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1、第 5 章 振幅调制、解调与混频电路,主要内容 ：,5.1 振幅调制、解调与混频基本原理 5.2 振幅调制电路 5.3 振幅检波电路 5.4 混频电路 5.5 故障诊断,【目的和要求】,掌握调制、解调及混频的含义、原理、实现方法及主要指标计算，掌握AM、DSB、SSB的时域标准表达式、频谱特点、实现电路及应用，熟悉典型的调制、解调电路、混频电路的构成、工作原理及基本分析方法，了电路的故障及混频干扰分析方法。,【重点和难点】,调制、解调及混频的含义，调幅波的基本性质 振幅调制、解调及混频电路的电路组成、工作原理、分析方法及特点 常见干扰,传输信息是人类生活的重要内容之一。传输信息的手段很多，而利
2、用无线电技术进行信息传输则占有极为重要的地位，无线电通信、广播、电视、导航、雷达、遥控遥测等，都是利用无线电技术传输各种不同信息的方式，而在这些方式中、在信息的传递过程中，都要用到调制与解调。 所谓调制，就是用待传输的低频信号去控制高频载波的参数，也就是在发方将所传送的低频信号附加在高频振荡上，再由天线发射出去。在这里，待传输的低频信号称为调制信号，已调制的高频载波称为已调波，具有调制功能的电路则称为调制电路或调制器。,解调是调制的逆过程，是指在收端从高频信号中还原出原调制信号的过程，而具有解调功能的电路则称之为解调电路或检波电路。 调制与解调都是频谱变换的过程，必须采用由非线性元件构成的、具
3、有频率变换作用的电路才能实现。调制、解调电路是现代通信设备中重要的组成部分，而在其他电子设备中也得到广泛应用。,1调制的原因,在信号传输过程中，我们所要传送的信号频率往往不是太低就是其频带太宽。 例如，人类的语音信号其频率范围为3003400Hz，而图像信号频带宽度可达6.5MHz左右，这些信号若直接通过电磁波传输则十分不利，所以必须经过调制过程。,采用调制可实现电信号的有效传输。由理论和实践证明，电磁波若要通过天线发射出去，则发射天线的尺寸至少是其波长的1/10。如果用天线将低频信号直接发射出去，则天线的尺寸必须很大。 例如频率为的电磁波，由公式可得其波长，即使取其波长的1/10，也将达到的
4、长度，可见这样长的天线在现实中是很难实现的。因此可采用调制技术先将低频信号附加在高频信号某一参量上，然后再将已调高频载波由天线发射出去，从而解决了天线尺寸的问题。,采用调制，还可以避免不同电台节目之间的干扰。因为音频信号工作于同一频率范围，所以若将音频信号直接发射出去，则会导致接收机同时收到不同电台的节目，无法进行区分、选择。 同时，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，而语音、图像等信号频率变化范围很大，则要求天线和谐振回路的参数在很宽范围内变化，这又是很难做到的。 因此，为了达到以上的要求，必须利用高频载波来传输低频信号，即将信号附加在高频载波的某一参量上来
5、传输。,2调制的方式,调制可分为连续波调制和脉冲波调制两大类。 若用调制信号去控制高频载波的振幅、频率或相位，即可得连续波调制。根据受调参数的不同可分为振幅调制、频率调制和相位调制三种方法，简称调幅、调频和调相。 脉冲波调制是先用调制信号调制脉冲波的参数（脉冲的振幅、宽度或位置），然后再用已调脉冲波去调制高频载波。根据脉冲波的不同受调参数可分为脉冲振幅、脉冲宽度、脉冲位置等调制方法。,在本章中，我们将重点介绍连续波调制的三种基本方法之一振幅调制。 振幅调制就是用调制信号（待传输的信息）去控制高频载波振幅的过程；而在接收端从已调信号中还原出原调制信号的过程则称之为振幅解调或振幅检波；混频则是将已
6、调波的载频变为另一载频已调波的过程。本章将对振幅调制、解调和混频的基本原理及常用电路进行系统的分析。,5.1 相乘器与频谱搬移电路,5.1.1 相乘器及其频谱变换作用 在振幅调制电路中我们往往采用相乘器来实现调制信号与载波的相乘，振幅调制的实现必须以相乘器为基础。相乘器是一种能够完成两个输入模拟信号相乘功能的电路或器件。,图5-1 相乘器模型的两种电路符号,设 ， ， 则相乘器的输出电压为 在上式中，两个输入信号的频率分别为X、Y，经过相乘器后，输出电压信号的频率则为二者的和频与差频，即X+Y和X-Y，所以，由此可知相乘器具有频率变换的作用，它是一非线性器件，具有非线性器件的特点。 若相乘器的
7、输入信号uiX（t）、uiY（t）分别为调制信号和高频载波，即可实现振幅调制。,5.1.2 振幅调制基本原理,振幅调制简称调幅，就是利用调制信号（待传输的基带信号或原始电信号）去控制高频载波的幅度，使高频载波的幅度随调制信号的变化规律而变化，而载波的频率、相位则保持不变。 振幅调制过程属于频谱搬移过程，调制信号的频谱在经过振幅调制后将进行不失真的线性搬移，所以振幅调制又称为线性调制。 振幅调制可分为普通调幅AM、抑制载波双边带调幅SC-DSB、单边带调幅SSB以及残留边带调幅VSB等方法。,1普通调幅的性质,设正弦型高频载波为,单音频调制信号为,普通调幅信号数学表达式为,在高频电子线路中，我们
8、往往将对信号的研究扩展至频域的范围，不仅要清楚信号在时域中的表示形式及波形，更要掌握其频谱函数及特点。所谓频谱，即信号中所包含的所有频率成分及其大小，可由频谱图来描述，用频谱来描述信号更能体现信号特征。 AM信号的频谱函数与其时域表达式为傅立叶变换与反变换的关系，其频谱是调制信号频谱的线性搬移，即将调制信号频谱搬移至载波频率的两侧。 AM信号调制的时域与频域波形变换如图5-3所示。,图5-3 AM信号调制的时域和频域波形变换,由图中的时域波形变换可知，当满足条件1时，AM信号的包络与调制信号的形状完全一致，调制信号的信息就包含在已调高频载波的振幅之中，所以在接收端只要采用包络检波的方法就会很容
9、易的恢复出原始的调制信号。 由频谱图可以看出，AM信号的频谱由载频分量、上边频、下边频三部分组成，频率高于C的为上边频，反之为下边频，而上下边频的频谱结构与调制信号的频谱结构完全相同，是调制信号频谱的线性搬移，二者关于载波分量对称。 同时，由AM信号的频谱图可得，AM信号的频带宽度为，即为调制信号频率的两倍。,图5-4 不同ma时的AM波形,在多音频调制时，调制信号的频谱具有一定的频率宽度，所以经AM调制后，具有一定频率宽度的调制信号频谱被搬移至载波频率的两侧，仍为线性搬移。其时域波形与频谱变换过程如图5-5所示。,由图5-5可知，调制信号为多音频信号时，调制后已调信号中所包含的每一频率分量都
10、将产生一对边频，所以其频谱图由载波分量、上边带和下边带组成，上、下边带的频谱分量相对于载波是对称的。 由图5-5可得多音频调制下AM信号的频带宽度为，其中fmax和fmin分别为调制信号中所包含的最高频率分量和最低频率分量。,图5-5 多音调制时AM信号时域与频域波形变换示意图,普通调幅波中的功率关系,载波功率：,每一边频功率,平均输出总功率为,边频功率随ma的增大而增加，它所增加的部分是两个边频所产生的功率，因为信号包含在边频内，所以应尽可能提高的值，增强边带功率，提高传输信号的能力。当ma =1时，边频功率为最大值，此时上、下边频功率之和只有载波功率的一半，占整个调幅波功率的1/3。而载波
11、本身并不包含信号，但其功率却占整个调幅波功率的绝大部分，而这一部分载波功率是没用的。发送端发送的功率被不携带信息的载波占去了很大比例，这显然是不经济的，这也是普通调幅波一非常明显的缺点。 但因普通调幅的调制设备简单，解调更为简单，便于接收，所以在无线电广播等某些领域仍获得了广泛的应用。,例5-1 已知一调制信号 ，载波 ，且直流电压U0=5V，求： （1）uAM（t）信号表达式； （2）uAM（t）信号频带宽度； （3）uAM（t）信号的调幅指数； （4）此uAM（t）信号一周期内的平均输出总功率，已知RL=1； （5）画出此uAM（t）信号的时域和频域波形图。,解：（1）由AM信号调制原理可
12、得,（3）由表达式可知ma=0.4,（2） 频带宽度,（4）平均输出总功率为,（5）可按前面分析自行画出此AM信号的时域与频域波形。 普通调幅波中，载波本身并不包含信号，但它的功率却占整个调幅波功率的绝大部分，而从信息传递的观点来看，这一部分载波功率是没有用的，所以，为了节省发射功率，可以只发射含有信号的上、下两个边带的信号，而不发射载波，即将载波抑制掉，这种调幅信号则称为抑制载波双边带调幅信号（SC-DSB）；也可以在将载波抑制掉的基础之上，再进一步抑制掉一个边带，只发送一个边带信号，这种调幅波仍然具有传递信息的能力，这种调幅波则称之为单边带调幅波（SSB）。,2抑制载波双边带调幅SC-DS
13、B,图5-6为抑制载波双边带调幅波调制模型。uC(t)为高频载波，u(t)为调制信号。则由图5-6可得抑制载波双边带调幅信号表达式：,DSB信号的频谱函数与其时域表达式同样互为傅立叶变换与反变换的关系，其频谱是调制信号频谱的线性搬移，即将调制信号频谱搬移至载波频率的两侧，而此时载波频率分量在DSB-DSB信号频谱中并不存在。 单音频调制下的抑制载波双边带调幅波的时域与频域波形如图5-7所示。,图5-6 SC-DSB调制模型,图5-7 单音频调制下的SC-DSB调幅信号的时域与频域波形,由图5-7a中的时域波形变换可知，双边带调幅信号的振幅是在零值上下按照调制信号的规律变化的，此时已调信号的包络
14、不再与调制信号的变化规律一致，因此在接收端是不能采用包络检波的方法来恢复原始调制信号的，只能采用相干解调的方法对其进行解调，所以其检波器较之包络检波器要复杂得多。,图5-8 多音频调制下的SC-DSB信号的频谱变换过程,3单边带调幅SSB,与普通调幅信号相比较，抑制载波双边带信号节省了载波功率，由其频谱分析可知，因为不存在载波分量，所以其调制效率为100%，即全部功率用于传输两个边带信号，边带信号中包含了待传输的调制信号信息。虽然抑制载波双边带信号在传输过程中节省了载波功率，但其传输带宽与普通调幅信号的传输带宽相同，仍为调制信号带宽的两倍，且上下边带中均包含有原调制信号的频谱成分，而通常在实际
15、通信过程中，我们只需传输其中的一个边带，即可在接收端恢复出原始调制信号。 而这种只传输一个边带信号的调幅波我们就称之为单边带调幅波（SSB）。同时，由以上分析可得单边带信号的带宽为，其带宽为普通调幅信号和抑制载波双边带信号带宽的一半。,（1）滤波法,滤波法是产生单边带信号的最直接、最简单也是最常用的方法。其产生单边带信号的过程为：首先生成抑制载波双边带信号，然后使其通过相应的边带滤波器，滤除上边带或下边带信号，即可得到单边带信号。 图5-9所示为由滤波法产生单边带信号的一般模型，即在平衡调幅器后面加上适合的滤波器，把不需要的边带滤除，只让一个边带通过。,图5-9 由滤波法产生SSB信号的一般模
16、型,在单音频调制下，SC-DSB信号为,上边带信号：,下边带信号：,单边带信号表达式：,图5-10 逐级滤波法实现SSB信号的电路模型,（2）相移法 利用移相的方法消去不需要的边带，从而产生单边带信号，即为相移法。 其原理框图如图5-11所示。图中，调制信号电压与载波信号电压均相移90。,图5-11 移相法产生SSB信号的原理模型,5.1.3 振幅解调基本原理,调幅信号的解调是调制的逆过程，也称之为检波。检波的作用就是将调制信号从已接收到的振幅已调的高频载波信号中还原出来。从频谱上看，检波是将调幅信号的频谱从高频搬移到低频，检波过程也是应用非线性元器件来实现频率变换的过程。 振幅解调可分为包络解调（检波）和相干解调（检波）两种方法。若调幅信号的包络与调制信号的变化规律一致
