制简述所谓“调制”，就是在传送信号的一方（发送端）将所要传送的信号（它的频率一般是比较低的）“附加”在高频振荡上，再由天线发射出去。这里的高频振荡波就是携带信号的“运载工具”，所以称为载波。第9章振幅调制及解调在接收信号的一方（接收端）经过解调（反调制）的过程，把载波所携带的信号取出来，得到原有的信息。反调制过程也叫检波。调制与解调都是频谱变换的过程，必须用非线性元件才能完成。调制与检波概述第9章振幅调制及解调为什么一定要经过调制的过程：关键是要传送的信号频率或者太低（例如语音和音乐信号），或者频带很宽（例如电视信号从0~6.5MHz）。这些都对直接采用电磁波的形式传送信号十分不利。原因是：1）天线要将低频信号有效辐射出去，尺寸就必须很大。调制与检波概述第9章振幅调制及解调2）为了使发射与接收效率高，在发射机与接收机方面都必须采用天线和谐振回路。语音、音乐和图像信号的频率变化范围很大。3）如果直接发射音频信号，发射机将工作于同一频率范围。这样接收机将同时收到许多不同电台的节目，无法加以选择。调制与检波概述第9章振幅调制及解调为了克服以上困难，必须利用高频振荡，将低频信号“附加”在高频振荡上，这样就使天线的辐射效率提高，尺寸减小；同时每个电台都工作于不同的载波频率，接收机可以调谐选择不同的电台。调制方式：连续波调制与脉冲调制调制与检波概述第9章振幅调制及解调连续波调制：连续波调制是用信号来控制载波的振幅、频率或者相位，因而分为调幅、调频和调相三种方法。脉冲调制：脉冲调制是先用信号来控制脉冲波的振幅、宽度、位置等，然后再用这个已调脉冲对载波进行调制。脉冲调制（数字调制）有脉冲振幅、脉宽、脉位、脉冲编码调制等多种形式。调制与检波概述第9章振幅调制及解调实现调幅的方法：1）低电平调幅—调制过程是在低电平级进行的，因而需要的调制功率小。属于这种类型的调制方法包括（1）平方律调幅利用电子器件的伏安特性曲线平方律部分的非线性作用进行调幅。（2）斩波调幅将所要传送的音频信号按照载波频率来斩波，然后通过中心频率等于载波频率的带通滤波器，取出调幅成分。调制与检波概述第9章振幅调制及解调2）高电平调幅—调制过程在高电平级进行，通常是在丙类放大器中进行调制。属于这一类的调制方法包括（1）集电极（阳极）调幅（2）基极（控制栅极）调幅调制与检波概述第9章振幅调制及解调检波简述检波过程是一个解调过程，它与调制过程正相反。检波器的作用是从振幅受调制的高频信号中还原出原调制信号。还原所得的信号，与高频调幅信号的包络变化规律一致，故又称为包络检波器。调制与检波概述第9章振幅调制及解调检波器输入信号和输出信号的波形关系，如下图所示。Wt(d)(c)tiit(a)调制与检波概述ot(b)第9章振幅调制及解调检波前后的频谱关系：一个检波器需由三个部分组成：1）高频输入信号电路2）非线性器件3）低通滤波器0fFf0Ff0f相对振幅高频调幅波调制与检波概述f相对振幅F第9章振幅调制及解调根据所用元件不同，检波器可以分为：二极管检波器（包括串联式和并联式）、三极管检波器根据信号大小的不同，检波器可以分为：小信号检波器和大信号检波器根据信号特点的不同，检波器可以分为：连续波检波器和脉冲检波器根据工作特点的不同，检波器可以分为：包络检波器和同步检波器调制与检波概述第9章振幅调制及解调9.2调幅波的性质调幅就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而变化。调幅波是载波振幅按照调制信号的大小成线性变化的高频振荡，其载波频率维持不变。无失真调幅时，已调波的包络线波形应当与调制信号的波形完全相似。第9章振幅调制及解调正弦波调幅波的形成过程：调幅波的性质(a)WttVWWWcos(b)tCtV00cos(c)t)(t01VmVa)(max)cos1(0tmVaW包络01VmVa)(minAttmVa00cos)cos1(W已调波0Vma第9章振幅调制及解调非正弦波调制波形：调幅波的性质调制信号(a)Wt(b)0VmaxVminV已调波形第9章振幅调制及解调9.2.1调幅波的数学表示式与频谱为了便于分析，首先假设调制信号是简谐振荡，其表示式为：如果用它对载波进行调幅，那么在理想的情况下，已调波的振幅为调幅波的性质tVWWWcostV00costVkVtVaWWcos)(0第9章振幅调制及解调已调波：其中根据图也可以得到调幅波的性质ttmVttVkVttVtaa00000cos)cos1(cos)cos(cos)()(WWW调幅度称为调制指数，也称作0VVkmaaW0min000max0minmax)(21VVVVVVVVVma(c)t)(t01VmVa)(max)cos1(0tmVaW包络01VmVa)(minAttmVa00cos)cos1(W已调波0Vma第9章振幅调制及解调ma的数值范围可自0（未调幅）至1（百分百调幅），它的值绝对不应超过1。如果ma1，将得到包络严重失真的已调波形。调幅波的性质t0V)1(0amV未调波已调波过量调幅的波形第9章振幅调制及解调由图可知，包络波形有一段时间振幅为零，这时的已调波的包络产生严重的失真。这种情形叫过量调幅。这样的已调波经过检波后，不能恢复原来调制信号的波形，而且它所占据的频带较宽，将会对其他电台产生干扰。过量调幅必须尽量避免。调幅波的性质第9章振幅调制及解调根据调幅波方程，展开得，此式说明：调幅波是由三个不同频率的正弦波组成，其中第一项为未调制的载波；第二项的频率等于载波频率与调制频率之和，叫上边频；第三项的频率等于载波频率与调制频率之差，叫下边频。调幅波的性质tVmtVmtVttVmtVttmVtaaaa)cos(21)cos(21coscoscoscoscos)cos1()(000000000000WWWW第9章振幅调制及解调调制后的组合频率中，后两个频率显然是由于调制产生的新频率。对于ma的最大值只能等于1，因此边频振幅的最大值不能超过载波振幅的二分之一。以上为单音频信号对载波进行调幅的简单形式。调幅波的性质0W0相对振幅载波下边带上边带W012amO第9章振幅调制及解调当调制信号是包含多个频率的复杂信号时，调幅波中的上边频和下边频就不再是一个，而是组成了所谓的上边带和下边带。设调制信号为：因此调幅波方程为调幅波的性质WWWWtVtVtVtmmm332211coscoscos)(0332211000cos)coscoscos1()(cos)cos1()(WWWWtmtmtmVtttmVta)()(WWgt的频谱为第9章振幅调制及解调将调幅波方程展开后：调幅波的性质tVmtVmtVmtVmtVmtVmtVttmtmtmVt)cos(2)cos(2)cos(2)cos(2)cos(2)cos(2coscos)coscoscos1()(3003300320022002100110010003322110第9章振幅调制及解调由于每个单频谱线都对称分布在载波的两边，因此有各单频谱组成的g(W)对称分布在载波的两边，可分别表示为调幅波的性质)(21)(2100WWgg与1W5W)(Wg)(210Wg)(210Wg050W10W10W50W下边带上边带调制信号频谱幅振对相波载第9章振幅调制及解调调幅波的性质调幅过程实际上是一种频率搬移过程。经过调制后，调制信号的频谱被搬移到载频附近，成为上边带与下边带。调幅波所占的频带宽度等于调制信号最高频率的2倍。第9章振幅调制及解调例如，假设最高调制频率为5000Hz，则调幅波的带宽即为10000Hz。为了避免电台之间互相干扰，对不同频段与不同用途的电台所占频带宽度都有严格的规定。例如，过去广播电台允许占用的频带宽度为10kHz。自1978年11月23日起，我国广播电台所允许占用的带宽改为9kHz，亦即最高调制频率限制在4500Hz以内。调幅波的性质第9章振幅调制及解调为什么广播电台允许占用频带宽度为10kHz：如语音信号的频率主要集中在300~3400Hz范围，所以广播电台播送这样的语音信号，已调波的带宽等于6800Hz，相邻两个电台载波频率的间隔必须大于6800Hz，通常取为10kHz。调幅波的性质第9章振幅调制及解调图9.2.5所示为非正弦调幅波的频谱对于非正弦调制，调幅峰值与谷值对于载波值可能是不对称的。调幅波的性质(b)0VmaxVminV第9章振幅调制及解调对应调幅峰值与谷值的调幅度定义为：例9.2.1设调制信号W(t)为下图所示的矩形脉冲串，脉冲宽度为，周期为T。试求由它产生的调幅波频谱。调幅波的性质00maxVVVm上峰值调幅度0min0VVVm下谷值调幅度第9章振幅调制及解调矩形脉冲调制信号波形及频谱波形[解]首先求出矩形脉冲的频谱。适当选取时间坐标原点，使傅立叶级数只包含余弦项，调幅波的性质TWV)(tWO时间OT11频率第9章振幅调制及解调则傅立叶级数的系数为：由于矩形脉冲值在的区间内为零，因此分子和分母同时乘，则系数表示为：调幅波的性质WW20222cos42cos2TTTndttTnVTdttTnVTA22TtWWTnTnTVdttTnVTAnsin22cos420TnTnTVAnsin2W第9章振幅调制及解调因此矩形脉冲可展开成如下的无穷级数：其中，。由此可见，各谐波分量振幅是辛格函数的形式，即(sinx)/x形式。用W(t)对载波=V0cos0t进行振幅调制，所产生的已调波包括0、0W、02W…等频率分量，它们的相对振幅分别与成正比。调幅波的性质WWWWtTTtTTTVt2cos/2)/2sin(cos/)/sin(212)(FT22WTTTT/2)/2sin(/)/sin(21、、第9章振幅调制及解调因此已调波的频谱如图9.2.7所示。调幅波的性质O时间已调波0频率2020脉冲调幅波的波形)(a脉冲调幅波的频谱)(b第9章振幅调制及解调频谱分量出现零点的条件为：因此出现第一个零点的条件是：由脉冲调幅波频谱可知，从理论上来说，脉冲调幅波频宽为无限大。调幅波的性质0/)/sin(2WTnTnTVAnTnTn或者第9章振幅调制及解调实际上，由于高次边频分量迅速下降，一般只考虑第一次零点之前的各分量就够了。其中每一频率分量的间隔为1/T。如此脉冲调幅波频宽度可以近似写为：可见，脉宽越小，则所占频带越宽。调幅波的性质21212TTTnBW第9章振幅调制及解调调幅波的性质调幅波中的功率关系普通调幅波中各个频率成分所占有的能量大小可根据帕塞瓦尔公式求得。已调波在电阻R上消耗的平均输出总功率应当等于各个频率成分所消耗的平均功率之和，即等于载波功率P0T和边频功率之和。载波功率)(0WPRVPT2002100000011()coscos()cos()22aatVtmVtmVtWW第9章振幅调制及解调上下边频的功率：于是，一个周期内调幅波的平均输出总功率为：调幅波的性质TaaPmRVmP0220)(412120WTaaPmRVmP0220)(412120W2141412002020)()(000aTTaTa